JPH09178761A - Ａｃモード走査型プローブ顕微鏡の探針接触監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＡＣモード走査型プローブ顕微鏡の探針接触
監視装置において、非接触モードとして不安定な動作を
しているか否かを正確に検出し判断して観察者に知らせ
る。 【解決手段】 カンチレバー11を加振するＡＣモードで
測定が行われ、測定動作中非接触モードに保持される構
成を有し、さらにカンチレバーの振動を検出する位置セ
ンサ19と、この位置センサの出力する信号に、カンチレ
バーの共振周波数よりも高い周波数の信号成分が含まれ
ているか否かを監視し、高い周波数の信号成分が含まれ
ているときには探針接触が生じたと判断する監視機構(2
4,25,26,27) とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＡＣモード走査型プ
ローブ顕微鏡の探針接触監視装置に関し、特に、カンチ
レバーを非接触の振動モードで動作させる原子間力顕微
鏡等の走査型プローブ顕微鏡において、探針と試料の接
触を監視するための探針接触監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡＣモード（交流振動モード）の原子間
力顕微鏡（以下原子間力顕微鏡をＡＦＭと記す）等は、
カンチレバーを加振し、カンチレバー先端の探針を振動
させて測定を行うように構成される。このＡＣモードＡ
ＦＭでは、探針と試料が非接触状態に保たれる非接触モ
ード（ノンコンタクトモード）と、探針が試料に周期的
に接触する周期的接触モード（コンタクトモード）が知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】非接触モードのＡＦＭ
では、カンチレバーをその共振周波数の近傍の周波数で
加振し、探針は非接触状態を保ちながら試料表面を走査
することが要求される。そこで従来、一般的に、探針と
試料が接触せず非接触モードで動作し続けているか否か
の判断は、観察者が装置の動作状態を見ることで判断し
ていた。この判断方法は、非常に不正確であった。

【０００４】また非接触モードのＡＦＭでは、測定の走
査の際に探針が試料に接触すると、通常、カンチレバー
の振動が停止し、観察不可能の状態になる。このように
振動が停止する場合には、カンチレバーの発振振幅を検
出することによって、現在発振しているか否かを判定で
きる。

【０００５】一方、カンチレバーに与える振幅が大きい
場合は、探針が時々試料に接触しても、発振が停止せず
に動作し続けることが起きることもある。この場合に
は、像が不安定になるばかりでなく、探針先端の劣化も
進むことが懸念される。

【０００６】上記のように非接触モードのＡＦＭにおい
て、接触が生じ非接触モードとしては不安定な動作をし
ていることを正確にかつ自動的に検出し、判断し、さら
に観察者に知らせる監視装置が必要である。この要求
は、走査型プローブ顕微鏡に要求される。

【０００７】本発明の目的は、上記の問題を解決するた
め、非接触モードとして不安定な動作をしているか否か
を正確に検出し判断して、観察者に知らせるＡＣモード
走査型プローブ顕微鏡の探針接触監視装置を提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
に係るＡＣモード走査型プローブ顕微鏡の探針接触監視
装置は、上記目的を達成するため、カンチレバーを加振
するＡＣモードで測定が行われ、測定動作中非接触モー
ドに保持されるものであり、カンチレバーの振動を検出
する検出手段（位置センサ）と、この検出手段の出力す
る信号に、カンチレバーの共振周波数よりも高い周波数
の信号成分が含まれているか否かを監視し、前記高い周
波数の信号成分が含まれているとき探針接触が生じたと
判断する監視手段とから構成される。

【０００９】上記第１の発明では、カンチレバーの振動
波形を検出する位置センサの出力の一部をモニタするこ
とにより前記課題を解決する。すなわち、探針と試料と
の接触によってカンチレバーの振動波形に歪みが生じる
と、振動の周波数成分において高周波成分が多く含まれ
るようになる。そこで、ハイパスフィルタ等を利用して
上記の高周波成分だけを分離し、当該高周波成分の量か
ら、探針接触の有無を判定するように構成した。この構
成によれば、簡単にかつ正確に判定でき、装置の動作が
不安定であることを確実に観察者に知らせることができ
る。

