(57)【特許請求の範囲】
【請求項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部と、
前記カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出する整数倍振幅検出部と、
検出された前記整数倍成分振幅に基づいて前記励振部の励振強度を調節する励振強度調節部と、
を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記整数倍振幅検出部は、前記励振周波数の２倍の周波数を持つ２倍波成分の振幅である２倍波成分振幅を検出する２倍波振幅検出部であ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。
【請求項３】
前記励振強度調節部は、前記整数倍成分振幅が一定になるように前記励振強度を制御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。
【請求項４】
前記励振強度調節部は、前記カンチレバーの走査によって１枚以上の画像が得られる時間に対応する速さで前記励振強度を調節する低速制御部を含む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。
【請求項５】
前記励振強度調節部は、前記１枚以上の画像が得られる時間に対応する時定数を持つ積分回路を含むことを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
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回路と、
前記カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出する整数倍振幅検出回路と、
検出された前記整数倍成分振幅に基づいて前記カンチレバーの励振源の励振強度を調節する励振強度調節回路と、
を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
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、前記カンチレバーを励振するカンチレバー励振装置であって、
前記カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出する整数倍振幅検出部と、
検出された前記整数倍成分振幅に基づいて前記カンチレバーの励振源の励振強度を調節する励振強度調節部と、
を備えたことを特徴とするカンチレバー励振装置。
【請求項８】
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、前記カンチレバーを励振するカンチレバー励振方法であって、
前記カンチレバーを設定された励振周波数で励振し、
前記カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出し、
検出された前記整数倍成分振幅に基づいて前記カンチレバーの励振源の励振強度を調節する、
ことを特徴とするカンチレバー励振方法。
【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し、特に、カンチレバーを励振する技術に関する。
【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（ＳＴＭ）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。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。試料への接触により、カンチレバーの振動振幅が減少する。変位センサの出力に基づき、振幅減少量を保ったままカンチレバーと試料が相対的に走査される。【０００３】
振幅減少量を一定に保つために、振幅目標値（セットポイント）が設定される。振幅目標値は、自由振動振幅より少し小さく設定される。例えば、振幅目標値は、自由振動振幅の０．９倍に設定される。試料ステージのＸＹ方向の走査中に変位センサにより振幅値が検出され、振幅値が振幅目標値に一致するように試料ステージが上下方向（Ｚ方向）にフィードバック制御される。【０００４】
振幅値が振幅目標値よりも小さくなった場合には、ＡＦＭは、探針が試料に近づき過ぎていると判断し、試料ステージをカンチレバーから遠ざける。他方、振幅値が目標値よりも大きくなった場合には、ＡＦＭは、探針が試料から離れ過ぎていると判断して試料ステージをカンチレバーに近づける。このようなフィードバック走査によって試料と探針の距離が一定に維持され、フィードバック信号などから試料の表面形状などの情報が得られる。【０００５】
このようなフィードバック走査は、カンチレバーの励振効率が一定であることを前提としている。励振効率は、概念的には、励振源の励振強度（振幅Ａ０）に対するカンチレバーの実際の振動強度（振幅Ａ）の大きさであり、振幅比（ｋＡ／Ａ０、ｋは定数）で表すことができる。励振源は例えば上記の圧電素子である。カンチレバーの実際の振幅は、カンチレバーおよびその他の関連要素の影響を受ける。例えば、液体中での使用では、周囲の液体がカンチレバーの振幅に影響する。このような種々の要因でカンチレバーの振幅が決まり、励振効率も決まる。【０００６】
