JPH05296761A - 走査型力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 カンチレバー１の変位検出手段として光てこ
方式を用い、変位検出回路と可変利得アンプ２３と励振
子５で発振回路を構成する。この発振回路は、基準信号
発生器３１で周波数が安定化されている。ｚ軸アクチュ
エータ６は、カンチレバーの尖端と試料２の距離を変化
させることにより発振周波数を調整する。 【効果】 出力の雑音を低減でき、低振幅下でも安定し
た発振が可能で、その結果、空間分解能を向上させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体表面の微細な形態
及び磁気情報の計測装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】固体表面の微細な形態を観察する手段と
して、近年、従来の走査型電子顕微鏡等に加えて走査型
トンネル顕微鏡や走査型力顕微鏡等が実用に供されるよ
うになってきた。走査型力顕微鏡は、原子間力顕微鏡や
磁気力顕微鏡等の総称で、試料の導電性の有無に関わら
ず測定が可能であるという特徴を有する。また、磁気力
顕微鏡に代表されるように形態以外に磁気情報などの物
理量を測定することも可能である。

【０００３】走査型力顕微鏡の動作モードは、大別して
二つある。第１のモードは、カンチレバーの尖端を試料
に接触させて表面を走査し、表面の凹凸を捕らえる。そ
の際にかかる荷重を極めて小さくするこにより原子レベ
ルの分解能を実現している。第２のモードは、カンチレ
バー尖端に働く力によってカンチレバーの共振周波数変
化を検出する。この場合、カンチレバーは接触させずに
微小振幅で試料面に垂直に振動させながら走査する。

【０００４】本発明は、この第２のモードに関わるの
で、以下に簡単に解説する。このモードを用いた原子間
力顕微鏡の従来例は特開昭６２−１３０３０２に示され
ている。また、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジ
ックス(J.Appl.Phys.)誌、1987年、第61巻、4723項から
4729項に記述されている。このモードでは、カンチレバ
ーを試料表面に接触させずに数10nm程度離した状態で、
カンチレバーの先端と試料の間に働く原子間力によるカ
ンチレバーの実効的なばね定数の変化によっておこるカ
ンチレバーの共振周波数の変化を検出する。すなわち、
カンチレバーの共振周波数に近い周波数の駆動力でカン
チレバーを励振して、カンチレバーの共振特性を用いて
共振周波数変化をその振幅変化から検出する方法（スロ
ープ・ディテクション法）である。そして、この振幅が
一定になるように試料とカンチレバーの距離を制御しな
がら走査を行う。

【０００５】このモードの特徴は、直接力を検出するの
ではなく力のｚ軸（試料表面に対し垂直）方向の微係数
を検出することにある。このため、カンチレバー尖端に
働く力が小さくてもｚ軸方向の微係数が十分に大きけれ
ば検出できる。事実、このモードにおいて検出される力
は、固体表面近傍で働く極弱い引力である。また、この
モードは磁気力顕微鏡においては最も広く用いられてい
るものである。これは、強磁性体尖端の体積が極めて小
さいため、試料との相互作用も極小さなものであるから
である。

【０００６】このモードを用いた磁気力顕微鏡について
は、アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.Phys.L
ett.）誌、1987年、第50巻、1455項から1457項に記載の
論文に述べられている。

【０００７】これまでのところ、カンチレバーの共振点
シフトを検出する方法として、スロープ・ディテクショ
ン法がもっぱら用いられてきた。この方式の欠点は、第
一には、カンチレバーの共振点シフトとは無関係な要
因、例えば、カンチレバーの振幅を検出する光干渉計の
光源であるレーザのパワー変動などの影響を受けやすい
ことにある。第二には、動作周波数の帯域幅が狭いこと
である。これは、カンチレバーの振幅が数ｎｍから数十
ｎｍと非常に小さいために十分な信号対雑音比を確保す
ると振幅検出回路系の帯域幅を広くとれないためであ
る。

【０００８】これらの欠点を解決する手段として、カン
チレバーの共振点を直接検出することが考えられてい
る。この方法は既に一部で実現されている。その一例
は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｓ．）誌、１９９１年、第６９
巻、６６８項から６７３項に記載の論文中で述べられて
いる。また、我々もほぼ同様の構成の磁気力顕微鏡を実
現している。これらの装置の特徴は、カンチレバーの振
幅検出系の出力をカンチレバー励振系に正帰還させるこ
とにより発振回路を構成し、その発振信号の周波数をＦ
Ｍ検波器で検出することによりカンチレバーの共振点を
直接検出していることである。これは、このような発振
回路系は、その中に含まれる共振器の共振点で発振する
ことを利用したものである。この技術により、外乱の影
響を受けにくくかつ帯域幅の広い走査型力顕微鏡を構成
することが可能となった。

