(57)【要約】  走査プローブ顕微鏡は、偏向の位相および／または振幅を一定値に維持するための一次制御ループ7、11、12と、例えば保守的なＡＣ励起が与えられながら、プローブに適切なＤＣ電圧を与えることによってカンチレバーの振動の周波数を一定に維持する二次制御ループ9とを有する。周波数を第１の制御ループ7、11、12でアクチブに制御し、その後周波数を一定に維持するためにＤＣ電圧を制御することによって、一定の電位差またはサンプル3の関連される特性を迅速に決定することを可能にする高速度システムが生成される。【選択図】図１
2009544019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルの特性を測定するための走査プローブ顕微鏡において、
機械的共振器（1）上のプローブ（2）と、
周波数ｆでマスター信号（Ｓ）を発生する発振器（4）と、
前記マスター信号（Ｓ）により駆動され、機械力を前記周波数ｆで前記機械的共振器（1）へ与えるアクチュエイタ（5）と、
ＤＣ電圧（Ｕｄｃ）を前記プローブ（2）へ供給するＤＣ電圧源と、
前記周波数ｆのＡＣ電圧（Ｕａｃ）を前記プローブ（2）へ供給するＡＣ電圧源と、
前記機械的共振器（1）の偏向の位相および／または振幅を測定する検出器（6）とを具備し、前記走査プローブ顕微鏡はさらに、
前記アクチュエイタ（5）を制御し、前記偏向の位相および、または振幅を一定に維持するように構成されている駆動装置（11、12；20）と、
前記マスター信号（Ｓ）のそれぞれ周波数または振幅の設定点を有し、前記マスター信号（Ｓ）の前記周波数または振幅をそれぞれ前記設定点に維持するために前記ＤＣ電圧（Ｕｄｃ）を制御する二次制御ループ（9）を具備し、ここで、
駆動装置（11、12；20）が偏向の振幅ではなく位相を一定に維持するならば、前記二次制御ループ（9）は前記設定点における周波数を維持し、
駆動装置（11、12；20）が偏向の位相ではなく振幅を一定に維持するならば、前記二次制御ループ（9）は前記マスター信号（Ｓ）の振幅を前記設定点の値に維持し、または、
駆動装置（11、12；20）が偏向の振幅および位相を一定に維持するならば、前記二次制御ループ（9）はマスター信号の振幅または周波数を前記設定点に維持するように構成されている走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記駆動装置（11、12；20）は、前記偏向の位相および／または振幅のそれぞれ位相設定点（ψ０）および／または振幅設定点（Ａ０）を有し、前記偏向の位相および／または振幅のそれぞれを前記位相設定点（ψ０）および／または振幅設定点（Ａ０）に維持するために前記マスター信号（Ｓ）のそれぞれ周波数または振幅を制御する一次制御ループ（11、12）を具備している請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記一次制御ループ（11、12）は前記二次制御ループ（9）よりも高速度である請求項２記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記偏向の位相の位相設定点（ψ０）を有し、前記偏向の位相を位相設定点（ψ０）に維持するために前記マスター信号（Ｓ）の周波数を制御する第１の一次制御ループ（11）と、
前記偏向の振幅の振幅設定点（Ａ０）を有し、前記偏向の振幅を前記振幅設定点（Ａ０）に維持するために前記マスター信号（Ｓ）の振幅を制御する第２の一次制御ループ（12）を有する請求項２または３記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記位相設定点（ψ０）は前記機械的共振器（1）を自由共振で動作するときの偏向の位相に設定される請求項２乃至４のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記二次制御ループ（9）が前記マスター信号（Ｓ）の周波数を一定に維持する場合には、前記偏向に関する前記ＡＣ電圧（Ｕａｃ）の位相シフトは、前記プローブ（2）上で前記ＡＣ電圧（Ｕａｃ）により発生される静電気力が一次近似で前記偏向の振幅の直接変化ではなく位相シフトを誘起するようにされ、または、
