JP5252389B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、カンチレバーの振動の位相を検出する技術に関する。

従来、典型的な走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。これらのうち、ＡＦＭは、探針を自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する変位センサと、試料ステージスキャナとを備える。

ＡＦＭは、ピエゾ素子（圧電素子）を振動させることによってカンチレバーを共振周波数付近の周波数で振動させ、振動するカンチレバーの探針を試料に接触させる。試料とカンチレバーがＸＹ方向に相対的に走査され、ＸＹ走査過程で変位センサを用いて振動振幅が検出される。そして、振動振幅が一定に保たれるように試料とカンチレバーが相対的にＺ方向（上下方向）にフィードバック走査される。フィードバック走査により、試料の表面の高さ変化が分かり、試料形状が計測される。このようにして、ＡＦＭは、試料と探針の接触による振動振幅の変化を変位センサで検出することにより試料形状を計測する。

ＡＦＭでは、振動振幅の他に、“位相”も有用な情報として計測される。試料と探針のエネルギー散逸を伴う相互作用により、カンチレバー振動の位相がシフトすることが知られている。位相情報は、試料の粘性、弾性および組成などの物性情報を含む。したがって、位相変化を検出することにより生体分子の構造変化のみならず、物性情報の動的変化も捉えることが可能になる。ＡＦＭを使った位相計測は、例えば、 Miriam Argaman et al., "Phase imaging of moving DNA molecules and DNA molecules replicated in the atomic force microscope", Nucleic Acids Research, Oxford University Press, 1997, Volume 25, Number 21, pp.4379-4384. に開示されている。

従来のＡＦＭは、位相を検出するためにロックインアンプ等を用いている。しかし、ロックインアンプは、高速なＡＦＭ測定に求められる十分な帯域を有していない。例えば、カンチレバーの振動の一周期ごとに位相を検出するといった要求には、ロックインアンプは応えられない。そのため、より高速な位相検出技術が求められる。

また、ＡＦＭには、接触ＡＦＭ（Contact AFM）の他に非接触ＡＦＭ（Non-contact AFM）が知られている。非接触ＡＦＭは、探針が試料に近接した状態で使用される。上述した励振効率の問題は、接触ＡＦＭに限られない。同様の問題が非接触ＡＦＭにも生じ得る。

本発明は、上記背景の下でなされてものであり、その目的は、カンチレバー振動の位相を高速に検出可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

また、本発明の一つの目的は、高感度な位相検出を行える走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

さらに、本発明の一つの目的は、位相変化に基づくフィードバック走査と形状測定を行うことができ、高感度で試料損傷も低減可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

本発明の一つの目的は、高速位相検出を利用して、さらなる計測点数増大が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーを振動させて、カンチレバーと試料を相対的に走査する。この走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーを励振する励振手段と、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じた信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成手段と、を備える。

上述のように、本発明は、位相が固定された基準波信号と、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号とを比較して、カンチレバーの振動の位相を検出する。トリガパルス信号のパルス位置における基準波信号の大きさが、カンチレバーの位相に対応する。基準波信号の周波数に対応する速度で位相を検出できるので、高速な位相検出が可能になる。

基準波生成手段は、基準波信号として、励振信号と同一の周波数を有し、励振信号との位相差が固定された信号を生成してよく、トリガパルス生成手段は、トリガパルス信号として、カンチレバーの変位から得られる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号を生成してよい。これにより、カンチレバーの１周期ごとに位相を検出することができ、高速な位相検出が可能になる。

トリガパルス生成手段は、カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングに対応する振動波形上の位置でトリガパルス信号を発生してよい。接触ＡＦＭ（Contact AFM）ではカンチレバーが試料に接触するタイミングに、非接触ＡＦＭ（Non-contact AFM）ではカンチレバーが試料に最も近接するタイミングに、トリガパルス信号が生成されてよい。カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングでは位相の変化が最も大きく顕著であると考えられる。したがって、カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングでトリガパルスを生成することにより、位相変化を好適に検出できる。具体的には、カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングとは、振動波形上でのＺ方向の最下点に相当する。そこで、本発明では、この最下点付近でパルスが生成するように信号が処理される。この処理のため、後述の実施の形態では移相器が好適に用いられる。

また、基準波生成手段は、基準波信号としてノコギリ波信号を生成してよい。ノコギリ波は、基準波信号の１周期の間に単調に変化する波である。ノコギリ波とトリガーパルスを比較することにより位相を好適に検出できる。

複数のチャネルを有する発振器が備えられてよく、発振器が、励振手段の励振信号を生成すると共に、基準波生成手段として基準波信号を生成してよい。例えば、２チャンネル発振器が励振信号と基準波信号を生成する。適切な基準波信号を容易に生成できる。

また、トリガパルス生成手段は、カンチレバーの変位信号から励振信号の周波数成分の振動波形信号を抽出するバンドパスフィルタと、振動波形信号を矩形波信号に変換するコンパレータと、矩形波信号から矩形波発生タイミングのパルス信号を生成する微分器と、を含んでよい。適切な回路構成によって適当なトリガパルス信号を生成できる。

また、位相信号生成手段は、トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて基準波信号を保持するサンプルホールド回路を含んでよい。サンプルホールドによって適切に位相信号を生成できる。

また、カンチレバーは、長さが１０μｍ以下で、幅が２μｍ以下の微小カンチレバーでよい。好ましくは、カンチレバーは、長さが１０μｍ以下、５μｍ以上で、幅が２μｍ以下、１μｍ以上である。微小カンチレバーを使うことで、敏感に位相を検出できる。

また、走査型プローブ顕微鏡は、位相信号生成手段により生成される位相信号が一定になるように試料とカンチレバーをＺ方向に相対的に走査してよい。走査型プローブ顕微鏡は、位相信号を一定に制御するための信号から試料のＺ方向の位置を特定し、試料の形状を求めてよい。ここで、Ｚ方向は、試料の凹凸方向（より詳細には、凹凸の高さ方向）である。試料のＺ方向の位置は、試料の凹凸の高さを表す。

この構成は、カンチレバーと試料の距離に応じた位相変化に基づいて、フィードバック走査を行い、さらには、形状測定を行う。上述のようにして位相が高速で検出されるので、位相を使ったフィードバック走査が可能になり、形状測定も可能になる。

また、本発明の位相検出は、基準波信号の周波数に対応する速度で位相を検出でき、例えば、カンチレバーの一周期に一度の検出を可能にする。したがって、本発明の位相検出は振幅検出よりもさらに高速で行うことが可能であり、そして、フィードバック走査と形状測定の高速化および分解能向上が可能になる。

また、本発明者の研究によれば、微小カンチレバーを使うと、液中であっても探針−試料間距離に位相が好適に応答し、位相の感度が高く、位相の感度が振幅の感度よりも高い傾向がある。したがって、位相に基づきフィードバック走査を行うと、高感度の形状測定ができる。しかも、カンチレバーを試料からより遠くに配置可能であり、これにより、試料への荷重を低減して、探針−試料間の相互作用が弱い状態での測定が可能になり、試料の表面の損傷を低減できる。こうして、位相を使って好適なフィードバック走査および形状測定が可能になる。

