JP5189009B2 - Spmにおけるプローブアプローチ方法 - Google Patents
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Description
(4)請求項2記載の発明によれば、一連の繰り返し動作を行なっている間に、ポジティブフィードバックが検出されたら、アプローチを終了することにより、安全かつ確実に斥力領域までプローブを到達させることができる。
図1は本発明方法を実施するシステム構成例を示す図である。図において、1は探針(プローブ)、2はその先端に該探針1が取り付けられたカンチレバ、3は該カンチレバ2を励振させるPZTである。4は試料、10は該試料4が載置される試料ステージ、5は試料4をX,Y2次元方向にスキャンさせるスキャナ、11は試料4をZ軸方向に移動させるモータである。ここで、試料ステージ10はX,YステージとZステージを含むものとする。11はモータであり、後述するパソコン17からの制御信号により、試料ステージ10をZ軸方向に上下動させる。
(実施例1)
Liq.FM-SPMにおいて、図7のグラフの横軸距離0[μm]の地点からアプローチ動作を行なうと仮定して説明する。
1)図2に示すように、アプローチ動作に際してPLL回路12が検出しているカンチレバ2の自励発振周波数Ref0に対して、Ref+,Ref-の2つの周波数を以下の式によって計算し、設定する。ここで、dfは任意の周波数シフト量である。ここで、dfとRef0は操作部20からパソコン17に入力される。パソコン17は、以下の式に従ってRef+とRef-を計算する。
Ref-=Ref0−df [Hz] (2)
2)パソコン17は、Zフィードバックをポジティブフィードバックとして、Ref+をフィードバックセットポイントに設定する。ここで、基準電圧発生回路15に、パソコン17から計算したRef+が入力される。
3)アプローチ動作の開始
ポジティブフィードバックにより、スキャナ5はプローブ1と試料4を接近させようとし続ける。
4)アプローチ動作中は、パソコン17は常にD−PLL回路12からの出力をモニタする。アプローチ動作により、プローブ・試料間距離が近づいていくが、プローブ1は引力領域に存在するため、周波数シフトはネガティブシフトとなり、Ref-に近づいていく。
5)パソコン17はRef0がRef-に達するまでプローブ動作を継続する。
6)Ref0がRef-に達した場合、パソコン17は一旦アプローチ動作を停止する。この時、Ref0=Ref-になっている。
7)パソコン17は、(1)式、(2)式を用いてRef+及びRef-を再計算・再設定し、2)からの手順を繰り返す。
8)最終的にはシステムは、図3に示すような状態になる。図3はアプローチ完了直前のRef-とRef+の関係を示す図である。2)からの手順を繰り返して、図3に示す状態となるのである。
9)図3の状態でアプローチ動作を継続すると、距離が180[μm]を超えた時点でポジティブシフトが生じ、それまでプローブと試料間距離を近づけようとする一方であったポジティブフィードバックが、一転してプローブと試料間距離を離そうとし始める。
10)9)の状態を検出するか、周波数信号Ref0がRef+に達した時点で、アプローチ動作を停止する。
(実施例2)
前述した実施例1において、実際にはPLL回路12の周波数検出帯域は、引力領域全体における総周波数シフト量よりも狭くなっているのが通常である。これは、FM−SPM測定において、高分解能観察を行なうためには、周波数シフト検出感度を高くしておかなければならないためである。そのため、実施例1の1)〜7)を繰り返している間に、Ref-がPLL回路12の周波数帯域外になってしまう状態が発生する。このような状態を回避するために、実施例1に対して以下の手順を追加する。
7−1)再計算されたRef-が、PLL回路12の周波数帯域外に出てしまうかを判定する。
7−2)帯域外へ出てしまう場合は、Ref0を中心にPLL回路12を再調整する。図5はRef-とPLL周波数検出帯域の関係を示す図である。(a)に示すように、初期状態からアプローチを繰り返していくと、(a)に示すようにRef-がPLL回路12の周波数検出帯域をはみ出してしまう。周波数検出帯域をはみ出してしまうと、正確なアプローチができなくなる。
7−3)そこで、PLL回路12の周波数検出帯域を再調整して、(b)に示すようにRef-がPLL回路12の周波数検出帯域をはみ出さないようにするのである。このように構成すれば、常に正確なアプローチができるようになり、Ref-がPLL回路の周波数帯域外になってしまう状態を回避することができる。
