(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数の異なる複数のプローブと、
前記複数のプローブを同時に加振する共通のアクチュエータと、
前記複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む前記アクチュエータの駆動信号を生成する駆動信号生成回路とを有することを特徴とする非接触型原子間力顕微鏡。
【請求項２】
前記複数のプローブの変位を検出する変位検出器をさらに有し、
前記駆動信号生成回路は、前記変位検出器から出力される各プローブ毎の出力信号に基づいて前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の非接触型原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記駆動信号生成回路は、
前記変位検出器から出力される各プローブ毎の出力信号の波形を所定の周波数分シフトさせ、さらにそれらの波形を合成した合成波形を生成する波形合成回路と、
前記合成波形を格納する記憶手段と、
前記記憶手段に格納された合成波形に基づいて前記アクチュエータに印加する駆動信号を生成する任意波形発生手段とを有することを特徴とする請求項２に記載の非接触型原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記駆動信号生成回路は、
前記変位検出器から出力される各プローブ毎の出力信号の振幅値を一定に保つゲインコントローラと、
前記ゲインコントローラにてゲイン調整された各プローブの出力信号の位相を調整する位相シフト回路と、
前記位相調整された各プローブの出力信号を合成し前記アクチュエータに印加する駆動信号を生成する波形合成回路とを有することを特徴とする請求項２に記載の非接触型原子間力顕微鏡。
【請求項５】
共振周波数の異なる複数のプローブを用いてサンプルの表面形状を観察する観察方法において、
前記複数のプローブを共通のアクチュエータにより同時に加振するステップと、
前記複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む駆動信号で前記アクチュエータを駆動するステップと、
前記複数のプローブの変位を検出し、該検出結果を示す出力信号を発生するステップと、
前記出力信号に基づいて前記表面形状を示す信号を生成するステップとを含む観察方法。
【請求項６】
前記表面形状を示す信号は、前記出力信号の振幅変動に基づいて生成されることを特徴とする請求項５に記載の観察方法。
【請求項７】
前記表面形状を示す信号は、前記出力信号の共振周波数の変動に基づいて生成されることを特徴とする請求項５に記載の観察方法。
【請求項８】
前記駆動信号は、前記出力信号の、各プローブの変位を示す信号を合成した信号より生成されることを特徴とする請求項５に記載の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サンプルの表面形状を、プローブの探針とサンプル表面との間の物理的相互作用を検出して観察する走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、原子間力を検出してサンプル表面を非接触に観察する、非接触型原子間力顕微鏡および観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、導体の電子構造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の開発以来、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、近接場顕微鏡（ＳＮＯＭ）といった、先端の尖ったプローブを走査することにより様々な情報とその分布を得る顕微鏡装置が、次々と開発されている。現在、これらの顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称され、原子、分子レベルの解像度をもつ微細構造の観察手段として広く用いられている。
【０００３】
