JP5071901B2

JP5071901B2 - Atomic force microscope

Info

Publication number: JP5071901B2
Application number: JP2008052663A
Authority: JP
Inventors: 博志藤本; 貴行白石
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP2009210361A

Description

本発明は、原子間力顕微鏡装置に関する。 The present invention relates to an atomic force microscope apparatus.

精密計測分野において、その最も高分解能を持つ計測装置のひとつに原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ））がある。原子間力顕微鏡装置は、カンチレバ先端と試料表面との間に働く力をカンチレバ先端の変化（変位、振幅変化、周波数変化、位相変化など）から測るものである。近接する２つの物体間には必ず力が作用するため、ＡＦＭには試料に対する制約が原則的に存在しない。 In the precision measurement field, an atomic force microscope (AFM) is one of the measuring devices having the highest resolution. The atomic force microscope apparatus measures the force acting between the cantilever tip and the sample surface from changes (displacement, amplitude change, frequency change, phase change, etc.) of the cantilever tip. Since force always acts between two adjacent objects, the AFM has no restriction on the sample in principle.

また、ＡＦＭは、真空中や大気中に加え、液中での計測も可能であり、ナノスケールの生体試料観察を行うことができる（非特許文献１）。その他にも、ＡＦＭは、ナノスケールマニピュレーション（非特許文献２）、および次世代メモリへの応用（非特許文献３）に用いられており、ＡＦＭは、ナノテクノロジを支える装置のひとつとして注目されている。 Further, AFM can be measured in a liquid in addition to vacuum or in the air, and can observe a nanoscale biological sample (Non-patent Document 1). In addition, AFM is used for nanoscale manipulation (Non-Patent Document 2) and next-generation memory applications (Non-Patent Document 3), and AFM is attracting attention as one of the devices that support nanotechnology. Yes.

しかし、ＡＦＭの有する問題として、機器の取り扱いが困難であること、実験条件の設定が人間の経験によるところが大きいこと、計測時間が長時間に及ぶことなどが知られている（非特許文献４）。特に、計測時間は作業効率そのものと直結することや、生体試料観察のように時間経過による環境変化を避けたい場合など、産業応用の多くの場で測定時間の短縮化が望まれている。 However, it is known that AFM has problems that it is difficult to handle equipment, that experimental conditions are largely set by human experience, and that measurement time is long (Non-Patent Document 4). . In particular, it is desired to shorten the measurement time in many industrial applications, such as when the measurement time is directly related to the work efficiency itself, or when it is desired to avoid environmental changes over time, such as biological sample observation.

従来のＡＦＭの短時間計測のための取組みは、ＰＩＤ制御に代表される古典制御を基にしたフィードバック（ＦＢ）帯域の高帯域化がほとんどであった。 Conventional approaches for short-time measurement of AFM have mostly been to increase the feedback (FB) band based on classical control typified by PID control.

しかし、最近では高性能化のために様々な取組みが報告されている。例えば、ｚピエゾ素子の駆動を素早くするためのアクティブダンピング法（非特許文献５）、ライン毎の情報をフィードフォワード信号を印加して補償する方法（非特許文献６、非特許文献７）、Ｑ値制御法（非特許文献８）、繰返し制御を用いたもの（非特許文献９）などが報告されている。 Recently, however, various efforts have been reported for higher performance. For example, an active damping method (Non-Patent Document 5) for quickly driving the z piezo element, a method for compensating information for each line by applying a feedforward signal (Non-Patent Document 6, Non-Patent Document 7), Q A value control method (Non-Patent Document 8), a method using repetitive control (Non-Patent Document 9), and the like have been reported.

また、表面形状をオブザーバにより推定する表面形状オブザーバ（非特許文献１０、非特許文献１１）や、コンタクトモードにおいて走査経路の特徴を活かしたＦＦ信号を印加して補償する単方向型表面形状学習オブザーバ（非特許文献１２）が提案されている。 Further, a surface shape observer (Non-Patent Document 10 and Non-Patent Document 11) that estimates the surface shape by an observer, and a unidirectional surface shape learning observer that compensates by applying an FF signal that utilizes the characteristics of the scanning path in the contact mode. (Non-Patent Document 12) has been proposed.

「Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ｗｈａｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄａｎｄｗｈａｔｉｓｎｅｅｄｅｄ」,ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓ,Ｖｏｌ．４５,Ｎｏ．１,ｐ．１−８６（１９９６）“Biological atomic force microscopy: what is achieved and what is needed”, Advances in Physics, Vol. 45, no. 1, p. 1-86 (1996) 「Ａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｐｒｏｂｅｂａｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｐｕｓｈｉｎｇｆｏｒｎａｎｏｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」,ＩＥＥＥ−ＡＳＭＥＴ．Ｍｅｃｈ．,Ｖｏｌ．９,ｐ．３４３−３４９（２００４）“Atomic force microscope probe based controlled pushing for nanotribological charactarization”, IEEE-ASME T. Mech. , Vol. 9, p. 343-349 (2004) 「Ｍｉｌｌｉｐｅｄｅ−ａＭＥＭＳ−ｂａｓｅｄｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｂｅｄａｔａ−ｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ」,ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇ．,Ｖｏｌ．３９,ｐ．９３８−９４５（２００３）“Milliped-a MEMS-based scanning probe data-storage system”, IEEE Trans. Mag. , Vol. 39, p. 938-945 (2003) 「ＡＴｕｔｏｒｉａｌｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｓ, Ｄｙｎａｍｉｃｓ, ａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ」,Ｐｒｏｃ．Ａｍｅｒ．Ｃｔｒｌ．Ｃｏｎｆ．,ｐ．３４８８−３５０２（２００７）“A Tutor on the Machinery, Dynamics, and Control of Atomic Force Microscopes”, Proc. Amer. Ctrl. Conf. , p. 3488-3502 (2007) 「Ａｃｔｉｖｅｄａｍｐｉｎｇｏｆｔｈｅｓｃａｎｎｅｒｆｏｒｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」,Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．,Ｖｏｌ．７６,ｐ．０５３７０８（２００５）"Active dumping of the scanner for high-speed atomic force microscopy", Rev. Sci. Instrum. , Vol. 76, p. 053708 (2005) 「Ｒｏｂｕｓｔｔｗｏ−ｄｅｇｒｅｅｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｎａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」,ＡｓｉａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｔｒｏｌ,６,２,ｐ．１５６−１６３（２００４）“Robust two-degree of-freedom control of an atomic force microscope”, Asian Journal of Control, 6, 2, p. 156-163 (2004) 「Ｆｅｅｄ−ＦｏｒｗａｒｄＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｏｒＨｉｇｈ−ＳｐｅｅｄＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＩｍａｇｉｎｇｏｆＢｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ」,ＪＪＡＰ,Ｖｏｌ．４５,Ｎｏ．３Ｂ,ｐ．１９０４−１９０８（２００６）“Feed-Forward Compensation for High-Speed Atomic Force Microscopic Imaging of Biomolecules”, JJAP, Vol. 45, no. 3B, p. 1904-1908 (2006) 「ＨｉｇｈｓｐｅｅｄｔａｐｐｉｎｇｍｏｄｅｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈａｃｔｉｖｅＱｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」,ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ,Ｖｏｌ．７６,ｐ．１４７３（２０００）“High speed tapping mode imaging with active Q control for atomic force microscopy”, Applied Physics Letters, Vol. 76, p. 1473 (2000) 「ＩｔｅｒａｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＤｙｎａｍｉｃｓ− Ｃｏｕｐｌｉｎｇ−ＣａｕｓｅｄＥｒｒｏｒｓｉｎＰｉｅｚｏｓｃａｎｎｅｒｓＤｕｒｉｎｇＨｉｇｈ−ＳｐｅｅｄＡＦＭＯｐｅｒａｔｉｏｎ」,ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｃｔｒｌ．Ｓｙｓ．Ｔｅｃｈ．,Ｖｏｌ．１３,Ｎｏ．６,ｐ．９２１−９３１（２００５）“Iterative Control of Dynamics—Coupling-Caused Errors in Piezoscanners During High-Speed AFM Operation”, IEEE Trans. Ctrl. Sys. Tech. , Vol. 13, no. 6, p. 921-931 (2005) 「原子間力顕微鏡におけるナノスケールサーボ技術の新展開」,平成18年電気学会産業応用部門全国大会,Ｖｏｌ．２,ｐ．１２７−１３２（２００６）“New development of nanoscale servo technology in atomic force microscope”, 2006 Annual Conference of Industrial Applications Division of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 2, p. 127-132 (2006) 「タッピングモードＡＦＭにおける表面形状オブザーバの提案」,ＩＩＣ−０７−１１９,ｐ．７−１２（２００７）“Proposal of Surface Shape Observer in Tapping Mode AFM”, IIC-07-119, p. 7-12 (2007) 「コンタクトモードＡＦＭにおける表面形状学習型オブザーバの提案」,ＩＩＣ−０７−１１７,ｐ．７−１２（２００７）“Proposal of Surface Shape Learning Observer in Contact Mode AFM”, IIC-07-117, p. 7-12 (2007) 「Ｈａｒｍｏｎｉｃａｎａｌｙｓｉｓｂａｓｅｄｏｆｔａｐｐｉｎｇ−ｍｏｄｅＡＦＭ」,Ｐｒｏｃ．Ａｍｅｒ．Ｃｔｒｌ．Ｃｏｎｆ．,ｐ．２３２−２３６（１９９９）“Harmonic analysis based of tapping-mode AFM”, Proc. Amer. Ctrl. Conf. , p. 232-236 (1999)

