(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ＡＣモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、
カンチレバーの振幅の最下点を検出可能な検出手段を備えており、
検出手段により検出された試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定にし、試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記検出手段は、前記カンチレバーの振幅の最大値と最小値を検出可能なピーク検出器を備えてい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】
カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ＡＣモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、
カンチレバーにより試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定に維持するサーボ回路を備え、試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
カンチレバーにより試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定に維持し、試料に加える探針の荷重を一定に維持するようサーボ回路がＸＹＺスキャナのＺ方向の変位を制御することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ＡＣモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、
カンチレバーにより試料をタッピング走査する際に、カンチレバーがタッピング振幅の最下点にあるときのカンチレバーの撓み角を一定に維持し試料に加える探針の荷重を一定に維持するようサーボ回路を介してＸＹＺスキャナのＺ方向の変位を制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に液中ＡＣモード測定によって試料の表面情報を測定するための走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カンチレバーの振動振幅が一定に維持されるように、探針先端と試料表面との間の位置関係をフィードバック制御しながら試料の表面情報を測定するＡＣモードの走査型プローブ顕微鏡（ＡＣモードＳＰＭ）が知られている（特開昭６３−３０９８０３号公報参照）。
【０００３】
ＡＣモードＳＰＭの一例としては、図２（ａ）に示すように、所定の液体（図示しない）を収容した試料容器２内にセットされた試料４に対して、探針６先端を一定の振動振幅でタッピング走査することによって試料４の表面情報を測定するＡＣモードＳＰＭがある。なお、試料容器２は、Ｘ走査信号ＳX 、Ｙ走査信号ＳY 、Ｚサーボ信号ＳZ によってＸＹＺ方向に変位自在なＸＹＺスキャナ８上に支持されている。
【０００４】
このようなＡＣモードＳＰＭにおいて、試料４に対向して配置されたカンチレバー１０は、その基端が保持部材１２に着脱自在に固定されており、その先端には尖鋭化した探針６が形成されている。
【０００５】
保持部材１２には、圧電素子１４が固定されており、この圧電素子１４は、励振信号発生器１６を介してコンピュータ１８に接続されている。この構成において、コンピュータ１８からの指示信号Ｓ１に基づいて励振信号発生器１６を駆動すると、この励振信号発生器１６から発生した励振信号Ｓ２に基づいて圧電素子１４が所定周波数で振動する。このとき、圧電素子１４の振動が保持部材１２を介してカンチレバー１０に伝達され、カンチレバー１０を所定の振幅で振動させることになる。
【０００６】
このような保持部材１２は、カンチレバー１０の変位状態を光学的に検出するカンチレバー変位センサ２０に支持されており、このカンチレバー変位センサ２０は、振幅検出器２２を介してサーボ回路２４及びコンピュータ１８に接続されている。
【０００７】
振幅検出器２２は、カンチレバー変位センサ２０からの変位信号Ｓ３に基づいて、カンチレバー１０の振幅を検出可能に構成されている。
また、サーボ回路２４は、振幅検出器２２からの振幅検出信号Ｓ４に基づいてＺサーボ信号ＳZ を出力し、カンチレバー１０の振動振幅が所望の値に維持されるようにＸＹＺスキャナ８をフィードバック制御する。なお、Ｚサーボ信号ＳZ は、高圧アンプ２６を介してＸＹＺスキャナ８に印加される。
【０００８】
