WO2014162858A1 - 走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法 Download PDF

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WO2014162858A1
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phase
signal
offset
displacement
sample
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PCT/JP2014/057158
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Inventor
酒井　信明
Original Assignee
オリンパス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • 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

  • the present invention relates to a scanning probe microscope and a scanning probe microscopic method.
  • Scanning probe microscope is a general term for scanning microscopes that acquire and display information on the surface of a sample while scanning a mechanical probe.
  • the SPM includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning near-field light microscope (SNOM), and the like.
  • AFM is the most widely used in SPM.
  • a cantilever having a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever, and a scanning for relatively scanning the mechanical probe and the sample.
  • the mechanism is provided as a main element. Since the optical displacement sensor has a simple configuration and high detection sensitivity, an optical lever type optical displacement sensor is most widely used. This optical lever type optical displacement sensor irradiates a light beam with a diameter of several ⁇ m to several tens of ⁇ m on the cantilever, and changes the reflection direction of the reflected light according to the change of the cantilever warp by using a two-split optical detector or the like.
  • the AFM uses the scanning mechanism to control the relative distance between the mechanical probe and the sample in the XY direction while controlling the relative distance between the mechanical probe and the sample in the Z direction so that the output of the optical displacement sensor becomes constant.
  • scanning the uneven state of the sample surface is mapped and displayed on a computer monitor.
  • AFM often employs a method (AC mode) in which the cantilever is vibrated and the interaction between the sample and the probe is detected from its vibration characteristics. This is because there is an advantage that the force acting between the sample and the probe can be kept weak as compared with the normal method (called contact mode).
  • AC mode AFM the vibration of the cantilever caused by the interaction between the sample and the probe, that is, one of amplitude change or phase change of the displacement is detected, and the surface shape of the sample is measured based on the detection result.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2008-232984 discloses one such AC mode AFM.
  • the AC mode AFM is configured to detect by switching one of the amplitude change and the phase change.
  • the interaction between the sample and the probe often detects a vibration state change (amplitude change or phase change) in a repulsive region, and an image is formed based on the change.
  • the amplitude of the cantilever displacement decreases as the repulsion between the sample and the probe increases.
  • the phase of the cantilever displacement advances as the repulsion increases.
  • the change in amplitude is large for hard samples and small for soft samples. That is, the amplitude change detection sensitivity is high for a hard sample and low for a soft sample.
  • the change rate of the phase is small for a hard sample compared to the amplitude change, and the change rate is high for a soft sample compared to the amplitude change. That is, the phase change detection sensitivity is low for a hard sample and high for a soft sample.
  • the present invention has been made in view of such a current situation, and an object of the present invention is to provide a scanning probe capable of stably measuring the surface shape of a sample in which a hard portion and a soft portion are mixed with high accuracy. It is to provide a microscope and scanning probe microscopy.
  • the scanning probe microscope includes an excitation unit that vibrates the cantilever based on an excitation signal, a displacement detection unit that detects a displacement of the cantilever and outputs a displacement signal indicating the displacement, and the excitation
  • a phase adjustment unit that gives a phase offset to a phase difference between a signal and the displacement signal
  • a phase signal generation unit that generates a first phase signal including information about the phase difference between the excitation signal and the displacement signal and the phase offset
  • a control unit for controlling the distance between the probe and the sample based on the first phase signal.
  • the phase adjustment unit includes a first phase amount that cancels an initial phase difference between the excitation signal and the displacement signal that exist in a state where the probe and the sample are not in contact with each other, and (0 [rad]) or more and The second phase amount equal to or less than ( ⁇ / 2 [rad]) is added and given to the phase difference as a phase offset.
  • a scanning probe microscope and a scanning probe spectroscopic method capable of stably measuring the surface shape of a sample in which a hard part and a soft part are mixed with high accuracy.
  • FIG. 1 shows the configuration of the scanning probe microscope of the first embodiment.
  • FIG. 2 shows the configuration of the phase adjustment unit in the first embodiment.
  • FIG. 3A shows a graph of A cos ( ⁇ ) and A cos ( ⁇ + ⁇ / 2).
  • FIG. 3B shows a graph of A cos ( ⁇ + ⁇ / 4).
  • FIG. 4 shows the configuration of the scanning probe microscope of the second embodiment.
  • FIG. 5 shows the configuration of the phase adjustment unit in the second embodiment.
  • FIG. 6 shows the configuration of the scanning probe microscope of the third embodiment.
  • FIG. 7 shows the configuration of the scanning probe microscope of the fourth embodiment.
  • FIG. 8 shows the configuration of the phase adjustment unit in the fourth embodiment.
  • FIG. 9 shows the configuration of the scanning probe microscope of the fifth embodiment.
  • FIG. 10 shows the configuration of the phase adjustment unit in the fifth embodiment.
  • FIG. 1 The configuration of the scanning probe microscope of the present embodiment is shown in FIG.
  • the scanning probe microscope has a cantilever 12 having a probe 11 at a free end.
  • the cantilever 12 can be held by the holder 13 so as to face the sample 19.
  • the scanning probe microscope also has a displacement detector 15 that detects the displacement of the cantilever 12 and outputs a displacement signal representing the displacement.
  • the displacement detection unit 15 includes an optical lever type optical displacement sensor, and receives a laser light source 16 that irradiates a laser beam focused on the back surface of the cantilever 12 and a laser beam reflected from the back surface of the cantilever 12.
  • the division detector 17 and an operational amplifier 18 that generates a displacement signal of the cantilever 12 from the output of the division detector 17 are configured.
  • the scanning probe microscope also includes a vibration unit 14 that vibrates the cantilever 12 based on the vibration signal, and a signal generation unit 28 that supplies the vibration signal to the vibration unit 14.
  • the vibration part 14 is provided in the holder 13, for example.
  • the vibration unit 14 is made of, for example, a piezoelectric element, and can vibrate the cantilever 12 with a predetermined amplitude at a frequency near its mechanical resonance frequency.
  • the signal generator 28 outputs a first synchronization signal synchronized with the excitation signal in addition to outputting the excitation signal.
  • This first synchronization signal can be composed of, for example, a square wave signal (logic signal) having the same frequency and the same phase as the excitation signal.
  • the scanning probe microscope also has a phase adjustment unit 30 and a phase signal generation unit 31.
  • the phase adjustment unit 30 gives a predetermined phase offset to the phase of the first synchronization signal supplied from the signal generation unit 28, generates a second synchronization signal, and supplies the second synchronization signal to the phase signal generation unit 31.
  • the phase signal generation unit 31 is information on the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 supplied from the displacement detection unit 15 and the second synchronization signal supplied from the phase adjustment unit 30, in other words, the displacement signal of the cantilever 12 and the first signal.
  • a phase signal including the phase difference of one synchronization signal and phase offset information is generated and output. This phase signal is supplied to the phase adjustment unit 30 and used as a reference signal for generating the second synchronization signal.
  • FIG. 2 shows the configuration of the phase adjustment unit 30. As shown in FIG. 2, the phase adjustment unit 30 includes a phase adjuster 32 and a phase adjuster 33. That is, the phase adjustment unit 30 has a two-stage phase adjustment function.
