JP4111867B2 - 走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、先端に探針が装着されたカンチレバーをその固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で振動させ、探針と試料との間で発生する原子間力に基づき試料表面の画像観察を行う原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）などの走査形プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope；ＳＰＭ）の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査形プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡は、先端に探針が装着されたカンチレバーをその固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で加振させた状態で、カンチレバーと試料とを近づけてそれらの間に発生する原子間力に基づいてカンチレバーを撓ませ、このカンチレバーの変位（撓み）量を検出することにより、試料表面の画像観察を行うものである。
【０００３】
ところで、従来、カンチレバーの変位の検出は種々の方法が採用されているが、その検出方法の１つに、カンチレバーに設けた検出用ピエゾ素子により検出することが提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１に開示のカンチレバーの変位検出方法によれば、どのような材料でできたカンチレバーに対しても、これと一体化した変位センサーを設けることが可能となるため、カンチレバーの材料を限定することなく、変位センサーの素子構成の複雑かを阻止することができる。
【０００４】
一方、このような原子間力顕微鏡においては、カンチレバーと試料間に原子間力が働いていない状態では、カンチレバーはその固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で振動を続けるようになっており、また、カンチレバーと試料間に原子間力が働くと、カンチレバーの振動数はその固有振動数（共振周波数）またはこの固有振動数付近の周波数、つまりカンチレバーの加振振動数からシフトするようになっている。
【０００５】
そして、従来の原子間力顕微鏡には、カンチレバーの加振振動数がシフトしたときの原子間力の変化を検出し、検出した力に基づいてカンチレバーの固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で一定の力となるように試料のＺ方向（試料とカンチレバーの探針とを結ぶ方向）位置をフィードバック制御する、いわゆるＡＣモードによる試料表面の画像観察を行う原子間力顕微鏡がある。
【０００６】
また、ＡＣモードによる原子間力顕微鏡として、カンチレバーの振幅を検出するスロープ検出方式を採用したものがある。
図３は、従来の原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式を説明するためのブロック図である。図中、１は一端が支持されたピエゾカンチレバー（以下、単にカンチレバーともいう）、２はカンチレバー１の他端に固定された探針、３はカンチレバー１に設けられてこのカンチレバー１を加振する加振用ピエゾ素子、４はカンチレバー１に取り付けられてこのカンチレバー１の変位を検出する検出用ピエゾ素子（本発明の変位検出手段に相当）、５は探針２が対向する測定用の試料、６は試料５のＺ方向（図３において上下方向）の位置を制御するＺピエゾスキャナ（本発明のＺ方向走査手段に相当）、７はデジタル発振信号を出力する発振器（以下、ＤＤＳともいう）、８はＤＤＳ７からの発振信号のアンプリチュード（振幅量）をデジタル制御して加振用ピエゾ素子３に供給するデジタル制御アッテネータ（以下、Ｄ／Ａ ＡＴＴともいう）、９は検出用ピエゾ素子４からのカンチレバー変位検出信号を電圧に変換しかつ増幅するプリアンプ、１０はプリアンプ９によって増幅されたカンチレバー１変位の電圧信号における共振周波数以外の周波数成分を除去するバンドパスフィルター（以下、ＢＰＦともいう）、１１はＢＰＦ１０からの共振周波数のパラメータである振幅量を直流電圧（ＤＣ）の実効値として検出するＲＭＳ（本発明のパラメータ検出手段に相当）、１２はＲＭＳ１１からの振幅量の実効値（電圧）と参照電圧により設定された一定電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する誤差アンプ（本発明の誤差検出手段に相当）、１３は誤差アンプ１２からの誤差信号を増幅するゲイン（本発明のゲイン手段に相当）、１４はゲイン１３によって増幅された誤差信号の低周波数のみを通過するローパスフィルタ、１５はローパスフィルタ１４を通過した誤差信号に基づいてＺピエゾスキャナ６を駆動制御するＺピエゾドライバ（本発明のＺ方向走査駆動手段に相当）、１６はＤＤＳ７からのデジタル発振信号の位相を調整して出力する電圧位相シフター、１７はＢＰＦ１０からのカンチレバー１の共振周波数の位相と電圧位相シフター１６からの調整されたＤＤＳ７のデジタル発振信号の位相との位相差をＤＣ（電圧）に変換して検出する位相検出器である。
【０００７】
このＡＦＭにおいては、試料５の測定時、Ｚピエゾスキャナ６に試料５がセットされた状態で、ＤＤＳ７からのデジタルの加振信号がＤ／Ａ ＡＴＴ８でアナログに変換されて加振用ピエゾ素子３に供給される。すると、加振用ピエゾ素子３が駆動されて、カンチレバー１が加振用ピエゾ素子３によりこのカンチレバー１の固有振動数（共振周波数）で加振され、カンチレバー１はこの周波数で発振した状態に保持、制御される。
【０００８】
