WO2007072706A1 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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reference wave
trigger pulse
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Inventor
Takayuki Uchihashi
Toshio Ando
Hayato Yamashita
Original Assignee
National University Corporation Kanazawa University
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32—AC mode

Definitions

  • phase is also measured as useful information. It is known that the cantilever oscillation phase shifts due to the interaction between the sample and the probe with energy dissipation.
  • the phase information includes physical property information such as the viscosity, elasticity, and composition of the sample. Therefore, by detecting the phase change, it is possible to capture not only the structural change of the biomolecule but also the dynamic change of physical property information.
  • Phase measurement using AFM is described in, for example, Mlriam Argaman et al., Phase imaging of moving DNA molecules and DNA molecules replicated in the atomic force microscope ", Nucleic Acids Research, Oxford University Press, 1997, Volume 25, Number 21 , pp.4379-4384.
  • Non-contact AFM In addition to the contact AFM, a non-contact AFM (Non-contact AFM) is known as the AFM.
  • Non-contact AFM is used with the probe close to the sample.
  • the problem of excitation efficiency described above is not limited to contact AFM. Similar problems can arise after contactless AFM.
  • the present invention compares the reference wave signal having a fixed phase with the trigger pulse signal whose pulse position changes according to the vibration phase of the cantilever, and determines the phase of the vibration of the cantilever. To detect.
  • the magnitude of the reference wave signal at the pulse position of the trigger pulse signal corresponds to the cantilever phase. Since the phase can be detected at a speed corresponding to the frequency of the reference wave signal, high-speed phase detection becomes possible.
  • the timing at which the cantilever contacts or approaches the sample corresponds to the lowest point in the Z direction on the vibration waveform. Therefore, in the present invention, the signal is processed so that the noise is generated near the lowest point.
  • a phase shifter is preferably used in the embodiment described later.
  • Another aspect of the present invention is used in a scanning probe microscope that vibrates a cantilever and relatively scans the cantilever and a sample, and detects the phase of the cantilever vibration.
  • a cantilever phase detection device that has a frequency corresponding to the excitation signal of the cantilever and generates a reference wave signal having a fixed phase difference from the excitation signal, and a cantilever phase detection device based on the displacement of the cantilever.
  • FIG. 1 shows the configuration of the AFM according to the first embodiment.
  • the overall configuration of the AFM 1 is a configuration in which the sample stage 3, the cantilever 5, and the sample stage 3 are scanned in the XYZ directions, a configuration in which the cantilever 5 is vibrated at a frequency near the resonance frequency, and the displacement of the cantilever 5
  • a configuration for detecting a configuration for feedback scanning that detects the amplitude of vibration of the cantilever 5 and keeping the amplitude constant, a configuration for detecting the phase of vibration of the cantilever 5, and a computer that controls the entire apparatus 7 and.
  • the sample stage 3 is configured to hold the sample on the lower surface.
  • the sample stage 3 is attached to a scanner 11, and the scanner 11 includes an actuator 13.
  • the actuator 13 is composed of a piezo element (piezoelectric element), and scans the sample relative to the cantilever 5 by driving the sample stage 3 in the X, Y, and ⁇ directions.
  • ⁇ The direction is a direction perpendicular to the horizontal plane, and the Z direction is the vertical direction.
  • the Z direction is the concavo-convex direction (height direction) of the sample.
  • the actuator 13 is driven by an actuator driving circuit 15, and the actuator driving circuit 15 is controlled by a scanning control circuit 17.
  • the sensor 31 and the laser unit 33 constitute an optical lever type displacement sensor.
  • the laser unit 33 irradiates the cantilever 5 with laser light.
  • the laser beam is reflected by the cantilever 5 and reaches the sensor 31.
  • the sensor 31 is composed of a photodiode and outputs a signal indicating the displacement of the cantilever 5.
  • the configuration of an optical system such as a lens related to the sensor is omitted.
  • the AFM 1 includes an amplitude detection circuit 35 and a feedback circuit 37 for feedback scanning.
  • the amplitude detection circuit 35 processes the displacement signal input from the sensor 31 to obtain the amplitude of the cantilever 5.
  • the feedback signal is supplied to the scanning control circuit 17 and used for feedback scanning.
  • the feedback signal is supplied to the computer 7 and used for the sample image generation process.
  • the computer 7 controls the entire AFM1.
  • the computer 7 also provides a user interface function, and various instructions of the user are input to the computer 7, and the computer 7 controls the AFM 1 according to the user input. Further, the computer 7 generates an image of the sample surface and outputs it to the monitor 51. Further, the computer 7 generates an image of the phase change of the vibration of the cantilever 5 and outputs it to the monitor 51.
  • FIG. 4 shows in more detail the circuit configuration of the above phase detection.
  • the trigger pulse generation circuit 41 includes a band pass filter 61, a phase shifter 63, a comparator 65, a differentiator 67, and an AND circuit 69.
  • the trigger pulse signal is generated at a position on the vibration waveform corresponding to the contact timing between the cantilever 5 and the sample.
  • the phase change is the largest at this contact timing. It is thought that it is remarkable. Therefore, the phase change can be suitably detected by generating the trigger pulse at the contact timing.
  • the reference wave signal is a sawtooth wave signal, and is a wave that changes monotonically during one period.
  • the phase can be suitably detected by comparing the sawtooth wave with the trigger pulse.
  • the point at which the phase starts to decrease is larger than the point at which the amplitude starts to decrease. That is, the phase begins to drop when the probe is further away from the sample force.
  • the present inventor has found that the phase change with respect to the probe-sample distance has a higher sensitivity than the amplitude change.
  • the present inventor applied a microcantilever significantly smaller than a standard cantilever to the AFM.
  • the micro cantilever has a length of 10 m or less and a width of 2 m or less.
  • the micro cantilever has a length of 10 ⁇ m or less, 5 ⁇ m or more, a width force ⁇ / zm or less, and 1 ⁇ m or more. If a micro cantilever is used, it will be subject to the viscous resistance of a liquid such as water. The phase changes greatly due to the change in viscous resistance when the probe approaches the sample. At this time, it is thought that the phase changes due to the force that pushes water molecules. Thus, the phase change force in the liquid is caused by a phenomenon different from the phase change in the air. It is considered that this phase change is detected with higher sensitivity than the amplitude change.
  • the feedback circuit 103 generates a feedback signal corresponding to the difference between the detected phase and the phase target value.
  • the feedback circuit 37 includes, for example, a subtractor that generates a deviation signal by subtracting the phase target value from the detected phase value, and a PID circuit that amplifies the deviation signal. Is done.
  • the output of the bandpass filter 61 is divided into three paths 201a, 201b, and 201c.
  • a transfer unit 63a, a con- verter 65a, a differentiator 67a and an AND circuit 69a are sequentially provided.
  • the path 201b includes a phase shifter 63b, a comparator 65b, a differentiator 67b, and an AND circuit 69b.
  • the path 201c includes a phase shifter 63c, a comparator 65c, a differentiator 67c, and an AND circuit 69c.
  • the functions of these elements are the same as the corresponding configurations in FIG. 4 (phase shifter 63, comparator 65, differentiator 67, and AND circuit 69).
  • the amount of phase shift by the three phase shifters 63a, 63b, 63c is different.
  • the first phase shifter 63a delays the phase by 3Z4 (270 degrees) of the excitation period, as in the above-described embodiment.
  • the phase shifter 63b delays the phase by 90 degrees more than the phase shifter 63a (one cycle).
  • the phase shifter 63c delays the phase by 90 degrees further than the phase shifter 63b (5Z4 period). Therefore, in the present embodiment, two trigger pulse signals are shifted at positions 90 degrees after the trigger pulse signal generated in the above-described embodiment. (In fact, the phase change component is also included in the pulse position, the same here).
  • the trigger pulse signals generated by the paths 201a, 201b, and 201c are referred to as trigger pulse signals TP1, ⁇ 2, ⁇ 3, and! ⁇ ⁇ .
  • the subtractors 205a, 205b, and 205c are connected to the Samp Nore Honored circuits 71a, 71b, and 71c.
  • the subtractors 205a, 205b, and 205c function as offset adjusters, and the output forces of the sample and hold circuits 71a, 71b, and 71c also subtract the offset voltages OSl, OS2, and OS3, respectively. Offset voltages OSl, OS2, and OS3 are input from computer 7.
  • the trigger pulse signals ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are output from the AND circuits 69a, 69b, and 69c and input to the sample and hold circuits 71a, 71b, and 71c.
  • a common reference wave signal is input from the oscillator 27 to the sample hold circuits 7 la, 7 lb, 71 c.
  • the phase of the reference wave signal is adjusted as shown in FIG. 10 and fixed at the position shown in FIG.
  • sample The first circuit 71a, 71b, 71c generates the phase signals Sl, S2, S3 from the reference wave signal at the timing of the trigger pulse signals TP1, ⁇ 2, ⁇ 3, respectively.
  • the offset-adjusted unit signals Sl, S2, and S3 are input to the calorie calculator 207 from the subtractors 205a, 205b, and 205c, and added by the adder 207.
  • the output power phase signal generation circuit 203 of the adder 207 is supplied to the feedback circuit 103 and the computer 7 as an output.
  • the third embodiment of the present invention has been described above. According to the present invention, a plurality of trigger pulse signals shifted from each other during one period of the reference wave signal are generated, and a phase signal is generated from each of the plurality of trigger pulse signals. This increases the number of phase detection points and enables high-speed detection.