前記二次制御ループ（9）が前記マスター信号（Ｓ）の振幅を一定に維持する場合には、前記偏向に関する前記ＡＣ電圧（Ｕａｃ）の位相シフトは、前記プローブ（2）上で前記ＡＣ電圧（Ｕａｃ）により発生される静電気力が一次近似で前記偏向の振幅の直接位相シフトではなく振幅の変化を誘起するようにされている請求項１乃至５のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記ＤＣ電圧（Ｕｄｃ）から前記サンプルの電気特性を決定するステップを含んでいる請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記機械的共振器（1）を動作することにより前記位相設定点（ψ０）または振幅設定点（Ａ０）を共振に設定するステップを含んでおり、一方で、
前記プローブ（2）は前記サンプルから、プローブ（2）とサンプル間の静電気の相互作用が無視できる程度である距離にあり、
接触電位差に一致するＤＣ電圧がプローブ（2）とサンプルとの間の静電気の相互作用を除去するため前記プローブ（2）に与えられている請求項２乃至５のいずれか１項記載の走査プローブを動作する請求項７記載の方法。
【請求項９】
走査プローブ顕微鏡において、
機械的共振器（1）上のプローブ（2）と、
周波数ｆでマスター信号を発生する発振器（4）と、
前記マスター信号により駆動され、機械力を前記周波数ｆで前記機械的共振器（1）へ与えるアクチュエイタ（5）と、
ＤＣ電圧（Ｕｄｃ）を前記プローブ（2）へ与えるＤＣ電圧源と、
前記周波数ｆでＡＣ電圧（Ｕａｃ）を前記プローブ（2）へ与えるＡＣ電圧源と、
前記機械的共振器（1）の偏向の位相および／または振幅を測定する検出器（6）とを具備し、
前記走査プローブ顕微鏡はさらに、
前記偏向の位相に基づいた信号の設定点（ｍ０）を有し、前記信号を前記設定点に維持するために前記ＤＣ電圧（Ｕｄｃ）を制御する制御装置（9）と、
前記周波数ｆで前記ＡＣ電圧（Ｕａｃ）により前記プローブ（2）へ発生された力が前記偏向の位相シフトを生じるように、前記ＡＣ電圧（Ｕａｃ）と前記偏向との間に位相を設定する位相シフタ（8）とを具備しているサンプルの特性を測定するための請求項１乃至６のいずれか１項記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記ＤＣ電圧（Ｕｄｃ）から前記サンプルの電気特性を決定するステップを含んでいる請求項９記載の走査プローブ顕微鏡の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査プローブ顕微鏡及びこのような走査プローブ顕微鏡の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ顕微鏡は高い空間的解像度でサンプルの表面の電気特性を測定するために使用されることができる。例えば局部的な負荷、接触電位差、電位、誘電定数、分極率が関係している。高い空間的解像度だけではなく測定される量の高い分解能も所望される。
【０００３】
通常、用語「ケルビンプローブ顕微鏡」（ＫＰＭ）は局部的な接触電位が測定されるときに使用される。用語「ケルビンプローブフォース顕微鏡」（ＫＰＦＭ）または「ケルビンフォースプローブ顕微鏡」はケルビンの原理が２つの振動キャパシタ電極間の力を検出することにより作用することをこれらが示しているので、より明確である。
【０００４】
T. Fukuma等はRev. Sci. Instrum.、第75巻、No.11、4589−4594頁で、カンチレバー上にプローブと、マスター信号を発生する発振器と、マスター信号により駆動され、カンチレバーに機械力を与えるアクチュエイタとを有する走査顕微鏡を記載している。これに加えて、ＤＣ電圧源とＡＣ電圧源はプローブとサンプルとの間にＤＣ電圧とＡＣ電圧を与えるために設けられている。動作において、ＤＣ電圧がプローブとサンプルとの間の接触電位に設定されるならば、ＡＣ電圧により発生される力は最小である。これは接触電位の決定を可能にする。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、表面の電気的特性を迅速及び正確に測定することを可能にする顕微鏡とその動作方法を提供することである。この目的は独立請求項の装置及び方法により実現される。
