(57)【要約】【課題】漏れ信号の少ないＤＡコンバータを提供する。【解決手段】抵抗値Ｒの抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃと抵抗値２Ｒの抵抗１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅから成り、基準電圧Ｖｒｅｆを分割する様に成したＲ−２Ｒ型ラダー抵抗網、入力信号であるデジタル信号の各ビット毎に設けられ、抵抗値２Ｒ抵抗の抵抗値Ｒ抵抗と接続されていない端部をアース若しくは演算増幅器ＯＡの反転入力端子の何れかに切り換える切換スイッチを備え、切換スイッチは２段構えとし、１段目の切換スイッチは、前記抵抗値２Ｒ抵抗の抵抗値Ｒ抵抗と接続されていない端部をアース若しくは２段目の切換スイッチの何れかに切り換える様にし、２段目の切換スイッチはアース若しくは演算増幅器ＯＡの反転入力端子の何れかに切り換える様に成す。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の抵抗値Ｒと抵抗値２Ｒの抵抗から成る各Ｒ−２Ｒ抵抗構成により基準電圧を分割する様に成したＲ−２Ｒ抵抗ラダー部、入力信号であるデジタル信号の各ビット毎に設けられ、前記抵抗値２Ｒ抵抗の抵抗値Ｒ抵抗と接続されていない端部をアース若しくはアナログ出力部の何れかに切り換えるスイッチ回路を備え、前記アナログ出力部に入力された分割電流に基づいてアナログ信号を出力するＤ／Ａコンバータにおいて、前記スイッチ回路を２段構えとし、一方のスイッチ回路は、前記抵抗値２Ｒ抵抗の抵抗値Ｒ抵抗と接続されていない端部をアース若しくは他方のスイッチ回路の何れかに切り換える様に成し、他方のスイッチ回路はアース若しくはアナログ出力部の何れかに切り換える様に成したＤ／Ａコンバータ。
【請求項２】
前記アナログ出力部は演算増幅器から成る請求項１記載のＤ／Ａコンバータ。
【請求項３】
探針と加振手段を備えたカンチレバー、探針を試料表面に近接又は接触させた状態で試料と探針を相対的に走査するためのスキャナ、カンチレバーに光を照射するための光源、前記カンチレバーからの反射光を検出する検出器、及び、前記加振手段に加振駆動信号を供給する加振駆動手段を備え、探針を振動させながら試料と探針を相対的に走査することにより検出された信号に基づいて試料の表面形状及び／若しくは物理量を計測するように成した走査プローブ顕微鏡であって、前記加振駆動手段は、請求項１若しくは請求項２記載のＲ−２Ｒ抵抗ラダー型ＤＡコンバータである走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡及びデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。この探針に働く物理量を測定する方法には、ＡＣモードがある。ＡＣモードでは、探針を有するカンチレバーを圧電素子等によりその共振周波数又はその付近で振動させ、カンチレバーの背面にレーザ光を照射し、反射したレーザ光をフォトディテクタで受光し、カンチレバーの振幅変化や周波数変化を測定する方法がとられる。
【０００３】
カンチレバーの振動振幅は、検出器からのウエーブ・コンバータ等を経た一定振幅の電圧信号をアッテネータにより適切な大きさに弱めることで設定される。そして、この電圧振幅制御のためにＤ／Ａコンバータをアッテネータとして利用することがある。
【０００４】
一方、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータの方式において、図１のようなＲ−２Ｒラダー抵抗型Ｄ／Ａコンバータがある。このＤ／Ａコンバータは、抵抗値がＲ１８と２Ｒ１９の抵抗を使い、スイッチコントローラ２２に供給される制御デジタル信号の各ビット値によりスイッチ２０をコントロールして抵抗値をＯＵＴ１とＯＵＴ２のどちらかに接続するかで電流を分流し、アナログ信号を出力するものである。このような単純な構成のため、小面積なＤ／Ａコンバータ回路を比較的容易に実現できる。
【０００５】
しかしながら、高周波信号をこのＲ−２Ｒラダー抵抗型Ｄ／Ａコンバータでアッテネートすると、その構成上フィード・スルーと呼ばれる信号の漏れが出てしまう。図５は図１におけるスイッチＳ００の詳細図である。スイッチ２０のＯＦＦ側（０ＵＴ１）の端子にフィードスルー２４が生じている。例えば、４ビットのＤ／Ａコンバータで、Ｒ＝１０ＫΩ、２Ｒ＝２０ＫΩ、スイッチ部のＯＮ抵抗を１００Ω、ＯＦＦの浮遊容量を５ｐＦとした場合、出力０Ｖを期待してデジタル制御入力”００００”でスィッチを全てＯＦＦにすると、図１の等価回路である図２のように１Ｖの入力に対して１ＭＨｚでは約３ｍＶのフィードスルーが出てきてしまう。
【０００６】
走査形プローブ顕微鏡のＡＣモードは超高真空において使用されることが多いが、超高真空の場合には大気中に比べカンチレバーの振動のＱ値（共振の鋭さ）が極めて大きくなる。そのため、加振電圧の振幅を小さくしなければならないが、このフィードスルーの問題のためそれが困難であった。