【００１０】第２の本発明に係るＡＣモード走査型プロ
ーブ顕微鏡の探針接触監視装置は、第１の発明の構成に
おいて、好ましくは、前記監視手段が、検出手段の出力
する信号から高周波成分を取り出すハイパスフィルタ
と、このハイパスフィルタの出力信号を検波する検波手
段と、この検波手段の出力信号と設定値（予め設定され
た値）とを比較し、前記出力信号が設定値よりも大きい
ときに探針接触と判定する判定手段とから構成される。

【００１１】第３の本発明に係るＡＣモード走査型プロ
ーブ顕微鏡の探針接触監視装置は、第１または第２の発
明の構成において、好ましくは、前記監視手段が警告手
段を備えるように構成される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１３】図１は本発明に係る探針接触監視装置が組
み込まれた非接触モードのＡＣモードＡＦＭの実施形態
を示す。図１に従って非接触モードのＡＣモードＡＦＭ
の構成と動作を説明する。

【００１４】１１はカンチレバーで、その先端に探針１
２が設けられている。カンチレバー１１の基部は加振用
圧電素子１３を介してフレーム１４の上部に固定され
る。フレーム１４の下部にはＸＹＺスキャナ１５が設け
られる。ＸＹＺスキャナ１５の上面には試料１６が配置
される。ＸＹＺスキャナ１５は、直交する３軸（Ｘ軸、
Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向に変位を発生するための圧電素
子等からなる駆動部（Ｘ軸方向駆動部、Ｙ軸方向駆動
部、Ｚ軸方向駆動部）を内蔵している。これによって、
試料１６を任意の方向に微小距離移動させることができ
る。かかる取付け構造によって、探針１２の先端は試料
１６の表面に対して所要の距離をあけて、接近した状態
で対向する。ＡＣモードＡＦＭで非接触モードのもの
は、その測定動作の際、カンチレバー１１は圧電素子１
３によって加振されて振動状態にあり、さらに探針１２
と試料１６の間は一定の間隔に保持され、非接触の状態
に保たれる。

【００１５】カンチレバー１１の上方にはレーザ光源１
７が配置され、レーザ光源１７から出射されたレーザ光
１８はカンチレバー１１の背面先部付近を照射する。そ
の反射光は位置センサ１９に入射される。レーザ光源１
７とカンチレバー１１と位置センサ１９によって光てこ
方式の変位検出器が構成される。カンチレバー１１の先
端部が、探針１２と試料１６の表面との間の物理的作用
に基づいて図１中Ｚ軸方向へ変位すると、反射光のスポ
ット位置は位置センサ１９の受光面内で変位する。位置
センサ１９は、反射光のスポット位置の変位を電圧値の
変化に変換して出力する。位置センサ１９の出力は信号
増幅器２０で増幅される。信号増幅器２０の出力信号
は、移相器２１を経由して加振用圧電素子１３へ入力さ
れる。位置センサ１９と信号増幅器２０と移相器２１と
加振用圧電素子１３は、カンチレバー１１を共振要素と
する発振器を構成している。

【００１６】信号増幅器２０の利得および移相器２１の
移相量を適切に選ぶことにより、カンチレバー１１を自
身の共振周波数で安定して発振させることができる。

【００１７】また信号増幅器２０の出力の一部はＦ／Ｖ
（周波数／電圧）変換器２２に入力される。Ｆ／Ｖ変換
器２２では、入力信号を、その周波数を対応する電圧に
変換し、電圧信号を出力する。Ｆ／Ｖ変換器２２の出力
はサーボ装置２３に入る。サーボ装置２３の出力はＸＹ
Ｚスキャナ１５内のＺ軸方向駆動部に入力されると共
に、さらに、その一部は表示装置２４を備える演算処理
装置２５に入力される。サーボ装置２３は、後述するよ
うに、探針１２と試料１６の間を一定の距離に保ち、も
って探針・試料間を非接触状態に保つように、ＸＹＺス
キャナ１５のＺ軸方向駆動部を介して試料１６をＺ軸方
向へ変位させるためのサーボ制御を行う働きを有する。

【００１８】さらに、信号増幅器２０の出力の一部は、
ハイパスフィルタ２６と検波器２７を通って演算処理装
置２５に入力される。ハイパスフィルタ２６は、信号増
幅器２０から出力された信号のうち相対的に高い所定の
周波数を有する交流信号のみを通過させ、検波器２７は
その交流信号の周波数成分を検波して演算処理装置２５
に供給する。

