走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法
【課題】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精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針１１をもつカンチレバー１２と、カンチレバー１２の変位信号を出力する変位検出部１５と、カンチレバー１２を振動させる加振部１４と、試料１９と探針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。加振部１４に加振信号を供給する混成信号算出部３０は、変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する振幅情報検出部と、変位信号と加振信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相差情報検出部と、振幅信号と位相信号を加算して混成信号を生成する加算処理部を有している。走査部２０を制御するコントローラ２５は、混成信号に基づいて試料１９と探針１１の間の距離を制御するＺ制御部２６を有している。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針１１をもつカンチレバー１２と、カンチレバー１２の変位信号を出力する変位検出部１５と、カンチレバー１２を振動させる加振部１４と、試料１９と探針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。加振部１４に加振信号を供給する混成信号算出部３０は、変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する振幅情報検出部と、変位信号と加振信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相差情報検出部と、振幅信号と位相信号を加算して混成信号を生成する加算処理部を有している。走査部２０を制御するコントローラ２５は、混成信号に基づいて試料１９と探針１１の間の距離を制御するＺ制御部２６を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針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。
【０００３】
ＡＦＭは、ＳＰＭの中で最も広く使用されており、機械的探針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、機械的探針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探針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探針と試料の間の相対距離をＺ方向に制御しながら機械的探針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。
【０００４】
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探針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、試料と探針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、試料と探針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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３２９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＡＣモードＡＦＭにおいては、試料と探針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、試料と探針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変化率が小さく、柔らかい試料に対しては変化率が高い。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。
【０００８】
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精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針をもつカンチレバーと、前記探針と試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、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、前記変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する振幅情報検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相差情報検出部と、前記振幅信号と前記位相信号を加算処理して混成信号を生成する演算部と、前記混成信号に基づいて前記探針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。
【発明の効果】
【００１０】
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精度で安定に測定し得る走査型プローブ顕微鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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】第一実施形態における混成信号算出部の構成を示している。
【図３】−Ａｓｉｎφとφの関係を示している。
【図４】第二実施形態における混成信号算出部の構成を示している。
【図５】Ａｃｏｓφとφの関係と、−Ａｓｉｎφとφの関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜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、自由端に探針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。
【００１４】
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。
【００１５】
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混成信号算出部３０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。混成信号算出部３０は、加振信号を出力するほか、変位検出部１５から出力される変位信号から混成信号を生成し得る。混成信号の詳細については後述する。
【００１６】
走査型プローブ顕微鏡はまた、試料１９と探針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、探針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、探針１１に対して試料１９をＸＹ方向に移動させ得る。
【００１７】
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の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するためのＸＹ走査信号と、探針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、混成信号から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。
【００１８】
混成信号算出部３０の構成を図２に示す。図２に示すように、混成信号算出部３０は、信号発生器３４と振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と加算処理部３５から構成されている。
【００１９】
信号発生器３４は、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る加振信号を生成し、これを加振部１４に出力する。信号発生器３４はまた、加振信号に同期した同期信号を位相差情報検出部３２に出力する。この同期信号は、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。
【００２０】
振幅情報検出部３１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成して出力する。
【００２１】
位相差情報検出部３２は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器３４から供給される同期信号の位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。
【００２２】
位相差情報検出部３２は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部３３を備えている。位相調整部３３は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部３３は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部３２は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。
