(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーに設けられた探針をＺ方向に微動させて試料表面に近接させたままＸＹ方向に走査して表面形状を観察する走査型原子間力顕微鏡において、前記探針の位置に関する目標値を設定する目標値設定部と、前記探針をＺ方向へ駆動する第１のアクチュエータを有し、前記カンチレバーの撓み量検出体から出力される検出信号を前記目標値と比較しながら前記第１のアクチュエータをフィードバック制御する第１の制御系と、前記探針をＺ方向へ駆動する、前記第1のアクチュエータよりも応答の速い第２のアクチュエータを有し、前記撓み量検出体から出力される検出信号が前記目標値の前後で予定の範囲内に納まるように前記第２のアクチュエータを制御する第２の制御系とを具備したことを特徴とする走査型原子間力顕微鏡。
【請求項２】
前記目標値は、フォースカーブ上の原子間力が一番弱く働く位置近傍であり、前記予定の範囲は前記原子間力が一番弱く働く位置を越えない範囲である請求項１記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記第１の制御系は、前記検出信号を入力とするローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタから出力された信号に対して前記目標値を設定することを特徴とする請求項１に記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記第２の制御系は前記検出信号を予定の上限値および下限値と比較し、前記第２のアクチュエータは、前記検出信号が下限値を下回らないように前記検出体を試料に接近させ、前記検出信号が上限値を超えないように前記検出体を試料から遠ざけることを特徴とする請求項１に記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項５】
前記第２のアクチュエータが第１のアクチュエータより前記撓み量検出体に近い位置に配置されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項６】
前記第２のアクチュエータのＱ値（共振の選択性）が第１のアクチュエータのＱ値よりも極めて高いことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項７】
前記第２の制御系は、前記探針を前記予定範囲内の振幅で振動させる加振手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項８】
前記加振手段は、前記探針を第２のアクチュエータの共振周波数近傍の周波数で振動させることを特徴とすることを特徴とする請求項７に記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項９】
前記加振手段が、Ｑ値（共振の選択性）の大きなローパスフィルタであることを特徴とする請求項７または８に記載の走査型原子間力顕微鏡。
【請求項１０】
前記加振手段が、前記第２のアクチュエータの共振周波数近傍を通過帯域とするバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項７または８に記載の走査型原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、従来のコンタクトモードおよびタッピングモードが抱える問題を補完して、表面が極めて柔らかい試料を安定して観察でき、かつＳＮ比の良好な測定を実現できる走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面が極めて柔らかい試料をコンタクトモードで観察するためには、探針を試料表面に非常に弱い力で接触させなければならず、探針に作用する原子間力を非常に弱くする必要がある。探針に作用する原子間力を弱くするために、従来からカンチレバーのばね定数を極めて小さい値にするか、もしくは探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置に設置することが行われている。
【０００３】