  • a plurality of sample and hold circuits are provided, and a plurality of trigger signal signals are input to the plurality of sample and hold circuits, respectively.
  • the number of phase detection points can be increased appropriately.
  • offset adjustment is performed on a plurality of phase signals generated by a plurality of sample-and-holds according to a shift of a plurality of trigger pulse signals.
  • This offset adjustment eliminates the deviation of the three phase signals resulting from the use of one common reference signal.
  • the phase of multiple detection points can be obtained appropriately with a relatively simple circuit configuration such as offset adjustment.
  • FIG. 11 shows a portion of the phase detection circuit in the AFM of the present embodiment.
  • the phase detection circuit according to the present embodiment includes an oscillator 27, a trigger nors generation circuit 301, a phase signal generation circuit 303, and a reference wave processing circuit 305.
  • the trigger pulse generation circuit 301 is the same as the trigger pulse generation circuit 201 in FIG.
  • the reference wave processing circuit 305 functions as a part of the reference wave generating means or circuit, and the reference wave processing circuit 305 constitutes the reference wave generating means or circuit together with the oscillator 27.
  • the reference wave signal of the oscillator 27 is processed by the reference wave processing circuit 305, and the processed reference wave signal is input to the three sample and hold circuits 71a, 71b, 71c of the phase signal generation circuit 303.
  • the oscillator 27 supplies a reference wave signal composed of a rectangular wave to the reference wave processing circuit 305.
  • the reference wave signal has been a sawtooth wave.
  • the reference The wave signal is a rectangular wave.
  • the frequency of the reference wave signal is the same as the excitation signal of the cantilever, and the phase difference between the reference wave signal and the excitation signal is fixed, as in the previous embodiments.
  • the phase signal is supplied from the adder 307 to the feedback circuit.
  • it is preferably supplied to a computer for phase signal force image processing.
  • the fourth embodiment of the present invention has been described above. Also in the present embodiment, a plurality of trigger pulse signals shifted from each other are generated during one period of the reference wave signal, and a phase signal is generated from each of the plurality of trigger pulse signals. As a result, the number of phase detection points can be further increased, and high-speed detection becomes possible.
  • a plurality of sample hold circuits are provided, and a plurality of trigger pulse signals are input to the plurality of sample hold circuits, respectively.
  • the number of phase detection points can be increased appropriately.
  • phase detection points can be appropriately increased also in the present embodiment.
  • the sample is held on the lower surface of the sample stage.
  • the sample may be held on the upper surface of the sample stage.
  • the cantilever need not be made of silicon nitride.
  • the present invention is applicable to both contact AFM (Contact AFM) and non-contact AFM (Non-contact AFM).

Abstract

　カンチレバー振動の位相検出を高速化できる原子力間顕微鏡を提供する。カンチレバー（５）が励振され、カンチレバー（５）と試料が相対的に走査される。カンチレバー（５）の変位がセンサにより検出される。発振器（２７）は、カンチレバー（５）の励振信号を生成すると共に、励振信号に応じた周波数を有しており位相が固定された基準波信号を生成する。トリガパルス生成回路（４１）は、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバー（５）の振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成する。位相信号生成回路（４３）は、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じた信号を、カンチレバー（５）の振動の位相信号として生成する。基準波信号としてはノコギリ波が使用される。位相信号生成回路（４３）はサンプルホールド回路で構成される。

Description

明 細 書
走査型プローブ顕微鏡
技術分野
[0001] 本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、カンチレバーの振動の位相を検 出する技術に関する。
背景技術
[0002] 従来、典型的な走査型プローブ顕微鏡 (SPM)としては、走査型トンネル顕微鏡 (S TM)および原子間力顕微鏡 (AFM)が知られている。これらのうち、 AFMは、探針 を自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する変位センサと、試料 ステージスキャナとを備える。
[0003] AFMは、ピエゾ素子 (圧電素子）を振動させることによってカンチレバーを共振周 波数付近の周波数で振動させ、振動するカンチレバーの探針を試料に接触させる。 試料とカンチレバーが XY方向に相対的に走査され、 XY走査過程で変位センサを 用いて振動振幅が検出される。そして、振動振幅が一定に保たれるように試料とカン チレバーが相対的に Z方向（上下方向）にフィードバック走査される。フィードバック走 查により、試料の表面の高さ変化が分かり、試料形状が計測される。このようにして、
AFMは、試料と探針の接触による振動振幅の変化を変位センサで検出することによ り試料形状を計測する。
[0004] AFMでは、振動振幅の他に、 "位相"も有用な情報として計測される。試料と探針 のエネルギー散逸を伴う相互作用により、カンチレバー振動の位相がシフトすること が知られている。位相情報は、試料の粘性、弾性および組成などの物性情報を含む 。したがって、位相変化を検出することにより生体分子の構造変化のみならず、物性 情報の動的変化も捉えることが可能になる。 AFMを使った位相計測は、例えば、 M lriam Argaman et al., Phase imaging of moving DNA molecules and DNA molecules replicated in the atomic force microscope", Nucleic Acids Researc h, Oxford University Press, 1997, Volume 25, Number 21, pp.4379— 4384. に開示されている。 [0005] 従来の AFMは、位相を検出するためにロックインアンプ等を用いている。し力し、口 ックインアンプは、高速な AFM測定に求められる十分な帯域を有していない。例え ば、カンチレバーの振動の一周期ごとに位相を検出するといつた要求には、ロックィ ンアンプは応えられない。そのため、より高速な位相検出技術が求められる。
[0006] また、 AFMには、接触 AFM (Contact AFM)の他に非接触 AFM (Non-contact AFM)が知られている。非接触 AFMは、探針が試料に近接した状態で使用される。 上述した励振効率の問題は、接触 AFMに限られない。同様の問題が非接触 AFM にち生じ得る。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 本発明は、上記背景の下でなされてものであり、その目的は、カンチレバー振動の 位相を高速に検出可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
