KR101590665B1 - 주사형 프로브 현미경 - Google Patents

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타케시 후쿠마
유지 미타니
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도쿠리츠다이가쿠호징 가나자와다이가쿠
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Abstract

탐침(探針/Probe)-시료간의 상호작용의 검출에 의해 고조파 성분의 발생을 회피하고, 고속이면서 안정된 주사형 프로브 현미경을 제공한다. 발진 회로(31)는, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성한다. 여진 신호 생성 회로(33)는, 여진 위상 신호로부터 여진 신호를 생성한다. 복소 신호 생성 회로(35)는, 변위 신호로부터 복소 신호를 생성한다. 벡터 연산 회로(37)는, 복소 신호의 편각을 계산한다. 감산식 위상 비교기(39)는, 편각 및 여진 위상 신호의 위상 비교를 감산에 의해 진행한다. 프로브 본체와 시료의 상호작용량이 감산식 위상 비교기(39)를 이용하여 얻어진다. 감산식 위상 비교기(39)의 비교 결과가, 변위 신호와 여진 신호의 위상차로서 출력되어도 좋다. 또한, 루프 필터가 마련되고, 위상 록 루프가 형성되고, 프로브 본체의 공진 주파수 변화를 나타내는 주파수 신호가 구해져도 좋다.

Description

주사형 프로브 현미경{SCANNING TYPE PROBE MICROSCOPE}
본 출원에서는, 2008년 8월 28일에 일본국에 출원된 특허출원번호 2008-219456의 이익을 주장하고, 당해 출원내용은 인용으로 본 명세서에 도입된다.
본 발명은, 주사형 프로브 현미경에 관한 것으로서, 특히, 프로브 본체의 여진(勵振) 제어 및 프로브 본체의 진동 진폭, 위상 및 주파수 검출을 위한 기술에 관한 것이다.
주사형 프로브 현미경(SPM)은, 뾰족한 탐침(探針/프로브)을 시료에 대해 접근시켜, 탐침과 시료의 사이에 작용하는 상호작용(터널 전류나 상호작용력 등)을 검출하고, 상호작용을 일정하게 유지하도록 탐침-시료간의 거리를 피드백 제어한다. 또한, SPM은, 피드백 제어를 유지한 상태에서, 탐침(또는 시료)을 수평 방향으로 주사한다. 이에 의해, 탐침(또는 시료)은, 시료의 요철을 따라(trace) 상하한다. 그리고, 피드백 주사의 궤적을 수평위치에 대해 기록하는 것에 의해, 시료 표면의 요철상(像)을 얻을 수 있다.
SPM의 일례로서, 원자간력 현미경(AFM)이 알려져 있다. AFM은, 탐침과 시료의 사이에 작용하는 상호작용력을 검출하고, 상호작용력을 일정하게 유지하도록 탐침-시료간의 거리를 피드백 제어한다. AFM은, 뾰족한 탐침을 선단에 구비한 캔틸레버(cantilever/외팔보)를 힘 검출기로서 이용한다. 탐침을 시료에 접근하면, 탐침-시료간의 상호작용력에 의해 캔틸레버가 변위한다. 이 변위량으로부터 상호작용력을 검출하는 타입의 AFM은, 콘택트 모드 AFM 또는 스태틱 모드 AFM으로 불린다.
한편, 캔틸레버를 그 공진 주파수 근방의 주파수로 기계적으로 여진하는 타입의 AFM은, 다이나믹 AFM으로 불린다. 다이나믹 AFM은, 탐침-시료간의 상호작용력에 의해 발생하는 진동 진폭, 주파수 또는 위상의 변화로부터 상호작용력을 검출한다. 진폭, 주파수 및 위상을 이용하여 상호작용력을 검출하는 AFM은, 각각, AM-AFM, FM-AFM 및 PM-AFM으로 불린다.
종래의 다이나믹 모드 AFM은, 예를 들면, 일본국 특허출원공개 2004-226237호 공보에 개시되어 있다. 이 문헌은, FM-AFM의 일례를 개시하고 있다.
도 1은, 다이나믹 모드 AFM의 일반적 구성을 나타내고 있다. AFM(101)은 캔틸레버(103), 시료 스테이지(105), 스캐너(107) 및 여진부(109)를 구비한다. 스캐너(107)는 예를 들면 피에조 액추에이터(piezo actuator)이고, 시료 스테이지(105) 상의 시료를 XYZ 방향으로 이동하여, 시료와 캔틸레버(103)를 상대적으로 주사한다. 여진부(109)도 예를 들면 피에조 액추에이터이고, 캔틸레버(103)를 여진한다. 액추에이터 구동을 위한 증폭기 등은 도시를 생략하고 있다.
여진 및 검출 회로(111)는, 여진 제어 기능과 상호작용력의 검출 기능을 갖는 회로이다. 여진 및 검출 회로(111)는, 여진부(109)에 여진 신호를 가하는 것에 의해, 캔틸레버(103)를 여진한다. 또한, 여진 및 검출 회로(111)는, 센서(113)에 의해 검출되는 캔틸레버(103)의 변위 신호로부터, 탐침-시료간의 상호작용량으로서 진폭, 주파수 또는 위상을 검출한다. 검출값은, 피드백 신호로서 피드백 회로(115)에 출력되고, 스캐너(107)의 수직위치를 제어하기 위해 사용된다. 이에 의해, 탐침-시료간 거리를 일정하게 유지하는 피드백 루프가 구성된다.
상기한 바와 같이, 본 명세서에서는, 여진 제어 회로 및 상호작용 검출 회로로서 기능을 하는 회로를 "여진 및 검출 회로"로 부른다. 여진 및 검출 회로의 실장 방법에는 몇 가지 종류가 있다. 여진 및 검출 회로는, 우선, 아날로그 방식과 디지털 방식으로 대별할 수 있다. 유연하게 사양을 변경할 수 있고, 또한, 복잡한 신호 처리를 실장할 수 있으므로, 현재에는 디지털 방식이 주로 사용되고 있다.
도 2는 종래의 디지털 방식의 여진 및 검출 회로의 실장예를 나타내고 있다. 도 2의 구성은, AM-AFM 및 PM-AFM에 대응되어 있고, 여진 신호를 생성함과 함께, 진폭 신호 및 위상차 신호를 검출한다. 진폭 신호는 캔틸레버의 진동 진폭이고, 위상차 신호는, 캔틸레버의 여진 신호와 변위 신호의 위상차이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 여진 및 검출 회로(121)는, DDS(Direct Digital Synthesizer)(123)와 록-인 증폭기(125)를 구비한다. DDS(123)가 여진 제어 회로에 상당하고, 록-인 증폭기(125)가 진폭 및 위상차의 검출 회로에 상당한다.
도 2에 있어서, DDS(123)는, 여진 주파수 f로 변화하는 여진 신호 cos(2πft)를 생성한다. DDS(123)는, 위상에 대한 정현파(Sine wave)의 출력값을 룩업 테이블의 형식으로 유지하고 있다. 룩업 테이블의 이산적인 값을 보간(補間)하는 것에 의해, 정현파의 신호가 얻어진다. 이 신호는, 캔틸레버의 여진 신호로서 출력되는 이외에, 디지털 회로로 구성된 록-인 증폭기(125)의 참조 신호로서도 이용된다.
록-인 증폭기(125)는 2상(相) 디지털 록-인 증폭기이다. 록-인 증폭기(125)에는 캔틸레버의 변위 신호 Acos(2πft+φ)가 입력된다. 또한, 록-인 증폭기(125)에는 상기한 바와 같이 참조 신호로서 여진 신호 cos(2πft)가 입력된다.
참조 신호는, 90°이상(移相) 회로(예를 들면 힐베르트(Hilbert) 변환 회로) 및 지연 회로에 입력되어, 각각 sin(2πft), cos(2πft)로 변환된다. 이들의 신호는, 승산 회로(multiplier circuit) 및 LPF(low pass filter)를 거쳐, 각각 X=Acos(φ)와 Y=Asin(φ)으로 변환된다. 승산 회로가 각 신호를 입력 변위 신호 Acos(2πft+φ)와 승산하고, LPF가 고주파 성분을 제거한다.
다음으로, 벡터 연산 회로가, 복소 입력 X+jY의 절대값 R 및 편각 θ를 계산한다. 절대값 R은 (X2+Y2)1/2이고, 편각 θ는 tan-1(Y/X)이다. 절대값 R은 변위 신호의 진폭 A에 상당하고, 편각 θ는 여진 신호에 대한 변위 신호의 위상차 φ에 상당한다. 여기서, R 및 θ가, 각각 진폭 신호 A 및 위상차 신호 φ로서 출력된다.