しかしながら、前者の場合には、カンチレバーの厚みを極めて薄くしなければならず、製造が難しいという問題、および横方向から働く摩擦力の影響を受けて検出信号のＳＮ比を劣化させるという問題があった。後者の場合には、探針をフォースカーブ上の引力が一番強く働く位置近傍（図４のＡ領域付近）に設定する必要がある。しかしながら、通常のフィードバック制御では、試料表面の急峻な傾斜部分を走査した場合には、探針が図４のＢ位置を越えてＣ領域に移ってしまい、制御の極性が反転して探針の追従が不安定になるという問題があった。なお、図４の横軸はＺ軸方向の探針の変位、縦軸は原子間力を表している。
【０００４】
一方、表面が極めて柔らかい試料を観察するのに適した他の測定方法として、タッピングモード（tapping mode）が知られている。この測定方法では、カンチレバーを自励振動させて試料表面を軽く叩き、この叩き具合が一定になるようにサーボ系でカンチレバーのＺ方向の位置をフィードバックすることにより、試料表面の形状データを得ることができ、例えば、特開平７−２７０４３４号公報に開示されている。
【０００５】
このタッピングモードでは、表面が極めて柔らかい試料に探針を近付けると、探針が試料に近付くに従い、カンチレバーの自励振動が減衰していく。このため、カンチレバーの振幅が小さくなり、探針が試料に極めて近付いた状態では、検出信号のＳＮ比が低下し、かつフィードバック制御自体が不安定になるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の測定方法で、表面が極めて柔らかい試料を観察しようとすると、コンタクトモードおよびタッピングモードのいずれの方法でも、検出信号のＳＮ比が良好とならず、かつフィードバック制御を安定的に行うことができないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、表面が極めて柔らかい試料等を、検出信号の精度（ＳＮ比）が高く、かつ信頼性の高いフィードバック制御で観察することのできる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、探針をＺ方向に微動させて試料表面に近接させたままＸＹ方向に走査して表面形状を観察する走査型プローブ顕微鏡において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【０００９】
(1) 探針をＺ方向へ駆動する第１のアクチュエータを有し、前記探針の検出体から出力される検出信号を目標値と比較しながら前記第１のアクチュエータをフィードバック制御する第１の制御系と、前記探針をＺ方向へ駆動する第２のアクチュエータを有し、前記検出体から出力される検出信号が予定の範囲内に納まるように前記第２のアクチュエータを制御する第２の制御系とを具備した。
【００１０】
(2) 探針を試料表面で振動させる加振手段を第２の制御系に設けた。
【００１１】
上記した特徴(1) によれば、検出体から出力される検出信号が一定値幅の中に納まるように第２のアクチュエータを駆動することができるので、探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置に安定的に設置および維持できるようになる。このため、コンタクトモードと同様の制御でありながら、従来のコンタクトモードでは観察が難しかった、表面が極めて柔らかい試料を、傷つけることなく高い精度で観察できるようになる。
【００１２】
上記した特徴(2) によれば、試料表面の形状変化に対する探針の応答性、追従性が向上するのみならず、試料の表面形状を代表する低周波成分のみを検出信号から選択的に抽出できるようになるので、ＳＮ比の高い観察像を得られるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第１実施形態のブロック図であり、第１および第２の制御系を備えている。
【００１４】
第１の制御系は、カンチレバー１０の撓み量を検出する検出器１１、検出器１１から出力された検出信号Ｖs から高周波成分を除去するローパスフィルタ１２、カンチレバー１０の先端に設けられた探針９の位置に関する目標値（設定電圧ＶR ）を設定する目標値設定部１３、前記検出信号Ｖs と前記目標値ＶR とを比較する比較器１４、ＰＩ（比例積分）制御部１５、Ｚ軸制御用の第１のアクチュエータ１６およびそのドライバ回路である電流源１７から構成されている。
【００１５】
