JPH09281118A

JPH09281118A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH09281118A
Application number: JP8542796A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Takenobu; 貴亮武信
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1996-04-08
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の走査型プローブ顕微鏡の測定で検出され
た変調信号の変位では、探針に力が働いたのか、探針と
試料が接触したのかの判別ができなかった。【解決手段】本発明は、片持ち梁に周波数スウィープし
た変調信号を加えて振動させて、共振周波数になったと
きだけ片持ち梁の変位振幅を大きくした変位信号を検出
し変位の位相の変化により、探針に働く力の有無を判定
し、変位信号の実効値の減少により探針が試料に接触し
たことを判別することが可能なり、この変位信号の実効
値を測定すれば、どの程度探針と試料が接触しているか
を、探針に働いている力を無視して、試料の表面凹凸の
み測定する走査型プローブ顕微鏡である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡（ＳＰＭ）に係り、特に片持ち梁タイプの装置の改
善に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、Binning とRohrer等により発明さ
れた走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Scanning Tunneling
Microscope ）におけるサーボ技術を始めとする要素技
術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の
試料を原子オーダーの精度で観察することのできる顕微
鏡として、例えば、特開昭６２−１３０３０２号公報に
は、サンプル表面の像を形成する方法及び装置としての
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Atomic Force Microscope ）
が提案されている。

【０００３】このＡＦＭの構成は、ＳＴＭの構成と類似
しており、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の１つとし
て位置づけられている。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起
部分（探針部）を持つ片持ち梁を、試料に対向・近接し
てあり、探針の先端の原子と試料原子との間に働く相互
作用力により、変位する片持ち梁の動きを電気的あるい
は光学的にとらえて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査
し、カンチレバーの探針部との位置関係を相対的に変化
させることによって、試料の凹凸情報などを三次元的に
とらえることができる（ノンコンタクトモード）。ま
た、試料と探針とを接触させて、試料の凹凸を測定する
方法（コンタクトモード）も知られている。

【０００４】前記ＡＦＭにおいて、片持ち梁を共振周波
数近傍で変調をかけ、そのときの変位信号の交流成分に
より試料の凹凸を三次元に測定する方法（励振モード、
若しくは、ＡＣモード）は例えば、T.R.Albrecht,P.G
rutter,D.Horne,D.Rugar J.Appl.Phys.69(2),668(199
1) 等に開示されている。

【０００５】また、励振モードの１つで、片持ち梁を共
振周波数近傍で変調を掛け、探針で試料表面をたたき、
このときの変位信号を検出することで、試料の凹凸を三
次元に測定する方法（タッピングモード）も知られてい
る。

【０００６】さらに、前述したような励振モードの中で
も、試料と探針とを接触させるタッピングモードにおい
ては、探針で試料を傷つける可能性があり、極微小な力
で試料をたたくことが重要である。また、試料の再現性
を高めるために、一定の力でたたくことも重要である。

【０００７】以下には、図４（ａ）乃至（ｅ）を参照し
て、片持ち梁に変調周波数を加える測定（励振モード）
において、探針と試料との間に、静電力、磁力、原子間
力等の力が働いたときや、探針と試料とが接触したとき
等の片持ち梁の振幅変化について説明する。

【０００８】図４（ａ）には、片持ち梁に変調周波数を
加えたときの片持ち梁の振幅変化曲線を示す。この図に
おいて、振幅が急激に変化していることが分かる。この
振幅曲線の頂点は、共振周波数の共振点（ピーク）を示
すものである。以下、この共振点における変調周波数を
図４中では、Ａとして示している。

【０００９】図４（ｂ）には、探針に静電力、磁力、原
子間力等の力が働いたときの片持ち梁の振幅変化が太線
で示されている。この図から、探針に何らかの力が働い
た場合、共振周波数のピーク位置が変調周波数Ａから矢
印方向にシフトすることが分かる。

【００１０】図４（ｃ）には、探針と試料との間に力が
働いていない状態で、探針と試料とが接触したときの片
持ち梁の振幅変化が太線で示されている。この図から、
探針と試料とが接触した場合には、共振周波数のピーク
が押しつぶされるような形状となることが分かる。この
場合変調周波数Ａは、変化しないと考えられる。

【００１１】図４（ｄ）には、図４（ｂ）及び図４
（ｃ）で説明した両方の力が探針に加わった場合の片持
ち波の振幅変化が太線で示されている。特に、大気中で
行われるＡＦＭ測定においては、この図に示すような力
が探針に加わっていると考えられている。

