JP5277378B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
Gajendra S. Shekhawat and Vinayak P. Dravid, Nanoscale Imaging of Buried Structures via Scanning Near-Field Ultrasound Holography, Science, USA, the American Association for the Advancement of Science, (October 7, 2005) VOL310, Pages 89-92.).
本発明では、超音波を使ったフィードバック制御が、好ましくは、更に下記に説明されるように改良される。
本発明は、干渉振幅がセットポイントより小さいときと比較して、干渉振幅が目標値より大きいときのフィードバックゲインを増大させる。これにより、干渉振幅がセットポイントより大きくなったときに、探針と試料をより早く離れさせることができる。
干渉振幅がセットポイント付近にあるときは、上記の制御により、非接触状態が極力保たれる。しかし、試料形状等が原因で、干渉振幅がセットポイントから離れてしまうこともあり得る。このような場合に下記の制御が有効に機能する。
図4に示すように、干渉振幅の上限設定値として、上限振幅A1が設定される。また、撓みの1段目の上限設定値として、第1上限撓みD1が設定される。上限振幅A1は、本発明の振幅調整用のしきい振幅に相当し、第1上限撓みD1は、本発明の振幅調整用のしきい撓みに相当する。第1上限撓みD1は、図示のように、探針の接触直後に対応する小さい値に設定されている。
また、図4に示されるように、撓みの2段目の上限設定値として、第2上限撓みD2が設定される。第2上限撓みD2は、第1上限撓みD1より大きく設定され、ノイズ等を考慮しても確実に接触状態が生じているときの撓みに設定されている。第2上限撓みD2は、本発明のフィードバック信号調整用のしきい撓みに相当する。
次に、図5のAFM1における抽出部25の構成について更に説明する。カンチレバー3のレバー振動信号は、レバー側周波数f2の成分と、試料側周波数f1の成分と、超音波の非線形干渉により生じた周波数Δf(=|f1−f2|)の成分とを含んでいる。周波数Δfの成分が、本発明の干渉信号であり、抽出部25により抽出される。抽出部25はローパスフィルタであってもよいが、好ましくは抽出部25は、下記のフーリエフィルタを有する。
振幅検出部27は、既に説明したように、干渉信号の振幅、すなわち本発明の干渉振幅を検出する。振幅検出部27は、(a2+b2)1/2(図6におけるaの2条とbの2条の和の平方根)を求める回路であってよい。しかし、より好ましくは、振幅検出部27の回路は、干渉信号の1周期内の最高点(山)と最低点(谷)(又は最低点と最高点)が出力されてから半周期以内の最高点及び最低点の差を出力する。これにより、振幅検出を高速化できる。
図7は、本実施の形態におけるフィードバック制御部29の好適な構成を示している。フィードバック制御部29は、減算回路61、ダイナミックPID回路63及びフィードバックゲイン調整回路65を有している。
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。この実施の形態は、図4を用いて説明したようにカンチレバーの撓みを利用したフィードバック制御を行う。
(試料側周波数f1又はレバー側周波数f2の成分)
本発明は、レバー振動信号から、非接触状態にある探針及び試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分を抽出し、特定周波数成分の振幅のフィードバック制御を行う。特定周波数成分は、上記の干渉信号以外の信号でもよい。以下に説明するように、特定周波数成分として、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分を利用可能である。
また、図3に示したように、干渉信号は、2相性を有しており、すなわち、非接触領域で増大、それから接触領域で減少した。これに対して、f1振幅は、探針が試料表面に接触した後も更に減少し続ける特性を有し、つまり2相性を示さない。そのため、振幅のみからは、探針が試料表面に接触したかどうかが分からない。この場合でも、干渉信号を用いる場合と同様の原理を適用することによりフィードバック制御が好適に改良され、非接触状態が好適に保たれる。
本発明は、f1振幅がセットポイントより大きいときと比較して、f1振幅が目標値より小さいときのフィードバックゲインを増大させる。好適には、f1振幅が目標値より大きいときは、フィードバックゲインが固定されていてよい。f1振幅が目標値より小さいときに、f1振幅と目標値の差に応じてフィードバックゲインが増大される。f1振幅と目標値の差に比例してフィードバックゲインが増大してよい。
干渉振幅を用いる場合、撓みを利用した制御が好適に行われた。f1振幅を用いる場合にも撓みが好適に利用される。すなわち、本発明は、撓みが生じたときにカンチレバーと試料を離れさせることにより、探針が試料に過度に接触するのを防止できる。具体的には、f1振幅の検出値が調整され、調整後のf1振幅を用いてフィードバック信号が生成されてよい。また、フィードバック信号の生成時又は生成後に、フィードバック信号が調整されてよい。ここでフィードバック信号とは、f1振幅を目標値に保つようにアクチュエータ(スキャナ)を駆動するための制御信号である。具体例を下記に挙げる。
図11に示すように、f1振幅の下限設定値として、下限振幅A2が設定される。また、撓みの1段目の上限設定値として、第1上限撓みD1が設定される。下限振幅A2は、本発明の振幅調整用のしきい振幅に相当し、第1上限撓みD1は、本発明の振幅調整用のしきい撓みに相当する。第1上限撓みD1は、図示のように、探針の接触直後に対応する小さい値に設定されている。
また、図11に示されるように、撓みの2段目の上限設定値として、第2上限撓みD2が設定される。第2上限撓みD2は、第1上限撓みD1より大きく設定され、ノイズ等を考慮しても確実に接触状態が生じているときの撓みに設定されている。第2上限撓みD2は、本発明のフィードバック信号調整用のしきい撓みに相当する。本発明によれば、カンチレバーの撓みが第2上限撓みD2より大きい場合、カンチレバーと試料を強制的に引き離す値へとフィードバック信号が調整される。これにより、探針と試料が接触してしまった場合に、より早く非接触状態を回復できる。
次に、f1振幅を用いる場合のSPMの構成の具体例を説明する。
(カンチレバーの撓みを用いる場合)
次に、カンチレバーの撓みを用いる場合のSPMの構成を説明する。