前記第１の制御系は、Ｚ方向のフィードバック制御系を構成しており、電流源１７は、ＰＩ制御部１５からの制御信号に対応した電流をボイスコイル２１に流し、探針９と試料３１の表面との距離が常に一定になるように、スピンドル８を介して撓み量検出器１１の位置を制御する。ＰＩ制御部１５は、探針９のＺ方向変位に対応した制御信号を電流源１７および画像信号増幅器１８に出力する。画像信号増幅器１８で増幅された信号は、図示されていないモニタ装置に送られ、モニタ装置の画面上に試料表面の観察像が映し出される。
【００１６】
第２の制御系は、カンチレバー１０の撓み量を検出する撓み量検出器１１、カンチレバー１０をＺ方向に駆動する第２のアクチュエータ４１、前記撓み量検出器１１から出力された検出信号Ｖs の上限値および下限値を監視する上、下限値監視部４２、検出信号が上限値または下限値に達すると検出信号を逆方向に変化させるための駆動信号を発生する駆動信号発生部４３およびスイッチ手段４４から構成されている。
【００１７】
前記第２のアクチュエータ４１は第１のアクチュエータ１６よりも検出体１１に近い位置に配置されている。第２のアクチュエータ４１の応答は第１のアクチュエータ１６の応答よりも速く、第２のアクチュエータ４１のＱ値（共振の選択性）は第１のアクチュエータ１６のＱ値よりも極めて高い。
【００１８】
前記スイッチ手段４４がオンの時には、前記駆動信号発生部４３から発生した駆動信号が、例えばピエゾ素子から構成された前記第２のアクチュエータ４１に供給される。第２のアクチュエータ４１は、前記第１のアクチュエータ１６よりもカンチレバー１０に近い位置に設置され、第１のアクチュエータ１６より高い周波数特性、つまり応答が速く、また第１のアクチュエータ１６より極めて高い共振周波数のＱ値を有している。なお、前記上、下限値は、前記目標値設定部１３で設定される設定電圧ＶR と連動して設定される。
【００１９】
前記上、下限値監視部４２および駆動信号発生部４３は、検出信号Ｖs にリミッタをかける働きをするものであり、ソフト構成またはハード構成で実現できる。図２はソフトで構成する場合のフローチャートである。ステップＳ１では、スイッチ手段４４がオンされたか否かを判断し、オフの場合にはオンされるまで待機する。スイッチ手段４４がオンされると、ステップＳ２では、検出信号ＶS が予め設定された上限値ＶH 以下か否かが判断される。この判断が肯定であれば、ステップＳ３ににおいて、検出信号ＶS が予め設定された下限値ＶL 以上であるか否かが判断される。この判断が肯定であれば、ステップＳ４において、駆動信号発生部４３が０電圧の駆動信号Ｖ0 を第２のアクチュエータ４１へ出力する。
【００２０】
一方、前記ステップＳ２の判断が否定になると、ステップＳ５に進んで、駆動信号発生部４３は駆動信号Ｖ1 （例えば、＋１０Ｖ）を出力する。また、前記前記ステップＳ３の判断が否定になると、ステップＳ６に進んで、駆動信号発生部４３は駆動信号Ｖ2 （例えば、−１０Ｖ）を出力する。
【００２１】
図３は、前記上、下限値監視部４２および駆動信号発生部４３をハード構成で実現した場合の回路図である。図３の回路は、検出信号Ｖs が上限値に達したか否かを検出し、上限値に達した時に駆動信号ＶP0（＝Ｖ1 ）を出力する第１系統回路と、検出信号Ｖs が下限値に達したか否かを検出し、下限値に達した時に駆動信号ＶP0（Ｖ2 ）を出力する第２系統回路とから構成されている。
【００２２】
前記第１系統回路は、非反転入力端子に検出信号ＶS が入力し、反転入力端子に上限閾値ＶH （＝ＶR ＋ΔＶH ）が入力する第１の比較器５１ａと、例えば＋１０Ｖのクランパを構成する第１のツェナダイオード５２ａと、第１のバッファアンプ５３ａと、加算回路５４とから構成されている。第２系統回路は、反転入力端子に検出信号ＶS が入力し、非反転入力端子に下限閾値ＶL （＝ＶR −ΔＶL ）が入力する第２の比較器５１ｂと、例えば−１０Ｖのクランパを構成する第２のツェナダイオード５２ｂと、第２のバッファアンプ５３ｂと、加算回路５４とから構成されている。
【００２３】
加算回路５４の出力は、駆動増幅器５５で増幅されて駆動信号ＶP0となり、前記第２のアクチュエータ４１に供給される。なお、前記ΔＶH およびΔＶL は、前記設定電圧ＶR と連動して決定される。
【００２４】