このようにカンチレバー１が発振した状態で、Ｚピエゾドライバ１５によりＺピエゾスキャナ６が駆動制御されて、試料５が探針２に接近される。試料５が探針２に所定量接近すると、試料５と探針２との間に原子間力が働くようになる。この原子間力により、前述のようにカンチレバーの振動数つまり共振周波数がカンチレバーの固有振動数つまり加振振動数からシフトする。このときのカンチレバーの共振周波数の振幅は原子間力の影響を反映して変化するとともにこの共振周波数の位相も原子間力の影響を反映して変化するようになる。
【０００９】
このカンチレバー１の共振周波数による発振で、カンチレバー１が変位し（撓み）、その変位量（つまり、共振周波数の振幅および位相）がカンチレバー１上に取り付けられた検出用ピエゾ４によって検出される。検出されたカンチレバー１の変位量はプリアンプ９によって電圧信号に変換され、更に、ＢＰＦ１０で共振周波数以外の周波数成分が除去される。そして、ＲＭＳ１１により共振周波数の振幅量が直流電圧（ＤＣ）の実効値として検出される。
【００１０】
次に、誤差アンプ１２により、カンチレバー１の共振周波数の振幅量の実効値（電圧）と参照電圧により設定された一定電圧との誤差が検出されて、誤差信号が出力される。この誤差信号はゲイン１３によって増幅され、増幅された誤差信号の低周波数のみがローパスフィルタ１４によって通過されて、Ｚピエゾドライバ１５に供給される。これにより、Ｚピエゾドライバ１５が駆動して、固有振動数のシフト量（ずれ）が一定となる、つまり探針２と試料５間の距離が一定となるように、Ｚピエゾスキャナ６がフィードバック制御される。このフィードバック制御において、ＲＭＳ１１から出力されるカンチレバー１の共振周波数の振幅量である実効値（電圧）が試料５の表面情報としてＲＭＳ画像信号で取得されるとともに、ローパスフィルタ１４を通過した低周波数の誤差信号が試料５の表面情報としてＴＯＰＯ画像信号で取得される。
【００１１】
なお、このとき、位相検出器１７により、ＢＰＦ１０からのカンチレバー１の共振周波数の位相と電圧位相シフター１６からの調整されたＤＤＳ７のデジタル発振信号の位相との位相差がＤＣ（電圧）として検出される。つまり、検出用ピエゾ素子４により検出されたカンチレバー１の変位検出信号と加振用ピエゾ素子３に供給された加振信号の位相差が電圧位相シフター１６によって制御される。この位相差の電圧信号が試料５の表面情報として画像位相信号で取得される。
また、他のＡＣモードによるカンチレバー１の変位検出として、前述の振幅量以外にＦＭ検出による周波数変位量の検出を用いてもよい。このＦＭ検出では、ＰＬＬ（phase lock loop）を用いたＦＭ変調回路により周波数変位量が検出される。
【００１２】
更に、検出器を一体に有するカンチレバーを備えた走査形プローブ顕微鏡において、サンプル表面の第１回の走査を行ってカンチレバーの変位を検出することでサンプル表面の形状情報を得るとともに、この形状情報を使用してプローブの高さを制御しながら第２回の走査を行ってカンチレバーの変位を検出することで、サンプル表面の形状を除くサンプル表面のパラメータを測定することが提案されている（特許文献２参照）。
この特許文献２に開示のカンチレバーの変位検出方法によれば、サンプル表面のパラメータをより正確に測定することができる。
【特許文献１】
特開平６−２６８０７号公報
【特許文献２】
特開平６−２１３９１０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の図３に示す従来の原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式においては、Ｚピエゾスキャナ６によってＺ方向の変位を制御して試料５とカンチレバー１間の距離を一定に保つようにフィードバック制御しているが、この方式のフィードバック系を安定的に動作させるためには、系の時定数を大きくする必要がある。しかし、系の時定数を大きくした場合、ＸＹ方向のスキャン（走査）スピードが高速になってくると、試料５とカンチレバー１間距離を一定に保つフィードバック制御に遅れが生じて、試料５とカンチレバー１間距離を一定に保つことが難しくなり、試料５と探針２とが接触してしまうおそれが考えられる。
【００１４】
そこで、前述の特許文献２に開示のカンチレバーの変位検出方法によるサンプルのＺ方向の位置制御をこの原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式に適用することで、試料５とカンチレバー１間距離を一定に保って試料５と探針２との接触を防止することが考えられる。
しかしながら、この特許文献２に開示のものでは、２回の走査が必要となるため、トータル的に走査に時間がかかってしまい、高速スキャンを行うことは難しい。
【００１５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＡＣモードのスロープ検出方式において、高速スキャン時にも試料とカンチレバーの探針間距離を一定に保つ制御を安定して行うことのできる走査形プローブ顕微鏡をを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、請求項１の発明は、試料をＺ方向に走査制御するＺ方向走査手段と、一端が支持されたカンチレバーと、そのカンチレバーの他端に固定され前記試料に対向する探針と、前記カンチレバーをその固有振動数またはこの固有振動数の付近の周波数の加振周波数で加振する加振手段と、前記カンチレバーに設けられてこのカンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、その変位検出手段の出力信号の特定のパラメータを検出して電圧信号として出力するパラメータ検出手段と、このパラメータ検出手段から出力される前記電圧信号と参照電圧により設定された一定電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と、この誤差検出手段から出力される誤差信号のゲインを大きくして出力するゲイン手段と、このゲイン手段からの出力信号を第１遮断周波数ｆ１より小さい周波数を出力する第１ローパスフィルタと、前記ゲイン手段からの出力信号を前記第１遮断周波数ｆ１より小さい第２遮断周波数ｆ２より小さい周波数を出力する第２ローパスフィルタと、前記第１ローパスフィルタからの出力により前記変位検出手段の出力信号の電位を制御する電位制御手段と、前記第２ローパスフィルタからの出力により前記Ｚ方向走査手段を制御するＺ方向走査駆動手段とを備えていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項２の発明は、前記パラメータが、前記変位検出手段の出力信号の振幅量、加振周波数との位相差、および周波数変位量のいずれか１つであることを特徴としている。