フィードバック制御中、コンピュータ１８は、高圧アンプ２６を介してＸＹＺスキャナ８にＸ走査信号ＳX 及びＹ走査信号ＳY を印加して、ＸＹＺスキャナ８をＸＹ方向に変位させる。同時に、コンピュータ１８は、Ｘ走査信号ＳX 、Ｙ走査信号ＳY 、Ｚサーボ信号ＳZ に基づいて、試料４の表面情報（具体的には、試料４表面の三次元凹凸情報）を検出する。そして、このとき検出された試料４の表面情報に対して画像処理を施すことによって、試料４の表面画像が形成されることになる。
【０００９】
次に、従来のＡＣモードＳＰＭの動作について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
まず、探針６先端と試料４表面との間に相互作用が働かない状態において、カンチレバー１０を励振させる。
【００１０】
カンチレバー１０の振動状態は、カンチレバー変位センサ２０によって検出され、その変位信号Ｓ３が振幅検出器２２に出力される。
このとき、振幅検出器２２は、変位信号Ｓ３に基づいてカンチレバー１０の振動振幅を検出し、その振幅検出信号Ｓ４をサーボ回路２４及びコンピュータ１８に出力する。
【００１１】
コンピュータ１８は、カンチレバー１０の振動振幅が一定値に維持されるように、指示信号Ｓ１を励振信号発生器１６に出力する。
励振信号発生器１６は、指示信号Ｓ１に基づいて演算した励振信号Ｓ２を圧電素子１４に出力し、圧電素子１４を所定の周波数で振動させる。
【００１２】
この結果、カンチレバー１０は、一定の振幅で振動することになる。なお、この場合、カンチレバー１０の固有の共振点付近の周波数でカンチレバー１０を振動させることが好ましい。
【００１３】
カンチレバー１０の振動振幅が一定状態に安定した後、コンピュータ１８は、サーボ回路２４を制御して、高圧アンプ２６を介してＺサーボ信号ＳZ をＸＹＺスキャナ８に印加する。この結果、ＸＹＺスキャナ８がＺ方向に変位することによって、探針６と試料４とが接近若しくは接触する。
【００１４】
探針６と試料４とを接近若しくは接触させることによって、探針６先端と試料４表面との間に相互作用力が働いた場合、前述した状態（相互作用力が働かない状態）と比べて、カンチレバー１０の共振点の位置が変動（シフト）する。これは、カンチレバー１０の固有振動数が、探針６先端と試料４表面との間の相互作用力によって変化するためである。
【００１５】
このとき、カンチレバー１０の共振点のシフト量は、カンチレバー変位センサ２０によって検出された後、そのシフト量データが振幅検出器２２を介してコンピュータ１８に入力される。
【００１６】
次に、コンピュータ１８に入力されたシフト量データに基づいて、探針６先端と試料４表面との間に作用する力が一定値となるように、ＡＣモード測定の基準となるシフト量（即ち、カンチレバー１０の基準振動振幅値）を決定する。
【００１７】
この後、基準振動振幅値が維持されるようにフィードバック制御しながら、ＸＹＺスキャナ８にＸ走査信号ＳX 及びＹ走査信号ＳY を印加して、探針６先端を試料４表面に沿ってＡＣモード走査（即ち、タッピング走査又は非接触走査）する。
【００１８】
そして、このようなフィードバック制御中において、Ｘ走査信号ＳX 、Ｙ走査信号ＳY 、Ｚサーボ信号ＳZ に基づいて、試料４の表面情報（具体的には、試料４表面の三次元凹凸情報）が検出されることになる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、探針６先端と試料４表面との間に働く相互作用力によって、カンチレバー１０の共振点がシフトする現象（振動振幅が変化する現象）は、距離依存性と称される。
【００２０】
この距離依存性は、探針６先端と試料４表面との間の距離が一定であっても、試料４の種類によって異なった特性を奏する。
このような特性は、特に、タッピング走査において、以下のような問題となって現われることが知られている。
【００２１】
測定対象となるべき試料４は、その全体に亘って、必ずしも均一な硬さを有しない場合、即ち部分的に硬い部分や柔らかい部分が混在する場合がある。例えば、細胞等の生体試料は、ごく柔らかい試料であって、その全体が均等な硬さを有していない。
【００２２】
このような試料４に対して、探針６の荷重を一定に維持しながらタッピング走査しても、硬い部分と柔らかい部分では、試料４に対する探針６の押し込み量が変化してしまう。換言すれば、カンチレバー１０の振動振幅値が変化してしまうことになる。
【００２３】
具体的に説明すると、例えば図２（ｂ）に示すように、同一平面内に硬い部分４ａと柔らかい部分４ｂが連続した試料４に対して、一定の振動振幅値Ｗ１でタッピング走査した場合、硬い部分４ａに比べて柔らかい部分４ｂの押し込み量が増加するため、振動振幅値は、Ｗ１＋Ｗ２となってしまう。
【００２４】
従来のＡＣモードＳＰＭでは、カンチレバー１０の振動振幅が変化した場合、基準振幅値（この例では、Ｗ１）に復帰するようにフィードバック制御される。即ち、「探針６先端と試料４表面との間の距離が小さくすると振動振幅が減少する」という距離依存性に基づいて、探針６先端と試料４表面との間の距離を小さくするようにフィードバック制御が成される。