ＡＦＭは、接触領域（斥力領域）において原子間力により生じるプローブのたわみ量を検出することにより、サンプル表面の微細な凹凸を観察するものである。図６に、そのＡＦＭ観察の原理を示す。図６において、プローブ６０１は、支点６０２にて支持されており、サンプル６００の表面上を所定の方向に走査される。サンプル６０３の表面の凸部では、プローブ６０１に局所的な力Ｆ（斥力）が加わってたわみΔｚを生じる。このたわみΔｚをなんらかの方法で検出することにより、サンプル表面の微細な凹凸を観察することができる。このＡＦＭ観察によれば、導体のサンプルしか観察できないＳＴＭと違って、サンプルが絶縁体であっても容易に観察を行うことができることから、その応用範囲は広い。そのため、次世代の原子・分子操作装置としても注目されており、様々な報告がされている。
【０００４】
しかしながら、上記のように接触領域においてＡＦＭ観察を行うと、磨耗によりプローブの先端形状が変化してしまうことから、そのような先端形状変化による影響も多く報告されている。さらに、プローブ先端によりサンプルを傷つける恐れもあった。
【０００５】
プローブの先端とサンプル表面との物理的な接触なしにサンプル表面形状を観察することができるものとして、非接触型原子間力顕微鏡（ｎｃＡＦＭ）が知られている。このｎｃＡＦＭは、非接触領域（引力領域）において、プローブを共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振させ、サンプル表面とプローブの探針との間の物理的相互作用（プローブの探針とサンプル表面との間に働く原子間力）によるプローブの共振周波数の変化を検出することにより、サンプルの表面形状の観察を行うＡＦＭである。ここで、共振点とは、プローブを所定の周波数範囲にわたって加振した際に、プローブの振幅（振動変位）が最大となる点をいい、その点における周波数を共振周波数という。共振周波数は、サンプルとプローブとの間の物理的相互作用によって変化する。プローブの検出感度は、共振点で加振したときに最大となり、共振点からずれるにしたがって小さくなる。
【０００６】
このｎｃＡＦＭ観察によれば、観察は非接触領域において行われるので、プローブ先端とサンプル表面とが接触することによる影響を回避することができる。このようなことから、ｎｃＡＦＭは原子・分子操作装置としての応用がより一層期待されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したｎｃＡＦＭにおいては、その実用化に際してコンパクト化やデータ処理（サンプル表面形状の画像化処理）の高速化などを目的に様々な改良が行われている。その一環として、データ処理のスループットの向上を図るために、複数のプローブ（マルチプローブ）を用いて並列処理（マルチ化）を行うものが開発されている。しかし、マルチプローブを用いる場合には、以下のような課題があった。
【０００８】
マルチプローブは、仮に同じ製造プロセス工程を経て作製されたものであっても、製造誤差等があるために全てのプローブに一様な共振点を持たせることは困難である。前述したとおり、ｎｃＡＦＭでは、プローブを共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振させてサンプルとプローブ表面との間の物理的相互作用によるプローブの共振周波数の変化を検出するようになっていることから、そのようなマルチプローブを用いる場合は、各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振する必要がある。
【０００９】
マルチプローブの各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振する最も簡単な手法は、各プローブに加振用のアクチュエータを用意して、各プローブをそれぞれ加振することである。しかし、この場合は、各プローブにアクチュエータが設けられるため、プローブ本数が多くなると装置の大型化を招くこととなり、また、プローブヘッドまわりの配線等も煩雑になる。さらに加えて、各アクチュエータに印加される信号の周波数を各プローブの共振周波数、もしくは共振周波数近傍の周波数に合わせ込む必要があり、この周波数の合わせ込みに要する時間もプローブのアレイ化に伴って増加する。
【００１０】
上記のような装置の大型化を避けるため、マルチプローブに対して一括に、あるいは各プローブをいくつかのグループに分けて、その各グループに対して共通のアクチュエータを用いてある決まった周波数（例えば各プローブの平均的な共振周波数）で加振する、といった手法も考えられる。しかし、この場合は、製造誤差等によるプローブの共振点のずれの影響で検出感度が落ちるプローブがあり、場合によっては、観察ができないプローブがあることから、サンプル表面を正確に観察することができなくなる。このような問題は、プローブのアレイ化に伴いより顕著に表れる。