更に、請求項３の発明は、前記ゲイン手段が互いゲインの異なる第１および第２ゲイン手段からなり、前記第１ゲイン手段からの出力信号を前記第１ローパスフィルタに入力するとともに、前記第２ゲイン手段からの出力信号を前記第２ローパスフィルタに入力するようになっていることを特徴としている。
【００１８】
【作用】
このように構成された本発明の走査形プローブ顕微鏡においては、誤差検出手段により変位検出手段の出力信号と参照電圧との誤差信号が出力される。このとき、誤差信号は、比較的大きな第１遮断周波数ｆ１を有する第１ローパスフィルタにより設定される比較的小さな時定数と比較的小さな第２遮断周波数ｆ２を有する第２ローパスフィルタにより設定される比較的大きな時定数の２通りの時定数を持つようになる。そして、小さい時定数の誤差信号により、変位検出手段の電位によるフィードバック制御が行われるとともに、大きい時定数の誤差信号により、Ｚ方向走査手段によるフィードバック制御が行われる。
【００１９】
このようにして、Ｚ方向のフィードバック制御がＺ方向走査手段による制御と変位検出手段の電位による制御との２重フィードバック制御から構成される。この２重フィードバック制御により、固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数のシフト量（ずれ）が一定となるように制御される。これにより、ＡＣモードのスロープ検出方式において、高速スキャン時にも試料とカンチレバーの探針間距離を一定に保つ制御が安定して行われるようになる。
その場合、第１および第２ローパスフィルタの第１および第２遮断周波数ｆ１,ｆ２、つまり誤差検出手段が出力する誤差信号の時定数をカンチレバーの固有振動数等に応じて最適化させることにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御がより一層安定して行われる。
【００２０】
また、フィードバック系に２つのゲインの異なる第１および第２ゲイン手段が設けられることにより、２重フィードバック制御において、誤差検出手段の誤差信号がそれぞれのフィードバック系に最適なゲインの誤差信号にされて第１および第２ローパスフィルタに入力される。これにより、Ｚ方向のフィードバック制御がより最適に行われるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかる走査形プローブ顕微鏡の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した一例を模式的に示す、図３と同様のブロック図である。なお、前述の図３に示す従来例と同じ構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
この例の原子間力顕微鏡は前述の図３に示す従来例の原子間力顕微鏡に対して、次の点が異なる。
すなわち、前述の図３に示す従来例では、誤差アンプ１２からの誤差信号がゲイン１３およびローパスフィルタ１４を介してＺピエゾドライバ１５に供給されるようになっているが、図１に示すように、この例における原子間力顕微鏡では、誤差アンプ１２から出力される誤差信号にゲイン１３により任意のゲインを持たせて、２種類の第１および第２ローパスフィルタ１８,１９にそれぞれ供給するようにしている。その場合、第１ローパスフィルタ１８の遮断周波数ｆ１と第２ローパスフィルタ１９の遮断周波数ｆ２は、ｆ１＞ｆ２となるように設定されている。
そして、誤差アンプ１２が出力する誤差信号は、大きな遮断周波数ｆ１を有する第１ローパスフィルタ８により設定される比較的小さな時定数の誤差信号と小さな遮断周波数ｆ２を有する第２ローパスフィルタ１９により設定される比較的大きな時定数の誤差信号との２通りの時定数を持つ誤差信号にされる。
【００２３】
また、プリアンプ９は加算器９ａとゲイン９ｂとを備えており、これらにより本発明の電位制御手段が構成されている。そして、これらの加算器９ａとゲイン９ｂは、検出用ピエゾ素子４からの出力電圧Ｖａを第１ローパスフィルタ１８からの誤差信号である出力電圧Ｖｂとなる、つまりＶａ＝Ｖｂとなるようにフィードバック制御する。すなわち、時定数の小さい誤差信号で検出用ピエゾ素子４の電位を制御することにより、高速スキャンにおいて試料５表面の小さな凹凸を検出するようにしている。
【００２４】
一方、第２ローパスフィルタ１９からの出力電圧がＺピエゾドライバ１５に供給され、Ｚピエゾスキャナ６がＺピエゾドライバ１５によりこの出力電圧に基づいて制御される。すなわち、時定数の大きい誤差信号でＺピエゾスキャナ６を制御することにより、高速スキャンにおいて試料５表面の大きな凹凸を検出するようにしている。
【００２５】
このように、Ｚ方向のフィードバック制御は、時定数の大きな信号に基づくＺピエゾスキャナ６による制御と時定数の小さな信号に基づく検出用ピエゾ素子４の電位による制御との２重フィードバック制御として設定されている。これにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御が安定して行われるようになる。その場合、第１および第２ローパスフィルタ１８,１９の遮断周波数ｆ１,ｆ２、つまり前述の大小の時定数をカンチレバー１の固有振動数等に応じて最適化させることにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御がより一層安定して行われるようになる。
【００２６】