[0008] また、本発明の一つの目的は、高感度な位相検出を行える走査型プローブ顕微鏡 を提供することにある。
[0009] さらに、本発明の一つの目的は、位相変化に基づくフィードバック走査と形状測定 を行うことができ、高感度で試料損傷も低減可能な走査型プローブ顕微鏡を提供す ることにめる。
[0010] 本発明の一つの目的は、高速位相検出を利用して、さらなる計測点数増大が可能 な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーを振動させて、カンチレバーと試 料を相対的に走査する。この走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーを励振する励 振手段と、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバーの励振信号に応じ た周波数を有しており励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基 準波生成手段と、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの振動の位相に応じ てパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、基準 波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じ た信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成手段と、を備 える。
[0012] 上述のように、本発明は、位相が固定された基準波信号と、カンチレバーの振動の 位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号とを比較して、カンチレバーの 振動の位相を検出する。トリガパルス信号のパルス位置における基準波信号の大き さが、カンチレバーの位相に対応する。基準波信号の周波数に対応する速度で位相 を検出できるので、高速な位相検出が可能になる。
[0013] 基準波生成手段は、基準波信号として、励振信号と同一の周波数を有し、励振信 号との位相差が固定された信号を生成してよぐトリガパルス生成手段は、トリガパル ス信号として、カンチレバーの変位力 得られる振動波形の時間軸上の位置を表す パルス信号を生成してよい。これにより、カンチレバーの 1周期ごとに位相を検出する ことができ、高速な位相検出が可能になる。
[0014] トリガパルス生成手段は、カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミング に対応する振動波形上の位置でトリガパルス信号を発生してょ ヽ。接触 AFM (Conta ct AFM)ではカンチレバーが試料に接触するタイミングに、非接触 AFM (Non- cont act AFM)ではカンチレバーが試料に最も近接するタイミングに、トリガパルス信号が 生成されてよ ヽ。カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングでは位相の 変化が最も大きく顕著であると考えられる。したがって、カンチレバーが試料に接触ま たは最接近するタイミングでトリガパルスを生成することにより、位相変化を好適に検 出できる。具体的には、カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングとは、 振動波形上での Z方向の最下点に相当する。そこで、本発明では、この最下点付近 でノ ルスが生成するように信号が処理される。この処理のため、後述の実施の形態 では移相器が好適に用いられる。
[0015] また、基準波生成手段は、基準波信号としてノコギリ波信号を生成してょ 、。ノコギ リ波は、基準波信号の 1周期の間に単調に変化する波である。ノコギリ波とトリガーパ ルスを比較することにより位相を好適に検出できる。
[0016] 複数のチャネルを有する発振器が備えられてよぐ発振器が、励振手段の励振信 号を生成すると共に、基準波生成手段として基準波信号を生成してよい。例えば、 2 チャンネル発振器が励振信号と基準波信号を生成する。適切な基準波信号を容易 に生成できる。
[0017] また、トリガノルス生成手段は、カンチレバーの変位信号力も励振信号の周波数成 分の振動波形信号を抽出するバンドパスフィルタと、振動波形信号を矩形波信号に 変換するコンパレータと、矩形波信号から矩形波発生タイミングのパルス信号を生成 する微分器と、を含んでよい。適切な回路構成によって適当なトリガパルス信号を生 成できる。
[0018] また、位相信号生成手段は、トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて 基準波信号を保持するサンプルホールド回路を含んでょ 、。サンプルホールドによ つて適切に位相信号を生成できる。
[0019] また、カンチレバーは、長さが 10 μ m以下で、幅が 2 μ m以下の微小カンチレバー でよい。好ましくは、カンチレバーは、長さが 10 μ m以下、 5 μ m以上で、幅が 2 μ m 以下、 1 μ m以上である。微小カンチレバーを使うことで、敏感に位相を検出できる。
[0020] また、走査型プローブ顕微鏡は、位相信号生成手段により生成される位相信号が 一定になるように試料とカンチレバーを Z方向に相対的に走査してょ 、。走査型プロ ーブ顕微鏡は、位相信号を一定に制御するための信号力 試料の z方向の位置を 特定し、試料の形状を求めてよい。ここで、 z方向は、試料の凹凸方向（より詳細には
、凹凸の高さ方向）である。試料の Z方向の位置は、試料の凹凸の高さを表す。
[0021] この構成は、カンチレバーと試料の距離に応じた位相変化に基づいて、フィードバ ック走査を行い、さらには、形状測定を行う。上述のようにして位相が高速で検出され るので、位相を使ったフィードバック走査が可能になり、形状測定も可能になる。
[0022] また、本発明の位相検出は、基準波信号の周波数に対応する速度で位相を検出 でき、例えば、カンチレバーの一周期に一度の検出を可能にする。したがって、本発 明の位相検出は振幅検出よりもさらに高速で行うことが可能であり、そして、フィード バック走査と形状測定の高速ィ匕および分解能向上が可能になる。
[0023] また、本発明者の研究によれば、微小カンチレバーを使うと、液中であっても探針 試料間距離に位相が好適に応答し、位相の感度が高ぐ位相の感度が振幅の感 度よりも高い傾向がある。したがって、位相に基づきフィードバック走査を行うと、高感 度の形状測定ができる。し力も、カンチレバーを試料力もより遠くに配置可能であり、 これにより、試料への荷重を低減して、探針 試料間の相互作用が弱い状態での測 定が可能になり、試料の表面の損傷を低減できる。こうして、位相を使って好適なフィ ードバック走査および形状測定が可能になる。
[0024] トリガパルス生成手段は、基準波信号の 1周期の間に互いにずれた複数のトリガパ ルス信号を生成してよぐ位相信号生成手段は、複数のトリガパルス信号の各々から 位相信号を生成してよい。これにより、位相検出点の数をさらに増大でき、高速な検 出が可能になる。フィードバック走査に位相を使う場合の広帯域化も可能になる。
[0025] 位相信号生成手段は、トリガノ ルス信号をサンプリングタイミングとして用いて基準 波信号を保持する複数のサンプルホールド回路を含み、複数のサンプルホールド回 路に複数のトリガノくルス信号がそれぞれ入力されてよい。これにより、位相検出点を 適切に増やせる。
[0026] 走査型プローブ顕微鏡が、複数のサンプルホールドで生成される複数の位相信号 を、複数のトリガパルス信号のずれに応じてオフセットする手段を含んでよい。これに より、位相検出点を適切に増やせる。
[0027] 走査型プローブ顕微鏡が、トリガパルス信号のずれに応じて互いにずれた複数の 基準波信号を生成する手段を含み、複数のサンプルホールド回路に複数のトリガパ ルス信号と共に複数の基準波信号がそれぞれ入力されてよい。これにより、位相検 出点を適切に増やせる。
[0028] 本発明の別の態様において、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレ バーを振動させる発振器と、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバー の励振信号に応じた周波数を有しており励振信号との位相差が固定された基準波 信号を生成する基準波生成回路と、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの 振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス 生成回路と、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信 号の大きさに応じた信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号 生成回路と、を備える。この構成によっても同様の利点が得られる。
[0029] 本発明の別の態様は、カンチレバーを振動させて、カンチレバーと試料を相対的に 走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、カンチレバーの振動の位相を検出す るカンチレバー位相検出装置であって、カンチレバーの励振信号に応じた周波数を 有しており励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手 段と、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの振動の位相に応じてノ ルス位 置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、基準波信号とトリ ガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じた信号を力 ンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成回路と、を備える。この 構成によっても同様の利点が得られる。
[0030] 本発明の別の態様は、カンチレバーを振動させて、カンチレバーと試料を相対的に 走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、カンチレバーの位相を検出するカン チレバー位相検出方法であって、カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有して おり励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成し、カンチレバーの変位に 基づき、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号 を生成し、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号 の大きさに応じた信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する。この方法に よっても同様の利点が得られる。
発明の効果
[0031] 本発明は、位相が固定された基準波信号と、カンチレバーの振動の位相に応じて パルス位置が変化するトリガノ ルス信号とを用いることによって、高速な位相検出が 可會 になる。
[0032] 以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の 開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発 明の範囲を制限することは意図していない。