【００１１】
本発明の目的は、上記マルチプローブにおける各プローブ毎の感度のばらつきの問題を解決し、サンプル表面を正確に観察することができるとともに、小型化、低コスト化を図ることのできる、非接触型原子間力顕微鏡および観察方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の非接触型原子間力顕微鏡は、共振周波数の異なる複数のプローブと、前記複数のプローブを同時に加振する共通のアクチュエータと、前記複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む前記アクチュエータの駆動信号を生成する駆動信号生成回路とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の観察方法は、共振周波数の異なる複数のプローブを用いてサンプルの表面形状を観察する観察方法であって、前記複数のプローブを共通のアクチュエータにより同時に加振するステップと、前記複数のプローブそれぞれの共振周波数成分を含む駆動信号で前記アクチュエータを駆動するステップと、前記複数のプローブの変位を検出し、該検出結果を示す出力信号を発生するステップと、前記出力信号に基づいて前記表面形状を示す信号を生成するステップとを含むことを特徴とする。
【００１４】
上記のとおりの本発明においては、各プローブを同時に加振するアクチュエータが、それぞれのプローブの共振周波数成分を含む駆動信号により駆動される。このため、加振時には、各プローブにおいて各自の共振周波数成分が選択されることとなり、各プローブがそれぞれの共振点で加振される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。図１を参照すると、この非接触型原子間力顕微鏡は、複数のプローブからなるマルチプローブ１０１と、マルチプローブ１０１を同時に加振するアクチュエータ１０２と、マルチプローブ１０１の各プローブの変位（振幅）を検出する変位検出部１０３と、変位検出部１０３の出力信号（各プローブの変位を検出した信号）を所定の復調方式により復調してサンプル１０７の表面形状に対応した信号を出力する復調部１０５と、変位検出部１０３から出力される各プローブの変位に応じた出力波形を加算してアクチュエータ１０２に印加する波形合成部１０４と、サンプル１０７が載置されるスキャナ１０８と、スキャナ１０８をそのサンプル配置面に対して垂直な方向（図１中のＺ方向）に移動するスタックピエゾ１１０と、復調部１０５の出力を参照してスタックピエゾ１１０によるスキャナ１０８のＺ方向の移動を制御するサーボ回路１０６と、スキャナ１０８のサンプル配置面の面内方向（図１中のＸＹ方向）の制御を行うＸＹスキャナコントローラ１０９とで構成されている。
【００１７】
マルチプローブ１０１を構成する各プローブは、それぞれの共振点を意図的にずらしてある。本形態では、マルチプローブ１０１の各プローブは、共通のアクチュエータ１０２によって加振される。このように、マルチプローブ１０１を構成する全てのプローブに対して共通のアクチュエータを用いて加振してもよいが、プローブの本数が増えた場合には、マルチプローブを構成するプローブをいくつかのグループに分け、グループごとにアクチュエータを用意して加振するようにしてもよい。アクチュエータ１０２は、よく知られている圧電素子等で構成することができるが、少なくとも、加振対象であるマルチプローブ１０１の各プローブの共振周波数を確実にカバーできる加振帯域（加振可能な周波数帯域）を有していなくてはならない。
【００１８】
変位検出部１０３の検出方式は、マルチプローブ１０１のプローブ構成によって異なる。例えば、カンチレバー型のプローブを使用する場合は、プローブの先端に光を照射し、その反射光の変位によってプローブの挙動を知る光てこ方式が用いられる。また、ピエゾ抵抗素子で構成するプローブを使用する場合は、プローブにバイアスを印加して、プローブのたわみに伴う抵抗値変化によってプローブの変位（振幅）を知る方式が用いられる。なお、これ以外の検出方式を用いることもできる。
【００１９】
復調部１０５は、ＡＭ復調回路やＦＭ復調回路に代表される復調回路により構成されるが、これら以外の復調方式を用いることもできる。この復調部１０５にて復調された信号に基づいて、サンプル１０７の表面形状の画像化が行われる。