도 2의 구성은, AM-AFM 모드 및 PM-AFM 모드에 대응되어 있다. AM-AFM 모드에서는, 진폭 신호 A가 피드백 신호로서 출력되어, 피드백 제어에 이용된다. 피드백 제어는, 진폭 신호 A가 목표 진폭과 일치하도록 진행된다. PM-AFM 모드에서는, 위상차 신호 φ가 피드백 신호로서 출력되어, 피드백 제어에 이용된다. 이 경우, 위상차 신호 φ가 목표 위상차와 일치하도록 피드백 제어가 진행된다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, FM―AFM을 위한 여진 및 검출 회로의 구성을 설명한다. 도 3은 FM-AFM의 원리를 설명하기 위한 도면이고, 캔틸레버의 진폭 및 위상의 특성을 나타내고 있다. 도 3의 상측 그래프에 있어서, 횡축은 주파수이고, 종축은 캔틸레버의 진폭이다. 하측의 그래프에서는, 횡축이 주파수이고, 종축은 캔틸레버의 여진 신호와 변위 신호의 위상차이다.
도 3의 상측의 그래프에 점선으로 나타내는 바와 같이, 캔틸레버의 공진 주파수 f는, 캔틸레버와 시료의 상호작용에 의해 변화(시프트)한다. 도 3에 있어서는, 공진 주파수의 변화량이 Δf로 표시되어 있다. 또한, 하측의 그래프에 나타내는 바와 같이, 캔틸레버가 공진 주파수로 진동하고 있을 때는, 여진 신호와 변위 신호의 위상차 φ는, 90°이다. 여기서, FM-AFM은, 위상차 φ의 목표값을 90°로 설정하고, 위상차 φ가 목표값에 일치하도록 여진 신호를 제어한다. 이 여진 제어는, 위상 록 루프(PLL) 회로에 의해 실현되고, 상호작용으로 캔틸레버의 공진 주파수가 변화해도, 캔틸레버를 공진 주파수로 계속 진동시킨다. 상기의 제어를 행하면서, 공진 주파수 변화 Δf가 검출된다. 그리고, 공진 주파수 변화 Δf를 일정하게 유지하도록 피드백 제어가 진행된다.
도 4는, FM-AFM에 대응하는 여진 및 검출 회로의 실장예를 나타내고 있고, 여진 신호를 생성함과 함께, 주파수 신호를 검출한다. 주파수 신호는, 상술한 캔틸레버와 시료의 상호작용에 의한 캔틸레버의 공진 주파수의 변화를 나타내는 신호이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, FM-AFM의 여진 및 검출 회로(131)는 DDS(133) 및 록-인 증폭기(135)(2상 디지털 록-인 증폭기)에 더해, 비례 적분(PI) 제어 회로(137)를 구비한다.
DDS(133)로부터 출력된 여진 신호 cos(2πft)는, 록-인 증폭기(135)에 참조 신호로서 입력된다. 또한, 록-인 증폭기(135)에는 캔틸레버의 변위 신호 Acos(2πft+φ)가 입력된다. 록-인 증폭기(135)는, 도 2의 록-인 증폭기(125)와 동일한 구성에 의해, 여진 신호와 변위 신호의 위상차 φ를 출력한다. 여기서는, 록-인 증폭기(135)가 승산식 위상 비교기로서 기능을 하고, 변위 신호의 승산에 의한 위상 비교를 행하고 있다.
록-인 증폭기(135)에서 생성된 위상차 φ는, PI 제어 회로(137)에 입력된다. PI 제어 회로(137)는, 입력된 위상차 φ가, 목표값 φ0에 일치하도록, 출력 2πΔfT(T는, 입/출력 신호의 샘플링 주기)를 제어한다. 이 출력 2πΔfT는 DDS(133)에 입력되어, DDS(133)의 출력 신호(여진 신호) cos(2πft)의 주파수 f를 변화시킨다. 주파수 f는, DDS의 자주 주파수 f0(입력이 0일 때의 발진 주파수)을 중심으로 하여 Δf만 변화한다.
도 4의 구성에서는, DDS(133), 록-인 증폭기(135) 및 PI 제어 회로(137)에 의해 위상 록 루프(PLL) 회로가 구성되어 있다. PI 제어 회로(137)는 PLL 회로의 루프 필터로서 기능을 한다. PLL 회로는, 변위 신호와 여진 신호의 주파수가 일치하도록, 즉, f=f0+Δf가 되도록, 여진 신호의 주파수 f의 값을 변화시킨다. 따라서, PI 제어 회로(137)의 출력값은 변위 신호의 주파수 변화에 비례한다. 여기서, PI 제어 회로(137)의 출력값이 주파수 신호로서 출력된다.
또한, PI 제어 회로(137)의 목표값 φ0을 변화시키는 것에 의해, 변위 신호와 여진 신호의 위상차를 조정할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, FM-AFM에서는, 이 목표 위상차가 90°로 설정된다. 이에 의해, 위상차 φ가 90°로 유지되고, 캔틸레버가 공진 주파수로 진동한다. 캔틸레버와 시료의 상호작용에 의해 공진 주파수가 변화해도, 캔틸레버는 공진 주파수로 계속해서 진동한다. 주파수 신호는, 캔틸레버의 공진 주파수 변화(시프트) Δf를 나타내는 값으로 되고, 이 주파수 신호가 피드백 제어에 이용된다.
이상으로, 종래의 AFM의 여진 및 검출 회로에 대해 설명하였다. 종래의 회로 구성에는, 하기와 같이 개량의 여지가 있다.
도 2의 종래 기술에서는, 록-인 증폭기가 승산식 위상 비교기로서 기능을 하고 있고, 록-인 증폭기의 내부에서, 승산에 의해 여진 신호와 변위 신호의 비교를 행하고 있다. 이는, 불필요한 고조파 성분의 발생을 초래한다. 더욱 상세하게는, 록-인 증폭기의 승산 회로의 출력은, 입력 신호의 주파수의 차이의 성분과, 합의 성분을 포함한다. 합의 성분이 불필요한 고조파 성분으로 된다. 이 고조파 성분은, 후단의 LPF에서도 완전히 제거할 수는 없다. 이와 같은 잔류 고조파 성분은, 출력 파형의 변형을 생성시킬 뿐만 아니라, 하기와 같이 피드백 제어에 악영향을 미친다.
AFM은, 탐침-시료간 거리 제어의 피드백 루프를 형성하고 있고, 도 1에 나타내는 바와 같이 여진 및 검출 회로는 피드백 루프 중에 존재하고 있다. 록-인 증폭기로 고조파 성분이 혼입한 신호는, 피드백 루프 중에서 이용된다. 이 경우, 고조파 성분이 갖는 주파수로 발진이 발생하는 것을 피하기 위해, 피드백 게인을 작은 값으로 제한할 필요가 있다. 이것이, 종래에는, 고속이면서 안정된 피드백 제어의 실현을 방해하는 요인이 된다.
도 4에 제시되는 FM-AFM의 회로 구성에서도, 도 2의 회로와 마찬가지로, 록-인 증폭기가 승산식 위상 비교기로서 기능을 하고, 불필요한 고조파 성분이 발생한다. 특히, FM-AFM의 경우, 고조파 성분은, 피드백 게인을 제한할 뿐만 아니라, PLL 회로에 있어서도 불리하게 작용한다. 이하, 이 점에 대해 설명한다.
도 4의 FM-AFM의 구성에서는, 록-인 증폭기가 PLL 회로의 일부이다. 따라서, 록-인 증폭기(승산식 위상 비교기)는, 불필요한 고주파 성분을, PLL 회로의 루프 내에서 발생시킨다. 이 고조파 성분은 후단의 LPF에서도 완전히 제거할 수는 없다. 특히, 이 LPF는 PLL의 루프 내에 존재하므로, PLL의 응답 특성과 독립으로 LPF의 설계를 할 수 없는 제약도 있다. 이 때문에, 고조파 성분의 제거는 AM-AFM 및 PM-AFM의 경우보다 더욱 곤란하게 된다. 이 잔류 고주파 성분은, PLL의 게인을 크게 하였을 경우에, 잔류 고조파 성분의 주파수로 PLL 회로를 발진시킨다. 이 때문에, 종래에는 PLL의 게인이 제한되고, 고속이면서 안정된 주파수 검출을 할 수 없다.