しかしながら、実際のＡＦＭでは励振効率が走査中に変化してしまうことが知られている。例えば、励振効率が下がったとすると、カンチレバーの振幅が減少する。この場合、ＡＦＭは、探針が試料に近づき過ぎていると判断して、試料ステージをカンチレバーから遠ざけてしまう。励振効率が下がるほどカンチレバー探針は試料表面からますます遠ざかり、やがて探針は試料表面から完全に離れてしまい、その結果、ＡＦＭはイメージングを行えなくなる。【０００７】
このような励振効率のドリフトは、種々のドリフトの中で最も大きな問題になる。このドリフトが原因になり、長時間（数分）のイメージングが難しくなる。この問題は、高速な原子間力顕微鏡でも通常の原子間力顕微鏡でも存在する。【０００８】
従来、励振効率を検出しようとした場合、探針が試料表面から完全に離れている状態で振動振幅を計測し、自由振動振幅を求める必要がある。この計測は、実際のイメージング走査中にはできない。したがって、従来の検出方法を利用しても、走査中の励振効率ドリフトの補正はできない。【０００９】
励振効率のドリフトが生じると、振幅とその目標値の関係が変化し、その結果として上記のようにイメージングに悪影響が及ぶ。このような問題に対処するため、Ｓｃｈｉｅｎｅｒらは、カンチレバーの２倍波共振（１次共振周波数の２倍の周波数成分）の振幅信号が探針−試料間の接触の強さに対して敏感であることを利用して、振幅目標値に対してＰＩ制御を行っている（Schiener  et  al.,  "Stabilized  atomic  force  microscopy  imaging  in  liquids  using  second  harmonic  of  cantilever  motion  for  setpoint  control",  Review  Of  Scientific  Instrument,  American  Institute  of  Physics,  August  2004,  Volume  75,  Number  8,  pp.2564-2568.）。しかし、この方法は、目標値を変える結果として探針−試料間に働く力を走査中に変化させてしまう点で不利である。【００１０】
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にも生じ得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、走査中に励振効率が変化しても、長時間安定に使用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】
【００１２】
本発明の一の態様は、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であって、カンチレバーを励振する励振部と、カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出する整数倍振幅検出部と、検出された整数倍成分振幅に基づいて励振部の励振強度を調節する励振強度調節部と、を備えている。【００１３】
本発明の別の態様に係る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、カンチレバーと、カンチレバーを振動させる発振回路と、カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出する整数倍振幅検出回路と、検出された整数倍成分振幅に基づいてカンチレバーの励振源の励振強度を調節する励振強度調節回路と、を備える。【００１４】
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、カンチレバーを励振するカンチレバー励振装置であって、カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出する整数倍振幅検出部と、検出された整数倍成分振幅に基づいてカンチレバーの励振源の励振強度を調節する励振強度調節部と、を備えている。【００１５】
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、カンチレバーを励振するカンチレバー励振方法であって、カンチレバーを設定された励振周波数で励振し、カンチレバーにおける励振周波数の整数倍の周波数成分の振幅である整数倍成分振幅を検出し、検出された整数倍成分振幅に基づいてカンチレバーの励振源の励振強度を調節する。【００１６】
上述のように、本発明によれば、カンチレバーの振動の整数倍成分振幅が検出されて、整数倍成分振幅に基づいて励振強度が調節される。整数倍成分振幅は、探針−試料間の接触の強さに敏感である。励振強度は、励振源の強度（振幅）であり、励振源は例えば圧電素子である。本発明により、励振効率が変化しても、励振源サイドの励振強度が調節制御されて整数倍成分振幅が維持される。これにより、カンチレバーサイドでは探針部分の実際の接触強さと振幅（より詳細には、試料の凹凸に依存しない長時間平均としての接触強さと振幅（共振））が保たれる。したがって、長時間安定に顕微鏡を使用することが可能になる。【００１７】
このように、本発明は、上記の整数倍成分振幅に基づいて励振強度を調節することにより、励振効率が変化しても、長時間安定に顕微鏡を使用することを可能にする。【００１８】
本発明は、接触ＡＦＭ（Contact  AFM）にも非接触ＡＦＭ（Non-contact  AFM）にも適用されてよい。具体的には、接触ＡＦＭではカンチレバーが試料に接触し、接触しているカンチレバーの整数倍波成分振幅が検出される。一方、非接触ＡＦＭではカンチレバーが試料に近接し、近接しているカンチレバーの整数倍波成分振幅が検出される。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。この相互作用力と整数倍波成分の関係が、接触ＡＦＭにおける接触強さと整数倍波成分の関係と同様に利用されてよい。これにより、本発明が非接触ＡＦＭに適用されてよい。この点は、以下の説明において同様に当てはまる。【００１９】