トリガパルス生成手段は、基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号を生成してよく、位相信号生成手段は、複数のトリガパルス信号の各々から位相信号を生成してよい。これにより、位相検出点の数をさらに増大でき、高速な検出が可能になる。フィードバック走査に位相を使う場合の広帯域化も可能になる。

位相信号生成手段は、トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて基準波信号を保持する複数のサンプルホールド回路を含み、複数のサンプルホールド回路に複数のトリガパルス信号がそれぞれ入力されてよい。これにより、位相検出点を適切に増やせる。

走査型プローブ顕微鏡が、複数のサンプルホールドで生成される複数の位相信号を、複数のトリガパルス信号のずれに応じてオフセットする手段を含んでよい。これにより、位相検出点を適切に増やせる。

走査型プローブ顕微鏡が、トリガパルス信号のずれに応じて互いにずれた複数の基準波信号を生成する手段を含み、複数のサンプルホールド回路に複数のトリガパルス信号と共に複数の基準波信号がそれぞれ入力されてよい。これにより、位相検出点を適切に増やせる。

本発明の別の態様において、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーを振動させる発振器と、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成回路と、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成回路と、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じた信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成回路と、を備える。この構成によっても同様の利点が得られる。

本発明の別の態様は、カンチレバーを振動させて、カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、カンチレバーの振動の位相を検出するカンチレバー位相検出装置であって、カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じた信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成回路と、を備える。この構成によっても同様の利点が得られる。

本発明の別の態様は、カンチレバーを振動させて、カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、カンチレバーの位相を検出するカンチレバー位相検出方法であって、カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成し、カンチレバーの変位に基づき、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成し、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、パルス位置における基準波信号の大きさに応じた信号をカンチレバーの振動の位相信号として生成する。この方法によっても同様の利点が得られる。

本発明は、位相が固定された基準波信号と、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号とを用いることによって、高速な位相検出が可能になる。

以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。

図１は、本発明の実施の形態における原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のブロック図である。 図２は、本実施の形態のＡＦＭにおける位相検出器の構成を示す図である。 図３は、位相信号生成処理を示す図である。 図４は、本実施の形態のＡＦＭにおける位相検出回路の構成を示す図である。 図５は、位相検出器におけるトリガパルス生成回路の移相器の機能を示す図である。 図６は、ＡＦＭによって得られる試料形状および弾性分布を示す図である。 図７は、探針−試料間距離に対するカンチレバー振動の位相の変化を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係るＡＦＭを示す図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態に係るＡＦＭを示す図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るＡＦＭによる位相検出を示す図である。 図１１は、本発明の第４の実施の形態に係るＡＦＭを示す図である。 図１２は、本発明の第４の実施の形態に係るＡＦＭによる位相検出を示す図である。

以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。
以下の実施の形態では、本発明が原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）に適用される。

“第１の実施の形態（位相検出の高速化技術）”
図１は、第１の実施の形態に係るＡＦＭの構成を示している。ＡＦＭ１は、全体構成としては、試料ステージ３と、カンチレバー５と、試料ステージ３をＸＹＺ方向に走査する構成と、カンチレバー５を共振周波数付近の周波数で振動させる構成と、カンチレバー５の変位を検出する構成と、カンチレバー５の振動の振幅を検出して振幅を一定に保つフィードバック走査のための構成と、カンチレバー５の振動の位相を検出するための構成と、装置全体を制御するコンピュータ７とを備えている。

試料ステージ３は、下面に試料を保持するように構成されている。試料ステージ３はスキャナ１１に取り付けられており、スキャナ１１はアクチュエータ１３を備えている。アクチュエータ１３は、ピエゾ素子（圧電素子）で構成されており、試料ステージ３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に動かして、試料をカンチレバー５に対して相対的に走査する。図１では、ＸＹ方向は、水平面上で直交する方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。Ｚ方向は試料の凹凸方向（高さ方向）である。アクチュエータ１３は、アクチュエータ駆動回路１５によって駆動され、アクチュエータ駆動回路１５は走査制御回路１７によって制御される。

カンチレバー５は、窒化シリコン製であり、自由端に探針を有している。本実施の形態では、カンチレバー５は、微小カンチレバーである。微小カンチレバーは、標準的なカンチレバーと比べて非常に小さいカンチレバーであり、通常のカンチレバーの１０分の１以下の大きさを有する。具体的には、標準的なカンチレバーは、例えば、長さが約１００μｍであり、幅が約２０μｍである。これに対して、微小カンチレバーは、長さが１０μｍ以下で、幅が２μｍ以下である。好ましくは、微小カンチレバーは、長さが１０μｍ以下、５μｍ以上で、幅が２μｍ以下、１μｍ以上である。図１の例では、カンチレバー５が、長さが約７μｍで、幅が約１μｍの矩形形状を有している。

カンチレバー５はホルダ２１によって保持されている。ホルダ２１は励振用圧電素子２３（典型的にはピエゾ素子）と共に設けられており、励振用圧電素子２３は、圧電素子駆動回路２５によって駆動される。

発振器２７は正弦波発振器であり、コンピュータ７により制御されて、励振信号を生成する。発振器２７から供給される励振信号に従って、圧電素子駆動回路２５が励振用圧電素子２３を振動させ、カンチレバー５を振動させる。

本実施の形態では、発振器２７が複数チャネルタイプの発振器であり、より具体的には２チャンネルタイプの発振器である。発振器２７は、励振信号を生成して一つのチャネルから出力する。さらに、発振器２７は、位相検出のための基準波信号を生成してもう一つのチャネルから出力し、これにより本発明の基準波生成回路または手段として機能する。基準波信号を使う位相検出については後に詳細に説明する。

センサ３１は、レーザユニット３３と共に、光てこ式の変位センサを構成している。レーザユニット３３は、レーザ光をカンチレバー５に照射する。レーザ光はカンチレバー５で反射してセンサ３１に届く。センサ３１は、フォトダイオードで構成されており、カンチレバー５の変位を表す信号を出力する。図では、センサに関連したレンズ等の光学系の構成は省略されている。

ＡＦＭ１は、フィードバック走査のために、振幅検出回路３５およびフィードバック回路３７を備えている。振幅検出回路３５は、センサ３１から入力される変位信号を処理してカンチレバー５の振幅を求める。

検出された振幅値は、フィードバック回路３７へ出力される。また、フィードバック回路３７には、コンピュータ７から振幅目標値が入力される。フィードバック回路３７は、検出された振幅値から振幅目標値を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するＰＩＤ回路とを備えており、これら構成によってフィードバック信号が生成される。フィードバック走査の振幅目標値は、コンピュータ７から供給される。この振幅目標値は、適当な回路構成などを用いて手動で設定されてもよい。