【０００６】
全てのその特徴では、本発明は機械的共振器の静電的および機械的励起の組合せに基づいている。
【０００７】
したがって、本発明の第１の特徴では、顕微鏡はアクチュエイタを制御し、機械的共振器の偏向の位相および／または振幅を一定に維持するように適合されている駆動装置を具備している。駆動装置は例えばカンチレバーとフィードバック増幅器を具備する「自励」ループにより形成されることができ、または機械的共振器の偏向の位相および／または振幅をアクチブに安定化する一次制御ループにより形成されることができる。
【０００８】
顕微鏡はさらにマスター信号の周波数または振幅の設定点を有し、マスター信号の周波数または振幅をそれぞれ設定点に維持するためにＤＣ電圧を制御するように構成されている二次制御ループを具備する。ＤＣ電圧はその後、表面の電気特定の尺度として使用されることができる。
【０００９】
駆動装置が一定値に偏向の（振幅ではなく）位相を維持するように設計されるならば、二次制御ループは周波数を所定の設定点に維持しようとする。他方で、駆動装置が偏向の位相ではなく振幅を一定に維持する場合には、二次制御ループはマスター信号の振幅を所定の設定点に維持しようとする。最後に、駆動装置が偏向の振幅と位相の両者を一定に維持するならば、二次制御ループはマスター信号の振幅または周波数を一定に維持しようとすることができる。この設計は二次制御ループが駆動装置によりアクチブに制御される量（振幅または位相）を一定に維持しようとすることを確実にし、これはＤＣ電圧に対する高速度の応答時間を実現することを可能にする。
【００１０】
第２の特徴では、本発明は一定または可変であることができる周波数ｆを有するマスター信号を発生する発振器を備えた走査プローブ顕微鏡に関する。マスター信号により駆動されるアクチュエイタは周波数ｆで機械力を機械的共振器に与える。さらに、ＤＣ電圧源とＡＣ電圧源がＤＣとＡＣ電圧をプローブに与えるために設けられ、ＡＣ電圧はまた周波数ｆにある。装置にはさらに機械的共振器の偏向の位相に応じた信号の設定点を有し、前記信号をこの設定点に維持するようにＤＣ電圧を制御するための制御装置が設けられる。
【００１１】
この設計は周波数ｆにプローブ偏向の周波数または振幅のアクチブな調整を必要としないが、例えば流体中での測定の場合のように、これは機械的共振器が十分に制動される限り（低いＱ係数）十分に高速度である。さらに、これは本発明の第２の特徴と同様に第１の特徴にも適用され、位相シフトは通常正確に決定されることができるので、機械的共振器の偏向の位相にしたがって信号の設定点を使用することは比較的正確な測定を可能にする。
【００１２】
本発明はまたこれらのタイプの走査プローブの動作方法にも関する。このような方法はプローブとサンプル間に与えられるＤＣ電圧から接触電位差、電位、誘電定数、分極率のようなサンプルの電気特性を決定するステップを含んでいる。
【００１３】
さらに、本発明の有効な実施形態は従属請求項および以下の説明に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】固定された周波数発振器を有する走査プローブ顕微鏡の第１の実施形態を示す図。
【図２】可変周波数発振器と振幅から導出したバイアス電圧を有する走査プローブ顕微鏡の第２の実施形態を示す図。
【図３】可変の周波数発振器と周波数から導出したバイアス電圧を有する走査プローブ顕微鏡の第３の実施形態を示す図。
【図４】自励設計を有する走査プローブ顕微鏡の第４の実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は良好に理解され、前述された以外の目的はその以下の詳細な説明を考慮するとき明白になるであろう。その説明は添付図面を参照している。
【００１６】
［定義］
特定の実施形態の説明を行う前に、この明細書と請求項で使用されている以下の用語について明確に規定する。
【００１７】
用語「偏向の位相」はマスター信号に関する機械的共振器の周波数ｆにおける振動偏向運動の位相を示している。
【００１８】