図面の簡単な説明
[0033] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態における原子間力顕微鏡 (AFM)のブロック図で ある。
[図 2]図 2は、本実施の形態の AFMにおける位相検出器の構成を示す図である。
[図 3]図 3は、位相信号生成処理を示す図である。
[図 4]図 4は、本実施の形態の AFMにおける位相検出回路の構成を示す図である。 [図 5]図 5は、位相検出器におけるトリガパルス生成回路の移相器の機能を示す図で ある。
[図 6]図 6は、 AFMによって得られる試料形状および弾性分布を示す図である。
[図 7]図 7は、探針 試料間距離に対するカンチレバー振動の位相の変化を示す図 である。
[図 8]図 8は、本発明の第 2の実施の形態に係る AFMを示す図である。
[図 9]図 9は、本発明の第 3の実施の形態に係る AFMを示す図である。
[図 10]図 10は、本発明の第 3の実施の形態に係る AFMによる位相検出を示す図で ある。
[図 11]図 11は、本発明の第 4の実施の形態に係る AFMを示す図である。
[図 12]図 12は、本発明の第 4の実施の形態に係る AFMによる位相検出を示す図で ある。
発明を実施するための最良の形態
[0034] 以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は 発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規 定される。
以下の実施の形態では、本発明が原子力間顕微鏡 (AFM)に適用される。
[0035] "第 1の実施の形態 (位相検出の高速化技術) "
図 1は、第 1の実施の形態に係る AFMの構成を示している。 AFM1は、全体構成 としては、試料ステージ 3と、カンチレバー 5と、試料ステージ 3を XYZ方向に走査す る構成と、カンチレバー 5を共振周波数付近の周波数で振動させる構成と、カンチレ バー 5の変位を検出する構成と、カンチレバー 5の振動の振幅を検出して振幅を一 定に保つフィードバック走査のための構成と、カンチレバー 5の振動の位相を検出す るための構成と、装置全体を制御するコンピュータ 7とを備えている。
[0036] 試料ステージ 3は、下面に試料を保持するように構成されて 、る。試料ステージ 3は スキャナ 11に取り付けられており、スキャナ 11はァクチユエータ 13を備えている。ァク チユエータ 13は、ピエゾ素子 (圧電素子）で構成されており、試料ステージ 3を X、 Y、 Ζ方向に動力して、試料をカンチレバー 5に対して相対的に走査する。図 1では、 ΧΥ 方向は、水平面上で直交する方向であり、 Z方向は鉛直方向である。 Z方向は試料 の凹凸方向（高さ方向）である。ァクチユエータ 13は、ァクチユエータ駆動回路 15に よって駆動され、ァクチユエータ駆動回路 15は走査制御回路 17によって制御される
[0037] カンチレバー 5は、窒化シリコン製であり、自由端に探針を有している。本実施の形 態では、カンチレバー 5は、微小カンチレバーである。微小カンチレバーは、標準的 なカンチレバーと比べて非常に小さいカンチレバーであり、通常のカンチレバーの 1 0分の 1以下の大きさを有する。具体的には、標準的なカンチレバーは、例えば、長さ 力 S約 100 μ mであり、幅が約 20 μ mである。これに対して、微小カンチレバーは、長 さが 10 μ m以下で、幅が 2 μ m以下である。好ましくは、微小カンチレバーは、長さが 10 μ m以下、 5 μ m以上で、幅が 2 μ m以下、 1 μ m以上である。図 1の例では、カン チレバー 5が、長さが約 7 μ mで、幅が約 1 μ mの矩形形状を有している。
[0038] カンチレバー 5はホルダ 21によって保持されている。ホルダ 21は励振用圧電素子 2 3 (典型的にはピエゾ素子）と共に設けられており、励振用圧電素子 23は、圧電素子 駆動回路 25によって駆動される。
[0039] 発振器 27は正弦波発振器であり、コンピュータ 7により制御されて、励振信号を生 成する。発振器 27から供給される励振信号に従って、圧電素子駆動回路 25が励振 用圧電素子 23を振動させ、カンチレバー 5を振動させる。
[0040] 本実施の形態では、発振器 27が複数チャネルタイプの発振器であり、より具体的 には 2チャンネルタイプの発振器である。発振器 27は、励振信号を生成して一つの チャネルから出力する。さらに、発振器 27は、位相検出のための基準波信号を生成 してもう一つのチャネルから出力し、これにより本発明の基準波生成回路または手段 として機能する。基準波信号を使う位相検出については後に詳細に説明する。
[0041] センサ 31は、レーザユニット 33と共に、光てこ式の変位センサを構成している。レー ザユニット 33は、レーザ光をカンチレバー 5に照射する。レーザ光はカンチレバー 5 で反射してセンサ 31に届く。センサ 31は、フォトダイオードで構成されており、カンチ レバー 5の変位を表す信号を出力する。図では、センサに関連したレンズ等の光学 系の構成は省略されている。 [0042] AFM1は、フィードバック走査のために、振幅検出回路 35およびフィードバック回 路 37を備えている。振幅検出回路 35は、センサ 31から入力される変位信号を処理 してカンチレバー 5の振幅を求める。
[0043] 検出された振幅値は、フィードバック回路 37へ出力される。また、フィードバック回 路 37には、コンピュータ 7から振幅目標値が入力される。フィードバック回路 37は、検 出された振幅値から振幅目標値を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号 を増幅する PID回路とを備えており、これら構成によってフィードバック信号が生成さ れる。フィードバック走査の振幅目標値は、コンピュータ 7から供給される。この振幅 目標値は、適当な回路構成などを用いて手動で設定されてもよい。
[0044] フィードバック信号は走査制御回路 17に供給されて、フィードバック走査に利用さ れる。また、フィードバック信号はコンピュータ 7に供給されて、試料画像の生成処理 に使用される。
[0045] また、 AFM1は、本実施の形態の特徴として、センサ 31で検出される変位信号に 基づいてカンチレバー 5の位相を検出するために、トリガパルス生成回路 41と位相信 号生成回路 43を備えて 、る。これら構成にっ 、ては後に詳細に説明する。
[0046] コンピュータ 7は、 AFM1の全体を制御してる。コンピュータ 7はユーザインターフエ ース機能も提供し、ユーザの各種の指示がコンピュータ 7に入力され、コンピュータ 7 はユーザの入力に従って AFM1を制御する。また、コンピュータ 7は試料表面の画像 を生成してモニタ 51に出力する。さらに、コンピュータ 7は、カンチレバー 5の振動の 位相変化の画像を生成してモニタ 51に出力する。
[0047] 次に、 AFM1の動作を説明する。走査制御回路 17にコンピュータ 7から XY方向の 走査の制御信号が供給される。走査制御回路 17は制御信号に従ってァクチユエ一 タ駆動回路 15を制御して、ァクチユエータ 13に XY方向の走査を行わせる。また、コ ンピュータ 7は発振器 27へ励振強度 (振幅)の指令値を供給する。発振器 27は、コン ピュータ 7の制御下で励振信号を生成して、励振信号を圧電素子駆動回路 25へ供 給する。圧電素子駆動回路 25が励振用圧電素子 23を駆動し、カンチレバー 5が共 振周波数近傍の周波数で振動する。このようにして、カンチレバー 5が振動した状態 で、カンチレバー 5と試料が相対的に XY方向に走査される。 [0048] XY走査中、カンチレバー 5の変位がセンサ 31により検出され、振幅検出回路 35に よりカンチレバー 5の振幅が求められる。そして、フィードバック回路 37が、コンビユー タ 7から供給される振幅目標値に基づき、検出された振幅値と振幅目標値の差分に 応じたフィードバック信号を生成する。フィードバック信号が走査制御回路 17に供給 され、走査制御回路 17は、フィードバック信号に従って、検出振幅値と振幅目標値 がー致するようにァクチユエータ駆動回路 15を制御する。このフィードバック制御によ り、カンチレバー 5と試料の距離が一定に保たれる。
[0049] このようにして、カンチレバー 5と試料の距離を一定に保つ Ζ走査を行 、ながら、 ΧΥ 走査が行われる。 Ζ走査のフィードバック信号は、フィードバック回路 37からコンビュ ータ 7にも供給される。フィードバック信号は、試料の Ζ方向の高さに対応している。ま た、試料上の ΧΥ方向の位置は、コンピュータ 7が発生して走査制御回路 17に供給 する ΧΥ走査の制御信号により特定される。コンピュータ 7は、 ΧΥ走査の制御データ と、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ 5 1に表示する。 3次元画像が好適に生成され、表示される。
[0050] 次に、本実施の形態に特徴的な、カンチレバー 5の振動の位相を検出するための 構成と方法について説明する。既に説明したように、図 1において、発振器 27は、力 ンチレバー 5の励振のための励振信号を生成すると共に、本実施の形態の位相検出 のために基準波信号を生成する。また、本実施の形態は、位相検出のためにトリガパ ルス生成回路 41と位相信号生成回路 43を備えている。
[0051] 図 2は、位相検出のための上記構成をより詳細に示している。発振器 27は、複数チ ャネルタイプの発振器であり、より具体的には 2信号系発振器（2チャンネルタイプの 発振器)である。発振器 27は、カンチレバー 5を振動させるための励振信号を生成し て一つのチャネル力も圧電素子駆動回路 25へ出力する。さらに、発振器 27は、位相 検出のための基準波信号を生成してもう一つのチャネル力 位相信号生成回路 43 へ出力し、これにより、発振器 27は、本発明の基準波生成回路または手段としても機 能する。
[0052] 励振信号が正弦波であるのに対して、基準波信号はノコギリ波である。基準波信号 の周波数は励振信号の励振周波数と同一である。また、基準波信号と励振信号の位 相差は固定されている。位相差は 0でもよい。
[0053] トリガパルス生成回路 41には、センサ 31からカンチレバー 5の変位の信号が入力さ れる。変位信号は、カンチレバー 5の振動波形を表している。トリガパルス生成回路 4 1は、カンチレバー 5の変位に基づきトリガパルス信号を生成する。トリガノ ルス信号 は、カンチレバー 5の振動の位相に応じてパルス位置が変化するパルス信号である。 より詳細には、トリガパルス生成回路 41は、トリガパルス信号として、カンチレバーの 変位力 得られる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号を生成する。パルス 信号は振動の各周期で生成される。
[0054] 位相信号生成回路 43には、上記の基準波信号とトリガパルス信号が入力される。
位相信号生成回路 43は、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、カンチレバー 5 の振動の位相信号を生成する。
[0055] 図 3に示されるように、基準波信号は、位相が固定されている。一方、トリガパルス 信号の位置は、カンチレバー 5の振動の位相に応じて変化する。したがって、パルス 位置における基準波信号の大きさが、カンチレバー 5の振動位相に 1対 1で対応する 。そこで、位相信号生成回路 43は、パルス位置における基準波信号の大きさに対応 する信号をカンチレバー 5の振動の位相信号として生成する。位相信号生成回路 43 は具体的には後述のようにサンプルホールド回路で実現できる。
