(57)【要約】  ＦＭモードの走査プローブ顕微鏡のカンチレバーが、機械的Ｑ値が低い環境においても安定に振動し、かつ、カンチレバーとサンプルの相互作用に対して高い感度を持つ走査プローブ顕微鏡装置を提供する。  カンチレバー（４）の共振周波数に近い周波数を持つ駆動信号を信号発生器（９）から振動励起手段（１０）に供給し、カンチレバー（４）を他励振動（強制振動）させる。振動検出手段（５）によって検出されたカンチレバー（４）の振動と前記駆動信号との位相差がゼロになるように、即ち前記駆動信号とカンチレバー（４）の共振周波数が一致するように、（１）前記駆動信号の周波数、または、（２）カンチレバーの共振周波数を（カンチレバー（４）とサンプル（１）の距離を調整することによって）制御する。
2008015916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に機械的振動子を作用させて試料の撮像を行う走査プローブ顕微鏡装置において、
（ａ）第１の制御器と、
（ｂ）該第１の制御器に接続される、試料のＸＹＺスキャナ及びＸＹ走査画像化システムと、
（ｃ）信号発生器と、
（ｄ）該信号発生器に接続される振動励起手段と、
（ｅ）該振動励起手段からの出力信号により強制振動する機械的振動子と、
（ｆ）該機械的振動子の振動を検出する振動検出手段と、
（ｇ）該振動検出手段に接続される位相差検出手段と、
（ｈ）該位相差検出手段からの位相差信号を入力するとともに、前記第１の制御器と前記信号発生器に周波数制御信号を出力する第２の制御器とを備え、
（ｉ）前記信号発生器から前記機械的振動子の共振周波数付近の周波数の駆動信号を発生させ、それを前記振動励起手段に入力し、前記機械的振動子を強制振動させ、前記位相差検出手段からの位相差を一定の値に維持するように制御することによって、前記試料の撮像を行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子がカンチレバーであることを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡装置において、更に、前記位相差検出手段からの位相差信号を導入する第１の接続手段と前記第２の制御器からの周波数制御信号を導入する第２の接続手段とを切り替え可能な第１の切替手段と、前記第２の制御器からの周波数制御信号を開閉可能な第２の切替手段とを備え、前記第１の切替手段の出力側に前記第１の制御器を、前記第２の切替手段の出力側に前記信号発生器をそれぞれ接続してなる走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡装置において、更に、前記位相差検出手段からの位相差信号と前記第２の制御器からの周波数制御信号の両方を任意の割合で混合して前記第１の制御器に入力する装置と、周波数制御信号を任意の強度に調整してから前記信号発生器に入力する装置とを有することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、該共振周波数に基づいて前記試料と前記機械的振動子との相互作用力像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１から４の何れか一項記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、該共振周波数に基づいて前記試料の凹凸像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項１から４の何れか一項記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、該共振周波数に基づいて前記共振周波数と機械的振動子−試料間距離の関係を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【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装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ顕微鏡としての原子間力顕微鏡の撮像モードの一つに、ＦＭ（周波数変調：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モードがある。このＦＭモードでは、原子間力顕微鏡装置のカンチレバーに自励振動を発生させ、その周波数の変化からカンチレバーと試料（サンプル）の相互作用力を検出し、この相互作用力を画像化するか、あるいはこの相互作用力が一定になるようにカンチレバーとサンプルの距離を調節することによって、サンプルの凹凸を画像化することができる。【０００３】