【０００７】
なお、従来技術としては、帰還アンプのスイッチにより局所領域の分析後に探針の固定を解除する場合、バイアス電圧を掃引終了時の値から一定の値に戻した後に一定時間経過してから解除することにより、探針と試料の浮遊容量による検出誤差をなくすトンネルスペクトロスコピーがある（例えば、特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−６８８３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする問題点は、高周波信号をＲ−２Ｒラダー抵抗型Ｄ／Ａコンバータを用いてアッテネートする場合、フィードスルーに影響されるため小さい値が設定できなかったという点である。また、走査形プローブ顕微鏡にこのＤ／Ａコンバータを用いて探針を振動させる場合、上記フィードスルーのため小さい振幅を設定することができなかったという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、複数の抵抗値Ｒと抵抗値２Ｒの抵抗から成る各Ｒ−２Ｒ抵抗構成により基準電圧を分割する様に成したＲ−２Ｒ抵抗ラダー部、入力信号であるデジタル信号の各ビット毎に設けられ、前記抵抗値２Ｒ抵抗の抵抗値Ｒ抵抗と接続されていない端部をアース若しくはアナログ出力部の何れかに切り換えるスイッチ回路を備え、前記アナログ出力部に入力された分割電流に基づいてアナログ信号を出力するＤ／Ａコンバータにおいて、前記スイッチ回路を２段構えとし、一方のスイッチ回路は、前記抵抗値２Ｒ抵抗の抵抗値Ｒ抵抗と接続されていない端部をアース若しくは他方のスイッチ回路の何れかに切り換える様に成し、他方のスイッチ回路はアース若しくはアナログ出力部の何れかに切り換える様に成したＤ／Ａコンバータである。
【００１１】
請求項２の発明は、前記アナログ出力部は演算増幅器から成る請求項１記載のＤ／Ａコンバータである。
【００１２】
請求項３の発明は、探針と加振手段を備えたカンチレバー、探針を試料表面に近接又は接触させた状態で試料と探針を相対的に走査するためのスキャナ、カンチレバーに光を照射するための光源、前記カンチレバーからの反射光を検出する検出器、及び、前記加振手段に加振駆動信号を供給する加振駆動手段を備え、探針を振動させながら試料と探針を相対的に走査することにより検出された信号に基づいて試料の表面形状及び／若しくは物理量を計測するように成した走査プローブ顕微鏡であって、前記加振駆動手段は、請求項１若しくは請求項２記載のＲ−２Ｒ抵抗ラダー型ＤＡコンバータである走査プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によりＤ／Ａコンバータのスイッチ段数を２段以上にすることにより、アッテネータとし利用する場合のフィードスルーを減少させることができる。このため、小さい値にアッテネートさせることができる。また、走査形プローブ顕微鏡にこのＤ／Ａコンバータを用いて探針を振動させる場合、小さい振幅を設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の構成を図７を用いて説明する。図７はＦＭ検出法を用いた原子間力顕微鏡のノンコンタクトモードについての実施例である。少なくとも図７のカンチレバー２、スキャナ２５、レーザ光源５、検出器６は図示しない真空容器内に設置されている。円筒形状のピエゾ素子から構成されＸＹＺ方向に変位自在なスキャナ２５の上面に試料４が置載されている。試料４に対向して、先端に探針１を有するカンチレバー２が設置されている。カンチレバー２はシリコン等の弾性体により構成されて、固定端には加振用ピエゾ素子３が設置されている。カンチレバー２の背面にはレーザ光源５からのレーザ光が照射されその反射光は検出器６により検出される。この光てこ方式によりカンチレバー２の振動変位が検出されバンドパスフィルタが内蔵されたプレアンプ７により電気的に変換される。ウェーブフォーム・コンバータ９、フェーズ・シフタ８及びアッテネータ１０を経てカンチレバー加振用ピエゾ素子３に至る正帰還元ループによってカンチレバー２の固有振動数での振動が維持されるよう構成されている。カンチレバー２の振動振幅はウェーブフォーム・コンバータ９からの一定振幅の電圧をアッテネータ１０により適切な大きさに弱めることで設定される。
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【００１５】
真空中ではカンチレバー２のＱ値（振動のしやすさ／鋭さ）が極めて大きくなるため、カンチレバー２の加振電圧の振幅を小さくしなければならない。
【００１６】