[0056] 図 3では、トリガパルス信号が、基準波信号のノコギリ波の 1周期における中央付近 で変動している。トリガパルス信号がこのような位置で変動するように、基準波信号の 位相が設定されている。この例のように、基準波信号の位相は、トリガパルス位置が 基準波信号の 1周期の範囲で変動するように設定される。そのためには、発振器 27 における励振信号と基準波信号の位相差が調整される。
[0057] 位相信号生成回路 43は、位相信号をコンピュータ 7に供給する。コンピュータ 7で は、位相マッピングが行われ、位相分布の画像が生成される。位相信号は、試料上 の位相変化を表している。試料上の XY方向の位置は、コンピュータ 7が発生して走 查制御回路 17に供給する XY走査の制御信号により特定される。コンピュータ 7は、 XY走査の制御データと、入力される位相信号に基づいて、試料上に位相変化をマ ッビングして、位相変化分布の画像を生成してモニタ 51に表示する。位相変化分布 の画像は、試料の弾性分布を表す。
[0058] 図 4は、上記の位相検出の回路構成をより詳細に示している。図 4に示すように、トリ ガパルス生成回路 41は、バンドパスフィルタ 61、移相器 63、コンパレータ 65、微分 器 67および AND回路 69で構成されている。
[0059] バンドパスフィルタ 61は、カンチレバー 5の変位信号から、カンチレバー 5の励振周 波数成分の信号を抽出する。バンドパスフィルタ 61の通過帯域は例えば 800kHz〜 1300kHzである。これにより、励振周波数成分の振動波形信号が得られる。移相器 63は、振動波形信号の位相をずらす。移相器 63を設けたことにより、カンチレバー 振動の任意の位置での位相を検出することができる。本実施の形態では、位相が、 励振信号の周期の 3Z4だけ好適にずらされる。移相器 63は、 270度位相を遅らせ てもよく、 90度位相を進めてもよい。移相器 63の機能は後述する。
[0060] コンパレータ 65は、振動波形信号を矩形波信号に変換する。具体的には、コンパ レータ 65は、振動波形信号の振幅値が正のときに、所定値の信号を出力する。した がって、矩形波信号の値は、振幅値が正のときに所定値になり、振幅値が負の時に 0 になる。そして、矩形波信号は振幅値が正の期間を表す信号になる。矩形波信号で は、振幅の情報は消されている力 位相の情報が残っている。
[0061] 微分器 67は、矩形波信号から矩形波発生タイミングのパルス信号を生成する。微 分器 67は、信号の変化を検出する。微分器 67に矩形波信号が通されると、矩形波 の最初（立上り）と最後にパルス信号が生成される。矩形波の最初には正のパルスが 発生し、矩形波の終わりには負のパルスが発生する。これらのうち、正のパルスが、 矩形波発生タイミングである。そこで、微分器 67からパルス信号が AND回路 69に供 給され、 AND回路 69が正のパルスのみを出力する。
[0062] こうしてトリガパルス信号が生成される。トリガパルス信号の位置は、矩形波の時間 軸上の位置に応じて、すなわち、振動波形の位相に応じて変化する。
[0063] トリガパルス信号は、 AND回路 69からサンプルホールド回路 71に供給される。サ ンプルホールド回路 71には、さらに、発振器 27から基準波信号が入力される。サン プルホールド回路 71は、トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて基準 波信号を保持する。 [0064] 図 3に示されるように、基準波信号がノコギリ波なので、基準波信号は 1周期の間に 単調に、より詳細には直線的に増大する。したがって、トリガノ ルスの位置がカンチレ バーの振動位相に応じて変化すると、パルス位置変化に応じてサンプルホールド回 路 71の出力も変化する。これにより、サンプルホールド回路 71の出力が位相信号と して得られる。
[0065] ここで、図 4の構成では、既に述べたように、移相器 63が設けられており、カンチレ バー振動の任意の位置での位相を検出することができる。本実施の形態では、振動 波形の位相が、励振信号の周期の 3Z4だけ好適にずらされている。この理由を以下 に説明する。
[0066] コンパレータ 65は、振動波形の振幅が負力 正に変わる 0クロス点にて矩形波を発 生させる。したがって、図 4の回路では、トリガパルス信号は、 0クロス点にて生成され る。仮に移相器 63が設けられていないとすれば、トリガパルス信号は、カンチレバー 5の振動振幅の中央で発生することになる。
[0067] しかし、本実施の形態では、移相器 63により、振動波形の位相が 3Z4周期ずらさ れている。したがって、カンチレバー 5の振動波形の最下点部分 (谷底部分）が、 0ク ロス点（振幅が負から正に変わる点）へと移動している。その結果、元々の振動波形 の最下点部分にてトリガパルス信号が生成される。
[0068] 図 5は、上記の移相器 63の機能を示している。元々の振動波形の最下点 A力 位 相の移動によって 0クロス点 Bへ移動している。そして、コンパレータ 65が、振幅が正 の期間に矩形信号を生成する。微分器 67が、矩形の最初と最後に正のパルスと負 のパルスを生成する。 AND回路 69が正のパルスを残す。これにより、元々の振動波 形の最下点部分にてトリガパルス信号が生成される。
[0069] AFM測定中、カンチレバー 5は、試料に接触しながら振動する。振動波形の最下 点部分 (谷底部分）は、カンチレバー 5が最も下に到達して試料に接触するタイミング に相当する。位相器 63を設けたことにより、この接触タイミングでトリガパルス信号を 生成できる。
[0070] このようにして、トリガパルス信号は、カンチレバー 5と試料の接触タイミングに対応 する振動波形上の位置で生成される。この接触タイミングでは位相の変化が最も大き く顕著であると考えられる。したがって、上記接触タイミングでトリガパルスを生成する ことにより、位相変化を好適に検出することができる。
[0071] ただし、上記の説明にお 、ては、カンチレバー 5と試料の接触タイミングは、厳密な 意味での接触の瞬間を指してはいない。接触タイミングは、接触の瞬間およびその 直前直後を意味している。接触の真の瞬間は実際の位相によって細力べ変動する。
[0072] 図 6は、本実施の形態の AFM1によって得られる表面形状および弾性分布の画像 の例を示している。試料はポリマーであり、液中で測定が行われている。表面形状は 、振動振幅に基づくフィードバック走査によって得られる。弾性分布は、検出された位 相をマッピングした位相変化分布の画像である。弾性の変化 (柔らか ヽところと硬 、と ころ）が画像の濃淡により現される。
[0073] また、本実施の形態では、既に説明したように、カンチレバー 5が微小カンチレバー であり、レバーサイズが標準的なレバーの 10分の 1以下である。具体的にはカンチレ バー 5が長さが約 7 mで、幅が約 1 μ mの矩形形状を有している。このような微小力 ンチレバーによって図 6の測定結果が好適に得られている。
[0074] この点に関し、溶液環境下では、カンチレバーの Q値が低くなる。 Q値は感度と応 答速度を表すパラメータであり、粘性抵抗が大きいほど Q値が低くなり、 Q値が低い ほど感度が下がる。そのため、従来は、溶液中では十分な感度での位相変化の検出 が困難であると考えられていた。これに対して、本発明では、高い共振周波数を有す る微小カンチレバーが用いられている。カンチレバーが微小であれば、水の粘性抵 抗を受けにくい。したがって、探針—試料間の相互作用による粘性抵抗に AFMが極 めて敏感になる。そして、高感度かつ高速な位相マッピングが可能になった。
[0075] また、上述の実施の形態では、主として接触 AFM (Contact AFM)が想定され、本 発明が接触 AFMに適用された。しカゝし、本発明は、非接触 AFM (Non-contact AF M)にも適用されてよい。非接触 AFMは、探針と試料が接触しなくても探針と試料と の間に微弱ながらも存在する相互作用力を利用する。この微弱な相互作用でもカン チレバーの振幅、位相 (励振信号とカンチレバー振動との位相差)が僅かに変化する 。非接触 AFMにも上述の位相検出器の構成が適用されてよぐこのことは下記の他 の実施の形態においても同様である。 [0076] なお、接触 AFMと非接触 AFMでは下記のような現象の相違がある。上記実施の 形態では、移相器 63が、振動波形の位相を励振信号の 3Z4周期だけ遅らせる。こ れにより、探針—試料の接触タイミングでトリガパルスが生成される。非接触 AFMで も同様の移相器が好適に設けられる。ただし、非接触 AFMでは、探針が試料に最 接近するときにトリガノ ルスが生成される。なお、これらの現象は、探針が Z方向の最 下点に達するタイミングでトリガパルスを発生するという観点では同じである。
[0077] 以上に本発明の第 1の実施の形態に係る AFM1について説明した。上記のように 、本発明は、位相が固定された基準波信号と、カンチレバーの振動の位相に応じて パルス位置が変化するトリガノルス信号とを比較して、カンチレバーの振動の位相を 検出する。トリガノ ルス信号のパルス位置における基準波信号の大きさ力 カンチレ バーの位相に対応する。基準波信号の周波数に対応する速度で位相を検出できる ので、高速な位相検出が可能になる。
[0078] また、本発明では、基準波信号が、励振信号と同一の周波数を有し、励振信号との 位相差が固定された信号である。トリガパルス信号は、カンチレバーの変位から得ら れる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号である。これにより、カンチレバー の 1周期ごとの位相を検出することができ、高速な位相検出が可能になる。
[0079] ただし、本発明の範囲内で、基準波信号は励振信号に応じた周波数を持てばよい 。励振信号と基準波信号の周波数を異ならせることも原理的には可能である。例えば 、基準波信号の周波数が励振周波数の半分でもよい。
[0080] また、本発明では、トリガパルス信号力 カンチレバーが試料に接触または最接近 するタイミングに対応する振動波形上の位置で生成される。接触 AFMではカンチレ バーの接触タイミング、非接触 AFMではカンチレバーの最接近タイミングでトリガパ ルスが生成される。あるいは、 Z方向の最下点のタイミングでトリガパルスが生成され る。このようなタイミングでは位相の変化が最も大きく顕著であると考えられ、したがつ て、本発明により位相変化を好適に検出できる。
[0081] また、本発明では、基準波信号がノコギリ波信号であり、 1周期の間に単調に変化 する波である。ノコギリ波とトリガーパルスを比較することで位相を好適に検出できる。
[0082] また、本発明では、複数チャネルタイプの発振器が、励振信号と基準波信号を生成 して出力する。励振信号に応じた適切な基準波信号を容易に生成できる。
[0083] また、本発明は、上記のバンドパスフィルタ 61、コンパレータ 65および微分器 67に より、また上記の移相器 63により、さらには上記の AND回路によって適当なトリガパ ルス信号を生成できる。
[0084] また、本発明は、上記のようにサンプルホールド回路によって位相信号を適切に生 成できる。
[0085] また、本発明では、カンチレバー 5が微小カンチレバーであり、敏感に位相を検出 できる。
[0086] "第 2の実施の形態 (位相に基づくフィードバック走査と形状測定) "