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】
【００２０】
【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のブロック図である。
【図２】図２は、カンチレバー振動のパワースペクトルを示す図である。
【図３】図３は、原子間力顕微鏡における励振機能の構成を示す図である。
【図４】図４は、本実施の形態による励振強度調節の効果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。【００２２】
本実施の形態では、本発明が原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）に適用される。
図１は、本実施の形態の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の振幅を一定に保つフィードバック走査のための構成と、装置全体を制御するコンピュータ７とを備えている。【００２３】
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いる。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はアクチュエータ１３を備えている。アクチュエータ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、Ｚ方向に動かして、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、ＸＹ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。アクチュエータ１３は、アクチュエータ駆動回路１５によって駆動され、アクチュエータ駆動回路１５は走査制御回路１７によって制御される。【００２４】
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。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は励振用ピエゾ素子２３（励振用圧電素子）と共に設けられており、励振用ピエゾ素子２３は、ピエゾ素子駆動回路２５によって駆動される。発振器２７は正弦波発振器である。発振器２７から供給される励振信号に従って、ピエゾ素子駆動回路２５が励振用ピエゾ素子２３を振動させ、カンチレバー５を振動させる。発振器２７はコンピュータ７により制御されており、発振器２７へはコンピュータ７から励振強度（振幅）を表す指令信号が供給される。【００２５】
また、本実施の形態の特徴として、カンチレバー５の励振効率のドリフトの影響を防ぐために、２倍波振幅検出回路３１および励振強度調節回路３３が備えられている。これら構成については後に詳細に説明する。【００２６】
センサ４１は、レーザユニット４３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４３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４１に届く。センサ４１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。【００２７】
ＡＦＭ１は、フィードバック走査のために、振幅検出回路４５およびフィードバック回路４７を備えている。振幅検出回路４５は、センサ４１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。ここでは、励振周波数成分（１次成分）の振幅が求められる。【００２８】
検出された振幅値は、フィードバック回路４７へ出力される。また、フィードバック回路４７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４７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。【００２９】
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。【００３０】
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ェース機能も提供する。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。【００３１】
次に、ＡＦＭ１の全体的な動作を説明する。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アクチュエータ駆動回路１５を制御して、アクチュエータ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、励振信号をピエゾ素子駆動回路２５へ供給する。ピエゾ素子駆動回路２５が励振用ピエゾ素子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。【００３２】