なお、この例の原子間力顕微鏡では、第１および第２ローパスフィルタ１８,１９の出力を加算器（ＡＤＤアンプ）２０で加算することにより、ＴＯＰＯ画像信号を取得している。
この例の原子間力顕微鏡の他の構成および他の作用効果は、前述の図３に示す従来例と同じである。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した他の例を模式的に示す、図１および図３と同様のブロック図である。なお、前述の図１および図３に示す各例と同じ構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。
この例の原子間力顕微鏡は前述の図１に示す例の原子間力顕微鏡に対して、次の点が異なる。
【００２８】
すなわち、前述の図１に示す例の原子間力顕微鏡では、第１および第２ローパスフィルタ１８,１９に１つのゲイン１３から出力される誤差信号が入力されるようになっているが、図２に示すように、この例の原子間力顕微鏡では、フィードバック系に２つのゲインの異なる第１および第２ゲイン（本発明の第１および第２ゲイン手段に相当）２１,２２が設けられている。その場合、第１ゲイン２１の出力が第１ローパスフィルタ１８に入力されるようになっているとともに、第２ゲイン２２の出力が第２ローパスフィルタ１９に入力されるようになっている。このように２重フィードバック制御において、誤差アンプ１２からの誤差信号をそれぞれのフィードバック系に最適なゲインの誤差信号にして第１および第２ローパスフィルタ１８,１９に入力することにより、より最適なＺ方向のフィードバック制御を行うことができるようになる。
この例の原子間力顕微鏡の他の構成および他の作用効果は、前述の図１に示す例と同じである。
【００２９】
なお、前述の各例では、カンチレバー１の変位検出信号のパラメータとしてこの変位検出信号の振幅を用い、この振幅によりＺ方向のフィードバック制御を行うものとしているが、本発明はこれに限定されることはなく、変位検出信号のパラメータとして、例えばカンチレバー１の変位検出信号と加振周波数との位相差あるいはカンチレバー１の変位検出信号の周波数変位量を用いることにより、Ｚ方向のフィードバック制御を行うこともできる。
また、前述の各例では、アナログにより２重のＺ方向フィードバック制御を行うものとしているが、２重のＺ方向フィードバック制御の少なくとも一方をデジタルによるフィードバック制御にすることもできる。
【００３０】
更に、前述の各例では、本発明を原子間力顕微鏡に適用して説明しているが、カンチレバー１の変位を検出する検出器を一体に有するカンチレバーを備えていれば、本発明を原子間力顕微鏡以外の他の走査形プローブ顕微鏡にも適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる走査形プローブ顕微鏡によれば、Ｚ方向のフィードバック制御を、時定数の比較的大きな誤差信号に基づくＺ方向走査手段による制御と、時定数の比較的小さな誤差信号に基づく変位検出手段の電位による制御との２重フィードバック制御から構成しているので、ＡＣモードのスロープ検出方式において、高速スキャン時にも試料とカンチレバーの探針間距離を一定に保つ制御を安定して行うことができるようになる。
その場合、第１および第２ローパスフィルタの第１および第２遮断周波数ｆ１,ｆ２、つまり誤差検出手段が出力する誤差信号の時定数をカンチレバーの固有振動数等に応じて最適化させることにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御をより一層安定して行うことができる。
【００３２】
また、フィードバック系に２つのゲインの異なる第１および第２ゲイン手段を設けているので、２重フィードバック制御において、誤差検出手段の誤差信号をそれぞれのフィードバック系に最適なゲインの誤差信号にされて第１および第２ローパスフィルタに入力することができる。これにより、Ｚ方向のフィードバック制御をより最適に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる走査形プローブ顕微鏡の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した一例を模式的に示すブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した他の例を模式的に示すブロック図である。
【図３】 従来の原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１…ピエゾカンチレバー、２…探針、３…加振用ピエゾ素子、４…検出用ピエゾ素子、５…試料、６…Ｚピエゾスキャナ、７…発振器、８…デジタル／アナログ変換アッテネータ、９…プリアンプ、９ａ…加算器、９ｂ…ゲイン、１０…バンドパスフィルター、１１…ＲＭＳ、１２…誤差アンプ、１３…ゲイン、１４…ローパスフィルタ、１５…Ｚピエゾドライバ、１６…電圧位相シフター、１７…位相検出器、１８…第１ローパスフィルタ、１９…第２ローパスフィルタ、２１…第１ゲイン、２２…第２ゲイン
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、先端に探針が装着されたカンチレバーをその固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で振動させ、探針と試料との間で発生する原子間力に基づき試料表面の画像観察を行う原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope；ＡＦＭ）などの走査形プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope；ＳＰＭ）の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査形プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡は、先端に探針が装着されたカンチレバーをその固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で加振させた状態で、カンチレバーと試料とを近づけてそれらの間に発生する原子間力に基づいてカンチレバーを撓ませ、このカンチレバーの変位（撓み）量を検出することにより、試料表面の画像観察を行うものである。