さて、図５中のアッテネータ１０として図３のデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータを利用する。図３において、入力Ｖｒｅｆから直列に複数の第１の抵抗１８（各抵抗値はＲ）が接続され、第１の抵抗１８の各接続点及び第１の抵抗１８群の両端点にそれぞれ複数の第２の抵抗１９（各抵抗値は２Ｒ）が接続されている。第２の抵抗１９にはそれぞれ複数の１段スイッチ２０が接続されている。１段スイッチ２０の出力の一端にはそれぞれ出力ＯＵＴ２（接地）が接続されており、他端にはそれぞれ複数の２段スイッチ２１が接続されている。２段スイッチ２１の出力の一端にはそれぞれ出力ＯＵＴ２（接地）が接続されており、他端にはそれぞれ出力ＯＵＴ１が接続されている。出力ＯＵＴ１にはフィードバック回路が接続されている。
【００１７】
また、スイッチコントローラ２２は入力される制御デジタル信号２３（ＬＳＢ〜ＭＳＢ）に基づいて１段スイッチ２０及び２段スイッチ２１をコントロールするものである。制御デジタル信号２３の各ビットがＯＦＦ”０”のとき出力ＯＵＴ２（接地）側を選択させ、ＯＮ”１”のとき出力ＯＵＴ１側を選択させる。
【００１８】
以上、図における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。図３において、１段スイッチ２０（Ｓ００、Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０）と２段スイッチ２１（Ｓ０１、Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１）をそれぞれ制御デジタル信号２３に対応して同時にＯＮ又はＯＦＦするとＤ／Ａコンバータとして働く。
【００１９】
図６は図３におけるＳ００及びＳ０１の詳細図である（Ｓ１０とＳ１１、Ｓ２０とＳ２１、Ｓ３０とＳ３１の関係に対しても同様）。Ｓ００及びＳ０１はＯＦＦ（ＯＵＴ２側）となっている。１段スイッチ２０において、電流の大部分がＯＦＦスイッチを通してＯＵＴ２に流れるが、１段スイッチ２０のＯＦＦスイッチの浮遊容量による漏れであるフィードスルー２４が２段スイッチ２１側に流れる。２段スイッチ２１に流れるフィードスルーの内、大部分がＯＦＦスイッチを通してＯＵＴ２に流れる。一方、２段スイッチ２１のＯＮ抵抗でわずかに分圧された電圧が、２段スイッチ２１のＯＦＦスイッチによる浮遊容量を通してＯＵＴ１に出力されるが、図４の等価回路からも分かるように、その漏れは極めて少なくなる。例えば、８ビット、２段スイッチのＤ／Ａコンバータで、Ｒ＝１０ＫΩ、２Ｒ＝２０ＫΩ、スイッチ部のＯＮ抵抗を１００Ω、ＯＦＦの浮遊容量を５ｐＦとした場合、１Ｖの入力に対して１ＭＨｚではデジタル値”００００００００”での出力は約１０μＶに減少する。このようにフィードスルーが減少するため、小さい値をアッテネートすることが可能となる。
【００２０】
そして、図７において真空中ではカンチレバー２のＱ値（振動のしやすさ／鋭さ）が極めて大きくなるためカンチレバー２の加振電圧の振幅を小さくしなければならないが、アッテネータ１０として図３のＤ／Ａコンバータを利用すれば、フィードスルーが極めて少ないため、加振電圧の振幅を小さく設定できる。
【００２１】
以上、動作について説明したが、本発明によりＤ／Ａコンバータのスイッチ段数を少なくとも２段にすることにより、アッテネータとして利用する場合のフィードスルーを減少させ、小さい値をアッテネートすることが可能となるという効果が得られる。
【００２２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、Ｄ／Ａコンバータのスイッチ段数は３段以上にしてもよい。また、制御デジタル信号のビット数は８ビット、１６ビット、３２ビット等の４ビット以外でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術におけるＤ／Ａコンバータの回路図である。
【図２】図１の回路図の等価回路及びフィードスルーのシミュレーション結果である。
【図３】本発明におけるＤ／Ａコンバータの回路図である。
【図４】図３の回路図の等価回路及びフィードスルーのシミュレーション結果である。
【図５】図１におけるスイッチＳ００の詳細図である。
【図６】図３におけるスイッチＳ００、Ｓ０１の詳細図である。
【図７】本発明における走査形プローブ顕微鏡の構成図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  探針
２  カンチレバ−
３  ピエゾ素子
４  試料
５  レーザ光源
６  検出器
７  プレアンプ
８  フェーズ・シフタ
９  ウェーブフォーム・コンバータ
１０  アッテネータ
１１  ＦＭモジュレータ
１２  エラーアンプ
１３  基準入力
１４  フィルタ
１５  コンピュータ
１６  Ｚピエゾドライバ
１７  ＸＹピエゾドライバ
１８  第１の抵抗
１９  第２の抵抗
２０  １段スイッチ
２１  ２段スイッチ
２２  スイッチコントローラ
２３  制御デジタル信号
２５  スキャナ
２６  バンドパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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