  • the scanning probe microscope also has a scanning unit 20 that relatively moves the sample 19 and the probe 11 in three dimensions.
  • the scanning unit 20 includes a Z scanner 21 and an XY scanner 22.
  • the Z scanner 21 is disposed on the XY scanner 22, and the sample 19 can be placed on the Z scanner 21 via a sample table (not shown).
  • the Z scanner 21 is driven by a Z driver 23 and can move the sample 19 in the Z direction with respect to the probe 11.
  • the XY scanner 22 is driven by the XY driver 24 and can move the sample 19 in the XY direction with respect to the probe 11.
  • the scanning probe microscope also has a controller 25 that controls the Z driver 23 and the XY driver 24, and a host computer 27 that forms an image of the surface of the sample 19.
  • the controller 25 can generate an XY scanning signal for two-dimensionally scanning the probe 11 along the surface of the sample 19 and a Z control signal for controlling the distance between the probe 11 and the sample 19.
  • the controller 25 has a Z control unit 26 that generates a Z control signal from the phase signal.
  • the host computer 27 can form an image of the surface of the sample 19 using the XY scanning signal and the Z control signal generated by the controller 25.
  • the vibration signal be A 0 sin ⁇ 0 t.
  • a 0 is the amplitude of the vibration signal
  • ⁇ 0 is the angular frequency of the vibration signal
  • t is time.
  • ⁇ 0 has a value approximately equal to 2 ⁇ ⁇ f 0 where the resonance frequency of the cantilever 12 is f 0 .
  • the first synchronization signal is, for example, a square wave signal having the same frequency as the excitation signal (that is, the angular frequency ⁇ 0 ) and the same phase.
  • the displacement signal of the cantilever 12 is set as Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ).
  • A is the amplitude of the displacement signal
  • ⁇ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe 11 and the sample 19 are not in contact
  • ⁇ is that the probe 11 and the sample 19 are in contact with each other.
  • This is the phase difference of the displacement signal generated.
  • this phase difference is referred to as a phase shift amount for convenience.
  • ⁇ is zero.
  • the phase adjustment unit 30 gives a phase offset ⁇ to the phase of the first synchronization signal output from the signal generation unit 28. That is, the phase adjustment unit 30 shifts the phase of the first synchronization signal by (+ ⁇ ). This is equivalent to giving a phase offset ( ⁇ ) to the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 and the first synchronization signal (ie, the excitation signal).
  • the phase signal generation unit 31 includes a phase including information on the phase difference between the displacement signal Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ) of the cantilever 12 and the second synchronization signal (that is, the first synchronization signal given the phase offset ⁇ ).
  • a signal, that is, Acos ( ⁇ 0 + ⁇ ) is generated and output.
  • the phase adjuster 33 gives a phase amount of ( ⁇ / 2 [rad]) or more and (0 [rad]) or less to the output of the phase adjuster 32. That is, ⁇ 2 is a predetermined amount that satisfies ( ⁇ / 2 [rad]) ⁇ ⁇ 2 ⁇ (0 [rad]).
  • ⁇ 2 is ( ⁇ / 2 [rad]) ⁇ ⁇ 2 ⁇ (0 [rad]).
  • Cos ( ⁇ 2 ) and sin ( ⁇ 2 ) can be treated as constants.
  • Acos ( ⁇ 2 ) can be treated as a mixture of Acos ( ⁇ ) and ⁇ Asin ( ⁇ ).
  • the amplitude of the displacement signal of the cantilever 12 changes more greatly than the phase. This amplitude decreases as the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 increases.
  • the displacement signal of the cantilever 12 changes in phase more greatly than the amplitude. This phase advances as the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 increases (shifts in the + ⁇ direction).
  • the change amount of the signal can be set to cos ⁇ 1 when the change in ⁇ is small. Therefore, Acos ⁇ A, that is, Acos ⁇ is Since it can be considered that it is almost the same as A, A cos ( ⁇ ) changes greatly, but the change of ⁇ A sin ( ⁇ ) is small.
  • the measurement portion is soft, -Asin ( ⁇ ) changes greatly, but the change in Acos ( ⁇ ) is small.
  • the phase signal Acos ( ⁇ 2 ) becomes ⁇ Asin ( ⁇ ).
  • the repulsive force acting between the probe 11 and the probe 11 can be detected with high sensitivity.
  • phase signal Acos ( ⁇ - ⁇ 2) is (1 / ⁇ 2) ⁇ ⁇ Acos ( ⁇ ) ⁇ Asin ( ⁇ ) ⁇ Therefore, the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 can be detected with high sensitivity for both the hard part and the soft part.
  • the phase adjustment unit 30 can generate a hybrid signal composed of Acos ( ⁇ ) and ⁇ Asin ( ⁇ ), and further adjust the hybrid ratio.
  • ⁇ 2 should be close to zero.
  • ⁇ 2 should be close to - ⁇ / 2.
  • ⁇ 2 should be close to - ⁇ / 4.
  • the surface shape can be measured with high accuracy for a sample in which a hard portion and a soft portion are mixed.
  • high-precision measurement can be performed by adjusting the phase adjustment unit 30.
  • the adjustment operation of the phase adjustment unit 30 may be anything such as an analog circuit, a digital circuit, or software.
  • the phase adjustment is performed on the first synchronization signal, but the same effect can be obtained even if it is performed on the displacement signal.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment shown in FIG. 4 is the same as the scanning probe microscope of the first embodiment except that the configuration of the phase adjustment unit 40 is different. Therefore, here, the configuration and operation of the phase adjustment unit 40 will be described.
  • FIG. 5 shows the configuration of the phase adjustment unit 40.
  • the phase adjustment unit 40 includes a phase adjuster 41, an input unit 42, and a phase display unit 43.
  • the input unit 42 is for inputting information on the phase offset to be given to the first synchronization signal, and has, for example, a numerical input type interface.
  • the phase adjuster 41 gives a phase amount corresponding to the information input to the input unit 42 to the first synchronization signal.
  • the phase display unit 43 displays a phase signal, and is, for example, a numerical meter that displays the magnitude of the phase signal.
  • a phase amount that maximizes the phase signal is input to the input unit 42. That is, the phase of the first synchronization signal is shifted by ( ⁇ 0 ), and a phase amount that cancels the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe 11 and the sample 19 are not in contact is input to the input unit 42. . From this state, a phase amount of ( ⁇ / 2 [rad]) or more and (0 [rad]) or less is added to the input unit 42.
  • the same effects as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, in the second embodiment, since the magnitude of the phase signal can be monitored, the phase can be adjusted intuitively.
  • phase adjustment unit 30 is replaced with a phase adjustment unit 50 and a phase signal generation unit 51 is added to the scanning probe microscope of the first embodiment. It is different in the point that is done.
  • Other configurations are the same as those of the scanning probe microscope of the first embodiment.
  • the phase adjustment unit 50 gives a predetermined phase offset to the phase of the first synchronization signal supplied from the signal generation unit 28, generates a second synchronization signal, and outputs the second synchronization signal to the phase signal generation unit 31 and the phase signal generation unit 51. Supply.