【００２３】
加算処理部３５は、振幅情報検出部３１から供給される振幅信号と位相差情報検出部３２から供給される位相信号を加算し、これを混成信号として出力する。ここで、振幅信号と位相信号は負の信号であってもよい。つまり、加算の処理は、狭義の減算の処理を含んでいる。
【００２４】
ここで混成信号算出部３０の信号処理について詳細に説明する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、探針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、探針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。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。Ａとφが、検出の対象である。
【００２８】
位相調整部３３は、信号発生器３４から出力される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３３は、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。位相差情報検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセットψが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００２９】
好ましくは、位相調整部３３は、同期信号の位相をφ０−π／２だけシフトさせる。すなわち、ψ＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【００３０】
図３は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）である。
【００３１】
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と探針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と探針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）。このため、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、φ＝０の近くで敏感に変化するとともに、振幅の変化に合わせて、φが進むにつれて減少すると好ましい。このような理由から、好ましくは、位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）が−Ａｓｉｎφとなるように、位相オフセットψはψ＝φ０−π／２に設定される。
【００３２】
再び図２を参照して分かるように、振幅情報検出部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。
【００３３】
加算処理部３５は、振幅信号（Ａ）と位相信号（−Ａｓｉｎφ）を加算してＡ−Ａｓｉｎφを求め、これを混成信号として出力する。
【００３４】
加算処理部３５から出力された混成信号は、図１に示すように、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離を制御するＺ制御信号を生成し、これをＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離が制御される。
【００３５】
コントローラ２５は、試料１９の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するＸＹ走査信号を生成し、これをＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿って探針１１が二次元的に走査する。
【００３６】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【００３７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９と探針１１の間に働く斥力を混成信号Ａ−Ａｓｉｎφとして検出し、それに基づいて試料１９と探針１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には振幅信号Ａが大きく変化し、測定部分が柔らかい場合には位相信号−Ａｓｉｎφが大きく変化する。このため、試料１９に硬い部分と柔らかい部分が混在していても、それら両方に対して試料１９と探針１１の間に働く斥力を高感度に検出することができる。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もその表面形状を高精度で安定に測定することができる。
【００３８】
＜第二実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号算出部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、本実施形態の混成信号算出部の構成と作用に重点をおいて説明する。
【００３９】
図４は、本実施形態の混成信号算出部４０の構成を示している。図４に示すように、混成信号算出部４０は、信号発生器４５と振幅情報検出部４１と位相差情報検出部４３と加算処理部４６から構成されている。
【００４０】
信号発生器４５は、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る加振信号を生成し、これを加振部１４に出力する。信号発生器４５はまた、加振信号に同期した同期信号を振幅情報検出部４１と位相差情報検出部４３に出力する。この同期信号は、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。
【００４１】
振幅情報検出部４１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号の変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成して出力する。
【００４２】
振幅情報検出部４１は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部４２を備えている。位相調整部４２は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部４２は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。振幅情報検出部４１は、振幅情報として、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む第一の位相差信号を出力する。
【００４３】
位相差情報検出部４３は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器４５から供給される同期信号の位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。
【００４４】
位相差情報検出部４３は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部４４を備えている。位相調整部４４は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部４４は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部４３は、位相信号として、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む第二の位相差信号を出力する。
【００４５】
ここで、同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。また、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。
【００４６】
加算処理部４６は、振幅情報検出部４１から供給される振幅信号すなわち第一の位相差信号と位相差情報検出部４３から供給される位相信号すなわち第二の位相差信号を加算し、これを混成信号として出力する。
【００４７】
ここで混成信号算出部４０の信号処理について詳細に説明する。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、探針１１と試料１９が接触していないときの変位信号の位相の初期値、φは、探針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シフト量である。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。Ａとφが、検出の対象である。
【００５１】
位相調整部４２は、信号発生器４５から出力される同期信号の位相に位相オフセットψ１を与える。すなわち、位相調整部４２は、同期信号の位相をψ１だけシフトさせる。振幅情報検出部４１は、振幅信号として、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセットψ１が与えられた同期信号との位相差の情報を含む第一の位相差信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を生成して出力する。
【００５２】
好ましくは、位相調整部４２は、同期信号の位相をφ０だけシフトさせる。すなわち、ψ１＝φ０である。この場合、振幅情報検出部４１から出力される振幅信号は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−φ０）＝Ａｃｏｓφとなる。