最後に、レバー側周波数f2の成分を利用する構成について述べる。非接触状態で探針と試料が近づくとき、試料側周波数f1の成分の振幅だけでなく、レバー側周波数f2の成分の振幅も減少する。このような現象の原因は、試料側周波数f1の成分と同様に考えられる。すなわち、レバー側周波数f2の振動エネルギーの一部が干渉信号(周波数Δf=|f1−f2|)の振動エネルギーに変換されていると考えられる。そして、レバー側周波数f2の成分の振幅変化も、超音波干渉によって生じているといえる。
3 カンチレバー
5 試料ステージ
7 スキャナ
9 レバー側圧電体
11 試料側圧電体
13 試料基板
15 発振器
21 レーザユニット
23 センサ
25 抽出部
27 振幅検出部
29 フィードバック制御部
31 コンピュータ
33 モニタ
61 減算回路
63 ダイナミックPID回路
65 フィードバックゲイン調整回路
73 撓み検出部
75 フィードバック制御部
91 振幅調整部
93 フィードバック信号調整部
f1 試料側周波数
f2 レバー側周波数
Claims (23)
- 探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバー及び試料の相対的な走査を行うスキャナと、
前記試料に対して試料側周波数の超音波を発射する試料側超音波発射部と、
前記試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波を前記カンチレバーに発射するレバー側超音波発射部と、
前記カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出するセンサと、
前記レバー振動信号から、非接触状態にある前記探針及び前記試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分の信号として、前記試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号を抽出する抽出部と、
前記干渉信号の振幅である干渉振幅を検出する振幅検出部と、
前記干渉振幅が所定の目標値に一致するように前記スキャナのフィードバック制御を行うフィードバック制御部とを備え、
前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記干渉振幅に設定されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 前記試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値が前記カンチレバーの共振周波数に設定され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。
- 前記レバー側周波数が前記試料側周波数より小さく設定され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。
- 前記フィードバック制御部は、前記干渉振幅が前記目標値より小さいときと比較して、前記干渉振幅が前記目標値より大きいときのフィードバックゲインを大きく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。
- 前記フィードバック制御部は、前記干渉振幅が前記目標値より大きいときに、前記干渉振幅と前記目標値の差に応じて前記フィードバックゲインを増大させるフィードバックゲイン調整部を有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。
- 前記レバー振動信号から前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出部を有し、前記フィードバック制御部は、前記撓みに基づいて前記カンチレバー及び前記試料を離れさせる処理を行うように構成され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。
- 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記振幅検出部により検出される前記干渉振幅の検知信号を増大させる振幅調整部を有し、前記フィードバック制御部は、前記振幅調整部により調整された前記干渉振幅を用いて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項6に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記振幅調整部は、前記撓みが所定の振幅調整用のしきい撓みより大きい場合、及び、前記干渉振幅が所定の振幅調整用のしきい振幅より大きい場合の少なくとも一方にて、前記干渉振幅の検知信号を調整す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。
- 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記カンチレバーと前記試料が離れるように前記フィードバック制御部により生成されるフィードバック信号を調整するフィードバック信号調整部を有することを特徴とする請求項6に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記フィードバック信号調整部は、前記撓みが所定のフィードバック信号調整用のしきい撓みより大きい場合、前記カンチレバーと前記試料を強制的に引き離す値へと前記フィードバック信号を調整することを特徴とする請求項9に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバー及び試料の相対的な走査を行うスキャナと、
前記試料に対して試料側周波数の超音波を発射する試料側超音波発射部と、
前記試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波を前記カンチレバーに発射するレバー側超音波発射部と、
前記カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出するセンサと、
前記レバー振動信号から、非接触状態にある前記探針及び前記試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分の信号として、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の信号を抽出する抽出部と、
前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅を検出する振幅検出部と、
前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が所定の目標値に一致するように前記スキャナのフィードバック制御を行うフィードバック制御部とを備え、