フィードバック信号は走査制御回路１７に供給されて、フィードバック走査に利用される。また、フィードバック信号はコンピュータ７に供給されて、試料画像の生成処理に使用される。

また、ＡＦＭ１は、本実施の形態の特徴として、センサ３１で検出される変位信号に基づいてカンチレバー５の位相を検出するために、トリガパルス生成回路４１と位相信号生成回路４３を備えている。これら構成については後に詳細に説明する。

コンピュータ７は、ＡＦＭ１の全体を制御してる。コンピュータ７はユーザインターフェース機能も提供し、ユーザの各種の指示がコンピュータ７に入力され、コンピュータ７はユーザの入力に従ってＡＦＭ１を制御する。また、コンピュータ７は試料表面の画像を生成してモニタ５１に出力する。さらに、コンピュータ７は、カンチレバー５の振動の位相変化の画像を生成してモニタ５１に出力する。

次に、ＡＦＭ１の動作を説明する。走査制御回路１７にコンピュータ７からＸＹ方向の走査の制御信号が供給される。走査制御回路１７は制御信号に従ってアクチュエータ駆動回路１５を制御して、アクチュエータ１３にＸＹ方向の走査を行わせる。また、コンピュータ７は発振器２７へ励振強度（振幅）の指令値を供給する。発振器２７は、コンピュータ７の制御下で励振信号を生成して、励振信号を圧電素子駆動回路２５へ供給する。圧電素子駆動回路２５が励振用圧電素子２３を駆動し、カンチレバー５が共振周波数近傍の周波数で振動する。このようにして、カンチレバー５が振動した状態で、カンチレバー５と試料が相対的にＸＹ方向に走査される。

ＸＹ走査中、カンチレバー５の変位がセンサ３１により検出され、振幅検出回路３５によりカンチレバー５の振幅が求められる。そして、フィードバック回路３７が、コンピュータ７から供給される振幅目標値に基づき、検出された振幅値と振幅目標値の差分に応じたフィードバック信号を生成する。フィードバック信号が走査制御回路１７に供給され、走査制御回路１７は、フィードバック信号に従って、検出振幅値と振幅目標値が一致するようにアクチュエータ駆動回路１５を制御する。このフィードバック制御により、カンチレバー５と試料の距離が一定に保たれる。

このようにして、カンチレバー５と試料の距離を一定に保つＺ走査を行いながら、ＸＹ走査が行われる。Ｚ走査のフィードバック信号は、フィードバック回路３７からコンピュータ７にも供給される。フィードバック信号は、試料のＺ方向の高さに対応している。また、試料上のＸＹ方向の位置は、コンピュータ７が発生して走査制御回路１７に供給するＸＹ走査の制御信号により特定される。コンピュータ７は、ＸＹ走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ５１に表示する。３次元画像が好適に生成され、表示される。

次に、本実施の形態に特徴的な、カンチレバー５の振動の位相を検出するための構成と方法について説明する。既に説明したように、図１において、発振器２７は、カンチレバー５の励振のための励振信号を生成すると共に、本実施の形態の位相検出のために基準波信号を生成する。また、本実施の形態は、位相検出のためにトリガパルス生成回路４１と位相信号生成回路４３を備えている。

図２は、位相検出のための上記構成をより詳細に示している。発振器２７は、複数チャネルタイプの発振器であり、より具体的には２信号系発振器（２チャンネルタイプの発振器）である。発振器２７は、カンチレバー５を振動させるための励振信号を生成して一つのチャネルから圧電素子駆動回路２５へ出力する。さらに、発振器２７は、位相検出のための基準波信号を生成してもう一つのチャネルから位相信号生成回路４３へ出力し、これにより、発振器２７は、本発明の基準波生成回路または手段としても機能する。

励振信号が正弦波であるのに対して、基準波信号はノコギリ波である。基準波信号の周波数は励振信号の励振周波数と同一である。また、基準波信号と励振信号の位相差は固定されている。位相差は０でもよい。

トリガパルス生成回路４１には、センサ３１からカンチレバー５の変位の信号が入力される。変位信号は、カンチレバー５の振動波形を表している。トリガパルス生成回路４１は、カンチレバー５の変位に基づきトリガパルス信号を生成する。トリガパルス信号は、カンチレバー５の振動の位相に応じてパルス位置が変化するパルス信号である。より詳細には、トリガパルス生成回路４１は、トリガパルス信号として、カンチレバーの変位から得られる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号を生成する。パルス信号は振動の各周期で生成される。

位相信号生成回路４３には、上記の基準波信号とトリガパルス信号が入力される。位相信号生成回路４３は、基準波信号とトリガパルス信号に基づき、カンチレバー５の振動の位相信号を生成する。

図３に示されるように、基準波信号は、位相が固定されている。一方、トリガパルス信号の位置は、カンチレバー５の振動の位相に応じて変化する。したがって、パルス位置における基準波信号の大きさが、カンチレバー５の振動位相に１対１で対応する。そこで、位相信号生成回路４３は、パルス位置における基準波信号の大きさに対応する信号をカンチレバー５の振動の位相信号として生成する。位相信号生成回路４３は具体的には後述のようにサンプルホールド回路で実現できる。

図３では、トリガパルス信号が、基準波信号のノコギリ波の１周期における中央付近で変動している。トリガパルス信号がこのような位置で変動するように、基準波信号の位相が設定されている。この例のように、基準波信号の位相は、トリガパルス位置が基準波信号の１周期の範囲で変動するように設定される。そのためには、発振器２７における励振信号と基準波信号の位相差が調整される。

位相信号生成回路４３は、位相信号をコンピュータ７に供給する。コンピュータ７では、位相マッピングが行われ、位相分布の画像が生成される。位相信号は、試料上の位相変化を表している。試料上のＸＹ方向の位置は、コンピュータ７が発生して走査制御回路１７に供給するＸＹ走査の制御信号により特定される。コンピュータ７は、ＸＹ走査の制御データと、入力される位相信号に基づいて、試料上に位相変化をマッピングして、位相変化分布の画像を生成してモニタ５１に表示する。位相変化分布の画像は、試料の弾性分布を表す。

図４は、上記の位相検出の回路構成をより詳細に示している。図４に示すように、トリガパルス生成回路４１は、バンドパスフィルタ６１、移相器６３、コンパレータ６５、微分器６７およびＡＮＤ回路６９で構成されている。

バンドパスフィルタ６１は、カンチレバー５の変位信号から、カンチレバー５の励振周波数成分の信号を抽出する。バンドパスフィルタ６１の通過帯域は例えば８００ｋＨｚ〜１３００ｋＨｚである。これにより、励振周波数成分の振動波形信号が得られる。移相器６３は、振動波形信号の位相をずらす。移相器６３を設けたことにより、カンチレバー振動の任意の位置での位相を検出することができる。本実施の形態では、位相が、励振信号の周期の３／４だけ好適にずらされる。移相器６３は、２７０度位相を遅らせてもよく、９０度位相を進めてもよい。移相器６３の機能は後述する。