図１は従来のカンチレバーとサンプルの距離に対する特性図である。【０００４】
図１（ａ）はカンチレバーとサンプルの距離対相互作用力の一例を示している。カンチレバーには固有のバネ定数と質量から決まる機械的共振周波数があるが、図１（ａ）のような距離によって値が変化する外力が作用すると、見かけのバネ定数が変化し、共振周波数が変化する。図１（ｂ）は距離対共振周波数の関係の一例である。【０００５】
図２は従来の原子間力顕微鏡のＦＭモードの制御システムの一例である。【０００６】
この図において、１０１は試料（サンプル）、１０２はサンプル台、１０３はＸＹＺスキャナ、１０４はサンプル１０１の特性を計測するためのカンチレバー、１０５はカンチレバー１０４の振動を検出する振動検出手段、１０６は振動検出手段１０５からの検出信号を受ける、バンドパスフィルタ、振幅安定化及び位相調整を行う検出信号波形処理システム、１０７は検出信号波形処理システム１０６に接続されるＦＭ検波器、１０８はＦＭ検波器１０７に接続される制御器、１０９は検出信号波形処理システム１０６に接続される振動励起手段、１１０はＸＹ走査画像化システムであり、サンプル１０１は、制御器１０８からのＺ軸制御信号と、ＸＹ走査画像化システム１１０からのＸＹ走査信号によって、ＸＹＺの走査を行うことができる。【０００７】
すなわち、カンチレバー１０４の振動を検出した信号（検出信号）を、検出信号波形処理システム１０６により、必要に応じて増幅し、振幅を安定化させ、位相を調節した上で振動励起手段１０９にフィードバックすると、カンチレバー１０４は共振周波数で自励振動する。この自励振動の周波数をＦＭ検波器１０７で検出することによって、カンチレバー１０４の共振周波数を知り、ひいてはカンチレバー１０４とサンプル１０１の相互作用力を知ることができる。【０００８】
上記の方法で相互作用力を検出しながら、サンプル１０１をＸＹ走査画像化システム１１０からのＸＹ走査信号によりＸＹ走査し、該当するＸＹ座標点における相互作用力を画像化することによって、相互作用力像を得ることができる。また、相互作用力が一定になるように、カンチレバー１０４とサンプル１０１の距離（Ｚ軸の位置）を、制御器１０８からのＺ軸制御信号によりＺ軸を制御しながらＸＹ走査することにより、サンプル１０１の凹凸像を得ることもできる。【０００９】
なお、自励振動を発生させるフィードバックループ（自励ループ）に周波数変換を含む（スーパーヘテロダイン方式）場合もある。また、スーパーヘテロダインにＰＬＬを組み合わせ発振の安定化を図ったものもある。【００１０】
なお、試料の撮像装置の位相フィードバック方式としては、詳細に後述するが、下記非特許文献を挙げることができる。【００１１】
また、カンチレバーの励振については下記特許文献１が、プローブ及びプローブ顕微鏡装置については下記特許文献２を挙げることができる。
【特許文献１】ＷＯ  ０２／１０３３２８  Ａ１
【特許文献２】ＷＯ  ２００５／０１５５７０  Ａ１
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １５７（２０００）、ｐｐ．３３２−３３６
【発明の開示】
【００１２】
カンチレバーには、通常、複数の振動モードが存在する。また、カンチレバー以外の機構の共振周波数や、カンチレバーが水中に設置される場合には水面での音波の反射による共振周波数が寄生的に存在する場合もある。目的のモードで自励振動を発生させるためには、自励ループにバンドパスフィルタを入れ、目的のモード以外のループゲインを低下させる必要がある。隣接するモードの周波数が近接している場合、バンドパスフィルタの通過帯域を狭帯域にしなければならない。
【００１３】
また、カンチレバーが空気中や水中に設置されているような場合、機械振動子としてのＱ値が下がるので、検出信号のＳ／Ｎ比が悪化して自励発振の周波数と振幅が不安定になりやすい。バンドパスフィルタは検出信号に含まれるノイズを除去する効果も果たすので、バンドパスフィルタの通過帯域を狭帯域にすれば、Ｑ値が低い環境でも安定な自励振動が得られる。