【００２０】
サーボ回路１０６は、復調部１０５の出力を入力としており、フィードバック制御によりスキャナ１０８のＺ方向の制御を行う。具体的には、サーボ回路１０６は、復調部１０５の出力に基づいて、サンプル１０７とマルチプローブ１０１が接触してプローブ１０１の破壊を招いたり、サンプル１０７を傷つけたりすることのないように、サンプル１０７とマルチプローブ１０１との間の距離（間隔）を制御する。
【００２１】
波形合成部１０４は、主に加算回路で構成されるが、その構成は復調部１０５の復調回路の構成によって異なる。詳しくは後述する。
【００２２】
次に、この非接触型原子間力顕微鏡の動作について説明する。
【００２３】
スキャナ１０８をＸＹ方向に移動することにより、マルチプローブ１０１をスキャナ１０８上に載置されたサンプル１０７の表面に対して走査させる。このスキャナ１０８のＸＹ方向への移動は、ＸＹスキャナコントローラ１０９により制御される。このような走査方法を用いて、サンプル１０７の表面の凹凸を観察する。
【００２４】
サンプル１０７の表面を観察する際は、先に説明したように、復調部１０５の復調回路にて、変位検出部１０３の出力波形から各プローブのサンプル１０７の表面形状に対する信号を検出し、これらの検出信号を参照してサーボ回路１０６がマルチプローブ１０１とサンプル１０７とが接触しないように両者の面合わせを行う。これにより、マルチプローブ１０１とサンプル１０７との距離が常に一定に保たれることとなり、この状態で、スキャナ１０８を走査する。
【００２５】
走査中は、マルチプローブ１０１の各プローブは、共通のアクチュエータ１０２によってそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振される。サンプル１０７の表面形状の情報は、マルチプローブ１０１の各プローブにおける共振点のずれに対応する信号として変位検出部１０３にて検出され、この検出信号が波形合成部１０４および復調部１０５のそれぞれに入力される。波形合成部１０４では、変位検出部１０３から出力された各プローブの共振点や共振点のずれに対応した信号に基づいて生成された各プローブの加振信号波形を合成した合成波形が生成され、該合成波形がアクチュエータ１０２に印加される。この合成波形の印加により、マルチプローブ１０１の各プローブがそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振される。
【００２６】
以下に、マルチプローブ１０１を構成する各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍の周波数で加振する方法を説明する。
【００２７】
マルチプローブ１０１を構成する各プローブは、それぞれ固有の感度分布を有しており、それぞれの共振点において最大の振幅値が得られる。そのため、各プローブの共振点を適切に設定することによって、それぞれの感度分布がいわゆるバンドパスフィルタのような働きをする。このことにより、波形合成部１０４から各プローブの共振周波数成分、もしくは共振周波数近傍の周波数成分を有する合成信号が出力され、マルチプローブ１０１が加振された場合も、それぞれのプローブでは各プローブの共振点、もしくは共振点近傍の周波数成分が選択され、各プローブがそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍で加振されることになる。
【００２８】
以上のように、本形態では、共通のアクチュエータを用いてマルチプローブ１０１の各プローブをそれぞれの共振点、もしくは共振点近傍で加振させることができるため、マルチプローブ１０１の各プローブによる検出感度のばらつきを抑えることができ、良好な観察結果を得ることができる。
【００２９】
波形合成部１０４は、基本的には、変位検出部１０３の出力信号に基づいて各プローブの加振信号を生成し、これらを合成して各プローブの共振周波数、もしくは共振周波数近傍の周波数を含む合成信号を生成するが、その合成信号の生成手順は、復調方式によって異なる。以下に、具体例として、ＡＭ検出（検波）とＦＭ検出（検波）を採用する２つの実施例を挙げる。
【００３０】
（実施例１：ＡＭ検出）
