JP7477211B2 - Atomic force microscope, control method, and program - Google Patents

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Description

本発明は、原子間力顕微鏡、及び、その制御方法、ならびに、プログラムに関する。 The present invention relates to an atomic force microscope, a control method thereof, and a program.

従来、原子間力顕微鏡(以下、AFM(Atomic Force Microscope)ともいう)を用いた原子分解能での試料の計測が行われている。例えば、力検出器や力検出手法を大幅に改良することにより、高分解能の観察が難しいと考えられていた液中環境下における原子分解能でのAFMによる観察が可能となった(例えば、特許文献1参照)。これにより、固液界面現象をAFMで直接可視化することが可能となり、幅広い研究分野の発展に貢献すると考えられている。Conventionally, samples have been measured at atomic resolution using an atomic force microscope (hereinafter also referred to as AFM (Atomic Force Microscope)). For example, significant improvements in force detectors and force detection methods have made it possible to perform AFM observations at atomic resolution in liquid environments, where high-resolution observations were previously considered difficult (see, for example, Patent Document 1). This makes it possible to directly visualize solid-liquid interface phenomena with an AFM, which is expected to contribute to the development of a wide range of research fields.

特開平8-129017号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-129017

しかしながら、従来のAFMには、多様な用途への応用の観点で改善の余地がある。However, conventional AFMs have room for improvement in terms of their application to a variety of applications.

そこで、本発明は、より多様な用途に適用可能なAFM等を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide an AFM etc. that can be applied to a wider variety of applications.

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る原子間力顕微鏡は、長尺状のレバーであって、長手方向における一端側が前記レバーの支持に用いられる固定端であり、前記長手方向における他端側が自由端であるレバーを含み、前記自由端側に、前記レバーから前記長手方向に交差する下方に向けて突出する探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの前記下方に配置され、前記カンチレバーに対向させて試料を保持する試料保持部と、前記カンチレバー及び前記試料保持部の少なくとも一方を駆動して前記試料を前記探針に対して相対移動させる駆動部と、前記駆動部を制御することにより、前記長手方向の線分を前記カンチレバーから前記探針が突出する方向に交差する仮想面に射影した場合に射影像が延びる方向である所定方向を主走査方向として、前記仮想面内において前記試料の表面を前記探針に走査させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記試料が前記一端側から前記他端側に向かって相対移動する第1方向走査において、前記試料と前記探針とを第1距離に近接させて第1速度で相対移動する第1モードで走査させ、前記試料が前記他端側から前記一端側に向かって相対移動する第2方向走査において、前記試料と前記探針とを前記第1距離よりも遠い第2距離に遠ざけ、かつ、前記第1速度よりも速い第2速度で相対移動する第2モードで走査させる。In order to achieve the above object, an atomic force microscope according to one embodiment of the present invention includes a cantilever having a fixed end at one end in the longitudinal direction that is used to support the lever and a free end at the other end in the longitudinal direction, the cantilever having a probe protruding downward from the lever intersecting the longitudinal direction at the free end, a sample holder disposed below the cantilever and facing the cantilever to hold a sample, a drive unit that drives at least one of the cantilever and the sample holder to move the sample relative to the probe, and a drive unit that controls the drive unit to move the longitudinal line segment relative to the cantilever. and a control unit that causes the probe to scan the surface of the sample within a virtual plane, with a predetermined direction, which is a direction in which a projected image extends when projected onto a virtual plane that intersects with the direction in which the probe protrudes from the bar, as a main scanning direction, wherein the control unit causes the probe to scan the surface of the sample within the virtual plane, in a first direction scan in which the sample moves relatively from the one end side to the other end side, in a first mode in which the sample and the probe are brought close to each other by a first distance and move relatively at a first speed, and in a second direction scan in which the sample moves relatively from the other end side to the one end side, in a second mode in which the sample and the probe are moved away from each other by a second distance greater than the first distance and move relatively at a second speed faster than the first speed.

また、本発明の一形態に係る制御方法は、長尺状のレバーであって、長手方向における一端側が前記レバーの支持に用いられる固定端であり、前記長手方向における他端側が自由端であるレバーを含み、前記自由端側に、前記レバーから前記長手方向に交差する下方に向けて突出する探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの前記下方に配置され、前記カンチレバーに対向させて試料を保持する試料保持部と、前記カンチレバー及び前記試料保持部を駆動して前記試料を前記探針に対して相対移動させる駆動部と、前記駆動部を制御することにより、前記長手方向の線分を前記カンチレバーから前記探針が突出する方向に交差する仮想面に射影した場合に射影像が延びる方向である所定方向を主走査方向として、前記仮想面内において前記試料の表面を前記探針に走査させる制御部と、を有する原子間力顕微鏡の制御方法であって、前記試料が前記一端側から前記他端側に向かって相対移動する第1方向走査において、前記試料と前記探針とを第1距離に近接させて第1速度での相対移動によって走査させ、前記試料が前記他端側から前記一端側に向かって相対移動する第2方向走査において、前記試料と前記探針とを前記第1距離よりも遠い第2距離に遠ざけ、かつ、前記第1速度よりも速い第2速度での相対移動によって走査させる。In addition, a control method according to one embodiment of the present invention includes a cantilever having a long lever, one end side in the longitudinal direction of which is a fixed end used to support the lever and the other end side in the longitudinal direction of which is a free end, the cantilever having a probe provided on the free end side that protrudes downward from the lever in a direction intersecting with the longitudinal direction, a sample holder that is disposed below the cantilever and faces the cantilever to hold a sample, a drive unit that drives the cantilever and the sample holder to move the sample relative to the probe, and a control method for controlling the drive unit to move the probe along a line segment in the longitudinal direction so that the probe protrudes from the cantilever. and a control unit that causes the probe to scan the surface of the sample within a virtual plane, with a predetermined direction as a main scanning direction being a direction in which a projected image extends when projected onto a virtual plane that intersects with the direction in which the sample is projected, the main scanning direction being a predetermined direction in which a projected image extends when projected onto the virtual plane that intersects with the direction in which the sample is projected, the control unit causing the probe to scan the surface of the sample within the virtual plane ...

また、本発明の一形態は、上記に記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして実現することもできる。 Furthermore, one aspect of the present invention can also be realized as a program for causing a computer to execute the control method described above.

本発明により、より多様な用途に適用可能な原子間力顕微鏡等が提供される。The present invention provides an atomic force microscope and the like that can be applied to a wider variety of applications.

図1は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡の探針の走査方向を説明するための概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the scanning direction of the probe of the atomic force microscope according to the embodiment. 図3は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡の動作を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the atomic force microscope according to the embodiment. 図4は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡のオフセット信号の取り扱いを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing how the offset signal is handled in the atomic force microscope according to the embodiment. 図5は実施の形態に係る原子間力顕微鏡での各種信号の実測値の一例を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an example of actual measurement values of various signals in the atomic force microscope according to the embodiment. 図6は、第1方向走査について説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the first direction scanning. 図7は、第2方向走査について説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the second direction scanning. 図8は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡10での走査の高速化の概念を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the concept of increasing the scanning speed in the atomic force microscope 10 according to the embodiment. 図9は、実施の形態における原子間力顕微鏡での走査に用いられるX軸方向の変位を示す第1グラフである。FIG. 9 is a first graph showing the displacement in the X-axis direction used for scanning with the atomic force microscope in the embodiment. 図10は、実施の形態における原子間力顕微鏡での走査に用いられるX軸方向の変位を示す第2グラフである。FIG. 10 is a second graph showing the displacement in the X-axis direction used for scanning with the atomic force microscope in the embodiment. 図11Aは、実施の形態における原子間力顕微鏡のX軸方向の走査でのX軸駆動信号及びX駆動部の変位を示す第1図である。FIG. 11A is a first diagram showing the X-axis drive signal and the displacement of the X drive unit during scanning in the X-axis direction of the atomic force microscope according to the embodiment. 図11Bは、実施の形態における原子間力顕微鏡のX軸方向の走査でのX軸駆動信号及びX駆動部の変位を示す第2図である。FIG. 11B is a second diagram showing the X-axis drive signal and the displacement of the X drive unit during scanning in the X-axis direction of the atomic force microscope in the embodiment. 図12Aは、実施例に係るアクチンフィラメントの計測結果を示す第1図である。FIG. 12A is a first diagram showing the measurement results of actin filaments in the example. 図12Bは、比較例に係るアクチンフィラメントの計測結果を示す図である。FIG. 12B is a diagram showing the measurement results of actin filaments according to a comparative example. 図12Cは、実施の形態に係るイメージング速度とアクチンフィラメントの残存率との関係を示すグラフである。FIG. 12C is a graph showing the relationship between imaging speed and the survival rate of actin filaments in the embodiment. 図13Aは、実施例に係るアクチンフィラメントの計測結果を示す第2図である。FIG. 13A is a second diagram showing the measurement results of actin filaments in the example. 図13Bは、実施例に係る微小管の計測結果を示す図である。FIG. 13B is a diagram showing the measurement results of microtubules according to the embodiment. 図14Aは、試料の往き走査時における、エラー信号、フィードバック制御出力、及び、カンチレバーのたわみ信号を示すグラフである。FIG. 14A is a graph showing the error signal, the feedback control output, and the cantilever deflection signal during forward scanning of the sample. 図14Bは、試料の還り走査時における、エラー信号、フィードバック制御出力、及び、カンチレバーのたわみ信号を示すグラフである。FIG. 14B is a graph showing the error signal, the feedback control output, and the cantilever deflection signal during the return scan of the sample. 図15は、カンチレバーの走査位置で働く力の違いを説明する図である。FIG. 15 is a diagram for explaining the difference in force acting at different scanning positions of the cantilever. 図16は、実施の形態の変形例における原子間力顕微鏡での走査に用いられるX軸方向の変位を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing the displacement in the X-axis direction used for scanning with an atomic force microscope in a modified example of the embodiment.

本発明の実施の形態を説明する前に、上記背景技術で説明した従来技術における問題点を詳細に説明し、その後で、本発明に係る原子間力顕微鏡を詳細に説明する。Before describing the embodiments of the present invention, we will explain in detail the problems in the conventional technology described in the background art above, and then we will explain in detail the atomic force microscope according to the present invention.

[走査型プローブ顕微鏡の原理]
走査型プローブ顕微鏡(SPM(Scanning Probe Microscope))では、鋭くとがった探針を試料に接近させて、探針と試料との間に働く相互作用(トンネル電流又は相互作用力など)を検出し、この相互作用を一定に保つように探針と試料との間の距離(探針のz位置)をフィードバック制御する。さらに、このフィードバック制御を維持した状態で、探針(または試料)を水平方向(xy方向)に走査すれば、探針(または試料)が試料表面の凹凸に応じて上下する。この探針の上下動の軌跡を水平位置に対して記録すれば試料表面の凹凸像が得られる。
[Principle of Scanning Probe Microscope]
In a scanning probe microscope (SPM), a sharp probe is brought close to a sample, the interaction (tunnel current or interaction force, etc.) between the probe and the sample is detected, and the distance between the probe and the sample (z position of the probe) is feedback-controlled to keep this interaction constant. Furthermore, if the probe (or the sample) is scanned horizontally (x and y directions) while maintaining this feedback control, the probe (or the sample) will move up and down in response to the unevenness of the sample surface. If the trajectory of the up and down movement of the probe is recorded relative to the horizontal position, an image of the unevenness of the sample surface can be obtained.

[原子間力顕微鏡(AFM)]
原子間力顕微鏡(AFM)は、SPMの一種であり、探針と試料との間に働く相互作用力を検出して、探針と試料との間の距離を一定に保つよう探針のZ位置を制御する。AFMでは、鋭くとがった探針を先端に備えたカンチレバー(片持ち梁)を力検出器として用いる。通常、探針を試料に接近させると、まずはファンデアワールス力と静電気力とに起因する引力的相互作用力が働く。そして、探針を試料にさらに接近させると、化学的相互作用力に起因する強い斥力がこれらの力を上回る。AFMでは、探針を試料表面に近づけた時に、探針が受ける引力(または斥力)の変化を一定に保つように探針のZ位置をフィードバック制御する。この状態で探針を水平方向に走査することで、前述のとおり、試料表面の凹凸像を得る。
[Atomic Force Microscope (AFM)]
An atomic force microscope (AFM) is a type of SPM that detects the interaction force acting between a probe and a sample, and controls the Z position of the probe to keep the distance between the probe and the sample constant. In an AFM, a cantilever with a sharp probe at its tip is used as a force detector. Usually, when the probe is brought close to a sample, an attractive interaction force caused by van der Waals force and electrostatic force acts first. Then, when the probe is brought even closer to the sample, a strong repulsive force caused by chemical interaction force overcomes these forces. In an AFM, when the probe is brought close to the sample surface, the Z position of the probe is feedback-controlled to keep the change in the attractive (or repulsive) force received by the probe constant. In this state, the probe is scanned horizontally to obtain a topographical image of the sample surface, as described above.

AFMは、カンチレバーの背面に照射したレーザの反射光をフォトダイオードで検出することにより、カンチレバーの変位(たわみ量)から、カンチレバーが探針の先端から受けた相互作用力を計測する。このような計測手法は、光てこ法とも呼ばれる。AFM uses a photodiode to detect the reflected light of a laser irradiated on the back of the cantilever, and measures the interaction force that the cantilever receives from the tip of the probe from the displacement (deflection) of the cantilever. This type of measurement method is also called the optical lever method.

ここで、AFMによる分析の対象として、生体材料を用いる例も多数報告されている。特にこのような生体材料に対するAFMの応用例として、生体材料がその機能を発揮する様子を直接的に観察できる可能性が示されている。一方で、このような生体材料の機能の発揮は、かなり速い変化によって実現されているため、現状のAFMの時間分解能(又はイメージング速度ともいう)では観察が困難である対象も多数存在する。すなわち、AFMを用いて、第1の時点での凹凸像を得たあと、次の凹凸像を得るまでに、対象の生体材料の変化が完了してしまい、時間連続的に変化の瞬間を捉えることが困難である場合がある。Here, many examples of using biomaterials as the subject of AFM analysis have been reported. In particular, as an application example of AFM to such biomaterials, the possibility of directly observing the way in which the biomaterial exerts its function has been shown. On the other hand, since the exertion of the function of such biomaterials is realized by a fairly fast change, there are many subjects that are difficult to observe with the current time resolution (also called imaging speed) of AFM. In other words, after obtaining a topographical image at a first time point using AFM, the change in the target biomaterial may be completed by the time the next topographical image is obtained, making it difficult to capture the moment of change continuously over time.

このように、現状のAFMを生体材料の観察に用いるためには、イメージング速度を改善できることが望まれる。しかしながら、現状のAFMでは、イメージング速度を改善し得るハードウェア的での技術開発は頭打ち状況にある。したがって、現状では2倍程度のイメージング速度の改善も困難な状況となっている。本発明では、このように頭打ち状況にあるAFMのイメージング速度を2.5倍以上に改善することができるAFM及びその制御方法等を提供する。Thus, in order to use current AFMs to observe biological materials, it is desirable to be able to improve the imaging speed. However, with current AFMs, the development of hardware technology that can improve the imaging speed has reached a plateau. Therefore, under the current circumstances, it is difficult to even improve the imaging speed by about two times. The present invention provides an AFM and a control method thereof that can improve the imaging speed of AFMs, which has thus reached a plateau, by 2.5 times or more.

(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(Embodiment)
Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, components, the arrangement and connection forms of the components, steps, and the order of steps shown in the following embodiments are merely examples and are not intended to limit the present invention. Furthermore, among the components in the following embodiments, components that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention will be described as optional components.

[原子間力顕微鏡の構成]
図1は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡の構成を示すブロック図である。
[Configuration of atomic force microscope]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.