ＸＹ走査中、カンチレバー５の変位がセンサ４１により検出され、振幅検出回路４５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４７が、コンピュータ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一致するようにアクチュエータ駆動回路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。【００３３】
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走査を行いながら、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４７からコンピュータ７にも供給される。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。【００３４】
以上にＡＦＭ１の全体的な構成と動作を説明した。次に、本実施の形態に特徴的な、励振効率のドリフトの影響を防ぐ構成と方法について説明する。【００３５】
既に説明したように、ＡＦＭ１の問題点として、励振効率のドリフトが挙げられる。励振効率が一定であることを前提にしていると、励振効率のドリフトによって良好なイメージが得られなくなる。【００３６】
そこで、本発明は、イメージング走査中における励振効率のドリフトを補償する新しい技術を提供する。【００３７】
カンチレバーの振動では、下記の（１）〜（４）の現象が見られる。
（１）カンチレバーの振動は、探針が試料に接触していない場合には、励振の周波数Ｆｃと同じ周波数成分のみをもつ。
（２）探針が試料に接触すると、Ｆｃの整数倍の周波数成分が現れる。
（３）各成分の振幅の大きさは、下記の関係を有する。
２倍波＞３倍波＞４倍波＞・・・・・
（４）２倍波（２次高調波）の振動振幅は、探針と試料の間の接触に敏感である。【００３８】
図２は、カンチレバー振動のパワースペクトルであり、上記の現象を表している。図２のデータは、カンチレバーが振動し、カンチレバーの探針が基板に接触し、レバー振幅が自由振動振幅の９０％であるときのデータである。図示のように、励振周波数の整数倍の周波数成分が現れている。振幅の大きさの関係は、２倍波＞３倍波＞４倍波である。【００３９】
上述のように、２倍波成分は、探針と試料の間の接触に敏感である。したがって、２倍波成分の振幅が一定であれば、探針と試料の接触強さが維持され、探針部分での実際の振幅が維持される。励振効率が変化したとしても、探針部分の実際の接触強さと振幅を維持できれば、ＡＦＭを安定して使用し続けることができる。【００４０】
そこで、ＡＦＭ１は、上記の原理に基づき、２倍波成分の振幅に基づいて励振源であるピエゾ素子の励振強度を制御する。ＡＦＭ１は、カンチレバー５の振動信号から２倍波成分だけを取り出し、２倍波成分の振幅を計測し、その振幅が一定になるように励振源の強度を調節する。本実施の形態ではＩ制御が行われる。そして、励振源の強度は時定数の大きな積分回路を使って自動調節される。このようにして、励振源側の強度を調節することにより、カンチレバー側の実際の接触強度と振幅を維持できる。【００４１】
図１に示すように、ＡＦＭ１は、２倍波成分振幅検出回路３１と、励振強度調節回路３３とを備えている。【００４２】
２倍波成分振幅検出回路３１には、センサ４１から、カンチレバー５の変位信号が入力される。この変位信号は、カンチレバー５の振動を表す。２倍波振幅検出回路３１は、センサ信号から、励振周波数の２倍波成分の振幅を検出し、励振強度調節回路３３に出力する。２倍波振幅検出回路３１は、コンピュータ７により制御されてよい。２倍波検出回路３１は、発振器２７から供給される励振周波数の情報を用いてよい。【００４３】
励振強度調節回路３３は、２倍波振幅検出回路３１により検出された２倍波成分の振幅に基づいて励振強度を調節する。より詳細には、２倍波成分の振幅が一定になるように励振強度がフィードバック制御される。励振強度調節回路３３は、コンピュータ７から２倍波振幅目標値（２倍波成分の振幅目標値）を受け取り、検出された２倍波成分振幅と２倍波振幅目標値の差分に応じた調節信号（フィードバック信号）を発振器２７に供給する。２倍波振幅目標値は、走査開始時の２倍波成分振幅に好適に設定される。２倍波振幅目標値は、実験または計算等によって設定されてよい。実際にＡＦＭ１を動作させてイメージングが行われ、イメージングが良好に行わるように２倍波振幅目標値が調整されてよい。２倍波振幅目標値は、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】
発振器２７は、加算器を内蔵している。発振器２７は、励振強度調節回路３３から供給される調節信号を、コンピュータ７から供給された励振強度指令値（振幅指令値）に加算する。そして、発振器２７は、加算後の信号に従って励振信号を生成する。この励振信号に従ってカンチレバー５が励振され、これにより２倍波成分振幅が目標値に一致するように制御される。【００４５】
ＡＦＭ１で使われている発振器２７についてさらに説明する。発振器２７は、ゲイン調整用の加算器を持っており、指令値のＤＣ信号に外部信号を加算することにより正弦波の振幅を増減するように構成されている。指令値のＤＣ信号として、コンピュータ７からの励振強度の指令値が入力される。また、外部信号として、低速制御回路（図３の符号６５、図１の符号３３）から調節信号が入力される。外部信号が加算されると、加算後の信号に比例して出力信号が変化する。【００４６】
図３は、上記の構成をより具体的に示している。図３において、ＡＦＭ１は、ロックインアンプ６１、差分増幅器６３、低速制御回路６５（SLOW  CONTROLLER）、加算器６７および発振回路６９を備えている。【００４７】