【００１４】
しかしながら、狭帯域のバンドパスフィルタを用いると、発振周波数は主としてバンドパスフィルタの中心周波数で決定されるようになり、カンチレバーの共振周波数を検出するという本来の目的から外れることになる。
【００１５】
スーパーヘテロダイン方式にＰＬＬを組み合わせることによって発振を安定化させる方式も存在するが、装置が複雑になるためコストがかかり、また、使用者が動作を理解しにくいという欠点がある。
【００１６】
図３は従来のカンチレバーとサンプルの距離に対する共振周波数の関係の測定システムの構成図である。
【００１７】
また、従来技術によれば、カンチレバーとサンプルの距離に対する共振周波数の関係（図１の（ｂ）のごときプロット）を取得する場合、図３に示すように、ＸＹ走査を停止し、Ｚ軸に強制的に三角波発生器１１１からの三角波を入力し、それに対して自励発振周波数がどう変化するかをＦＭ検波器１０７によって検出し、プロットすることになる。
【００１８】
しかしながら、この方法は、距離が入力で共振周波数が出力になっているため、図１（ｂ）のカーブの極小点よりも左側のように、僅かな距離の変化に対して共振周波数が大きく変化する部分においては、測定の精度が悪い。また、Ｚ軸はオープンループ制御になっているため、Ｚ軸のドリフトが無視できる程度の短時間に測定を終了しなければならない。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みて、ＦＭモードの走査プローブ顕微鏡のカンチレバーが、機械的Ｑ値が低い環境においても安定に振動し、かつ、カンチレバーとサンプルの相互作用に対して高い感度を持つ走査プローブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【００２０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕試料に機械的振動子を作用させて試料の撮像を行う走査プローブ顕微鏡装置において、第１の制御器と、この第１の制御器に接続される、試料のＸＹＺスキャナ及びＸＹ走査画像化システムと、信号発生器と、この信号発生器に接続される振動励起手段と、この振動励起手段からの出力信号により強制振動する機械的振動子と、この機械的振動子の振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段に接続される位相差検出手段と、この位相差検出手段からの位相差信号を入力するとともに、前記第１の制御器と前記信号発生器に周波数制御信号を出力する第２の制御器とを備え、前記信号発生器から前記機械的振動子の共振周波数付近の周波数の駆動信号を発生させ、それを前記振動励起手段に入力し、前記機械的振動子を強制振動させ、前記位相差検出手段からの位相差を一定の値に維持するように制御することによって、前記試料の撮像を行うことを特徴とする。
【００２１】
〔２〕上記〔１〕記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子がカンチレバーであることを特徴とする。
【００２２】
〔３〕上記〔１〕記載の走査プローブ顕微鏡装置において、更に、前記位相差検出手段からの位相差信号を導入する第１の端子と前記第２の制御器からの周波数制御信号を導入する第２の端子とを切り替え可能な第１の切替器と、前記第２の制御器からの周波数制御信号を開閉可能な第２の切替器とを備え、前記第１の切替器の出力側に前記第１の制御器を、前記第２の切替器の出力側に前記信号発生器をそれぞれ接続してなる。
【００２３】
〔４〕上記〔１〕記載の走査プローブ顕微鏡装置において、更に、前記位相差検出手段からの位相差信号と前記第２の制御器からの周波数制御信号の両方を任意の割合で混合して前記第１の制御器に入力する装置と、周波数制御信号を任意の強度に調整してから前記信号発生器に入力する装置とを有することを特徴とする。
【００２４】
〔５〕上記〔１〕から〔４〕の何れか一項記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、この共振周波数に基づいて前記試料と前記機械的振動子との相互作用力像を取得することを特徴とする。
【００２５】