原子間力顕微鏡10は、試料99を観察するための原子間力顕微鏡であって、探針12を有するカンチレバー11、変位計測部13、フィードバック制御部14、PC(パーソナルコンピュータ)15、XY駆動制御部16、及び、駆動部17と試料保持部18とを備える。なお、本図の左下に示されるように、鉛直方向をZ軸、Z軸に直交し、互いにも直行する2つの直交軸をX軸及びY軸とし、それぞれの軸方向をZ軸方向、X軸方向及びY軸方向として説明に用いる場合がある。特に、Z軸方向を、Z軸プラス側を上方、Z軸マイナス側を下方とする、Z軸方向に沿う上下方向と表現する場合がある。また、XY平面を単に水平面と表現する場合がある。これらの方向及び面等の表現は、単に説明のために定義されたものであって、鉛直、水平などの言葉から、原子間力顕微鏡10が使用される際の方向や姿勢等を限定する意図ではない。The atomic force microscope 10 is an atomic force microscope for observing a sample 99, and includes a cantilever 11 having a probe 12, a displacement measuring unit 13, a feedback control unit 14, a PC (personal computer) 15, an XY drive control unit 16, a drive unit 17, and a sample holder 18. As shown in the lower left of the figure, the vertical direction is the Z axis, and two orthogonal axes that are perpendicular to the Z axis and perpendicular to each other are the X axis and Y axis, and the respective axial directions may be used in the description as the Z axis direction, the X axis direction, and the Y axis direction. In particular, the Z axis direction may be expressed as the up-down direction along the Z axis direction, with the Z axis positive side being the up direction and the Z axis negative side being the down direction. In addition, the XY plane may be simply expressed as the horizontal plane. These expressions of directions and surfaces are defined simply for the purpose of explanation, and are not intended to limit the directions, postures, etc., when the atomic force microscope 10 is used from words such as vertical and horizontal.

カンチレバー11は、レバー21の先端に探針12が設けられた片持ち梁であり、試料99と探針12の先端との相互作用力を検出する力検出器として機能する。本実施の形態では、カンチレバー11は、長尺状のレバー21がXZ平面内における1点鎖線の両矢印の方向を長手方向として延びるように配置されている。レバー21の長手方向における、X軸プラス側の一端は、レバー21を支持する支持部(不図示)に接続されており、固定端となっている。一方で、レバー21の長手方向における、X軸マイナス側の他端は、自由端となっている。この自由端側のレバー21の端部に探針12が接着等によって接続されている。The cantilever 11 is a cantilever with a probe 12 at the tip of the lever 21, and functions as a force detector that detects the interaction force between the sample 99 and the tip of the probe 12. In this embodiment, the cantilever 11 is arranged so that the long lever 21 extends in the direction of the double arrow of the dashed line in the XZ plane. One end of the lever 21 on the positive side of the X-axis in the longitudinal direction is connected to a support part (not shown) that supports the lever 21, and is a fixed end. On the other hand, the other end of the lever 21 on the negative side of the X-axis in the longitudinal direction is a free end. The probe 12 is connected to the end of the lever 21 on the free end side by adhesive or the like.

変位計測部13は、試料99と探針12の先端との相互作用力によるカンチレバー11の変位を計測する回路であり、上記に説明された原理でカンチレバー11のZ軸方向における変位を検出するためのLD(Laser Diode)13a、PD(Photodiode)13b及びプリアンプ13cを有する。つまり、LD13aから出射されたレーザは、カンチレバー11のZ軸プラス側の背面で反射し、反射光となってPD13bに入射し、PD13bでカンチレバー11のZ軸方向における変位を示す電気信号となり、その電気信号がプリアンプ13cで増幅され、フィードバック制御部14に出力される。The displacement measurement unit 13 is a circuit that measures the displacement of the cantilever 11 due to the interaction force between the sample 99 and the tip of the probe 12, and has an LD (Laser Diode) 13a, a PD (Photodiode) 13b, and a preamplifier 13c for detecting the displacement of the cantilever 11 in the Z-axis direction using the principle described above. In other words, the laser emitted from the LD 13a is reflected by the back surface of the cantilever 11 on the positive side of the Z axis, becomes reflected light, and enters the PD 13b, where it becomes an electrical signal indicating the displacement of the cantilever 11 in the Z-axis direction, and the electrical signal is amplified by the preamplifier 13c and output to the feedback control unit 14.

フィードバック制御部14は、変位計測部13で計測されたカンチレバー11の変位に基づいて試料99と探針12の先端との距離を一定に維持する制御を行う回路であり、プリアンプ13cから送られてきた電気信号が示すカンチレバー11のZ軸方向における変位を一定に維持するための、駆動部17をZ軸方向に駆動する信号(Z軸駆動信号)を生成し、駆動部17及びPC15に出力する。The feedback control unit 14 is a circuit that performs control to maintain a constant distance between the sample 99 and the tip of the probe 12 based on the displacement of the cantilever 11 measured by the displacement measurement unit 13, and generates a signal (Z-axis drive signal) that drives the drive unit 17 in the Z-axis direction to maintain constant the displacement of the cantilever 11 in the Z-axis direction indicated by the electrical signal sent from the preamplifier 13c, and outputs the signal to the drive unit 17 and the PC 15.

PC15は、プロセッサ及びメモリを備え、プロセッサ及びメモリを用いて所定のプログラムを実行することで駆動部17を制御して試料99をX軸及びY軸方向に走査させるためのXY駆動信号をXY駆動制御部16に出力するとともに、フィードバック制御部14から送られてくるZ軸駆動信号を受信し、それらXY駆動信号及びZ軸駆動信号に基づいて試料99の表面の凹凸を示す2次元画像を生成して表示する装置である。The PC 15 is equipped with a processor and memory, and by executing a predetermined program using the processor and memory, outputs an XY drive signal to the XY drive control unit 16 for controlling the drive unit 17 to scan the sample 99 in the X-axis and Y-axis directions, and also receives a Z-axis drive signal sent from the feedback control unit 14, and generates and displays a two-dimensional image showing the unevenness of the surface of the sample 99 based on the XY drive signal and the Z-axis drive signal.

PC15は、また、所定のプログラムを実行することで、XY駆動信号を出力している所定のタイミングにおいて、フィードバック制御部14に入力される電気信号にオフセット信号の加算を行う。このオフセット信号については後述するが、オフセット信号が加算された電気信号が入力されることで、フィードバック制御部14は、試料99と探針12とを遠ざけるようにカンチレバー11及び試料保持部18の少なくとも一方を駆動する。このPC15は、つまり、制御部の一例である。The PC 15 also executes a predetermined program to add an offset signal to the electrical signal input to the feedback control unit 14 at a predetermined timing when the XY drive signal is being output. This offset signal will be described later, but when the electrical signal to which the offset signal has been added is input, the feedback control unit 14 drives at least one of the cantilever 11 and the sample holder 18 to move the sample 99 away from the probe 12. This PC 15 is, in other words, an example of a control unit.

XY駆動制御部16は、PC15から送られてくるXY駆動信号に従って駆動部17にX軸駆動信号及びY軸駆動信号を出力することで駆動部17をX軸方向及びY軸方向に駆動し、これによって、試料99をX軸方向及びY軸方向に走査させる。The XY drive control unit 16 drives the drive unit 17 in the X-axis and Y-axis directions by outputting an X-axis drive signal and a Y-axis drive signal to the drive unit 17 in accordance with the XY drive signal sent from the PC 15, thereby scanning the sample 99 in the X-axis and Y-axis directions.

駆動部17は、カンチレバー11及び試料保持部18の少なくとも一方を駆動して試料99を探針12に対して相対移動させる動力部分である。なお、本実施の形態では、駆動部17が試料保持部18のみを駆動する例を説明するが、駆動部17は、カンチレバー11を駆動してもよいし、カンチレバー11及び試料保持部18の両方を駆動してもよい。試料99を探針12に対して相対移動させることが可能な構成であれば、駆動部17はどのような構成で実現されてもよい。The driving unit 17 is a power part that drives at least one of the cantilever 11 and the sample holder 18 to move the sample 99 relative to the probe 12. Note that in this embodiment, an example in which the driving unit 17 drives only the sample holder 18 is described, but the driving unit 17 may drive the cantilever 11, or may drive both the cantilever 11 and the sample holder 18. The driving unit 17 may be realized in any configuration as long as it is capable of moving the sample 99 relative to the probe 12.

駆動部17は、フィードバック制御部14から送られてくるZ軸駆動信号、及び、XY駆動制御部16から送られてくるX軸駆動信号及びY軸駆動信号に従って、上部に載置された試料保持部18をX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に移動させる。駆動部17は、試料保持部18をX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向にそれぞれ移動させるX駆動部17a、Y駆動部17b及びZ駆動部17cを有する。駆動部17は、探針12の先端に対して試料99を相対的にX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に移動させるピエゾ素子等からなるスキャナである。X駆動部17a、Y駆動部17b及びZ駆動部17cのそれぞれは、このX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に独立的に伸縮するように構成されたピエゾ素子を含む。The driving unit 17 moves the sample holder 18 placed on the top in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions according to the Z-axis driving signal sent from the feedback control unit 14 and the X-axis driving signal and Y-axis driving signal sent from the XY driving control unit 16. The driving unit 17 has an X driving unit 17a, a Y driving unit 17b and a Z driving unit 17c that move the sample holder 18 in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions, respectively. The driving unit 17 is a scanner consisting of a piezoelectric element or the like that moves the sample 99 in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions relative to the tip of the probe 12. Each of the X driving unit 17a, the Y driving unit 17b and the Z driving unit 17c includes a piezoelectric element configured to expand and contract independently in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions.

駆動部17は、試料保持部18を駆動することで、図2のように、試料99の表面を探針12が走査する。図2は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡の探針の走査方向を説明するための概略図である。図2には、一例として矩形状の試料99をZ軸方向から見たときに、探針12の先端が通過した試料99の上方位置を紙面に沿う試料99の表面に投影した場合の通過軌跡を細線及び細破線で示している。ここでは、判読性のために主走査方向の走査線の数を削減しており、X軸方向と斜め方向に延びる通過軌跡が示されているが、実際には、主走査方向がX軸方向に略一致するように走査がされる。 The driving unit 17 drives the sample holder 18, so that the probe 12 scans the surface of the sample 99 as shown in FIG. 2. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the scanning direction of the probe of the atomic force microscope according to the embodiment. In FIG. 2, as an example, when a rectangular sample 99 is viewed from the Z-axis direction, the passing trajectory of the tip of the probe 12 is shown by thin lines and thin dashed lines when the upper position of the sample 99 through which the tip of the probe 12 has passed is projected onto the surface of the sample 99 along the paper surface. Here, the number of scanning lines in the main scanning direction has been reduced for readability, and the passing trajectory extending in a diagonal direction to the X-axis direction is shown, but in reality, the main scanning direction is scanned so that it approximately coincides with the X-axis direction.

以下では、主走査方向をX軸方向と一致するものとして説明するが、厳密には、Y軸方向にも微小な走査がされ、ミクロスケールにおいて図2のようにX軸方向に対して斜め方向に延びる通過軌跡を形成することがある。すなわち、X軸方向を主走査方向とする、とは、Y軸方向への微小な走査によりX軸方向に対して斜め方向に延びる通過軌跡を形成する場合を含めるものとして説明する。 In the following, the main scanning direction will be described as coinciding with the X-axis direction, but strictly speaking, minute scans are also performed in the Y-axis direction, and on a microscale, a passing trajectory may be formed that extends diagonally relative to the X-axis direction, as shown in Figure 2. In other words, the X-axis direction being the main scanning direction will be described as including the case where a passing trajectory extending diagonally relative to the X-axis direction is formed by minute scans in the Y-axis direction.

また、ここでは簡単のため試料99のX軸方向及びY軸方向それぞれの一方の端部から他方の端部まで、すべての領域を走査する通過軌跡を示している。探針12の走査は、試料99として用いるものにより異なる通過軌跡を形成し得る。例えば、探針12は、試料99の端部を超えて試料保持部18の上方側の面を走査する場合がある。また、例えば、探針12は、試料99の端部に到達することなく、試料99内の一部の領域のみを走査する場合がある。 For simplicity, a passing trajectory is shown here that scans the entire region from one end of the sample 99 in both the X-axis direction and the Y-axis direction to the other end. The scanning of the probe 12 may form a passing trajectory that differs depending on the sample 99 used. For example, the probe 12 may go beyond the end of the sample 99 and scan the upper surface of the sample holder 18. Also, for example, the probe 12 may scan only a portion of the region within the sample 99 without reaching the end of the sample 99.

まず、探針12は、試料99のX軸マイナス側かつY軸マイナス側の端部から走査を開始し、Y軸マイナス側から数えて1つめの細線に沿ってX軸プラス側に向かって走査する。続いて、探針12は、Y軸マイナス側から数えて1つめの細破線に沿ってX軸マイナス側に向かって走査する。続いて、探針12は、Y軸マイナス側から数えて2つめの細線に沿ってX軸プラス側に向かって走査する。続いて、探針12は、Y軸マイナス側から数えて2つめの細破線に沿ってX軸マイナス側に向かって走査する。 First, the probe 12 starts scanning from the end of the sample 99 on the negative X-axis and negative Y-axis sides, and scans along the first thin line counting from the negative Y-axis side toward the positive X-axis side. Next, the probe 12 scans along the first thin dashed line counting from the negative Y-axis side toward the negative X-axis side. Next, the probe 12 scans along the second thin line counting from the negative Y-axis side toward the positive X-axis side. Next, the probe 12 scans along the second thin dashed line counting from the negative Y-axis side toward the negative X-axis side.

このように、探針12は、開始位置から、順番に細線及び細破線をたどって、X軸方向に大きく走査しながらY軸方向に少しずつ走査していく。本実施の形態では、X軸方向を主走査方向として、探針12が試料99の表面を走査して、Z軸方向の変位を検知することで、走査面に対応する凹凸像を生成する。In this way, the probe 12 starts from the starting position, tracing the thin lines and thin dashed lines in order, scanning largely in the X-axis direction while scanning little by little in the Y-axis direction. In this embodiment, the probe 12 scans the surface of the sample 99 with the X-axis direction as the main scanning direction, and detects the displacement in the Z-axis direction to generate a topography image corresponding to the scanned surface.

再び図1に戻り、この主走査方向について説明する。カンチレバー11のレバー21は、試料99が載置される試料保持部18の上方の主面と交差する方向を長手方向とする長尺状の部材である。通常、原子間力顕微鏡では、この長手方向に沿う線分を走査面であるXY平面に射影した時の射影像が延びる方向を主走査方向とするように設定される。Returning to Figure 1, this main scanning direction will be explained. Lever 21 of cantilever 11 is an elongated member whose longitudinal direction is a direction intersecting with the upper main surface of sample holder 18 on which sample 99 is placed. Typically, in an atomic force microscope, the main scanning direction is set to be the direction in which a projected image extends when a line segment along this longitudinal direction is projected onto the XY plane, which is the scanning surface.