コンパレータ６５は、振動波形信号を矩形波信号に変換する。具体的には、コンパレータ６５は、振動波形信号の振幅値が正のときに、所定値の信号を出力する。したがって、矩形波信号の値は、振幅値が正のときに所定値になり、振幅値が負の時に０になる。そして、矩形波信号は振幅値が正の期間を表す信号になる。矩形波信号では、振幅の情報は消されているが、位相の情報が残っている。

微分器６７は、矩形波信号から矩形波発生タイミングのパルス信号を生成する。微分器６７は、信号の変化を検出する。微分器６７に矩形波信号が通されると、矩形波の最初（立上り）と最後にパルス信号が生成される。矩形波の最初には正のパルスが発生し、矩形波の終わりには負のパルスが発生する。これらのうち、正のパルスが、矩形波発生タイミングである。そこで、微分器６７からパルス信号がＡＮＤ回路６９に供給され、ＡＮＤ回路６９が正のパルスのみを出力する。

こうしてトリガパルス信号が生成される。トリガパルス信号の位置は、矩形波の時間軸上の位置に応じて、すなわち、振動波形の位相に応じて変化する。

トリガパルス信号は、ＡＮＤ回路６９からサンプルホールド回路７１に供給される。サンプルホールド回路７１には、さらに、発振器２７から基準波信号が入力される。サンプルホールド回路７１は、トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて基準波信号を保持する。

図３に示されるように、基準波信号がノコギリ波なので、基準波信号は１周期の間に単調に、より詳細には直線的に増大する。したがって、トリガパルスの位置がカンチレバーの振動位相に応じて変化すると、パルス位置変化に応じてサンプルホールド回路７１の出力も変化する。これにより、サンプルホールド回路７１の出力が位相信号として得られる。

ここで、図４の構成では、既に述べたように、移相器６３が設けられており、カンチレバー振動の任意の位置での位相を検出することができる。本実施の形態では、振動波形の位相が、励振信号の周期の３／４だけ好適にずらされている。この理由を以下に説明する。

コンパレータ６５は、振動波形の振幅が負から正に変わる０クロス点にて矩形波を発生させる。したがって、図４の回路では、トリガパルス信号は、０クロス点にて生成される。仮に移相器６３が設けられていないとすれば、トリガパルス信号は、カンチレバー５の振動振幅の中央で発生することになる。

しかし、本実施の形態では、移相器６３により、振動波形の位相が３／４周期ずらされている。したがって、カンチレバー５の振動波形の最下点部分（谷底部分）が、０クロス点（振幅が負から正に変わる点）へと移動している。その結果、元々の振動波形の最下点部分にてトリガパルス信号が生成される。

図５は、上記の移相器６３の機能を示している。元々の振動波形の最下点Ａが、位相の移動によって０クロス点Ｂへ移動している。そして、コンパレータ６５が、振幅が正の期間に矩形信号を生成する。微分器６７が、矩形の最初と最後に正のパルスと負のパルスを生成する。ＡＮＤ回路６９が正のパルスを残す。これにより、元々の振動波形の最下点部分にてトリガパルス信号が生成される。

ＡＦＭ測定中、カンチレバー５は、試料に接触しながら振動する。振動波形の最下点部分（谷底部分）は、カンチレバー５が最も下に到達して試料に接触するタイミングに相当する。位相器６３を設けたことにより、この接触タイミングでトリガパルス信号を生成できる。

このようにして、トリガパルス信号は、カンチレバー５と試料の接触タイミングに対応する振動波形上の位置で生成される。この接触タイミングでは位相の変化が最も大きく顕著であると考えられる。したがって、上記接触タイミングでトリガパルスを生成することにより、位相変化を好適に検出することができる。

ただし、上記の説明においては、カンチレバー５と試料の接触タイミングは、厳密な意味での接触の瞬間を指してはいない。接触タイミングは、接触の瞬間およびその直前直後を意味している。接触の真の瞬間は実際の位相によって細かく変動する。

図６は、本実施の形態のＡＦＭ１によって得られる表面形状および弾性分布の画像の例を示している。試料はポリマーであり、液中で測定が行われている。表面形状は、振動振幅に基づくフィードバック走査によって得られる。弾性分布は、検出された位相をマッピングした位相変化分布の画像である。弾性の変化（柔らかいところと硬いところ）が画像の濃淡により現される。

また、本実施の形態では、既に説明したように、カンチレバー５が微小カンチレバーであり、レバーサイズが標準的なレバーの１０分の１以下である。具体的にはカンチレバー５が長さが約７μｍで、幅が約１μｍの矩形形状を有している。このような微小カンチレバーによって図６の測定結果が好適に得られている。

この点に関し、溶液環境下では、カンチレバーのＱ値が低くなる。Ｑ値は感度と応答速度を表すパラメータであり、粘性抵抗が大きいほどＱ値が低くなり、Ｑ値が低いほど感度が下がる。そのため、従来は、溶液中では十分な感度での位相変化の検出が困難であると考えられていた。これに対して、本発明では、高い共振周波数を有する微小カンチレバーが用いられている。カンチレバーが微小であれば、水の粘性抵抗を受けにくい。したがって、探針−試料間の相互作用による粘性抵抗にＡＦＭが極めて敏感になる。そして、高感度かつ高速な位相マッピングが可能になった。

また、上述の実施の形態では、主として接触ＡＦＭ（Contact AFM）が想定され、本発明が接触ＡＦＭに適用された。しかし、本発明は、非接触ＡＦＭ（Non-contact AFM）にも適用されてよい。非接触ＡＦＭは、探針と試料が接触しなくても探針と試料との間に微弱ながらも存在する相互作用力を利用する。この微弱な相互作用でもカンチレバーの振幅、位相（励振信号とカンチレバー振動との位相差）が僅かに変化する。非接触ＡＦＭにも上述の位相検出器の構成が適用されてよく、このことは下記の他の実施の形態においても同様である。

なお、接触ＡＦＭと非接触ＡＦＭでは下記のような現象の相違がある。上記実施の形態では、移相器６３が、振動波形の位相を励振信号の３／４周期だけ遅らせる。これにより、探針−試料の接触タイミングでトリガパルスが生成される。非接触ＡＦＭでも同様の移相器が好適に設けられる。ただし、非接触ＡＦＭでは、探針が試料に最接近するときにトリガパルスが生成される。なお、これらの現象は、探針がＺ方向の最下点に達するタイミングでトリガパルスを発生するという観点では同じである。

以上に本発明の第１の実施の形態に係るＡＦＭ１について説明した。上記のように、本発明は、位相が固定された基準波信号と、カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号とを比較して、カンチレバーの振動の位相を検出する。トリガパルス信号のパルス位置における基準波信号の大きさが、カンチレバーの位相に対応する。基準波信号の周波数に対応する速度で位相を検出できるので、高速な位相検出が可能になる。