〔６〕上記〔１〕から〔４〕の何れか一項記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、この共振周波数に基づいて前記試料の凹凸像を取得することを特徴とする。
【００２６】
〔７〕上記〔１〕から〔４〕の何れか一項記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、この共振周波数に基づいて前記共振周波数と機械的振動子−試料間距離の関係を取得することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来のカンチレバーとサンプルの距離に対する特性図である。
【図２】従来の原子間力顕微鏡のＦＭモードの制御システムの一例である。
【図３】従来のカンチレバーとサンプルの距離に対する共振周波数の関係の測定システムの構成図である。
【図４】本発明の第１実施例を示す走査プローブ顕微鏡装置（トラッキング他励方式）のシステム構成図である。
【図５】本発明の参考例を示す走査プローブ顕微鏡装置（位相フィードバック方式）のシステム構成図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す走査プローブ顕微鏡装置（トラッキング他励方式によるアプローチと位相フィードバック方式によるアプローチ）のシステム構成図（その１）である。
【図７】本発明の第２実施例を示す走査プローブ顕微鏡装置（トラッキング他励方式によるアプローチと位相フィードバック方式によるアプローチ）のシステム構成図（その２）である。
【図８】本発明の走査プローブ顕微鏡装置により撮像されたへき開マイカのＡＦＭ像である。
【図９】本発明の走査プローブ顕微鏡を用いた試料としてのへき開マイカ〔図８（ｃ）参照〕のＡＦＭ像である。
【図１０】図９の断面（Ａ−Ａ）の断面プロファイルである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の走査プローブ顕微鏡装置は、第１の制御器と、この第１の制御器に接続される、試料のＸＹＺスキャナ及びＸＹ走査画像化システムと、信号発生器と、この信号発生器に接続される振動励起手段と、この振動励起手段からの出力信号により強制振動する機械的振動子と、この機械的振動子の振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段に接続される位相差検出手段と、この位相差検出手段からの位相差信号を入力するとともに、前記第１の制御器と前記信号発生器に周波数制御信号を出力する第２の制御器とを備え、前記信号発生器から前記機械的振動子の共振周波数付近の周波数の駆動信号を発生させ、それを前記振動励起手段に入力し、前記機械的振動子を強制振動させ、前記位相差検出手段からの位相差を一定の値に維持するように制御することによって、前記試料の撮像を行う。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。【００３０】
図４は本発明の第１実施例を示す走査プローブ顕微鏡装置（トラッキング他励方式）のシステム構成図である。【００３１】
この図において、１は試料（サンプル）、２はサンプル台、３はＸＹＺスキャナ、４はサンプル１の撮像を行うためのカンチレバー、５はそのカンチレバー４の振動を検出する振動検出手段、６は振動検出手段５からの検出信号を受ける、位相差検出手段、７は位相差検出手段６からの位相差信号を受ける第２の制御器、８は第２の制御器７に接続される第１の制御器、９は第２の制御器７からの周波数制御信号を受ける信号発生器、１０は信号発生器９からの駆動信号を受ける振動励起手段、１１は第１の制御器８に接続されるＸＹ走査画像化システムであり、第１の制御器８からのＺ軸制御信号はＸＹＺスキャナ３に接続される。また、信号発生器９からの駆動信号は振動励起手段１０を介してカンチレバー４を振動させる。信号発生器９からの駆動信号は、参照信号として、位相差検出手段６の入力側に接続される。【００３２】
ここでは、位相差検出手段６によって検出した位相差がゼロになるように信号発生器９の周波数を変化させ、駆動信号の周波数がカンチレバー４の共振周波数に一致するように自動制御する。このとき、周波数制御信号の値は、信号発生器９の周波数をカンチレバー４の共振周波数に一致させるために必要だった補正の量を意味している。つまり、周波数制御信号の値はカンチレバー４の共振周波数（ただしオフセット付きの）を表している。【００３３】