図 7は、振幅および位相の、探針 試料間距離依存性を示す図であり、同図を用 いて位相に基づくフィードバック走査の原理を説明する。図 7において、横軸は、探 針と試料の間の距離である。図 7の振幅ライン Laは、カンチレバー振動の振幅特性 であり、探針—試料間距離とカンチレバー振動振幅の関係である。位相ライン Lbは、 カンチレバー振動の位相特性であり、探針 試料間距離とカンチレバー振動位相の 関係である。
[0087] 図 7は、図 1の AFM1を使って、液中の測定で得られたデータである。使用された カンチレバー 5は、前述したように微小カンチレバーである。 Z方向のフィードバック走 查を行うことなぐ振動するカンチレバー 5が試料に近づけられる。この過程で図 7の 振幅データと位相データが得られる。
[0088] 図 7の振幅ライン Laに示されるように、振幅は、探針 試料間の距離が大きいとき はほぼ一定である。そして、探針—試料間の距離力 、さくなると、振幅が小さくなる。 振幅ライン Laは、従来一般のカンチレバーのフォースカーブに相当する。従来のフィ ードバック走査では、フィードバックの目標値が、一定値より少し小さな値に設定され る。
[0089] 図 7の位相ライン Lbに示されるように、位相も、探針-試料間の距離が大きいときは ほぼ一定である。そして、探針-試料間の距離が小さくなると、位相が小さくなる。こ のことから、位相を使ってフィードバック走査が理論的には可能である。さらに、本発 明では、フィードバック走査に必要な速度の位相検出技術も上述の実施の形態で説 明した位相検出回路によって提供される。これらにより、位相に基づくフィードバック 走査が実現可能になる。
[0090] また、振動ライン Laと振幅ライン Lbを比べると、位相が下がり始めるポイントは、振 幅が下がり始めるポイントよりも大きい。すなわち、位相は、探針が試料力もより遠くに あるときに下がり始める。このように、本発明者は、探針—試料間距離に対する位相 変化が、振幅変化よりも高 、感度を有して 、ることを見 、だした。
[0091] 図 7の現象は下記のように考えられる。カンチレバーの探針が試料に近づくと、探 針が試料表面付近の水分子を押しのけようとして、試料表面近傍の粘性抵抗が急激 に変化する。粘性抵抗の急激な変化により、カンチレバーの振動の位相が大きく変 化する。この位相変化が図 7の位相データに現れていると考えられる。特に、本発明 では、微小カンチレバーが好適に用いられている。微小カンチレバーを用いると、粘 性抵抗の悪影響が小さい。これにより、図 7の顕著なデータが得られる。
[0092] この点についてさらに説明を加える。従来から、空気中では、探針-試料間距離に 応じた位相の変化は知見されていた。この既知の位相変化は、探針が物体に当たる ときの斥力に起因すると考えられる。空気中ではこの既知の位相変化を用いてフィー ドバック制御が可能と考えられて 、た。
[0093] しかし、上記の既知の位相変化は、あくまで、空気等の気体中の現象である。液中 では、液体の粘性抵抗でカンチレバーの Q値が下がる。前述したように、 Q値は感度 と応答速度を表すパラメータであり、粘性抵抗が大きいほど Q値が低くなり、 Q値が低 いほど感度が下がる。したがって、液中では位相変化の感度が低ぐ位相変化を使 つたフィードバック制御は不可能であると考えられていた。
[0094] 本発明者は、標準のカンチレバーよりも大幅に小さい微小カンチレバーを AFMに 適用した。前述したように、微小カンチレバーは、長さが 10 m以下で、幅が 2 m 以下である。好ましくは、微小カンチレバーは、長さが 10 μ m以下、 5 μ m以上で、幅 力^ / z m以下、 1 μ m以上である。微小カンチレバーを使うと、水等の液体の粘性抵 抗を受けに《なる。そして、探針が試料に近づくときの粘性抵抗の変化によって位 相が大きく変化する。このとき、水分子を押しのける力で位相が変化していると考えら れる。このように、液中の位相変化力 空気中の位相変化と異なる現象により生じる。 そして、この位相変化が振幅変化より高い感度で検出されると考えられる。
[0095] 以上に、図 7を用いて、探針 試料間の距離とカンチレバー振動の位相との関係を 詳細に説明した。上記のように、図 7に示され通り、位相特性が振幅特性と類似した 形状のラインを描くので、位相も振幅と同様にフィードバック走査に使える。し力も、位 相の感度は、振幅の感度より大きい。さらに、フィードバック走査に必要な高速な検出 は本発明の位相検出回路により実現される。したがって、本発明の高速位相検出を 活用して、位相に基づくフィードバック走査を高速で高感度に行える。
[0096] そこで、本実施の形態は、位相を使ってフィードバック走査と形状測定を行う AFM を提供する。フィードバック走査の原理は、制御対象が振幅でなく位相である点を除 き、振幅を使った走査と同様でよい。
[0097] 図 8は、本実施の形態の AFMの構成を示すブロック図である。図示のように、 AF M101は、位相信号生成回路 43から位相信号を受け付けるフィードバック回路 103 を備えている。振動振幅に基づいてはフィードバック走査が行われないので、振幅検 出回路が示されて 、な 、 (ただし、振幅検出回路が設けられてもよ 、)。
[0098] フィードバック回路 103には、位相目標値がコンピュータ 7から入力される。位相目 標値は、位相の目標値である。位相目標値は従来のフィードバック走査の振幅目標 値に対応する。位相目標値は、原理的には図 7の特性データに基づいて生成される 。位相目標値は、位相の一定値より少し小さい値に設定される。一定値は、自由振動 時の位相に相当する。例えば、位相目標値は、一定値の 0. 9倍に設定される。
[0099] フィードバック回路 103は、検出された位相と位相目標値との差分に応じたフィード バック信号を生成する。フィードバック回路 37は、例えば、検出された位相値から位 相目標値を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅する PID回路と を備えており、これら構成によってフィードバック信号が生成される。
[0100] フィードバック信号は走査制御回路 17に供給されて、フィードバック走査に利用さ れる。走査制御回路 17は、 XY走査の過程で、フィードバック信号に従って、検出位 相値と位相目標値が一致するようにァクチユエータ駆動回路 15を制御する。このフィ ードバック制御により、カンチレバー 5と試料の距離が一定に保たれる。
[0101] このようにして、カンチレバー 5と試料の距離を一定に保つ Z走査を行 、ながら、 XY 走査が行われる。 Z走査のフィードバック信号は、フィードバック回路 103からコンビュ ータ 7にも供給されて、試料画像の生成処理に使用される。フィードバック信号は、試 料の Z方向の高さに対応している。また、試料上の XY方向の位置は、コンピュータ 7 が発生して走査制御回路 17に供給する XY走査の制御信号により特定される。コン ピュータ 7は、 XY走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、 試料表面の画像を生成してモニタ 51に表示する。 3次元画像が好適に生成され、表 示される。
[0102] 以上に本発明の第 2の実施の形態について説明した。本発明は、位相信号が一定 になるように試料とカンチレバー 5を Z方向に相対的に走査している。また、本発明は 、位相信号を一定に制御するための信号力 試料の Z方向の位置を特定し、試料の 形状を求めている。 Z方向は試料の凹凸方向（より詳細には、凹凸の高さ方向）であり 、試料の Z方向の位置は凹凸の高さを表す。このようにして、カンチレバーと試料の 距離に応じた位相変化に基づいて、フィードバック走査が行われ、さらには、形状測 定が行われる。位相が高速で検出されているので、フィードバック走査が位相を使つ て好適に実現されており、また、形状測定も好適に行われる。
[0103] 本発明の位相検出は非常に高速であり、振幅検出よりもさらに高速での位相検出 が可能である。より詳細には、振幅検出の分解能は、カンチレバーの共振周波数の 1 /8までしか上がらないことが知られている。一方、本発明の位相検出は、カンチレバ 一の一周期毎に検出可能である。このように位相検出が高速なので、フィードバック 走査と形状測定の高速化および分解能向上が可能になる。
[0104] また、本発明は、特に、微小カンチレバーを使っている。図 7に示されるように、微小 カンチレバーを使うと、探針—試料間距離に位相が好適に応答し、位相の感度が高 ぐさらに、位相の感度が振幅の感度よりもむしろ高くなる。し力も、この高感度の測定 が液中でも好適に行われる。さらに、カンチレバーを試料力 より遠くに配置しての測 定が可能であり、これにより、低荷重での測定ができ、探針 試料間の相互作用が 弱い状態での測定が可能になる。試料の損傷を低減でき、より柔らかい試料の測定 やより弱い試料の測定が可能になる。
[0105] "第 3の実施の形態 (多点位相検出）" 次に、本発明の第 3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の実 施の形態のさらなる応用例である。これまでの実施の形態では、基準波信号の 1周期 の間に 1つのトリガパルス信号が生成された。本実施の形態では、基準波信号の 1周 期の間に、互いにずれた複数のトリガパルス信号が生成される。そして、これら複数 のトリガパルス信号の各々から位相信号が生成される。これにより、位相検出点（タイ ミング)を増やすことができる。
[0106] 図 9は、本実施の形態の AFMにおける位相検出回路の部分を示している。図 9の 構成が、図 8の AFM101に好適に備えられる。この場合、図 8のトリガパルス生成回 路 41力 図 9のトリガパルス生成回路 201に置き換えられ、図 8の位相信号生成回路 43力 図 9の位相信号生成回路 203に置き換えられる。その他の構成は、図 8と同様 でよい。このような構成により、位相を使ったフィードバック走査における位相検出点 が増やし、フィードバック走査の広帯域ィ匕が可能になる。
[0107] 図 9に示すように、トリガパルス生成回路 201では、バンドパスフィルタ 61の出力が 、 3つの経路 201a、 201b, 201cへ分力、れる。経路 201aに ίま、移ネ目器 63a、コンノ レータ 65a、微分器 67aおよび AND回路 69aが順次備えられている。同様に、経路 201bには、移相器 63b、コンパレータ 65b、微分器 67bおよび AND回路 69bが備え られている。さらに、経路 201cには、移相器 63c、コンパレータ 65c、微分器 67cおよ び AND回路 69cが備えられている。これら要素の機能は、図 4における対応する構 成 (移相器 63、コンパレータ 65、微分器 67および AND回路 69)と同様である。
[0108] したがって、図 9のトリガパルス生成回路 201は、図 8または図 4のトリガパルス生成 回路 41を 3つ備えた構成に相当しており、 3つのトリガパルス信号を生成して AND回 路 69 &、 69b、 69c力も出力する。
[0109] ただし、図 9のトリガパルス生成経路 201では、 3つの移相器 63a、 63b、 63cによる 位相のずれ量が異なっている。第 1の移相器 63aは、前述の実施の形態と同様に、 励振周期の 3Z4 (270度)だけ位相を遅らせる。移相器 63bは、移相器 63aよりさら に 90度だけ位相を遅らせる（1周期）。移相器 63cは、移相器 63bよりさらに 90度だ け位相を遅らせる（5Z4周期)。したがって、本実施の形態は、前述の実施の形態で 生成されたトリガパルス信号の後に 90度ずつずれた位置で 2つのトリガパルス信号を 生成する（実際には、さらに、位相変化成分がパルス位置に含まれる、本明細書にて 同じ)。以下、経路 201a、 201b, 201cが生成するトリガパルス信号を、トリガパルス 信号 TP1、 ΤΡ2、 ΤΡ3と!ヽぅ。