これは、走査において探針12に対して試料99から掛る力がカンチレバー11をひねる方向に作用することを避けるためである。このようなひねりの力に対して、カンチレバー11は、頑強に構成されているため、試料99に対して強い反力を発生し、試料99を破壊してしまう。したがって、試料99の破壊を抑制するために、長手方向に沿う線分を走査面に射影した時の射影像の延びる方向が主走査方向となるように構成される。図1に戻り、本発明においても、レバー21の長手方向を示す1点鎖線の両矢印の一端及び他端それぞれから走査面に向かって下方に延びる1点鎖線のように長手方向に沿う線分を走査面に射影したとき、白抜き両矢印が示すように、射影像が延びる方向であるX軸方向を主走査方向として、探針12が試料99の表面を走査する。This is to prevent the force applied from the sample 99 to the probe 12 during scanning from acting in a direction that twists the cantilever 11. The cantilever 11 is constructed to be robust against such twisting forces, and generates a strong reaction force against the sample 99, destroying the sample 99. Therefore, in order to prevent the destruction of the sample 99, the cantilever 11 is constructed so that the direction in which the projected image extends when a line segment along the longitudinal direction is projected onto the scanning surface becomes the main scanning direction. Returning to FIG. 1, in the present invention, when a line segment along the longitudinal direction is projected onto the scanning surface as shown by the dashed line extending downward from one end and the other end of the dashed line indicating the longitudinal direction of the lever 21 toward the scanning surface, the probe 12 scans the surface of the sample 99 with the X-axis direction, which is the direction in which the projected image extends, as the main scanning direction, as indicated by the hollow double arrow.

試料保持部18は、試料99を保持する構造物であり、例えば、試料99を載置可能な板状部材によって構成される。試料保持部18は、試料99の被観測側の表面を固定的に保持できればどのような構成であってもよく、例えば、硬質な試料を挟持するクランプなどであってもよい。また、試料99として生体材料を用いる場合に、試料保持部18は、試料99とともに生理緩衝液などの液体を保持する容器として構成されてもよい。The sample holder 18 is a structure that holds the sample 99, and is configured, for example, by a plate-like member on which the sample 99 can be placed. The sample holder 18 may have any configuration as long as it can hold the surface of the sample 99 on the observed side in a fixed manner, and may be, for example, a clamp that holds a hard sample. Furthermore, when a biological material is used as the sample 99, the sample holder 18 may be configured as a container that holds a liquid such as a physiological buffer solution together with the sample 99.

なお、原子間力顕微鏡10は、探針12と試料99との間の相互作用力によって生じるカンチレバー11の変位から、探針12と試料99との間の相互作用力を検出するタイプのスタティックモードAFMだけに限られず、カンチレバー11をその共振周波数近傍の周波数で機械的に振動させながら試料99に対して水平方向に走査した際の、探針12と試料99との間の相互作用力によって生じる振動振幅、周波数又は位相の変化から探針12と試料99との間の相互作用力を検出するダイナミックモードAFMであってもよい。その他、本発明は、特に試料99を高速に計測する原子間力顕微鏡10として、動作構成を問わず、あらゆる原子間力顕微鏡に応用可能である。 The atomic force microscope 10 is not limited to a static mode AFM that detects the interaction force between the probe 12 and the sample 99 from the displacement of the cantilever 11 caused by the interaction force between the probe 12 and the sample 99, but may be a dynamic mode AFM that detects the interaction force between the probe 12 and the sample 99 from changes in vibration amplitude, frequency, or phase caused by the interaction force between the probe 12 and the sample 99 when the cantilever 11 is mechanically vibrated at a frequency near its resonance frequency and scanned horizontally across the sample 99. In addition, the present invention is applicable to any atomic force microscope, regardless of its operating configuration, particularly as an atomic force microscope 10 that measures the sample 99 at high speed.

[原子間力顕微鏡の動作]
次に、図3を用いて、本実施の形態に係る原子間力顕微鏡10の動作について説明する。図3は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡の動作を示すフローチャートである。
[Operation of the atomic force microscope]
Next, the operation of the atomic force microscope 10 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a flow chart showing the operation of the atomic force microscope according to this embodiment.

図3に示すように、原子間力顕微鏡10が動作を開始して、探針12が試料99の走査を始めると、PC15は、時間に応じたXY駆動信号を出力する。XY駆動制御部16がXY駆動信号に応じてX軸駆動信号及びY軸駆動信号をX駆動部17a及びY駆動部17bに出力する。この結果、試料99は、探針12に対して第1距離かつ第1速度で第1方向に相対移動(つまり、第1方向走査)する(ステップS101)。第1方向走査では、試料99がレバー21の一端側から他端側に向かって相対移動する。つまり、試料99は、探針12に対してX軸マイナス側へと相対移動し、探針12は、試料99に対してX軸プラス側へと相対移動する。第1方向走査は、図2に示す細線に対応した走査である。3, when the atomic force microscope 10 starts to operate and the probe 12 starts to scan the sample 99, the PC 15 outputs an XY drive signal according to time. The XY drive control unit 16 outputs an X-axis drive signal and a Y-axis drive signal to the X drive unit 17a and the Y drive unit 17b in response to the XY drive signal. As a result, the sample 99 moves relative to the probe 12 in the first direction at a first distance and a first speed (i.e., first direction scanning) (step S101). In the first direction scanning, the sample 99 moves relative to the probe 12 from one end side to the other end side of the lever 21. In other words, the sample 99 moves relative to the probe 12 toward the negative side of the X axis, and the probe 12 moves relative to the sample 99 toward the positive side of the X axis. The first direction scanning is a scan corresponding to the thin line shown in FIG. 2.

ここでの第1距離は、試料99の表面と探針12の先端とが最接近する距離である。このとき、試料99の表面と探針12の先端との間に斥力などが発生して互いに微小な距離だけ離間している場合があるものの、カンチレバー11のZ軸方向における変位が生じて凹凸像を形成可能な距離として第1距離が設定される。また、第1速度は、試料99における必要な計測が可能な速度である。具体的には、凹凸像を必要な精細さで取得できるような速度範囲内で、可能な限り最速な速さに設定される。 The first distance here is the distance at which the surface of the sample 99 and the tip of the probe 12 are closest to each other. At this time, although a repulsive force or the like may be generated between the surface of the sample 99 and the tip of the probe 12, causing them to be separated by a very small distance, the first distance is set as the distance at which a displacement in the Z-axis direction of the cantilever 11 occurs and a topography image can be formed. The first speed is a speed at which the necessary measurements can be made on the sample 99. Specifically, it is set to the fastest possible speed within a speed range at which a topography image can be obtained with the necessary resolution.

PC15は、引き続き、時間に応じたXY駆動信号を出力する。XY駆動制御部16がXY駆動信号に応じてX軸駆動信号及びY軸駆動信号をX駆動部17a及びY駆動部17bに出力する。この結果、試料99は、探針12に対して第2距離かつ第2速度で第2方向に相対移動(つまり、第2方向走査)する(ステップS102)。第2方向走査では、試料99がレバー21の他端側から一端側に向かって相対移動する。つまり、試料99は、探針12に対してX軸プラス側へと相対移動し、探針12は、試料99に対してX軸マイナス側へと相対移動する。第2方向走査は、図2に示す細破線に対応した走査である。 The PC 15 continues to output an XY drive signal according to time. The XY drive control unit 16 outputs an X-axis drive signal and a Y-axis drive signal to the X drive unit 17a and the Y drive unit 17b according to the XY drive signal. As a result, the sample 99 moves relative to the probe 12 in the second direction at a second distance and a second speed (i.e., second direction scanning) (step S102). In the second direction scanning, the sample 99 moves relatively from the other end side to the one end side of the lever 21. In other words, the sample 99 moves relatively to the probe 12 toward the positive side of the X axis, and the probe 12 moves relatively to the sample 99 toward the negative side of the X axis. The second direction scanning is a scan corresponding to the thin dashed line shown in FIG. 2.

ここでの第2距離は、第1距離よりも遠く、例えば、試料99の表面と探針12の先端とが接触しない距離である。XY平面内で探針12が試料99の表面を走査することから、試料99の表面に見込まれる凹凸の大きさに対して十分に大きな距離として第2距離が設定される。なお、第2距離は、少なくとも第1距離よりも大きく設定されればよい。この理由等については後述する。第2速度は、第1速度よりも速い速度である。この第2速度がより速いほどイメージング速度の改善につなげ得るが、駆動部17の駆動速度の限界や、後述する振動などの問題との兼ね合いから、シミュレーション又は予備試験などを行うことで第2速度を選択可能な範囲を決定し、当該範囲内の最速の値を採用すればよい。Here, the second distance is longer than the first distance, for example, a distance at which the surface of the sample 99 and the tip of the probe 12 do not come into contact. Since the probe 12 scans the surface of the sample 99 in the XY plane, the second distance is set as a distance sufficiently large relative to the expected size of unevenness on the surface of the sample 99. The second distance may be set at least larger than the first distance. The reason for this will be described later. The second speed is faster than the first speed. The faster the second speed, the more likely it is to improve the imaging speed, but due to the limitations of the drive speed of the drive unit 17 and the balance with problems such as vibration, which will be described later, a range in which the second speed can be selected may be determined by performing a simulation or a preliminary test, and the fastest value within that range may be adopted.

第1方向走査及び第2方向走査を切り替える際の第1距離及び第2距離の切り換えは、PC15から出力されるオフセット信号によって行われる。図4は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡のオフセット信号の取り扱いを示す模式図である。図4における電気信号等は、例えば、電圧値の増減によって信号の大きさが変化される。ここで、電気信号Aは、変位計測部から出力された信号である。電気信号Aは、図4における右側の差分器においてセットポイント信号Aとの差分の算出に用いられる。実施の形態におけるセットポイント信号Aは、あらかじめ設定された基準となる電圧値であり差分器で算出された電気信号Aとの差分の電圧値(以下、エラー値ともいう)に基づいて、カンチレバー11のZ軸方向における変位量の目標値からのずれを検知できる。 The switching between the first distance and the second distance when switching between the first direction scanning and the second direction scanning is performed by an offset signal output from the PC 15. FIG. 4 is a schematic diagram showing the handling of an offset signal in the atomic force microscope according to the embodiment. The magnitude of the electric signal in FIG. 4 is changed by, for example, increasing or decreasing the voltage value. Here, the electric signal A is a signal output from the displacement measurement unit. The electric signal A is used in the difference calculator on the right side in FIG. 4 to calculate the difference with the set point signal A S. The set point signal A S in the embodiment is a voltage value that is a preset reference, and based on the voltage value (hereinafter also referred to as an error value) of the difference with the electric signal A calculated by the difference calculator, the deviation of the displacement amount of the cantilever 11 in the Z-axis direction from the target value can be detected.

このずれに対応するエラー値をフィードバック制御に用いることで、エラー値を打ち消すように試料保持部18が駆動され、試料99と探針12とを第1距離に維持させる。オフセット信号AOSは、時間軸上で電圧値が変化する信号である。具体的には、吹き出し部に示されたグラフのように、第1方向走査の際(図中の1stに対応)には、オフセット信号AOSの電圧値は0となる。一方で、第2方向走査の際(図中の2ndに対応)には、オフセット信号AOSの電圧値は負の値となる。 By using an error value corresponding to this deviation in feedback control, the sample holder 18 is driven to cancel the error value, and the sample 99 and the probe 12 are maintained at the first distance. The offset signal A OS is a signal whose voltage value changes on the time axis. Specifically, as shown in the graph in the balloon, during scanning in the first direction (corresponding to 1st in the figure), the voltage value of the offset signal A OS becomes 0. On the other hand, during scanning in the second direction (corresponding to 2nd in the figure), the voltage value of the offset signal A OS becomes a negative value.

この結果、セットポイント信号Aとの見かけ上の差が大きくなる。これは、試料99の表面にかなり大きな凸部が存在しているかのように扱われる。この見かけ上大きな差がフィードバック制御に用いられるので、このようなエラー値をも打ち消すべく試料保持部18が駆動される。結果的に、実際には存在しない試料99の表面の凸部を第1距離に維持しようとするため、試料99と探針12との距離は、第1距離よりも遠ざけられ、第2距離に維持される。なお、同様の動作を、フィードバック制御用のZ軸駆動信号に対してオフセット信号を加算することも可能である。 As a result, the apparent difference with the set point signal A S becomes large. This is treated as if a fairly large convex portion exists on the surface of the sample 99. Since this apparent large difference is used for feedback control, the sample holder 18 is driven to cancel such an error value as well. As a result, in order to maintain the convex portion on the surface of the sample 99, which does not actually exist, at the first distance, the distance between the sample 99 and the probe 12 is moved farther than the first distance and maintained at the second distance. Note that a similar operation can also be performed by adding an offset signal to the Z-axis drive signal for feedback control.

このような動作によって得られる各種の電圧値を図5に示す。図5は実施の形態に係る原子間力顕微鏡での各種信号の実測値の一例を示すグラフである。図5の上段は、時系列におけるX軸駆動信号の変化を示し、値が大きいほど試料99が探針12に対してX軸マイナス側に相対移動していること(つまり、時間の経過とともに増大するときは第1方向走査、時間の経過とともに減少するときは第2方向走査)を意味している。図5の中段は、時系列におけるオフセット信号の変化を示している。また、図5の下段は、時系列上のZ駆動部17cの変位量を示している。Various voltage values obtained by such operations are shown in Figure 5. Figure 5 is a graph showing an example of actual measured values of various signals in an atomic force microscope according to an embodiment. The top part of Figure 5 shows the change in the X-axis drive signal over time, with a larger value indicating that the sample 99 has moved relatively to the negative X-axis side with respect to the probe 12 (i.e., an increase over time indicates first direction scanning, and a decrease over time indicates second direction scanning). The middle part of Figure 5 shows the change in the offset signal over time. The bottom part of Figure 5 shows the displacement amount of the Z drive unit 17c over time.

図5に示すように、X軸駆動信号は、のこぎり波に近い非対称な三角波(以下、のこぎり波様ともいう)のようになっており、時間軸上で第1方向走査と第2方向走査とのそれぞれに要する時間が異なることがわかる。特に電圧値が降下する第2方向走査において期間が短くなっており、第1方向走査における第1速度よりも速い第2速度で第2方向走査が行われていることが読み取れる。第1方向走査の期間と第2方向走査の期間とに関しても後述にて詳しく述べる。As shown in Figure 5, the X-axis drive signal is an asymmetric triangular wave (hereinafter also referred to as sawtooth wave-like) that is close to a sawtooth wave, and it can be seen that the time required for the first direction scan and the second direction scan on the time axis are different. In particular, the period is shorter in the second direction scan where the voltage value drops, and it can be seen that the second direction scan is performed at a second speed that is faster than the first speed in the first direction scan. The periods of the first direction scan and the second direction scan will be described in detail later.

第2方向走査の期間に対応するように、オフセット信号が急峻な低下を示している。このオフセット信号は、先に説明した図4における模式的なグラフと一致している。第2方向走査においてオフセット信号が加算されることで、Z駆動部17cが急激に変位していることがわかる。この結果、本実施の形態においては、試料保持部18が下方に移動してカンチレバー11から引き離され、試料99と探針12とが第2距離になる。なお、第2距離は、試料99と探針12とが接触しない一定距離以上の距離であれば時間軸上で一様な距離でなくてもよい。第1回目の第2方向走査と第2回目の第2方向走査とで、第2距離が異なっていてもよいし、第1回目の第2方向走査の中で、第2距離が変化してもよい。したがって、第2距離に維持されるとは、少なくとも試料99と探針12とが接触しない一定距離を保って離間していることを包含する概念である。 The offset signal shows a steep drop corresponding to the period of the second direction scan. This offset signal coincides with the schematic graph in FIG. 4 described above. It can be seen that the Z drive unit 17c is suddenly displaced by adding the offset signal in the second direction scan. As a result, in this embodiment, the sample holder 18 moves downward and is pulled away from the cantilever 11, and the sample 99 and the probe 12 are at the second distance. Note that the second distance does not have to be a uniform distance on the time axis as long as it is a distance equal to or greater than a certain distance at which the sample 99 and the probe 12 do not come into contact with each other. The second distance may be different between the first second direction scan and the second second direction scan, or the second distance may change during the first second direction scan. Therefore, the term "maintained at the second distance" encompasses at least the concept of the sample 99 and the probe 12 being separated at a certain distance at which they do not come into contact with each other.