  • the phase signal generation unit 51 has a phase addition unit 52.
  • the phase adder 52 adds a phase amount ( ⁇ / 2 [rad]) to the second synchronization signal supplied from the phase adjuster 50.
  • phase signal generation unit 51 information on the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 supplied to the displacement detection unit 15 and the phase signal ( ⁇ / 2) added to the second synchronization signal, in other words, the cantilever 12
  • a second phase signal including all information is generated and output.
  • This second phase signal is equivalent to a signal obtained by delaying the phase by ( ⁇ / 2) with respect to the first phase signal.
  • the second phase signal is supplied to the phase adjustment unit 50 together with the first phase signal, and is used as a reference signal for generating the second synchronization signal.
  • the vibration signal be A 0 sin ⁇ 0 t.
  • a 0 is the amplitude of the vibration signal
  • ⁇ 0 is the angular frequency of the vibration signal
  • t is time.
  • ⁇ 0 has a value approximately equal to 2 ⁇ ⁇ f 0 where the resonance frequency of the cantilever 12 is f 0 .
  • the first synchronization signal is, for example, a square wave signal having the same frequency as the excitation signal (that is, the angular frequency ⁇ 0 ) and the same phase.
  • the displacement signal of the cantilever 12 is set as Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ).
  • A is the amplitude of the displacement signal
  • ⁇ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe 11 and the sample 19 are not in contact
  • ⁇ is that the probe 11 and the sample 19 are in contact with each other.
  • This is the phase difference of the displacement signal generated.
  • this phase difference is referred to as a phase shift amount for convenience.
  • ⁇ is zero.
  • the phase adjustment unit 50 gives a phase offset ⁇ to the phase of the first synchronization signal output from the signal generation unit 28. That is, the phase adjustment unit 50 shifts the phase of the first synchronization signal by (+ ⁇ ). This is equivalent to giving a phase offset ( ⁇ ) to the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 and the first synchronization signal (ie, the excitation signal).
  • the phase signal generation unit 31 includes information on the phase difference between the displacement signal Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ) of the cantilever 12 and the second synchronization signal (that is, the first synchronization signal given the phase offset ⁇ ).
  • One phase signal, that is, Acos ( ⁇ 0 + ⁇ ) is generated and output.
  • the phase signal generation unit 51 adds a phase amount ( ⁇ / 2) to the displacement signal Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ) of the cantilever 12 and the second synchronization signal (that is, the first synchronization signal given the phase offset ⁇ ).
  • a second phase signal including information on the phase difference from the sum of the two, that is, Acos ( ⁇ 0 + ⁇ / 2) Asin ( ⁇ 0 + ⁇ ) is generated and output.
  • the phase adjusting unit 50 refers to the first phase signal and the second phase signal and gives a predetermined phase offset to the first synchronization signal.
  • a phase offset such that A cos ( ⁇ 0 - ⁇ ) and Asin ( ⁇ 0 - ⁇ ) are both 0 or more is given to the first synchronization signal.
  • Range of Acos ( ⁇ 0 - ⁇ ) and Asin ( ⁇ 0 - ⁇ ) are both 0 or more ( ⁇ 0 - ⁇ ) is, (0 [rad]) ⁇ ( ⁇ 0 - ⁇ ) ⁇ ( ⁇ / 2 [ rad]).
  • ⁇ ⁇ 0 .
  • ⁇ ⁇ 0 ⁇ / 2. That is, the phase offset ⁇ given by the phase adjusting unit 50 is ⁇ 0 + ( ⁇ ⁇ / 2) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 0 + (0) ⁇ . This is completely equivalent to the phase offset ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ) given in the first embodiment.
  • the two-stage adjustment used in the first embodiment is not necessary, and the phase adjustment can be easily performed.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment shown in FIG. 7 is the same as the scanning probe microscope of the third embodiment except that the configuration of the phase adjustment unit 60 is different. Therefore, here, the configuration and operation of the phase adjustment unit 60 will be described.
  • FIG. 8 shows the configuration of the phase adjustment unit 60.
  • the phase adjustment unit 60 includes a phase adjuster 61, an input unit 62, a phase display unit 63, and a phase display unit 64.
  • the input unit 62 is for inputting information on the phase offset to be given to the first synchronization signal, and has a numerical input interface, for example.
  • the phase adjuster 61 gives a phase amount corresponding to the information input to the input unit 62 to the first synchronization signal.
  • the phase display unit 63 is a numerical meter that displays the magnitude of the first phase signal.
  • the phase display unit 64 displays the second phase signal and is a numerical meter that displays the magnitude of the second phase signal.
  • the probe is monitored while monitoring the magnitude of the first phase signal displayed on the phase display section 63 and the magnitude of the second phase signal displayed on the phase display section 64.
  • phase adjustment unit 60 performs the first synchronization.
  • the phase can be adjusted more intuitively than in the third embodiment. Further, it is possible to easily cope with fluctuations in the first phase signal and the second phase signal caused by thermal drift or the like.
  • the scanning probe microscope of the present embodiment shown in FIG. 9 is the same as the scanning probe microscope of the third embodiment except that the configuration of the phase adjustment unit 70 is different. Therefore, here, the configuration and operation of the phase adjustment unit 70 will be described.
  • FIG. 10 shows the configuration of the phase adjustment unit 70.
  • the phase adjustment unit 70 includes a phase adjuster 71, a phase value detection unit 72, an input unit 73, and a phase control unit 74.
  • the phase value detector 72 includes a divider 72A and a phase value calculator 72B.
  • the division unit 72A is supplied with the first phase signal and the second phase signal, and calculates (second phase signal / first phase signal) there. Then, the phase value calculator 72B calculates the phase value of (second phase signal / first phase signal) calculated by the divider 72A. For example, if the first phase signal and the second phase signal are Acos ( ⁇ 1 ) and Asin ( ⁇ 1 ), respectively, the division unit 72A (second phase signal / first phase signal), that is, tan ( ⁇ 1 ) is calculated. Then, the phase value calculation unit 72B calculates the phase value of tan ( ⁇ 1 ) that is (second phase signal / first phase signal), that is, ( ⁇ 1 ). Therefore, the phase value detector 72 can obtain the phase value of the first phase signal.
  • the input unit 73 instructs a phase offset to be given to the first synchronization signal so that the phase value of the first phase signal when the probe 11 and the sample 19 are not in contact with each other is desired.
  • a predetermined phase amount is input to the input unit 73 through, for example, a numerical input interface.
  • the phase control unit 74 compares the phase value of the first phase signal obtained by the phase value detection unit 72 with the phase amount input to the input unit 73 when the probe 11 and the sample 19 are not in contact with each other. The phase offset is determined so that they match.
  • the phase adjuster 71 gives the phase offset obtained by the phase controller 74 to the first synchronization signal.
  • the vibration signal be A 0 sin ⁇ 0 t.
  • a 0 is the amplitude of the vibration signal
  • ⁇ 0 is the angular frequency of the vibration signal
  • t is time.
  • ⁇ 0 has a value approximately equal to 2 ⁇ ⁇ f 0 where the resonance frequency of the cantilever 12 is f 0 .