図２は、本発明の第１の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。この非接触型原子間力顕微鏡では、圧電セラミックスよりなるアクチュエータ２０２が使用され、プローブ２０１ａ、２０１ｂからなるカンチレバー型のマルチプローブが使用される。各プローブ２０１ａ、２０１ｂは、振動系の鋭さを表わすＱ値が大気中で４００、共振周波数はそれぞれ１０ＫＨｚ、３００ＫＨｚである。
【００３１】
変位検出部は、光てこ方式のものであって、各プローブ２０１ａ、２０１ｂ毎に設けられている。その構成は、レーザダイオード２０３ａ、２０３ｂ、４分割フォトダイオード２０４ａ、２０４ｂ、Ｉ／Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂからなる。レーザダイオード２０３ａからのレーザ光がプローブ２０１ａの所定部にて反射され、該反射光が４分割フォトダイオード２０４ａに入射するようになっており、プローブ２０１ａが振動すると、その振幅に応じて４分割フォトダイオード２０４ａの出力が変化する。４分割フォトダイオード２０４ａの出力（電流信号）はＩ／Ｖ変換器２０５ａにて電圧信号に変換される。レーザダイオード２０３ｂ、４分割フォトダイオード２０４ｂおよびＩ／Ｖ変換器２０５ｂも、これと同様の構成になっており、プローブ２０１ｂの振幅に応じた電圧信号が得られる。
【００３２】
サンプル２１２が載置されるＸＹスキャナ２１３は、ＸＹスキャナコントローラ２１０による制御によってＸＹ方向の移動が制御される。また、このＸＹスキャナ２１３は、スタックピエゾ２１１によってＺ方向への移動が可能になっており、そのＺ方向の移動がサーボ回路２０９によって制御される。これらＸＹスキャナコントローラ２１０によるＸＹ方向の制御およびサーボ回路２０９によるＺ方向の制御は、前述の実施形態で説明したとおりであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
復調部は、ＡＭ検出器２０６ａ、２０６ｂで構成されている。ＡＭ検出器２０６ａには、Ｉ／Ｖ変換器２０５ａの出力が入力され、ＡＭ検出器２０６ｂには、Ｉ／Ｖ変換器２０５ａの出力が入力される。これらＡＭ検出器２０６ａ、２０６ｂによるＡＭ検出では、例えば、図４に示すように、マルチプローブの各プローブをそれぞれの共振点（ｆ1＝１０ＫＨｚ、ｆ2＝３００ＫＨｚ）よりΔｆ（Δｆ1＝２５Ｈｚ、Δｆ2＝７５０Ｈｚ）だけずらした点（ｆ1+Δｆ1、ｆ2+Δｆ2）で加振した時のその加振周波数における各プローブの振幅を検出し、サンプル２１２と各プローブとの物理的相互作用による共振点の変化を、信号の強度変化ΔＡとして検出する。
上記のようなＡＭ検出を行う場合、各プローブ２０１ａ、２０１ｂは常に一定の加振周波数（ｆ1+Δｆ1、ｆ2+Δｆ2）で振動させておく必要がある。本実施例では、この加振周波数を決定するため、波形合成部を波形合成回路２１４、記憶装置２０７と任意波形発生器２０８から構成している。記憶装置２０７は、Ｉ／Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂから出力される各プローブ２０１ａ、２０１ｂの振幅信号から各プローブの共振周波数を、例えば、ピーク値に基づいて検出し、記憶する。さらに前記各プローブの振幅信号のそれぞれを共振周波数から所定の周波数分だけシフトさせた信号を生成する。波形合成回路２１４は記憶装置２０７が出力する各プローブの共振周波数を、それぞれ所定の周波数だけシフトさせた信号を合成演算する。記憶装置２０７は、この演算結果を記憶する。任意波形発生器２０８は、記憶装置２０７に記憶されている合成信号に基づき駆動信号を生成してアクチュエータ２０２に印加する。また、各プローブの共振周波数を求めるために必要なアクチュエータ２０２の駆動信号を生成し、アクチュエータ２０２に印加する。
【００３４】
次に、本実施例の非接触型原子間力顕微鏡の動作を具体的に説明する。
【００３５】
まず、サンプル２１２の観察を行う前に、プローブ２０１ａ、２０１ｂをサンプル２１２から原子間力が及ばない領域まで移動する。次に、任意波形発生器２０８からアクチュエータ２０２に印加される信号の周波数を、所定の周波数範囲にわたってスイープさせ、アクチュエータ２０２を振動させて、マルチプローブを加振させる。プローブ２０１ａ、２０１ｂは、それぞれ固有の共振周波数を有しているため、アクチュエータ２０２の振動周波数が各プローブの共振周波数と一致したところで最大の振れ幅を示す。記憶装置２０７は、各プローブ２０１ａ、２０１ｂについて、それぞれ最大の振れ幅を示した周波数（共振周波数）を検出し、記憶する。