図3に戻り、続いて、PC15は、XY平面内での走査が終了される走査終了位置に到達したか否かの判定を行う(ステップS103)。PC15が走査終了位置に到達していないと判定した場合(ステップS103でNo)、ステップS101に戻り、再び第1方向走査が行われる。一方で、PC15が走査終了位置に到達したと判定した場合(ステップS103でYes)、走査を終了する。なお、以上の動作は、ある時点での1つの凹凸像を得るための処理の説明である。実際には、続けて2つ目の凹凸像を得ることが想定されるので、ステップS103でYesとなった後に、走査開始位置に戻って、再びステップS101から走査が開始される。また、走査終了位置が図2におけるX軸プラス側に設定される(つまり、第1方向走査を最後に走査が終了する)場合がある。このときは、図3のフローチャートにおいて、ステップS101とステップS102との間にもステップS103と同様の判定処理が加えられる。Returning to FIG. 3, the PC 15 then determines whether or not the scanning end position where the scanning in the XY plane is ended has been reached (step S103). If the PC 15 determines that the scanning end position has not been reached (No in step S103), the process returns to step S101, and the first direction scanning is performed again. On the other hand, if the PC 15 determines that the scanning end position has been reached (Yes in step S103), the scanning is ended. Note that the above operation is an explanation of the process for obtaining one unevenness image at a certain point in time. In reality, it is assumed that a second unevenness image will be obtained in succession, so after Yes in step S103, the process returns to the scanning start position and scanning is started again from step S101. In addition, there are cases where the scanning end position is set on the positive side of the X axis in FIG. 2 (i.e., the scanning ends after the first direction scanning). In this case, a determination process similar to step S103 is added between step S101 and step S102 in the flowchart of FIG. 3.

[走査の具体的な制御方法]
以下では、図6~図11Bを用いて、上記に説明した探針12の試料99上での走査の具体的な制御方法について説明する。図6は、第1方向走査について説明する図である。また、図7は、第2方向走査について説明する図である。図6の(a)は、図1と同様の視点における従来の原子間力顕微鏡の第1方向走査の様子を示している。ここでは、試料保持部18が駆動されており、試料99が探針12に対してX軸マイナス側に向かって相対移動している。図7の(a)は、図1と同様の視点における従来の原子間力顕微鏡の第2方向走査の様子を示している。ここでは、試料保持部18が駆動されており、試料99が探針12に対してX軸プラス側に向かって相対移動している。
[Specific method of controlling scanning]
A specific method of controlling the above-described scanning of the probe 12 on the sample 99 will be described below with reference to Figs. 6 to 11B. Fig. 6 is a diagram for explaining the first direction scanning. Fig. 7 is a diagram for explaining the second direction scanning. Fig. 6(a) shows the state of the first direction scanning of the conventional atomic force microscope from the same viewpoint as Fig. 1. Here, the sample holder 18 is driven, and the sample 99 moves relatively to the probe 12 toward the negative side of the X-axis. Fig. 7(a) shows the state of the second direction scanning of the conventional atomic force microscope from the same viewpoint as Fig. 1. Here, the sample holder 18 is driven, and the sample 99 moves relatively to the probe 12 toward the positive side of the X-axis.

図6の(b)は、第1方向走査のみによって得られた凹凸像が示されている。図6の(b)では、白色に近いほど大きな凸が存在することを示している。なお、図6の(b)に示す凹凸像を得る際に、第2方向走査によって得られた凹凸情報は、後述の図7の(b)に示す凹凸像を得るために用いられている。図7の(b)は、第2方向走査のみによって得られた凹凸像が示されている。図7の(b)では、白色に近いほど大きな凸が存在することを示している。なお、図7の(b)に示す凹凸像を得る際に、第1方向走査によって得られた凹凸情報は、上記の図6の(b)に示す凹凸像を得るために用いられている、すなわち、ここでは、1回のスキャンによって得られる凹凸像の情報を、第1方向走査によって得られる凹凸像(図6の(b))と、第2方向走査によって得られる凹凸像とに分解している。 Figure 6(b) shows a topographical image obtained by scanning in the first direction only. In Figure 6(b), the closer to white the image, the larger the convexity. When obtaining the topographical image shown in Figure 6(b), the topographical information obtained by scanning in the second direction is used to obtain the topographical image shown in Figure 7(b) described below. Figure 7(b) shows a topographical image obtained by scanning in the second direction only. In Figure 7(b), the closer to white the image, the larger the convexity. When obtaining the topographical image shown in Figure 7(b), the topographical information obtained by scanning in the first direction is used to obtain the topographical image shown in Figure 6(b) above. In other words, here, the topographical image information obtained by one scan is decomposed into the topographical image obtained by scanning in the first direction (Figure 6(b)) and the topographical image obtained by scanning in the second direction.

図6の(c)は、図6の(b)の凹凸像を得る際にフィードバック制御に用いられるエラー値を2次元状にマッピングしたエラー画像を示している。また、図6の(d)には、図6の(c)における2点鎖線上でのエラー値のプロットを示している。図7の(c)は、図7の(b)の凹凸像を得る際にフィードバック制御に用いられるエラー値を2次元状にマッピングしたエラー画像を示している。また、図7の(d)には、図7の(c)における2点鎖線上でのエラー値のプロットを示している。 Figure 6(c) shows an error image in which the error values used in feedback control when obtaining the topographical image of Figure 6(b) are mapped two-dimensionally. Figure 6(d) shows a plot of the error values on the two-dot chain line in Figure 6(c). Figure 7(c) shows an error image in which the error values used in feedback control when obtaining the topographical image of Figure 7(b) are mapped two-dimensionally. Figure 7(d) shows a plot of the error values on the two-dot chain line in Figure 7(c).

図6の(d)及び図7の(d)を比較すると、図6の(b)及び図7の(b)における白色箇所の凸起条に対していずれの方向から走査が行われたかによって若干の差がみられた。具体的には、図6の(d)では、いずれの箇所でもエラー値はそれほど大きくなく、-0.2Vから0.2V程度の範囲内で全体的に誤差と推定されるエラー値のぶれが生じていた。一方で、図7の(d)では、全体的に-0.2Vから0.2V程度の範囲内での誤差と推定されるエラー値のぶれが確認された。さらに、図7の(d)では、凸起条の紙面右側の端部に対応する位置でエラー値が大きくなっており、約-0.6Vに達していた。また、紙面左右方向の主走査方向における走査線すべてにおいて、同様の傾向がみられた。 Comparing FIG. 6(d) and FIG. 7(d), slight differences were observed depending on the direction from which scanning was performed on the raised ridges in the white areas in FIG. 6(b) and FIG. 7(b). Specifically, in FIG. 6(d), the error values were not particularly large in any of the locations, and there was an overall deviation in the error values estimated to be errors within a range of about -0.2V to 0.2V. On the other hand, in FIG. 7(d), there was an overall deviation in the error values estimated to be errors within a range of about -0.2V to 0.2V. Furthermore, in FIG. 7(d), the error value was large at the position corresponding to the right end of the raised ridges on the paper, reaching about -0.6V. A similar tendency was also observed in all of the scanning lines in the main scanning direction from left to right on the paper.

この走査方向に対するエラー値の変化は、図6の(a)及び図7の(a)に示すカンチレバー11にかかるトルクの違いによって引きおこされていると推定される。図6の(a)に示すように、正の段差(試料保持部18の上面から試料99の上面に昇る段差)で試料99から探針12に働く横方向(X軸方向)の力の向きが、第1方向走査(往き走査ともいう)と第2方向走査(還り走査ともいう)との間で逆向きである。従って、往き走査では、X軸方向の力でカンチレバー11に作用するトルクの向き(torque(x))は、試料99から探針12に働くZ軸方向の力でカンチレバー11に作用するトルクの向き(torque(z))と同じである。一方、図7の(a)に示すように、還り走査では、両者のトルクの向きが逆である。図6の(a)及び図7の(a)で時計回りに作用するトルクはカンチレバー11を上向きにたわませ、逆に反時計回りに作用するトルクはカンチレバー11を下向きにたわませる。カンチレバー11の振幅は光てこ法によって変位として計測されるが、この測定法では、カンチレバー11の先端付近のZ軸方向の変位を計測するわけではなく、トルクで生ずる角度変化を測定する。従って、時計回りに作用するトルクで生ずる角度変化は振幅値が減少したものと解釈され、逆に反時計回りに作用するトルクで生ずる角度変化は振幅値が増大したものと解釈される。It is presumed that the change in the error value with respect to the scanning direction is caused by the difference in the torque applied to the cantilever 11 shown in FIG. 6(a) and FIG. 7(a). As shown in FIG. 6(a), the direction of the lateral (X-axis) force acting on the probe 12 from the sample 99 at the positive step (the step rising from the top surface of the sample holder 18 to the top surface of the sample 99) is opposite between the first direction scan (also called forward scan) and the second direction scan (also called return scan). Therefore, in the forward scan, the direction of the torque (torque (x)) acting on the cantilever 11 by the force in the X-axis direction is the same as the direction of the torque (torque (z)) acting on the cantilever 11 by the force in the Z-axis direction acting on the probe 12 from the sample 99. On the other hand, as shown in FIG. 7(a), in the return scan, the directions of the two torques are opposite. 6(a) and 7(a), a torque acting in a clockwise direction bends the cantilever 11 upward, and conversely, a torque acting in a counterclockwise direction bends the cantilever 11 downward. The amplitude of the cantilever 11 is measured as a displacement by the optical lever method, but this measurement method does not measure the displacement in the Z-axis direction near the tip of the cantilever 11, but measures the angle change caused by the torque. Therefore, the angle change caused by a torque acting in a clockwise direction is interpreted as a decrease in the amplitude value, and conversely, the angle change caused by a torque acting in a counterclockwise direction is interpreted as an increase in the amplitude value.

ここで、図14Aは、試料の往き走査時における、エラー信号、フィードバック制御出力、及び、カンチレバーのたわみ信号を示すグラフである。図14Aでは、(a)にエラー信号の経時変化を示し、(b)にフィードバック制御出力の経時変化を示し、(c)にカンチレバー11のたわみ信号の経時変化を示している。また、図14Bは、試料の還り走査時における、エラー信号、フィードバック制御出力、及び、カンチレバーのたわみ信号を示すグラフである。図14Bでは、(a)にエラー信号の経時変化を示し、(b)にフィードバック制御出力の経時変化を示し、(c)にカンチレバー11のたわみ信号の経時変化を示している。また、図15は、カンチレバーの走査位置で働く力の違いを説明する図である。図15では、探針12の先端と、試料99とをそれぞれ円形で示し、接触位置ごとに作用する力の向きと大きさとを図中のベクトル(Fx及びFz)で示している。図15では、(a)から(c)にかけて、カンチレバー11が試料99の段差に乗り上げるときの経時的な変位を示している。なお、図15の一点鎖線は、探針12の先端が通過する軌跡を示している。 Here, FIG. 14A is a graph showing the error signal, feedback control output, and cantilever deflection signal during forward scanning of the sample. In FIG. 14A, (a) shows the change over time of the error signal, (b) shows the change over time of the feedback control output, and (c) shows the change over time of the deflection signal of the cantilever 11. Also, FIG. 14B is a graph showing the error signal, feedback control output, and cantilever deflection signal during return scanning of the sample. In FIG. 14B, (a) shows the change over time of the error signal, (b) shows the change over time of the feedback control output, and (c) shows the change over time of the deflection signal of the cantilever 11. Also, FIG. 15 is a diagram explaining the difference in the force acting at the scanning position of the cantilever. In FIG. 15, the tip of the probe 12 and the sample 99 are each shown as a circle, and the direction and magnitude of the force acting at each contact position are shown by vectors (Fx and Fz) in the figure. 15, (a) to (c) show the displacement over time when the cantilever 11 rides over a step in the sample 99. The dashed line in FIG. 15 shows the path traveled by the tip of the probe 12.

図14A及び図14Bに示すフィードバック制御出力の下降は、試料保持部18が探針12から離れる方向に移動していることを意味する。図14Bの(a)において、下向き矢印a1で示す箇所でエラー信号が正側に大きく、左向き矢印a2で示す箇所でエラー信号が負側に大きくなっていることが分かる。矢印a1での大きなエラーは、短時間(カンチレバー11の振動周期の1~2倍程度)に現れるのに対し、矢印a2での大きなエラーは、比較的長時間(振動周期の数倍)にわたって現れている。矢印a1の箇所で、探針12は試料99に初めて接触し(図15の(a))、カンチレバー11のZ軸方向での振動に伴って試料保持部18から探針12に対するZ軸方向の力(図15の(a)中の紙面上向き矢印)と、試料99から探針12に対するX軸方向の力Fxとが作用する。特に、X軸方向の力Fxが試料99から探針12に働くことで、図14Bの(a)における測定振幅値が大きくなったと理解できる。この直後、図14Bの(b)に示すようにフィードバック制御出力が上方に移動している。14A and 14B, the drop in the feedback control output means that the sample holder 18 is moving away from the probe 12. In FIG. 14B (a), it can be seen that the error signal is large on the positive side at the location indicated by the downward arrow a1, and large on the negative side at the location indicated by the leftward arrow a2. The large error at the arrow a1 appears for a short time (about 1 to 2 times the vibration period of the cantilever 11), whereas the large error at the arrow a2 appears for a relatively long time (several times the vibration period). At the location of the arrow a1, the probe 12 first comes into contact with the sample 99 (FIG. 15 (a)), and as the cantilever 11 vibrates in the Z-axis direction, a force in the Z-axis direction from the sample holder 18 to the probe 12 (arrow pointing up on the page in FIG. 15 (a)) and a force Fx in the X-axis direction from the sample 99 to the probe 12 act on the probe 12. In particular, it can be understood that the measured amplitude value in Fig. 14B(a) becomes larger due to the force Fx in the X-axis direction acting on the probe 12 from the sample 99. Immediately after this, the feedback control output moves upward as shown in Fig. 14B(b).

つまり、試料保持部18が探針12に近づく向きに駆動されている。その結果、試料99から探針12に働くZ軸方向の力Fzが大きくなるが、エラー信号がほぼゼロ(又は若干のマイナス値)に戻る。エラー信号がほぼゼロであるのは、X軸方向の力FxとZ軸方向の力Fzの両者が大きくなっているものの(図15の(b))、それぞれの作用で生じるトルクがほぼ相殺されているためである。この間、若干のマイナス値のエラー信号により、図14Bの(b)に示すようにフィードバック制御出力が緩やかに下降している。つまり、試料保持部18が探針12から遠ざかる向きに緩やかに移動している。 In other words, the sample holder 18 is driven in a direction approaching the probe 12. As a result, the force Fz in the Z-axis direction acting on the probe 12 from the sample 99 increases, but the error signal returns to almost zero (or a slightly negative value). The error signal is almost zero because, although the force Fx in the X-axis direction and the force Fz in the Z-axis direction both increase (Figure 15(b)), the torques generated by their respective actions are almost offset. During this time, the slightly negative error signal causes the feedback control output to gradually decrease, as shown in Figure 14B(b). In other words, the sample holder 18 is gradually moving away from the probe 12.