【０００９】しかし、依然として幾つかの欠点が残って
いる。第一には、上に述べた方法によって構成された発
振器は、周波数安定性に欠けることである。殊に、同装
置を大気圧中で動作させた場合には、空気抵抗等により
カンチレバーの共振器としてのＱ値が小さいために著し
い。この技術による装置の出力は周波数であるので、発
振周波数の不安定さは雑音となって出力に表れる。第二
には、上に述べた方法によって構成された発振回路は比
較的雑音レベルが高いので小振幅発振時には雑音等の影
響で発振停止に陥る可能性がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
発振回路部はカンチレバーの振幅検出系の出力を直接正
帰還させているだけであるので、発振周波数の安定性に
かける。また、雑音レベルが比較的高いので小振幅での
発振は安定性にかける。本発明の目的は、発振回路系を
高安定・低雑音化することによりこれらの課題を解決し
た新規な走査型力顕微鏡を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一局面によれば、周波数及び位相が安定な
基準発振器とカンチレバーの変位信号によりカンチレバ
ーを励振する手段とカンチレバーの変位信号と基準発振
器の信号の位相を比較する手段とを有する。また、本発
明の限定された一局面によればカンチレバー尖端と試料
の間に静電バイアスをかける手段を有する。また、本発
明の限定された一局面によればカンチレバーが強磁性体
からなる尖端を有する。

【００１２】

【作用】カンチレバーの変位信号によりカンチレバーを
励振することはカンチレバーの共振周波数で発振をする
ように作用する。基準発振器の信号とカンチレバーの変
位信号との位相差が極小になるようにカンチレバー尖端
と試料表面の距離を調整することは、発振回路の発振周
波数を安定化しかつ雑音レベルを低下させるように作用
する。カンチレバー尖端と試料表面の間に静電バイアス
をかけることは、カンチレバー尖端と試料表面の距離の
調整を容易にするように作用する。強磁性体からなるカ
ンチレバー尖端は、試料からの漏洩磁界を測定可能にす
るように作用する。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である。この実施
例では、カンチレバー１の変位検出手段として光てこを
用いているが、他の方式、例えば光干渉計を用いてもよ
い。光源３から出射した光は、鏡面状のカンチレバー表
面にて反射しポジション・センサ４に入射する。ここ
で、光源から出る光は、カンチレバー表面上で合焦する
ように光源は調整されている。光源の種類としては、半
導体レーザが適しているが、高輝度発光ダイオード等も
利用可能である。さて、カンチレバー先端がｚ軸方向に
変位するとカンチレバー支持部は固定されているので光
の反射角が結果として変化する。その結果、ポジション
・センサ上の反射光のスポット位置が変化する。ポジシ
ョン・センサは、反射光スポットの位置を電気信号に変
換する。その信号は、変位検出回路２１に入力される。
変位検出回路では、信号増幅やフィルタリング、光源輝
度変動の影響除去などが行われる。この実施例では、直
流カットを行い交流成分のみを取り出している。

【００１４】変位検出回路の出力は、バンドパス・フィ
ルタ２２によって雑音成分を除去した後、可変利得アン
プ２３に入力される。可変利得アンプの出力は振幅検出
回路２４によってモニタされる。可変利得アンプは、外
部から与えられた目標値と振幅検出回路の出力が一致す
るように利得を自動的に制御する。また、可変利得アン
プの出力は、カンチレバー励振子５に入力される。この
とき、カンチレバーの共振周波数では、励振子がカンチ
レバーに与える振動がカンチレバーの変位と同相になる
ように位相は調整されている。すなわち、正帰還をかけ
ている。従って、ループ・ゲインが１を超えると、この
系はカンチレバーの共振周波数で発振を始める。以下で
は、このループが発振状態にあるときを考える。なお、
励振子としては圧電素子が適している。

【００１５】さて、この発振信号の一部は、位相比較器
３２に入力される。位相比較器のもう一方の入力は、基
準発振器３１からの基準周波数信号である。基準発振器
は、水晶発振器等の周波数安定度の高いものである必要
がある。さらには、発振周波数が可変で位相安定性も優
れている必要がある。このようなものは、水晶発振器を
基準として持つ周波数シンセサイザ方式の発振器があ
る。位相比較器は、乗算器などが利用できる。本実施例
でも乗算器を用いている。