従って、ＸＹ座標の各位置における周波数制御信号の値をプロットすると共振周波数像、言い換えると、相互作用力像が得られる。また、周波数制御信号が常にゼロ（または一定値）になるようにカンチレバー４とサンプル１の距離（Ｚ軸の位置）を制御し、ＸＹ座標の各位置におけるＺ軸の位置をプロットすると、サンプル１の凹凸像が得られる。【００３４】
要するに、カンチレバー４の共振周波数に近い周波数を持つ駆動信号を信号発生器９から振動励起手段１０に供給し、カンチレバー４を他励振動（強制振動）させる。振動検出手段５によって検出されたカンチレバー４の振動と前記駆動信号との位相差がゼロになるように、即ち前記駆動信号とカンチレバー４の共振周波数が一致するように、（１）前記駆動信号の周波数、または、（２）カンチレバーの共振周波数を（カンチレバー４とサンプル１の距離を調整することによって）制御する。【００３５】
ここで、本発明の参考例として、位相フィードバック方式について説明する。【００３６】
図５は本発明の参考例を示す走査プローブ顕微鏡装置（位相フィードバック方式）のシステム構成図である。【００３７】
この図に示すように、位相フィードバック方式は、図４における第２の制御器７を不要にした構成であり、位相差信号のみを監視するシステムとしている。すなわち、第１の制御器２１には位相差信号のみが入力され、信号発生器２２には周波数制御信号は入力されることはなく、独立して信号を発生するようにしている。【００３８】
位相差検出手段６により検出した位相差がゼロになるように、カンチレバー４とサンプル１の距離（Ｚ軸の位置）を制御する。この制御は、相互作用力が一定になるように制御することを意味する。ＸＹ座標の各位置におけるＺ軸の位置をプロットすると、サンプル１の凹凸像が得られる。【００３９】
また、Ｚ軸の制御の応答を遅くすると、ＸＹ走査による相互作用力の変動（つまり位相差信号の変動）の補正が追いつかなくなるので、位相差信号に相互作用力の情報が残るようになり、ＸＹ座標の各位置における位相差信号の値をプロットすることによって、相互作用力像を得ることもできる。【００４０】
なお、タッピングモードのＡＦＭの制御法として、ブロックダイヤグラムのレベルではこの図とほとんど同じ図になる制御法があるが、そのタッピングモードはカンチレバーの共振周波数から相互作用力を検出するわけではなく、振動の振幅も格段に大きいものといった相違点がある。【００４１】
次に、位相フィードバック方式によるΔｆ−Ｚカーブの取得について説明する。【００４２】
前述の位相フィードバック方式はなんらかの像の取得を目的としているが、ＸＹ走査を停止して、カンチレバーとサンプルの距離に対する共振周波数の変化（Δｆ−Ｚカーブ、すなわち、従来技術の図１の（ｂ）のようなプロットを測定する場合、前述の位相フィードバック方式のＺ軸制御が利用できる。【００４３】
位相フィードバック方式では、カンチレバーはつねに周波数発生器の周波数で強制振動させられ、カンチレバーの共振周波数の方が周波数発生器の周波数に一致するまでカンチレバーとサンプルの距離が調節される。【００４４】
したがって、信号発生器の周波数を変化させ、それに伴うＺ軸の制御信号をプロットすれば、カンチレバーとサンプルの距離に対する共振周波数の変化を取得することができる。【００４５】
また、この方法では、入力が共振周波数で出力が距離と見なすことができるので、従来技術の図１（ｂ）のカーブの極小点より左側のような、僅かな距離変化に対して共振周波数が大きく変動する場合に、精度良く測定することが可能である。
次に、トラッキング他励方式と位相フィードバック方式による撮像について説明する。【００４６】
図６は本発明の第２実施例を示す走査プローブ顕微鏡装置（トラッキング他励方式によるアプローチと位相フィードバック方式によるアプローチ）のシステム構成図（その１）である。【００４７】
このシステムでは、位相差検出手段６からの位相差信号を導入する第１の端子３１Ａと第２の制御器７からの周波数制御信号を導入する第２の端子３１Ｂとを切り替え可能な第１の切替器３１と、第２の制御器７からの周波数制御信号を開閉可能な第２の切替器３２とを備え、第１の切替器３１の出力側に第１の制御器８を、第２の切替器３２の出力側に信号発生器９をそれぞれ接続するようにしたものである。【００４８】