用語、機械的共振器（カンチレバー）の「自由共振」はこれをサンプルから大きな遠距離、即ちプローブとサンプル間の静電気の相互作用が無視できる程度の距離で動作するときの機械的共振器（カンチレバー）の共振を示している。
【００１９】
用語「静電気力」または「静電的相互作用」は供給されたＤＣおよびＡＣ電圧によりプローブとサンプル間で発生される力を示している。この力または相互作用はＡＣ成分を有することができる。
【実施例１】
【００２０】
図１はフレキシブルなカンチレバー１と、サンプル３の表面に沿って移動される微細な先端を備えたプローブ２を有する走査プローブ顕微鏡を示している。カンチレバー１は顕微鏡の機械的共振器である。
【００２１】
走査プローブ顕微鏡にはサンプル３に関してプローブ２のｘ、ｙ、ｚ位置を調節するための適切な手段が設けられている。いずれの図面にも示されていないこれらの手段は当業者に知られている種々の方法で構成されることができる。
【００２２】
図面に示されているコンポーネントはプローブ２とサンプル３との間の接触電位差にしたがってサンプル３の電気特性の測定を可能にする顕微鏡の部品を表している。これらは周波数ｆでマスター信号Ｓを発生する発振器４を具備している。マスター信号Ｓは機械力をカンチレバー１に供給するアクチュエイタとして作用するディザーピエゾ５を駆動する。周波数ｆは振動周波数であるならば、カンチレバー１が１またはほぼ１で励起されるように有効に選択される。
【００２３】
カンチレバー１の振動偏向は偏向検出器６およびロックイン増幅器７により測定される。偏向検出器６により測定される原（raw）信号Ｄはここで示されている実施形態では、カンチレバーの現在の偏向位置に比例し、それと同位相であると予測される。原信号Ｄがこの偏向に関して位相シフトされるならば、当業者に知られているように、適切な位相補正が信号の他の部分で必要とされる。原信号Ｄは位相シフタ及び利得制御装置８に与えられ、ここで与えられた位相シフトにより位相シフトされ、利得により増幅されて、固定した振幅を有するＡＣ電圧Ｕａｃを発生する。位相シフタ８は偏向（即ち原信号Ｄ）と電圧Ｕａｃとの間で９０゜でも２７０゜でもない位相シフトΔψを誘起するように設定される。有効な、位相シフトΔψは０゜または１８０゜であり、その場合電圧Ｕａｃによりプローブ２に与えられる静電気力はプローブの振動と同位相であり、それ故保守的であり、即ち静電気力は一次近似では振動の振幅を直接変化しないで位相シフトを誘起する。
【００２４】
ロックイン増幅器７はマスター信号Ｓに関して原信号Ｄの位相シフトψおよびその振幅Ａを測定する。これは測定された信号ｍ（ψ）を発生し、これは位相シフトψおよび随意選択的に原信号Ｄの振幅Ａにしたがい、例えばｍ（ψ）＝ψまたはｍ（ψ）＝ｓｉｎ（ψ）・Ａである。
【００２５】
測定された信号ｍはＰＩ制御装置９へ与えられ、これは測定された信号ｍを設定点ｍ０に維持しようとするフィードバックループの一部である。ＰＩ制御装置９はＤＣ電圧Ｕｄｃを発生し、それはＡＣ電圧Ｕａｃに付加されてプローブ２に与えられる。サンプル３はプローブ２とサンプル３との間の電圧がＵａｃ＋Ｕｄｃに等しいように接地される。
【００２６】
図１の装置の動作を以下に説明する。  
第１のステップでは、ＰＩ制御装置８の適切な設定点ｍ０が決定される。これは例えば次の２つの方法のうちの１つを使用して行われることができる。  
ａ）プローブ２とサンプル３との間に大きな静電気の相互作用が生じないようにプローブ２はサンプル３から引っ込められる。この位置では、カンチレバー１はマスター信号ｆの周波数で自由に振動することができる。測定された信号ｍ（ψ）はこれらの状態下で設定点ｍ０として使用される。それに続いてプローブ２は静電気の相互作用が生じるように、サンプル３に近づいた測定位置へ移動される。
【００２７】
ｂ）プローブ２はプローブ２とサンプル３の間で静電気の相互作用が生じるようにサンプル３に近い測定位置へ位置される。プローブ２とサンプル３との間の接触電位差は通常の手段により測定され、プローブ２とサンプル３との間の静電気の相互作用を除去するようにＤＣ電圧Ｕｄｃとしてプローブ２に与えられる。測定された信号ｍ（ψ）はこれらの状態下で、設定点ｍ０として使用される。「通常の手段による」接触電位の測定は例えばＵｄｃをゆっくりと変化し周波数シフトを記録するステップを含んでおり、最大の周波数シフトの点は接触電位の補償に対応する。