【００２５】
図２（ｃ）には、このようなフィードバック制御の状態が示されている。
この場合、試料４の硬い部分４ａから柔らかい部分４ｂに亘って、カンチレバー１０の振動振幅が一定値に維持されるようにフィードバック制御されているため、カンチレバー１０の振れ角θは、一定に保たれる。
【００２６】
しかしながら、カンチレバー１０の探針６が試料４に最も押し込まれたときの、撓み角は、θA からθB へ変化する（θA ＜θB ）。なお、撓み角θA ，θB は、夫々、相互作用が働かない状態でのカンチレバー１０の振動振幅の最下点ラインＰとタッピング振幅の最下点ラインＴとの成す角度である。
【００２７】
この場合、カンチレバー１０のばね定数をＫとすると、探針６が試料４に加えるタッピング荷重は、ＫθA からＫθB へ増加する（ＫθA ＜ＫθB ）。
ＡＣモードによるタッピング走査では、試料４に加える荷重は、常に、一定であることが好ましい。特に、生体試料等の硬い部分４ａと柔らかい部分４ｂが混在した試料４では、試料４の損傷を防ぐためにも、試料４の全体に亘って均一な荷重でタッピング走査することが望まれている。
【００２８】
しかしながら、従来のＡＣモードＳＰＭでは、上述したように試料４に対する探針６の荷重を一定に保つようなフィードバック制御が成されていないため、試料４の柔らかい部分４ｂに対して必要以上の損傷を与えてしまう場合がある。特に、タッピング走査では、探針６によって試料４表面を叩いているため、このような場合には、必要以上に試料４を傷付けてしまうことになる。
【００２９】
そこで、硬い部分４ａと柔らかい部分４ｂが混在した試料４を用いた場合であっても、試料４全体に亘って常に一定の荷重でＡＣモード測定を行うことができる技術の開発が望まれている。
【００３０】
本発明は、このような要望に答えるために成されており、その目的は、試料全体に亘って常に一定の荷重でＡＣモード測定を行うことが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ＡＣモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーの振幅の最下点を検出可能な検出手段を備えており、検出手段により検出された試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定にし、試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴としている。
本発明の走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ＡＣモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーにより試料をタッピング走査する際のカンチレバーのタッピング振幅の最下点を、探針と試料との間に相互作用が働かない状態におけるカンチレバーの振幅の最下点から一定に維持するサーボ回路を備え、試料に加える探針の荷重を一定に維持することを特徴としている。
本発明の走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバーを励振させることによって探針を振動させながら液中ＡＣモード測定を行う走査型プローブ顕微鏡であって、カンチレバーにより試料をタッピング走査する際に、カンチレバーがタッピング振幅の最下点にあるときのカンチレバーの撓み角を一定に維持し試料に加える探針の荷重を一定に維持するようサーボ回路を介してＸＹＺスキャナのＺ方向の変位を制御することを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡ついて、図１を参照して説明する。なお、本実施の形態の説明に際し、従来の走査型プローブ顕微鏡（図２参照）と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡は、所定の液体（図示しない）を収容した試料容器２内にセットされた試料４に対して、カンチレバー１０を励振させることによって探針６を所定の振幅で振動させながらＡＣモード測定を行う際に、試料４に加える探針６の荷重が一定に維持されるように、カンチレバー１０の振幅最下点を検出可能な検出手段、即ちピーク検出器２８、を備えている。
【００３４】
そして、ピーク検出器２８によって検出された振幅最下点を一定に維持するように、サーボ回路２４が、ＸＹＺスキャナ８を駆動制御するように構成されている。
【００３５】
このように本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡は、従来の振幅検出器２２の代わりにピーク検出器２８を配置した点に特徴を有しており、他の構成は従来と同様であるため、その説明は省略する。