次に、本実施形態の動作を、図１〜図４を参照して説明する。図１の目標値設定部１３では、探針９の目標位置を図４のフォースカーブ上の原子間力の弱い位置Ｓ点に設定するための設定電圧ＶR が登録される。また、このＳ点の前後の位置Ｓ−△Ｓ、Ｓ＋△Ｓに対応する上限閾値ＶH および下限閾値ＶL が、図示のように登録される。Ｓ＋△ＳはＢ点を越えないようにする必要がある。
【００２５】
次いで、スイッチ手段４４をオフにした状態で前記第１の制御系を動作させると、まず探針９のＺ粗動が行われて探針９と試料３１との間隙は少しずつ接近し、カンチレバー１０は、探針９が感知する試料３１からの原子間力を検出する。探針９がフォースカーブ上の前記目標位置Ｓに達したことをカンチレバー１０が検知するとＺ粗動は停止する。
【００２６】
Ｚ粗動が終ると、スイッチ手段４４がオンにされ、第２の制御系が有効にされる。次いで、Ｘ方向のボイスコイル２２、およびＹ方向のボイスコイル（図示せず）を動作させて、探針９を試料３１上でＸ，Ｙ方向に走査させる。試料３１の表面形状の情報はカンチレバー１０の撓み量として検出され、撓み量検出器１１から検出信号Ｖs として出力される。該検出信号Ｖs はローパスフィルタ１２および上、下限値監視部４２に入力される。
【００２７】
上、下限値監視部４２は、前記検出信号Ｖs が上限値ＶH に達したか、あるいは下限値ＶL に達したかを監視し、上限値ＶH に達すると、検出信号Ｖs が小さくなるようにカンチレバー１０を動作させる駆動信号Ｖp0が第２のアクチュエータ４１へ出力されるように駆動信号発生部４３を制御する。その結果、第２のアクチュエータ４１が動作して、図４のＳ−ΔＳの位置に来た探針９は、目標位置Ｓの方向に移動する。探針９が目標位置Ｓの方向に移動すると、検出信号Ｖs ≦ＶH の条件が満足され、第２のアクチュエータ４１に印加される駆動信号は停止される。
【００２８】
一方、検出信号Ｖs が下限値ＶL に達した場合には、駆動信号発生部４３は検出信号Ｖs が大きくなるようにカンチレバー１０を動作させる駆動信号Ｖp0を第２のアクチュエータ４１に出力する。第２のアクチュエータ４１は、この駆動信号Ｖp0に応答して、Ｓ＋ΔＳの位置に来た探針９を目標位置Ｓの方向に移動させる。探針９が目標位置Ｓの方向に移動すると、検出信号Ｖs ≧ＶL の条件が満足され、第２のアクチュエータ４１に印加される駆動信号は停止される。
【００２９】
以上の動作により、撓み量検出器１１から出力される検出信号Ｖs には、高周波信号が重畳されることになるが、この高周波信号は高周波成分を十分に遮断するカットオフ値を有する前記ローパスフィルタ１２で除去され、比較器１４の非反転入力端子に入力される。したがって、前記第１の制御系は、従来通りのフィードバック制御を行うことができる。
【００３０】
本実施形態によれば、前記第１の制御系のみに着目すると、従来のコンタクトモードと同様な動作が行われ、ＰＩ制御部１５から出力される制御信号が試料表面の凹凸を反映させる観察画像信号となる。また、第２の制御系を考えると、探針９がフォースカーブ上の原子間力の弱い位置、すなわち図４のＳを中心とするＳ±ΔＳの範囲内に置かれることになり、探針９は非常に弱い力で安定的に、すなわち、前記フォースカーブ上のＢ点を飛び越えることなく試料表面に接触することになる。したがって、表面が極めて柔らかい試料を傷つけることなく、高い精度で観察できるようになる。
【００３１】
図５は、本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の第２実施形態のブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００３２】
本実施形態では、第２の制御系の駆動信号発生部４３の後段に、第２のアクチュエータ４１の共振周波数およびその近傍の周波数を通過帯域とする、加振手段としてのバンドパスフィルタ４９を設けている。このような構成によれば、探針９を、前記上限値ＶH および下限値ＶL の範囲内の振幅で、かつ第２のアクチュエータ４１の共振周波数近傍の周波数で振動させることができる。
【００３３】
図６、７は、勾配が急峻な段差部を、第１実施形態のように探針９を振動させることなく走査させた場合［図６］と、第２実施形態のように探針９を振動させながら走査させた場合［図７］との、探針９と試料表面との相対的な位置関係［同図(a) ］、アクチュエータ４１の出力信号の波形図［同図(b) ］およびその周波数スペクトラム［同図(c) ］を模式的に示した図である。