前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅に設定されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 前記フィードバック制御部は、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が前記目標値より大きいときと比較して、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が前記目標値より小さいときのフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項11に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記フィードバック制御部は、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が前記目標値より小さいときに、前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅と前記目標値の差に応じて前記フィードバックゲインを増大させるフィードバックゲイン調整部を有することを特徴とする請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記レバー振動信号から前記カンチレバーの撓みを検出する撓み検出部を有し、前記フィードバック制御部は、前記撓みに基づいて前記カンチレバー及び前記試料を離れさせる処理を行うように構成されていることを特徴とする請求項11に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記振幅検出部により検出される前記振幅の検知信号を減少させる振幅調整部を有し、前記フィードバック制御部は、前記振幅調整部により調整された前記振幅を用いて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項14に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記振幅調整部は、前記撓みが所定の振幅調整用のしきい撓みより大きい場合、及び、前記振幅が所定の振幅調整用のしきい振幅より小さい場合の少なくとも一方にて、前記振幅の検知信号を調整することを特徴とする請求項15に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記フィードバック制御部は、前記カンチレバーの前記撓みに基づいて、前記カンチレバーと前記試料が離れるように前記フィードバック制御部により生成されるフィードバック信号を調整するフィードバック信号調整部を有することを特徴とする請求項14に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記フィードバック信号調整部は、前記撓みが所定のフィードバック信号調整用のしきい撓みより大きい場合、前記カンチレバーと前記試料を強制的に引き離す値へと前記フィードバック信号を調整することを特徴とする請求項17に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- スキャナに取り付けられる試料ステージを有し、
前記試料側超音波発射部の超音波発生源が、前記試料ステージと、前記試料を保持する基体との間に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項11に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 前記抽出部は、前記レバー振動信号から、前記特定周波数成分の信号におけるフーリエ級数の1倍波成分を再構成するフーリエフィルタを含むことを特徴とする請求項1又は請求項11に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記フーリエフィルタは、前記特定周波数成分の周波数を持つコサイン波信号を前記レバー振動信号に乗算し、1周期分の積分を行って第1DC値を取得し、前記コサイン波信号と同じ周波数のサイン波信号を前記レバー振動信号に乗算し、1周期分の積分を行って第2DC値を取得し、更に、前記第1DC値に前記コサイン波信号を乗算した信号と前記第2DC値に前記サイン波信号を乗算した信号との和を求めることを特徴とする請求項20に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 探針を有するカンチレバーと試料を近づけて配置し、
前記試料に対して試料側周波数の超音波を発射し、
前記試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波を前記カンチレバーに発射し、
前記カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出し、
前記レバー振動信号から、非接触状態にある前記探針及び前記試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分の信号として、前記試料側周波数及び前記レバー側周波数の差の絶対値の周波数成分である干渉信号を抽出し、
前記干渉信号の振幅である干渉振幅を検出し、
前記干渉振幅が所定の目標値に一致するように前記カンチレバーと前記試料の距離のフィードバック制御を行い、前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記干渉振幅に設定されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による試料観察方法。 - 探針を有するカンチレバーと試料を近づけて配置し、
前記試料に対して試料側周波数の超音波を発射し、
前記試料側周波数と異なるレバー側周波数の超音波を前記カンチレバーに発射し、
前記カンチレバーの振動を表すレバー振動信号を検出し、
前記レバー振動信号から、非接触状態にある前記探針及び前記試料間の距離に応じて変化する特定周波数成分の信号として、試料側周波数成分又はレバー側周波数成分の信号を抽出し、
前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅を検出し、
前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅が所定の目標値に一致するように前記カンチレバーと前記試料の距離のフィードバック制御を行い、前記フィードバック制御の前記目標値は、前記探針と前記試料が非接触状態で近接しているときの前記試料側周波数成分又は前記レバー側周波数成分の振幅に設定されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による試料観察方法。
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