【００５３】
位相調整部４４は、信号発生器４５から出力される同期信号の位相に位相オフセットψ２を与える。すなわち、位相調整部４４は、同期信号の位相をψ２だけシフトさせる。位相差情報検出部４３は、位相信号として、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセットψ２が与えられた同期信号との位相差の情報を含む第二の位相差信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成して出力する。
【００５４】
好ましくは、位相調整部４４は、同期信号の位相をφ０−π／２だけシフトさせる。すなわち、ψ２＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部４３から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【００５５】
図５の（Ａ）は、Ａｃｏｓφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、Ａｃｏｓφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番鈍感（低感度）である。
【００５６】
図５の（Ｂ）は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）であり、０から位相が進むにつれて減少する。つまり、位相信号−Ａｓｉｎφは、振幅信号の変化の方向と同様に、試料１９と探針１１の間に働く斥力が大きくなるにつれて減少する。
【００５７】
そして、図４に示すように加算処理部４６は、振幅信号すなわち第一の位相差信号Ａｃｏｓφと位相信号すなわち第二の位相差信号−Ａｓｉｎφを加算してＡｃｏｓφ−Ａｓｉｎφを求め、これを混成信号として出力する。
こうすることで、測定対象が硬い場合、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、
Ａｃｏｓφ＞−Ａｓｉｎφ
となり、Ａｃｏｓφの信号が支配的に働く。また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。
また、測定対象が柔らかい場合、すなわち振幅の変化よりも位相シフト量φが大きい場合の信号の変化量は、
−Ａｓｉｎφ＞Ａｃｏｓφ
となり、−Ａｓｉｎφの信号が支配的に働く。このときφの変化が大きいので、Ａｃｏｓφの変化も第一実施形態（Ａだけの場合）よりも大きくなる。
【００５８】
加算処理部４６から出力された混成信号は、図１に示すように、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離を制御するＺ制御信号を生成し、これをＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離が制御される。
【００５９】
コントローラ２５は、試料１９の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するＸＹ走査信号を生成し、これをＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿って探針１１が二次元的に走査する。
【００６０】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【００６１】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９と探針１１の間に働く斥力を混成信号Ａｃｏｓφ−Ａｓｉｎφとして検出し、それに基づいて試料１９と探針１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には、ＡｃｏｓφはほぼＡと見なせるので、Ａｃｏｓφが大きく変化する。その結果、硬い部分については、第一実施形態と同程度の感度で試料１９と探針１１の間に働く斥力を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、−Ａｓｉｎφが大きく変化するとともにＡｃｏｓφも変化する。その結果、柔らかい部分については、第一実施形態よりも高感度で試料１９と探針１１の間に働く斥力を検出することができる。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もその表面形状を高精度で安定に測定することができる。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１１…探針、１２…カンチレバー、１３…ホルダ、１４…加振部、１５…変位検出部、１６…レーザ光源、１７…分割ディテクタ、１８…演算アンプ、１９…試料、２０…走査部、２１…Ｚスキャナ、２２…ＸＹスキャナ、２３…Ｚドライバ、２４…ＸＹドライバ、２５…コントローラ、２６…Ｚ制御部、２７…ホストコンピュータ、３０…混成信号算出部、３１…振幅情報検出部、３２…位相差情報検出部、３３…位相調整部、３４…信号発生器、３５…加算処理部、４０…混成信号算出部、４１…位相差情報検出部、４２…位相調整部、４３…位相差情報検出部、４４…位相調整部、４５…信号発生器、４６…加算処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針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。
【０００３】
ＡＦＭは、ＳＰＭの中で最も広く使用されており、機械的探針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、機械的探針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探針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探針と試料の間の相対距離をＺ方向に制御しながら機械的探針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。
【０００４】
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探針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、試料と探針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、試料と探針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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３２９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＡＣモードＡＦＭにおいては、試料と探針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、試料と探針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変化率が小さく、柔らかい試料に対しては変化率が高い。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。
【０００８】
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精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、自由端に探針をもつカンチレバーと、前記探針と試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、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、前記変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する振幅情報検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相差情報検出部と、前記振幅信号と前記位相信号を加算処理して混成信号を生成する演算部と、前記混成信号に基づいて前記探針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。
【発明の効果】
【００１０】
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精度で安定に測定し得る走査型プローブ顕微鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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】第一実施形態における混成信号算出部の構成を示している。
【図３】−Ａｓｉｎφとφの関係を示している。
【図４】第二実施形態における混成信号算出部の構成を示している。
【図５】Ａｃｏｓφとφの関係と、−Ａｓｉｎφとφの関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜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、自由端に探針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。
【００１４】
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。