【００３４】
第１実施形態では、図６(a) に示したように、試料表面の形状変化に応答して探針９と試料表面との間隙が比較的低い周波数で不規則に変化する。したがって、アクチュエータ４１の出力信号のうち、段差部に相当する周波数成分を除いた信号波形は、同図(b) に示したようになる。このため、その周波数スペクトラムは、同図(c) に示したように、ローパスフィルタ１２のカットフ周波数ｆcut 以下にも低周波成分を含み、これがノイズとなってＳＮ比を低下させる場合がある。
【００３５】
これに対して、本発明の第２実施形態では、図７(a) に示したように、試料表面の形状変化にかかわらず探針９が一定の周波数で振動し続ける。したがって、アクチュエータ４１の出力信号のうち、段差部に相当する周波数成分を除いた波形は、同図(b) に示したようになる。このため、その周波数スペクトラムは、同図(c) に示したようにバンドパスフィルタ４９の中心周波数ｆm を基本波とするため、ローパスフィルタ１２のカットフ周波数ｆcut を図示したように設定すれば、ノイズの混入を大幅に低減させることができる。
【００３６】
なお、上記した第２実施形態では、探針９を振動させる加振手としてバンドパスフィルタ４９を第２の制御系内に組み込むものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、Ｑ値の大きなローパスフィルタであっても良い。
【００３７】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 第１のアクチュエータをフィードバック制御し、かつ検出体から出力される検出信号が一定値幅の中に納まるように第２のアクチュエータを駆動するようにしているので、探針をフォースカーブ上の原子間力の弱い位置に安定的に設置および維持できるようになる。このため、コンタクトモードと同様の制御でありながら、従来のコンタクトモードでは観察が難しかった極めて柔らかい表面をもつ試料を、これを傷つけることなく、高い精度で観察できるようになる。
(2) 検出体は自励振動ではないので、検出体試料に極めて接近しても振動振幅は変化しない。このため、探針が試料に極めて接近した場合でも、検出信号のＳＮ比は劣化せず、検出特性を安定させることができるようになる。
(3) 第２の制御系の機能により、試料表面に粘性の高い物質が付着していても、検出体の周波数応答が変化したり、第１の制御系が不安定になったり、あるいは制御のループゲインが上げられなくなったりすることを防止できるので、試料の観察を安定的に行えるようになる。
(4) 第２の制御系の機能により、試料面に対する走査中すなわち観察中に生じる第１の制御系における追従誤差が吸収されるため、制御系全体の追従性が向上する。このため、従来のコンタクトモードもしくはタッピングモードに比較して、高速な走査が可能になり、観察時間を短縮できるようになる。
(5) 探針を振動させながら試料表面で走査すれば、試料表面の形状変化に対する探針の応答性（追従性）が向上し、さらには、試料の表面形状を代表する低周波成分のみを選択的に抽出できるようになるので、ＳＮ比の高い観察像を得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】図１の上、下限値監視部および駆動信号発生部の一具体例を示すフローチャートである。
【図３】図１の上、下限値監視部および駆動信号発生部の他の具体例を示す回路図である。
【図４】フォースカーブを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示したブロック図である。
【図６】第１実施形態の動作を示した信号波形図である。
【図７】第２実施形態の動作を示した信号波形図である。
【符号の説明】
９…探針、１０…カンチレバー、１１…撓み量検出器、１２…ローパスフィルタ、１３…目標値設定部、１４…比較器、１５…ＰＩ制御部、１６…第１のアクチュエータ、１７…電流源、４１…２のアクチュエータ、４２…上、下限値監視部、４３…駆動信号発生部、４４…スイッチ手段
【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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