【００１２】また、図４（ｅ）には、溶液中の測定を行
ったときに探針に加わる粘性の影響が太線で示されてい
る。この粘性により、共振点がなだらかになっているこ
とが分かる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
技術は、以下のような問題点がある。片持ち梁を共振周
波数近傍で変調させる方法（励振モード、又は、ＡＣモ
ードと称する）では、図４（ａ）に示す共振点の変調周
波数（変調信号）Ａの近傍の変調周波数が片持ち梁に加
えられる。この変調信号Ａを図５（ａ）に示す。この様
な変調信号が加えられることで、片持ち梁は、図５
（ｂ）に示すような波形で振幅を繰り返す。

【００１４】また、探針が試料表面に近接し、探針に力
（静電力、磁力、原子間力）が働いたときは、図４
（ｂ）に示すような現象が起こり、共振点がシフトす
る。加えて、探針に働く力の影響で振幅も減少する。こ
のため、変調信号Ａを加えた場合には、図４（ｂ）から
も分かるように、振幅が減少した図５（ｃ）に示すよう
な波形で片持ち梁が変位する。また、探針と試料が接触
したときは、図４（ｃ）のような現象が起こり、探針と
試料とが接触した部分の振幅が減少した図６（ａ）に示
すような波形で片持ち梁が変位する。尚、図６（ａ）
は、探針と試料との間に力が働いていない状態での振幅
を示す。

【００１５】また、通常、励振モードの中でもタッピン
グモードを用いたＡＦＭ測定を行う場合には、探針と試
料とが接触し、それと同時に、探針と試料との間に力が
働く。即ち、図５（ｃ）と図６（ａ）に示した減少が同
時に起こり、片持ち梁は、図４（ｄ）の変調信号Ａにお
ける変位振幅を示す。このときの片持ち梁の変位振幅を
図６（ｂ）に示す。

【００１６】ところで、ＡＦＭ測定では、図６（ｂ）に
示す片持ち梁の変位振幅を積分し、その積分した値を実
効値として検出する。そして、その検出された値に基づ
いて、その試料の凹凸を再現している。従って、図６
（ｂ）の波形から得られる凹凸信号は、探針と試料との
間に働く力の影響及び探針と試料とが接触した影響の両
者を含む凹凸信号となってしまう。即ち、図６（ｂ）に
基づく試料表面に関する信号は、探針と試料との関係が
明らかでないため、実際の試料表面の凹凸を示す信号で
はないと考えられる。

【００１７】この様に、タッピングモードにおいて、探
針と試料との関係がはっきりしない状態で片持ち梁を励
振し、探針で試料をたたくことは、試料を傷つける可能
性が高い上に、一定の力で試料をたたくことも困難であ
る。

【００１８】そこで本発明は、静電力、磁力、原子間力
等の力と、探針と試料との接触とを判別すると共に、探
針と試料との接触量を一定にして、試料表面凹凸形状を
測定する走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的と
する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、先端に尖鋭化した探針を設けた片持ち梁
に、所定の変調信号を印加して振動させ、前記探針を試
料に接触して走査させ、前記片持ち梁の変位を光学的に
検出し、前記試料表面の形状を検知する走査型プローブ
顕微鏡において、前記変調信号の周波数を任意の範囲内
でスウィープした変調信号を生成し、前記片持ち梁に印
加する変調信号スウィープ手段を有する走査型プローブ
顕微鏡を提供する。さらに、前記走査型プローブ顕微鏡
は、前記片持ち梁の変位の振幅実効値を検出し、振幅実
効値が一定になるようにサーボをかけるサーボ手段を有
する。

【００２０】以上のように構成された走査型プローブ顕
微鏡により、片持ち梁に周波数スウィープした変調信号
を加えて振動させて、共振周波数になったときだけ片持
ち梁の変位振幅を大きくした変位信号を検出し変位の位
相の変化により、探針に働く力の有無を判定し、変位信
号の実効値の減少により探針が試料に接触したことを判
別することが可能になり、この変位信号の実効値を測定
すれば、どの程度探針と試料が接触しているかを、探針
に働いている力を無視して、試料の表面凹凸のみ測定す
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１には、本発明によ
る実施形態として、走査型プローブ顕微鏡の概略的な構
成を示し説明する。

【００２２】この走査型プローブ顕微鏡は、先端に先鋭
化した探針１が設けられた片持ち梁２と、測定する試料
３の表面に対して探針１の先端を相対的に走査させる走
査部と、片持ち梁２を振動させる振動部と、片持ち梁２
の変位を光学的に検出する変位センサ４と、この変位セ
ンサ４の変位信号の実効値を測定する実効値回路５とを
備えている。