【００１５】
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混成信号算出部３０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。混成信号算出部３０は、加振信号を出力するほか、変位検出部１５から出力される変位信号から混成信号を生成し得る。混成信号の詳細については後述する。
【００１６】
走査型プローブ顕微鏡はまた、試料１９と探針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、探針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、探針１１に対して試料１９をＸＹ方向に移動させ得る。
【００１７】
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の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するためのＸＹ走査信号と、探針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、混成信号から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。
【００１８】
混成信号算出部３０の構成を図２に示す。図２に示すように、混成信号算出部３０は、信号発生器３４と振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と加算処理部３５から構成されている。
【００１９】
信号発生器３４は、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る加振信号を生成し、これを加振部１４に出力する。信号発生器３４はまた、加振信号に同期した同期信号を位相差情報検出部３２に出力する。この同期信号は、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。
【００２０】
振幅情報検出部３１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成して出力する。
【００２１】
位相差情報検出部３２は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器３４から供給される同期信号の位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。
【００２２】
位相差情報検出部３２は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部３３を備えている。位相調整部３３は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部３３は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部３２は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。
【００２３】
加算処理部３５は、振幅情報検出部３１から供給される振幅信号と位相差情報検出部３２から供給される位相信号を加算し、これを混成信号として出力する。ここで、振幅信号と位相信号は負の信号であってもよい。つまり、加算の処理は、狭義の減算の処理を含んでいる。
【００２４】
ここで混成信号算出部３０の信号処理について詳細に説明する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、探針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、探針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。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。Ａとφが、検出の対象である。
【００２８】
位相調整部３３は、信号発生器３４から出力される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３３は、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。位相差情報検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセットψが与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００２９】
好ましくは、位相調整部３３は、同期信号の位相をφ０−π／２だけシフトさせる。すなわち、ψ＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【００３０】
図３は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）である。
【００３１】
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と探針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と探針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）。このため、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、φ＝０の近くで敏感に変化するとともに、振幅の変化に合わせて、φが進むにつれて減少すると好ましい。このような理由から、好ましくは、位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）が−Ａｓｉｎφとなるように、位相オフセットψはψ＝φ０−π／２に設定される。
【００３２】
再び図２を参照して分かるように、振幅情報検出部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。
【００３３】
加算処理部３５は、振幅信号（Ａ）と位相信号（−Ａｓｉｎφ）を加算してＡ−Ａｓｉｎφを求め、これを混成信号として出力する。
【００３４】
加算処理部３５から出力された混成信号は、図１に示すように、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離を制御するＺ制御信号を生成し、これをＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離が制御される。
【００３５】
コントローラ２５は、試料１９の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するＸＹ走査信号を生成し、これをＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿って探針１１が二次元的に走査する。
【００３６】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【００３７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９と探針１１の間に働く斥力を混成信号Ａ−Ａｓｉｎφとして検出し、それに基づいて試料１９と探針１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には振幅信号Ａが大きく変化し、測定部分が柔らかい場合には位相信号−Ａｓｉｎφが大きく変化する。このため、試料１９に硬い部分と柔らかい部分が混在していても、それら両方に対して試料１９と探針１１の間に働く斥力を高感度に検出することができる。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もその表面形状を高精度で安定に測定することができる。
【００３８】
＜第二実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号算出部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、本実施形態の混成信号算出部の構成と作用に重点をおいて説明する。
【００３９】
図４は、本実施形態の混成信号算出部４０の構成を示している。図４に示すように、混成信号算出部４０は、信号発生器４５と振幅情報検出部４１と位相差情報検出部４３と加算処理部４６から構成されている。
【００４０】
信号発生器４５は、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る加振信号を生成し、これを加振部１４に出力する。信号発生器４５はまた、加振信号に同期した同期信号を振幅情報検出部４１と位相差情報検出部４３に出力する。この同期信号は、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。
【００４１】
振幅情報検出部４１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号の変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成して出力する。
【００４２】