【０００３】
ところで、従来、カンチレバーの変位の検出は種々の方法が採用されているが、その検出方法の１つに、カンチレバーに設けた検出用ピエゾ素子により検出することが提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１に開示のカンチレバーの変位検出方法によれば、どのような材料でできたカンチレバーに対しても、これと一体化した変位センサーを設けることが可能となるため、カンチレバーの材料を限定することなく、変位センサーの素子構成の複雑かを阻止することができる。
【０００４】
一方、このような原子間力顕微鏡においては、カンチレバーと試料間に原子間力が働いていない状態では、カンチレバーはその固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で振動を続けるようになっており、また、カンチレバーと試料間に原子間力が働くと、カンチレバーの振動数はその固有振動数（共振周波数）またはこの固有振動数付近の周波数、つまりカンチレバーの加振振動数からシフトするようになっている。
【０００５】
そして、従来の原子間力顕微鏡には、カンチレバーの加振振動数がシフトしたときの原子間力の変化を検出し、検出した力に基づいてカンチレバーの固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数で一定の力となるように試料のＺ方向（試料とカンチレバーの探針とを結ぶ方向）位置をフィードバック制御する、いわゆるＡＣモードによる試料表面の画像観察を行う原子間力顕微鏡がある。
【０００６】
また、ＡＣモードによる原子間力顕微鏡として、カンチレバーの振幅を検出するスロープ検出方式を採用したものがある。
図３は、従来の原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式を説明するためのブロック図である。図中、１は一端が支持されたピエゾカンチレバー（以下、単にカンチレバーともいう）、２はカンチレバー１の他端に固定された探針、３はカンチレバー１に設けられてこのカンチレバー１を加振する加振用ピエゾ素子、４はカンチレバー１に取り付けられてこのカンチレバー１の変位を検出する検出用ピエゾ素子（本発明の変位検出手段に相当）、５は探針２が対向する測定用の試料、６は試料５のＺ方向（図３において上下方向）の位置を制御するＺピエゾスキャナ（本発明のＺ方向走査手段に相当）、７はデジタル発振信号を出力する発振器（以下、ＤＤＳともいう）、８はＤＤＳ７からの発振信号のアンプリチュード（振幅量）をデジタル制御して加振用ピエゾ素子３に供給するデジタル制御アッテネータ（以下、Ｄ／Ａ ＡＴＴともいう）、９は検出用ピエゾ素子４からのカンチレバー変位検出信号を電圧に変換しかつ増幅するプリアンプ、１０はプリアンプ９によって増幅されたカンチレバー１変位の電圧信号における共振周波数以外の周波数成分を除去するバンドパスフィルター（以下、ＢＰＦともいう）、１１はＢＰＦ１０からの共振周波数のパラメータである振幅量を直流電圧（ＤＣ）の実効値として検出するＲＭＳ（本発明のパラメータ検出手段に相当）、１２はＲＭＳ１１からの振幅量の実効値（電圧）と参照電圧により設定された一定電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する誤差アンプ（本発明の誤差検出手段に相当）、１３は誤差アンプ１２からの誤差信号を増幅するゲイン（本発明のゲイン手段に相当）、１４はゲイン１３によって増幅された誤差信号の低周波数のみを通過するローパスフィルタ、１５はローパスフィルタ１４を通過した誤差信号に基づいてＺピエゾスキャナ６を駆動制御するＺピエゾドライバ（本発明のＺ方向走査駆動手段に相当）、１６はＤＤＳ７からのデジタル発振信号の位相を調整して出力する電圧位相シフター、１７はＢＰＦ１０からのカンチレバー１の共振周波数の位相と電圧位相シフター１６からの調整されたＤＤＳ７のデジタル発振信号の位相との位相差をＤＣ（電圧）に変換して検出する位相検出器である。
【０００７】
このＡＦＭにおいては、試料５の測定時、Ｚピエゾスキャナ６に試料５がセットされた状態で、ＤＤＳ７からのデジタルの加振信号がＤ／Ａ ＡＴＴ８でアナログに変換されて加振用ピエゾ素子３に供給される。すると、加振用ピエゾ素子３が駆動されて、カンチレバー１が加振用ピエゾ素子３によりこのカンチレバー１の固有振動数（共振周波数）で加振され、カンチレバー１はこの周波数で発振した状態に保持、制御される。
【０００８】
このようにカンチレバー１が発振した状態で、Ｚピエゾドライバ１５によりＺピエゾスキャナ６が駆動制御されて、試料５が探針２に接近される。試料５が探針２に所定量接近すると、試料５と探針２との間に原子間力が働くようになる。この原子間力により、前述のようにカンチレバーの振動数つまり共振周波数がカンチレバーの固有振動数つまり加振振動数からシフトする。このときのカンチレバーの共振周波数の振幅は原子間力の影響を反映して変化するとともにこの共振周波数の位相も原子間力の影響を反映して変化するようになる。
【０００９】
このカンチレバー１の共振周波数による発振で、カンチレバー１が変位し（撓み）、その変位量（つまり、共振周波数の振幅および位相）がカンチレバー１上に取り付けられた検出用ピエゾ４によって検出される。検出されたカンチレバー１の変位量はプリアンプ９によって電圧信号に変換され、更に、ＢＰＦ１０で共振周波数以外の周波数成分が除去される。そして、ＲＭＳ１１により共振周波数の振幅量が直流電圧（ＤＣ）の実効値として検出される。
【００１０】