また、本発明では、基準波信号が、励振信号と同一の周波数を有し、励振信号との位相差が固定された信号である。トリガパルス信号は、カンチレバーの変位から得られる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号である。これにより、カンチレバーの１周期ごとの位相を検出することができ、高速な位相検出が可能になる。

ただし、本発明の範囲内で、基準波信号は励振信号に応じた周波数を持てばよい。励振信号と基準波信号の周波数を異ならせることも原理的には可能である。例えば、基準波信号の周波数が励振周波数の半分でもよい。

また、本発明では、トリガパルス信号が、カンチレバーが試料に接触または最接近するタイミングに対応する振動波形上の位置で生成される。接触ＡＦＭではカンチレバーの接触タイミング、非接触ＡＦＭではカンチレバーの最接近タイミングでトリガパルスが生成される。あるいは、Ｚ方向の最下点のタイミングでトリガパルスが生成される。このようなタイミングでは位相の変化が最も大きく顕著であると考えられ、したがって、本発明により位相変化を好適に検出できる。

また、本発明では、基準波信号がノコギリ波信号であり、１周期の間に単調に変化する波である。ノコギリ波とトリガーパルスを比較することで位相を好適に検出できる。

また、本発明では、複数チャネルタイプの発振器が、励振信号と基準波信号を生成して出力する。励振信号に応じた適切な基準波信号を容易に生成できる。

また、本発明は、上記のバンドパスフィルタ６１、コンパレータ６５および微分器６７により、また上記の移相器６３により、さらには上記のＡＮＤ回路によって適当なトリガパルス信号を生成できる。

また、本発明は、上記のようにサンプルホールド回路によって位相信号を適切に生成できる。

また、本発明では、カンチレバー５が微小カンチレバーであり、敏感に位相を検出できる。

“第２の実施の形態（位相に基づくフィードバック走査と形状測定）”
図７は、振幅および位相の、探針−試料間距離依存性を示す図であり、同図を用いて位相に基づくフィードバック走査の原理を説明する。図７において、横軸は、探針と試料の間の距離である。図７の振幅ラインＬａは、カンチレバー振動の振幅特性であり、探針−試料間距離とカンチレバー振動振幅の関係である。位相ラインＬｂは、カンチレバー振動の位相特性であり、探針−試料間距離とカンチレバー振動位相の関係である。

図７は、図１のＡＦＭ１を使って、液中の測定で得られたデータである。使用されたカンチレバー５は、前述したように微小カンチレバーである。Ｚ方向のフィードバック走査を行うことなく、振動するカンチレバー５が試料に近づけられる。この過程で図７の振幅データと位相データが得られる。

図７の振幅ラインＬａに示されるように、振幅は、探針−試料間の距離が大きいときはほぼ一定である。そして、探針−試料間の距離が小さくなると、振幅が小さくなる。振幅ラインＬａは、従来一般のカンチレバーのフォースカーブに相当する。従来のフィードバック走査では、フィードバックの目標値が、一定値より少し小さな値に設定される。

図７の位相ラインＬｂに示されるように、位相も、探針−試料間の距離が大きいときはほぼ一定である。そして、探針−試料間の距離が小さくなると、位相が小さくなる。このことから、位相を使ってフィードバック走査が理論的には可能である。さらに、本発明では、フィードバック走査に必要な速度の位相検出技術も上述の実施の形態で説明した位相検出回路によって提供される。これらにより、位相に基づくフィードバック走査が実現可能になる。

また、振動ラインＬａと振幅ラインＬｂを比べると、位相が下がり始めるポイントは、振幅が下がり始めるポイントよりも大きい。すなわち、位相は、探針が試料からより遠くにあるときに下がり始める。このように、本発明者は、探針−試料間距離に対する位相変化が、振幅変化よりも高い感度を有していることを見いだした。

図７の現象は下記のように考えられる。カンチレバーの探針が試料に近づくと、探針が試料表面付近の水分子を押しのけようとして、試料表面近傍の粘性抵抗が急激に変化する。粘性抵抗の急激な変化により、カンチレバーの振動の位相が大きく変化する。この位相変化が図７の位相データに現れていると考えられる。特に、本発明では、微小カンチレバーが好適に用いられている。微小カンチレバーを用いると、粘性抵抗の悪影響が小さい。これにより、図７の顕著なデータが得られる。

この点についてさらに説明を加える。従来から、空気中では、探針−試料間距離に応じた位相の変化は知見されていた。この既知の位相変化は、探針が物体に当たるときの斥力に起因すると考えられる。空気中ではこの既知の位相変化を用いてフィードバック制御が可能と考えられていた。

しかし、上記の既知の位相変化は、あくまで、空気等の気体中の現象である。液中では、液体の粘性抵抗でカンチレバーのＱ値が下がる。前述したように、Ｑ値は感度と応答速度を表すパラメータであり、粘性抵抗が大きいほどＱ値が低くなり、Ｑ値が低いほど感度が下がる。したがって、液中では位相変化の感度が低く、位相変化を使ったフィードバック制御は不可能であると考えられていた。

本発明者は、標準のカンチレバーよりも大幅に小さい微小カンチレバーをＡＦＭに適用した。前述したように、微小カンチレバーは、長さが１０μｍ以下で、幅が２μｍ以下である。好ましくは、微小カンチレバーは、長さが１０μｍ以下、５μｍ以上で、幅が２μｍ以下、１μｍ以上である。微小カンチレバーを使うと、水等の液体の粘性抵抗を受けにくくなる。そして、探針が試料に近づくときの粘性抵抗の変化によって位相が大きく変化する。このとき、水分子を押しのける力で位相が変化していると考えられる。このように、液中の位相変化が、空気中の位相変化と異なる現象により生じる。そして、この位相変化が振幅変化より高い感度で検出されると考えられる。

以上に、図７を用いて、探針−試料間の距離とカンチレバー振動の位相との関係を詳細に説明した。上記のように、図７に示され通り、位相特性が振幅特性と類似した形状のラインを描くので、位相も振幅と同様にフィードバック走査に使える。しかも、位相の感度は、振幅の感度より大きい。さらに、フィードバック走査に必要な高速な検出は本発明の位相検出回路により実現される。したがって、本発明の高速位相検出を活用して、位相に基づくフィードバック走査を高速で高感度に行える。

そこで、本実施の形態は、位相を使ってフィードバック走査と形状測定を行うＡＦＭを提供する。フィードバック走査の原理は、制御対象が振幅でなく位相である点を除き、振幅を使った走査と同様でよい。

図８は、本実施の形態のＡＦＭの構成を示すブロック図である。図示のように、ＡＦＭ１０１は、位相信号生成回路４３から位相信号を受け付けるフィードバック回路１０３を備えている。振動振幅に基づいてはフィードバック走査が行われないので、振幅検出回路が示されていない（ただし、振幅検出回路が設けられてもよい）。