振幅情報検出部４１は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部４２を備えている。位相調整部４２は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部４２は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。振幅情報検出部４１は、振幅情報として、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む第一の位相差信号を出力する。
【００４３】
位相差情報検出部４３は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器４５から供給される同期信号の位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。
【００４４】
位相差情報検出部４３は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部４４を備えている。位相調整部４４は、信号発生器４５から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部４４は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部４３は、位相信号として、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む第二の位相差信号を出力する。
【００４５】
ここで、同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。また、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。
【００４６】
加算処理部４６は、振幅情報検出部４１から供給される振幅信号すなわち第一の位相差信号と位相差情報検出部４３から供給される位相信号すなわち第二の位相差信号を加算し、これを混成信号として出力する。
【００４７】
ここで混成信号算出部４０の信号処理について詳細に説明する。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、探針１１と試料１９が接触していないときの変位信号の位相の初期値、φは、探針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シフト量である。探針１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。Ａとφが、検出の対象である。
【００５１】
位相調整部４２は、信号発生器４５から出力される同期信号の位相に位相オフセットψ１を与える。すなわち、位相調整部４２は、同期信号の位相をψ１だけシフトさせる。振幅情報検出部４１は、振幅信号として、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセットψ１が与えられた同期信号との位相差の情報を含む第一の位相差信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を生成して出力する。
【００５２】
好ましくは、位相調整部４２は、同期信号の位相をφ０だけシフトさせる。すなわち、ψ１＝φ０である。この場合、振幅情報検出部４１から出力される振幅信号は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−φ０）＝Ａｃｏｓφとなる。
【００５３】
位相調整部４４は、信号発生器４５から出力される同期信号の位相に位相オフセットψ２を与える。すなわち、位相調整部４４は、同期信号の位相をψ２だけシフトさせる。位相差情報検出部４３は、位相信号として、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセットψ２が与えられた同期信号との位相差の情報を含む第二の位相差信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成して出力する。
【００５４】
好ましくは、位相調整部４４は、同期信号の位相をφ０−π／２だけシフトさせる。すなわち、ψ２＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部４３から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【００５５】
図５の（Ａ）は、Ａｃｏｓφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、Ａｃｏｓφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番鈍感（低感度）である。
【００５６】
図５の（Ｂ）は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）であり、０から位相が進むにつれて減少する。つまり、位相信号−Ａｓｉｎφは、振幅信号の変化の方向と同様に、試料１９と探針１１の間に働く斥力が大きくなるにつれて減少する。
【００５７】
そして、図４に示すように加算処理部４６は、振幅信号すなわち第一の位相差信号Ａｃｏｓφと位相信号すなわち第二の位相差信号−Ａｓｉｎφを加算してＡｃｏｓφ−Ａｓｉｎφを求め、これを混成信号として出力する。
こうすることで、測定対象が硬い場合、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、
Ａｃｏｓφ＞−Ａｓｉｎφ
となり、Ａｃｏｓφの信号が支配的に働く。また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。
また、測定対象が柔らかい場合、すなわち振幅の変化よりも位相シフト量φが大きい場合の信号の変化量は、
−Ａｓｉｎφ＞Ａｃｏｓφ
となり、−Ａｓｉｎφの信号が支配的に働く。このときφの変化が大きいので、Ａｃｏｓφの変化も第一実施形態（Ａだけの場合）よりも大きくなる。
【００５８】
加算処理部４６から出力された混成信号は、図１に示すように、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離を制御するＺ制御信号を生成し、これをＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９と探針１１の間の距離が制御される。
【００５９】
コントローラ２５は、試料１９の表面に沿って探針１１を二次元的に走査するＸＹ走査信号を生成し、これをＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿って探針１１が二次元的に走査する。
【００６０】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【００６１】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９と探針１１の間に働く斥力を混成信号Ａｃｏｓφ−Ａｓｉｎφとして検出し、それに基づいて試料１９と探針１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には、ＡｃｏｓφはほぼＡと見なせるので、Ａｃｏｓφが大きく変化する。その結果、硬い部分については、第一実施形態と同程度の感度で試料１９と探針１１の間に働く斥力を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、−Ａｓｉｎφが大きく変化するとともにＡｃｏｓφも変化する。その結果、柔らかい部分については、第一実施形態よりも高感度で試料１９と探針１１の間に働く斥力を検出することができる。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もその表面形状を高精度で安定に測定することができる。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１１…探針、１２…カンチレバー、１３…ホルダ、１４…加振部、１５…変位検出部、１６…レーザ光源、１７…分割ディテクタ、１８…演算アンプ、１９…試料、２０…走査部、２１…Ｚスキャナ、２２…ＸＹスキャナ、２３…Ｚドライバ、２４…ＸＹドライバ、２５…コントローラ、２６…Ｚ制御部、２７…ホストコンピュータ、３０…混成信号算出部、３１…振幅情報検出部、３２…位相差情報検出部、３３…位相調整部、３４…信号発生器、３５…加算処理部、４０…混成信号算出部、４１…位相差情報検出部、４２…位相調整部、４３…位相差情報検出部、４４…位相調整部、４５…信号発生器、４６…加算処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端に探針をもつカンチレバーと、
前記探針と試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、
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、
前記変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する振幅情報検出部と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相差情報検出部と、
前記振動振幅情報と前記位相情報を加算処理して混成信号を生成する演算部と、
前記混成信号に基づいて前記探針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走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記位相差情報検出部は、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を備えており、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおいたとき（ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記探針と前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量である）、前記位相オフセットをψとして、