次に、誤差アンプ１２により、カンチレバー１の共振周波数の振幅量の実効値（電圧）と参照電圧により設定された一定電圧との誤差が検出されて、誤差信号が出力される。この誤差信号はゲイン１３によって増幅され、増幅された誤差信号の低周波数のみがローパスフィルタ１４によって通過されて、Ｚピエゾドライバ１５に供給される。これにより、Ｚピエゾドライバ１５が駆動して、固有振動数のシフト量（ずれ）が一定となる、つまり探針２と試料５間の距離が一定となるように、Ｚピエゾスキャナ６がフィードバック制御される。このフィードバック制御において、ＲＭＳ１１から出力されるカンチレバー１の共振周波数の振幅量である実効値（電圧）が試料５の表面情報としてＲＭＳ画像信号で取得されるとともに、ローパスフィルタ１４を通過した低周波数の誤差信号が試料５の表面情報としてＴＯＰＯ画像信号で取得される。
【００１１】
なお、このとき、位相検出器１７により、ＢＰＦ１０からのカンチレバー１の共振周波数の位相と電圧位相シフター１６からの調整されたＤＤＳ７のデジタル発振信号の位相との位相差がＤＣ（電圧）として検出される。つまり、検出用ピエゾ素子４により検出されたカンチレバー１の変位検出信号と加振用ピエゾ素子３に供給された加振信号の位相差が電圧位相シフター１６によって制御される。この位相差の電圧信号が試料５の表面情報として画像位相信号で取得される。
また、他のＡＣモードによるカンチレバー１の変位検出として、前述の振幅量以外にＦＭ検出による周波数変位量の検出を用いてもよい。このＦＭ検出では、ＰＬＬ（phase lock loop）を用いたＦＭ変調回路により周波数変位量が検出される。
【００１２】
更に、検出器を一体に有するカンチレバーを備えた走査形プローブ顕微鏡において、サンプル表面の第１回の走査を行ってカンチレバーの変位を検出することでサンプル表面の形状情報を得るとともに、この形状情報を使用してプローブの高さを制御しながら第２回の走査を行ってカンチレバーの変位を検出することで、サンプル表面の形状を除くサンプル表面のパラメータを測定することが提案されている（特許文献２参照）。
この特許文献２に開示のカンチレバーの変位検出方法によれば、サンプル表面のパラメータをより正確に測定することができる。
【特許文献１】
特開平６−２６８０７号公報
【特許文献２】
特開平６−２１３９１０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の図３に示す従来の原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式においては、Ｚピエゾスキャナ６によってＺ方向の変位を制御して試料５とカンチレバー１間の距離を一定に保つようにフィードバック制御しているが、この方式のフィードバック系を安定的に動作させるためには、系の時定数を大きくする必要がある。しかし、系の時定数を大きくした場合、ＸＹ方向のスキャン（走査）スピードが高速になってくると、試料５とカンチレバー１間距離を一定に保つフィードバック制御に遅れが生じて、試料５とカンチレバー１間距離を一定に保つことが難しくなり、試料５と探針２とが接触してしまうおそれが考えられる。
【００１４】
そこで、前述の特許文献２に開示のカンチレバーの変位検出方法によるサンプルのＺ方向の位置制御をこの原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式に適用することで、試料５とカンチレバー１間距離を一定に保って試料５と探針２との接触を防止することが考えられる。
しかしながら、この特許文献２に開示のものでは、２回の走査が必要となるため、トータル的に走査に時間がかかってしまい、高速スキャンを行うことは難しい。
【００１５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＡＣモードのスロープ検出方式において、高速スキャン時にも試料とカンチレバーの探針間距離を一定に保つ制御を安定して行うことのできる走査形プローブ顕微鏡をを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、請求項１の発明は、試料をＺ方向に走査制御するＺ方向走査手段と、一端が支持されたカンチレバーと、そのカンチレバーの他端に固定され前記試料に対向する探針と、前記カンチレバーをその固有振動数またはこの固有振動数の付近の周波数の加振周波数で加振する加振手段と、前記カンチレバーに設けられてこのカンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、その変位検出手段の出力信号の特定のパラメータを検出して電圧信号として出力するパラメータ検出手段と、このパラメータ検出手段から出力される前記電圧信号と参照電圧により設定された一定電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と、この誤差検出手段から出力される誤差信号のゲインを大きくして出力するゲイン手段と、このゲイン手段からの出力信号を第１遮断周波数ｆ１より小さい周波数を出力する第１ローパスフィルタと、前記ゲイン手段からの出力信号を前記第１遮断周波数ｆ１より小さい第２遮断周波数ｆ２より小さい周波数を出力する第２ローパスフィルタと、前記第１ローパスフィルタからの出力により前記変位検出手段の出力信号の電位を制御する電位制御手段と、前記第２ローパスフィルタからの出力により前記Ｚ方向走査手段を制御するＺ方向走査駆動手段とを備えていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項２の発明は、前記パラメータが、前記変位検出手段の出力信号の振幅量、加振周波数との位相差、および周波数変位量のいずれか１つであることを特徴としている。
更に、請求項３の発明は、前記ゲイン手段が互いゲインの異なる第１および第２ゲイン手段からなり、前記第１ゲイン手段からの出力信号を前記第１ローパスフィルタに入力するとともに、前記第２ゲイン手段からの出力信号を前記第２ローパスフィルタに入力するようになっていることを特徴としている。
【００１８】
【作用】