[0110] 位相信号生成回路 203は、 3つのサンプルホールド回路 71a、 71b、 71cと 3つの 減算器 205a、 205b, 205cと、カロ算器 207とを備えている。
[0111] 発振器 27の出力力 3つの経路 203a、 203b, 203cに分力、れ、 3つの経路 203a、 2
03b、 203cにそれぞれサンプノレホーノレド回路 71a、 71b、 71c力 ^接続される。サンプ ルホールド回路 71a、 71b、 71cは、図 4のサンプルホールド回路 71と同様に機能す る。
[0112] サンプノレホーノレド回路 71a、 71b、 71cに減算器 205a、 205b, 205c力接続される 。減算器 205a、 205b, 205cはオフセット調整器として機能し、サンプルホールド回 路 71a、 71b、 71cの出力力もオフセット電圧 OSl、 OS2、 OS3をそれぞれ減算する 。オフセット電圧 OSl、 OS2、 OS3はコンピュータ 7から入力される。
[0113] 減算器 205a、 205b, 205cが加算器 207に接続され、そして、カロ算器 207は、図 8 に示されるフィードバック回路 103およびコンピュータ 7へと接続されている。
[0114] 次に、図 9および図 10を参照し、本実施の形態における位相検出器の動作を説明 する。ただし、上述の実施の形態にて既に説明した事項の詳細な説明は省略する。
[0115] バンドパスフィルタ 61は、センサ 31の変位信号から、励振周波数の成分の振動波 形信号を取り出す。この振動波形が 3つの経路 201a、 201b, 201cへと供給されて、 これにより、 3つのトリガパルス信号 TP1、 ΤΡ2、 ΤΡ3が生成される。
[0116] ただし、移相器 63a、 63b、 63cでは位相ずらし量が互いに 90度異なっている。した がって、図 10に示されるように、トリガパルス信号 TP1、 ΤΡ2、 ΤΡ3では、発生点の位 相が 90度ずれている。すなわち、トリガパルス信号 ΤΡ1、 ΤΡ2、 ΤΡ3は、カンチレバ 一 5の元の振動波形上で 90度ずれた位置で発生する。
[0117] トリガパルス信号 ΤΡ1、 ΤΡ2、 ΤΡ3は、 AND回路 69a、 69b、 69cから出力されて、 サンプルホールド回路 71a、 71b、 71cに入力される。サンプルホールド回路 7 la、 7 lb、 71cには、発振器 27から共通の基準波信号が入力される。基準波信号の位相 は図 10に示すように調整され、図 10の位置で固定されている。そして、サンプルホ 一ルド回路 71a、 71b、 71cは、それぞれ、トリガパルス信号 TP1、 ΤΡ2、 ΤΡ3のタイミ ングで基準波信号から位相信号 Sl、 S2、 S3を生成する。
[0118] 位ネ目信号 ίま、サンプノレホーノレド回路 71a、 71b、 71力ら減算器 205a、 205b, 205 cへと入力される。減算器 205a、 205b, 205cでは、図 10に示されるオフセット電圧 OSl、 OS2、 OS3力 位相信号 Sl、 S2、 S3力ら減算される。オフセット電圧 OS2は 、基準波信号の 90度に相当する値だけオフセット電圧 OS1より大きぐまた、オフセ ット電圧 OS 3は、基準波信号の 90度に相当する値だけオフセット電圧 OS 2より大き い。したがって、このオフセット処理は、トリガパルスの位置をずらしたことによる位相 信号 Sl、 S2、 S3の差分を打ち消すことができ、振動の位相変化に応じたパルス位 置の微小変化に対応する信号を残すことができる。
[0119] オフセット調整後の位ネ目信号 Sl、 S2、 S3は、減算器 205a、 205b, 205c力らカロ算 器 207に入力されて、加算器 207にて加算される。そして、加算器 207の出力力 位 相信号生成回路 203の出力として、フィードバック回路 103およびコンピュータ 7へと 供給される。
[0120] このようにして、本実施の形態では、位相の検出点の数を増大でき、フィードバック 走査のための検出点の数を増大できる。本実施の形態は、振幅を使った従来のフィ ードバック走査と比べると下記のように有利である。
[0121] カンチレバーの振幅は、探針が試料に当たったときにしか変化しない。し力も、振幅 検出の分解能は、最大でもカンチレバーの共振周波数の 1Z8であることが原理的に 知られている。一方、カンチレバーの位相は、探針が試料に当たっていないときでも 変化する。すなわち、カンチレバーの位相は、探針と試料の接触の前後でも変化す る。この点が本発明では利用されている。そして、互いにずれた複数のトリガーノ ル スが生成され、カンチレバーの振動の 1周期の間に複数の位相検出点が設けられ、 これら位相検出点で検出される位相がフィードバック走査に使われる。従来の振幅と 比べると、検出点の数が大幅に増大し、そして、フィードバック走査の広帯域ィ匕が可 會 になる。
[0122] 上記の実施の形態の例では、 1周期の間に 3つのトリガパルスが生成された。しかし 、本発明はこれに限定されない。 2つのトリガパルスが生成されてもよぐ 4つ以上のト リガパルスが生成されてもよ 、。
[0123] また、上記の説明では、本実施の形態の位相検出器力 図 8に示した第 2の実施の 形態に係る AFMに適用されて、位相信号力フィードバック走査に利用された。しかし 、本実施の形態の位相検出器は、図 1に示した第 1の実施の形態に係る AFMに適 用されてもよい。この場合、図 4の回路構成に変えて、図 9の回路構成が備えられる。 そして、位相信号がコンピュータ 7へ入力され、位相マッピングが行われて、位相変 化分布 (弾性分布)を表す画像が生成される。
[0124] 以上に本発明の第 3の実施の形態について説明した。本発明によれば、基準波信 号の 1周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号が生成され、それら複数のト リガパルス信号の各々から位相信号が生成される。これにより、位相検出点の数を増 大でき、高速な検出が可能になる。
[0125] 本発明では、複数のサンプルホールド回路が設けられ、複数のサンプルホールド 回路に複数のトリガノくルス信号がそれぞれ入力される。これにより、位相検出点を適 切に増やせる。
[0126] 本発明では、複数のサンプルホールドで生成される複数の位相信号に対して、複 数のトリガパルス信号のずれに応じてオフセット調整が施される。このオフセット調整 は、一つの共通の基準波信号を利用したことに起因する 3つの位相信号の偏差を消 せる。オフセット調整といった比較的簡単な回路構成で、複数の検出点の位相を適 切に得られる。
[0127] "第 4の実施の形態 (多点位相検出）"
次に、本発明の第 4の実施の形態について説明する。第 4の実施の形態は、上述 の第 3の実施の形態の変形例である。第 3の実施の形態では、一つの共通の基準波 信号から 3つの位相信号が生成され、それから 3つの位相信号のオフセット調整が行 われた。第 4の実施の形態では、予め位相がずれた 3つの基準波信号が用意され、 3 つの基準波信号と 3つのトリガパルス信号から 3つの位相信号が生成される。
[0128] 図 11は、本実施の形態の AFMにおける位相検出回路の部分を示している。図 11 に示されるように、本実施の形態の位相検出回路は、発振器 27と、トリガノルス生成 回路 301と、位相信号生成回路 303と、基準波加工回路 305とで構成されている。ト リガパルス生成回路 301は、図 9のトリガノ ルス生成回路 201と同様である。
[0129] 位相信号生成回路 303は、図 9の位相信号生成回路 203と同様に、 3つのサンプ ルホールド回路 71a、 71b、 71cを備えている。しかし、オフセット調整器としての減算 器 205a、 205b, 205cは肖 ij除されて、サンプノレホーノレド回路 7 la、 71b、 71cは減算 器を経ることなく加算器 307に接続されて 、る。
[0130] 基準波加工回路 305は、発振器 27と位相信号生成回路 303の間に設けられてい る。基準波カロ工回路 305は、 3つの積分器 311a、 311b, 311cと 2つの遅延回路 31 3、 315で構成されている。発振器 27が積分器 311aおよび遅延回路 313に接続さ れており、遅延回路 313が積分器 3 l ibおよび遅延回路 315に接続されており、遅 延回路 315が積分器 311cに接続されている。そして、積分器 311a、 311b, 311c がそれぞれサンプルホールド回路 71a、 71b、 71cに接続されている。
[0131] したがって、発振器 27とサンプルホールド回路 71aの間には、積分器 311aが配置 されている。また、発振器 27とサンプルホールド回路 71bの間には、遅延回路 313と 積分器 3 l ibが配置されている。さらに、発振器 27とサンプルホールド回路 71cの間 には、遅延回路 313、 315と積分器 311cが配置されている。
[0132] 基準波加工回路 305は基準波生成手段または回路の一部として機能し、基準波 加工回路 305が発振器 27と共に基準波生成手段または回路を構成する。発振器 27 の基準波信号は、基準波加工回路 305で加工されて、加工後の基準波信号が、位 相信号生成回路 303の 3つのサンプルホールド回路 71a、 71b、 71cに入力される。
[0133] 次に、図 11および図 12を参照し、本実施の形態における位相検出器の動作を説 明する。ただし、上述の実施の形態にて既に説明した事項の詳細な説明は省略する
[0134] トリガパルス生成回路 301は、センサ 41の変位信号から、互いに 90度ずつずれた 3つのトリガパルス信号 TP1、 ΤΡ2、 ΤΡ3を生成する。トリガパルス信号 ΤΡ1、 ΤΡ2、 ΤΡ3は、それぞれ、位相信号生成回路 303のサンプルホールド回路 71a、 71b、 71 cに入力される。
[0135] 発振器 27は、矩形波からなる基準波信号を基準波加工回路 305へ供給する。これ までの実施の形態では、基準波信号がノコギリ波であった。本実施の形態では、基準 波信号が矩形波である。ただし、波形は異なるものの、これまでの実施の形態と同様 に、基準波信号の周波数はカンチレバーの励振信号と同じであり、基準波信号と励 振信号の位相差は固定されている。
[0136] 基準波信号は、発振器 27から積分器 31 laを経てサンプルホールド回路 71aに入 力される。積分器 311aは、矩形波信号をノコギリ波信号に変換する。したがって、サ ンプルホールド回路 71aは、これまでの実施の形態と同様にノコギリ波の基準波信号 を取得する。
[0137] また、基準波信号は、発振器 27から遅延回路 313および積分器 311bを経てサン プルホールド回路 71bに入力される。さらに、基準波信号は、発振器 27から遅延回 路 313、 315および積分器 311cを経てサンプルホールド回路 71cに入力される。積 分器 311b、 311cが機能するので、サンプルホールド回路 71b、 71cもノコギリ波から なる基準波信号を取得する。ただし、遅延回路 313、 315が設けられているので、基 準波信号の位相が、サンプルホールド回路 71aへの基準波信号よりも遅れる。
[0138] 遅延回路 313の遅延量は、トリガパルス TP1、 ΤΡ2間のずれ量に等しく設定されて おり、具体的には、 90度（1Z4周期）に設定されている。また、遅延回路 315の遅延 量は、トリガパルス ΤΡ2、 ΤΡ3間のずれ量に等しく設定されており、具体的には、 90 度（ 1Z4周期）に設定されて!ヽる。