しかしながら、ＡＦＭを、生体試料などの塑性材料の測定に適用するためには、ＡＦＭ測定の計測時間を短縮化し、試料へのダメージを低減しなければならない。 However, in order to apply AFM to measurement of a plastic material such as a biological sample, it is necessary to shorten the measurement time of AFM measurement and reduce damage to the sample.

上記課題を解決するために、本発明に係る原子間力顕微鏡装置は、試料表面の表面形状をタッピングモードで画像化する原子間力顕微鏡装置であって、前記試料表面と原子間力を介して相互作用し、前記原子間力によって振動振幅が振幅変調を受けるカンチレバと、前記カンチレバを前記カンチレバの共振周波数で振動させるための振動用ピエゾ素子と、前記カンチレバに向けて第１のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、前記カンチレバが前記第１のレーザ光を反射することにより発せられた第２のレーザ光を検出する光検出手段と、前記光検出手段により検出された前記カンチレバの先端の変位を振幅変復調するための振幅変復調器と、前記試料を載せたピエゾ素子と、前記試料表面と前記カンチレバの先端との間の距離を一定に保ち、前記ピエゾ素子に入力電圧を入力し、行きの走査の間に表面形状を計測し、前記ピエゾ素子の出力電圧および前記ピエゾ素子の入力電圧から、前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、前記コントローラは、前記行きの走査と同一ラインの帰りの走査において、前記行きの走査で記憶された前記表面形状をフィードフォワード信号として用いて制御を行うことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, an atomic force microscope apparatus according to the present invention is an atomic force microscope apparatus that images a surface shape of a sample surface in a tapping mode, via the sample surface and an atomic force. A cantilever that interacts and whose amplitude is modulated by the atomic force, a vibrating piezo element for vibrating the cantilever at a resonance frequency of the cantilever, and a first laser beam incident on the cantilever Laser light providing means for detecting the second laser light emitted when the cantilever reflects the first laser light, and a tip of the cantilever detected by the light detecting means. The distance between the amplitude modulator / demodulator for amplitude modulation / demodulation of the displacement, the piezoelectric element on which the sample is placed, and the sample surface and the tip of the cantilever is kept constant. A controller for inputting an input voltage to the piezo element, measuring a surface shape during a forward scan, and estimating a surface shape of the sample surface from an output voltage of the piezo element and an input voltage of the piezo element; Data storage means for recording the estimated surface shape, and the controller uses the surface shape stored in the outbound scan as a feedforward signal in the return scan of the same line as the outbound scan Control.

本発明によれば、ＡＦＭ測定の計測時間を短縮化し、試料へのダメージを低減することができる。 According to the present invention, the measurement time of AFM measurement can be shortened, and damage to the sample can be reduced.

以下で本発明に係る実施形態について説明する。ここで説明する実施形態は、あくまでも一例であり、本発明は、以下の実施形態によりいかなる制限も受けるものではない。 Embodiments according to the present invention will be described below. Embodiment described here is an example to the last, and this invention does not receive any restriction | limiting by the following embodiment.

＜実施形態＞
本実施形態は、試料の表面形状の測定時間短縮化し、試料へのダメージを低減することができるＡＭ−ＡＦＭを開示する。 <Embodiment>
The present embodiment discloses an AM-AFM that can shorten the measurement time of the surface shape of the sample and reduce damage to the sample.

（ＡＦＭの概要）
ＡＦＭにおける計測方式は、大きく分けてコンタクトモードとダイナミックモードに分類される。本実施形態に係るＡＦＭは、コンタクトモードと比較して試料との接触力が小さく、生体試料のように柔らかい試料にも適用できる振幅変調型のダイナミックモード（タッピングモードともいう）を計測方式として用いる。 (Outline of AFM)
The measurement methods in AFM are roughly classified into contact mode and dynamic mode. The AFM according to the present embodiment uses an amplitude modulation type dynamic mode (also called a tapping mode), which has a smaller contact force with a sample than a contact mode and can be applied to a soft sample such as a biological sample, as a measurement method. .

振幅変調型のタッピングモードとは、カンチレバの先端が、試料表面を周期的に叩きながらその振幅の変化を計測する方式である。 The amplitude modulation tapping mode is a method in which the tip of the cantilever measures the change in amplitude while hitting the sample surface periodically.

このような振幅変調型のタッピングモードを用いるＡＦＭを、振幅変調型原子間力顕微鏡装置（ＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＭ−ＡＦＭ））と呼ぶ。 An AFM using such an amplitude modulation type tapping mode is called an amplitude modulation atomic force microscope (AM-AFM).

ＡＭ−ＡＦＭの計測原理を、図１を用いて、以下で説明する。 The measurement principle of AM-AFM will be described below with reference to FIG.

まず、カンチレバの先端１０４と周期的に試料表面１２０とを接触させるためカンチレバの先端１０４を発振させる。ここで、内部摩擦による振動の減衰を補うためにカンチレバ１０３の後端部に備えた発振用ピエゾ素子１０１をＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザー）１０２によりカンチレバ１０３の共振周波数（通常、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ）で駆動する。タッピングモードＡＦＭでは、カンチレバの先端１０４に、レーザ光提供手段１０７によりＬＤ（レーザ光）１０５が照射される。そして、タッピングモードＡＦＭは、カンチレバの先端１０４から反射された光をＰＤ（フォトダイオード）１０６で受光することでカンチレバの先端１０４の変位を測定する。 First, the cantilever tip 104 is oscillated in order to periodically contact the sample surface 120 with the tip 104 of the cantilever. Here, in order to compensate for the attenuation of vibration due to internal friction, an oscillation piezo element 101 provided at the rear end of the cantilever 103 is driven by a DDS (direct digital synthesizer) 102 with a resonance frequency of the cantilever 103 (usually from several tens of kHz to Drive at several hundred kHz). In the tapping mode AFM, an LD (laser light) 105 is irradiated to the tip 104 of the cantilever by the laser light providing means 107. The tapping mode AFM measures the displacement of the tip 104 of the cantilever by receiving light reflected from the tip 104 of the cantilever with a PD (photodiode) 106.

ここで、レーザ光の光検出手段であるフォトダイオードとして、例えば、四分割フォトダイオードを用いても良い。また、レーザ光提供手段として、可視光半導体レーザを用いても良い。 Here, for example, a quadrant photodiode may be used as the photodiode which is a light detection means of the laser beam. Further, a visible light semiconductor laser may be used as the laser light providing means.

ＰＤ１０６により測定された信号は、後述する原子間力によりＡＭ変調されたものである。まず、ＰＤ１０６で測定された信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１０８を通る。次に、ＰＤ１０６により測定された信号を復調するために、ＰＤ１０６により測定された信号は、ＲＭＳ−ＤＣ１０９により実効値に換算される。本実施形態では、この実効値を原子間力とみなす。 The signal measured by the PD 106 is AM-modulated by an atomic force described later. First, a signal measured by the PD 106 passes through a BPF (band pass filter) 108. Next, in order to demodulate the signal measured by the PD 106, the signal measured by the PD 106 is converted into an effective value by the RMS-DC 109. In this embodiment, this effective value is regarded as an atomic force.