【００１９】演算処理装置２５はコンピュータで構成さ
れ、ＣＰＵと記憶部を内蔵する。その記憶部には、試料
表面の所望箇所を測定するためＡＦＭの動作を制御する
プログラム（測定プログラム）と、測定データを記憶し
て、この測定データから試料１６の観察表面の微細形状
に関する画像を上記表示装置２４に表示するために用い
られる画像データを作成するための処理を行うプログラ
ム（画像作成プログラム）が格納される。演算処理装置
２５の記憶部には、さらに探針１２と試料１６の表面と
の間で接触状態が起きたか否かを判定するためのプログ
ラム（探針接触検出プログラム）が格納される。探針接
触検出プログラムによる探針接触の判断では、検波器２
７から出力される周波数信号が使用される。

【００２０】非接触のＡＣモードＡＦＭによる測定動作
は、入力装置を経由して入力されたパラメータや命令を
利用して前述の測定プログラムに基づいて行われる。こ
の実施形態では、ＸＹＺスキャナ１５により試料１６を
Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向に変位させることによって、試料
１６の表面の任意箇所が探針１２で走査され、探針・試
料間を非接触状態であって平均的意味で所定距離に保つ
ことによって得られる探針１２のＺ軸方向の変位を測定
データとして当該箇所の微細形状に関するデータを得
る。非接触のＡＣモードＡＦＭでは、測定動作の間、カ
ンチレバー１１は加振用圧電素子１３によって加振さ
れ、望ましい状態として所定の共振周波数による振動状
態にある。

【００２１】上記の測定動作において、振動動作を継続
するカンチレバー１１の共振周波数は外力の影響により
変化する。探針１２と試料１６との間に働く原子間力が
大きくなる、すなわち探針１２が試料１６に接近する
と、カンチレバー１１の共振周波数はシフトする。従っ
て、このシフト量を一定に保つということは、探針１２
と試料１６との距離を設定された一定値に保つことを意
味する。

【００２２】サーボ装置２３は、Ｆ／Ｖ変換器２２から
与えられる、振動周波数の大きさに対応する電圧信号に
基づいて、探針・試料間の距離が一定になるように、Ｘ
ＹＺスキャナ１５に対してＺ軸方向駆動部の作動信号を
与える。ＸＹＺスキャナ１５のＺ軸方向駆動部によるＺ
軸方向の動作に関してサーボ装置２３にサーボ動作を行
わせた状態で、ＸＹ走査回路２８を用いてＸＹＺスキャ
ナ１５のＸＹ軸方向の駆動部を動作させ、探針１２に試
料１６のＸＹ平面を走査させる。このとき、ＸＹ平面内
の測定点の座標と、各測定点のＶ_Z （サーボ装置２３の
出力電圧値）が、演算処理装置２５の記憶部に測定デー
タとして格納される。記憶部に格納された測定データ
は、上記の画像作成プログラムによって逐次にあるいは
一括して処理され、試料１６における測定箇所の表面形
状に関する画像データを作成し、この画像データを用い
て表示装置２４の画面に測定画像を表示する。こうし
て、表示装置２４の画面に試料１６の測定箇所の表面形
状を得ることができる。

【００２３】上記の測定動作の間、信号増幅器２０から
出力される電圧信号の一部はハイパスフィルタ２６に入
力される。探針１２が試料１６に接触しない状態でカン
チレバ１１が振動しているときの、ハイパスフィルタ２
６に入力される電圧波形の一例を図２（ａ）に示す。こ
の波形図によれば、カンチレバー１１自身の共振周波数
ｆ₀ で振動していることがわかる。これに対して、図２
（ｂ）は、探針１２が試料１６に周期的に接触している
場合の電圧波形を示し、この電圧波形では接触により歪
み３２が生じている。図２（ａ），（ｂ）の電圧波形を
それぞれスペクトルアナライザで観察したものを示す
と、図３（ａ），（ｂ）のようになる。図３（ａ）では
基本波（周波数ｆ₀ ）のスペクトル３０しか表れない
が、図３（ｂ）ではスペクトル３０に加えて、接触によ
り発生した高い周波数成分のスペクトル３１が含まれて
いることがわかる。

【００２４】従って、上記の特性を利用すれば、信号増
幅器２０から出力される電圧信号の周波数成分を取り出
し、その中に高い周波数成分（上記スペクトル３１の部
分）が含まれているか否かを調べることによって、測定
動作中に、探針１２が試料１６の表面に接触したか否か
を判断することができる。そこで、信号増幅器２０から
出力される電圧信号の周波数成分を取り出すための手段
として、前述のハイパスフィルタ２６と検波器２７が設
けられる。

