(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触原子間力顕微鏡のカンチレバーを加振して固有周波数で発振させた状態で試料とカンチレバー間の距離を変化させたときの距離変化に対するカンチレバー発振周波数の変化特性を、異なるカンチレバー加振振幅に対してそれぞれ測定し、各カンチレバー加振振幅に対する前記変化特性の急激な立ち上がり位置の差からカンチレバーの発振振幅を求めることを特徴とするカンチレバー振幅測定方法。
【請求項２】
先端が試料に対向し、一端を加振手段に固定したカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する変位検出器と、変位検出器の出力が入力され、該出力を一定にするように前記加振手段を制御する増幅器と、前記変位検出器出力の周波数を検出する周波数検出器と、試料を２次元的に駆動すると共に、前記検出した周波数が一定となるように試料とカンチレバー先端との距離を一定に制御する試料駆動手段とを備えた非接触原子間力顕微鏡において、
前記増幅器を制御して異なる加振電圧で加振手段をそれぞれ駆動させると共に、各加振電圧における試料とカンチレバー先端との距離変化に対する発振周波数の変化を前記周波数検出器出力より検出し，各加振電圧における前記発振周波数の急激な立ち上がり位置の差よりカンチレバーの発振振幅を算出する制御装置を備えたことを特徴とする非接触原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非接触原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭという）に関し、特にカンチレバーの発振振幅を直接求められるようにした方法、および係る方法を用いた非接触原子間力顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すように、試料１の表面にカンチレバー２の先端を原子間力が作用する程度に近接させで走査し、試料表面の形状を観察する原子間力顕微鏡が知られている。このような原子間力顕微鏡においては、試料１とカンチレバー２の先端を近づけていくと、最初両者間に引力が働き、さらに接近させると斥力が作用し、これら作用する力を一定にするように試料１とカンチレバー２の間の距離を制御することにより試料表面の形状観察が行われる。
【０００３】
しかし、試料とカンチレバー先端間の斥力を検出する方式では、試料とカンチレバーが非常に接近している（実際にはカンチレバーを試料に押しつけた状態）ために、試料とカンチレバーの相互作用が強くなると試料表面を破壊してしまう。そこで、試料とカンチレバーが比較的離れた所で働く引力を検出することで、試料とカンチレバーを接触させることなく、試料の形状を観察する非接触ＡＦＭが考えられた。しかし、斥力は、試料とカンチレバー間の距離依存性が強いので、カンチレバーの撓みを測定することで検出することができるが、引力は距離依存性が弱いので、カンチレバーの撓みから引力を検出することは難しい。そこで、試料とカンチレバー間の引力を検出する方法の１つとして周波数変調（ＦＭ）検出法が用いられている。
【０００４】
図６はこのようなＦＭ検出法を説明するブロック図である。試料１は、Ｘ，Ｙドライバー（図示せず）およびＺドライバー５で駆動されるピエゾスキャナー９により、Ｘ，Ｙ方向に２次元走査されるとともに、Ｚ方向に動かされるようになっている。カンチレバー２の根元に接続したピエゾ素子４に発振制御アンプ３より加振信号を加え、カンチレバー２をその共振周波数で振動させる。カンチレバーの発振による変位は、その先端にレーザ６からレーザ光を照射し、その反射を２分割光センサー７で受光し、センサの各受光面の出力の差から検出する光てこ方式を用いて検出している。発振制御アンプ３は２分割光センサー７の出力が一定となるようにピエゾ素子４を駆動する。ＦＭ復調器８は２分割光センサー７の出力を、その周波数に応じた電圧信号に変換し、その出力でＺドライバー５を駆動し、カンチレバーと試料との間の距離が一定に保たれるようにし、この時のＺ駆動電圧が距離に換算されて画像信号として取り出される。
このようにカンチレバー２は共振周波数で振動するが、カンチレバー２を試料に接近させ、試料との間で力を受けると共振周波数が変化する。そこで共振周波数が一定となるようにＺドライバー５の駆動電圧を変化させ、カンチレバーと試料と間の距離を一定に保つように制御したときのＺドライバー５の駆動電圧から試料表面の凹凸の情報が得られて観察される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、非接触ＡＭＦは試料とカンチレバーを接触させることなしに観察することから、カンチレバーと試料間の相互作用（原子間力、静電気力等）の解析に用いられる。これには、カンチレバーと試料間の距離を正確に知る必要があり、カンチレバーの発振振幅を求めることが必要となる。カンチレバーを発振させると、２分割光センサーの出力も正弦波となる。この正弦波の振幅とカンチレバーの発振振幅は比例関係にあるが、発振振幅の絶対値に直接換算することはできず、発振振幅自体の大きさを求めることはできない。また、カンチレバーの個体差やレーザ光のアライメント等により一定ではないので、カンチレバーを交換したり、アライメントを調整したときには、求め直す必要がある。
【０００６】
一般的に、コンタクトモードにおけるフォースカーブ（Ｚ方向距離に対する２分割光センサー出力）により発振振幅を求める方法が考えられる。
図７はコンタクトモードＡＦＭにおけるフォースカーブを示している。フォースカーブとは、カンチレバーを試料に近づけて接触させ、また遠ざけていった時のＺ方向の距離の変化に対する２分割光センサーの出力周波数変化をカーブに描いたもので、カンチレバーが試料と接触している部分では直線を描く。この直線部分よりカンチレバーの変位と２分割光センサーの出力周波数の関係を求めることができる。しかしこの方法は、カンチレバーを試料に押しつけた部分を用いるので、試料表面やカンチレバー先端を破壊する恐れがある。また、柔らかい試料では、カンチレバーを押しつけると試料が変形して正確な関係を求めることができない。