フィードバック回路１０３には、位相目標値がコンピュータ７から入力される。位相目標値は、位相の目標値である。位相目標値は従来のフィードバック走査の振幅目標値に対応する。位相目標値は、原理的には図７の特性データに基づいて生成される。位相目標値は、位相の一定値より少し小さい値に設定される。一定値は、自由振動時の位相に相当する。例えば、位相目標値は、一定値の０．９倍に設定される。

フィードバック回路１０３は、検出された位相と位相目標値との差分に応じたフィードバック信号を生成する。フィードバック回路３７は、例えば、検出された位相値から位相目標値を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するＰＩＤ回路とを備えており、これら構成によってフィードバック信号が生成される。

フィードバック信号は走査制御回路１７に供給されて、フィードバック走査に利用される。走査制御回路１７は、ＸＹ走査の過程で、フィードバック信号に従って、検出位相値と位相目標値が一致するようにアクチュエータ駆動回路１５を制御する。このフィードバック制御により、カンチレバー５と試料の距離が一定に保たれる。

このようにして、カンチレバー５と試料の距離を一定に保つＺ走査を行いながら、ＸＹ走査が行われる。Ｚ走査のフィードバック信号は、フィードバック回路１０３からコンピュータ７にも供給されて、試料画像の生成処理に使用される。フィードバック信号は、試料のＺ方向の高さに対応している。また、試料上のＸＹ方向の位置は、コンピュータ７が発生して走査制御回路１７に供給するＸＹ走査の制御信号により特定される。コンピュータ７は、ＸＹ走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ５１に表示する。３次元画像が好適に生成され、表示される。

以上に本発明の第２の実施の形態について説明した。本発明は、位相信号が一定になるように試料とカンチレバー５をＺ方向に相対的に走査している。また、本発明は、位相信号を一定に制御するための信号から試料のＺ方向の位置を特定し、試料の形状を求めている。Ｚ方向は試料の凹凸方向（より詳細には、凹凸の高さ方向）であり、試料のＺ方向の位置は凹凸の高さを表す。このようにして、カンチレバーと試料の距離に応じた位相変化に基づいて、フィードバック走査が行われ、さらには、形状測定が行われる。位相が高速で検出されているので、フィードバック走査が位相を使って好適に実現されており、また、形状測定も好適に行われる。

本発明の位相検出は非常に高速であり、振幅検出よりもさらに高速での位相検出が可能である。より詳細には、振幅検出の分解能は、カンチレバーの共振周波数の１／８までしか上がらないことが知られている。一方、本発明の位相検出は、カンチレバーの一周期毎に検出可能である。このように位相検出が高速なので、フィードバック走査と形状測定の高速化および分解能向上が可能になる。

また、本発明は、特に、微小カンチレバーを使っている。図７に示されるように、微小カンチレバーを使うと、探針−試料間距離に位相が好適に応答し、位相の感度が高く、さらに、位相の感度が振幅の感度よりもむしろ高くなる。しかも、この高感度の測定が液中でも好適に行われる。さらに、カンチレバーを試料からより遠くに配置しての測定が可能であり、これにより、低荷重での測定ができ、探針−試料間の相互作用が弱い状態での測定が可能になる。試料の損傷を低減でき、より柔らかい試料の測定やより弱い試料の測定が可能になる。

“第３の実施の形態（多点位相検出）”
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上述の実施の形態のさらなる応用例である。これまでの実施の形態では、基準波信号の１周期の間に１つのトリガパルス信号が生成された。本実施の形態では、基準波信号の１周期の間に、互いにずれた複数のトリガパルス信号が生成される。そして、これら複数のトリガパルス信号の各々から位相信号が生成される。これにより、位相検出点（タイミング）を増やすことができる。

図９は、本実施の形態のＡＦＭにおける位相検出回路の部分を示している。図９の構成が、図８のＡＦＭ１０１に好適に備えられる。この場合、図８のトリガパルス生成回路４１が、図９のトリガパルス生成回路２０１に置き換えられ、図８の位相信号生成回路４３が、図９の位相信号生成回路２０３に置き換えられる。その他の構成は、図８と同様でよい。このような構成により、位相を使ったフィードバック走査における位相検出点が増やし、フィードバック走査の広帯域化が可能になる。

図９に示すように、トリガパルス生成回路２０１では、バンドパスフィルタ６１の出力が、３つの経路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃへ分かれる。経路２０１ａには、移相器６３ａ、コンパレータ６５ａ、微分器６７ａおよびＡＮＤ回路６９ａが順次備えられている。同様に、経路２０１ｂには、移相器６３ｂ、コンパレータ６５ｂ、微分器６７ｂおよびＡＮＤ回路６９ｂが備えられている。さらに、経路２０１ｃには、移相器６３ｃ、コンパレータ６５ｃ、微分器６７ｃおよびＡＮＤ回路６９ｃが備えられている。これら要素の機能は、図４における対応する構成（移相器６３、コンパレータ６５、微分器６７およびＡＮＤ回路６９）と同様である。

したがって、図９のトリガパルス生成回路２０１は、図８または図４のトリガパルス生成回路４１を３つ備えた構成に相当しており、３つのトリガパルス信号を生成してＡＮＤ回路６９ａ、６９ｂ、６９ｃから出力する。

ただし、図９のトリガパルス生成経路２０１では、３つの移相器６３ａ、６３ｂ、６３ｃによる位相のずれ量が異なっている。第１の移相器６３ａは、前述の実施の形態と同様に、励振周期の３／４（２７０度）だけ位相を遅らせる。移相器６３ｂは、移相器６３ａよりさらに９０度だけ位相を遅らせる（１周期）。移相器６３ｃは、移相器６３ｂよりさらに９０度だけ位相を遅らせる（５／４周期）。したがって、本実施の形態は、前述の実施の形態で生成されたトリガパルス信号の後に９０度ずつずれた位置で２つのトリガパルス信号を生成する（実際には、さらに、位相変化成分がパルス位置に含まれる、本明細書にて同じ）。以下、経路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃが生成するトリガパルス信号を、トリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３という。

位相信号生成回路２０３は、３つのサンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃと３つの減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃと、加算器２０７とを備えている。

発振器２７の出力が３つの経路２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃに分かれ、３つの経路２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃにそれぞれサンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃが接続される。サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、図４のサンプルホールド回路７１と同様に機能する。

サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃに減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃが接続される。減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃはオフセット調整器として機能し、サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃの出力からオフセット電圧ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３をそれぞれ減算する。オフセット電圧ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３はコンピュータ７から入力される。

減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃが加算器２０７に接続され、そして、加算器２０７は、図８に示されるフィードバック回路１０３およびコンピュータ７へと接続されている。

次に、図９および図１０を参照し、本実施の形態における位相検出器の動作を説明する。ただし、上述の実施の形態にて既に説明した事項の詳細な説明は省略する。

バンドパスフィルタ６１は、センサ３１の変位信号から、励振周波数の成分の振動波形信号を取り出す。この振動波形が３つの経路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃへと供給されて、これにより、３つのトリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３が生成される。