【００２３】前記走査部は、測定する試料３を載置し、
所定電圧の印加によって、図中のＸＹＺ軸方向に変位自
在な圧電体等からなる３次元スキャナ６と、３次元スキ
ャナ６をＸＹ軸方向に走査するＸ走査回路７及びＹ走査
回路８と、探針１と試料３の表面からの距離が所望の距
離に維持されるように、実効値回路５の実効値信号に基
づいて、その実行値が一定になるように、３次元スキャ
ナ６をＺ方向に変位制御するＺサーボ回路９とで構成さ
れる。

【００２４】前記振動部は、片持ち梁２の探針１を垂直
方向（Ｚ方向）に動かせるための変調圧電体１１と、前
記探針１を振動させるために変調圧電体１１に印加する
変調信号を生成する変調信号発生器１０と、前記変調信
号発生器１０により生成された変調信号を後述する周波
数スウィープされた信号に変換する変調信号スウィープ
回路１２とで構成される。

【００２５】図２及び図３を参照して、このように構成
された走査型プローブ顕微鏡の作用について説明する。
ここで、図２（ａ）は、変調信号スウィープ回路１２か
ら変調圧電体１１に印加する周波数がスウィープされた
信号を示す。この周波数スウィープ変調信号は、図５
（ａ）に相当する信号に図４（ａ）に示す変調周波数−
片持ち梁変位振幅の関係の変位波形を加えた信号であ
る。通常、片持ち梁を振動させるための周波数は、その
振幅が図４（ａ）に示す共振点Ａの近傍で一定になるよ
うに固定されるが、本実施形態においては、例えば、共
振点Ａを含む任意の周波数帯域で周波数を変動させるよ
うにする。従って、片持ち梁は、図４（ａ）に示した片
持ち梁の振動特性を反映する図２（ｂ）のような振動を
繰り返すことになる。勿論、この変調信号をスィープす
る帯域幅は、片持ち梁毎の特性に適正する値で定められ
るものであり、片持ち梁の変位振幅のピーク値（共振
点）を中心として、任意の幅の周波数帯域を設定すれば
よい。また、試料が溶液中にある測定の場合は、図４
（ｅ）に示すように、粘性が働き、緩やかな変位波形と
なる。この場合には、図４（ａ）のような通常の大気の
変位振幅と積分値が同じ即ち、実効値が同じになるよう
に周波数の帯域幅を広く設定すれば、同様に扱うことが
できる。

【００２６】この変調信号スウィープ回路１２により発
生させた周波数スウィープ変調信号を変調圧電体１１に
印加すると、探針１に力が働いていない状態において、
片持ち梁２は、図２（ｂ）に示すように共振周波数にな
ったときだけ片持ち梁の変位振幅が大きく振れる。これ
は、従来の図５（ｂ）に相当する。

【００２７】そして、この振れ状態で、探針１を試料３
に近づけていき、探針１に静電力、磁力、原子間力等の
力が働いたときは、変位センサ４に入る変位信号が、図
２（ｃ）に示すように変位する。この信号は、図２
（ｂ）の信号と比較して探針１と試料３との間に力が働
いたため、共振周波数の共振点がシフトしている。この
力の影響により、ピーク−ピークの距離が変化してい
る。また、このときの実効値は、ピーク−ピークの距離
に関係なく、図２（ｂ）と等しくなる。この変位信号
は、従来の図４（ｂ）に示す状態の時、検出される信号
である。

【００２８】さらに、探針１が試料３に接触したとき
は、片持ち梁の振れ幅が制限され、図３（ａ）に示す様
な変位信号になる。この変位信号は、図２（ｂ）と比較
して試料３と接触している部分を除いては、図３（ｂ）
と同じである。また、接触している分、実効値は図２
（ｂ）より減少している。但し、ここでは、探針１と試
料３との間には力が働いていないものと考える。

【００２９】次に、実際に、探針１で試料３をタッピン
グモードでＡＦＭ測定した変位信号を図３（ｂ）に示
す。この図３（ｂ）に示す変位信号は、探針１と試料３
との接触量を同じにした場合、図３（ａ）と実効値が同
じである。また、図２（ｃ）と同様に、探針１と試料３
との間に働く力に基づき、ピーク−ピークの距離が変化
している。この変位信号は、図４（ｄ）の影響を受けた
変位信号である。

【００３０】以上によれば、探針１と試料３との接触量
の増加に伴い、図３（ｂ）の変位信号の実効値が減少
し、探針１と試料３との間に働く力は、ピーク−ピーク
の距離変化に置き換えられたことが理解できる。言い換
えれば、実効値を一定に保つように制御すれば、探針１
と試料３とが一定の接触量を保つようにＡＦＭ測定する
ことができると言うことである。

【００３１】以下、実効値を一定にする動作について説
明する。前述したように、スウィープされた片持ち梁２
の変位は、変位センサ４によって、光学的に検出され
る。この検出された変位信号は、実効値回路５に入力さ
れる。この実効値回路５では、変位センサ４で検出され
た変位信号が積分処理され、その変位信号に基づく実効
値が算出され、出力される。