  • the first synchronization signal is, for example, a square wave signal having the same frequency as the excitation signal (that is, the angular frequency ⁇ 0 ) and the same phase.
  • the displacement signal of the cantilever 12 is set as Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ).
  • A is the amplitude of the displacement signal
  • ⁇ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe 11 and the sample 19 are not in contact
  • ⁇ is that the probe 11 and the sample 19 are in contact with each other.
  • This is the phase difference of the displacement signal generated.
  • this phase difference is referred to as a phase shift amount for convenience.
  • ⁇ is zero.
  • the phase adjustment unit 70 gives a phase offset ⁇ to the phase of the first synchronization signal output from the signal generation unit 28. That is, the phase adjustment unit 70 shifts the phase of the first synchronization signal by (+ ⁇ ). This is equivalent to giving a phase offset ( ⁇ ) to the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 and the first synchronization signal (ie, the excitation signal).
  • the phase signal generation unit 31 includes information on the phase difference between the displacement signal Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ) of the cantilever 12 and the second synchronization signal (that is, the first synchronization signal given the phase offset ⁇ ).
  • One phase signal, that is, Acos ( ⁇ 0 + ⁇ ) is generated and output.
  • the phase signal generation unit 51 adds a phase amount ( ⁇ / 2) to the displacement signal Asin ( ⁇ 0 t + ⁇ 0 + ⁇ ) of the cantilever 12 and the second synchronization signal (that is, the first synchronization signal given the phase offset ⁇ ).
  • a second phase signal including information on the phase difference from the sum of the two, that is, Acos ( ⁇ 0 + ⁇ / 2) Asin ( ⁇ 0 + ⁇ ) is generated and output.
  • the input phase amount ⁇ 3 is supplied to the phase controller 74.
  • Asin ( ⁇ 0 + ⁇ ) Asin ( ⁇ 3 ).
  • ⁇ 3 is (0 [rad]) ⁇ ⁇ 3 ⁇ ( ⁇ / 2 [rad])
  • the phase offset ⁇ given in the present embodiment is the phase given in the first embodiment or the third embodiment. It is completely equivalent to the offset.
  • the two-stage adjustment used in the first embodiment is not necessary, and the phase adjustment can be easily performed.
  • the present invention has been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good. Various modifications and changes described here may include implementations in which the above-described embodiments are appropriately combined. In addition, the present invention may include a device related to the configuration described in the embodiment and a method related to the operation described in the embodiment.

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Abstract

　走査型プローブ顕微鏡は、加振信号に基づいてカンチレバー（１２）を振動させる加振部（１４）と、カンチレバー（１２）の変位を表す変位信号を出力する変位検出部（１５）と、加振信号と変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部（３０）と、加振信号と変位信号の位相差と位相オフセットの情報を含む位相信号を生成する位相信号生成部と、位相信号に基づいてプローブ（１１）と試料（１９）の間の距離を制御するコントローラ（２５）を備えている。位相調整部（３０）は、プローブ（１１）と試料（１９）が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量を合算して位相オフセットとして位相差に与える。

Description

走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法
　本発明は、走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法に関する。
　走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的プローブを走査しながら試料表面の情報を取得してマッピング表示する走査型顕微鏡の総称である。ＳＰＭには、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などがある。
　ＡＦＭは、ＳＰＭの中で最も広く使用されており、機械的プローブをその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的プローブと試料を相対的に走査する走査機構を主要な要素として備えている。その光学式変位センサーには、構成が簡単でありながら検出感度が高いことから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。この光てこ式の光学式変位センサーは、カンチレバー上に直径が数μｍから数十μｍの光束を照射し、カンチレバーの反りの変化に応じた反射光の反射方向の変化を二分割光ディテクタなどによりとらえることにより、カンチレバーの自由端にある機械的プローブの動作を反映した電気信号を出力する。ＡＦＭは、走査機構によって、光学式変位センサーの出力が一定になるように機械的プローブと試料の間の相対距離をＺ方向に制御しながら機械的プローブと試料の間の相対位置をＸＹ方向に走査することにより、試料表面の凹凸の状態をマッピングしてコンピュータのモニター上に表示する。
　ＡＦＭでは、カンチレバーを振動させ、その振動特性から試料とプローブの間に働く相互作用を検出する方式（ＡＣモード）を採用することが多い。それは、試料とプローブの間に働く力を通常の方式（コンタクトモードと呼ばれる）に比べて弱く保つことができる利点があるからである。このＡＣモードＡＦＭでは、試料とプローブの間に働く相互作用により生じるカンチレバーの振動すなわち変位の振幅変化や位相変化の一方を検出し、その検出結果に基づいて試料の表面形状を測定している。
　特開２００８－２３２９８４号公報は、この種のＡＣモードＡＦＭのひとつを開示している。このＡＣモードＡＦＭは、振幅変化と位相変化の一方を切り換えて検出し得る構成となっている。
特開２００８－２３２９８４号公報
　ＡＣモードＡＦＭにおいては、試料とプローブの間に働く相互作用が斥力の領域において振動状態の変化（振幅変化や位相変化）を検出し、それに基づいて画像形成することが多い。カンチレバーの変位の振幅は、試料とプローブの間の斥力が大きくなるにつれて減少する。またカンチレバーの変位の位相は、斥力が大きくなるにつれて進む。
　振幅の変化は、硬い試料においては変化率が大きく、柔らかい試料においては変化率が小さい。つまり振幅変化の検出感度は、硬い試料に対しては高く、柔らかい試料に対しては低い。反対に、位相の変化は、硬い試料においては振幅変化に比べて変化率が小さく、柔らかい試料に対しては振幅変化に比べて変化率が高い。つまり位相変化の検出感度は、硬い試料に対しては低く、柔らかい試料に対しては高い。
　これまでのＡＣモードＡＦＭは、振幅変化と位相変化のどちらか一方に基づいて斥力を検出しているため、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対しては、硬い部分と柔らかい部分の両方において斥力を高感度に検出することが難しい。これは、測定精度を低下させるだけでなく、制御を不安定にさせる要因にもなる。
　本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法を提供することである。