ただし、移相器６３ａ、６３ｂ、６３ｃでは位相ずらし量が互いに９０度異なっている。したがって、図１０に示されるように、トリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３では、発生点の位相が９０度ずれている。すなわち、トリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３は、カンチレバー５の元の振動波形上で９０度ずれた位置で発生する。

トリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３は、ＡＮＤ回路６９ａ、６９ｂ、６９ｃから出力されて、サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃに入力される。サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃには、発振器２７から共通の基準波信号が入力される。基準波信号の位相は図１０に示すように調整され、図１０の位置で固定されている。そして、サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、それぞれ、トリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３のタイミングで基準波信号から位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を生成する。

位相信号は、サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１から減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃへと入力される。減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃでは、図１０に示されるオフセット電圧ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３が、位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３から減算される。オフセット電圧ＯＳ２は、基準波信号の９０度に相当する値だけオフセット電圧ＯＳ１より大きく、また、オフセット電圧ＯＳ３は、基準波信号の９０度に相当する値だけオフセット電圧ＯＳ２より大きい。したがって、このオフセット処理は、トリガパルスの位置をずらしたことによる位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の差分を打ち消すことができ、振動の位相変化に応じたパルス位置の微小変化に対応する信号を残すことができる。

オフセット調整後の位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃから加算器２０７に入力されて、加算器２０７にて加算される。そして、加算器２０７の出力が、位相信号生成回路２０３の出力として、フィードバック回路１０３およびコンピュータ７へと供給される。

このようにして、本実施の形態では、位相の検出点の数を増大でき、フィードバック走査のための検出点の数を増大できる。本実施の形態は、振幅を使った従来のフィードバック走査と比べると下記のように有利である。

カンチレバーの振幅は、探針が試料に当たったときにしか変化しない。しかも、振幅検出の分解能は、最大でもカンチレバーの共振周波数の１／８であることが原理的に知られている。一方、カンチレバーの位相は、探針が試料に当たっていないときでも変化する。すなわち、カンチレバーの位相は、探針と試料の接触の前後でも変化する。この点が本発明では利用されている。そして、互いにずれた複数のトリガーパルスが生成され、カンチレバーの振動の１周期の間に複数の位相検出点が設けられ、これら位相検出点で検出される位相がフィードバック走査に使われる。従来の振幅と比べると、検出点の数が大幅に増大し、そして、フィードバック走査の広帯域化が可能になる。

上記の実施の形態の例では、１周期の間に３つのトリガパルスが生成された。しかし、本発明はこれに限定されない。２つのトリガパルスが生成されてもよく、４つ以上のトリガパルスが生成されてもよい。

また、上記の説明では、本実施の形態の位相検出器が、図８に示した第２の実施の形態に係るＡＦＭに適用されて、位相信号がフィードバック走査に利用された。しかし、本実施の形態の位相検出器は、図１に示した第１の実施の形態に係るＡＦＭに適用されてもよい。この場合、図４の回路構成に変えて、図９の回路構成が備えられる。そして、位相信号がコンピュータ７へ入力され、位相マッピングが行われて、位相変化分布（弾性分布）を表す画像が生成される。

以上に本発明の第３の実施の形態について説明した。本発明によれば、基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号が生成され、それら複数のトリガパルス信号の各々から位相信号が生成される。これにより、位相検出点の数を増大でき、高速な検出が可能になる。

本発明では、複数のサンプルホールド回路が設けられ、複数のサンプルホールド回路に複数のトリガパルス信号がそれぞれ入力される。これにより、位相検出点を適切に増やせる。

本発明では、複数のサンプルホールドで生成される複数の位相信号に対して、複数のトリガパルス信号のずれに応じてオフセット調整が施される。このオフセット調整は、一つの共通の基準波信号を利用したことに起因する３つの位相信号の偏差を消せる。オフセット調整といった比較的簡単な回路構成で、複数の検出点の位相を適切に得られる。

“第４の実施の形態（多点位相検出）”
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は、上述の第３の実施の形態の変形例である。第３の実施の形態では、一つの共通の基準波信号から３つの位相信号が生成され、それから３つの位相信号のオフセット調整が行われた。第４の実施の形態では、予め位相がずれた３つの基準波信号が用意され、３つの基準波信号と３つのトリガパルス信号から３つの位相信号が生成される。

図１１は、本実施の形態のＡＦＭにおける位相検出回路の部分を示している。図１１に示されるように、本実施の形態の位相検出回路は、発振器２７と、トリガパルス生成回路３０１と、位相信号生成回路３０３と、基準波加工回路３０５とで構成されている。トリガパルス生成回路３０１は、図９のトリガパルス生成回路２０１と同様である。

位相信号生成回路３０３は、図９の位相信号生成回路２０３と同様に、３つのサンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃを備えている。しかし、オフセット調整器としての減算器２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃは削除されて、サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃは減算器を経ることなく加算器３０７に接続されている。

基準波加工回路３０５は、発振器２７と位相信号生成回路３０３の間に設けられている。基準波加工回路３０５は、３つの積分器３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃと２つの遅延回路３１３、３１５で構成されている。発振器２７が積分器３１１ａおよび遅延回路３１３に接続されており、遅延回路３１３が積分器３１１ｂおよび遅延回路３１５に接続されており、遅延回路３１５が積分器３１１ｃに接続されている。そして、積分器３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃがそれぞれサンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃに接続されている。

したがって、発振器２７とサンプルホールド回路７１ａの間には、積分器３１１ａが配置されている。また、発振器２７とサンプルホールド回路７１ｂの間には、遅延回路３１３と積分器３１１ｂが配置されている。さらに、発振器２７とサンプルホールド回路７１ｃの間には、遅延回路３１３、３１５と積分器３１１ｃが配置されている。

基準波加工回路３０５は基準波生成手段または回路の一部として機能し、基準波加工回路３０５が発振器２７と共に基準波生成手段または回路を構成する。発振器２７の基準波信号は、基準波加工回路３０５で加工されて、加工後の基準波信号が、位相信号生成回路３０３の３つのサンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃに入力される。

次に、図１１および図１２を参照し、本実施の形態における位相検出器の動作を説明する。ただし、上述の実施の形態にて既に説明した事項の詳細な説明は省略する。

トリガパルス生成回路３０１は、センサ４１の変位信号から、互いに９０度ずつずれた３つのトリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３を生成する。トリガパルス信号ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３は、それぞれ、位相信号生成回路３０３のサンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃに入力される。

発振器２７は、矩形波からなる基準波信号を基準波加工回路３０５へ供給する。これまでの実施の形態では、基準波信号がノコギリ波であった。本実施の形態では、基準波信号が矩形波である。ただし、波形は異なるものの、これまでの実施の形態と同様に、基準波信号の周波数はカンチレバーの励振信号と同じであり、基準波信号と励振信号の位相差は固定されている。