矢印a2の箇所で、エラー信号が負側に大きくなっているのは、試料99の正の段差が小さくなったため、X軸方向の力Fxがかなり弱くなり、Z軸方向の力Fzによるたわみが顕著に現れたものと考えられる(図15の(c))。矢印a2で比較的長時間にわたって現れる負の大きなエラー信号が図7の(c)のエラー像に現れていると考えられる。矢印a1と矢印a2の時間差は約45μsであるが、X軸方向の走査速度110μm/sにより、5nmの距離分に相当する。このとき、探針12先端の太さの影響のため、探針12は、試料99の頂点には達していない(図15の(c))。 The error signal at the location of arrow a2 becomes larger on the negative side because the positive step of sample 99 becomes smaller, so the force Fx in the X-axis direction becomes considerably weaker, and the deflection due to the force Fz in the Z-axis direction becomes more pronounced (Figure 15(c)). The large negative error signal that appears for a relatively long time at arrow a2 is thought to appear in the error image of Figure 7(c). The time difference between arrows a1 and a2 is approximately 45 μs, which corresponds to a distance of 5 nm with a scanning speed in the X-axis direction of 110 μm/s. At this time, due to the influence of the thickness of the tip of probe 12, probe 12 does not reach the apex of sample 99 (Figure 15(c)).

以上のことから、還り走査時では、試料の正の段差が大きい箇所でX軸方向に働く力とZ軸方向に働く力との合力が大きくなっても、それぞれの力がカンチレバー11に作用するトルクの向きが逆向きであるために相殺され、フィードバック制御は合力を小さくする方向に働かず、探針12-試料99間の接触力を大きくしてしまうものと考えられる。この接触力は、試料99に対するダメージも大きいので回避すべきである。 From the above, it is believed that during return scanning, even if the resultant force of the forces acting in the X-axis direction and the Z-axis direction becomes large at points where the positive step of the sample is large, the torque acting on the cantilever 11 for each force is in the opposite direction, so they cancel each other out, and the feedback control does not work to reduce the resultant force, but instead increases the contact force between the probe 12 and sample 99. This contact force should be avoided as it also causes significant damage to the sample 99.

この結果から、本実施の形態における原子間力顕微鏡10では、第2方向走査での試料99と探針12との接触を避けて凹凸像の生成に用いないこととし、さらに、第2方向走査を高速化することで、試料99全体としての走査を高速化している。図8は、実施の形態に係る原子間力顕微鏡10での走査の高速化の概念を示す図である。図8では、上段に従来の原子間力顕微鏡での走査を模式化した図を示し、下段に本実施の形態における原子間力顕微鏡10での走査を模式化した図を示している。図8の各図では、横軸に時間を、縦軸に、X軸方向における走査位置(つまり、試料99と探針12との相対位置)を示している。From this result, in the atomic force microscope 10 of this embodiment, contact between the sample 99 and the probe 12 during the second direction scan is avoided and not used to generate a topography image, and further, the scanning speed of the sample 99 as a whole is increased by speeding up the second direction scan. FIG. 8 is a diagram showing the concept of speeding up scanning with the atomic force microscope 10 according to the embodiment. In FIG. 8, the upper part shows a schematic diagram of scanning with a conventional atomic force microscope, and the lower part shows a schematic diagram of scanning with the atomic force microscope 10 of this embodiment. In each diagram in FIG. 8, the horizontal axis shows time, and the vertical axis shows the scanning position in the X-axis direction (i.e., the relative position between the sample 99 and the probe 12).

いずれの模式図でもX軸方向における走査位置がX軸プラス側とX軸マイナス側とを往復することで変位する周期関数様のグラフとなっている。従来の原子間力顕微鏡に対して本実施の形態における原子間力顕微鏡10では、縦軸の値の減少領域の期間が短く、全体として大幅に高速化されていることがわかる。このように、実施の形態に係る原子間力顕微鏡10では、時間に対するX軸方向における変位を三角波からのこぎり波に近づけることで(のこぎり波様にすることで)、高速な走査を実現している。In both schematic diagrams, the graph resembles a periodic function in which the scanning position in the X-axis direction is displaced by going back and forth between the positive and negative sides of the X-axis. It can be seen that, compared to conventional atomic force microscopes, the atomic force microscope 10 of this embodiment has a shorter period in which the value on the vertical axis decreases, and the overall speed is significantly increased. In this way, the atomic force microscope 10 of the embodiment achieves high-speed scanning by changing the displacement in the X-axis direction over time from a triangular wave to something closer to a sawtooth wave (by making it like a sawtooth wave).

なお、この高速化に併せて、さらに、試料99に探針12が接近する回数を減少させ、また、試料99を下方に押し込むなどの試料99へのダメージが大きい第2方向走査で探針12と試料99を接触させないようにしている。つまり、本実施の形態における走査は試料99に対して優しい走査である。試料99には、走査によってダメージが蓄積されていき、高速な走査であるほど、蓄積されるダメージは大きいものとなる。蓄積されたダメージは、やがて試料99そのものを破壊し得るので、このように優しい走査を実現することで、第2方向走査によって蓄積されなかったダメージの分だけ、第1方向走査自体をさらに高速化することも可能である。 In addition to this increased speed, the number of times that the probe 12 approaches the sample 99 is reduced, and the probe 12 and the sample 99 are prevented from coming into contact during the second direction scan, which causes greater damage to the sample 99, such as by pushing the sample 99 downward. In other words, the scan in this embodiment is gentle on the sample 99. Damage accumulates in the sample 99 as a result of the scan, and the faster the scan, the greater the accumulated damage. The accumulated damage can eventually destroy the sample 99 itself, so by achieving such gentle scanning, it is also possible to further increase the speed of the first direction scan itself by the amount of damage not accumulated by the second direction scan.

ここで、図8の下段に示すのこぎり波様の関数は、走査の高速化の観点では理想的な関数であるといえる。しかしながら、こののこぎり波様関数には、第1方向走査と第2方向走査とが切り替わる折り返し位置において、高周波成分が多く含まれており、このまま走査の制御に用いた場合には、装置構成によって振動が生じる可能性がある。Here, the sawtooth function shown in the lower part of Figure 8 can be said to be an ideal function from the viewpoint of increasing scanning speed. However, this sawtooth function contains many high-frequency components at the turning point where the first direction scan and the second direction scan switch, and if it is used as is to control scanning, vibrations may occur depending on the device configuration.

そこで、本実施の形態では、こののこぎり波様関数に基づいて、高周波成分を除去することで振動の発生を抑制する。Therefore, in this embodiment, the occurrence of vibration is suppressed by removing high-frequency components based on this sawtooth wave function.

こののこぎり波様関数は、X軸方向上の探針12及び試料99の相対位置であって、第1方向走査が開始される目標の位置関係(つまり、高周波成分を許容した場合の位置関係)における相対位置を第1基準点とし、第1方向走査が終了する目標の位置関係における相対位置を第2基準点とし、1周期に対する第1方向走査に要する時間の比である分割比をαとしたとき、探針12及び試料99のX軸方向上の相対位置の、第1基準点に対する相対的な時間領域における変化量を、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T,第1基準点)、(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)、及び、第(m+1)周期の(時間,変化量)=(mT,第1基準点)を順次直線的に結んでなされている。上記ののこぎり波様関数は、次式(1)によって表すことができる。 In this sawtooth function, the relative position of the probe 12 and the sample 99 in the X-axis direction is the relative position in the target positional relationship where the first-direction scan starts (i.e., the positional relationship when high-frequency components are allowed) is taken as the first reference point, the relative position in the target positional relationship where the first-direction scan ends is taken as the second reference point, and the division ratio, which is the ratio of the time required for the first-direction scan to one period, is taken as α. The change in the relative position of the probe 12 and the sample 99 in the X-axis direction in the time domain relative to the first reference point is calculated by linearly connecting the m-th period's (time, change) = ((m-1)T, first reference point), (time, change) = ((m-1)T + αT, second reference point), and (time, change) = (mT, first reference point) of the (m+1)th period. The above sawtooth function can be expressed by the following equation (1).

Figure 0007477211000001
Figure 0007477211000001

また、式(1)をフーリエ級数として表現した場合、式(2)のように変形できる。 Furthermore, if equation (1) is expressed as a Fourier series, it can be transformed into equation (2).

Figure 0007477211000002
Figure 0007477211000002

上記式(2)のフーリエ級数のうち、例えば、はじめの9項を残して、第10項以降の高次項を0とみなすことで近似すれば、高周波成分を除去することができる。この結果、得られる周期関数の一部を図9に示す。図9は、実施の形態における原子間力顕微鏡での走査に用いられるX軸方向の変位を示す第1グラフである。なお、図9では、のこぎり波様関数の1周期に対応する部分のグラフが示されている。また、図9の(a)は、α=0.8での結果を、図9の(b)は、α=0.9での結果を、図9の(c)は、α=0.95での結果をそれぞれ示している。図9の(a)及び図9の(b)に示すようにα=0.9までの範囲であれば、のこぎり波様関数に近い良好な近似関数が得られた。一方でα=0.95の結果では、X軸方向における振動が発生していることから適切とはいえない。ただし、フーリエ級数のうち、より高次の項までを含めることでこれは改善され得るが、この場合、原子間力顕微鏡10の装置構成側に高周波成分による振動を抑制する工夫が要求される。 For example, if the Fourier series of the above formula (2) is approximated by leaving the first nine terms and regarding the higher-order terms from the tenth term onwards as 0, high-frequency components can be removed. As a result, a part of the periodic function obtained is shown in FIG. 9. FIG. 9 is a first graph showing the displacement in the X-axis direction used for scanning with an atomic force microscope in the embodiment. Note that FIG. 9 shows a graph of a part corresponding to one period of the sawtooth function. Also, FIG. 9(a) shows the result at α=0.8, FIG. 9(b) shows the result at α=0.9, and FIG. 9(c) shows the result at α=0.95. As shown in FIG. 9(a) and FIG. 9(b), in the range up to α=0.9, a good approximation function close to the sawtooth function was obtained. On the other hand, the result of α=0.95 is not appropriate because vibration occurs in the X-axis direction. Although this can be improved by including higher-order terms in the Fourier series, in this case, some measure must be taken to suppress vibrations due to high-frequency components in the device configuration of the atomic force microscope 10.

以下、図9の(a)に示す、フーリエ級数のはじめの9項までを用いて、α=0.8としたときに得られる近似関数を用いて説明を続ける。図9の(a)をより詳細にみると、最大値及び最小値の頂点位置が若干ずれていることがわかる。これを修正するため、本実施の形態における原子間力顕微鏡10では、上記の高周波成分の除去処理の結果得られた関数をさらに変化量軸方向及び時間軸方向に拡張する処理を行っている。 The following explanation will be given using the approximation function obtained when α = 0.8 using the first nine terms of the Fourier series shown in Figure 9(a). Looking more closely at Figure 9(a), it can be seen that the apex positions of the maximum and minimum values are slightly shifted. To correct this, the atomic force microscope 10 in this embodiment further expands the function obtained as a result of the above-mentioned high-frequency component removal process in the change axis direction and time axis direction.

具体的には、高周波成分の除去処理の結果得られた関数X(t)の昇り勾配領域(0≦t<αT)を以下の式(3)によってX(t)に変換する。 Specifically, the ascending gradient region (0≦t<αT) of the function X a (t) obtained as a result of the processing for removing high frequency components is converted into X 1 (t) by the following equation (3).

Figure 0007477211000003
Figure 0007477211000003

なお、上記式(3)中のH(x)は、ヘビサイド階段関数を示している。また、上記式(3)中のu(t)は、以下の式(4)の通りである。 In addition, H(x) in the above formula (3) represents a Heaviside step function, and u 1 (t) in the above formula (3) is as shown in the following formula (4).

Figure 0007477211000004
Figure 0007477211000004

また、高周波成分の除去処理の結果得られた関数X(t)の下り勾配領域(αT≦t<T)を以下の式(5)によってX(t)に変換する。 Furthermore, the downward gradient region (αT≦t<T) of the function X a (t) obtained as a result of the high frequency component removal process is converted into X 2 (t) by the following equation (5).

Figure 0007477211000005
Figure 0007477211000005

なお、上記式(5)中のu(t)は、以下の式(6)の通りである。 In addition, u 2 (t) in the above formula (5) is as shown in the following formula (6).

Figure 0007477211000006
Figure 0007477211000006

この処理の結果、算出される近似関数では、処理前の関数における第m周期の変化量が最大となる点が((m-1)T+αT,第2基準点)に一致され、処理前の関数における第m周期の変化量が最小となる点を((m-1)T,第1基準点)に一致されている。以上の処理により得られた近似関数を図10に示す。図10は、実施の形態における原子間力顕微鏡での走査に用いられるX軸方向の変位を示す第2グラフである。図10に示すように、図9の(a)にみられた最大値及び最小値の頂点位置のずれが無くなっている。 As a result of this processing, in the calculated approximation function, the point at which the amount of change in the mth period in the function before processing is maximum is made to coincide with ((m-1)T+αT, second reference point), and the point at which the amount of change in the mth period in the function before processing is minimum is made to coincide with ((m-1)T, first reference point). The approximation function obtained by the above processing is shown in Figure 10. Figure 10 is a second graph showing the displacement in the X-axis direction used for scanning with an atomic force microscope in an embodiment. As shown in Figure 10, the shift in the apex positions of the maximum and minimum values seen in Figure 9(a) has disappeared.

図10に示すグラフのようにして、原子間力顕微鏡10を制御した場合の一例を図11A及び図11Bに示す。図11Aは、実施の形態における原子間力顕微鏡のX軸方向の走査でのX軸駆動信号及びX駆動部の変位を示す第1図である。図11Aでは、上段にX軸方向の走査のために出力されたX軸駆動信号が示されている。また、図11Aでは、下段にX駆動部17aの駆動量に相当する変位の量が示されている。 An example of a case where the atomic force microscope 10 is controlled as shown in the graph in Figure 10 is shown in Figures 11A and 11B. Figure 11A is a first diagram showing the X-axis drive signal and the displacement of the X drive unit during scanning in the X-axis direction of an atomic force microscope in an embodiment. In Figure 11A, the upper part shows the X-axis drive signal output for scanning in the X-axis direction. Also, in Figure 11A, the lower part shows the amount of displacement corresponding to the drive amount of the X drive unit 17a.

図11Aに示すように、ここでは、約10kHzでX軸方向の走査が行われている。例えば、1kHz程度のX軸方向の走査であれば、上記の処理のみで良好な結果が得られる(不図示)が、図11Aに示すように、10kHzもの周波数でX軸方向の走査を行う場合、上記の処理のみでは、不要な振動を発生してしまう場合がある。これは、X駆動部の機械的共振が励起されたことが推定される。そこで、本実施の形態における原子間力顕微鏡では、さらに、このような振動も抑制するように、関数の調整を行っている。X駆動部17aの色々な周波数で駆動したときの変移(周波数特性)は、伝達関数として表現することができる。本実施の形態では、任意の伝達関数に対して、逆伝達関数を自動的に生成して、本来のX駆動部17aの変位を得るために、出力すべき信号を逆算する「逆伝達補償法」を適用することで、X軸駆動信号出力の調整を行っている。 As shown in FIG. 11A, scanning in the X-axis direction is performed at about 10 kHz. For example, if scanning in the X-axis direction is performed at about 1 kHz, good results can be obtained by the above process alone (not shown). However, as shown in FIG. 11A, when scanning in the X-axis direction is performed at a frequency of 10 kHz, unnecessary vibrations may be generated by the above process alone. This is presumed to be due to excitation of mechanical resonance of the X drive unit. Therefore, in the atomic force microscope in this embodiment, the function is adjusted so as to suppress such vibrations as well. The transition (frequency characteristic) when the X drive unit 17a is driven at various frequencies can be expressed as a transfer function. In this embodiment, the inverse transfer function is automatically generated for any transfer function, and the X-axis drive signal output is adjusted by applying the "inverse transfer compensation method" which inversely calculates the signal to be output in order to obtain the original displacement of the X drive unit 17a.