【００３６】
任意波形発生器２０８の周波数スイープが終了すると、次いで、記憶装置２０７は記憶された各プローブ２０１ａ、２０１ｂの共振周波数ｆ（ｆ1、ｆ2）を所定の周波数Δf（Δｆ1＝２５Ｈｚ、Δｆ2＝７５０Ｈｚ）だけシフトした信号波形を出力する。波形合成回路２１４では、これらのシフトした周波数（ｆ1+Δｆ1、ｆ2+Δｆ2）を有する信号波形を、必要があればＩ/Ｖ変換器２０５ａ、２０５ｂの出力を参照して合成し、観察時にアクチュエータ２０２を駆動するための信号を生成する。
【００３７】
観察時には、記憶装置２０７に記憶された合成波形（ｆ1＋Δｆ1、ｆ2＋Δｆ2の周波数成分を含む）に基づいて、マルチプローブのプローブ２０１ａは（ｆ1＋Δｆ1）の周波数で常に加振され、プローブ２０１ｂは（ｆ2＋Δｆ2）の周波数で常に加振される。この加振状態で、マルチプローブをサンプル２１２の表面に近接させ、サンプル２１２の表面に対して走査し、その表面の凹凸に応じた以下のようなプローブの振幅の変化を検出する。
【００３８】
プローブ２０１ａがサンプルの凸部にくると（サンプル表面に接近すると）、プローブ２０１ａの共振周波数は低くなる方向にシフトし、そのプローブの振幅が小さくなる。他方、プローブ２０１ａがサンプルの凹部にくる（サンプル表面から離れる）と、プローブ２０１ａの共振周波数がより高くなる方向にシフトし、そのプローブの振幅は大きくなる。このようにして、プローブの共振周波数の変化を、信号強度の変化として検出することで、サンプル表面の凹凸を観察することができる。
【００３９】
本実施例の非接触型原子間力顕微鏡によれば、各プローブ２０１ａ、２０１ｂともに、およそ１０ｎｍの解像度でサンプル表面の凹凸を観察することができる。
【００４０】
なお、観察時、波形合成回路２１４の演算結果を一旦記憶装置２０７に記憶させ、この記憶装置２０７から合成波形を出力し、任意波形発生器２０８に入力したが、波形合成回路２１４から直接任意波形発生器２０８に合成波形を入力し、アクチュエータ２０２を駆動してもよい。
【００４１】
（実施例２：ＦＭ検出）
図３は、本発明の第２の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。
【００４２】
この非接触型原子間力顕微鏡では、圧電セラミックスよりなるアクチュエータ３０２が使用され、プローブ３０１ａ、３０１ｂからなるカンチレバー型のマルチプローブが使用される。各プローブ３０１ａ、３０１ｂは、振動系の鋭さを表わすＱ値がいずれも大気中で４００で、共振周波数はそれぞれ１０ＫＨｚ、３００ＫＨｚである。変位検出部は、光てこ方式のものであって、各プローブ３０１ａ、３０１ｂ毎に設けられている。その構成は、レーザダイオード３０３ａ、３０３ｂ、４分割フォトダイオード３０４ａ、３０４ｂ、Ｉ／Ｖ変換器３０５ａ、３０５ｂからなる。サンプル３１２が載置されるＸＹスキャナ３１３は、ＸＹスキャナコントローラ３１０による制御によってＸＹ方向の移動が制御される。また、このＸＹスキャナ３１３は、スタックピエゾ３１１によってＺ方向への移動が可能になっており、そのＺ方向の移動がサーボ回路３０９によって制御される。以上の構成は、上述した第１の実施例とほぼ同様である。
【００４３】
本実施例では、各Ｉ／Ｖ変換器３０５ａ、３０５ｂが、それぞれバンドパスフィルタを備えている。Ｉ／Ｖ変換器３０５ａのバンドパスフィルタの中心周波数は、プローブ３０１ａの共振周波数付近に設定されており、Ｉ／Ｖ変換器３０５ｂのバンドパスフィルタの中心周波数は、プローブ３０１ｂの共振周波数付近に設定されている。
【００４４】
復調部は、ＦＭ検出器３０８ａ、３０８ｂで構成されている。ＦＭ検出器３０８ａには、Ｉ／Ｖ変換器３０５ａの出力信号が入力され、ＦＭ検出器３０８ｂには、Ｉ／Ｖ変換器３０５ａの出力信号が入力されている。これらＦＭ検出器３０８ａ、３０８ｂによるＦＭ検出では、例えば、図５に示すように、各プローブ３０１ａ、３０１ｂの共振点（ｆ1、ｆ2）からサンプル３１２と各プローブ３０１ａ、３０１ｂとの物理的相互作用による共振点のずれをΔfとして検出する。この図５に示す例は、各プローブ３０１ａ、３０１ｂがともにサンプル表面から近づく方向に移動した場合の共振周波数のずれを示したものである。
【００４５】