得られた原子間力を一定に保ちながら走査するために、コントローラ１１０は、試料の台座にあるｚ方向駆動ピエゾ素子（ｚ−走査器）１１１をフィードバック制御により駆動させる。このときの制御入力は表面形状から受ける原子間力を打消すように与えられる。これを取出し、画像化することで表面形状が得られ、表面形状のデータがデータ記憶手段１１６に保存される。 In order to perform scanning while keeping the obtained atomic force constant, the controller 110 drives the z-direction drive piezo element (z-scanner) 111 on the base of the sample by feedback control. The control input at this time is given so as to cancel the interatomic force received from the surface shape. The surface shape is obtained by taking it out and imaging it, and the surface shape data is stored in the data storage means 116.

ここで、コントローラ１１０に含まれる走査回路１１３は、試料がのせられているピエゾ素子面１１５に水平なｘｙ平面の走査をするｘｙ−走査器１１２を制御する。また、コントローラ１１０に含まれる補償器１１４は、試料がのせられているピエゾ素子面１１５に垂直なｚ方向の走査をするｚ−走査器１１１を制御する。 Here, the scanning circuit 113 included in the controller 110 controls the xy-scanner 112 that scans the xy plane horizontal to the piezoelectric element surface 115 on which the sample is placed. The compensator 114 included in the controller 110 controls the z-scanner 111 that performs scanning in the z direction perpendicular to the piezoelectric element surface 115 on which the sample is placed.

式（１）において、Ｒは、原子間の距離［１０^-10ｍ］であり、εとσは、物質に依存した定数で、実験によりフィッティングされるパラメータである。 In the formula (1), R is the distance between atoms [10 ⁻¹⁰ m], and ε and σ are constants depending on the substance and are parameters fitted by experiments.

本実施形態に係るＡＭ−ＡＦＭは、受光した信号を復調するために実効値（ＲＭＳ−ＤＣ）に換算し、出力する。 The AM-AFM according to the present embodiment converts the received signal into an effective value (RMS-DC) and demodulates the received signal.

出力電圧を一定に保ちながら走査するために、試料の台座にあるピエゾ素子をＦＢ制御により駆動させる。このとき、従来法では、表面形状から受ける原子間力が一定となるように制御入力は与えられる。 In order to scan while keeping the output voltage constant, the piezo element on the base of the sample is driven by FB control. At this time, in the conventional method, the control input is given so that the atomic force received from the surface shape is constant.

カンチレバ発振用ピエゾ素子、カンチレバ、原子間力、試料、ｚ方向駆動ピエゾ素子の全てのダイナミクスを考慮した詳細モデルについては、非特許文献１１に示されている。しかし、詳細モデルは複雑であるため、本実施形態では、ピエゾ素子および試料を剛体とみなし、簡単化した力学モデルを用いる。 Non-Patent Document 11 shows a detailed model that takes into account all dynamics of a cantilever oscillation piezoelectric element, cantilever, atomic force, sample, and z-direction driven piezoelectric element. However, since the detailed model is complicated, in this embodiment, the piezo element and the sample are regarded as rigid bodies, and a simplified dynamic model is used.

以下で、本実施形態に係る簡単化した力学モデルを、図２を用いて説明する。 Hereinafter, a simplified dynamic model according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図２に示されている簡単化した力学モデルは、非特許文献１３に示されているモデルとほぼ同一である。 The simplified dynamic model shown in FIG. 2 is almost the same as the model shown in Non-Patent Document 13.

原子間力は、図４に示されているレナードジョーンズポテンシャルで表される。図４に示されているように、原子間力は、近距離では斥力的となり、長距離では引力的となる。図２では、引力を負のバネ係数および粘性摩擦係数により表している。 The interatomic force is represented by the Leonard Jones potential shown in FIG. As shown in FIG. 4, the interatomic force becomes repulsive at a short distance and attractive at a long distance. In FIG. 2, the attractive force is expressed by a negative spring coefficient and a viscous friction coefficient.

以上の本実施形態に係る簡単化した力学モデルを基に運動方程式を立て、ブロック図で表すと、図３のようになる。 FIG. 3 is a block diagram illustrating an equation of motion based on the simplified dynamic model according to the present embodiment.

図２、３において、ｍ_c［ｋｇ］は、カンチレバの先端の質量である。 2 and 3, m _c [kg] is the mass of the tip of the cantilever.

また、図２、３において、ｋ_c［Ｎ／ｍ］は、バネ２０２のバネ係数である。また、図２、３において、ｋ_a［Ｎ／ｍ］は、バネ２０３のバネ係数であり、ｋ_r［Ｎ／ｍ］は、バネ２０４のバネ係数である。 2 and 3, k _c [N / m] is a spring coefficient of the spring 202. 2 and 3, k _a [N / m] is the spring coefficient of the spring 203, and k _r [N / m] is the spring coefficient of the spring 204.

また、図２、３において、ｂ_c［Ｎ×ｓ／ｍ］は、摩擦力発生源２１２の粘性摩擦係数である。また、図２、３において、ｂ_a［Ｎ×ｓ／ｍ］は、摩擦力発生源２１３の粘性摩擦係数であり、ｂ_r［Ｎ×ｓ／ｍ］は、摩擦力発生源２１４の粘性摩擦係数である。 2 and 3, b _c [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 212. 2 and 3, b _a [N × s / m] is a viscous friction coefficient of the frictional force generation source 213, and b _r [N × s / m] is a viscous friction of the frictional force generation source 214. It is a coefficient.

また、図２、３において、ｘ_pν［ｍ］は、発振用ピエゾ素子の位置であり、ｘ_c［ｍ］は、カンチレバの探針先端の変位である。また、図２、３において、ｘ_pz［ｍ］は、ｚ方向駆動ピエゾ素子の位置である。また、図２、３において、ｘ₀［ｍ］は、カンチレバの探針先端の初期位置であり、Ｌ_a［ｍ］は、バネ２０３の自然長の位置であり、Ｌ_r［ｍ］は、バネ２０４の自然長の位置であり、ｄ［ｍ］は、試料の高さである。 2 and 3, x _pν [m] is the position of the oscillating piezo element, and x _c [m] is the displacement of the tip of the cantilever probe. 2 and 3, x _pz [m] is the position of the z-direction drive piezo element. 2 and 3, x ₀ [m] is the initial position of the tip of the cantilever probe, L _a [m] is the natural length position of the spring 203, and L _r [m] is It is the position of the natural length of the spring 204, and d [m] is the height of the sample.

また、図３において、ｆｕｎｃ．１とｆｕｎｃ．２は、飽和関数である。 Further, in FIG. 1 and func. 2 is a saturation function.

なお、図３において、ｆｕｎｃ．１とｆｕｎｃ．２で表される飽和関数は、任意の入力値に対して値を出力し、原子間力を構成する斥力と引力が及ぶ範囲が限定されることを表している。 In FIG. 3, func. 1 and func. A saturation function represented by 2 outputs a value for an arbitrary input value, and represents that the range in which the repulsive force and attractive force constituting the interatomic force reach is limited.

また、図３において、ｓは、ラプラス演算子（時間微分演算子）を表し、１／ｓは時間積分を表している。 In FIG. 3, s represents a Laplace operator (time differential operator), and 1 / s represents time integration.

図３に示されているブロック図には、非線形要素である飽和関数が含まれている。本実施形態では、さらに、図３に示されている力学モデルを線形解析するために、非特許文献１１に示されているように、斥力領域と引力領域で状態空間を分離し、状態空間平均化法を用いて近似解析を行う。このような近似解析により、簡単化した力学モデルは、２次系となることがわかる。 The block diagram shown in FIG. 3 includes a saturation function that is a non-linear element. In the present embodiment, in order to perform a linear analysis on the dynamic model shown in FIG. 3, as shown in Non-Patent Document 11, the state space is separated into a repulsive force region and an attractive force region, and a state space average is obtained. Approximate analysis is performed using the conversion method. Such approximate analysis shows that the simplified dynamic model is a quadratic system.

図６、７は、本実施形態に係るＡＭ−ＡＦＭのサーボアナライザを用いて得られた制御対象Ｐ（ｓ）の周波数応答を示している。また、図６、７は、Ｐ（ｓ）の周波数応答にフィッティングさせて得られたノミナルプラントＰ_n（ｓ）の周波数応答も重ねて示している。ノミナルプラントＰ_n（ｓ）の伝達関数は、（２）式のように表される。 6 and 7 show the frequency response of the control target P (s) obtained using the AM-AFM servo analyzer according to the present embodiment. 6 and 7 also show the frequency response of the nominal plant P _n (s) obtained by fitting to the frequency response of P (s). The transfer function of the nominal plant P _n (s) is expressed as in equation (2).