図11Bは、実施の形態における原子間力顕微鏡のX軸方向の走査でのX軸駆動信号及びX駆動部の変位を示す第2図である。図11Bでは、上段にX軸方向の走査のために「逆伝達補償法」を適用して出力されたX軸駆動信号が示されている。また、図11Bでは、下段に、「逆伝達補償法」を適用した場合のX駆動部17aの駆動量に相当する変位の量が示されている。図11Bに示すように、「逆伝達補償法」を適用することで、X駆動部17aの駆動は、目的とする振動のグラフに近づき、一方でこの駆動のために出力されたX軸駆動信号は、図11Aに比べて変化している。 Figure 11B is a second diagram showing the X-axis drive signal and the displacement of the X drive unit during scanning in the X-axis direction of an atomic force microscope in an embodiment. In Figure 11B, the upper part shows the X-axis drive signal output by applying the "inverse transfer compensation method" for scanning in the X-axis direction. In addition, in Figure 11B, the lower part shows the amount of displacement corresponding to the drive amount of the X drive unit 17a when the "inverse transfer compensation method" is applied. As shown in Figure 11B, by applying the "inverse transfer compensation method", the drive of the X drive unit 17a approaches the graph of the desired vibration, while the X-axis drive signal output for this drive has changed compared to Figure 11A.

このようにして、本実施の形態における原子間力顕微鏡10では、種々の工夫を適用して、生体材料などを含む広い用途の試料99を計測可能である。In this way, the atomic force microscope 10 in this embodiment can apply various techniques to measure samples 99 for a wide range of applications, including biological materials.

[変形例]
上記の実施の形態では、のこぎり波様関数の還り走査部分において、直線的な関数を想定したが、還り走査部分の波形には、さらに様々な関数の可能性があり得る。すなわち、往き走査終了点と往き走査開始点とをつなぐ線は、直線でなくても構わない。例えば、このような区間に、コサイン波の1/2波形を適用して、往き走査終了点と往き走査開始点とをつないでもよい。この場合の走査波形は、以下の式(7)で表される。
[Modification]
In the above embodiment, a linear function is assumed in the return scanning portion of the sawtooth function, but the waveform of the return scanning portion may have various other functions. That is, the line connecting the forward scanning end point and the forward scanning start point does not have to be a straight line. For example, a 1/2 waveform of a cosine wave may be applied to such a section to connect the forward scanning end point and the forward scanning start point. The scanning waveform in this case is expressed by the following formula (7).

Figure 0007477211000007
Figure 0007477211000007

また、式(7)をフーリエ級数として表現した場合、式(8)のように変形できる。 Furthermore, if equation (7) is expressed as a Fourier series, it can be transformed into equation (8).

Figure 0007477211000008
Figure 0007477211000008

なお、上記式(8)中のA及びBは、それぞれ、以下の式(9)及び式(10)の通りである。 In addition, A n and B n in the above formula (8) are as shown in the following formulas (9) and (10), respectively.

Figure 0007477211000009
Figure 0007477211000009

Figure 0007477211000010
Figure 0007477211000010

この結果、得られる周期関数の一部を図16に示す。図16は、実施の形態の変形例における原子間力顕微鏡での走査に用いられるX軸方向の変位を示すグラフである。なお、図16では、のこぎり波様関数の1周期に対応する部分のグラフが示されている。また、図16の(a)は、α=0.8での結果を、図16の(b)は、α=0.87での結果をそれぞれ示している。図16の(a)及び図16の(b)に示すようにα=0.87までの範囲であれば、のこぎり波様関数に近い良好な近似関数が得られた。図中に示すように、コサイン波の1/2波形を適用したのこぎり波様関数を用いれば、頂点位置のシフトが生じず、この補正のための計算を行う必要がない。この他、往き走査終了点と往き走査開始点とを滑らかにつなぐあらゆる関数を適用して、のこぎり波様関数を構成してもよい。 As a result, a part of the periodic function obtained is shown in FIG. 16. FIG. 16 is a graph showing the displacement in the X-axis direction used for scanning with an atomic force microscope in a modified embodiment of the embodiment. Note that FIG. 16 shows a graph of a portion corresponding to one period of the sawtooth function. FIG. 16(a) shows the result at α=0.8, and FIG. 16(b) shows the result at α=0.87. As shown in FIG. 16(a) and FIG. 16(b), a good approximation function close to the sawtooth function was obtained in the range up to α=0.87. As shown in the figure, if a sawtooth function to which a 1/2 waveform of a cosine wave is applied is used, no shift in the apex position occurs, and there is no need to perform calculations for this correction. In addition, any function that smoothly connects the end point of forward scanning and the start point of forward scanning may be applied to configure the sawtooth function.

[実施例]
以下、上記に構成された原子間力顕微鏡10による計測結果の一例について、図12A~図13Bを用いて説明する。図12Aは、実施例に係るアクチンフィラメントの計測結果を示す第1図である。また、図12Bは、比較例に係るアクチンフィラメントの計測結果を示す図である。また、図12Cは、実施の形態に係るイメージング速度とアクチンフィラメントの残存率との関係を示すグラフである。
[Example]
An example of the measurement results using the atomic force microscope 10 configured as above will be described below with reference to Figures 12A to 13B. Figure 12A is a first diagram showing the measurement results of actin filaments in the example. Figure 12B is a diagram showing the measurement results of actin filaments in the comparative example. Figure 12C is a graph showing the relationship between the imaging speed and the survival rate of actin filaments in the embodiment.

図12A及び図12Bに示す例では、試料99としてアクチンフィラメントを用いて計測を行っている。アクチンフィラメントは、主走査線方向における段差が急激になるために、より計測によるダメージの大きい主走査方向に交差するようにして(Y軸方向に沿って)配置されている。図12Aでは(a)に0.00秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(b)に3.36秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(c)に6.72秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(d)に10.08秒経過時点のアクチンフィラメント像をそれぞれ示している。また、図12Bでは(a)に0.00秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(b)に0.64秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(c)に0.96秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(d)に1.60秒経過時点のアクチンフィラメント像をそれぞれ示している。In the example shown in Figures 12A and 12B, the measurement is performed using an actin filament as sample 99. The actin filament is arranged (along the Y-axis direction) so as to cross the main scanning direction, which is more damaged by the measurement, because the step in the main scanning line direction becomes sharp. In Figure 12A, (a) shows an actin filament image at 0.00 seconds, (b) shows an actin filament image at 3.36 seconds, (c) shows an actin filament image at 6.72 seconds, and (d) shows an actin filament image at 10.08 seconds. In addition, in Figure 12B, (a) shows an actin filament image at 0.00 seconds, (b) shows an actin filament image at 0.64 seconds, (c) shows an actin filament image at 0.96 seconds, and (d) shows an actin filament image at 1.60 seconds.

図12Aに示すように、実施例に係る計測結果によれば、10.08秒経過時点においても良好にフィラメント構造を維持していることが示された。一方で、図12Bに示すように、比較例に係る計測結果によれば、1秒足らずの時点において大きくフィラメント構造が破壊され、1.60秒経過時点においては、ほとんどの構造が残らないことが示された。As shown in Figure 12A, the measurement results for the Example showed that the filament structure was well maintained even after 10.08 seconds had elapsed. On the other hand, as shown in Figure 12B, the measurement results for the Comparative Example showed that the filament structure was largely destroyed after less than 1 second, and that almost no structure remained after 1.60 seconds.

また、図12Cでは、実施例に係るアクチンフィラメントの計測を30回行ったうちの破壊されていないアクチンフィラメントの比率を、イメージング速度を変えて複数回施行し、結果を丸印のプロットとして示している。また、図12Cでは、比較例に係るアクチンフィラメントの計測を30回行ったうちの破壊されていない回数の比率を、イメージング速度を変えて複数回施行し、結果を三角のプロットとして示している。 In addition, in Fig. 12C, the ratio of unbroken actin filaments among 30 measurements of the embodiment was performed multiple times with different imaging speeds, and the results are shown as a circle plot. In addition, in Fig. 12C, the ratio of unbroken actin filaments among 30 measurements of the comparative example was performed multiple times with different imaging speeds, and the results are shown as a triangle plot.

実施例に係る計測では、アクチンフィラメントの残存率が、高いイメージング速度においても維持されていることがわかった。 Measurements in the embodiment showed that the survival rate of actin filaments was maintained even at high imaging speeds.

これらの結果から、上記の実施の形態における原子間力顕微鏡10の有用性が示された。These results demonstrate the usefulness of the atomic force microscope 10 in the above embodiment.

また、図13Aは、実施例に係るアクチンフィラメントの計測結果を示す第2図である。図13Aでは、上記図12Aと同様に、アクチンフィラメントの配置の方向のみを、よりダメージの少ないX軸方向に沿うように変えて計測を行った結果を示している。図13Aでは(a)に0.00秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(b)に0.03秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(c)に0.07秒経過時点のアクチンフィラメント像を、(d)に10.03秒経過時点のアクチンフィラメント像をそれぞれ示している。 Figure 13A is the second figure showing the measurement results of actin filaments in the embodiment. As with Figure 12A above, Figure 13A shows the results of measurements performed by changing only the direction of the actin filaments to be along the X-axis direction, which causes less damage. Figure 13A shows (a) an actin filament image at 0.00 seconds, (b) an actin filament image at 0.03 seconds, (c) an actin filament image at 0.07 seconds, and (d) an actin filament image at 10.03 seconds.

図13Aに示す計測例では、アクチンフィラメントを破壊することなく、高速に計測できることが示された。ここでは、アクチンフィラメントの計測を25fpsで行うことができることが示された。The measurement example shown in Figure 13A demonstrates that actin filaments can be measured at high speed without being destroyed. Here, it was shown that actin filaments can be measured at 25 fps.

また、図13Bは、実施例に係る微小管の計測結果を示す図である。図13Bでは、上記図13Aと同様に、微小管をX軸方向に沿うように配置して計測を行った結果を示している。図13Bでは(a)に0.00秒経過時点の微小管像を、(b)に0.04秒経過時点の微小管像を、(c)に0.08秒経過時点の微小管像を、(d)に10.00秒経過時点の微小管像をそれぞれ示している。 Figure 13B shows the results of measuring microtubules in the embodiment. As with Figure 13A above, Figure 13B shows the results of measurements performed with microtubules arranged along the X-axis direction. Figure 13B shows (a) an image of a microtubule at 0.00 seconds, (b) an image of a microtubule at 0.04 seconds, (c) an image of a microtubule at 0.08 seconds, and (d) an image of a microtubule at 10.00 seconds.

図13Bに示す計測例では、微小管を破壊することなく、高速に計測できることが示された。ここでは、微小管の計測を30fpsで行うことができることが示された。 In the measurement example shown in Figure 13B, it was shown that high-speed measurement is possible without destroying microtubules. Here, it was shown that microtubule measurement can be performed at 30 fps.

第2方向走査における走査時間を短くしたのこぎり波様関数でのX軸方向の走査の採用により従来よりも1.6倍の高速化が実現された。また、さらに、上記の走査により探針12と試料99との接触による試料99への影響を大幅に低減することができ、全体として脆弱な試料に対しては、従来に比べて2.5倍程度の高速化が実現された。原子間力顕微鏡のハードウェア面での高速化が難しい状況にあって、PC15による制御の僅かな改変だけで2.5倍もの高速化が実現できることから、本発明の有用性が確認できる。なお、本発明は、Amplitude Modulation(AM)モード、Frequency Modulation(FM)モード、Phase Modulation(PM)モード、及び、Force-distance(FD)-basedモードに加え、カンチレバーを振動させないDC(コンタクト)モードなど、あらゆる原子間力顕微鏡での適用が可能である。 By adopting a sawtooth-like function in the X-axis direction with a shorter scan time in the second direction scan, a speed increase of 1.6 times was achieved compared to the conventional method. Furthermore, the above-mentioned scan can significantly reduce the effect of contact between the probe 12 and the sample 99 on the sample 99, and as a whole, a speed increase of about 2.5 times was achieved for fragile samples compared to the conventional method. In a situation where it is difficult to increase the speed of the atomic force microscope hardware, the usefulness of the present invention can be confirmed by the fact that a speed increase of 2.5 times can be achieved with only a slight modification of the control by the PC 15. Note that the present invention can be applied to all atomic force microscopes, including the Amplitude Modulation (AM) mode, Frequency Modulation (FM) mode, Phase Modulation (PM) mode, and Force-distance (FD)-based mode, as well as the DC (contact) mode, which does not vibrate the cantilever.

[効果など]
以上説明したように、本実施の形態における原子間力顕微鏡10は、長尺状のレバー21であって、長手方向における一端側がレバー21の支持に用いられる固定端であり、長手方向における他端側が自由端であるレバー21を含み、自由端側に、レバー21から長手方向に交差する下方に向けて突出する探針12が設けられたカンチレバー11と、カンチレバー11の下方に配置され、カンチレバー11に対向させて試料99を保持する試料保持部18と、カンチレバー11及び試料保持部18の少なくとも一方を駆動して試料99を探針12に対して相対移動させる駆動部17と、駆動部17を制御することにより、長手方向の線分をカンチレバー11から探針12が突出する方向に交差する仮想面に射影した場合に射影像が延びる方向である所定方向(X軸方向)を主走査方向として、仮想面内において試料99の表面を探針12に走査させる制御部(例えば、PC15)と、を備え、制御部は、試料99が一端側から他端側に向かって相対移動する第1方向走査において、試料99と探針12とを第1距離に近接させて第1速度で相対移動する第1モードで走査させ、試料99が他端側から一端側に向かって相対移動する第2方向走査において、試料99と探針12とを第1距離よりも遠い第2距離に遠ざけ、かつ、第1速度よりも速い第2速度で相対移動する第2モードで走査させる。
[Effects, etc.]
As described above, the atomic force microscope 10 in this embodiment includes a cantilever 11 having a long lever 21 with one end in the longitudinal direction that is a fixed end used to support the lever 21 and the other end in the longitudinal direction that is a free end, the cantilever 11 having a probe 12 provided on the free end side that protrudes downwardly from the lever 21 intersecting the longitudinal direction, a sample holder 18 that is disposed below the cantilever 11 and faces the cantilever 11 to hold a sample 99, a drive unit 17 that drives at least one of the cantilever 11 and the sample holder 18 to move the sample 99 relative to the probe 12, and a control unit 17 that controls the drive unit 17 to move a line segment in the longitudinal direction of the cantilever 11. and a control unit (e.g., PC 15) that causes the probe 12 to scan the surface of the sample 99 within the virtual plane, with a predetermined direction (X-axis direction) being the main scanning direction, which is the direction in which a projected image extends when projected onto a virtual plane that intersects the direction in which the probe 12 protrudes from the bar 11.The control unit causes the probe 12 to scan the surface of the sample 99 within the virtual plane, with a predetermined direction (X-axis direction) being the direction in which a projected image extends when projected onto a virtual plane that intersects the direction in which the probe 12 protrudes from the bar 11, and in a first direction scan in which the sample 99 moves relatively from one end side to the other end side, the control unit causes the probe 12 to scan in a first mode in which the sample 99 and the probe 12 are brought close to each other at a first distance and move relatively at a first speed, and in a second direction scan in which the sample 99 moves relatively from the other end side to the one end side, the control unit causes the probe 12 to scan in a second mode in which the sample 99 and the probe 12 are moved away from each other to a second distance farther than the first distance and move relatively at a second speed faster than the first speed.