上記したように、位相差検出手段６からの出力信号と、第２の制御器７から出力信号とを切り替えることができる第１の切替器３１と、第２の制御器７から出力信号をオンオフできる第２の切替器３２を配置して、位相フィードバック方式と、図４に示したトラッキング他励方式とを切り替えて用いるようにしている。【００４９】
カンチレバー４やサンプル１の取付など、手作業による準備の段階では、カンチレバー４とサンプル１の間にはミリメートルオーダーの距離がある。一方、走査プローブ顕微鏡の撮像時には、カンチレバー４とサンプル１間の距離はナノメートルオーダーの距離に接近させる必要がある。Ｚ軸のスキャナ（通常は圧電素子）の可動範囲はマイクロメートル程度しかないため、ミリメートルオーダーの可動範囲を持つ粗動機構をＺ軸スキャナとは別に設置し、これによってカンチレバー４とサンプル１の距離をＺ軸スキャナの可動範囲まで接近させる必要がある。【００５０】
ところが、位相フィードバック方式は、カンチレバー４とサンプル１の距離を変えるためには信号発生器９の周波数を変え、結果的にその周波数が共振周波数に一致するように距離が制御されるのであるから、この制御方法はＺ軸スキャナの可動範囲内でのみ成立する。言い換えれば、位相フィードバック方式は、距離が先に与えられる状況では成立しない。従って、Ｚ軸の粗動機構を使用する時は、位相フィードバック方式を使えない。【００５１】
この問題は、図６に示すように、粗動機構を使用してカンチレバー４とサンプル１を所定の距離まで接近させる間にはトラッキング他励方式を使い、その後、制御方式を位相フィードバック方式に切替えることによって解決できる。【００５２】
本発明によれば、振幅が安定した信号発生器の信号によってカンチレバー４に他励振動（強制振動）を誘起するので、カンチレバー４のＱ値が低くても振動の振幅を安定させることができる。駆動信号と検出信号の位相差は、駆動信号の周波数とカンチレバー４の共振周波数の差を反映しており、カンチレバー４をサンプル１に対して走査したときに、前記位相差が変化したならば、これはカンチレバー４とサンプル１の間の相互作用力が変化したことを意味する。そこで、カンチレバー４を走査しながら、前記位相差がゼロになるように（１）カンチレバー４とサンプル１の距離を変化させることによって常に共振周波数が駆動周波数に一致する（言い換えるとカンチレバー４とサンプル１の相互作用力が常に一定になる）ように制御し、カンチレバー４とサンプル１の距離を凹凸像として取得する。または、（２）駆動信号の周波数を調整することによってカンチレバー４の共振周波数に一致させるようにフィードバックすることによりカンチレバー４とサンプル１の相互作用力を推定し、それを相互作用力像として取得するか、あるいはもう一重のフィードバックループを構成して相互作用力が一定になるようにカンチレバー４とサンプル１の距離を変化させ、この距離変化を凹凸像として取得する。上記（１）、（２）いずれの場合においても、制御ループの応答速度は必要なＳ／Ｎ比によって決定すればよく、たとえＳ／Ｎ比を重視して応答を遅くしても、従来技術のように共振周波数の検出感度を低下させる要因が存在しない。【００５３】
なお、上記実施例では、位相差検出手段６からの位相差信号を導入する第１の端子３１Ａと前記第２の制御器７からの周波数制御信号を導入する第２の端子３１Ｂとを切り替え可能な第１の切替器３１と、前記第２の制御器７からの周波数制御信号を開閉可能な第２の切替器３２とを備え、第１の切替器３１の出力側に第１の制御器８を、第２の切替器３２の出力側に信号発生器９をそれぞれ接続するように構成しているが、上記実施例と等価な結果を与える、切替器を使用しない実現方法を用いてもよい。例えば、制御器１と制御器２をディジタル信号処理によって実現し、それらの間のディジタル信号線の接続をディジタル的な切替器によって切替える方法、あるいは制御器１と制御器２をディジタル的に実装するプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）のプログラムを変更することによって、上記実施例における切替えと等価な結果を得る方法、あるいは制御器１と制御器２をマイクロコンピュータやディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）によってソフトウエア的に実現し、ソフトウエアのアルゴリズムを変化させることによって切替えを達成する方法などを用いてもよい。【００５４】