이와 같이, FM-AFM의 경우, 고조파 성분이 AFM 전체의 피드백 게인을 제한하는 문제에 더하여, PLL의 게인도 제한하는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은, 탐침-시료간의 상호작용의 검출에 의해 고조파 성분의 발생을 회피할 수 있고, 고조파 성분에 기인하는 문제를 피할 수 있는 주사형 프로브 현미경을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 고조파 성분의 발생을 피하는 것에 의해, 탐침-시료간 거리의 피드백 제어에 있어서의 피드백 게인을 크게 할 수 있고, 고속이면서 안정된 주사형 프로브 현미경을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 고조파 성분의 발생을 피하는 것에 의해, PLL의 게인을 크게 할 수 있고, 더욱 고속인 PLL 회로를 구비할 수 있는 주사형 프로브 현미경을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따른 주사형 프로브 현미경은, 프로브 본체와; 프로브 본체를 여진하는 여진부와; 프로브 본체의 변위 신호를 검출하는 센서와; 프로브 본체와 시료의 상호작용을 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 피드백 회로와; 여진부에 의한 여진을 제어하는 여진 신호를 생성함과 함께, 변위 신호에 근거하여 상호작용을 나타내는 상호작용량을 피드백 제어를 위해 검출하는 여진 및 검출 회로와; 를 구비하고, 여진 및 검출 회로는, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로와; 여진 위상 신호에 근거하여 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로와; 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로와; 벡터 연산에 의해 복소 신호의 편각을 계산하는 벡터 연산 회로와; 편각 및 여진 위상 신호의 위상 비교를 감산에 의해 진행하는 감산식 위상 비교기와; 를 구비하고, 감산식 위상 비교기를 이용하여 얻어지는 상호작용량의 신호를 피드백 회로에 공급한다.
본 발명의 일 형태에 따른 주사형 프로브 현미경은, 프로브 본체와; 프로브 본체를 여진하는 여진부와; 프로브 본체의 변위 신호를 검출하는 센서와; 프로브 본체와 시료의 상호작용에 대응하여 변화하는 여진 신호와 변위 신호의 위상차를 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 피드백 회로와; 여진부에 의한 여진을 제어하는 여진 신호를 생성함과 함께, 변위 신호에 근거하여 위상차를 나타내는 위상차 신호를 피드백 제어를 위해 검출하는 여진 및 검출 회로와; 를 구비하고, 여진 및 검출 회로는, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로와; 여진 위상 신호에 근거하여 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로와; 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로와; 벡터 연산에 의해 복소 신호의 편각을 계산하는 벡터 연산 회로와; 편각 및 여진 위상 신호의 위상 비교를 감산에 의해 진행하여 위상차 신호를 생성하는 감산식 위상 비교기와; 를 구비한다.
본 발명의 일 형태에 따른 주사형 프로브 현미경은, 프로브 본체와; 프로브 본체를 여진하는 여진부와; 프로브 본체의 변위 신호를 검출하는 센서와; 프로브 본체와 시료의 상호작용에 대응한 변위 신호의 주파수 변화를 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 피드백 회로와; 여진부에 의한 여진을 제어하는 여진 신호를 생성함과 함께, 변위 신호에 근거하여 주파수 변화를 나타내는 주파수 신호를 피드백 제어를 위해 검출하는 여진 및 검출 회로와; 를 구비하고, 여진 및 검출 회로는, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로와; 여진 위상 신호에 근거하여 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로와; 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로와; 벡터 연산에 의해 복소 신호의 편각을 계산하는 벡터 연산 회로와; 편각과 여진 위상 신호 및 소정의 위상 오프셋의 위상 비교를 감산에 의해 진행하는 감산식 위상 비교기와; 발진 회로 및 감산식 위상 비교기와 함께 위상 록 루프 회로를 형성하는 루프 필터와; 를 구비하고, 위상 록 루프 회로는, 편각과 여진 위상 신호의 위상차가 소정의 위상 오프셋에 일치하도록 발진 회로를 제어하고, 여진 및 검출 회로는, 위상 록 루프에 의해 얻어지는 주파수 신호를 피드백 회로에 공급한다.
본 발명의 일 형태에 따른 주사형 프로브 현미경은, 프로브 본체와; 프로브 본체를 여진하는 여진부와; 프로브 본체의 변위 신호를 검출하는 센서와; 프로브 본체와 시료의 상호작용에 대응하여 변화하는 변위 신호의 진폭을 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 피드백 회로와; 여진부에 의한 여진을 제어하는 여진 신호를 생성함과 함께, 변위 신호에 근거하여 진폭을 나타내는 진폭 신호를 피드백 제어를 위해 검출하는 여진 및 검출 회로와; 를 구비하고, 여진 및 검출 회로는, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로와; 여진 위상 신호에 근거하여 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로와; 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로와; 복소 신호의 절대값을 변위 신호의 진폭 신호로서 계산하는 벡터 연산 회로와; 를 구비한다.
본 발명의 일 형태는, 프로브 본체의 여진을 여진 신호에 의해 제어하고, 프로브 본체의 변위 신호를 검출하고, 변위 신호에 근거하여 프로브 본체와 시료의 상호작용을 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 주사형 프로브 현미경의 제어 방법이고, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하고; 여진 위상 신호에 근거하여 여진 신호를 생성하고; 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하고; 벡터 연산에 의해 복소 신호의 편각을 계산하고; 편각과 여진 위상 신호를 감산식 위상 비교기로 처리하고; 감산식 위상 비교기를 이용하여 얻어지고, 상호작용을 나타내는 상호작용량을 이용하여 피드백 제어를 행한다.
본 발명은, 탐침-시료간의 상호작용의 검출에 의해 고조파 성분의 발생을 회피할 수 있고, 고조파 성분에 기인하는 문제를 피할 수 있다.
본 발명 일 이점은, 고조파 성분의 발생을 피하는 것에 의해, 탐침-시료간 거리의 피드백 제어에 있어서의 피드백 게인을 크게 할 수 있고, 고속이면서 안정된 주사형 프로브 현미경을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 이점은, 고조파 성분의 발생을 피하는 것에 의해, PLL의 게인을 크게 할 수 있고, 더욱 고속인 PLL 회로를 구비한 주사형 프로브 현미경을 제공할 수 있다.
이하에 설명하는 바와 같이, 본 발명에는 다른 실시형태가 존재한다. 따라서, 본 발명의 개시는, 본 발명의 일부 실시형태를 제공할 뿐이고, 여기서 기술되어 청구되는 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 다이나믹 AFM의 일반적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 종래의 AM-AFM 및 PM-AFM에 사용되는 여진 및 검출 회로를 나타내는 도면.
도 3은 FM-AFM의 원리를 나타내는 도면.
도 4는 종래의 FM-AFM에 사용되는 여진 및 검출 회로를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 AFM의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 6은 본 실시형태에 있어서의 AM-AFM 및 PM-AFM용 여진 및 검출 회로를 나타내는 도면.
도 7은 본 실시형태에 있어서의 FM-AFM용 여진 및 검출 회로를 나타내는 도면.
도 8은 발진 회로에서 생성되는 여진 위상 신호와 여진 신호 생성 회로에서 생성되는 여진 신호를 나타내는 도면.
도 9는 본 실시형태에 따른 FM-AFM용 회로에 있어서의 복조 신호 진폭/위상-변조 주파수 특성의 측정 결과를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 상세한 설명을 기술한다. 이하의 상세한 설명과 첨부 도면은 발명을 한정하는 것이 아니다. 대신, 발명의 범위는 첨부의 청구범위에 의해 규정된다.
본 발명의 주사형 프로브 현미경(SPM)에서는, 상술한 바와 같이, 여진 및 검출 회로가, 감산식 위상 비교기를 구비하고 있고, 감산식 위상 비교기를 이용하여 상호작용량이 얻어지고, 그 상호작용량이 피드백 제어에 이용된다. 여진 및 검출 회로가, 상호작용량의 검출을 위해 승산식 위상 비교기에 의한 승산을 행하지 않아, 승산에 의한 고조파 성분이 발생하지 않는다. 따라서, 고조파 성분에 기인하는 문제를 피할 수 있다.
또한, 감산식 위상 비교기는, 편각을 여진 위상 신호와 비교하는 것에 의해, 여진 신호와 변위 신호의 위상차 신호를 생성해도 좋고, 여진 및 검출 회로는, 상호작용량으로서 위상차 신호를 피드백 회로에 공급해도 좋다.