このように構成された本発明の走査形プローブ顕微鏡においては、誤差検出手段により変位検出手段の出力信号と参照電圧との誤差信号が出力される。このとき、誤差信号は、比較的大きな第１遮断周波数ｆ１を有する第１ローパスフィルタにより設定される比較的小さな時定数と比較的小さな第２遮断周波数ｆ２を有する第２ローパスフィルタにより設定される比較的大きな時定数の２通りの時定数を持つようになる。そして、小さい時定数の誤差信号により、変位検出手段の電位によるフィードバック制御が行われるとともに、大きい時定数の誤差信号により、Ｚ方向走査手段によるフィードバック制御が行われる。
【００１９】
このようにして、Ｚ方向のフィードバック制御がＺ方向走査手段による制御と変位検出手段の電位による制御との２重フィードバック制御から構成される。この２重フィードバック制御により、固有振動数またはこの固有振動数付近の周波数のシフト量（ずれ）が一定となるように制御される。これにより、ＡＣモードのスロープ検出方式において、高速スキャン時にも試料とカンチレバーの探針間距離を一定に保つ制御が安定して行われるようになる。
その場合、第１および第２ローパスフィルタの第１および第２遮断周波数ｆ１,ｆ２、つまり誤差検出手段が出力する誤差信号の時定数をカンチレバーの固有振動数等に応じて最適化させることにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御がより一層安定して行われる。
【００２０】
また、フィードバック系に２つのゲインの異なる第１および第２ゲイン手段が設けられることにより、２重フィードバック制御において、誤差検出手段の誤差信号がそれぞれのフィードバック系に最適なゲインの誤差信号にされて第１および第２ローパスフィルタに入力される。これにより、Ｚ方向のフィードバック制御がより最適に行われるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかる走査形プローブ顕微鏡の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した一例を模式的に示す、図３と同様のブロック図である。なお、前述の図３に示す従来例と同じ構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
この例の原子間力顕微鏡は前述の図３に示す従来例の原子間力顕微鏡に対して、次の点が異なる。
すなわち、前述の図３に示す従来例では、誤差アンプ１２からの誤差信号がゲイン１３およびローパスフィルタ１４を介してＺピエゾドライバ１５に供給されるようになっているが、図１に示すように、この例における原子間力顕微鏡では、誤差アンプ１２から出力される誤差信号にゲイン１３により任意のゲインを持たせて、２種類の第１および第２ローパスフィルタ１８,１９にそれぞれ供給するようにしている。その場合、第１ローパスフィルタ１８の遮断周波数ｆ１と第２ローパスフィルタ１９の遮断周波数ｆ２は、ｆ１＞ｆ２となるように設定されている。
そして、誤差アンプ１２が出力する誤差信号は、大きな遮断周波数ｆ１を有する第１ローパスフィルタ８により設定される比較的小さな時定数の誤差信号と小さな遮断周波数ｆ２を有する第２ローパスフィルタ１９により設定される比較的大きな時定数の誤差信号との２通りの時定数を持つ誤差信号にされる。
【００２３】
また、プリアンプ９は加算器９ａとゲイン９ｂとを備えており、これらにより本発明の電位制御手段が構成されている。そして、これらの加算器９ａとゲイン９ｂは、検出用ピエゾ素子４からの出力電圧Ｖａを第１ローパスフィルタ１８からの誤差信号である出力電圧Ｖｂとなる、つまりＶａ＝Ｖｂとなるようにフィードバック制御する。すなわち、時定数の小さい誤差信号で検出用ピエゾ素子４の電位を制御することにより、高速スキャンにおいて試料５表面の小さな凹凸を検出するようにしている。
【００２４】
一方、第２ローパスフィルタ１９からの出力電圧がＺピエゾドライバ１５に供給され、Ｚピエゾスキャナ６がＺピエゾドライバ１５によりこの出力電圧に基づいて制御される。すなわち、時定数の大きい誤差信号でＺピエゾスキャナ６を制御することにより、高速スキャンにおいて試料５表面の大きな凹凸を検出するようにしている。
【００２５】
このように、Ｚ方向のフィードバック制御は、時定数の大きな信号に基づくＺピエゾスキャナ６による制御と時定数の小さな信号に基づく検出用ピエゾ素子４の電位による制御との２重フィードバック制御として設定されている。これにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御が安定して行われるようになる。その場合、第１および第２ローパスフィルタ１８,１９の遮断周波数ｆ１,ｆ２、つまり前述の大小の時定数をカンチレバー１の固有振動数等に応じて最適化させることにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御がより一層安定して行われるようになる。
【００２６】
なお、この例の原子間力顕微鏡では、第１および第２ローパスフィルタ１８,１９の出力を加算器（ＡＤＤアンプ）２０で加算することにより、ＴＯＰＯ画像信号を取得している。
この例の原子間力顕微鏡の他の構成および他の作用効果は、前述の図３に示す従来例と同じである。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した他の例を模式的に示す、図１および図３と同様のブロック図である。なお、前述の図１および図３に示す各例と同じ構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。
この例の原子間力顕微鏡は前述の図１に示す例の原子間力顕微鏡に対して、次の点が異なる。
【００２８】