本実施形態は、市販の原子間力顕微鏡装置を改造することにより実行することができる。例えば、市販の原子間力顕微鏡装置として、日本電子株式会社製のＪＳＰＭ−５２００を用いても良い。 This embodiment can be executed by modifying a commercially available atomic force microscope apparatus. For example, JSPM-5200 manufactured by JEOL Ltd. may be used as a commercially available atomic force microscope apparatus.

本実施形態に係るＡＭ−ＡＦＭでは、以下のような経路で試料の走査が行われる。図８は、試料をｚ軸上から見た、本実施形態に係るＡＭ−ＡＦＭによる試料の走査経路を示している。図８に示されているように、まず、Ｘ方向の走査開始位置から走査幅Ｌ［μｍ］だけ右方向へ「行きの」走査が行われる。このような走査をフォワードスキャン（ＦｏｒｗａｒｄＳｃａｎ（ＦＷＳ））と呼ぶ。次に、ＦＷＳと同じ経路をたどって右端から左端まで戻るように「帰りの」走査が行われる。このような走査をバックワードスキャン（ＢａｃｋｗａｒｄＳｃａｎ（ＢＷＳ））と呼ぶ。ここで、ＦＷＳとＢＷＳの走査速度は等しいとすることができる。ＦＷＳとＢＷＳの往復が完了したら、ｙ方向にステップ変位して「次のラインの」走査が行われる。以上の走査を繰返し行うことで、試料表面の走査が実行される。 In the AM-AFM according to the present embodiment, the sample is scanned along the following path. FIG. 8 shows a sample scanning path by the AM-AFM according to the present embodiment when the sample is viewed from the z-axis. As shown in FIG. 8, first, “bound” scanning is performed to the right by the scanning width L [μm] from the scanning start position in the X direction. Such a scan is called a forward scan (Forward Scan (FWS)). Next, a “return” scan is performed so as to follow the same path as the FWS and return from the right end to the left end. Such a scan is called a backward scan (Backward Scan (BWS)). Here, the scanning speed of FWS and BWS can be made equal. When the reciprocation of FWS and BWS is completed, the “next line” scan is performed with step displacement in the y direction. By repeatedly performing the above scan, the sample surface is scanned.

本実施形態では、例えば、走査の解像度を、Ｘ方向とＹ方向共に５１２ポイント/ラインとすると、走査幅をＬ［μｍ］として、この場合、分解能はおおよそ２Ｌ［ｎｍ］である。 In this embodiment, for example, when the scanning resolution is 512 points / line in both the X direction and the Y direction, the scanning width is L [μm], and in this case, the resolution is approximately 2 L [nm].

（従来法と表面形状学習オブザーバとの比較）
以下で、従来法に係る制御、表面形状オブザーバ（ＳＴＯ）に係る制御、および本実施形態に係る表面形状学習オブザーバ（ＳＴＬＯ）に係る制御について説明する。 (Comparison between conventional method and surface shape learning observer)
Hereinafter, the control according to the conventional method, the control according to the surface shape observer (STO), and the control according to the surface shape learning observer (STLO) according to the present embodiment will be described.

図５は、本実施形態で用いられる制御ブロック図を示す。本実施形態では、連続時間で設計した補償器１１４が、ＤＳＰ５０１により、サンプリング時間Ｔ（ｓ）＝０．１［ミリ秒］で離散化されている。また、本実施形態では、ＦＢ補償器Ｃ（ｓ）として、以下の式（３）で示されるＰＩ補償器が用いられる。 FIG. 5 shows a control block diagram used in the present embodiment. In the present embodiment, the compensator 114 designed in continuous time is discretized by the DSP 501 with a sampling time T (s) = 0.1 [milliseconds]. In the present embodiment, a PI compensator represented by the following formula (3) is used as the FB compensator C (s).

（従来法）
前述したように、従来法に係るＡＭ−ＡＦＭは、制御入力ｕを表面形状の観測値としている。したがって、従来法に係るＡＭ−ＡＦＭでは、表面形状ｄから制御入力ｕまでの伝達関数は、このシステムの相補感度関数Ｔ（ｓ）と等しく、以下の式（４）のようになる。 (Conventional method)
As described above, the AM-AFM according to the conventional method uses the control input u as an observed value of the surface shape. Therefore, in the AM-AFM according to the conventional method, the transfer function from the surface shape d to the control input u is equal to the complementary sensitivity function T (s) of this system, and is expressed by the following equation (4).

式（４）より、従来法の表面形状の観測値ｕは、補償器Ｃ（ｓ）をハイゲインなコントローラにすれば表面形状ｄを高い精度で反映できることがわかる。しかしながら、式（４）において、Ｃ（ｓ）は、閉ループ極を構成するため、むやみなハイゲイン化は制御系の不安定化を招く。 From the equation (4), it can be seen that the surface shape observation value u of the conventional method can reflect the surface shape d with high accuracy if the compensator C (s) is a high gain controller. However, in Expression (4), C (s) constitutes a closed-loop pole, and thus, unnecessarily high gain causes instability of the control system.

（表面形状オブザーバ（ＳＴＯ））
上記のような従来法の持つ欠点を解決するものが、表面形状を入力端外乱とみなし、これを外乱オブザーバにより推定する表面形状オブザーバ（ＳｕｒｆａｃｅＴｏｐｏｇｒａｐｈｙＯｂｓｅｒｖｅｒ（ＳＴＯ））（非特許文献１０）である。 (Surface shape observer (STO))
What solves the drawbacks of the conventional method as described above is a surface topography observer (STO) (Non-patent Document 10) that regards a surface shape as an input end disturbance and estimates it by a disturbance observer. .

図５の破線内に、ＳＴＯのブロック図が示されている。ＳＴＯでは、推定された表面形状 A block diagram of the STO is shown in a broken line in FIG. In STO, the estimated surface shape

を制御入力ｕへ戻さず、単に推定器としてのみ用いている。ＳＴＯで推定される表面形状 Is not returned to the control input u, but merely used as an estimator. Surface shape estimated by STO

を求めると、 Ask for

である。ここで、Δ（ｓ）は、Ｐ（ｓ）＝Ｐ_n（Ｓ）（１＋Δ（ｓ））という関係式を満たす乗法的モデル化誤差である。式（５）の両辺をＱ（ｓ）ｄで割ると It is. Here, Δ (s) is a multiplicative modeling error that satisfies the relational expression P (s) = P _n (S) (1 + Δ (s)). Dividing both sides of equation (5) by Q (s) d

となる。 It becomes.

ここで、感度関数Ｓ（ｓ）は、相補感度関数Ｔ（ｓ）とＳ（ｓ）＝１−Ｔ（ｓ）の関係にあることを式（６）に用いて、式（６）の両辺にＱ（ｓ）ｄをかけると、推定する表面形状 Here, the sensitivity function S (s) is in the relationship of the complementary sensitivity function T (s) and S (s) = 1−T (s) in the equation (6), and both sides of the equation (6). Multiplied by Q (s) d, the estimated surface shape

は、 Is

となる。 It becomes.

ここで、例えば、Ｑフィルタとして、以下の式（８）で示されるカットオフ周波数が１［ｋＨｚ］のものを用いることができる。 Here, for example, a Q filter having a cutoff frequency of 1 [kHz] represented by the following equation (8) can be used.

ここで、表面形状オブザーバにおけるモデル化誤差Δ（ｓ）の影響は感度関数Ｓ（ｓ）に従って抑圧される。また、精度よくモデル化した場合、すなわちモデル化誤差Δ（ｓ）が小さいならばＳＴＯにより推定された表面形状 Here, the influence of the modeling error Δ (s) in the surface shape observer is suppressed according to the sensitivity function S (s). Further, when modeling with high accuracy, that is, when the modeling error Δ (s) is small, the surface shape estimated by the STO

は、Ｑフィルタの時定数に従って、直ちに真の表面形状ｄに収束する。このため、ＳＴＯの設計においては閉ループ系の安定性を考慮する必要がなく、気軽に操作できる。 Immediately converges to the true surface shape d according to the time constant of the Q filter. For this reason, it is not necessary to consider the stability of the closed loop system in the design of the STO, and it can be easily operated.