ロックインアンプ６１は、図１の２倍波振幅検出回路３１に対応する。ロックインアンプ６１は、非常に狭い帯域を持つバンドパスフィルタの機能を有する。ロックインアンプ６１にはセンサ４１からセンサ変位信号が入力される。また、ロックインアンプ６１には、発振回路６９の出力信号（励振信号）が、励振周波数を特定する参照信号として入力される。ロックインアンプ６１は、センサ変位信号から励振周波数の２倍の周波数成分を抽出し、２倍波成分の振幅の信号を生成して差分増幅器６３に出力する。図３では省略されている詳細な回路構成を説明すると、ロックインアンプ６１は２倍波成分を検出しており、ロックインアンプ６１の出力が小さい。そこで、ロックインアンプ６１と差分増幅器６３の間に増幅器が好適に設けられる。【００４８】
差分増幅器６３および低速制御回路６５は、図１の励振強度調節回路３３に対応する。差分増幅器６３は、検出された２倍波成分振幅と２倍波振幅目標値との差分に応じた信号を出力する。低速制御回路６５は、時定数の大きな積分回路である。低速制御回路６５は、励振強度の調節の速さを、ＡＦＭ１の１画像取得時間以上といった長い時間に相当する速さへと遅くする役割をもつ。調節の速さは、例えば、１画像取得時間の１〜１０倍程度に好適に設定される。要するに、１〜１０枚程度（数枚程度）の画像が取得される時間に相当する時定数を持つように、積分回路が構成される。これにより、試料の凹凸によるカンチレバー振動振幅の変化の影響を受けるのを防ぐことができる。【００４９】
加算器６７と発信回路６９は、図１の発振器２７に対応する。上述したように、発振器２７が加算器６７の機能を内蔵している。低速制御回路６５の出力信号は、加算器６７に入力される。加算器６７には、さらに、コンピュータ７から、励振強度指令値のＤＣ信号が入力される。加算器６７は、励振強度指令値に、低速制御回路６５から供給される調節信号を加算する。加算後の信号が発振回路６９に供給され、励振用ピエゾ素子２３の励振に使用される。これにより、励振強度が、２倍波成分振幅の検出値と目標値の差分に応じて調節され、２倍波成分振幅の検出値が目標値に一致するように制御される。【００５０】
図４は、本実施の形態による励振強度調節の効果を示している。図４は、時間の経過に伴う２倍波成分振幅と調節信号の変化を示している。計測対象は、マイカ基板に吸着させたアクチンフィラメントとミオシンＶの複合体である。計測時間は１８０秒（３分）である。２倍波成分振幅は、図３のロックインアンプ６１の出力であり、２倍波成分の振幅検出値である。調節信号は、図３の低速制御回路６５の出力である。また、図中の画像は、計測時間中の各時点で得られた画像である。【００５１】
図４において、調節信号は時間経過と共に増加しているが、２倍波成分振幅は一定に保たれている。調節信号の増加は、２倍波成分振幅の維持のために励振強度を増大する必要があったことを意味している。このことは、励振効率がドリフトしたこと、より詳細には、図の例では励振効率が低下したことを意味している。そして、励振効率がドリフトしたにも拘わらず、調節信号の供給によって２倍波成分が一定に保たれており、探針と試料基板との接触の強さの長時間平均が一定であることが分かる（長時間平均は、実際のイメージングよりも十分に長い時間における平均である）。【００５２】
そして、図４に示されるように、本実施の形態のＡＦＭ１によれば、計測時間中、安定なイメージングが行われている。２倍波成分振幅を一定に保つことによって自由振動振幅が維持されつつ、励振周波数成分（１次成分）の振幅に基づいてフィードバック走査が行われており、これにより、イメージングが好適に行われる。【００５３】
さらに、図４では、１８０秒が経過したときに、調節信号の供給を停止している。調節信号の供給が停止すると、励振強度が、コンピュータ７からの指令値に戻る。実際の励振効率は低下しているので、カンチレバー５の振幅が急に減少する。そのため、Ｚ走査では、１次成分振幅が目標値より小さくなる。そして、カンチレバー５が試料から遠ざけられ、試料から離れてしまい、その結果、図示のようにイメージングが不可能になる。このことからも、本実施の形態による励振強度の調節の効果が分かる。【００５４】
図４の例では、イメージングの速度が２００ｍｓｅｃ／ｆｒａｍｅである。本実施の形態のＡＦＭ１は、さらに高速のイメージングにも好適に用いられる。また、本実施の形態のＡＦＭ１は、生体分子のナノ機能動態を観察するために好適に利用されてよく、液中の生きたタンパク質の動きの観察に好適に利用されてよい。【００５５】
次に、本実施の形態の変形例を説明する。図３の構成では、２倍波成分を取り出すのに、ロックインアンプ６１が用いられている。しかし、他の構成によって２倍波成分振幅が検出されてよい。例えば、ＡＦＭ１は、ロックインアンプ６１の代わりに、狭い帯域を持つバンドパスフィルタを備えてよい。カンチレバー５の変位信号がバンドパスフィルタに通されて、２倍波成分の振幅が検出されてよい。【００５６】
また、具体的構成の例では、発振器２７が加算器６７を内蔵していた。しかし、加算器６７は発振器２７に内蔵されていなくてもよい。また、同様の機能が、他の構成によって実現されてよい。例えば、同様の構成が、発振器の出力側に乗算器を設けることによって実現されてもよい。より詳細には、まず、調節信号が、低速制御回路６５の出力側に配置された加算器により、適当な基準電圧（例えば１Ｖ）と加算される。これにより、調節信号が基準電圧付近で変動するように変換される。この信号が、発振器の出力側に配置された乗算器に入力され、発振器の出力と乗算される。これにより、図３の回路構成と同様に、励振強度が調節される。【００５７】