図７は本発明の第２実施例を示す走査プローブ顕微鏡装置（トラッキング他励方式によるアプローチと位相フィードバック方式によるアプローチ）のシステム構成図（その２）である。【００５５】
この実施例では、位相差信号が導かれる端子４１と周波数制御信号が導かれる端子４２との間に第１の可変抵抗器４３を配置して、その第１の可変抵抗器４３上の調整された点に第１の制御器８を摺動子４４で接続可能にする。また、周波数制御信号が導かれる端子４５と接地Ｅ間には第２の可変抵抗器４６を配置して、その第２の可変抵抗器４６上の調整された点に信号発生器９を摺動子４７で接続可能にする。摺動子４４と４７とは連動するようにする。【００５６】
上記したように、位相差検出手段６からの位相差信号と第２の制御器７からの周波数制御信号の両方を任意の割合で混合して第１の制御器８に入力する装置と、周波数制御信号を任意の強度に調整してから信号発生器９に入力する装置とを備えるようにすることができる。その場合、上記した装置は、可変抵抗器に代えて電子回路装置で構成するようにしてもよい。【００５７】
この実施例では、アプローチに際して摺動子４４を端子４２側に、摺動子４７を最も上側にそれぞれ移動させ、完全なトラッキング他励方式になるようにしてアプローチを行う。撮像時は摺動子４４を端子４１側に、摺動子４７を接地Ｅの側にそれぞれ移動させ、位相フィードバック方式で撮像を行うことができる。可変抵抗を使用することにより、トラッキング他励から位相フィードバックへ切り替わる過程での信号の不連続な変化による急激なＺ軸の移動によってサンプル１又はカンチレバー４が損傷することを防止することができる。また、トラッキング他励方式で撮像することもできる。【００５８】
図８は本発明の走査プローブ顕微鏡装置により撮像されたへき開マイカのＡＦＭ像であり、図８（ａ）は１０×１０ｎｍ、図８（ｂ）は５×５ｎｍ、図８（ｃ）は２×２ｎｍのそれぞれのサイズで示されている。【００５９】
なお、ここでは、市販のシリコン製のカンチレバーを使用し、純水中たわみ２次モードを用いて撮像した。撮像前に測定した純水中たわみ２次モードの共振周波数は８６２ｋＨｚである。斥力領域（共振周波数が８８２ｋＨｚの地点）で撮像した。振幅（Ａ）を一定に保ち（０．３８ｎｍｐｐ）撮像した。【００６０】
図９は本発明の走査プローブ顕微鏡を用いた試料としてのへき開マイカ〔図８（ｃ）参照〕のＡＦＭ像、図１０はその断面（Ａ−Ａ）の断面プロファイルである。【００６１】
このように、本発明によれば、微小なｐｍレベルの試料の凹凸を撮像することができる。【００６２】
なお、上記実施例では、プローブとしてのカンチレバーについて述べたが、機械的振動子であれば、種々のプローブを用いることができる。【００６３】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。【００６４】
本発明によれば、振幅が安定した信号発生器の信号によってカンチレバーに他励振動を誘起するので、カンチレバーのＱ値が低くても振動の振幅を安定させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の走査プローブ顕微鏡装置は、試料の撮像を高精度で行う走査プローブ顕微鏡に利用可能である。
【図１】
2008015916.tif 000003
【図１０】
2008015916.tif 000004
【図２】
2008015916.tif 000005
【図３】
2008015916.tif 000006
【図４】
2008015916.tif 000007
【図５】
2008015916.tif 000008
【図６】
2008015916.tif 000009
【図７】
2008015916.tif 000010
【図８】
2008015916.tif 000011
【図９】
2008015916.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月19日(2008.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に機械的振動子を作用させて試料の撮像を行う走査プローブ顕微鏡装置において、