이 구성에서는, 감산식 위상 비교기에 의해 위상차 신호가 생성된다. 승산식 위상 비교가 이용되지 않아, 고조파 성분이 발생하지 않으므로, 탐침-시료간 거리의 피드백 제어에 있어서의 피드백 게인을 크게 할 수 있고, 고속이면서 안정된 SPM을 제공할 수 있다. 이 구성은, 예를 들면, PM-AFM에 적합하다.
또한, 여진 및 검출 회로는, 발진 회로 및 감산식 위상 비교기와 함께 위상 록 루프 회로를 형성하는 루프 필터를 구비해도 좋고, 위상 록 루프 회로는, 편각과 여진 위상 신호의 위상차가 소정의 위상 오프셋에 일치하도록 발진 회로를 제어함과 함께, 위상 록 루프에 의해 얻어지고, 변위 신호의 주파수 변화를 나타내는 주파수 신호를 생성해도 좋고, 여진 및 검출 회로는, 상호작용량으로서 주파수 신호를 피드백 회로에 공급해도 좋다. 감산식 위상 비교기는, 편각을 여진 위상 신호 및 위상 오프셋과 감산에 의해 비교해도 좋고, 루프 필터는, 감산식 위상 비교기의 출력에 근거하여 주파수 신호를 생성해도 좋고, 주파수 신호가 발진 회로에서 사용됨과 함께, 피드백 제어에 사용되어도 좋다.
이 구성에서는, 감산식 위상 비교기를 포함하는 위상 록 루프(PLL) 회로에 의해 주파수 신호가 생성된다. 승산식 위상 비교에 의한 고조파 성분이 발생하지 않으므로, 탐침-시료간 거리의 피드백 제어에 있어서의 피드백 게인을 크게 할 수 있고, 고속이면서 안정된 SPM을 제공할 수 있다. 더욱이, PLL 회로의 루프 게인을 크게 할 수 있고, 더욱 고속인 PLL 회로를 구비한 SPM을 제공할 수 있다. 이 구성은, 예를 들면, FM-AFM에 적합하다.
또한, 벡터 연산 회로는 복소 신호의 절대값을 변위 신호의 진폭 신호로서 계산해도 좋고, 여진 및 검출 회로는 상호작용량으로서 진폭 신호를 피드백 회로에 공급해도 좋다.
이 구성에서는, 진폭 신호가, 승산식 위상 비교기를 사용하지 않고 생성된다. 따라서, 탐침-시료간 거리의 피드백 제어에 있어서의 피드백 게인을 크게 할 수 있고, 고속이면서 안정된 SPM을 제공할 수 있다. 이 구성은, 예를 들면, AM-AFM에 적합하다.
또한, 본 발명의 SPM은, 여진 및 검출 회로의 처리전에 변위 신호의 주파수를 변환하는 제 1 주파수 변환 회로와, 여진 및 검출 회로에서 생성되는 여진 신호의 주파수를 변환하는 제 2 주파수 변환 회로를 구비해도 좋고, 제 2 주파수 변환 회로는 제 1 주파수 변환 회로와 반대의 변환을 행하여도 좋다. 제 1 주파수 변환 회로를 처리전 변환 회로, 제 2 주파수 변환 회로를 여진 주파수 변환 회로로 불러도 좋다.
이 구성에서는, 여진 및 검출 회로의 처리전에 변위 신호의 주파수가 변환된다. 그리고, 여진 신호에 대해, 처리전과 반대의 주파수 변환이 진행된다. 따라서, 더욱 넓은 범위의 공진 주파수를 갖는 프로브 본체에 대해 여진 및 검출 회로를 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 주사형 프로브 현미경(SPM)이, 원자간력 현미경(AFM)이다. 그러나, 본 발명은 AFM에 한정되지 않는다. 다른 종류의 SPM에 본 발명이 적용되어도 좋다.
또한, 프로브 본체(probe device)란, SPM에서 사용되고, 탐침(프로브)을 포함하는 부품이다. 본 실시형태에서는, 캔틸레버가 탐침을 구비하고 있어, 프로브 본체에 상당한다. 단, 캔틸레버와 같은 프로브 지지체에 의해 탐침이 지지되지 않는 SPM도 알려져 있다. 이와 같은 SPM에 있어서는, 탐침(프로브)이 단독으로 프로브 본체에 상당한다. 예를 들면, 근접장 광학현미경(SNOM)에서는, 선단이 뾰족한 광섬유가 탐침이고, 단독으로 사용된다. 이 경우, 광섬유의 탐침이 프로브 본체에 상당한다.
도 5는 AFM의 전체적인 구성을 나타내고 있다. 이하에 설명하는 바와 같이, 본 실시형태에서는, AFM(1)이, AM-AFM 모드, PM-AFM 모드 및 FM-AFM 모드로 사용 가능하게 구성되어 있고, 그리고, 탐침과 시료의 상호작용량으로서, 진폭 신호, 위상차 신호 및 주파수 신호를 검출 가능하게 구성되어 있다. 진폭 신호, 위상차 신호 및 주파수 신호는, 각각, AM-AFM 모드, PM-AFM 모드 및 FM-AFM 모드에서 피드백 제어를 위해 사용된다.
도 5에 나타내는 바와 같이, AFM(1)은 시료를 유지하는 시료 스테이지(3)와, 시료에 근접하게 배치되는 캔틸레버(5)를 구비한다. 또한, AFM(1)은 스캐너(7), 여진부(9), 센서(11), 여진 및 검출 회로(13), 증폭기(15), 피드백 회로(17) 및 고압 증폭기(19)를 구비한다. 또한, AFM(1)은 AFM 전체를 제어하는 컴퓨터(21)와, 모니터(23)를 구비한다.
시료 스테이지(3)는 스캐너(7)에 장착되어 있다. 스캐너(7)는 액추에이터로서 피에조 소자(압전 소자)를 구비하는 피에조 스캐너이고, 시료 스테이지(3)를 X, Y, Z 방향으로 움직여, 시료를 캔틸레버(5)에 대해 상대적으로 주사한다. XY 방향은 수평면상에서 직교하는 방향이다. Z 방향은 연직 방향이고, 시료의 요철 방향(높이 방향)이다. 캔틸레버(5)(프로브 본체)는 실리콘제이고, 자유단에 탐침(프로브)을 구비하고 있다. 캔틸레버(5)는 여진부(9)에 의해 여진된다. 여진부(9)는 피에조 소자로 구성된 액추에이터이다. 단, 스캐너(7) 및 여진부(9)는 피에조 액추에이터에 한정되지 않는다. 예를 들면, 자기 또는 광을 이용한 구성도 주사 및 여진에 적용 가능하다.
센서(11)는 캔틸레버(5)의 변위를 검출한다. 전형적으로는, 센서(11)는 레이저 유닛과 함께 빛지레(Optical lever)식의 변위 센서로서 기능을 한다. 레이저 빛은, 레이저 유닛으로부터 조사되고, 캔틸레버(5)에서 반사되어 센서(11)에 도달한다. 센서(11)는 포토 다이오드로 구성된 분할 다이오드 센서이고, 캔틸레버(5)의 변위를 나타내는 변위 신호를 출력한다. 레이저 빛의 수광 위치가 변위 신호로서 바람직하게 검출된다. 변위 신호는 여진 및 검출 회로(13)에 입력된다. 도면에서는, 센서에 관련된 렌즈 등의 광학계의 구성은 생략되어 있다.
여진 및 검출 회로(13)는 DSP 등으로 구성되는 디지털 회로이다. 여진 및 검출 회로(13)는, 여진 제어 회로와 상호작용 검출 회로를 합친 구성에 상당하고, 캔틸레버(5)의 여진 제어 기능과, 탐침-시료간의 상호작용량의 검출 기능을 구비하고 있다. 본 발명의 특징적인 구성은, 후술하는 바와 같이, 여진 및 검출 회로(13)에 마련된다.
여진 및 검출 회로(13)는, 캔틸레버(5)를 여진하기 위한 여진 신호를 생성 및 출력하는 것에 의해, 여진 제어를 행한다. 여진 신호가 증폭기(15)에서 증폭되어, 여진부(9)에 공급된다. 그리고, 여진부(9)가 여진 신호에 따라 캔틸레버(5)를 여진한다.