　本発明による走査型プローブ顕微鏡は、加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含む第一の位相信号を生成する位相信号生成部と、前記第一の位相信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する制御部と、を備えている。前記位相調整部は、前記プローブと前記試料が接触していない状態において存在する前記加振信号と前記変位信号の初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量を合算して位相オフセットとして前記位相差に与える。
　本発明によれば、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定に測定し得る走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法が提供される。
図１は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図２は、第一実施形態における位相調整部の構成を示している。 図３Ａは、Ａｃｏｓ（φ）とＡｃｏｓ（φ＋π／２）のグラフを示している。 図３Ｂは、Ａｃｏｓ（φ＋π／４）のグラフを示している。 図４は、第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図５は、第二実施形態における位相調整部の構成を示している。 図６は、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図７は、第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図８は、第四実施形態における位相調整部の構成を示している。 図９は、第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。 図１０は、第五実施形態における位相調整部の構成を示している。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
　＜第一実施形態＞
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を図１に示す。図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡は、自由端にプローブ１１をもつカンチレバー１２を有している。このカンチレバー１２は、試料１９に正対するようにホルダ１３に保持され得る。
　走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバー１２の変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部１５を有している。変位検出部１５は、光てこ式の光学式変位センサーで構成されており、カンチレバー１２の背面に集束されたレーザ光を照射するレーザ光源１６と、カンチレバー１２の背面から反射されたレーザ光を受ける分割ディテクタ１７と、分割ディテクタ１７の出力からカンチレバー１２の変位信号を生成する演算アンプ１８から構成されている。
　走査型プローブ顕微鏡はまた、加振信号に基づいてカンチレバー１２を振動させる加振部１４と、加振部１４に加振信号を供給する信号発生部２８を有している。加振部１４は、たとえば、ホルダ１３に設けられている。加振部１４は、たとえば圧電素子で構成され、カンチレバー１２をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させ得る。信号発生部２８は、加振信号を出力するほか、加振信号に同期した第一の同期信号を出力する。この第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数で同位相のたとえば方形波信号（ロジック信号）で構成され得る。
　走査型プローブ顕微鏡はまた、位相調整部３０と位相信号生成部３１を有している。位相調整部３０は、信号発生部２８から供給される第一の同期信号の位相に所定の位相オフセットを与え、第二の同期信号を生成して位相信号生成部３１へ供給する。位相信号生成部３１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と位相調整部３０から供給される第二の同期信号の位相差の情報、言い換えれば、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号の位相差と、位相オフセットの情報を含む位相信号を生成して出力する。この位相信号は位相調整部３０へ供給され、第二の同期信号を生成するための参照信号として用いられる。図２に位相調整部３０の構成を示す。図２に示すように、位相調整部３０は、位相調整器３２と位相調整器３３から構成される。つまり位相調整部３０は２段階の位相調整機能を備えている。
　走査型プローブ顕微鏡はまた、試料１９とプローブ１１を三次元的に相対的に移動させる走査部２０を有している。走査部２０は、Ｚスキャナ２１とＸＹスキャナ２２から構成されている。Ｚスキャナ２１はＸＹスキャナ２２上に配置されており、Ｚスキャナ２１上には、図示しない試料台を介して試料１９が載置され得る。Ｚスキャナ２１は、Ｚドライバ２３により駆動され、プローブ１１に対して試料１９をＺ方向に移動させ得る。またＸＹスキャナ２２は、ＸＹドライバ２４により駆動され、プローブ１１に対して試料１９をＸＹ方向に移動させ得る。
　走査型プローブ顕微鏡はまた、Ｚドライバ２３とＸＹドライバ２４を制御するコントローラ２５と、試料１９の表面の画像を形成するホストコンピュータ２７を有している。コントローラ２５は、試料１９の表面に沿ってプローブ１１を二次元的に走査するためのＸＹ走査信号と、プローブ１１と試料１９の間の距離を制御するためのＺ制御信号を生成し得る。コントローラ２５は、位相信号からＺ制御信号を生成するＺ制御部２６を有している。ホストコンピュータ２７は、コントローラ２５で生成されるＸＹ走査信号とＺ制御信号を用いて試料１９の表面の画像を形成し得る。
　ここで信号の流れについて詳細に説明する。
　加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔとおく。ここで、Ａ０は、加振信号の振幅、ω０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ０とすると、２π・ｆ０とほぼ等しい値をもつ。
　第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω０）で同位相のたとえば方形波信号とする。
　カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。
　位相調整部３０は、信号発生部２８から出力される第一の同期信号の位相に位相オフセットψを与える。すなわち、位相調整部３０は、第一の同期信号の位相を（＋ψ）だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット（－ψ）を与えることと等価である。位相信号生成部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）との位相差の情報を含む位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）を生成して出力する。
　位相調整部３０は、位相調整器３２と位相調整器３３により、２段階で位相オフセットψを与える。位相調整器３２が与える位相量をψ１、位相調整器３３が与える位相量をψ２とおくと、ψ＝ψ１＋ψ２となる。
　詳しくは、位相調整器３２は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときに、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差φ０をキャンセルする位相量ψ１（＝φ０）を第一の同期信号に与える。このとき、位相信号であるＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）の大きさはＡｃｏｓ（０）＝Ａとなる。言い換えれば、位相調整器３２は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態において、位相信号であるＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）の大きさが最大となるような位相量ψ１＝φ０を第一の同期信号に与える。そして位相調整器３３は、位相調整器３２の出力に、（－π／２[ｒａｄ]）以上（０[ｒａｄ]）以下の位相量を与える。つまりψ２は、（－π／２[ｒａｄ]）≦ψ２≦（０[ｒａｄ]）を満たす所定量である。このとき位相信号生成部３１から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ－（ψ１＋ψ２）｝＝Ａｃｏｓ（φ－ψ２）となる。ここでψ２は、（－π／２[ｒａｄ]）≦ψ２≦（０[ｒａｄ]）である。
　このＡｃｏｓ（φ－ψ２）は、図３Ａに示すグラフＡｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／２）＝－Ａｓｉｎ（φ）とグラフＡｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ）の間に入るグラフとなる。図３Ｂは、図３Ａに示す２つのグラフの中間、すなわちψ２＝－π／４のときのグラフＡｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／４）である。図３Ａのグラフ中のα点はψ２＝０のときのＹ軸とのクロス点であり、β点はψ２＝－π／２のときのＹ軸とのクロス点である。また図３Ｂのγ点はψ２＝－π／４のときのＹ軸とのクロス点である。
　図３Ａと図３Ｂのグラフからわかるように、α点の位置では、位相シフト量φの変化に対して一番鈍感（低感度）になる。つまりＡｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ）のときは、プローブ１１と試料１９が接触して発生する位相シフト量φに対して最も鈍感（低感度）になる。またβ点の位置では、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）になる。つまりＡｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／２）＝－Ａｓｉｎ（φ）のときは、プローブ１１と試料１９が接触して発生する位相シフト量φに対して最も敏感（高感度）になる。そしてγ点の位置では、α点とβ点の中間程度、正確にはβ点の１／√２倍の感度になる。つまりＡｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／４）のときは、プローブ１１と試料１９が接触して発生する位相シフト量φに対して中間程度の感度になる。