（ａ）第１の制御器と、
（ｂ）該第１の制御器に接続される、試料のＸＹＺスキャナ及びＸＹ走査画像化システムと、
（ｃ）信号発生器と、
（ｄ）該信号発生器に接続される振動励起手段と、
（ｅ）該振動励起手段からの出力信号により強制振動する機械的振動子と、
（ｆ）該機械的振動子の振動を検出する振動検出手段と、
（ｇ）該振動検出手段に接続される位相差検出手段と、
（ｈ）該位相差検出手段からの位相差信号を入力するとともに、前記第１の制御器と前記信号発生器に周波数制御信号を出力する第２の制御器と、
（ｉ）前記位相差検出手段からの位相差信号と前記第２の制御器からの周波数制御信号の両方を任意の割合で混合して前記第１の制御器に入力する装置と、
（ｊ）前記周波数制御信号を任意の強度に調整してから前記信号発生器に入力する装置とを備え、
（ｋ）前記信号発生器から前記機械的振動子の共振周波数付近の周波数の駆動信号を発生させ、それを前記振動励起手段に入力し、前記機械的振動子を強制振動させ、前記位相差検出手段からの位相差を一定の値に維持するように制御することによって、前記試料の撮像を行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
試料に機械的振動子を作用させて試料の撮像を行う走査プローブ顕微鏡装置において、
（ａ）第１の制御器（８）と、
（ｂ）該第１の制御器（８）に接続される、試料（１）のＸＹＺスキャナ（３）及びＸＹ走査画像化システム（１１）と、
（ｃ）信号発生器（９）と、
（ｄ）該信号発生器（９）に接続される振動励起手段（１０）と、
（ｅ）該振動励起手段（１０）からの出力信号により強制振動する機械的振動子（４）と、
（ｆ）該機械的振動子（４）の振動を検出する振動検出手段（５）と、
（ｇ）該振動検出手段（５）に接続される位相差検出手段（６）と、
（ｈ）該位相差検出手段（６）からの位相差信号を入力するとともに、前記第１の制御器（８）と前記信号発生器（９）に周波数制御信号を出力する第２の制御器（７）と、
（ｉ）前記位相差検出手段（６）からの位相差信号を導入する第１の接続手段（３１Ａ）と前記第２の制御器（７）からの周波数制御信号を導入する第２の接続手段（３１Ｂ）とを切り替え可能な第１の切替手段（３１）と、前記第２の制御器（７）からの周波数制御信号を開閉可能な第２の切替手段（３２）とを備え、前記第１の切替手段（３１）の出力側に前記第１の制御器（８）を、前記第２の切替手段（３２）の出力側に前記信号発生器（９）をそれぞれ接続することにより、前記第１の切替手段（３１）が前記位相差信号を導入する第１の接続手段（３１Ａ）に接続され、前記第２の切替手段（３２）が開状態の場合は、位相フィードバック方式であり、前記第１の切替手段（３１）が前記第２の制御器（７）からの周波数制御信号を導入する前記第２の接続手段（３１Ｂ）に接続され、前記第２の切替手段（３２）が閉状態の場合は、トラッキング他励方式であることを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求項１又は３記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、該共振周波数に基づいて前記試料と前記機械的振動子との相互作用力像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項１又は３記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、該共振周波数に基づいて前記試料の凹凸像を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項１又は３記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子の共振周波数を計測し、該共振周波数に基づいて前記共振周波数と機械的振動子−試料間距離の関係を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【請求項８】
請求項１又は３記載の走査プローブ顕微鏡装置において、前記機械的振動子がカンチレバーであることを特徴とする走査プローブ顕微鏡装置。
【国際調査報告】
2008015916.tif 000013
2008015916.tif 000014