또한, 여진 및 검출 회로(13)는, 탐침-시료간의 상호작용량을, 센서(11)로부터 입력되는 변위 신호에 근거하여 검출한다. 상호작용량은, 캔틸레버(5)와 시료의 상호작용의 크기를 나타내는 파라미터이다. 여진 및 검출 회로(13)는, 상호작용량의 신호로서, 진폭 신호, 위상차 신호 및 주파수 신호를 검출 가능하게 구성되어 있다. 여진 및 검출 회로(13)는, 컴퓨터(21)의 제어하에서, 이들 3종 신호 중의 하나를 피드백 신호로서 피드백 회로(17)에 출력한다. 단, 본 발명의 범위 내에서, 여진 및 검출 회로(13)는, 상기 3종 신호 중의 적어도 하나를 생성 및 출력하도록 구성되어도 좋다.
피드백 회로(17)는 여진 및 검출 회로(13)로부터 입력되는 피드백 신호에 근거하여 피드백 제어를 행한다. 피드백 제어는, 피드백 신호가 일정해지도록 스캐너(7)를 Z 방향으로 구동하는 것에 의해, 캔틸레버(5)와 시료의 상호작용을 일정하게 유지하는 제어이다. 피드백 제어에 의해, 시료와 캔틸레버(5)의 거리도 일정하게 유지된다. 이와 같은 Z 방향의 피드백 제어는, Z 주사라고도 불린다.
피드백 회로(17)는, 예를 들면 PI 제어 회로로 구성되어 있고, 미리 설정된 목표값과 피드백 신호가 일치하도록 Z 방향의 조작 신호를 생성한다. 이 조작 신호는, 스캐너(7)를 Z 방향으로 구동하기 위한 제어 신호이고, 고압 증폭기(19)에 공급되어, 스캐너 구동에 사용된다. 스캐너(7)가 조작 신호에 따라 시료 스테이지(3)를 Z 방향으로 움직이고, 그 결과, 시료와 캔틸레버(5)의 상호작용이 일정하게 유지된다.
컴퓨터(21)는 AFM(1)의 전체를 제어한다. 컴퓨터(21)는, 예를 들면 퍼스널 컴퓨터여도 좋고, AFM 제어용 보드가 컴퓨터(21)에 탑재되어도 좋고, 이 보드에 여진 및 검출 회로(13)가 탑재되어도 좋다.
컴퓨터(21)는, AFM(1)의 동작 모드를 AM-AFM 모드, PM-AFM 모드 또는 FM-AFM 모드 사이에서 전환 가능하다.
AM-AFM 모드에서는, 컴퓨터(21)는 여진 및 검출 회로(13)에 진폭 신호를 출력시킨다. 또한, 컴퓨터(21)는 피드백 회로(17)에 진폭 목표값을 공급하여, AM-AFM에 적응한 피드백 제어를 행하도록 한다.
마찬가지로, PM-AFM 모드에서는, 컴퓨터(21)는 여진 및 검출 회로(13)에 위상차 신호를 출력시킨다. 또한, 컴퓨터(21)는 피드백 회로(17)에 위상차 목표값을 공급하여, PM-AFM에 적응한 피드백 제어를 행하도록 한다.
또한, FM-AFM 모드에서는, 컴퓨터(21)는 여진 및 검출 회로(13)에 주파수 신호를 출력시킨다. 또한, 컴퓨터(21)는 피드백 회로(17)에 주파수 신호의 목표값을 공급하여, FM-AFM에 적응한 피드백 제어를 행하도록 한다.
또한, 컴퓨터(21)는, 고압 증폭기(19)를 통해 스캐너(7)를 제어하고, XY 방향의 주사를 행하도록 한다. 또한, 컴퓨터(21)는 사용자 인터페이스 기능도 제공한다. 사용자의 각종 지시가 컴퓨터(21)에 입력되고, 컴퓨터(21)는 사용자의 입력에 따라 AFM(1)을 제어한다. 동작 모드의 지시도 사용자에 의해 입력된다. 또한, 컴퓨터(21)는 시료 표면의 화상(Image)을 생성하여 모니터(23)에 출력한다.
다음으로, AFM(1)의 전체적인 동작을 설명한다. 스캐너(7)는 컴퓨터(21)에 의해 제어되어, XY 방향으로 시료 스테이지(3)를 주사한다. XY 방향의 주사중, 여진 및 검출 회로(13)는, 증폭기(15)를 통해 여진부(9)에 여진 신호를 공급하는 것에 의해, 캔틸레버(5)를 공진 주파수 또는 그 근방의 주파수로 진동시킨다.
XY 방향의 주사중, 캔틸레버(5)의 변위가 센서(11)에 의해 검출된다. 그리고, 센서(11)의 검출 신호가 여진 및 검출 회로(13)에서 처리되어, 진폭 신호, 위상차 신호 또는 주파수 신호가, 피드백 신호로서 피드백 회로(17)에 공급된다. 피드백 회로(17)는, 피드백 신호를 일정하게 유지하도록 스캐너(7)를 Z 방향으로 구동하는 조작 신호를 생성한다. 스캐너(7)는 조작 신호에 따라 시료 스테이지(3)를 Z 방향으로 이동시킨다. 이와 같이 하여, 피드백 신호가 일정하게 유지되고, 캔틸레버(5)와 시료의 거리도 일정하게 유지된다.
이와 같이 하여, 캔틸레버(5)와 시료의 거리를 일정하게 유지하면서, XY 주사가 진행된다. 피드백 제어에 있어서의 Z 방향의 조작 신호는, 컴퓨터(21)에도 공급된다. 이 Z 방향의 조작 신호는, 시료의 Z 방향의 높이에 대응되어 있다. 또한, 시료 상의 XY 방향의 위치는, 컴퓨터(21)에 의해 제어되고 있다. 컴퓨터(21)는, XY 주사의 제어 데이터와, 입력되는 Z 방향의 조작 신호에 근거하여, 시료 표면의 화상을 생성하여 모니터(23)에 표시한다. 3차원 화상이 바람직하게 생성되어, 표시된다.
이상으로, AFM(1)의 전체적인 구성과 동작에 대해 설명하였다. 상술의 AFM(1)에서는, 센서(11), 여진 및 검출 회로(13), 피드백 회로(17) 등의 구성에 의해, 탐침-시료간 거리 제어의 피드백 루프가 구성되어 있다.
다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 특징적인 구성인 여진 및 검출 회로(13)에 대해 설명한다. 도 6은 AM-AFM 모드 및 PM-AFM 모드로 AFM(1)을 동작시키기 위한 구성이고, 진폭 신호 및 위상차 신호를 생성한다. 도 7은 FM-AFM 모드로 AFM(1)을 동작시키기 위한 회로이고, 주파수 신호를 생성한다. 본 실시형태에서는, 도 6 및 도 7 모두의 구성이, 여진 및 검출 회로(13)에 구비된다. 그리고, 컴퓨터(21)의 제어하에서, 동작 모드에 따라 진폭 신호, 위상차 신호 및 주파수 신호 중의 하나를 출력하도록, 여진 및 검출 회로(13)의 출력이 전환된다.
우선, 도 6을 참조하여, AM-AFM 모드 및 PM-AFM 모드를 위한 회로를 설명한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 여진 및 검출 회로(13)는 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로(31)와, 여진 위상 신호로부터 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로(33)와, 변위 신호로부터 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로(35)와, 벡터 연산에 의해 복소 신호의 절대값 및 편각을 계산하는 벡터 연산 회로(37)와, 편각 및 여진 위상 신호의 위상 비교를 감산에 의해 진행하는 감산식 위상 비교기(39)를 구비한다.
발진 회로(31)는 여진 주파수 f로 변화하는 여진 위상 신호 2πft를 생성한다. 여진 위상 신호는 여진 신호의 위상을 나타내는 신호이고, 여진 신호 생성 회로(33) 및 감산식 위상 비교기(39)에 입력된다. 여진 신호 생성 회로(33)는 여진 위상 신호 2πft를 여진 신호 cos(2πft)로 변환한다. 도 8은 발진 회로(31)에서 생성되는 여진 위상 신호 2πft와, 여진 신호 생성 회로(33)에서 생성되는 여진 신호 cos(2πft)를 나타내고 있다.