　ここでＡｃｏｓ（φ－ψ２）は、Ａｃｏｓ（φ－ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ）ｃｏｓ（－ψ２）－Ａｓｉｎ（φ）ｓｉｎ（－ψ２）と記述できる。そしてｃｏｓ（－ψ２）とｓｉｎ（－ψ２）は定数として扱える。
　この式より、Ａｃｏｓ（φ－ψ２）は、Ａｃｏｓ（φ）と－Ａｓｉｎ（φ）を混成したものとして扱える。そしてｃｏｓ（－ψ２）とｓｉｎ（－ψ２）の定数は、Ａｃｏｓ（φ）と－Ａｓｉｎ（φ）の混成比を決めるものとなる。例えば、ψ２＝０のときは、Ａｃｏｓ（φ）と－Ａｓｉｎ（φ）の混成比は１：０となる。またψ２＝－π／２のときは、Ａｃｏｓ（φ）と－Ａｓｉｎ（φ）の混成比は０：１となる。そしてψ２＝－π／４のときは、Ａｃｏｓ（φ）と－Ａｓｉｎ（φ）の混成比は１：１となる。
　測定部分が硬い場合には、カンチレバー１２の変位信号は、位相よりも振幅が大きく変化する。この振幅は、試料１９とプローブ１１の間に作用する斥力が大きくなるにつれて減少する。反対に、測定部分が柔らかい場合には、カンチレバー１２の変位信号は、振幅よりも位相が大きく変化する。この位相は、試料１９とプローブ１１の間に作用する斥力が大きくなるにつれて進む（＋φの方向にシフトする）。
　従って、測定部分が硬い場合、すなわち振幅の変化が位相シフト量φよりも大きい場合の信号の変化量は、φの変化が小さい場合はｃｏｓφ≒１とおけることから、Ａｃｏｓφ≒Ａ、すなわちＡｃｏｓφはほぼＡと同じと見なすことができるので、Ａｃｏｓ（φ）は大きく変化するが、－Ａｓｉｎ（φ）の変化は小さい。また測定部分が柔らかい場合には、－Ａｓｉｎ（φ）は大きく変化するが、Ａｃｏｓ（φ）の変化は小さい。
　以上より、測定部分が硬い場合には、ψ２＝０となるようにψ２を調整すれば、位相信号であるＡｃｏｓ（φ－ψ２）はＡｃｏｓ（φ）となるので、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を高感度で検出することができる。
　また測定部分が柔らかい場合には、ψ２＝－π／２となるようにψ２を調整すれば、位相信号であるＡｃｏｓ（φ－ψ２）は－Ａｓｉｎ（φ）となるので、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を高感度で検出することができる。
　さらに測定部分に硬い部分と柔らかい部分が同じくらい存在する場合は、ψ２＝－π／４となるようにψ２を調整すれば、位相信号であるＡｃｏｓ（φ－ψ２）は、（１／√２）×｛Ａｃｏｓ（φ）－Ａｓｉｎ（φ）｝となるので、硬い部分と柔らかい部分の両方に対して高感度で試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を検出することができる。
　以上のように、本発明の第一実施形態によれば、位相調整部３０により、Ａｃｏｓ（φ）と－Ａｓｉｎ（φ）からなる混成信号を生成でき、さらにそれらの混成比を調整できる。硬い部分が多い試料に対しては、ψ２を０に近づけるとよい。柔らかい部分が多い試料に対しては、ψ２を－π／２に近づけるとよい。硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料に対しては、ψ２を－π／４に近づけるとよい。その結果、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してその表面形状を高精度で測定することができる。また硬い部分と柔らかい部分の混在比がいかなる場合でも、位相調整部３０の調整により高精度な測定が可能となる。
　なお、本発明の第一実施形態においては、位相調整部３０の調整動作は、アナログ回路、デジタル回路、ソフトウエアなど、何を用いてもよい。
　また、本発明の第一実施形態においては、位相調整を第一の同期信号に対して行ったが、変位信号に対して行っても同様の効果が得られる。この場合は、変位信号に対して与える位相オフセットは（－ψ＝－ψ１－ψ２）となる。
　＜第二実施形態＞
　図４に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、位相調整部４０の構成が異なるほかは、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、位相調整部４０の構成と作用を説明する。
　図５は、位相調整部４０の構成を示している。図５に示すように、位相調整部４０は、位相調整器４１と入力部４２と位相表示部４３から構成されている。
　入力部４２は、第一の同期信号に与える位相オフセットの情報を入力するためのものであり、例えば数値入力方式のインターフェースを備えている。位相調整器４１は、入力部４２に入力された情報に対応する位相量を第一の同期信号に与えるものである。位相表示部４３は、位相信号を表示するものであり、たとえば、位相信号の大きさを表示する数値メータである。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、まず位相表示部４３に表示される位相信号の大きさをモニターしながら、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときに、位相信号が最大となるような位相量を入力部４２に入力する。すなわち、第一の同期信号の位相を（φ０）だけシフトさせ、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差をキャンセルする位相量を入力部４２に入力する。その状態からさらに、（－π／２[ｒａｄ]）以上（０[ｒａｄ]）以下の位相量を入力部４２に追加する。すなわち入力部４２には、第一実施形態に示した位相量ψ１と位相量ψ２を加算した位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２）と同等の位相量を入力することになる。そして位相調整器４１では、入力部４２に入力された位相量に従って、第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２）を与える。
　従って第二実施形態では、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに第二実施形態では、位相信号の大きさをモニターできるので、直感的に位相調整ができる。
　＜第三実施形態＞
　図６に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡に対して、位相調整部３０が位相調整部５０に置き換えられているとともに、位相信号生成部５１が追加されている点において相違している。そのほかの構成は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同様である。
　位相調整部５０は、信号発生部２８から供給される第一の同期信号の位相に所定の位相オフセットを与え、第二の同期信号を生成して位相信号生成部３１と位相信号生成部５１へ供給する。
　位相信号生成部５１は、位相加算部５２を有している。位相加算部５２は、位相調整部５０から供給される第二の同期信号に位相量（π／２[ｒａｄ]）を加算する。
　位相信号生成部５１では、変位検出部１５供給されるカンチレバー１２の変位信号と、第二の同期信号に位相量（π／２）を加算したものとの位相差の情報、言い換えれば、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号の位相差と、位相調整部５０で第一の同期信号に与える位相オフセットと、位相加算部５２で第二の同期信号に与える位相量（π／２）のすべての情報を含む第二の位相信号を生成して出力する。この第二の位相信号は、第一の位相信号に対して位相を（π／２）だけ遅らせたものと等価である。
　この第二の位相信号は、第一の位相信号とともに位相調整部５０へ供給され、第二の同期信号を生成するための参照信号として用いられる。
　ここで信号の流れについて詳細に説明する。
　加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔとおく。ここで、Ａ０は、加振信号の振幅、ω０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ０とすると、２π・ｆ０とほぼ等しい値をもつ。
　第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω０）で同位相のたとえば方形波信号とする。
　カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。
　位相調整部５０は、信号発生部２８から出力される第一の同期信号の位相に位相オフセットψを与える。すなわち、位相調整部５０は、第一の同期信号の位相を（＋ψ）だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット（－ψ）を与えることと等価である。
　位相信号生成部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）との位相差の情報を含む第一の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）を生成して出力する。
　位相信号生成部５１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と、第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）に位相量（π／２）を加算したものとの位相差の情報を含む第二の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ－π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０＋φ－ψ）を生成して出力する。
　位相調整部５０は、第一の位相信号と第二の位相信号を参照して、所定の位相オフセットを第一の同期信号に与える。
　詳しくは、位相調整部５０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときにＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）とＡｓｉｎ（φ０＋φ－ψ）がともに０以上となるような、すなわちＡｃｏｓ（φ０－ψ）とＡｓｉｎ（φ０－ψ）がともに０以上となるような位相オフセットを第一の同期信号に与える。
　Ａｃｏｓ（φ０－ψ）とＡｓｉｎ（φ０－ψ）がともに０以上となる（φ０－ψ）の範囲は、（０[ｒａｄ]）≦（φ０－ψ）≦（π／２[ｒａｄ]）である。（φ０－ψ）＝（０[ｒａｄ]）のときは、ψ＝φ０となる。また（φ０－ψ）＝（π／２[ｒａｄ]）のときは、ψ＝φ０－π／２となる。つまり位相調整部５０が与える位相オフセットψは、｛φ０＋（－π／２）｝≦ψ≦｛φ０＋（０）｝となる。これは、第一実施形態で与える位相オフセット（ψ１＋ψ２）と全く等価である。