しかし、ＳＴＯでは、閉ループ系の応答が改善されるわけではない。したがって、ＡＭ−ＡＦＭにおいて、サーボ剛性が十分でない場合、ＳＴＯを用いると、試料の凸部の高速走査時に、試料の表面形状で、カンチレバと試料の接触力が大きくなり試料を傷めてしまう場合がある。また、ＡＭ−ＡＦＭにより、試料の凹部を走査する場合には、試料とカンチレバが完全に離れてしまうため、出力の飽和現象などにより正確な計測が行えない場合がある。 However, STO does not improve the response of the closed loop system. Therefore, when servo rigidity is insufficient in AM-AFM, using STO may cause damage to the sample due to the contact force between the cantilever and the sample due to the surface shape of the sample during high-speed scanning of the convex portion of the sample. is there. In addition, when the concave portion of the sample is scanned by AM-AFM, the sample and the cantilever are completely separated from each other, so that accurate measurement may not be performed due to an output saturation phenomenon or the like.

（表面形状学習オブザーバ（ＳＴＬＯ））
上記のＳＴＯの問題点を解決するたに、フィードフォワード信号を制御入力に印加して補償を行うことにより、追従誤差ｅの低減を図るものが、本実施形態に係る表面形状学習オブザーバ（ＳＴＬＯ）である。 (Surface shape learning observer (STLO))
In order to solve the problems of the STO described above, a surface shape learning observer (STLO) according to the present embodiment can reduce the tracking error e by applying a feed-forward signal to a control input to perform compensation. It is.

ＳＴＬＯは、ディジタル外乱オブザーバを適用することにより推定された外乱を、系の安定性に影響することなくフィードフォワード的に外乱を抑圧して、高精度でＡＦＭにより観測する表面画像を推定することができる。 STLO suppresses disturbance estimated by applying a digital disturbance observer in a feed-forward manner without affecting the stability of the system, and estimates a surface image observed by AFM with high accuracy. it can.

図５の一点鎖線内に本実施形態に係るＳＴＬＯのブロック図が示されている。 A block diagram of the STLO according to the present embodiment is shown in a dashed line in FIG.

ＳＴＬＯの制御入力ｕは、以下の式（９）によって表される。 The control input u of STLO is expressed by the following equation (9).

上記の式（９）において、 In the above equation (9),

は、 Is

をもとに生成されたフィードフォワード信号である。
本実施形態の特徴は、ＡＭ−ＡＦＭのコントローラにおいて、以下で説明する、単方向型表面形状学習オブザーバ（ＳＤ−ＳＴＬＯ）、前列走査型表面形状学習オブザーバ（ＰＬＳ−ＳＴＬＯ）、および双方向型表面形状学習オブザーバ（ＤＤ−ＳＴＬＯ）を用いて、追従誤差ｅの低減を図る点にある。 Is a feedforward signal generated based on
A feature of the present embodiment is that a unidirectional surface shape learning observer (SD-STLO), a front row scanning surface shape learning observer (PLS-STLO), and a bidirectional surface described below in the AM-AFM controller This is because the tracking error e is reduced by using a shape learning observer (DD-STLO).

（単方向型表面形状学習オブザーバ（ＳＤ−ＳＴＬＯ））
本実施形態に係る単方向型表面形状学習オブザーバ（ＳｉｎｇｌｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＴｙｐｅＳｕｒｆａｃｅＴｏｐｏｇｒａｐｈｙＬｅａｒｎｉｎｇＯｂｓｅｒｖｅｒ（ＳＤ−ＳＴＬＯ））は、ＦＷＳ時とＢＷＳ時のスキャン経路が同じであることをうまく利用したものである。 (Unidirectional surface shape learning observer (SD-STLO))
The unidirectional surface shape learning observer (SD-STLO) according to the present embodiment makes good use of the fact that the scan path is the same during FWS and BWS.

ＳＤ−ＳＴＬＯは、ＦＷＳ（行きの走査）の間に表面形状を計測および記憶し、当該ＦＷＳ（行きの走査）と同一ラインのＢＷＳ（帰りの走査）において、記憶された表面形状を用いて制御し、試料表面の表面形状を推定する。 SD-STLO measures and stores the surface shape during FWS (bound scan), and controls using the stored surface shape in BWS (return scan) on the same line as the FWS (bound scan). Then, the surface shape of the sample surface is estimated.

具体的には、ＳＤ−ＳＴＬＯでは、ＦＷＳ時に得た表面形状 Specifically, in SD-STLO, the surface shape obtained during FWS

を学習信号として、メモリに記憶し、ＢＷＳ時にフィードフォワード信号として制御入力に印加する。 Is stored in the memory as a learning signal, and applied to the control input as a feed forward signal during BWS.

図９は、ＳＤ−ＳＴＬＯにおける、メモリの入出力を示している。ＳＤ−ＳＴＬＯにおいて、ＦＷＳとＢＷＳの切替りは、Ｘ方向の走査による波形から判断される。 FIG. 9 shows memory input / output in SD-STLO. In SD-STLO, switching between FWS and BWS is determined from a waveform obtained by scanning in the X direction.

図９において、ｆ_lnは、ＦＷＳでの学習信号を示しており、ｆ_lnの添字のｌは、ライン数を示し、ｎは、Ｘ方向の位置に相当する。 In FIG. 9, f _ln indicates a learning signal in FWS, the subscript l of f _ln indicates the number of lines, and n corresponds to the position in the X direction.

ＳＤ−ＳＴＬＯの特徴は、ＦＷＳで得られた学習信号 The feature of SD-STLO is the learning signal obtained by FWS.

をＢＷＳにて同一ライン上でフィードフォワード信号 Feed forward signal on the same line with BWS

として与えているので、 As given so

と When

の整合性が高いことである。しかしながら、図９から明らかなようにフィードフォワード信号の制御入力への印加は、ＢＷＳのみであり、ＦＷＳ時には、フィードフォワード信号は制御入力へ印加されない。 Is highly consistent. However, as apparent from FIG. 9, the feed forward signal is applied to the control input only by the BWS, and the feed forward signal is not applied to the control input during the FWS.

なお、ＳＤ−ＳＴＬＯでは、１ライン目のＦＷＳ時は学習信号がないため、ＦＢ動作のみが実行される。 In SD-STLO, since there is no learning signal during the FWS of the first line, only the FB operation is executed.

（前列走査型表面形状学習オブザーバ（ＰＬＳ−ＳＴＬＯ））
本実施形態に係る前列走査型表面形状学習オブザーバ（Ｐｒｅ−ＬｉｎｅＳｃａｎｎｉｎｇＴｙｐｅＳｕｒｆａｃｅＴｏｐｏｇｒａｐｈｙＬｅａｒｎｉｎｇＯｂｓｅｒｖｅｒ（ＰＬＳ−ＳＴＬＯ）)は、１ライン前のＦＷＳ（行きの走査）とＢＷＳ（帰りの走査）の間に表面形状を計測および記憶し、当該ＦＷＳ（行きの走査）の次のラインのＦＷＳ（行きの走査）とＢＷＳ（帰りの走査）において、記憶された表面形状を用いて制御し、試料表面の表面形状を推定する。 (Front row scanning surface shape learning observer (PLS-STLO))
The front-line scanning type surface topography learning observer (PLS-STLO) according to the present embodiment is between the FWS (bound scan) and BWS (return scan) one line before the front-line scan type surface shape learning observer (PLS-STLO). The surface shape is measured and stored, and the surface of the sample surface is controlled by using the stored surface shape in FWS (bound scan) and BWS (return scan) of the next line of the FWS (bound scan). Estimate the shape.

具体的には、ＰＬＳ−ＳＴＬＯは、１ライン前のＦＷＳとＢＷＳで得られた表面形状 Specifically, PLS-STLO is the surface shape obtained by FWS and BWS one line before

を、学習信号として、メモリに記憶し、次のラインのＦＷＳとＢＷＳでフィードフォワード信号 Is stored in the memory as a learning signal, and the feed forward signal is transmitted by FWS and BWS of the next line.

に用いる。 Used for.

図１０は、ＰＬＳ−ＳＴＬＯにおける、メモリの入出力を示している。図１０において、ｆ_lnは、ＦＷＳでの学習信号を示しており、ｆ_lnの添字のｌは、ライン数を示し、ｎは、Ｘ方向の位置に相当する。また、図１０において、ｂ_lnは、ＢＷＳ時の学習信号を示している。 FIG. 10 shows memory input / output in the PLS-STLO. In FIG. 10, f _ln indicates a learning signal in FWS, the subscript l of f _ln indicates the number of lines, and n corresponds to the position in the X direction. In FIG. 10, b _ln indicates a learning signal at the time of BWS.