발진 회로(31) 및 여진 신호 생성 회로(33)에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 발진 회로(31)는 디지털 VCO(전압 제어 발진기)로 구성되어 있다. 발진 회로(31)에는 신호 2πfT가 입력된다. T는 샘플링 주기이다. 도 6의 회로에 제시되는 바와 같이, 디지털 VCO는 입력 2πfT를 누적하는 루프(41)를 구비하고 있고, 신호가 순차 가산되어, 증대한다. 이 신호는 모듈로(Modulo) 연산 회로(43)에 의해 처리된다. 모듈로 연산 회로(43)는 입력값을 π로 제산(나눗셈)하여, 나머지를 출력한다. 모듈로 연산 회로(43)에 의해 출력 범위가 [-π, π]로 제한된다. 그 결과, 도 8의 상부에 제시되는 바와 같이, 여진 위상 신호 2πft는, -π에서 π로 직선 형태의 증가를 주기적으로 반복하는 파형을 갖는다.
여진 신호 생성 회로(33)는, 코사인 함수(cosine function) 회로로 구성되어 있다. 여진 및 검출 회로(13)는, 위상에 대한 정현파의 출력값을 룩업 테이블의 형식으로 유지하고 있다. 룩업 테이블이 여진 신호 생성 회로(33)에 의해 참조되어, 테이블의 이산적인 값이 보간되고, 여진 신호 cos(2πft)가 얻어진다. 그 결과, 도 8에 제시되는 바와 같이, 여진 신호 cos(2πft)는, 위상이 여진 위상 신호 2πft에 상당하는 여현파(Cosine wave) 신호가 된다.
다시 도 6을 참조하여, 복소 신호 생성 회로(35)는 지연 회로(45) 및 90°이상 회로(47)(예를 들면 힐베르트 변환 회로)를 구비한다. 캔틸레버(5)의 변위 신호 Acos(2πft+φ)는, 지연 회로(45) 및 90°이상 회로(47) 모두에 입력된다. 90°이상 회로(47)는, 90°위상을 지연시킨 신호 Y=Asin(2πft+φ)을 출력한다. 지연 회로(45)는, 90°이상 회로(47)와 동일 시간만큼 지연된 신호 X=(Acos(2πft+φ))를 출력한다. 이들의 신호 X, Y가 복소 신호에 상당한다.
복소 신호 X, Y는 벡터 연산 회로(37)에 입력된다. 벡터 연산 회로(37)는 복소 신호 X+jY의 절대값 R과 편각 θ를 계산 및 출력한다. 절대값 R은(X2+Y2)1 /2이고, 편각 θ는 tan-1(Y/X)이다. 절대값 R은, 변위 신호의 진폭 A이고, 그대로 진폭 신호로서 출력된다.
한편, 편각 θ는 감산식 위상 비교기(39)에 입력된다. 또한, 감산식 위상 비교기(39)는 발진 회로(31)로부터 여진 위상 신호 2πft가 입력된다. 감산식 위상 비교기(39)에서는, 편각 θ가 여진 위상 신호 2πft와 감산에 의해 비교된다. 더욱 상세하게는, 도시되는 바와 같이, 감산식 위상 비교기(39)가 감산 회로(49) 및 모듈로 연산 회로(51)를 구비한다. 감산 회로(49)가 편각 θ와 여진 위상 신호 2πft에 있어서의 위상의 차이를 구한다(φ=θ-2πft). 또한, 감산 회로(49)의 출력은 모듈로 연산 회로(51)에 의해 처리된다. 모듈로 연산 회로(51)는 입력값을 π로 제산(나눗셈)하여, 나머지를 출력하는 것에 의해, 출력 범위를 [-π, π]로 제한한다.
이와 같이 하여, 감산식 위상 비교기(39)는 편각 θ와 여진 위상 신호 2πft에 대해, 감산에 의한 위상 비교를 행한다. 감산식 위상 비교기(39)의 비교 결과는 여진 신호와 변위 신호의 위상차 φ에 상당하고, 위상차 신호로서 출력된다.
다음으로, FM-AFM 모드에 대해 설명한다. 여기서는, 도 7의 회로 구성의 설명에 앞서, 도 3을 다시 참조하여, FM-AFM의 원리를 간단히 반복한다. 도 3에 제시되는 바와 같이, 캔틸레버의 공진 주파수 f는, 캔틸레버와 시료의 상호작용에 의해 변화하다(상측 그래프의 Δf). 또한, 캔틸레버가 공진 주파수로 진동할 때는, 여진 신호와 변위 신호의 위상차 φ가 90°이다(하측의 그래프). 여기서, FM-AFM은 위상 록 루프(PLL) 회로를 이용하여, 위상차 φ가 목표값 φ0=90°에 일치하도록 여진 신호를 제어한다. 여진 제어를 행하면서, 공진 주파수 변화 Δf가 검출된다. 그리고, 공진 주파수 변화 Δf를 일정하게 유지하도록 피드백 제어가 진행된다. 이와 같은 FM-AFM의 원리를 바탕으로, 도 7의 회로 구성을 설명한다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 여진 및 검출 회로(13)는, 개략적으로는, 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로(61)와, 여진 위상 신호로부터 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로(63)와, 변위 신호로부터 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로(65)와, 벡터 연산에 의해 복소 신호의 편각을 계산하는 벡터 연산 회로(67)와, 감산식 위상 비교기(69)와, 감산식 위상 비교기(69)의 출력에 근거하여 발진 회로(61)를 제어하는 루프 필터(71)를 구비한다. 발진 회로(61), 감산식 위상 비교기(69) 및 루프 필터(71)는 PLL 회로를 구성하고 있다. PLL 회로는, 편각과 여진 위상 신호의 차이가 소정의 위상 오프셋(위상차 목표값)에 일치하도록 발진 회로(61)를 제어함과 함께, PLL 제어에 의해 얻어지고, 변위 신호의 주파수 변화를 나타내는 주파수 신호를 생성한다. 따라서, 상기 구성에 의해 FM-AFM의 여진 제어와 주파수 검출이 실현된다. 이하, 도 7의 구성에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 7의 복소 신호 생성 회로(65)는 도 6의 복소 신호 생성 회로(35)와 동일한 구성이다. 복소 신호 생성 회로(65)는 지연 회로(81) 및 90°이상 회로(83)를 구비한다. 캔틸레버(5)의 변위 신호 Acos(2πft+φ)는, 지연 회로(81) 및 90°이상 회로(83) 모두에 입력된다. 90°이상 회로(83)는 90°위상을 지연시킨 신호 Y=Asin(2πft+φ)을 출력한다. 지연 회로(81)는 90°이상 회로(83)와 동일 시간만큼 지연된 신호 X=(Acos(2πft+φ))를 출력한다. 이들의 신호 X, Y가 복소 신호에 상당한다.
복소 신호 X, Y는 벡터 연산 회로(67)에 입력된다. 벡터 연산 회로(67)는 복소 신호 X+jY의 편각 θ를 계산 및 출력한다. 편각 θ는 tan-1(Y/X)이다. 벡터 연산 회로(67)는 도 6의 벡터 연산 회로(37)와 동일한 구성이지만, FM-AFM에 필요한 편각 θ만을 계산하고 있다. 단, 본 발명의 범위 내에서, 벡터 연산 회로(67)가 복소 신호의 절대값도 계산해도 좋은 것은 물론이다.
편각 θ는 벡터 연산 회로(67)로부터 감산식 위상 비교기(69)에 입력된다. 감산식 위상 비교기(69)에는, 발진 회로(61)로부터 여진 위상 신호 2πft가 더 입력되고, 또한, 위상 오프셋 φ0이 입력된다. 위상 오프셋 φ0은 이미 설명한 바와 같이, 여진 신호와 변위 신호의 위상차의 목표값이고, 90°로 설정된다.
감산식 위상 비교기(69)는 편각 θ와 여진 위상 신호 2πft 및 위상 오프셋 φ0의 위상 비교를 감산에 의해 행한다. 편각 θ로부터 여진 위상 신호 2πft를 감산한 값은, 여진 신호와 변위 신호의 위상차 φ에 상당한다(φ=θ-2πft). 감산식 위상 비교기(69)는 위상차 φ로부터 위상 오프셋 φ0을 더 감산한 값Δφ를 구한다(Δφ=θ-2πft-φ0=φ-φ0). 따라서, 비교기 출력 Δφ는, 위상차 φ와 위상 오프셋 φ0의 차이를 나타낸다.