【００１６】図２は、図１を簡単化したものである。カ
ンチレバーを含む発振部は、電気回路的に見れば電圧制
御発振器４０を構成している。これは、カンチレバー尖
端と試料表面の距離によってカンチレバーの共振周波数
が変化するので、ｚ軸アクチュエータ６で距離を調整す
ることにより発振周波数を変更できるからである。図２
に示すように、この系はフェイズ・ロックド・ループ
（ＰＬＬ）を構成している。基準発振器の周波数と電圧
制御発振器の周波数が十分に近い場合、図２のような系
では、二つ信号の位相差は０に近付き、電圧制御発振器
の発振周波数は基準信号と一致する。これが、フェーズ
・ロック状態である。電圧制御発振器の制御電圧（位相
比較器の出力）対発振周波数の関係は位相差を０に近付
けるような特性に選ばれている。すなわち、カンチレバ
ー尖端を試料表面に近付けると発振周波数は下がるの
で、図１の例では位相比較器の出力に適当なオフセット
電圧を加えてそのままｚ軸アクチュエータに入力すれば
よい。ただし、一般には位相比較器などの動作電圧は数
ボルトであるのに対し、本実施例で採用している圧電素
子を用いたｚ軸アクチュエータを駆動するには数十ボル
トの電圧が必要であるのでパワー・アンプ３４が必要で
ある。オフセット電圧もこのアンプにて加えている。

【００１７】尚、フェーズ・ロック技術は、通信システ
ムや制御システム等、一般に広く用いられているもので
ある。また、同技術に関する文献としては、フェーズ・
ロックド・ループス（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏ
ｏｐｓ），ローランド・ベスト（Ｒｏｌａｎｄ Ｂｅｓ
ｔ）著、マクグロウ・ヒル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，
Ｉｎｃ．）社、１９８４年刊やフェーズロック・テクニ
ックス（Ｐｈａｓｅｌｏｃｋ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ｓ），フロイド・ガードナー（Ｆｌｏｙｄ Ｇａｒｄｎ
ｅｒ）著、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（Ｊｏｈ
ｎ Ｗｉｌｅｙ ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．）社、１９６６
年刊が挙げられる。

【００１８】次に、カンチレバーの共振周波数とカンチ
レバーに働く力の関係を説明する。数１にカンチレバー
の運動方程式を示す。カンチレバーを試料表面のポテン
シャル中で強制振動させるのでこのように表現される。

【００１９】

【数１】

【００２０】ただし、ｍは有効質量、ｋはカンチレバー
のばね定数、Γは効力の係数、Ｖ（ｚ）はポテンシャ
ル、Ｆはカンチレバー駆動力の振幅、ａはカンチレバー
の平衡点のｚ座標、ωは外力の角周波数である。カンチ
レバーの平衡点（ｚ＝ａ）の近傍で、振幅が十分に小さ
いという仮定で近似を行い、ポテンシャルの影響による
共振点のシフト量を求めると数２のようになる（ただし
数３）。

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】一般に、カンチレバー尖端を試料表面に接
近させると図３に示すような力が働くことが知られてい
る。本実施例の装置は、図３でカンチレバーに働く力が
負の領域、すなわち、引力領域で動作する。引力領域で
は、力のｚ方向の微係数は負である。従って、カンチレ
バーの尖端を試料表面に接近させると発振回路の発振周
波数は下がる。

【００２４】図４は、カンチレバーを試料表面に接近さ
せたときの周波数変化の実験結果である。表面に接近す
るにつれて発振周波数が下がっている。

【００２５】次に総合的な動作について述べる。基準発
振器の発振周波数をカンチレバーの自由状態の共振周波
数より低い値に設定する。最初、切替スイッチ３７は、
自動接近制御装置３８側に切り替わっている。この状態
では、ｚ軸アクチュエータは完全に伸びた状態で発振回
路はカンチレバーの自由状態での共振周波数で発振して
いる。自動接近制御装置は、発振回路の発振周波数を検
出する回路とｚ軸アクチュエータを駆動する回路、それ
に切替スイッチを自動的に切替る機能とを持っている。
自動接近制御装置には、基準発振器の発振周波数を目標
値として与えておく。

【００２６】自動接近制御装置は、ｚ軸アクチュエータ
を徐々に縮めてゆく。ポテンシャルの影響下に入ると発
振周波数は徐々に下がり目標値に近付く。目標値に十分
に近付くと、自動接近制御装置は切替スイッチを自動的
に切替る。すると、この装置は図２に示すフェーズ・ロ
ックド・ループとして動作を開始する。すなわち、この
系は、目標周波数で発振するようにｚ軸アクチュエータ
を駆動してカンチレバー尖端と試料表面の距離を自動的
に制御する。