前記振幅情報検出部は、Ａを生成し、
前記位相差情報検出部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成し、
前記演算部は、Ａ＋Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記位相オフセットψは、ψ＝π／２−φ０であり、したがって、前記位相差情報検出部は、−Ａｓｉｎφを生成し、前記演算部は、Ａ−Ａｓｉｎφを生成する、請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記振幅情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第一の位相オフセットを与える第一の位相調整部を備え、
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第二の位相オフセットを与える第二の位相調整部を備え、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおいたとき（ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記探針と前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量である）、前記第一の位相オフセットをψ１、前記第二の位相オフセットをψ２として、
前記振幅情報検出部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を生成し、
前記位相差情報検出部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成し、
前記演算部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）＋Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記第一の位相オフセットψ１は、ψ１＝φ０であり、前記第二の位相オフセットψ２は、ψ２＝π／２−φ０であり、したがって、前記振幅情報検出部は、Ａｃｏｓφを生成し、前記位相差情報検出部は、−Ａｓｉｎφを生成し、前記演算部は、Ａｃｏｓφ−Ａｓｉｎφを生成する、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
自由端に探針をもつカンチレバーを加振信号に基づいて振動させる工程と、
試料の表面に沿って前記探針を走査する工程と、
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工程と、
前記変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する工程と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する工程と、
前記振動振幅情報と前記位相情報を加算処理して混成信号を生成する工程と、
前記混成信号に基づいて前記探針と前記試料の間の距離を制御する工程とを有している、走査型プローブ顕微鏡の制御方法。
【請求項７】
前記振幅信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む第一の位相差信号であり、
前記位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む第二の位相差信号である、請求項６に記載の制御方法。
【請求項１】
自由端に探針をもつカンチレバーと、
前記探針と試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、
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、
前記変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する振幅情報検出部と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する位相差情報検出部と、
前記振動振幅情報と前記位相情報を加算処理して混成信号を生成する演算部と、
前記混成信号に基づいて前記探針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走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記位相差情報検出部は、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を備えており、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおいたとき（ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記探針と前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量である）、前記位相オフセットをψとして、
前記振幅情報検出部は、Ａを生成し、
前記位相差情報検出部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成し、
前記演算部は、Ａ＋Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記位相オフセットψは、ψ＝π／２−φ０であり、したがって、前記位相差情報検出部は、−Ａｓｉｎφを生成し、前記演算部は、Ａ−Ａｓｉｎφを生成する、請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記振幅情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第一の位相オフセットを与える第一の位相調整部を備え、
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第二の位相オフセットを与える第二の位相調整部を備え、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおいたとき（ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記探針と前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記探針と前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量である）、前記第一の位相オフセットをψ１、前記第二の位相オフセットをψ２として、
前記振幅情報検出部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を生成し、
前記位相差情報検出部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成し、
前記演算部は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）＋Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記第一の位相オフセットψ１は、ψ１＝φ０であり、前記第二の位相オフセットψ２は、ψ２＝π／２−φ０であり、したがって、前記振幅情報検出部は、Ａｃｏｓφを生成し、前記位相差情報検出部は、−Ａｓｉｎφを生成し、前記演算部は、Ａｃｏｓφ−Ａｓｉｎφを生成する、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
自由端に探針をもつカンチレバーを加振信号に基づいて振動させる工程と、
試料の表面に沿って前記探針を走査する工程と、
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工程と、
前記変位信号の振幅の情報を含む振幅信号を生成する工程と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む位相信号を生成する工程と、
前記振動振幅情報と前記位相情報を加算処理して混成信号を生成する工程と、
前記混成信号に基づいて前記探針と前記試料の間の距離を制御する工程とを有している、走査型プローブ顕微鏡の制御方法。
【請求項７】
前記振幅信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む第一の位相差信号であり、
前記位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差の情報を含む第二の位相差信号である、請求項６に記載の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８８１８５（Ｐ２０１３−８８１８５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７１１４（Ｐ２０１１−２２７１１４）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
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