波形合成部は、オートゲインコントローラ３０６ａ、３０６ｂと、位相シフタ３１４ａ、３１４ｂと波形合成回路３０７とからなる。ゲインコントローラ３０６ａ、３０６ｂは、それぞれＩ／Ｖ変換器３０５ａ、３０５ｂの出力ラインに設けられており、各Ｉ／Ｖ変換器の出力波形の振幅が常に一定となるようにゲインの自動調整を行う。波形合成回路３０７は、各ゲインコントローラ３０６ａ、３０６ｂの出力波形を合成してアクチュエータ３０２を駆動する駆動信号を出力する。位相シフタ３１４ａ、３１４ｂは、各プローブ３０１ａ、３０１ｂがサンプル表面との距離に応じてシフトした共振周波数での振動を維持するように、各Ｉ/Ｖ変換器の出力の位相を調整し、フィードフォワード制御を行う。このような構成をとることで、各プローブ３０１ａ、３０１ｂは、アクチュエータ３０２によって、サンプル表面との距離に応じてシフトした共振周波数で常に加振されることとなり、これにより、見かけ上、プローブの感度が向上し、高感度な共振周波数の変化の検出を行うことができる。
【００４６】
本実施例では、プローブ３０１ａがサンプルの凸部にくると（サンプル表面に接近すると）、共振周波数がｆ1より低くなる方向にシフトし、アクチュエータ３０２はこのシフトした周波数でプローブ３０１ａを加振する。このように、プローブ３０１ａはサンプル表面の凹凸によって共振周波数がシフトすると、そのシフトした共振周波数で加振される。サンプル表面の凹凸の観察は、予め基準となる位置（プローブとサンプル表面との距離が予め分かっている位置）でのプローブ３０１ａの共振周波数ｆ1と、シフトした共振周波数との差（シフト量）を求めることで、行うことができる。
【００４７】
本実施例の非接触型原子間力顕微鏡によれば、各プローブ３０１ａ、３０１ｂともに、およそ１０ｎｍの解像度でサンプル表面の凹凸を観察することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マルチプローブを用いたｎｃＡＦＭにおいて、すべてのプローブを共振点、もしくは共振点近傍で加振することができるので、高感度な観察が可能となる。同時に、各プローブ間の感度のばらつきを抑えられるので、観察像の解像度のばらつきも抑えられ、よりサンプルの表面形状を反映した良好な観察像を広範囲に得ることが可能になる。
【００４９】
また、本発明によれば、各プローブの共振点の合わせこみを測定者が行う必要もないため、作業効率が上がるという効果がある。
【００５０】
さらに、本発明によれば、マルチプローブを加振するアクチュエータは１つでよいので、小型化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成図を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成図を示すプロック図である。
【図３】本発明の第２の実施例である非接触型原子間力顕微鏡の概略構成図を示すブロック図である。
【図４】図２に示す非接触型原子間力顕微鏡における各プローブの共振周波数とプローブの振動変位を示す図である。
【図５】図３に示す非接触型原子間力顕微鏡における各プローブの共振周波数のずれを模式的に示す図である。
【図６】ＡＦＭ観察の原理を説明するための原理説明図である。
【符号の説明】
１０１  マルチプローブ
１０２、２０２、３０２  アクチュエータ
１０３  変位検出部
１０４  波形合成部
１０５  復調部
１０６、２０９、３０９  サーボ回路
１０７、２１２、３１２、６０３  サンプル
１０８  スキャナ
１０９、２１０、３１０  ＸＹスキャナコントローラ
１１０、２１１、３１１  スタックピエゾ
２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ、６０１  プローブ
２１３、３１３  ＸＹスキャナ
２０３ａ、２０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ  レーザダイオード
２０４ａ、２０４ｂ、３０４ａ、３０４ｂ  ４分割フォトダイオード
２０５ａ、２０５ｂ、３０５ａ、３０５ｂ  Ｉ／Ｖ変換器
２０６ａ、２０６ｂ  ＡＭ検出器
２０７  記憶装置
２０８  任意波形発生器
２１４、３０７  波形合成回路
３０６ａ、３０６ｂ  ゲインコントローラ
３０８ａ、３０８ｂ  ＦＭ検出器
３１４ａ、３１４ｂ  位相シフタ
６０２  支点
【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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