ＰＬＳ−ＳＴＬＯの特徴は、ＦＷＳとＢＷＳの両方でフィードフォワード信号を制御入力へ印加することで、追従性能を改善し、その結果、ＦＢコントローラで抑圧すべき誤差ｅが減少するという点である。 The feature of PLS-STLO is that the follow-up performance is improved by applying the feedforward signal to the control input in both FWS and BWS, and as a result, the error e to be suppressed by the FB controller is reduced.

また、ＳＤ−ＳＴＬＯは、同一ライン上で得た学習信号を同一ライン上でフィードフォワード信号として与えているのに対し、ＰＬＳ−ＳＴＬＯは、１ライン前に学習したフィードフォワード信号を制御入力へ印加する。このため、ＰＬＳ−ＳＴＬＯでは、フィードフォワード信号と表面形状の整合性の保証はできず、隣接ラインに相関が全く無い場合にはフィードフォワード信号が外乱となってしまう。 In addition, SD-STLO gives a learning signal obtained on the same line as a feedforward signal on the same line, whereas PLS-STLO applies a feedforward signal learned one line before to the control input. To do. For this reason, in PLS-STLO, the consistency between the feedforward signal and the surface shape cannot be guaranteed, and the feedforward signal becomes a disturbance when there is no correlation between adjacent lines.

しかしながら、適切に走査範囲を選べば試料表面はある程度の滑らかさを持っている場合が殆どであるので、実用上では、ＰＬＳ−ＳＴＬＯは有効である。 However, if the scanning range is appropriately selected, the sample surface is almost always smooth to some extent, so that PLS-STLO is effective in practical use.

なお、ＰＬＳ−ＳＴＬＯでは、１ライン目のＦＷＳ時とＢＷＳ時に学習信号がないため、ＦＢ動作のみが実行される。 In PLS-STLO, since there is no learning signal at the FWS and BWS of the first line, only the FB operation is executed.

（双方向型表面形状学習オブザーバ（ＤＤ−ＳＴＬＯ））
双方向型表面形状学習オブザーバ（ＤｕａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＴｙｐｅＳｕｒｆａｃｅＴｏｐｏｇｒａｐｈｙＬｅａｒｎｉｎｇＯｂｓｅｒｖｅｒ（ＤＤ−ＳＴＬＯ））は、ＳＤ−ＳＴＬＯとＰＬＳ−ＳＴＬＯの長所を継承したものである。 (Bidirectional surface shape learning observer (DD-STLO))
The bi-directional surface shape learning observer (DD-STLO) inherits the advantages of SD-STLO and PLS-STLO (Dual-Direction-Type Surface Topology Learning Observer (DD-STLO)).

ＤＤ−ＳＴＬＯは、１ライン前のＢＷＳ（帰りの走査）の間に表面形状を計測および記憶し、ＦＷＳ（行きの走査）において、当該ＦＷＳ（行きの走査）よりも１ライン前のＢＷＳ（帰りの走査）で記憶された表面形状を用いて制御し、ＦＷＳ（行きの走査）の間に表面形状を計測および記憶し、ＢＷＳ（帰りの走査）において、ＢＷＳ（帰りの走査）と同一のラインのＦＷＳ（行きの走査）で記憶された表面形状を用いて制御し、試料表面の表面形状を推定する。 The DD-STLO measures and stores the surface shape during the BWS (return scan) one line before, and in the FWS (bound scan), the BWS (return line) one line before the FWS (bound scan). The surface shape is measured and stored during FWS (bound scan), and the same line as BWS (return scan) in BWS (return scan) The surface shape stored in the FWS (bound scan) is used to estimate the surface shape of the sample surface.

図１１は、ＤＤ−ＳＴＬＯにおける、メモリの入出力を示している。図１１において、ｆ_lnは、ＦＷＳでの学習信号を示しており、ｆ_lnの添字のｌは、ライン数を示し、ｎは、Ｘ方向の位置に相当する。また、図１１において、ｂ_lnは、ＢＷＳ時の学習信号を示している。 FIG. 11 shows memory input / output in DD-STLO. In FIG. 11, f _ln indicates a learning signal in FWS, the subscript l of f _ln indicates the number of lines, and n corresponds to the position in the X direction. In FIG. 11, b _ln indicates a learning signal during BWS.

ＤＤ−ＳＴＬＯでは、ＦＷＳ時に１ライン前のＢＷＳ中に、学習信号として、記憶された表面形状がフィードフォワード信号として制御入力へ印加される。また、ＢＷＳ時には同一ラインのＦＷＳ時に、学習信号として、記憶された表面形状がフィードフォワード信号として制御入力へ印加される。つまり、ＤＤ−ＳＴＬＯでは、ＢＷＳ時には、ＳＴＬＯと同様に、同一ライン上で学習信号と表面形状が対応するため、学習信号と表面形状の整合性が高い。 In DD-STLO, a surface shape stored as a learning signal is applied to a control input as a feedforward signal during BWS one line before FWS. Also, during BWS, the stored surface shape is applied as a feedforward signal to the control input as a learning signal during FWS on the same line. That is, in DD-STLO, since the learning signal corresponds to the surface shape on the same line at the time of BWS as in STLO, the matching between the learning signal and the surface shape is high.

また、実際の走査において、制御入力に印加されたフィードフォワード信号によりカンチレバの受ける原子間力が一定に保たれ、出力飽和が低減されるので、ＤＤ−ＳＴＬＯでは、ＳＴＯの推定精度の向上が期待できる。このため、次のラインのＦＷＳ時に与えられる学習信号 In actual scanning, the atomic force received by the cantilever is kept constant by the feed-forward signal applied to the control input, and output saturation is reduced. Therefore, DD-STLO is expected to improve the estimation accuracy of STO. it can. For this reason, the learning signal given at the FWS of the next line

の精度が高いと考えられる。 Is considered to be highly accurate.

なお、ＤＤ−ＳＴＬＯでは、１ライン目のＦＷＳ時は学習信号がないため、ＦＢ動作のみが実行される。 In DD-STLO, since there is no learning signal during FWS on the first line, only the FB operation is executed.

（シミュレーションの結果）
図１２は、ＳＤ−ＳＴＬＯによるシミュレーションの結果を示し、図１３は、ＰＬＳ−ＳＴＬＯによるシミュレーションの結果を示し、図１４は、ＤＤ−ＳＴＬＯによるシミュレーションの結果を示している。 (Simulation results)
FIG. 12 shows the result of simulation by SD-STLO, FIG. 13 shows the result of simulation by PLS-STLO, and FIG. 14 shows the result of simulation by DD-STLO.

図１２〜図１４において、ｄは、表面形状であり、ｅは追従誤差であり、ｕは制御入力であり、 12 to 14, d is a surface shape, e is a tracking error, u is a control input,

は、フィードフォワード信号が制御入力に印加されるメモリの出力である。 Is the output of the memory where the feedforward signal is applied to the control input.

図１２〜図１４の最上段のグラフでは、ｄを破線で表し、 In the uppermost graphs of FIGS. 12 to 14, d is represented by a broken line,

を実線で表して、同一のグラフ上に重ねている。 Is represented by a solid line and superimposed on the same graph.

ｄの外乱パターンは、１ライン目と２ライン目は同一の外乱が制御入力に印加された場合、２ライン目から４ライン目にかけて高さが増加、最後の５ライン目で高さが小さくなる表面形状を与えた場合である。同一ライン上でのＦＷＳとＢＷＳの表面形状は同じである。このシミュレーションでは０．０１［秒］毎に走査ラインは次のラインへと移ってゆく。 The disturbance pattern of d increases in height from the second line to the fourth line and decreases in the last fifth line when the same disturbance is applied to the control input in the first line and the second line. This is a case where a surface shape is given. The surface shapes of FWS and BWS on the same line are the same. In this simulation, the scanning line moves to the next line every 0.01 [seconds].

図１２の最下段のグラフに示されているように、ＳＤ−ＳＴＬＯでは、ＢＷＳにおいて外乱が抑圧され、追従誤差（ｅ）がゼロになっている。しかし、ＦＷＳではＦＢ動作のみが実行されているので、外乱が大きくなると追従誤差（ｅ）が増大し、試料との接触力が増大している。 As shown in the lowermost graph of FIG. 12, in SD-STLO, disturbance is suppressed in BWS, and the tracking error (e) is zero. However, since only the FB operation is performed in FWS, the follow-up error (e) increases when the disturbance increases, and the contact force with the sample increases.