なお、ステップS8において、ポジティブフィードバックが開始されたら、アプローチを終了することは実施例1と同じである。
以上説明したように、本発明によれば、通常であれば困難な斥力領域へのプローブのアプローチを、自動的に完了させることができる。また、斥力領域へのアプローチを可能とすることにより、より表面形状に敏感なSPM測定が可能となる。更に、特にLiq.FM-SPMによる原子分解能クラスの表面形状測定を可能とすることができる。
2 カンチレバ
3 PZT
4 試料
5 スキャナ
6 レーザダイオード
7 光検出器
8 プリアンプ
10 試料ステージ
11 モータ
12 FM復調器(D−PLL)
13 アッテネータ
14 誤差アンプ
15 基準電圧発生回路
16 フィードバック回路
17 パソコン
20 操作部
21 スキャンジェネレータ
Claims (4)
- 走査型プローブ顕微鏡の試料とプローブを接近させるアプローチ動作において、
FM復調器に内蔵されるPLL回路が検出しているカンチレバの自励発信周波数Ref0に対して、コンピュータがRef+、Ref-の2つの周波数を所定の式により計算し、設定するステップ1と、
Zフィードバックをポジティブ・フィードバックとして、コンピュータがRef+をフィードバックセットポイントに設定するステップ2と、
アプローチ動作を開始するステップ3と、
コンピュータが周波数信号Ref0がRef-に近づくことを監視するステップ4と、
Ref0がRef-に一致した場合、コンピュータがアプローチ動作を停止し、前記ステップ1で用いたRef+及びRef-を再計算して設定し、前記ステップ2に戻る動作を行なうステップ5と、
ステップ5でRef0がRef-に一致しない場合、Ref0とRef+が一致したかどうかチェックするステップ6と、
ステップ6でRef0がRef+と一致した場合、コンピュータはアプローチを終了し、Ref0がRef+に一致しない場合、前記ステップ4に戻るステップ7と、
で構成されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡におけるプローブアプローチ方法。 - 前記ステップ6において、コンピュータがポジティブフィードバックが開始されたことを検知したら、アプローチを終了し、ポジティブフィードバックが開始されない場合には、ステップ4に戻ることを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡におけるプローブアプローチ方法。
- 走査型プローブ顕微鏡の試料とプローブを接近させるアプローチ動作において、
FM復調器に内蔵されるPLL回路が検出しているカンチレバの自励発信周波数Ref0に対して、コンピュータがRef+、Ref-の2つの周波数を所定の式により計算し、設定するステップ1と、
Zフィードバックをポジティブ・フィードバックとして、コンピュータがRef+をフィードバックセットポイントに設定するステップ2と、
アプローチ動作を開始するステップ3と、
コンピュータが周波数信号Ref0がRef-に近づくことを監視するステップ4と、
Ref0がRef-に一致した場合、コンピュータがアプローチ動作を停止し、前記ステップ1で用いたRef+及びRef-を再計算するステップ5と、
ステップ5でRef0がRef-に一致しない場合、Ref0とRef+が一致したかどうかチェックするステップ6と、
ステップ6でRef0がRef+と一致した場合、コンピュータはアプローチを終了し、Ref0がRef+に一致しない場合、前記ステップ4に戻るステップ7と、
前記ステップ5の後、コンピュータがPLL回路の再調整が必要かどうか判断するステップ8と、
該ステップ8において、再調整が必要な場合、PLL回路を再調整して、ステップ1に戻るステップ9と、
前記ステップ8において、再調整が必要ない場合、ステップ2に戻るステップ10と、
で構成されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡におけるプローブアプローチ方法。 - 前記ステップ6において、コンピュータがポジティブフィードバックが開始されたことを検知したら、アプローチを終了し、ポジティブフィードバックが開始されない場合には、ステップ4に戻ることを特徴とする請求項3記載の走査型プローブ顕微鏡におけるプローブアプローチ方法。
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