　つまり、硬い部分が多い試料に対しては、Ａｓｉｎ（φ０－ψ）を０に近づけるように、たとえばψ＝φ０となるように、ψを調整するとよい。柔らかい部分が多い試料に対しては、Ａｃｏｓ（φ０－ψ）を０に近づけるように、たとえばψ＝φ０－π／２となるように、ψを調整するとよい。硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料に対しては、たとえばＡｃｏｓ（φ０－ψ）とＡｓｉｎ（φ０－ψ）が等しくなるように、すなわちψ＝φ０－π／４となるように、ψを調整するとよい。
　従って、本発明の第三実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに第三実施形態では、第一実施形態で用いられた二段階調整が必要なく、容易に位相調整が可能になる。
　＜第四実施形態＞
　図７に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、位相調整部６０の構成が異なるほかは、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、位相調整部６０の構成と作用を説明する。
　図８は、位相調整部６０の構成を示している。図８に示すように、位相調整部６０は、位相調整器６１と入力部６２と位相表示部６３と位相表示部６４から構成されている。
　入力部６２は、第一の同期信号に与える位相オフセットの情報を入力するためのものであり、例えば数値入力方式のインターフェースを備えている。位相調整器６１は、入力部６２に入力された情報に対応する位相量を第一の同期信号に与えるものである。位相表示部６３は、第一の位相信号の大きさを表示する数値メータである。また位相表示部６４は、第二の位相信号を表示するものであり、第二の位相信号の大きさを表示する数値メータである。
　本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、位相表示部６３に表示される第一の位相信号の大きさと、位相表示部６４に表示される第二の位相信号の大きさをモニターしながら、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときに、第一の位相信号と第二の位相信号がそれぞれ０以上となるような位相量を入力部６２に入力する。すなわち入力部６２には、第一実施形態に示した位相量ψ１と位相量ψ２を加算した位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２）と同等の位相量を入力することになる。そして位相調整器６１では、入力部６２に入力された位相量に従って、第一の同期信号に（ψ＝ψ１＋ψ２）と同等の位相オフセットを与える。
　詳しくは、硬い部分が多い試料のために、第一の位相信号の大きさが最大に、第二の位相信号の大きさが０に調整されるときは、位相調整部６０は第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２＝φ０）を与える。また、柔らかい部分が多い試料のために、第一の位相信号の大きさが０に、第二の位相信号の大きさが最大に調整されるときは、位相調整部６０は第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２＝φ０－π／２）を与える。さらに、硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料のために、第一の位相信号の大きさと第二の位相信号の大きさが等しく調整されるときは、位相調整部６０は第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２＝φ０－π／４）を与える。
　従って第四実施形態では、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに第四実施形態では、第一の位相信号の大きさと第二の位相信号の大きさをそれぞれモニターできるので、第三実施形態よりも直感的に位相調整ができる。また、熱ドリフトなどに起因する第一の位相信号と第二の位相信号の変動にも容易に対応できる。
　＜第五実施形態＞
　図９に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、位相調整部７０の構成が異なるほかは、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、位相調整部７０の構成と作用を説明する。
　図１０は、位相調整部７０の構成を示している。図１０に示すように、位相調整部７０は、位相調整器７１と位相値検出部７２と入力部７３と位相制御部７４から構成されている。そして位相値検出部７２は、除算部７２Ａと位相値算出部７２Ｂを備えている。
　除算部７２Ａには第一の位相信号と第二の位相信号が供給され、そこで（第二の位相信号／第一の位相信号）を算出する。そして位相値算出部７２Ｂは、除算部７２Ａで算出された（第二の位相信号／第一の位相信号）の位相値を算出する。例えば第一の位相信号と第二の位相信号がそれぞれＡｃｏｓ（θ１）とＡｓｉｎ（θ１）であるとすると、除算部７２Ａでは（第二の位相信号／第一の位相信号）、すなわちｔａｎ（θ１）を算出する。そして位相値算出部７２Ｂでは、（第二の位相信号／第一の位相信号）であるｔａｎ（θ１）の位相値、すなわち（θ１）を算出する。従って位相値検出部７２は、第一の位相信号の位相値を求め得る。
　入力部７３は、プローブ１１と試料１９が接触していないときの第一の位相信号の位相値が所望となるよう第一の同期信号に与える位相オフセットを指示するものである。入力部７３には、所定の位相量を、例えば数値入力方式のインターフェースにより入力される。
　位相制御部７４は、プローブ１１と試料１９が接触していないときにおいて、位相値検出部７２で求めた第一の位相信号の位相値と、入力部７３に入力された位相量とを比較し、それらが一致するような位相オフセットを求めるものである。
　位相調整器７１は、位相制御部７４で求めた位相オフセットを第一の同期信号に与えるものである。
　ここで信号の流れについて詳細に説明する。
　加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔとおく。ここで、Ａ０は、加振信号の振幅、ω０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ０とすると、２π・ｆ０とほぼ等しい値をもつ。
　第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω０）で同位相のたとえば方形波信号とする。
　カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。
　位相調整部７０は、信号発生部２８から出力される第一の同期信号の位相に位相オフセットψを与える。すなわち、位相調整部７０は、第一の同期信号の位相を（＋ψ）だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット（－ψ）を与えることと等価である。
　位相信号生成部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）との位相差の情報を含む第一の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）を生成して出力する。
　位相信号生成部５１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と、第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）に位相量（π／２）を加算したものとの位相差の情報を含む第二の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ－π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０＋φ－ψ）を生成して出力する。
　位相調整部７０では、まず除算部７２Ａが（第二の位相信号／第一の位相信号）、すなわちＡｓｉｎ（φ０＋φ－ψ）／Ａｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）＝ｔａｎ（φ０＋φ－ψ）を算出する。そして位相値算出部７２Ｂでは、ｔａｎ（φ０＋φ－ψ）の位相値、すなわち（φ０＋φ－ψ）を算出する。すなわち位相値検出部７２では、（φ０＋φ－ψ）を算出する。算出した位相値（φ０＋φ－ψ）は位相制御部７４に供給される。一方、入力部７３には、位相量ψ３が入力される。ここでψ３は、（０[ｒａｄ]）≦ψ３≦（π／２[ｒａｄ]）である。入力された位相量ψ３は、位相制御部７４に供給される。位相制御部７４では、プローブ１１と試料１９が接触していないとき、すなわちφ＝０のときの（φ０＋φ－ψ）＝（φ０－ψ）とψ３を比較し、それらが一致するような位相オフセットψを求める。求められた位相オフセットψは、φ０－ψ＝ψ３より、ψ＝φ０－ψ３となる。そして位相調整器７１は、位相制御部７４で求めた位相オフセットψ＝φ０－ψ３を第一の同期信号に与える。
　従って、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときの第一の位相信号と第二の位相信号は、それぞれＡｃｏｓ（φ０＋φ－ψ）＝Ａｃｏｓ（ψ３）、Ａｓｉｎ（φ０＋φ－ψ）＝Ａｓｉｎ（ψ３）となる。ここでψ３は、（０[ｒａｄ]）≦ψ３≦（π／２[ｒａｄ]）であるので、本実施形態で与える位相オフセットψは、第一実施形態や第三実施形態で与える位相オフセットと全く等価となる。
　つまり、硬い部分が多い試料に対しては、たとえばＡｓｉｎ（ψ３）＝０、すなわちψ３＝０となるように、ψ３を調整するとよい。柔らかい部分が多い試料に対しては、たとえばＡｃｏｓ（ψ３）＝０、すなわちψ３＝π／２となるように、ψ３を調整するとよい。硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料に対しては、たとえばＡｃｏｓ（ψ３）とＡｓｉｎ（ψ３）が等しくなるように、すなわちψ３＝π／４となるように、ψ３を調整するとよい。
　従って、本発明の第五実施形態によれば、第一実施形態および第三実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに第五実施形態では、第一実施形態で用いられた二段階調整が必要なく、容易に位相調整が可能になる。
　これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含み得る。また本発明は、実施形態で説明された構成に関連する装置や実施形態で説明された動作に関連する方法を含み得る。

Claims (12)

  1. 　自由端にプローブをもつカンチレバーを用いて試料表面の情報を取得する走査型プローブ検鏡法であって、