비교기 출력 Δφ는 루프 필터(71)에 입력된다. 루프 필터(71)는 출력 2πΔfT를 발진 회로(61)에 보낸다(T는 입/출력 신호의 샘플링 주기). 루프 필터(71)는 비교기 출력 Δφ가 0이 되도록 출력 2πΔfT를 조정한다. 발진 회로(61)는 입력 2πΔfT의 변화에 따라, 출력인 여진 위상 신호 2πft의 발신 주파수 f를 변화시킨다. 발진 주파수 f는, 자주 주파수 f0(입력이 0일 때의 발진 주파수)에 대해 Δf만큼 변화한다.
도 7의 구성에서는, 발진 회로(61), 감산식 위상 비교기(69) 및 루프 필터(71)에 의해 PLL 회로가 구성되어 있다. 그리고, 변위 신호와 여진 신호의 주파수가 일치하도록, 즉, f=f0+Δf가 되도록 Δf의 값이 변화한다. 따라서, 루프 필터(71)의 출력값 2πΔft는, 변위 신호의 주파수 변화에 비례한다. 이 신호가 주파수 신호로서 출력된다.
또한, 위상 오프셋 φ0의 값을 변화시키는 것에 의해, 변위 신호와 여진 신호의 위상차를 조정할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, FM-AFM에서는, 위상 오프셋 φ0이 90°로 설정된다. 이에 의해, 위상차 φ가 90°로 유지되고, 캔틸레버가 공진 주파수로 진동한다. 캔틸레버와 시료의 상호작용에 의해 공진 주파수가 변화해도, 캔틸레버는 공진 계속 주파수로 진동한다. 따라서, 주파수 신호는, 캔틸레버의 공진 주파수 변화(시프트) Δf를 나타내는 값으로 되고, 이 주파수 신호가 피드백 제어에 이용된다.
도 7의 감산식 위상 비교기(69), 루프 필터(71), 발진 회로(61) 및 여진 신호 생성 회로(63)에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 감산식 위상 비교기(69)는 감산 회로(85) 및 모듈로 연산 회로(87)를 구비한다. 감산 회로(85)는 감산에 의한 위상 비교를 행하여, 편각 θ에서 여진 위상 신호 2πft 및 위상 오프셋 φ0을 뺀 값을 구한다. 감산 결과는 모듈로 연산 회로(87)에 입력된다. 모듈로 연산 회로(87)는 입력값을 π로 제산(나눗셈)하여, 나머지를 출력하고, 이에 의해, 비교기 출력 Δφ의 범위를 [-π, π]로 제한한다.
루프 필터(71)는 상술한 바와 같이, 비교기 출력 Δφ가 0이 되도록 출력 2πΔfT를 제어한다. 이 제어를 실현하기 위해, 루프 필터(71)는 비교기 출력 Δφ에 게인을 곱한 값과(부호 89), 비교기 출력 Δφ의 적분값에 게인을 곱한 값(부호 91)을 생성하고, 이들의 값을 가산기(93)로 가산한다. 상기에 있어서, 비교기 출력 Δφ는, 위상차 φ와 위상 오프셋 φ0의 차이를 나타내고 있다. 루프 필터(71)는 비교기 출력 Δφ를 0으로 하도록 비례 및 적분의 처리를 행하고 있다. 따라서, 감산식 위상 비교기(69)와 루프 필터(71)가, PI 제어 회로로서 기능을 하고, 위상차 φ를 위상 오프셋 φ0과 일치시키고 있다고 할 수 있다. 그리고, 루프 필터(71)의 출력 2πΔfT가, 변위 신호의 주파수 변화에 비례되어 있고, 주파수 신호로서 이용된다.
발진 회로(61)는 디지털 VCO(전압 제어 발진기)로 구성되어 있다. 발진 회로(61)에는, 자주 주파수 f0에 대응하는 신호 2πf0T가 입력되고, 또한, 루프 필터(71)의 출력 2πΔft가 입력된다. 2πf0t와 2πΔft가 가산기(95)로 가산되어, 가산기(95)의 출력이 루프(97)에서 누적된다. 이 누적 신호는 모듈로 연산 회로(99)에 의해 처리된다. 모듈로 연산 회로(99)는 입력값을 π로 제산(나눗셈)하여, 나머지를 출력하고, 이에 의해, 출력 범위를 [-π, π]로 제한한다.
발진 회로(61)의 출력인 여진 위상 신호 2πft는, 도 8에서 나타낸 바와 같이, -π에서 π로 직선 형태의 증가를 주기적으로 반복하는 파형을 갖는다. 단, 주파수 f가 f0+Δf로 된다. 여진 위상 신호 2πft(=2π(f0+Δf)t)는 감산식 위상 비교기(69) 및 여진 신호 생성 회로(63)에 공급된다. 여진 신호 생성 회로(63)는 도 6의 여진 신호 생성 회로(33)와 동일한 구성이고, 코사인 함수 회로이다. 여진 신호 생성 회로(63)는, 위상에 대한 정현파의 출력값을 규정하는 룩업 테이블을 참조하여, 테이블의 이산적인 값을 보간하고, 여진 신호 cos(2πft)를 생성한다.
이상으로, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 특징적인 구성을 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 구성을 종래 기술과 비교하여, 상이점을 설명한다. 우선, 도 6의 회로를 도 2의 종래 기술의 회로와 비교한다. 도 2의 종래 기술은, 변위 신호로부터 복소 신호를 생성할 때, 여진 신호를 참조 신호로서 이용하여 여진 신호의 위상 성분을 제거하고 있다. 이 처리에 있어서 승산이 진행된다.
본 발명은, 여진 신호를 참조 신호로서 사용하지 않고, 변위 신호로부터 복소 신호를 직접 생성하고, 복소 신호를 벡터 연산에 의해 처리한다. 이 경우에도, 복소 신호의 절대값은, 그대로 진폭 신호로서 이용할 수 있다.
또한, 여진 신호의 위상 성분이 복소 신호로부터 제거되어 있지 않으므로, 벡터 연산 결과의 편각은, 변위 신호와 여진 신호의 위상차뿐만 아니라, 여진 신호의 위상도 아직 포함하고 있다. 여진 신호의 위상은, 발진 회로(13)의 여진 위상 신호의 위상에 상당한다. 여기서, 본 발명은, 감산식 위상 비교기(39)를 사용하여 편각과 여진 위상 신호의 감산 비교를 행하여, 편각으로부터 여진 신호의 위상을 제거한다. 감산 처리에 의해, 변위 신호와 여진 신호의 위상차 φ가 남는다.
본 발명의 처리는, 상기한 바와 같이 복소 신호의 생성시에 승산이 진행되지 않으므로, 승산을 필요로 하는 종래 기술에 비해 유리하다. 이미 설명한 바와 같이, 종래 기술에서는, 변위 신호와 여진 신호의 승산시에, 불필요한 고조파 성분이 생성된다. 이 고조파 성분이 혼입한 신호가, AFM의 탐침-시료간 거리 제어의 피드백 루프 내에서 처리된다. 이 경우, 고조파 성분이 갖는 주파수로 발진이 발생하는 것을 피하기 위해, 피드백 게인을 작은 값으로 제한할 필요가 있다. 이것이, 종래에는, 고속이면서 안정된 피드백 제어의 실현을 방해하는 요인이 된다. 이에 대해, 본 발명의 구성에서는, 승산 대신에, 감산식 위상 비교기(39)에 의해 위상 비교가 진행된다. 따라서, 피드백 게인을 크게 하여, 고속이면서 안정된 피드백 제어를 실현할 수 있다.
도 7의 회로도, 도 6의 회로와 동일하게, 감산식 위상 비교기를 이용하는 것에 의해, 승산을 폐지하고 있어, 승산에 의해 발생하는 고주파 성분의 문제를 회피할 수 있다. 특히, FM-AFM의 경우, Z 주사의 피드백 게인을 크게 할 수 있을 뿐만 아니라, PLL 회로에 대해서도 유리하다. 이하, 이 점에 대해 더 설명한다.
AM-AFM 및 PM-AFM과 달리, FM-AFM용 회로에서는 PLL 회로가 사용된다. 종래 기술에서는, 고주파 성분이 PLL 회로의 루프 내에서 발생한다. 이 고조파 성분은 LPF에서도 완전히 제거할 수는 없다. 특히, LPF는 PLL 내에 존재하므로, PLL의 응답 특성과 독립으로 LPF의 설계를 할 수 없는 제약도 있다. 이 때문에, 고조파 성분의 제거는 AM-AFM 및 PM-AFM의 경우보다 더욱 곤란하다. 이 잔류 고주파 성분은, PLL의 게인을 크게 한 경우에, 잔류 고조파 성분의 주파수로 PLL 회로를 발진시킨다. 이 때문에, 종래에는 PLL의 게인이 제한되어, 고속이면서 안정된 주파수 검출을 할 수 없다. 한편, 본 발명에서는, 고주파 성분이 발생하지 않으므로, 더욱 고속인 PLL 회로를 구성할 수 있어, 고속이면서 안정된 주파수 검출을 할 수 있다.