図１３の最下段のグラフに示されているように、ＰＬＳ−ＳＴＬＯでは、１ライン前と同一の外乱が制御入力に印加された２ライン目で、ＦＷＳとＢＷＳでの外乱抑圧性が最も高くなり、追従誤差（ｅ）がゼロになっている。また、３ライン目以降でも、外乱の増減について１ライン前の情報を活かしているので、ＦＷＳにおいてＳＤ−ＳＴＬＯよりも追従誤差（ｅ）の大きさが抑圧されている。しかし、ＳＤ−ＳＴＬＯと異なり、ＢＷＳにおいて追従誤差（ｅ）がゼロとならず、残ってしまう。 As shown in the lowermost graph of FIG. 13, in PLS-STLO, the disturbance suppression in FWS and BWS is the highest in the second line where the same disturbance as the previous line is applied to the control input. Thus, the tracking error (e) is zero. Further, since the information of the previous line is utilized for the increase / decrease in disturbance even after the third line, the magnitude of the tracking error (e) is suppressed in the FWS as compared with the SD-STLO. However, unlike SD-STLO, the tracking error (e) does not become zero in BWS and remains.

図１４の最下段のグラフに示されているように、ＤＤ−ＳＴＬＯでは、ＢＷＳにおいてＳＤ−ＳＴＬＯと同じく良好な外乱抑圧性を示し、追従誤差（ｅ）の大きさが抑圧されている。また、ＦＷＳにおいてもＰＬＳ−ＳＴＬＯと同じく、１ライン前の情報を活かし、追従誤差（ｅ）が抑圧されている。 As shown in the lowermost graph of FIG. 14, DD-STLO shows good disturbance suppression performance in BWS as well as SD-STLO, and the magnitude of the tracking error (e) is suppressed. Also in FWS, the tracking error (e) is suppressed by utilizing the information of the previous line as in PLS-STLO.

（ＡＭ−ＡＦＭを用いた実験結果）
以下で、ＡＭ−ＡＦＭにより、試料を計測した結果について説明する。なお、計測する試料として、高さ約１００［ｎｍ］、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ(それぞれ５００［ｎｍ］）の標準試料を用いている。 (Experimental results using AM-AFM)
Below, the result of having measured the sample by AM-AFM is demonstrated. As a sample to be measured, a standard sample having a height of about 100 [nm] and Line & Space (each 500 [nm]) is used.

図１５は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、走査スピードを２．７［μｍ／ｓ］（画像取得時間：４１０５［秒］）と十分遅くして計測した試料の表面形状を示している。 FIG. 15 shows the surface shape of the sample measured in AM-AFM using the control according to the conventional method with a scanning speed sufficiently slow as 2.7 [μm / s] (image acquisition time: 4105 [seconds]). ing.

図１６は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 16 shows the surface shape of a sample measured using control by a conventional method in AM-AFM.

図１７は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 17 shows the surface shape of a sample measured using control by SD-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図１８は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 18 shows the surface shape of a sample measured using control by PLS-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図１９は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 19 shows the surface shape of a sample measured using control by DD-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図２０は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 20 shows a tracking error (e) when measurement is performed using control by a conventional method in AM-AFM.

図２１は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 21 shows the tracking error (e) in the case of measurement using the control by the SD-STLO according to the present embodiment in the AM-AFM.

図２２は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 22 shows a tracking error (e) in the case where measurement is performed using control by PLS-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図２３は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 23 shows a tracking error (e) in the case where measurement is performed using control by DD-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図１６〜２３に示されている計測では、走査速度が１６．１［μｍ／ｓ］（画像取得時間：４１０［秒］）である。 In the measurement shown in FIGS. 16 to 23, the scanning speed is 16.1 [μm / s] (image acquisition time: 410 [seconds]).

以下で説明する図２４〜３１に示されている計測結果は、図１６〜２３に示されている計測よりも、走査速度を高速化して得られたものである。図２４〜３１に示されている計測結果が得られた計測では、走査速度が５３．７［μｍ／ｓ］（画像取得時間：１２３［秒］）である。 The measurement results shown in FIGS. 24 to 31 described below are obtained by increasing the scanning speed as compared with the measurements shown in FIGS. In the measurement in which the measurement results shown in FIGS. 24 to 31 are obtained, the scanning speed is 53.7 [μm / s] (image acquisition time: 123 [seconds]).

具体的には、図２４は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 Specifically, FIG. 24 shows the surface shape of the sample measured using control according to the conventional method in AM-AFM.

図２５は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 25 shows the surface shape of a sample measured using control by SD-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図２６は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 26 shows a surface shape of a sample measured using control by PLS-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図２７は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す。 FIG. 27 shows the surface shape of a sample measured using control by DD-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

また、図２８は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 28 shows a tracking error (e) in the case of measurement using AM-AFM control by a conventional method.

図２９は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 29 shows the tracking error (e) in the case of measurement using the control by the SD-STLO according to the present embodiment in the AM-AFM.

図３０は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 30 shows a tracking error (e) in the case where measurement is performed using control by PLS-STLO according to the present embodiment in AM-AFM.

図３１は、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す。 FIG. 31 shows the tracking error (e) in the case of measurement using the control by the DD-STLO according to the present embodiment in the AM-AFM.

図２０、２８に示されているように、ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いると、ＦＷＳとＢＷＳの両方で追従誤差（ｅ）が大きい。 As shown in FIGS. 20 and 28, when the control according to the conventional method is used in AM-AFM, the tracking error (e) is large in both FWS and BWS.

これに対し、図２１、２９に示されているように、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いると、ＦＷＳでは、従来法と同様に追従誤差（ｅ）が大きくなるが、ＢＷＳにおいてフィードフォワード信号の効果で追従誤差（ｅ）が抑圧される。
また、図２２、３０に示されているように、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いると、ＢＷＳのみならずＦＷＳにおいてもフィードフォワード信号が制御入力に印加されるので、追従誤差（ｅ）の抑圧を達成できる。 On the other hand, as shown in FIGS. 21 and 29, when the control by the SD-STLO according to the present embodiment is used in the AM-AFM, the tracking error (e) becomes large in the FWS as in the conventional method. However, the tracking error (e) is suppressed by the effect of the feedforward signal in the BWS.
Further, as shown in FIGS. 22 and 30, when the control by PLS-STLO according to the present embodiment is used in AM-AFM, the feedforward signal is applied to the control input not only in BWS but also in FWS. The tracking error (e) can be suppressed.

また、図２３、３１に示されているように、ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いると、ＦＷＳとＢＷＳにおいてＳＤ−ＳＴＬＯのＢＷＳと同程度まで追従誤差（ｅ）を抑圧できる。 Further, as shown in FIGS. 23 and 31, when the control by DD-STLO according to the present embodiment is used in AM-AFM, the tracking error (e) is almost the same as that of SD-STLO BWS in FWS and BWS. Can be suppressed.

以上のように、ＡＭ−ＡＦＭにおいて、本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯ、ＰＬＳ−ＳＴＬＯ、およびＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いると、高速走査を行っても、追従誤差（ｅ）を低減することができ、試料を傷つけないで、計測時間を短縮化することができる。 As described above, in the AM-AFM, the use of the SD-STLO, PLS-STLO, and DD-STLO controls according to the present embodiment can reduce the tracking error (e) even when high-speed scanning is performed. The measurement time can be shortened without damaging the sample.

ＡＭ−ＡＦＭの計測原理を示す図である。It is a figure which shows the measurement principle of AM-AFM. 本実施形態に係る簡単化した力学モデルを示す図である。It is a figure which shows the simplified dynamic model which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るブロック図を示す図である。It is a figure which shows the block diagram which concerns on this embodiment. 原子間力を示す図である。It is a figure which shows atomic force. 制御ブロック図を示す図である。It is a figure which shows a control block diagram. 周波数応答を示す図である。It is a figure which shows a frequency response. 周波数応答を示す図である。It is a figure which shows a frequency response. 試料の走査経路を示す図である。It is a figure which shows the scanning path | route of a sample. 本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯにおける、メモリの入出力を示す図である。It is a figure which shows the input / output of the memory in SD-STLO which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯにおける、メモリの入出力を示す図である。It is a figure which shows the input / output of the memory in PLS-STLO which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯにおける、メモリの入出力を示す図である。It is a figure which shows the input / output of the memory in DD-STLO which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by SD-STLO which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by PLS-STLO which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by DD-STLO which concerns on this embodiment. ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by the conventional method in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by the conventional method in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by SD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by PLS-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by DD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by the conventional method in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by SD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by PLS-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by DD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by the conventional method in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by SD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by PLS-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した試料の表面形状を示す図である。It is a figure which shows the surface shape of the sample measured using control by DD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて従来法による制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by the conventional method in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＳＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by SD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＰＬＳ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by PLS-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM. ＡＭ−ＡＦＭにおいて本実施形態に係るＤＤ−ＳＴＬＯによる制御を用いて、計測した場合の追従誤差（ｅ）を示す図である。It is a figure which shows the tracking error (e) at the time of measuring using control by DD-STLO which concerns on this embodiment in AM-AFM.