[0139] したがって、図 12に示されるように、本実施の形態では、サンプルホールド回路 71 a、 71b、 71cは、互いにずれたトリガパルス TP 1、 TP2、 ΤΡ3と同じずれ量だけ互い にずれた 3つの基準波信号をそれぞれ取得する。サンプルホールド回路 71a、 b、 c は、これら 3つのトリガパルス TP1、 ΤΡ2、 ΤΡ3と、互いにずれた 3つの基準波信号か ら、 3つの位相信号 Sl、 S2、 S3を生成する。事前に 3つのずれた基準波信号が使用 されているので、位相信号 Sl、 S2、 S3のオフセット調整は不要である。そこで、位相 信号 Sl、 S2、 S3は、加算器 307に供給されて、加算器 307で加算されて、位相信 号として出力される。
[0140] 図 11の構成がフィードバック走査に適用される場合、位相信号は加算器 307から フィードバック回路へ供給される。また、位相マッピングに適用される場合、位相信号 力 画像処理のためにコンピュータへと好適に供給される。 [0141] 以上に本発明の第 4の実施の形態について説明した。本実施の形態でも、基準波 信号の 1周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号が生成され、それら複数 のトリガパルス信号の各々から位相信号が生成される。これにより、位相検出点をさら に増大でき、高速な検出が可能になる。
[0142] また、本実施の形態でも、複数のサンプルホールド回路が設けられ、複数のサンプ ルホールド回路に複数のトリガパルス信号がそれぞれ入力される。これにより、位相 検出点を適切に増大できる。
[0143] また、本実施の形態では、トリガパルス信号のずれに応じて互いにずれた複数の基 準波信号が生成される。これら複数の基準波信号が、複数のトリガパルス信号と共に
、複数のサンプルホールド回路にそれぞれ入力される。これにより、本実施の形態で も位相検出点を適切に増大できる。
[0144] 以上に本発明の好適な各種の実施の形態を説明してきた。しかし、本発明は上述 の実施の形態に限定されない。
[0145] 例えば、本実施の形態では、試料ステージの下面に試料が保持された。しかし、試 料ステージの上面に試料が保持されてよい。また、カンチレバーは窒化シリコン製で なくてもよい。
[0146] また、本実施の形態ではカンチレバー 5がピエゾ素子 (圧電素子）によって励振され た。しかし、本実施の形態の方法は、カンチレバーの励振法に依存しない。ピエゾ素 子以外の構成によってカンチレバー 5が励振されてよい。例えば、カンチレバー 5は、 光によって励振されてもよい。また、磁性ィ匕されたカンチレバーが交流磁場によって 励振されてよい。光を使う場合、カンチレバー 5に励振用のレーザ光が照射され、力 ンチレバー 5が熱で変形する。レーザ光強度が周期的に振動し、これによりカンチレ バー 5が振動する。
[0147] また、既に説明したように、本発明は、接触 AFM (Contact AFM)にも非接触 AF M (Non-contact AFM)にも適用されてょ ヽ。
[0148] 以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明した力 本実施の形 態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範 囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されてい る。
産業上の利用可能性
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、例えば、生体分子のナノ機能動態を観察する ために利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型 プローブ顕微鏡であって、
前記カンチレバーを励振する励振手段と、
前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相 差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、
前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパル ス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、
前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記 基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成 する位相信号生成手段と、
を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
[2] 前記基準波生成手段は、前記基準波信号として、前記励振信号と同一の周波数を 有し、前記励振信号との位相差が固定された信号を生成し、
前記トリガパルス生成手段は、前記トリガパルス信号として、前記カンチレバーの変 位力 得られる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号を生成することを特徴 とする請求項 1に記載の走査型プローブ顕微鏡。
[3] 前記トリガパルス生成手段は、前記カンチレバーが前記試料に接触または最接近 するタイミングに対応する前記振動波形上の位置で前記トリガパルス信号を発生させ ることを特徴とする請求項 2に記載の走査型プローブ顕微鏡。
[4] 前記基準波生成手段は、前記基準波信号としてノコギリ波信号を生成することを特 徴とする請求項 1〜3のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
[5] 複数のチャネルを有する発振器を備え、
前記発振器が、前記励振手段の前記励振信号を生成すると共に、前記基準波生 成手段として前記基準波信号を生成することを特徴とする請求項 1〜4のいずれかに 記載の走査型プローブ顕微鏡。
[6] 前記トリガパルス生成手段は、 前記カンチレバーの変位信号力 前記励振信号の周波数成分の振動波形信号を 抽出するバンドパスフィルタと、
前記振動波形信号を矩形波信号に変換するコンパレータと、
前記矩形波信号力 矩形波発生タイミングのパルス信号を生成する微分器と、 を含むことを特徴とする請求項 1〜5のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
[7] 前記位相信号生成手段は、前記トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用 いて前記基準波信号を保持するサンプルホールド回路を含むことを特徴とする請求 項 1〜6のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
[8] 前記カンチレバーは、長さが 10 m以下で、幅が 2 m以下であることを特徴とす る請求項 1〜7のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
[9] 前記位相信号生成手段により生成される位相信号が一定になるように前記試料と 前記カンチレバーを Z方向に相対的に走査することを特徴とする請求項 1〜8のいず れかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
[10] 前記位相信号を一定に制御するための信号から前記試料の Z方向の位置を特定 し、前記試料の形状を求めることを特徴とする請求項 9に記載の走査型プローブ顕 微鏡。
[11] 前記トリガパルス生成手段は、前記基準波信号の 1周期の間に互いにずれた複数 のトリガパルス信号を生成し、
前記位相信号生成手段は、前記複数のトリガパルス信号の各々から前記位相信号 を生成することを特徴とする請求項 1〜10のいずれかに記載の走査型プローブ顕微 鏡。
[12] 前記位相信号生成手段は、前記トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用 V、て前記基準波信号を保持する複数のサンプルホールド回路を含み、前記複数の サンプルホールド回路に前記複数のトリガパルス信号がそれぞれ入力されることを特 徴とする請求項 11に記載の走査型プローブ顕微鏡。
[13] 前記複数のサンプルホールドで生成される複数の位相信号を、前記複数のトリガパ ルス信号のずれに応じてオフセットする手段を含むことを特徴とする請求項 12に記 載の走査型プローブ顕微鏡。
[14] 前記トリガパルス信号のずれに応じて互いにずれた複数の基準波信号を生成する 手段を含み、前記複数のサンプルホールド回路に前記複数のトリガパルス信号と共 に前記複数の基準波信号がそれぞれ入力されることを特徴とする請求項 12に記載 の走査型プローブ顕微鏡。
[15] カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型 プローブ顕微鏡であって、
カンチレバーと、
前記カンチレバーを振動させる発振器と、
前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相 差が固定された基準波信号を生成する基準波生成回路と、
前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパル ス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成回路と、
前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記 基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成 する位相信号生成回路と、
を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
[16] カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型 プローブ顕微鏡にて用いられ、前記カンチレバーの振動の位相を検出するカンチレ バー位相検出装置であって、
前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相 差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、
前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパル ス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、
前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記 基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成 する位相信号生成手段と、
を備えたことを特徴とするカンチレバー位相検出装置。 カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型 プローブ顕微鏡にて用いられ、前記カンチレバーの位相を検出するカンチレバー位 相検出方法であって、
前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相 差が固定された基準波信号を生成し、
前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパル ス位置が変化するトリガパルス信号を生成し、
前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記 基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成 することを特徴とするカンチレバー位相検出方法。
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