このような原子間力顕微鏡10は、比較的試料99へのダメージの大きい第2方向走査において、探針12と試料99とを第2距離に離間させることで、これらの接触を抑制し、試料に対するダメージを縮小することができる。この結果、第2方向走査によって付与されなくなったダメージに相当する分だけ、第1方向走査において、試料99に付与されるダメージの許容値を拡大できる。すなわち、第1方向走査において、相対移動速度を上昇させても、試料99が計測に堪える範囲内のダメージにとどめることが可能となる。つまり、この制御構成によって、第1方向走査での相対移動速度を上昇させることができる。また一方で、従来の計測においては、ダメージが大きいために計測不能であった種別の試料99に対しても計測を行うことが可能となる。In the second direction scanning, which relatively causes more damage to the sample 99, such an atomic force microscope 10 can suppress contact between the probe 12 and the sample 99 by separating them at a second distance, thereby reducing damage to the sample. As a result, the allowable value of damage to the sample 99 in the first direction scanning can be increased by an amount equivalent to the damage that is no longer caused by the second direction scanning. In other words, even if the relative movement speed is increased in the first direction scanning, it is possible to keep the damage to a range that the sample 99 can withstand for measurement. In other words, this control configuration makes it possible to increase the relative movement speed in the first direction scanning. On the other hand, it is also possible to perform measurements on a type of sample 99 that was not measurable in conventional measurements due to the large damage.

また、第2方向走査において、試料99に探針12が接触しないため、第2方向走査での相対移動速度も上昇させることが可能となる。すなわち、試料99に探針12が接触していないので、原子間力顕微鏡10の装置限界まで相対移動速度を上昇させても、探針12との接触による試料99に付与されるダメージがなくなる。以上のように、試料99と探針12との相対移動速度の改善によって、従来の計測ではとらえられなかった速度での試料99の計測が可能となる。また、試料99に対して付与されるダメージが縮小されることにより、従来の計測では付与されるダメージに堪えられず計測できなかった試料99の計測が可能となる。よって、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。 In addition, since the probe 12 does not contact the sample 99 in the second direction scan, it is possible to increase the relative movement speed in the second direction scan. In other words, since the probe 12 does not contact the sample 99, even if the relative movement speed is increased to the device limit of the atomic force microscope 10, there is no damage to the sample 99 due to contact with the probe 12. As described above, by improving the relative movement speed between the sample 99 and the probe 12, it is possible to measure the sample 99 at a speed that could not be captured by conventional measurements. In addition, by reducing the damage caused to the sample 99, it is possible to measure the sample 99 that could not be measured by conventional measurements because it could not withstand the damage caused. Therefore, an atomic force microscope that can be applied to measurements for a wider variety of applications is realized.

また、例えば、制御部は、第1方向走査の際に、探針12の仮想面と交差する方向(Z軸方向)への変位に対応する電気信号を取得し、取得した電気信号と、所定の基準信号との差分に基づいて探針12と試料99の表面との距離を第1距離に維持されせ、第2方向走査の際に、取得された電気信号に対してオフセット信号を加算することで、所定の基準信号との差分の数値を変化させて探針12と試料99の表面との距離を第2距離に維持させてもよい。 In addition, for example, the control unit may acquire an electrical signal corresponding to the displacement of the probe 12 in a direction intersecting the virtual plane (Z-axis direction) during scanning in the first direction, and maintain the distance between the probe 12 and the surface of the sample 99 at a first distance based on the difference between the acquired electrical signal and a predetermined reference signal, and during scanning in the second direction, add an offset signal to the acquired electrical signal to change the numerical value of the difference from the predetermined reference signal, thereby maintaining the distance between the probe 12 and the surface of the sample 99 at a second distance.

これによれば、第2方向走査の際に、オフセット信号を加算するのみで、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現できる。場合により、従来の原子間力顕微鏡に対してハードウェア上の改変を行うことなく、制御系における各出力値を調整するのみで上記の効果を奏し得る原子間力顕微鏡10を実現することができる。よって、原子間力顕微鏡10を容易に構成できる。 Accordingly, by simply adding an offset signal during scanning in the second direction, an atomic force microscope that can be applied to measurements for a wider variety of applications can be realized. In some cases, an atomic force microscope 10 that can achieve the above effects can be realized by simply adjusting the output values in the control system, without making any hardware modifications to a conventional atomic force microscope. Thus, the atomic force microscope 10 can be easily configured.

また、例えば、制御部は、第1方向走査と第2方向走査とが切り替わる折り返し位置における、探針12及び試料99の相対位置の振動の発生を抑制するための軌道に沿って、試料99を探針12に対して相対移動させてもよい。 Also, for example, the control unit may move the sample 99 relative to the probe 12 along a trajectory for suppressing the occurrence of vibrations in the relative positions of the probe 12 and the sample 99 at the turning point where the first direction scan and the second direction scan switch.

これによれば、場合によって発生し得る折り返し位置における、探針12及び試料99の相対位置の振動の発生を抑制することができる。振動によって計測に不具合が生じることを抑制できるので、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。This makes it possible to suppress the occurrence of vibrations in the relative positions of the probe 12 and the sample 99 at the turning point, which may occur in some cases. Since it is possible to suppress problems with measurement caused by vibrations, an atomic force microscope that can be applied to measurements for a wider variety of applications is realized.

また、例えば、制御部は、所定方向上の探針12及び試料99の相対位置であって、第1方向走査が開始される目標の位置関係における相対位置を第1基準点とし、所定方向上の探針12及び試料99の相対位置であって、第1方向走査が終了する目標の位置関係における相対位置を第2基準点とし、1周期に対する第1方向走査に要する時間の比である分割比をαとしたとき、探針12及び試料99の所定方向上の相対位置の、第1基準点に対する相対的な時間領域における変化量を、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T,第1基準点)、(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)、及び、第(m+1)周期の(時間,変化量)=(mT,第1基準点)を順次直線的に結ぶ、Tを周期とするのこぎり波様関数に基づいて、のこぎり波様関数をフーリエ級数展開したときの所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで算出される近似関数によって表される軌道に沿って、試料99を探針12に対して相対移動させてもよい。 For example, the control unit may determine the relative position of the probe 12 and the sample 99 in a predetermined direction in a target positional relationship where the first direction scanning is started as a first reference point, the relative position of the probe 12 and the sample 99 in a predetermined direction in a target positional relationship where the first direction scanning is ended as a second reference point, and a division ratio that is the ratio of the time required for the first direction scanning to one period is α, where α is the division ratio of the time required for the first direction scanning to one period, The amount of change may be determined by moving the sample 99 relative to the probe 12 along a trajectory represented by an approximation function calculated by regarding, as 0, higher-order terms greater than a predetermined order when a sawtooth function is expanded into a Fourier series, based on a sawtooth function having a period of T that linearly connects (time, amount of change)=((m-1)T, first reference point), (time, amount of change)=((m-1)T+αT, second reference point) of the mth period, and (time, amount of change)=(mT, first reference point) of the (m+1)th period.

これによれば、振動の発生を無視した場合ののこぎり波様関数をフーリエ級数展開した場合の所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで、のこぎり波様関数に含まれる高周波成分を除去して折り返し位置における、探針12及び試料99の相対位置の振動の発生を抑制することができる。振動によって計測に不具合が生じることを抑制できるので、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。 According to this, by regarding higher-order terms greater than a predetermined order as 0 when the sawtooth function is expanded into a Fourier series when the occurrence of vibration is ignored, it is possible to remove high-frequency components contained in the sawtooth function and suppress the occurrence of vibration in the relative positions of the probe 12 and the sample 99 at the turn-around position. Since it is possible to suppress problems with measurement caused by vibration, an atomic force microscope that can be applied to measurements for a wider variety of applications is realized.

また、例えば、制御部は、所定方向上の探針12及び試料99の相対位置であって、第1方向走査が開始される目標の位置関係における相対位置を第1基準点とし、所定方向上の探針12及び試料99の相対位置であって、第1方向走査が終了する目標の位置関係における相対位置を第2基準点とし、1周期に対する第1方向走査に要する時間の比である分割比をαとしたとき、探針12及び試料99の所定方向上の相対位置の、第1基準点に対する相対的な時間領域における変化量を、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T,第1基準点)、及び、(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)を直線的に、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)、及び、第(m+1)周期の(時間,変化量)=(mT,第1基準点)をコサイン波の1/2波形により順次結ぶ、Tを周期とするのこぎり波様関数に基づいて、のこぎり波様関数をフーリエ級数展開したときの所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで算出される近似関数によって表される軌道に沿って、試料99を探針12に対して相対移動させてもよい。 In addition, for example, the control unit may set the relative position of the probe 12 and the sample 99 in a predetermined direction in a target positional relationship where the first direction scanning is started as a first reference point, set the relative position of the probe 12 and the sample 99 in a predetermined direction in a target positional relationship where the first direction scanning is ended as a second reference point, and set a division ratio that is the ratio of the time required for the first direction scanning to one period to α, and calculate the amount of change in the relative positions of the probe 12 and the sample 99 in a predetermined direction in the time domain relative to the first reference point as (time, amount of change) of the mth period = ((m-1) The sample 99 may be moved relative to the probe 12 along a trajectory represented by an approximation function calculated by regarding higher-order terms greater than a predetermined order as 0 when the sawtooth function is expanded into a Fourier series based on a sawtooth function having a period of T, which successively connects the mth period (time, amount of change)=((m-1)T, first reference point) and (time, amount of change)=((m-1)T+αT, second reference point) linearly and the (m+1)th period (time, amount of change)=(mT, first reference point) by a 1/2 waveform of a cosine wave.

これによれば、振動の発生を無視した場合ののこぎり波様関数をフーリエ級数展開した場合の所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで、のこぎり波様関数に含まれる高周波成分を除去して折り返し位置における、探針12及び試料99の相対位置の振動の発生を抑制することができる。振動によって計測に不具合が生じることを抑制できるので、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。特に、こののこぎり波様関数では、折り返し位置でのX軸方向における変化量軸及び時間軸におけるずれが発生しないため、このようなずれの調整といった追加の処理をせずともより適切な探針12の走査が可能となるので、簡易なシステム構成によって、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。According to this, by regarding the higher-order terms greater than a predetermined order when the sawtooth function is expanded into a Fourier series when the occurrence of vibration is ignored as 0, it is possible to remove the high-frequency components contained in the sawtooth function and suppress the occurrence of vibration in the relative positions of the probe 12 and the sample 99 at the turn-around position. Since it is possible to suppress the occurrence of measurement problems due to vibration, an atomic force microscope applicable to measurements for a wider variety of applications is realized. In particular, with this sawtooth function, there is no shift in the change amount axis and time axis in the X-axis direction at the turn-around position, so that more appropriate scanning of the probe 12 is possible without additional processing such as adjusting such shifts, and therefore an atomic force microscope applicable to measurements for a wider variety of applications is realized with a simple system configuration.

また、例えば、制御部は、のこぎり波様関数をフーリエ級数展開した場合の所定の次数より大きい高次項を0とみなした関数を算出し、算出された関数における第m周期の変化量が最大となる点を((m-1)T+αT,第2基準点)に一致させ、算出された関数における第m周期の変化量が最小となる点を((m-1)T,第1基準点)に一致させるように、変化量軸方向及び時間軸方向に関数を拡張することで算出される近似関数によって表される起動に沿って、試料99を探針12に対して相対移動させてもよい。 In addition, for example, the control unit may calculate a function in which higher-order terms greater than a predetermined order when the sawtooth wave-like function is expanded into a Fourier series are regarded as 0, and the sample 99 may be moved relative to the probe 12 along a path represented by an approximation function calculated by expanding the function in the change axis direction and the time axis direction so that the point at which the change in the mth period in the calculated function is maximum coincides with ((m-1)T+αT, second reference point) and the point at which the change in the mth period in the calculated function is minimum coincides with ((m-1)T, first reference point).

これによれば、フーリエ級数展開した場合の所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで算出された関数において、折り返し位置のX軸方向における変化量軸及び時間軸におけるずれが調整される。よって、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。 This allows the deviations in the change amount axis and time axis in the X-axis direction of the turn-around position to be adjusted in a function calculated by regarding higher-order terms greater than a predetermined order in the Fourier series expansion as 0. This makes it possible to realize an atomic force microscope that can be applied to measurements for a wider variety of purposes.

また、例えば、所定の次数は、9であり、分割比は、α=0.8であってもよい。 Also, for example, the predetermined order may be 9 and the division ratio may be α = 0.8.

これによれば、所定の次数として9を、分割比としてα=0.8をそれぞれ用いて、原子間力顕微鏡10を構成できる。振動の発生を抑制しつつ、走査における試料99と探針12との相対移動を高速化できるので、より多様な用途の計測に適用可能な原子間力顕微鏡が実現される。 According to this, the atomic force microscope 10 can be constructed using 9 as the predetermined order and α = 0.8 as the division ratio. Since the relative movement between the sample 99 and the probe 12 during scanning can be increased in speed while suppressing the generation of vibration, an atomic force microscope that can be applied to measurements for a wider variety of purposes is realized.

また、本実施の形態における制御方法は、長尺状のレバー21であって、長手方向における一端側がレバー21の支持に用いられる固定端であり、長手方向における他端側が自由端であるレバー21を含み、自由端側に、レバー21から長手方向に交差する下方に向けて突出する探針12が設けられたカンチレバー11と、カンチレバー11の下方に配置され、カンチレバー11に対向させて試料99を保持する試料保持部18と、カンチレバー11及び試料保持部18を駆動して試料99を探針12に対して相対移動させる駆動部17と、駆動部17を制御することにより、長手方向の線分をカンチレバー11から探針12が突出する方向に交差する仮想面に射影した場合に射影像が延びる方向である所定方向(X軸方向)を主走査方向として、仮想面内において試料99の表面を探針12に走査させる制御部(例えば、PC15)、を有する原子間力顕微鏡10の制御方法であって、試料99が一端側から他端側に向かって相対移動する第1方向走査において、試料99と探針12とを第1距離に近接させて第1速度での相対移動によって走査させ、試料99が他端側から一端側に向かって相対移動する第2方向走査において、試料99と探針12とを第1距離よりも遠い第2距離に遠ざけ、かつ、第1速度よりも速い第2速度での相対移動によって走査させる。In addition, the control method in this embodiment includes a cantilever 11 having a long lever 21, one end side in the longitudinal direction of which is a fixed end used to support the lever 21 and the other end side in the longitudinal direction of which is a free end, the cantilever 11 having a probe 12 provided on the free end side that protrudes downward from the lever 21 in a direction intersecting with the longitudinal direction, a sample holder 18 that is disposed below the cantilever 11 and faces the cantilever 11 to hold a sample 99, a drive unit 17 that drives the cantilever 11 and the sample holder 18 to move the sample 99 relative to the probe 12, and a drive unit 17 that controls the drive unit 17 to move the probe 12 along a line segment in the longitudinal direction from the cantilever 11. The control method for an atomic force microscope 10 has a control unit (e.g., PC 15) that causes the probe 12 to scan the surface of a sample 99 within a virtual plane with a predetermined direction (X-axis direction) as the main scanning direction, which is a direction in which a projected image extends when projected onto a virtual plane that intersects the direction in which the sample 99 is projected, and in a first direction scan in which the sample 99 moves relatively from one end side to the other end side, the sample 99 and the probe 12 are brought close to each other at a first distance and scanned by relative movement at a first speed, and in a second direction scan in which the sample 99 moves relatively from the other end side to the one end side, the sample 99 and the probe 12 are moved away from each other to a second distance farther than the first distance and scanned by relative movement at a second speed faster than the first speed.

これによれば、上記の原子間力顕微鏡10と同様の効果を奏することができる。This can achieve the same effect as the atomic force microscope 10 described above.

また、本実施の形態におけるプログラムは、上記に記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。 In addition, the program in this embodiment is a program for causing a computer to execute the control method described above.

これによれば、上記の制御方法の効果を、コンピュータを用いて実現できる。 This allows the effects of the above control method to be achieved using a computer.

(その他の実施の形態)
以上、本発明について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
(Other embodiments)
Although the present invention has been described based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、上記の実施の形態に係る原子間力顕微鏡は、専用の装置として実現されてもよいし、複数の装置として実現されてもよい。For example, the atomic force microscope according to the above embodiments may be realized as a dedicated device or as multiple devices.