【００２７】今、カンチレバー尖端は、原子間力のみを
感じるとすると、この状態でｘ−ｙ走査制御装置３５に
よってｘ−ｙ走査装置を駆動すればカンチレバー尖端は
発振周波数が等しい面、すなわち、表面から一定距離離
れた面を辿る。すなわち、原子間力顕微鏡である。ｘ−
ｙ走査制御装置の走査信号は、表示装置３６にも出力さ
れる。また、表示装置には、発振回路の制御電圧、すな
わち、試料表面の凹凸情報も入力される。表示装置は、
これを各走査位置毎に表示する。ここで、カンチレバー
が強磁性体尖端を有し、試料からの漏洩磁界が存在すれ
ば表示される情報は、漏洩磁界に関する情報も含む。す
なわち、磁気力顕微鏡である。また、この他にもカンチ
レバー尖端が静電気力等の力を感知することができるな
らば、これらの力に関する情報も得ることができる。

【００２８】本装置が検出できるのは、カンチレバー尖
端に働く力のｚ軸方向の微係数のみである。しかし、同
一走査位置において基準発振器の周波数を掃引すること
により微係数の各値に対する表面からの距離を知ること
ができる。これより反対にｚ軸方向力の微係数の変化を
知ることができる。これをｚ軸方向に積分すれば、直流
成分を除けば力を求めることができる。

【００２９】次に、この装置の特長を述べる。この装置
が、従来技術と大きく異なる点は、発振回路が周波数、
位相ともに極めて安定した基準発振器に対して位相がロ
ックされている点である。このような構成をとると、も
ともと周波数安定性があまり良くない電圧制御発振器の
出力も安定度が極めて良くなることが知られている。本
実施例で用いている発振回路も、大気中で動作させた場
合、カンチレバーのＱ値がおよそ２００とあまり高くな
いために周波数安定性は良くない。しかし、本実施例で
はフェーズ・ロック技術を用いることにより周波数安定
性は格段に改善された。その結果、出力における雑音も
大幅に減少した。

【００３０】この装置のもう１つの特長は、発振回路の
雑音レベルが極めて低いことである。カンチレバーの振
幅は小さい方が空間分解能、特に、ｚ方向の分解能が向
上する。従って、振幅は小さいことが望ましいが、雑音
レベルが高いと小振幅では安定な発振は難しい。本実施
例では、フェーズ・ロック技術を用いた結果、雑音レベ
ルが低いために振幅が小さくても（当然、カンチレバー
の振幅も小さい）安定した発振が可能である。これによ
り、空間分解能も向上した。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、発振回路系の周波数安
定性を向上させる手段を備えているので出力の雑音を低
減できる。また、発振回路系の雑音レベルを低下させる
手段を備えているので低振幅下でも安定した発振が可能
で、その結果、空間分解能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基準周波数により発振周波数が安定化された走
査型力顕微鏡の系統図。

【図２】図１を簡略化した説明図。

【図３】試料表面付近でカンチレバー尖端に働く力の様
子の説明図。

【図４】試料表面付近でのカンチレバーの共振周波数変
化の測定結果の説明図。

【符号の説明】

１…カンチレバー、２…試料、３…光源、４…ポジショ
ン・センサ、５…励振子、６…ｚ軸アクチュエータ、７
…支持部、８…ｘ−ｙ走査装置、２１…変位検出回路、
２２…バンドパス・フィルタ、２３…可変利得アンプ、
２４…振幅検出回路、３１…基準信号発生器、３２…位
相比較器、３３…ループ・フィルタ、３４…パワー・ア
ンプ、３５…ｘ−ｙ走査制御装置、３６…表示装置、３
７…切替スイッチ、３８…自動接近制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小柳 肇 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】尖端を有するばね状のカンチレバーと、前
   記カンチレバーの尖端を試料表面に沿って走査する手段
   と、前記カンチレバーの変位を検出する手段と、前記カ
   ンチレバーの変位信号で前記カンチレバーを励振するた
   めの手段と、周波数及び位相が安定な基準発振器と、前
   記基準発振器の出力信号の位相と前記カンチレバーの変
   位検出手段の出力信号の位相差を検出する手段と、前記
   カンチレバーと試料表面との距離を前記基準発振器の出
   力信号とカンチレバーの変位信号との位相差を極小にす
   るように調整する手段と、前記位相差を走査位置毎に表
   示する手段とを含むことを特徴とする走査型力顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１において、前記試料と前記カンチ
   レバー尖端との間に静電バイアスをかける手段を有する
   走査型力顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１において、前記カンチレバーが強
   磁性体尖端を有する走査型力顕微鏡。