【００３６】
次に、本実施の形態の動作を簡単に説明する。
まず、探針６先端と試料４表面との間に相互作用が働かない状態（以下、フリー状態という）において、カンチレバー１０を励振させる。
【００３７】
カンチレバー１０の振動状態は、カンチレバー変位センサ２０によって検出され、その変位信号Ｓ３がピーク検出器２８に出力される。
このとき、ピーク検出器２８は、変位信号Ｓ３に基づいてカンチレバー１０の振動振幅の最大値と最小値を検出し、そのピーク検出信号ＳP をコンピュータ１８に出力する。
【００３８】
コンピュータ１８は、ピーク検出信号ＳP に所定の演算処理を施して、フリー状態のカンチレバー１０の振幅最下点ラインＰを記憶する。
続いて、ＡＣモード測定の基準となるカンチレバー１０の振動振幅を決定した後、この基準振動振幅値が維持されるようにフィードバック制御しながら、ＸＹＺスキャナ８にＸ走査信号ＳX 及びＹ走査信号ＳY を印加して、探針６先端を試料４表面に沿ってＡＣモード走査（本実施の形態では、タッピング走査）する。
【００３９】
以下、タッピング走査の説明を簡単にするため、図１（ｂ）に示すように、同一平面内に硬い部分４ａと柔らかい部分４ｂが連続した試料４に対して、探針６をタッピング走査する場合について説明する。
【００４０】
図１（ｂ）に示すように、硬い部分４ａの試料４表面に探針６をタッピング走査する際、カンチレバー変位センサ２０からの変位信号Ｓ３に基づいて、ピーク検出器２８は、タッピング振幅の最大値と最小値を検出し、そのピーク検出信号ＳP をコンピュータ１８に出力する。
【００４１】
コンピュータ１８は、ピーク検出信号ＳP に所定の演算処理を施して、カンチレバー１０のタッピング最下点ラインＴを記憶する。そして、先に記憶した振幅最下点ラインＰとタッピング最下点ラインＴに基づいて、カンチレバー１０の撓み角θA を演算する。
【００４２】
そして、コンピュータ１８は、この撓み角θA を維持するように、サーボ回路２４を介してＸＹＺスキャナ８をフィードバック制御しながら、ＸＹＺスキャナ８をＸＹ方向に変位制御する。なお、このとき、カンチレバー１０の振れ角は、θとなっている。
【００４３】
この結果、硬い部分４ａの試料４表面に対する探針６のタッピング荷重は、常に一定に維持されることになる。
このようなＡＣモード走査中において、柔らかい部分４ｂの試料４が走査対象となったとき、試料４に対する探針６の押し込み量が変化してカンチレバー１０の基準振動振幅値が変化する。
【００４４】
このとき、コンピュータ１８は、先に演算したカンチレバー１０の撓み角θA が維持されるように、サーボ回路２４を介してＸＹＺスキャナ８をＺ方向に変位制御する。
【００４５】
この場合、柔らかい部分４ｂでのカンチレバーの振れ角は、硬い部分４ａでの角度θからθ′に変化する（θ＜θ′）ことになるが、柔らかい部分４ｂの試料４に探針６が最も押し込まれた際の撓み角は、“θA ”に維持される。
【００４６】
この結果、柔らかい部分４ｂの試料４表面に対する探針６のタッピング荷重は、硬い部分４ａに対する荷重と同一荷重に維持されることになる。
このように、本実施の形態によれば、距離依存性が変化してしまう場合でも、探針６が試料４にタッピングする際のカンチレバー１０の撓み角θA は、常時、一定に維持されるため、試料４に加えられる探針６のタッピング荷重は、試料４全体に亘って変化しない。従って、探針６が試料４に加える荷重がＡＣモード測定中に増加することが防止できるため、特に、培養液中の培養細胞等の表面が柔らかく壊れやすい試料４を用いた場合でも、かかる試料４を傷付けること無くＡＣモード測定を行うことが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、試料全体に亘って常に一定の荷重で液中ＡＣモード測定を行うことが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図、（ｂ）は、同図（ａ）の走査型プローブ顕微鏡によって、硬い部分と柔らかい部分が連続している試料をＡＣモード測定している状態を示す図。
【図２】（ａ）は、従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図、（ｂ）は、試料の硬い部分と柔らかい部分において振動振幅値が変化している状態を示す図、（ｃ）は、同図（ａ）の走査型プローブ顕微鏡によって、硬い部分と柔らかい部分が連続している試料をＡＣモード測定している状態を示す図。
【符号の説明】
４  試料
６  探針
８  ＸＹＺスキャナ
１０  カンチレバー
１８  コンピュータ
２４  サーボ回路
２８  ピーク検出器
Ｐ  カンチレバーの振幅最下点ライン
Ｔ  タッピング最下点ライン
θA   カンチレバーの撓み角
【図１】
0003859275.tif 000002
【図２】
0003859275.tif 000003