【００２８】
次のステップでは、ＰＩ制御装置９が付勢され、プローブ２はサンプル３に沿って動かされる。ＰＩ制御装置９は設定点値ｍ０にｍ（ψ）を維持しようとし、この値はプローブ２とサンプル３との間の周波数ｆの静電気力が最小である（或いは換言すると、Ｕｄｃがプローブ２とサンプル３との間の接触電位差に等しい）値である。ｍ（ψ）＝ｍ０である限り、ＡＣ電圧Ｕａｃは周波数ｆで何等の力も発生しない。接触電位差が変化するとき、ＡＣ電圧Ｕａｃはプローブ２とサンプル３との間に力及び周波数ｆを発生し、これは偏向振動において位相シフトを誘起する。この位相シフトはしたがってｍ（ψ）を変化し、ｍ（ψ）が再度ｍ０になるまで、即ちＤＣ電圧Ｕｄｃが新しい接触電位差に等しくなるまで、ＰＩ制御装置９にＤＣ電圧Ｕｄｃを補償させる。
【００２９】
したがって、ＤＣ電圧Ｕｄｃの監視はプローブ２のｘおよびｙ位置の関数としての接触電位差の追跡を可能にする。
【実施例２】
【００３０】
第１の実施形態と対照的に、図２に示されている実施形態はマスター信号Ｓを発生するために固定された周波数発振器の代わりに可変の周波数発振器４を使用する。さらに、（以下「一次制御ループ」と呼ばれる）２つの制御ループがマスター信号Ｓの周波数ｆと振幅Ｋを制御するために使用される。
【００３１】
第１の一次制御ループはロックイン増幅器７からの位相ψと位相設定点ψ０を比較し、位相ψを位相設定点ψ０に等しく維持するように発振器４の周波数ｆを制御する第１のＰＩ制御装置11を具備している。
【００３２】
第２の一次制御ループはロックイン増幅器７からの振幅Ａと振幅設定点Ａ０を比較し、振幅Ａを振幅設定点Ａ０に等しく維持するようにマスター信号Ｓの振幅を制御する第２のＰＩ制御装置12を具備している。この目的で、ＰＩ制御装置12の出力信号Ｋは乗算器13に与えられ、ここでマスター信号Ｓを発生するために発振器４の出力と乗算される。
【００３３】
図２の実施形態はさらにＰＩ制御装置９に基づいた二次制御ループを具備しており、これは入力としてＰＩ制御装置12の出力信号Ｋを受信し、その信号を電圧Ｕｄｃを調節することによって設定点Ｋ０に等しくしようとする。
【００３４】
（ＰＩ制御装置11と12により形成される）一次制御ループは（ＰＩ制御装置９により形成される）二次制御ループよりも高速度であることに注意しなければならない。換言すると、プローブ２における状態の変化は最初にＰＩ制御装置11と12にマスター信号Ｓの周波数及び振幅を調節させ、それにおいてＰＩ制御装置９が、ＤＣ電圧Ｕｄｃを調節することによりマスター信号Ｓの振幅を設定点Ｋ０に戻すように作用し、ＤＣ電圧Ｕｄｃの調節プロセスは非常に遅いので、両者の一次制御ループが追従することができる。
【００３５】
図２の実施形態では、位相シフタ及び利得制御装置８はＵａｃと信号Ｄとの間で０゜または１８０゜に等しくない位相シフトΔψを導入するように設定される。これは９０゜または２７０゜に等しく、それによってＡＣ電圧Ｕａｃにより発生される静電気力は散逸性であり、即ち位相の変化ではなくカンチレバー偏向振動の振幅の変化をもたらす利点がある。
【００３６】
図１の装置の動作を以下説明する。  
第１のステップで、ＰＩ制御装置11と12の適切な設定点ψ０とＡ０が決定される。位相設定点ψ０は自由共振で、即ち静電気力のない共振でカンチレバー２を動作するときに偏向振動の位相シフトに設定される利点がある。設定点ψ０は例えばサンプル３からプローブ２を離すか、または接触電位差に対応する電圧をそれに与え、振幅Ａが最大値になるまで周波数を調節することにより求められることができ、この場合位相ψは所望の設定点ψ０に等しい。Ａ０は所望の最大振幅Ａに設定される。
【００３７】
その後、設定点Ｋ０は以下の２つの方法の１つにより求められる。  
ａ）プローブ２はプローブ２とサンプル３との間で顕著な静電的相互作用が存在しないようにサンプル３から引っ込められる。この位置では、カンチレバー１はマスター信号ｆの周波数で自由に振動することができる。これらの状態下で測定された信号Ｋは設定点Ｋ０として使用される。したがってプローブ２は静電気の相互作用が生じるように、サンプル３に近づくように測定位置へ位置される。