すなわち、前述の図１に示す例の原子間力顕微鏡では、第１および第２ローパスフィルタ１８,１９に１つのゲイン１３から出力される誤差信号が入力されるようになっているが、図２に示すように、この例の原子間力顕微鏡では、フィードバック系に２つのゲインの異なる第１および第２ゲイン（本発明の第１および第２ゲイン手段に相当）２１,２２が設けられている。その場合、第１ゲイン２１の出力が第１ローパスフィルタ１８に入力されるようになっているとともに、第２ゲイン２２の出力が第２ローパスフィルタ１９に入力されるようになっている。このように２重フィードバック制御において、誤差アンプ１２からの誤差信号をそれぞれのフィードバック系に最適なゲインの誤差信号にして第１および第２ローパスフィルタ１８,１９に入力することにより、より最適なＺ方向のフィードバック制御を行うことができるようになる。
この例の原子間力顕微鏡の他の構成および他の作用効果は、前述の図１に示す例と同じである。
【００２９】
なお、前述の各例では、カンチレバー１の変位検出信号のパラメータとしてこの変位検出信号の振幅を用い、この振幅によりＺ方向のフィードバック制御を行うものとしているが、本発明はこれに限定されることはなく、変位検出信号のパラメータとして、例えばカンチレバー１の変位検出信号と加振周波数との位相差あるいはカンチレバー１の変位検出信号の周波数変位量を用いることにより、Ｚ方向のフィードバック制御を行うこともできる。
また、前述の各例では、アナログにより２重のＺ方向フィードバック制御を行うものとしているが、２重のＺ方向フィードバック制御の少なくとも一方をデジタルによるフィードバック制御にすることもできる。
【００３０】
更に、前述の各例では、本発明を原子間力顕微鏡に適用して説明しているが、カンチレバー１の変位を検出する検出器を一体に有するカンチレバーを備えていれば、本発明を原子間力顕微鏡以外の他の走査形プローブ顕微鏡にも適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる走査形プローブ顕微鏡によれば、Ｚ方向のフィードバック制御を、時定数の比較的大きな誤差信号に基づくＺ方向走査手段による制御と、時定数の比較的小さな誤差信号に基づく変位検出手段の電位による制御との２重フィードバック制御から構成しているので、ＡＣモードのスロープ検出方式において、高速スキャン時にも試料とカンチレバーの探針間距離を一定に保つ制御を安定して行うことができるようになる。
その場合、第１および第２ローパスフィルタの第１および第２遮断周波数ｆ１,ｆ２、つまり誤差検出手段が出力する誤差信号の時定数をカンチレバーの固有振動数等に応じて最適化させることにより、高速スキャンにおいてＺ方向のフィードバック制御をより一層安定して行うことができる。
【００３２】
また、フィードバック系に２つのゲインの異なる第１および第２ゲイン手段を設けているので、２重フィードバック制御において、誤差検出手段の誤差信号をそれぞれのフィードバック系に最適なゲインの誤差信号にされて第１および第２ローパスフィルタに入力することができる。これにより、Ｚ方向のフィードバック制御をより最適に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる走査形プローブ顕微鏡の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した一例を模式的に示すブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態で原子間力顕微鏡に適用した他の例を模式的に示すブロック図である。
【図３】 従来の原子間力顕微鏡のＡＣモードのスロープ検出方式を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１…ピエゾカンチレバー、２…探針、３…加振用ピエゾ素子、４…検出用ピエゾ素子、５…試料、６…Ｚピエゾスキャナ、７…発振器、８…デジタル／アナログ変換アッテネータ、９…プリアンプ、９ａ…加算器、９ｂ…ゲイン、１０…バンドパスフィルター、１１…ＲＭＳ、１２…誤差アンプ、１３…ゲイン、１４…ローパスフィルタ、１５…Ｚピエゾドライバ、１６…電圧位相シフター、１７…位相検出器、１８…第１ローパスフィルタ、１９…第２ローパスフィルタ、２１…第１ゲイン、２２…第２ゲイン
Claims (3)
- 試料をＺ方向に走査制御するＺ方向走査手段と、一端が支持されたカンチレバーと、そのカンチレバーの他端に固定され前記試料に対向する探針と、前記カンチレバーに設けられてこのカンチレバーの変位を検出する変位検出手段と、その変位検出手段の出力信号の特定のパラメータを検出して電圧信号として出力するパラメータ検出手段と、このパラメータ検出手段から出力される前記電圧信号と参照電圧により設定された一定電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と、この誤差検出手段から出力される誤差信号のゲインを大きくして出力するゲイン手段と、このゲイン手段からの出力信号を第１遮断周波数ｆ１より小さい周波数を出力する第１ローパスフィルタと、前記ゲイン手段からの出力信号を前記第１遮断周波数ｆ１より小さい第２遮断周波数ｆ２より小さい周波数を出力する第２ローパスフィルタと、前記第１ローパスフィルタからの出力により前記変位検出手段の出力信号の電位を制御する電位制御手段と、前記第２ローパスフィルタからの出力により前記Ｚ方向走査手段を制御するＺ方向走査駆動手段とを備えていることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
- 前記パラメータは、前記変位検出手段の出力信号の振幅量、加振周波数との位相差、および周波数変位量のいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の走査形プローブ顕微鏡。
- 前記ゲイン手段は互いゲインの異なる第１および第２ゲイン手段からなり、前記第１ゲイン手段からの出力信号を前記第１ローパスフィルタに入力するとともに、前記第２ゲイン手段からの出力信号を前記第２ローパスフィルタに入力するようになっていることを特徴とする請求項１または２記載の走査形プローブ顕微鏡。
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