符号の説明Explanation of symbols

１０１発振用ピエゾ素子
１０２ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザー）
１０３カンチレバ
１０４カンチレバの先端
１０５ＬＤ（レーザ光）
１０６ＰＤ（フォトダイオード）
１０７レーザ光提供手段
１０８ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
１０９ＲＭＳ−ＤＣ
１１０コントローラ
１１１ｚ−走査器
１１２ｘｙ−走査器
１１３走査回路
１１４補償器
１１５ピエゾ素子面
１１６データ記憶手段 101 Oscillation Piezoelectric Element 102 DDS (Direct Digital Synthesizer)
103 Cantilever 104 Cantilever tip 105 LD (Laser beam)
106 PD (photodiode)
107 Laser beam providing means 108 BPF (band pass filter)
109 RMS-DC
110 controller 111 z-scanner 112 xy-scanner 113 scanning circuit 114 compensator 115 piezo element surface 116 data storage means

Claims

試料表面の表面形状をタッピングモードで画像化する原子間力顕微鏡装置であって、
前記試料表面と原子間力を介して相互作用し、前記原子間力によって振動振幅が振幅変調を受けるカンチレバと、
前記カンチレバを前記カンチレバの共振周波数で振動させるための振動用ピエゾ素子と、前記カンチレバに向けて第１のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバが前記第１のレーザ光を反射することにより発せられた第２のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段により検出された前記カンチレバの先端の変位を振幅変復調するための振幅変復調器と、
前記試料を載せたピエゾ素子と、
前記試料表面と前記カンチレバの先端との間の距離を一定に保ち、前記ピエゾ素子に入力電圧を入力し、行きの走査の間に表面形状を計測し、前記ピエゾ素子の出力電圧および前記ピエゾ素子の入力電圧から、前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、
前記コントローラは、前記行きの走査と同一ラインの帰りの走査において、前記行きの走査で記憶された前記表面形状をフィードフォワード信号として用いて制御を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡装置。 An atomic force microscope apparatus that images a surface shape of a sample surface in a tapping mode,
A cantilever that interacts with the sample surface via an interatomic force, the vibration amplitude of which is subjected to amplitude modulation by the interatomic force;
A piezo element for vibration for vibrating the cantilever at a resonance frequency of the cantilever, and a laser beam providing means for entering a first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
An amplitude modulator / demodulator for modulating / demodulating the displacement of the tip of the cantilever detected by the light detection means;
A piezoelectric element on which the sample is mounted;
The distance between the sample surface and the tip of the cantilever is kept constant, an input voltage is input to the piezo element, a surface shape is measured during a forward scan, an output voltage of the piezo element and the piezo element A controller for estimating the surface shape of the sample surface from the input voltage of
Data storage means for recording the estimated surface shape,
The atomic force microscope apparatus, wherein the controller performs control by using the surface shape stored in the outbound scan as a feedforward signal in a return scan on the same line as the outbound scan.

試料表面の表面形状をタッピングモードで画像化する原子間力顕微鏡装置であって、
前記試料表面と原子間力を介して相互作用し、前記原子間力によって振動振幅が振幅変調を受けるカンチレバと、
前記カンチレバを前記カンチレバの共振周波数で振動させるための振動用ピエゾ素子と、
前記カンチレバに向けて第１のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバが前記第１のレーザ光を反射することにより発せられた第２のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段により検出された前記カンチレバの先端の変位を振幅変復調するための振幅変復調器と、
前記試料を載せたピエゾ素子と、
前記試料表面と前記カンチレバの先端との間の距離を一定に保ち、前記ピエゾ素子に入力電圧を入力し、行きの走査と帰りの走査の間に表面形状を計測し、前記ピエゾ素子の出力電圧および前記ピエゾ素子の入力電圧から、前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、
前記コントローラは、行きの走査と帰りの走査において、１ライン前の行きの走査と帰りの走査で記憶された前記表面形状をフィードフォワード信号として用いて制御を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡装置。 An atomic force microscope apparatus that images a surface shape of a sample surface in a tapping mode,
A cantilever that interacts with the sample surface via an interatomic force, the vibration amplitude of which is subjected to amplitude modulation by the interatomic force;
A vibrating piezo element for vibrating the cantilever at a resonance frequency of the cantilever;
A laser beam providing means for entering the first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
An amplitude modulator / demodulator for modulating / demodulating the displacement of the tip of the cantilever detected by the light detection means;
A piezoelectric element on which the sample is mounted;
Wherein maintaining the distance between the sample surface and the tip of the cantilever constant, the type of piezoelectric element to the input voltage, the surface shape is measured during the scanning of the go scan and return the output voltage of said piezoelectric element And a controller for estimating the surface shape of the sample surface from the input voltage of the piezo element;
Data storage means for recording the estimated surface shape,
Wherein the controller, in the scanning of going scan and return, atomic force and performing control using the surface shape stored in one line before going scan and return scan as a feedforward signal microscope apparatus.

試料表面の表面形状をタッピングモードで画像化する原子間力顕微鏡装置であって、
前記試料表面と原子間力を介して相互作用し、前記原子間力によってその先端の振動振幅が振幅変調を受けるカンチレバと、
前記カンチレバを前記カンチレバの共振周波数で振動させるための振動用ピエゾ素子と、
前記カンチレバに向けて第１のレーザ光を入射するレーザ光提供手段と、
前記カンチレバが前記第１のレーザ光を反射することにより発せられた第２のレーザ光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段により検出された前記カンチレバの先端の変位を振幅変復調するための振幅変復調器と、
前記試料を載せたピエゾ素子と、
前記試料表面と前記カンチレバの先端との間の距離を一定に保ち、前記ピエゾ素子に入力電圧を入力し、行きの走査と帰りの走査の間に表面形状を計測し、前記ピエゾ素子の出力電圧および前記ピエゾ素子の入力電圧から、前記試料表面の表面形状を推定するコントローラと、
推定された前記表面形状を記録するデータ記憶手段とを備え、
前記コントローラは、行きの走査において、前記行きの走査より１ライン前の帰りの走査で記憶された表面形状をフィードフォワード信号として用いて制御し、帰りの走査において、前記帰りの走査と同一のラインの前記行きの走査で記憶された表面形状をフィードフォワード信号として用いて制御を行うことを特徴とする原子間力顕微鏡装置。 An atomic force microscope apparatus that images a surface shape of a sample surface in a tapping mode,
A cantilever that interacts with the sample surface via an interatomic force, and the vibration amplitude at the tip thereof undergoes amplitude modulation by the interatomic force;
A vibrating piezo element for vibrating the cantilever at a resonance frequency of the cantilever;
A laser beam providing means for entering the first laser beam toward the cantilever;
A light detection means for detecting a second laser light emitted by the cantilever reflecting the first laser light;
An amplitude modulator / demodulator for modulating / demodulating the displacement of the tip of the cantilever detected by the light detection means;
A piezoelectric element on which the sample is mounted;
Maintaining a constant distance between the sample surface and the tip of the cantilever, inputting an input voltage to the piezo element, measuring a surface shape between a forward scan and a return scan, and outputting an output voltage of the piezo element And a controller for estimating the surface shape of the sample surface from the input voltage of the piezo element;
Data storage means for recording the estimated surface shape,
The controller controls the surface shape stored in the return scan one line before the forward scan as a feed forward signal in the forward scan, and the same line as the return scan in the return scan. An atomic force microscope apparatus that performs control using the surface shape stored in the forward scan as a feedforward signal .

前記コントローラは、ディジタル外乱オブザーバを用いて前記試料表面の表面形状を推定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の原子間力顕微鏡装置。 The atomic force microscope apparatus according to claim 1, wherein the controller estimates a surface shape of the sample surface using a digital disturbance observer.