【００３８】
ｂ）プローブ２はプローブ２とサンプル３の間で静電気の相互作用が生じるようにサンプル３に近づくように測定位置へ位置される。プローブ２とサンプル３との間の接触電位差は通常の手段により測定され、プローブ２とサンプル３との間の静電気の相互作用を消去するようにＤＣ電圧Ｕｄｃとしてプローブ２に与えられる。測定された信号Ｋはこれらの状態下で、設定点Ｋ０として使用される。
【００３９】
最後に、プローブ２はＤＣ電圧Ｕｄｃを記録しながらサンプル３に沿って動かされる。プローブ２とサンプル３との間の接触電位が変化するとき、ＡＣ電圧Ｕａｃは原信号Ｄの振幅Ａを増加または減少する周波数ｆの力になり、これは次に偏向振動の振幅を一定に維持するためにＰＩ制御装置12の出力信号Ｋの変化を生じる。出力信号Ｋの変化はＤＣ電圧Ｕｄｃが再度接触電位差に等しくなるまで、ＰＩ制御装置９にＤＣ電圧Ｕｄｃを変化させ、それによってプローブ２上の静電気力におけるＡＣ電圧Ｕａｃの影響はゼロになり、出力信号ＫはＫ０に戻る。
【００４０】
図１の第１の実施形態のロックイン増幅器７の出力における位相及び振幅についての信号の帯域幅は共振のＱ係数により限定される。真空では、このＱ係数は１００’０００と数百万との間であることができ、したがって帯域幅は１ヘルツ未満まで減少されることができる。（以下の実施形態と同様に）図２の実施形態では、振幅および／または位相のアクチブ制御は帯域幅が非常に高くなること（１−２ｋＨｚまで）を可能にし、それによってＵｄｃの調節の応答時間を改良する。
【実施例３】
【００４１】
図３に示されている実施形態３は図２の実施形態２と等しいが、以下の例外を有する。
【００４２】
−位相シフタ及び利得制御装置８はＵａｃと信号Ｄとの間に９０゜または２７０゜に等しくない位相シフトΔψを誘起するように設定される。それはＡＣ電圧Ｕａｃにより発生された静電気力が保守的であるように、即ちその適用は一次近似では（カンチレバーの共振に関して周波数ｆを動かすことにより生じる振幅変化とは別に）振動の振幅の変化を起こさないが、カンチレバー偏向振動の位相シフトを生じるように０゜または１８０゜に等しい。
【００４３】
−ＰＩ制御装置９はＤＣ電圧Ｕｄｃを調節することにより所定の設定点ｆ０に（振幅Ｋではなく）周波数ｆを維持しようとする。
【００４４】
図３の実施形態の動作は基本的に図２の実施形態のものと同じであるが、設定点ｆ０が静電気力が存在しないカンチレバーの共振周波数であるように選択される点で異なっている。
【００４５】
動作において、プローブ２は電圧Ｕｄｃを監視しながらサンプル３に沿って動かされる。プローブ２とサンプル３との間の接触電位が変化するとき、ＡＣ電圧Ｕａｃは原信号Ｄの位相ψを変化する周波数ｆの力を起こし、これによって位相ψを一定に維持するためのＰＩ制御装置11の出力信号ｆの変化が生成される。周波数ｆの変化はＤＣ電圧Ｕｄｃが再度接触電位差に等しくなるまで、ＰＩ制御装置９にＤＣ電圧Ｕｄｃを変化させ、それによってプローブ２上の静電気力におけるＵａｃの効果はゼロになり、周波数ｆはｆ０に戻る。
【実施例４】
【００４６】
図４の実施形態は２つの一次制御ループが、原信号Ｄの利得制御され位相シフトされたバージョンを直接ディザーピエゾ５へ戻す位相シフタおよび利得制御装置20を具備する自励設計により置換されている点で図３の実施形態とは異なる。位相シフタおよび利得制御装置20により誘起される位相シフトは、カンチレバーが共振周波数ｆで励起されるようにされている。したがって、この実施形態では一次信号Ｓを発生する発振器は偏向検出器６、位相シフタ及び利得制御装置20、ディザーピエゾ５、カンチレバー１の閉ループにより形成される。
【００４７】
周波数カウンタまたは復調器21は一次信号Ｓの周波数ｆをＰＩ制御装置９へ供給する。ＰＩ制御装置９は周波数を設定点ｆ０に等しく維持しようとする。設定点ｆ０は第３の実施形態でのように周波数ｆの静電気力が存在しないカンチレバーの共振周波数であるように選択される。
【００４８】
この第４の実施形態の動作は、ＤＣ電圧Ｕｄｃが局部接触電位差に等しくないならば、周波数ｆは設定点ｆ０から逸脱し、ＤＣ電圧Ｕｄｃが再度局部的な接触電位差に等しくなるまでＰＩ制御装置９がＤＣ電圧Ｕｄｃを再調節する点で第３の実施形態のものに類似している。