また、上記の実施の形態に係る各構成要素間の通信は、有線又は無線で行われ、その通信方式にも特に限定はなく、あらゆる通信方式が採用される。 In addition, communication between the components in the above-described embodiments may be performed either wired or wirelessly, and there are no particular limitations on the communication method, and any communication method may be used.

また、上記の実施の形態に係る制御部などは典型的には、集積回路であるLSIとして実現される。これらのLSIは、1チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように1チップ化されてもよい。In addition, the control unit and the like according to the above embodiments are typically realized as an LSI, which is an integrated circuit. These LSIs may be integrated into a single chip, or may be integrated into a single chip to include some or all of the LSIs.

また、集積回路化は、LSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)、又は、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。In addition, the integrated circuit is not limited to an LSI, but may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. A field programmable gate array (FPGA) that can be programmed after the LSI is manufactured, or a reconfigurable processor that can reconfigure the connections and settings of the circuit cells inside the LSI may be used.

なお、上記の実施の形態において、各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、CPU又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスク又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。In the above embodiment, each component may be configured with dedicated hardware, or may be realized by executing a software program suitable for each component. Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or semiconductor memory.

また、上記で用いた数値等は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の実施の形態は例示された数値に制限されない。 In addition, all numerical values used above are merely examples to specifically explain the present invention, and the embodiment of the present invention is not limited to the numerical values exemplified.

また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能を一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能を複数の機能ブロックに分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。 In addition, the division of functional blocks in the block diagram is one example, and multiple functions may be realized as one functional block, one function may be divided into multiple functional blocks, or some functions may be moved to other functional blocks. Furthermore, the functions of multiple functional blocks having similar functions may be processed in parallel or in a time-sharing manner by a single piece of hardware or software.

また、フローチャートにおける各ステップが実行される順序は、本発明を具体的に説明するために例示するためであり、上記以外の順序であってもよい。また、上記ステップの一部が、他のステップと同時(並列)に実行されてもよい。In addition, the order in which the steps are executed in the flowchart is merely for illustrative purposes in order to specifically explain the present invention, and the steps may be executed in an order other than the above. In addition, some of the steps may be executed simultaneously (in parallel) with other steps.

その他、上記の実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、及び、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記の実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。In addition, the present invention also includes forms obtained by applying various modifications to the above-described embodiments that may occur to those skilled in the art, and forms realized by arbitrarily combining the components and functions of the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、より多様な用途の原子間力顕微鏡に利用可能である。 The present invention can be used for atomic force microscopes for a wider variety of applications.

10 原子間力顕微鏡
11 カンチレバー
12 探針
13 変位計測部
13a LD
13b PD
13c プリアンプ
14 フィードバック制御部
15 PC
16 XY駆動制御部
17 駆動部
17a X駆動部
17b Y駆動部
17c Z駆動部
18 試料保持部
21 レバー
99 試料
10 Atomic force microscope 11 Cantilever 12 Probe 13 Displacement measuring unit 13a LD
13b PD
13c Preamplifier 14 Feedback control section 15 PC
16 XY drive control section 17 Drive section 17a X drive section 17b Y drive section 17c Z drive section 18 Sample holder 21 Lever 99 Sample

Claims (8)

長尺状のレバーであって、長手方向における一端側が前記レバーの支持に用いられる固定端であり、前記長手方向における他端側が自由端であるレバーを含み、前記自由端側に、前記レバーから前記長手方向に交差する下方に向けて突出する探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記下方に配置され、前記カンチレバーに対向させて試料を保持する試料保持部と、
前記カンチレバー及び前記試料保持部の少なくとも一方を駆動して前記試料を前記探針に対して相対移動させる駆動部と、
前記駆動部を制御することにより、前記長手方向の線分を前記カンチレバーから前記探針が突出する方向に交差する仮想面に射影した場合に射影像が延びる方向である所定方向を主走査方向として、前記仮想面内において前記試料の表面を前記探針に走査させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記試料が前記一端側から前記他端側に向かって相対移動する第1方向走査において、前記試料と前記探針とを第1距離に近接させて第1速度で相対移動する第1モードで走査させ、
前記試料が前記他端側から前記一端側に向かって相対移動する第2方向走査において、前記試料と前記探針とを前記第1距離よりも遠い第2距離に遠ざけ、かつ、前記第1速度よりも速い第2速度で相対移動する第2モードで走査させ
前記制御部は、前記探針及び前記試料の前記所定方向上の相対位置の時間領域における変化量が前記第1方向走査及び前記第2方向走査のそれぞれで一様の場合の軌道に比べて、前記第1方向走査と前記第2方向走査とが切り替わる折り返し位置において、前記探針及び前記試料の前記所定方向上の相対位置の時間領域における変化量の高周波成分が除去された軌道に沿って、前記試料を前記探針に対して相対移動させる
原子間力顕微鏡。
a cantilever including a long lever, one end side in a longitudinal direction being a fixed end used for supporting the lever, and the other end side in the longitudinal direction being a free end, the cantilever being provided with a probe on the free end side protruding downward from the lever in a direction intersecting with the longitudinal direction;
a sample holder arranged below the cantilever and facing the cantilever to hold a sample;
a drive unit that drives at least one of the cantilever and the sample holder to move the sample relative to the probe;
a control unit that controls the drive unit to cause the probe to scan the surface of the sample within the imaginary plane with a main scanning direction being a predetermined direction along which a projected image extends when the line segment in the longitudinal direction is projected onto the imaginary plane that intersects with a direction in which the probe protrudes from the cantilever,
The control unit is
In a first direction scan in which the sample moves relatively from the one end side to the other end side, the sample and the probe are brought close to each other at a first distance and scanned in a first mode in which the sample and the probe move relatively at a first speed;
In a second direction scan in which the sample moves relatively from the other end side to the one end side, the sample and the probe are moved to a second distance greater than the first distance, and the sample is scanned in a second mode in which the sample and the probe move relatively at a second speed greater than the first speed ;
The control unit moves the sample relative to the probe along a trajectory in which a high frequency component of the amount of change in the time domain of the relative position of the probe and the sample in the predetermined direction is removed at a turning point where the first direction scan and the second direction scan are switched, compared to a trajectory in which an amount of change in the time domain of the relative position of the probe and the sample in the predetermined direction is uniform in each of the first direction scan and the second direction scan.
Atomic force microscope.
前記制御部は、
前記第1方向走査の際に、前記探針の前記仮想面と交差する方向への変位に対応する電気信号を取得し、取得した前記電気信号と、所定の基準信号との差分に基づいて前記探針と前記試料の表面との距離を前記第1距離に維持させ、
前記第2方向走査の際に、取得された前記電気信号に対してオフセット信号を加算することで、前記所定の基準信号との差分の数値を変化させて前記探針と前記試料の表面との距離を前記第2距離に維持させる
請求項1に記載の原子間力顕微鏡。
The control unit is
during the first direction scanning, acquiring an electrical signal corresponding to a displacement of the probe in a direction intersecting the imaginary plane, and maintaining a distance between the probe and the surface of the sample at the first distance based on a difference between the acquired electrical signal and a predetermined reference signal;
2. The atomic force microscope according to claim 1, wherein during scanning in the second direction, an offset signal is added to the acquired electrical signal to change the numerical value of the difference from the predetermined reference signal, thereby maintaining the distance between the probe and the surface of the sample at the second distance.
前記制御部は、
前記所定方向上の前記探針及び前記試料の相対位置であって、前記第1方向走査が開始される目標の位置関係における相対位置を第1基準点とし、
前記所定方向上の前記探針及び前記試料の相対位置であって、前記第1方向走査が終了する目標の位置関係における相対位置を第2基準点とし、
1周期に対する前記第1方向走査に要する時間の比である分割比をαとしたとき、
前記探針及び前記試料の前記所定方向上の相対位置の、前記第1基準点に対する相対的な時間領域における変化量を、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T,第1基準点)、(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)、及び、第(m+1)周期の(時間,変化量)=(mT,第1基準点)を順次直線的に結ぶ、Tを周期とするのこぎり波様関数に基づいて、前記のこぎり波様関数をフーリエ級数展開したときの所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで算出される近似関数によって表される前記軌道に沿って、前記試料を前記探針に対して相対移動させる
請求項に記載の原子間力顕微鏡。
The control unit is
a relative position of the probe and the sample in the predetermined direction in a target positional relationship at which the first direction scan is started is set as a first reference point;
a second reference point is a relative position of the probe and the sample in the predetermined direction, the second reference point being a relative position in a target positional relationship at which the first direction scanning ends;
When a division ratio, which is a ratio of the time required for the first direction scan to one period, is α,
2. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the sample is moved relative to the probe along the trajectory represented by an approximation function calculated by regarding, as 0, higher-order terms greater than a predetermined order when a sawtooth wave-like function is expanded into a Fourier series, based on a sawtooth wave-like function with a period of T that linearly connects, in order, (time, amount of change)=((m-1)T, first reference point) of the mth period, (time, amount of change)=((m-1)T+αT, second reference point), and (time, amount of change)=(mT, first reference point) of the (m+ 1) th period.
前記制御部は、
前記所定方向上の前記探針及び前記試料の相対位置であって、前記第1方向走査が開始される目標の位置関係における相対位置を第1基準点とし、
前記所定方向上の前記探針及び前記試料の相対位置であって、前記第1方向走査が終了する目標の位置関係における相対位置を第2基準点とし、
1周期に対する前記第1方向走査に要する時間の比である分割比をαとしたとき、
前記探針及び前記試料の前記所定方向上の相対位置の、前記第1基準点に対する相対的な時間領域における変化量を、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T,第1基準点)、及び、(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)を直線的に、第m周期の(時間,変化量)=((m-1)T+αT,第2基準点)、及び、第(m+1)周期の(時間,変化量)=(mT,第1基準点)をコサイン波の1/2波形により順次結ぶ、Tを周期とするのこぎり波様関数に基づいて、前記のこぎり波様関数をフーリエ級数展開したときの所定の次数より大きい高次項を0とみなすことで算出される近似関数によって表される前記軌道に沿って、前記試料を前記探針に対して相対移動させる
請求項に記載の原子間力顕微鏡。
The control unit is
a relative position of the probe and the sample in the predetermined direction in a target positional relationship at which the first direction scan is started is set as a first reference point;
a second reference point is a relative position of the probe and the sample in the predetermined direction, the second reference point being a relative position in a target positional relationship at which the first direction scanning ends;
When a division ratio, which is a ratio of the time required for the first direction scan to one period, is α,
2. The atomic force microscope according to claim 1, wherein the sample is moved relative to the probe along the trajectory represented by an approximation function calculated by regarding, as 0, higher-order terms greater than a predetermined order when the sawtooth wave-like function is expanded into a Fourier series, based on a sawtooth wave-like function having a period of T, which successively connects (time, amount of change)=((m-1)T, first reference point) of the mth period and (time, amount of change)=((m-1)T+αT, second reference point) of the mth period by a linear waveform and (time, amount of change)=((m-1)T+αT, second reference point) of the mth period and (time, amount of change)=(mT, first reference point) of the (m+ 1) th period by a half cosine wave.
前記制御部は、
前記のこぎり波様関数をフーリエ級数展開した場合の所定の次数より大きい高次項を0とみなした関数を算出し、
算出された前記関数における第m周期の変化量が最大となる点を((m-1)T+αT,第2基準点)に一致させ、
算出された前記関数における第m周期の変化量が最小となる点を((m-1)T,第1基準点)に一致させるように、変化量軸方向及び時間軸方向に前記関数を拡張することで算出される前記近似関数によって表される前記軌道に沿って、前記試料を前記探針に対して相対移動させる
請求項3又は4に記載の原子間力顕微鏡。
The control unit is
A function is calculated in which higher-order terms than a predetermined order are regarded as 0 when the sawtooth wave-like function is expanded into a Fourier series;
The point at which the calculated change amount in the m-th period in the function is maximum is made to coincide with ((m-1)T+αT, second reference point);
5. The atomic force microscope according to claim 3, wherein the sample is moved relative to the probe along the trajectory represented by the approximation function calculated by expanding the function in a direction of a change amount axis and a direction of a time axis so that a point at which a change amount in the calculated function for the mth period is smallest coincides with ((m -1)T , first reference point).
前記所定の次数は、9であり、
前記分割比は、α=0.8である
請求項3~5のいずれか1項に記載の原子間力顕微鏡。
the predetermined order is 9,
6. The atomic force microscope according to claim 3 , wherein the division ratio is α=0.8.
長尺状のレバーであって、長手方向における一端側が前記レバーの支持に用いられる固定端であり、前記長手方向における他端側が自由端であるレバーを含み、前記自由端側に、前記レバーから前記長手方向に交差する下方に向けて突出する探針が設けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記下方に配置され、前記カンチレバーに対向させて試料を保持する試料保持部と、
前記カンチレバー及び前記試料保持部を駆動して前記試料を前記探針に対して相対移動させる駆動部と、
前記駆動部を制御することにより、前記長手方向の線分を前記カンチレバーから前記探針が突出する方向に交差する仮想面に射影した場合に射影像が延びる方向である所定方向を主走査方向として、前記仮想面内において前記試料の表面を前記探針に走査させる制御部と、を有する原子間力顕微鏡の制御方法であって、
前記試料が前記一端側から前記他端側に向かって相対移動する第1方向走査において、前記試料と前記探針とを第1距離に近接させて第1速度での相対移動によって走査させ、
前記試料が前記他端側から前記一端側に向かって相対移動する第2方向走査において、前記試料と前記探針とを前記第1距離よりも遠い第2距離に遠ざけ、かつ、前記第1速度よりも速い第2速度での相対移動によって走査させ
前記制御方法では、前記探針及び前記試料の前記所定方向上の相対位置の時間領域における変化量が前記第1方向走査及び前記第2方向走査のそれぞれで一様の場合の軌道に比べて、前記第1方向走査と前記第2方向走査とが切り替わる折り返し位置において、前記探針及び前記試料の前記所定方向上の相対位置の時間領域における変化量の高周波成分が除去された軌道に沿って、前記試料を前記探針に対して相対移動させる
制御方法。
a cantilever including a long lever, one end side in a longitudinal direction being a fixed end used for supporting the lever, and the other end side in the longitudinal direction being a free end, the cantilever being provided with a probe on the free end side protruding downward from the lever in a direction intersecting with the longitudinal direction;
a sample holder arranged below the cantilever and facing the cantilever to hold a sample;
a drive unit that drives the cantilever and the sample holder to move the sample relative to the probe;
and a control unit that controls the drive unit to cause the probe to scan the surface of the sample within a virtual plane, with a main scanning direction being a predetermined direction along which a projected image extends when the line segment in the longitudinal direction is projected onto the virtual plane intersecting a direction in which the probe protrudes from the cantilever, the control unit comprising:
In a first direction scan in which the sample moves relatively from the one end side to the other end side, the sample and the probe are brought close to each other at a first distance and scanned by relative movement at a first speed;
In a second direction scan in which the sample moves relatively from the other end side to the one end side, the sample and the probe are moved away from each other to a second distance greater than the first distance, and the sample and the probe are scanned by the relative movement at a second speed greater than the first speed ;
In the control method, the sample is moved relative to the probe along a trajectory in which a high-frequency component of the amount of change in the time domain of the relative position of the probe and the sample in the predetermined direction is removed at a turning point where the first direction scan and the second direction scan are switched over, compared to a trajectory in which an amount of change in the time domain of the relative position of the probe and the sample in the predetermined direction is uniform in each of the first direction scan and the second direction scan.
Control methods.
請求項に記載の制御方法をコンピュータに実行させるための
プログラム。
A program for causing a computer to execute the control method according to claim 7 .
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