また、本実施の形態では、２倍波成分振幅の自動調節が、積分回路で実現されている。しかし、同様の機能が他の構成で得られてよい。例えば、デジタル回路で同様の機能が実現されてよい。【００５８】
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、磁性化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。【００５９】
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、カンチレバー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。カンチレバー５の振動の２倍波振幅成分が検出される。そして、２倍波振幅成分が一定になるように、励振強度としてレーザ光強度が調節される。同様に、磁力を利用する場合も、２倍波成分振幅が検出され、２倍波成分が一定になるように励振強度が調節される。【００６０】
また、２倍波振幅検出回路３１は、整数倍振幅検出回路または整数倍振幅検出部の一例である。他の整数倍成分振幅、例えば３倍波成分の振幅が検出され、励振強度の調節制御に使用されてよい。利用される成分に応じて目標値も適当に設定される。ただし、２倍波成分は、探針の接触強度に敏感であり、かつ、振幅が比較的大きい点で有利である。【００６１】
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。接触ＡＦＭでは、カンチレバーが試料に接触し、接触しているカンチレバーの整数倍波成分振幅が検出される。しかし、本発明は、非接触ＡＦＭ（Non-contact  AFM）にも適用されてよい。非接触ＡＦＭへの適用例では、カンチレバーが試料に近接し、近接しているカンチレバーの整数倍波成分振幅が検出される。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。この相互作用力と整数倍波成分の関係が、接触ＡＦＭにおける接触強さと整数倍波成分の関係と同様に利用される。これにより、本発明が非接触ＡＦＭにも接触ＡＦＭと同様に適用される。【００６２】
また、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。そして、試料ステージの上にカンチレバーが配置されてよい。【００６３】
また、カンチレバーは窒化シリコン製でなくてもよい。例えば、カンチレバーはシリコン製でもよい。【００６４】
以上に本発明の好適な実施の形態について説明した。本発明によれば、カンチレバーの振動の整数倍成分振幅が検出されて、整数倍成分振幅に基づいて励振強度が調節される。整数倍成分振幅は、探針−試料間の接触の強さに敏感である。励振強度は、励振源の強度（振幅）であり、励振源は例えば圧電素子である。励振効率が変化すると、励振源の励振強度および振幅に対するカンチレバーの実際の振動強度および振幅が変化する。本発明は、励振源の励振強度を調節して整数倍成分振幅を維持する。整数倍成分振幅が維持されれば、カンチレバーの実際の強度および振幅が維持される。つまり、整数倍成分振幅に基づき励振源サイドの振動強度が調節されるので、カンチレバーサイドの実際の振動強度と振幅が維持される。したがって、励振効率が変化しても安定して顕微鏡を使用できる。【００６５】
なお、上述したように、本発明は、接触ＡＦＭ（Contact  AFM）にも非接触ＡＦＭ（Non-contact  AFM）にも適用されてよい。非接触ＡＦＭでは、探針−試料間相互作用力と整数倍波成分の関係が、接触ＡＦＭにおける接触強さと整数倍波成分の関係と同様に利用される。【００６６】
また、本発明では、整数倍成分振幅として、２倍波成分振幅が検出されてよい。２倍波成分振幅は、３倍波、４倍波等の他の整数倍成分振幅と比べて大きい。このように、２倍波成分振幅は比較的大きく、容易に検出される。したがって、２倍波成分振幅を用いることにより容易に励振強度を調節できる。【００６７】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、整数倍成分振幅が一定になるように励振強度を制御してよい。整数倍成分振幅を一定にすることにより、振動の強さを維持でき、長時間安定に顕微鏡を使用できる。【００６８】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの走査によって１枚以上の画像が得られる時間に対応する速さで励振強度を調節してよい。より詳細には、１枚以上の画像が得られる時間に対応する時定数を持つ積分回路が設けられてよい。調節速さおよび時定数は、複数枚の試料画像が得られる複数画像取得時間以上の時間に対応するように好適に設定されてよい。このように複数枚の画像が得られる時間に応じて調節速さおよび時定数が設定されてよく、より詳細には、上記の例のように１０枚程度の画像取得時間に応じて調節速さおよび時定数が設定されてよい。このような処理により、試料の凹凸に応じた整数倍成分の振幅変化の影響を避けることができ、良好なイメージが得られる。【００６９】
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が、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】
【００７０】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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