    　加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させるステップと、
    　前記カンチレバーの変位を表す変位信号を得るステップと、
    　前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与えるステップと、
    　前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含む第一の位相信号を得るステップと、
    　前記第一の位相信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御するステップを備えており、
    　前記位相オフセットを与えるステップは、前記プローブと前記試料が接触していない状態において存在する前記加振信号と前記変位信号の初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量を与えるステップである、走査型プローブ検鏡法。
  2. 　前記第一の位相信号を得るステップは、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を得るステップを含んでおり、
    　前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態において前記第一の位相信号の大きさが最大となる第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量である、請求項１に記載の走査型プローブ検鏡法。
  3. 　前記第一の位相信号に対して位相が（π／２[ｒａｄ]）遅れた第二の位相信号を得るステップを備えており、
    　前記第一の位相信号を得るステップは、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を得るステップを含んでおり、
    　前記第二の位相信号を得るステップは、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの正弦（ｓｉｎ）情報を得るステップを含んでおり、
    　前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態において前記第一の位相信号の大きさと前記第二の位相信号の大きさがともに０以上となる位相量である、請求項１に記載の走査型プローブ検鏡法。
  4. 　カンチレバーの自由端に設けられたプローブと試料の相互作用を検出する走査型プローブ顕微鏡であって、
    　加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、
    　前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、
    　前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部と、
    　前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含む第一の位相信号を生成する位相信号生成部と、
    　前記第一の位相信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する制御部と、を備え、
    　前記位相調整部は、前記プローブと前記試料が接触していない状態において存在する前記加振信号と前記変位信号の初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量を合算して位相オフセットとして前記位相差に与える、走査型プローブ顕微鏡。
  5. 　前記第一の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を含んでおり、
    　前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号の大きさが最大となる第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量である、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  6. 　前記変位信号の振幅値をＡ、前記初期位相差をφ０、前記位相オフセットを（－ψ）とすると、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号はＡｃｏｓ（φ０－ψ）であり、
    　前記位相オフセット（－ψ）は、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号の大きさが最大となる第一の位相量（－φ０）と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量である、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  7. 　前記位相調整部は、
    　前記位相オフセットの情報を入力する入力部と、
    　前記第一の位相信号を表示する位相表示部と、を有し、
    　前記位相調整部は、前記入力部によって入力された前記位相オフセットの情報に従って前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項４～請求項６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
  8. 　前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含み、前記第一の位相信号に対して位相が（π／２[ｒａｄ]）遅れた第二の位相信号を生成する第二の位相信号生成部を備えており、
    　前記第一の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を含んでおり、
    　前記第二の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの正弦（ｓｉｎ）情報を含んでおり、
    　前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号の大きさと前記第二の位相信号の大きさがともに０以上となる位相量である、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  9. 　前記変位信号の振幅値をＡ、前記初期位相差をφ０、前記位相オフセットを（－ψ）とすると、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号はＡｃｏｓ（φ０－ψ）であり、
    　前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第二の位相信号はＡｃｏｓ（φ０－ψ－π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０－ψ）であり、
    　前記位相オフセット（－ψ）は、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号Ａｃｏｓ（φ０－ψ）の大きさと前記第二の位相信号Ａｓｉｎ（φ０－ψ）の大きさがともに０以上となる位相量、すなわち（φ０－ψ）が（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下となる位相量である、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  10. 　前記位相調整部は、
    　前記位相オフセットの情報を入力する入力部と、
    　前記第一の位相信号を表示する第一の位相表示部と、
    　前記第二の位相信号を表示する第二の位相表示部と、を有し、
    　前記位相調整部は、前記入力部によって入力された前記位相オフセットの情報に従って前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項８または請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  11. 　前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含み、前記第一の位相信号に対して位相が（π／２[ｒａｄ]）遅れた第二の位相信号を生成する第二の位相信号生成部を備えており、
    　前記第一の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を含んでおり、
    　前記第二の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの正弦（ｓｉｎ）情報を含んでおり、
    　前記位相調整部は、
    　（０[ｒａｄ]）以上（π／２[ｒａｄ]）以下の位相量を入力する入力部と、
    　前記第一の位相信号と前記第二の位相信号に基づいて、前記第一の位相信号の位相値を求めて出力する位相値検出部と、
    　前記プローブと前記試料が接触していない状態において前記位相量と前記位相値を比較し、前記位相値が前記位相量に一致するような前記位相オフセットを求める位相値制御部と、を有し、
    　前記位相調整部は、前記位相値制御部で得られた前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  12. 　前記変位信号の振幅値をＡ、前記初期位相差をφ０、前記位相オフセットを（－ψ）とすると、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号はＡｃｏｓ（φ０－ψ）であり、
    　前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第二の位相信号はＡｃｏｓ（φ０－ψ－π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０－ψ）であり、
    　前記位相値検出部は、前記第二の位相信号を前記第一の位相信号で除算して｛Ａｓｉｎ（φ０－ψ）｝／｛Ａｃｏｓ（φ０－ψ）｝＝ｔａｎ（φ０－ψ）を求め、ｔａｎ（φ０－ψ）から前記第一の位相信号の位相値（φ０－ψ）を算出し、
    　前記位相制御部は、前記入力部に入力された（０[ｒａｄ]）以上（π／２[ｒａｄ]）以下の前記位相量と、前記第一の位相信号の位相値（φ０－ψ）が一致するような前記位相オフセット、すなわち（φ０－ψ）が（０[ｒａｄ]）以上（π／２[ｒａｄ]）以下となる前記位相オフセットを求める、請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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