本発明は上記課題を解決するためのもので、非接触原子間力顕微鏡においてカンチレバーの発振振幅を直接正確に求められるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のカンチレバー振幅測定方法は、非接触原子間力顕微鏡のカンチレバーを加振して固有周波数で発振させた状態で試料とカンチレバー間の距離を変化させたときの距離変化に対するカンチレバー発振周波数の変化特性を、異なるカンチレバー加振振幅に対してそれぞれ測定し、各カンチレバー加振振幅に対する前記変化特性の急激な立ち上がり位置の差からカンチレバーの発振振幅を求めることを特徴とする。
また、本発明の非接触原子間力顕微鏡は、先端が試料に対向し、一端を加振手段に固定したカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する変位検出器と、変位検出器の出力が入力され、該出力を一定にするように前記加振手段を制御する増幅器と、前記変位検出器出力の周波数を検出する周波数検出器と、試料を２次元的に駆動すると共に、前記検出した周波数が一定となるように試料とカンチレバー先端との距離を一定に制御する試料駆動手段とを備えた非接触原子間力顕微鏡において、前記増幅器を制御して異なる加振電圧で加振手段をそれぞれ駆動させると共に、各加振電圧における試料とカンチレバー先端との距離変化に対する発振周波数の変化を前記周波数検出器出力より検出し，各加振電圧における前記発振周波数の急激な立ち上がり位置の差よりカンチレバーの発振振幅を算出する制御装置を備えたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の非接触原子間力顕微鏡のブロック構成図、図２〜図４はカンチレバーの発振振幅を求める方法を説明する図である。
図１の構成は基本的に図６と同様であり、ピエゾ素子４の加振電圧を変化させ、その時の周波数変位出力から各加振電圧におけるフォースカーブを求め、これよりカンチレバーの発振振幅を求める制御装置１０が付加されている点のみ異なっている。この制御装置１０による制御を図２〜図４により説明する。
【０００９】
図２はノンコンタクトモードＡＦＭにおけるフォースカーブを示している。発振制御アンプ３の出力でピエゾ素子４を駆動し、カンチレバー２を共振周波数で発振させた状態で２分割光センサー７の出力をＦＭ復調器８で検出し、Ｚドライバー５により試料とカンチレバー間の距離（Ｚ方向距離）を変化させた時の発振周波数の変位量を測定し、フォースカーブを求める。図２において、横軸はＺ方向の距離、縦軸は周波数の変位量（ＦＭ復調器８の出力）である。カンチレバーが試料から離れているときには周波数変化はない。このカンチレバーを試料に接近させ、カンチレバーに力が加わると、急激に発振周波数が変化する。
【００１０】
図３において、２分割光センサーの出力（正弦波）の振幅をＡとした時（図３（ａ））、実際のカンチレバーの発振振幅をａとし（図３（ｂ））、フォースカーブの周波数の急激な立ち上がりのＺ方向位置をＺａとする（図３（ｃ））。いま、図１の制御装置１０により発振制御アンプ３を制御して、ピエゾ素子４に加える加振電圧を変化させ、２分割光センサー出力の振幅Ｂ＝Ａ／２（図４（ａ））としたとき、カンチレバーの発振振幅は２分割光センサーの出力と比例関係にあることから、ｂ＝ａ／２となる（図４（ｂ））。また、このときのフォースカーブの立ち上がりのＺ方向位置をＺｂとする（図４（ｃ））。
カンチレバーの発振振幅をａからａ／２に変化させたとき、カンチレバー先端の基準位置（振動方向中心位置）と試料間の距離はａ／４だけ変化したことになり、これがＺ方向の距離（Ｚａ−Ｚｂ）に相当するので、
ａ／４＝Ｚａ−Ｚｂ
ａ＝４（Ｚａ−Ｚｂ）
となる。このように、加振振幅を変化させてフォースカーブを測定することによって、カンチレバーの発振振幅を求めることができる。制御装置１０では、以上の処理を自動化して行う機能をもっている。この方法は、図７に示したようなフォースカーブの直線部分を使用せず、急激な周波数の変化またはＦＭ復調器の出力の変化を用いているので、カンチレバーや試料の状態に影響なく、安定してカンチレバーの発振振幅を正確に求めることができる。
【００１１】
なお、上記において、試料とカンチレバーの間に働く力の検出にＦＭ検出法を用いているが、直接周波数変化を測定する方法等によっても良く、またカンチレバーの加振方法も加振電圧振幅一定方式や発振振幅一定方式等があり、これを用いても良い。また、カンチレバーの変位の検出に光てこ方式を使用したが、光干渉法やカンチレバーにバイモルフを使用する等その他の方法を用いてもよい。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば非接触ＡＦＭによる試料とカンチレバーの間に働く相互作用の解析に必要なカンチレバーの発振振幅をカンチレバーや試料の状態に影響なく、安定し、かつ簡便に正確に求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の非接触原子間力顕微鏡のブロック構成図である。
【図２】  カンチレバーの発振振幅を求める方法を説明する図である。
【図３】  カンチレバーの発振振幅を求める方法を説明する図である。
【図４】  カンチレバーの発振振幅を求める方法を説明する図である。
【図５】  従来の原子間力顕微鏡を示す図である。
【図６】  ＦＭ検出法を説明するブロック図である。
【図７】  接触モードＡＦＭにおけるフォースカーブを示す図である。
【符号の説明】
１…試料、２…カンチレバー、３…発振制御アンプ、４…ピエゾ素子、５…ドライバ、６…レーザ、７…２分割光センサ、８…ＦＭ復調器、９…ピエゾスキャナ、１０…制御装置。
【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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