【００４９】
［さらに別の実施形態・注釈］  
前述の説明から、本発明は種々の異なる実施形態で実行されることができ、その幾つかが図１乃至図４に示されていることが明白である。さらに別の設計が可能であることにも注意しなければならない。
【００５０】
例えば図２の実施形態では、ＰＩ制御装置11により制御される位相シフトψに対するフィードバックループはＤＣ電圧Ｕｄｃを接触電位差に等しく維持するために厳密に必要ではない。しかしながら、アクチブに位相シフトψをそれが位相設定点ψ０に等しくなるように調節する利点は以下の事実に存在する。  
−共振器の高いＱ係数では、応答時間は良好であり、
−共振器は共振周波数のシフトにしたがい、それにより振幅の不所望な変化を避ける。
【００５１】
同様に、図３の実施形態では、ＰＩ制御装置12により制御される振幅ＡのフィードバックループはＤＣ電圧Ｕｄｃを接触電位差に等しく維持するために厳密に必要ではない。しかしながらＰＩ制御装置12の使用は以下の利点を有する。  
−共振器の高いＱ係数では、応答時間は良好であり、
−振幅が一定であるならば、信号の解釈はさらに容易である。
【００５２】
ＰＩ制御装置は示されている実施形態の種々のフィードバックループで使用されているが、当業者はこれらがＰＩＤ制御装置のような他の特性を有する制御装置により置換されることができることを認識するであろう。また、種々のフィードバックループとシステムの他のコンポーネントは少なくともハードまたはソフトウェアで、またはハード及びソフトウェアの組合せで構成されることができる。
【００５３】
アクチュエイタ５はピエゾ効果を使用する代わりに力をカンチレバー２へ与えるための磁気の相互作用を使用してもよく、または機械力をカンチレバー２へ与えるための任意の他の適当な手段が使用されることができる。
【００５４】
位相シフタ及び利得制御装置８は位相シフトが適切に補正されるならば原信号Ｄを使用する代わりにその入力としてマスター信号Ｓを使用することができる。位相シフタ及び利得制御装置８はまたマスター信号ＳからＵａｃを直接発生しながら、マスター信号Ｓとアクチュエイタ５との間に挿入されることもできる。
【００５５】
前述したように、走査プローブ顕微鏡にはサンプル３に関してプローブ２のｘ、ｙ、ｚ位置を調節するための適切な手段が取付けられている。プローブのｚ位置は例えば前述の測定で使用される共振とは別の共振でカンチレバー１を励起することにより制御されることができる。典型的に、高い共振が前述の実施形態により使用される周波数ｆで使用されながら、カンチレバー１の第１の共振（最低の固有振動数）はｚ位置制御のために使用される。ｚ位置の制御は例えば（第２の発振器を使用して）その最低の固有振動数でカンチレバー１を励起し、プローブ２をサンプル３に近づけながらカンチレバー偏向の振幅を監視することにより実現されることができる。プローブ２がサンプル３との相互作用を開始するとき、振幅は減少される。自由振動の約８０％までの振幅の減少は先端サンプル変位を制御するための設定点として使用される。この方法は「タッピングモード」、「ＡＭ制御」または「勾配検出」の名称で当業者に知られている。多くの他の方式がプローブサンプル制御に使用される。例えば「ｎｃ−ａｆｍ」モードでは、振動の周波数シフトはプローブサンプル制御で使用される。
【００５６】
前述の実施形態では、機械的共振器はカンチレバーにより形成された。当業者は隔膜またはその他の弾性的に偏向可能な構造のようなカンチレバーに対する種々の代替を知っているであろう。
【００５７】
本発明の好ましい実施形態をここで示し説明したが、本発明はそれに限定されない。その他の方法で以下の特許請求の範囲の技術的範囲内で種々の実施され実行されることができることが明白に理解されよう。
【図１】
2009544019.tif 000003
【図２】
2009544019.tif 000004
【図３】
2009544019.tif 000005
【図４】
2009544019.tif 000006
【国際調査報告】
2009544019.tif 000007
2009544019.tif 000008
2009544019.tif 000009