도 9는 도 7의 FM-AFM용 구성에 있어서의 복조 신호 진폭/위상-변조 주파수 특성의 측정 결과를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 100㎐에서 100㎑의 넓은 대역에 걸쳐 복조 신호의 진폭은 거의 일정하고, 100㎑ 이상의 복조 대역을 얻고 있음을 알 수 있다. FM-AFM에서는 피드백 루프 내에 검출기를 도입하여 위해, 거기에서의 지연 시간이 피드백 대역에 영향을 미친다. 이 점에 관해서도, 도 9에서는, 위상 지연이 100㎑에서 약 40°이고, 지연 시간은 약 1.1㎲로 된다. 이들의 특성은, 종래의 PLL 디지털 회로보다 대폭 개선되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 AFM(1)의 응용예를 설명한다. AFM(1)은, 여진 및 검출 회로(13)의 처리전에 변위 신호의 주파수를 변환하는 제 1 주파수 변환 회로와, 여진 및 검출 회로(13)에 의해 생성되는 여진 신호의 주파수를 변환하는 제 2 주파수 변환 회로를 구비해도 좋다. 제 2 주파수 변환 회로는, 제 1 주파수 변환 회로와 반대의 변환을 행해도 좋다. 제 1 주파수 변환 회로를 처리전 주파수 변환 회로 부르고, 제 2 주파수 변환 회로를 여진 주파수 변환 회로 불러도 좋다. 제 1 및 제 2 주파수 변환 회로의 각각은, 여진 및 검출 회로 중에 마련되어도 좋고, 여진 및 검출 회로의 밖에 마련되어도 좋다. 제 1 및 제 2 주파수 변환 회로는, 헤테로다인(heterodyne) 주파수 변환기여도 좋다.
상기한 바와 같이 제 1 및 제 2 주파수 변환 회로는, 반대의 변환을 행한다. 주파수 변환은, 예를 들면 가산 및 감산이다. 변위 신호에 대해 소정의 주파수의 가산 또는 감산이 이루어지고, 여진 신호에 대해 동일 주파수의 감산 또는 가산이 이루어진다. 단, 주파수 변환은 가산 및 감산에 한정되지 않는다. 이와 같은 주파수 변환을 행하는 것에 의해, 넓은 범위의 공진 주파수를 갖는 캔틸레버에 대해 여진 및 검출 회로를 적용할 수 있다. 여진 및 검출 회로(13)가 고정 주파수의 디지털 회로여도, 다양한 공진 주파수의 캔틸레버를 사용할 수 있다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명의 주사형 프로브 현미경은, 감산식 위상 비교기를 구비하고 있고, 감산식 위상 비교기를 이용하여 얻어지는 상호작용량이 피드백 제어에 사용된다. 종래와 같이 승산식 위상 비교에 의한 승산이 행하여지지 않아, 승산에 의한 고조파 성분의 발생이 없다. 따라서, 고조파 성분에 기인하는 문제를 피할 수 있다.
예를 들면, 도 6의 구성은, 고조파 성분의 발생을 피할 수 있으므로, 탐침-시료간 거리의 피드백 제어에 있어서의 피드백 게인을 크게 할 수 있어, 고속이면서 안정된 주사형 프로브 현미경을 제공할 수 있다.
또한, 예를 들면, 도 7의 구성은, 피드백 게인을 크게 할 수 있을 뿐만 아니라, PLL의 게인을 크게 할 수 있다. 따라서, 더욱 고속인 PLL 회로를 구비한 주사형 프로브 현미경을 제공할 수 있다.
이상으로, 현시점에서 생각되는 본 발명이 바람직한 실시형태를 설명하였지만, 본 실시형태에 대해 다양한 변형이 가능한 것은 물론이고, 또한, 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 모든 변형을, 첨부되는 청구범위에 포함되는 것으로 한다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 원자간력 현미경 등의 주사형 프로브 현미경으로서 유용하다.

Claims (10)

  1. 프로브 본체와,
    상기 프로브 본체를 여진하는 여진부와,
    상기 프로브 본체의 변위 신호를 검출하는 센서와,
    상기 프로브 본체와 시료의 상호작용을 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 피드백 회로와,
    상기 여진부에 의한 여진을 제어하는 여진 신호를 생성함과 함께, 상기 변위 신호에 근거하여 상기 상호작용을 나타내는 상호작용량을 상기 피드백 제어를 위해 검출하는 여진 및 검출 회로를 구비하고,
    상기 여진 및 검출 회로는,
    상기 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하는 발진 회로와,
    상기 여진 위상 신호에 근거하여 상기 여진 신호를 생성하는 여진 신호 생성 회로와,
    상기 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하는 복소 신호 생성 회로와,
    벡터 연산에 의해 상기 복소 신호의 편각을 계산하는 벡터 연산 회로와,
    상기 편각 및 상기 여진 위상 신호의 위상 비교를 감산에 의해 진행하는 감산식 위상 비교기를 구비하고,
    상기 감산식 위상 비교기를 이용하여 얻어지는 상기 상호작용량의 신호를 상기 피드백 회로에 공급하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감산식 위상 비교기는, 상기 편각을 상기 여진 위상 신호와 비교하는 것에 의해, 상기 여진 신호와 상기 변위 신호의 위상차 신호를 생성하고, 상기 여진 및 검출 회로는, 상기 상호작용량으로서 상기 위상차 신호를 상기 피드백 회로에 공급하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 여진 및 검출 회로는, 상기 발진 회로 및 상기 감산식 위상 비교기와 함께 위상 록 루프 회로를 형성하는 루프 필터를 구비하고, 상기 위상 록 루프 회로는, 상기 편각과 상기 여진 위상 신호의 위상차가 소정의 위상 오프셋에 일치하도록 상기 발진 회로를 제어함과 함께, 위상 록 루프에 의해 얻어지고, 상기 변위 신호의 주파수 변화를 나타내는 주파수 신호를 생성하고, 상기 여진 및 검출 회로는, 상기 상호작용량으로서 상기 주파수 신호를 상기 피드백 회로에 공급하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 감산식 위상 비교기는, 상기 편각을 상기 여진 위상 신호 및 상기 위상 오프셋과 감산에 의해 비교하고, 상기 루프 필터는, 상기 감산식 위상 비교기의 출력에 근거하여 상기 주파수 신호를 생성하고, 상기 주파수 신호가 상기 발진 회로에서 사용됨과 함께, 상기 피드백 제어에 사용되는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 벡터 연산 회로는, 상기 복소 신호의 절대값을 상기 변위 신호의 진폭 신호로서 계산하고, 상기 여진 및 검출 회로는, 상기 상호작용량으로서 상기 진폭 신호를 상기 피드백 회로에 공급하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 여진 및 검출 회로의 처리전에 상기 변위 신호의 주파수를 변환하는 제 1 주파수 변환 회로와, 상기 여진 및 검출 회로에서 생성되는 상기 여진 신호의 주파수를 변환하는 제 2 주파수 변환 회로를 구비하고, 상기 제 2 주파수 변환 회로는, 상기 제 1 주파수 변환 회로와 반대의 변환을 진행하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 프로브 본체의 여진을 여진 신호에 의해 제어하고, 상기 프로브 본체의 변위 신호를 검출하고, 상기 변위 신호에 근거하여 상기 프로브 본체와 시료의 상호작용을 일정하게 유지하는 피드백 제어를 행하는 주사형 프로브 현미경의 제어 방법이고,
    상기 여진 신호의 위상을 나타내는 여진 위상 신호를 생성하고,
    상기 여진 위상 신호에 근거하여 상기 여진 신호를 생성하고,
    상기 변위 신호에 근거하여 복소 신호를 생성하고,
    벡터 연산에 의해 상기 복소 신호의 편각을 계산하고,
    상기 편각과 상기 여진 위상 신호를 감산식 위상 비교기로 처리하고,
    상기 감산식 위상 비교기를 이용하여 얻어지고, 상기 상호작용을 나타내는 상호작용량을 이용하여 상기 피드백 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 제어 방법.
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