【００２５】すなわち、信号増幅器２０の出力電圧の一
部は、ハイパスフィルタ２６へ導かれ、このハイパスフ
ィルタ２６によって、仮に接触が発生し高周波成分が生
じたときには、当該高周波成分のみを取り出し、検波器
２７で検波するようにした。演算処理装置２５での探針
接触判断では、前述の探針接触検出プログラムが動作
し、検波器出力を用いて探針接触判断を行う。図４に探
針接触検出プログラムのフローチャートを示す。当該探
針接触検出プログラムによれば、入力された検波器出力
信号が、予め設定されたしきい値よりも大きいか否かを
判断し（ステップＳ１１）、当該しきい値よりも大きい
場合には、上記高周波成分が生じたものとして、ＸＹＺ
スキャナ１５のＺ軸方向駆動部を動作させて試料１６を
探針１２から遠ざける（ステップＳ１２）と共に、例え
ば表示装置２４やその他の警報手段を介して観察者に警
報を発する（ステップＳ１３）。さらに、走査の動作を
停止して（ステップＳ１４）、探針１２の破損を未然に
防ぐこともできる。入力された検波器出力信号が、予め
設定されたしきい値よりも小さい場合には、上記高周波
成分が生じないものとして、通常の測定動作を継続する
（ステップＳ１５）。

【００２６】前述の実施形態ではＡＦＭで説明したが、
同様な構成および作用を有する走査型プローブ顕微鏡に
対して本発明に係る探針接触監視装置を適用できるのは
勿論である。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、非接触で動作するＡＣモードの走査型プローブ顕
微鏡において、光てこ方式検出装置の位置センサから出
力される信号に所定の高周波成分が含まれているか否か
を判断する構成を設けるようにしたため、探針と試料が
周期的に接触している場合に、このことを観察者に知ら
せることができる。

【００２８】さらに、装置の不安定動作の原因が、探針
と試料の間で接触が生じていることにある、つまりサー
ボ装置のパラメータや走査速度が適切ではないというこ
とを、観察者に正確に知らせることができ、安定して非
接触モードで動作させるための調整が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る探針接触監視装置を備えるＡＣモ
ードＡＦＭの一実施形態を示す構成図である。

【図２】カンチレバーの振動状態を表す位置センサの出
力信号を示し、（ａ）は非接触で振動している場合の電
圧波形図、（ｂ）は周期的に接触している場合の電圧波
形図である。

【図３】図２に示した電圧波形のスペクトル分布を示
し、（ａ）は非接触で振動している場合のスペクトル分
布図、（ｂ）は周期的に接触している場合のスペクトル
分布図である。

【図４】探針接触監視プログラムによる動作内容を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１１ カンチレバー １２ 探針 １５ ＸＹＺスキャナ １６ 試料 １７ レーザ光源 １９ 位置センサ ２０ 信号増幅器 ２１ 移相器 ２２ Ｆ／Ｖ変換器 ２３ サーボ装置 ２５ 演算処理装置 ２６ ハイパスフィルタ ２７ 検波器 ２８ ＸＹ走査回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーを加振するＡＣモードで測
   定が行われ、測定動作中非接触モードに保持される走査
   型プローブ顕微鏡において、 前記カンチレバーの振動を検出する検出手段と、この検
   出手段の出力する信号に、前記カンチレバーの共振周波
   数よりも高い周波数の信号成分が含まれているか否かを
   監視し、前記高い周波数の信号成分が含まれているとき
   探針接触が生じたと判断する監視手段とを有することを
   特徴とするＡＣモード走査型プローブ顕微鏡の探針接触
   監視装置。
2. 【請求項２】 前記監視手段は、前記検出手段の出力す
   る信号から高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、
   このハイパスフィルタの出力信号を検波する検波手段
   と、この検波手段の出力信号と設定値とを比較し、前記
   出力信号が前記設定値よりも大きいときに探針接触と判
   定する判定手段とからなることを特徴とする請求項１記
   載のＡＣモード走査型プローブ顕微鏡の探針接触監視装
   置。
3. 【請求項３】 前記監視手段は警告手段を備えることを
   特徴とする請求項１または２記載のＡＣモード走査型プ
   ローブ顕微鏡の探針接触監視装置。