【００３２】そして実効値回路５の出力が一定になるよ
う、Ｚサーボ回路９により、３次元スキャナ６をＺ軸方
向にコントロールしながら、Ｘ走査回路７、Ｙ走査回路
８により、ＸＹ軸方向に試料３を走査すると、探針１先
端は、試料３表面の凹凸に追従しながら動き、試料３の
表面凹凸が測定される。

【００３３】従って、本実施形態においては、周波数ス
ウィープ変調信号を探針の圧電体に印加し、得られた変
位信号の実効値を測定すれば、どの程度、探針と試料が
接触しているかを、探針に働いている力を無視して測定
することができる。

【００３４】さらに、溶液中の測定の場合であっても、
図４（ｅ）に示すように、粘性が働き共振点がなだらか
になったとしても、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡
を用いれば、ある幅の周波数分で積分したのと同じ効果
がでるため、粘性が働こうとも変位信号の実効値は変わ
らない、よって、粘性による実測の誤差を無視して測定
することができる。

【００３５】また、変位センサにより得られた検出信号
に基づき、変位信号の実効値が一定になるようサーボを
かけ、試料を走査すると、場所による試料の粘性や、探
針に働いている力を無視し、探針と試料の接触量を一定
にしてサンプルの表面凹凸のみ測定することができる。

【００３６】さらに、前述した実施形態では、探針と試
料との間に働く力を無視するものとして説明したが、図
２（ｃ）や図３（ｂ）に示す変位信号から任意にピック
アップしたピーク−ピークの距離を求め、元の状態と比
較し、その変化量に基づいて、この力を表面凹凸と分離
して検出することも可能である。また、ピークの一点の
み注目して、そのピーク値の移動量からも同様に検出で
きる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、静
電力、磁力、原子間力等の探針に働いている力の影響を
無くし、探針と試料の接触量を一定にしてサンプルの表
面凹凸形状を測定できるため、接触量を最適にして、安
定的にＡＣモードのＡＦＭの測定を行う走査型プローブ
顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施形態としての走査型プローブ
顕微鏡の概略的な構成を示す図である。

【図２】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の測定に用
いる周波数スウィープした変調信号の波形と変位波形を
示す図である。

【図３】本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の測定にお
ける検出された変調信号の変位波形を示す図である。

【図４】片持ち梁の変調周波数と変位振幅の関係を示す
図である。

【図５】従来の片持ち梁の変調周波数と変位振幅の関係
を示す図である。

【図６】従来の片持ち梁における検出された変調信号の
変位波形を示す図である。

【符号の説明】

１…探針２…片持ち梁３…試料４…変位センサ５…実効値回路６…３次元スキャナ７…Ｘ走査回路８…Ｙ走査回路９…Ｚサーボ回路１０…変調信号発生器１１…変調圧電体１２…変調信号スウィープ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端に尖鋭化した探針を設けた片持ち梁
に、所定の変調信号を印加して振動させ、前記探針を試
料に接触して走査させ、前記片持ち梁の変位を光学的に
検出し、前記試料表面の形状を検知する走査型プローブ
顕微鏡において、前記変調信号の周波数を任意の範囲内でスウィープした
変調信号を生成し、前記片持ち梁に印加する変調信号ス
ウィープ手段を具備することを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡。
【請求項２】前記片持ち梁の変位の振幅実効値を検出
し、前記振幅実効値が一定になるようにサーボをかける
サーボ手段をさらに具備し、周波数をスィープしている変調信号を印加する際に、前
記片持ち梁の変位の振幅実効値を検出し、前記振幅実効
値が一定になるようにサーボをかけて、測定することを
特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】先端に先鋭化した探針が設けられた片持
ち梁と、測定する試料を載置して、３次元（ＸＹＺ方向）に移動
自在で、試料表面上に前記探針の先端を接触させて相対
的に走査する走査部と、前記探針を振動させるための所定の変調信号を生成する
変調信号生成部と、前記探針の振動の変位を光学的に検出し、変位の実効値
信号を生成する実効値生成部と、前記探針と前記試料表面からの距離が所望の一定距離に
維持されるように、前記実効値生成部が生成した実効値
信号に基づいて、その実行値が一定になるように、前記
走査部をＺ方向に変位制御するサーボ部と、前記変調信号生成部が生成した変調信号を、前記片持ち
梁の振幅のピーク値を中心とする任意の周波数幅でスィ
ープさせて前記片持ち梁に印加する周波数スウィープ発
生部と、を具備することを特徴とする走査型プローブ顕
微鏡。