基準波信号は、発振器２７から積分器３１１ａを経てサンプルホールド回路７１ａに入力される。積分器３１１ａは、矩形波信号をノコギリ波信号に変換する。したがって、サンプルホールド回路７１ａは、これまでの実施の形態と同様にノコギリ波の基準波信号を取得する。

また、基準波信号は、発振器２７から遅延回路３１３および積分器３１１ｂを経てサンプルホールド回路７１ｂに入力される。さらに、基準波信号は、発振器２７から遅延回路３１３、３１５および積分器３１１ｃを経てサンプルホールド回路７１ｃに入力される。積分器３１１ｂ、３１１ｃが機能するので、サンプルホールド回路７１ｂ、７１ｃもノコギリ波からなる基準波信号を取得する。ただし、遅延回路３１３、３１５が設けられているので、基準波信号の位相が、サンプルホールド回路７１ａへの基準波信号よりも遅れる。

遅延回路３１３の遅延量は、トリガパルスＴＰ１、ＴＰ２間のずれ量に等しく設定されており、具体的には、９０度（１／４周期）に設定されている。また、遅延回路３１５の遅延量は、トリガパルスＴＰ２、ＴＰ３間のずれ量に等しく設定されており、具体的には、９０度（１／４周期）に設定されている。

したがって、図１２に示されるように、本実施の形態では、サンプルホールド回路７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、互いにずれたトリガパルスＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３と同じずれ量だけ互いにずれた３つの基準波信号をそれぞれ取得する。サンプルホールド回路７１ａ、ｂ、ｃは、これら３つのトリガパルスＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３と、互いにずれた３つの基準波信号から、３つの位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を生成する。事前に３つのずれた基準波信号が使用されているので、位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のオフセット調整は不要である。そこで、位相信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、加算器３０７に供給されて、加算器３０７で加算されて、位相信号として出力される。

図１１の構成がフィードバック走査に適用される場合、位相信号は加算器３０７からフィードバック回路へ供給される。また、位相マッピングに適用される場合、位相信号が、画像処理のためにコンピュータへと好適に供給される。

以上に本発明の第４の実施の形態について説明した。本実施の形態でも、基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号が生成され、それら複数のトリガパルス信号の各々から位相信号が生成される。これにより、位相検出点をさらに増大でき、高速な検出が可能になる。

また、本実施の形態でも、複数のサンプルホールド回路が設けられ、複数のサンプルホールド回路に複数のトリガパルス信号がそれぞれ入力される。これにより、位相検出点を適切に増大できる。

また、本実施の形態では、トリガパルス信号のずれに応じて互いにずれた複数の基準波信号が生成される。これら複数の基準波信号が、複数のトリガパルス信号と共に、複数のサンプルホールド回路にそれぞれ入力される。これにより、本実施の形態でも位相検出点を適切に増大できる。

以上に本発明の好適な各種の実施の形態を説明してきた。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されない。

例えば、本実施の形態では、試料ステージの下面に試料が保持された。しかし、試料ステージの上面に試料が保持されてよい。また、カンチレバーは窒化シリコン製でなくてもよい。

また、本実施の形態ではカンチレバー５がピエゾ素子（圧電素子）によって励振された。しかし、本実施の形態の方法は、カンチレバーの励振法に依存しない。ピエゾ素子以外の構成によってカンチレバー５が励振されてよい。例えば、カンチレバー５は、光によって励振されてもよい。また、磁性化されたカンチレバーが交流磁場によって励振されてよい。光を使う場合、カンチレバー５に励振用のレーザ光が照射され、カンチレバー５が熱で変形する。レーザ光強度が周期的に振動し、これによりカンチレバー５が振動する。

また、既に説明したように、本発明は、接触ＡＦＭ（Contact AFM）にも非接触ＡＦＭ（Non-contact AFM）にも適用されてよい。

以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、例えば、生体分子のナノ機能動態を観察するために利用可能である。

Claims (22)

1. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記カンチレバーを励振する励振手段と、
   前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
   前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、
   前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、
   前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成手段と、
   を備え、
   前記トリガパルス生成手段は、前記カンチレバーが前記試料に接触または最接近するタイミングに対応する前記振動波形上の位置で前記トリガパルス信号を発生させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記カンチレバーを励振する励振手段と、
   前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
   前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、
   前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、
   前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成手段と、
   を備え、
   前記トリガパルス生成手段は、前記基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号を生成し、
   前記位相信号生成手段は、前記複数のトリガパルス信号の各々から前記位相信号を生成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記位相信号生成手段は、前記トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて前記基準波信号を保持する複数のサンプルホールド回路を含み、前記複数のサンプルホールド回路に前記複数のトリガパルス信号がそれぞれ入力されることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記複数のサンプルホールドで生成される複数の位相信号を、前記複数のトリガパルス信号のずれに応じてオフセットする手段を含む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。
5. 前記トリガパルス信号のずれに応じて互いにずれた複数の基準波信号を生成する手段を含み、前記複数のサンプルホールド回路に前記複数のトリガパルス信号と共に前記複数の基準波信号がそれぞれ入力され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。
6. 前記基準波生成手段は、前記基準波信号として、前記励振信号と同一の周波数を有し、前記励振信号との位相差が固定された信号を生成し、
   前記トリガパルス生成手段は、前記トリガパルス信号として、前記カンチレバーの変位から得られる振動波形の時間軸上の位置を表すパルス信号を生成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記基準波生成手段は、前記基準波信号としてノコギリ波信号を生成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 複数のチャネルを有する発振器を備え、
   前記発振器が、前記励振手段の前記励振信号を生成すると共に、前記基準波生成手段として前記基準波信号を生成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記トリガパルス生成手段は、
   前記カンチレバーの変位信号から前記励振信号の周波数成分の振動波形信号を抽出するバンドパスフィルタと、
   前記振動波形信号を矩形波信号に変換するコンパレータと、
   前記矩形波信号から矩形波発生タイミングのパルス信号を生成する微分器と、
   を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 前記位相信号生成手段は、前記トリガパルス信号をサンプリングタイミングとして用いて前記基準波信号を保持するサンプルホールド回路を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 前記カンチレバーは、長さが１０μｍ以下で、幅が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
12. 前記位相信号生成手段により生成される位相信号が一定になるように前記試料と前記カンチレバーをＺ方向に相対的に走査することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. 前記位相信号を一定に制御するための信号から前記試料のＺ方向の位置を特定し、前記試料の形状を求めることを特徴とする請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
14. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
    カンチレバーと、
    前記カンチレバーを振動させる発振器と、
    前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
    前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成回路と、
    前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成回路と、
    前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成回路と、
    を備え、
    前記トリガパルス生成手段は、前記カンチレバーが前記試料に接触または最接近するタイミングに対応する前記振動波形上の位置で前記トリガパルス信号を発生させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
15. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
    カンチレバーと、
    前記カンチレバーを振動させる発振器と、
    前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
    前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成回路と、
    前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成回路と、
    前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成回路と、
    を備え、
    前記トリガパルス生成手段は、前記基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号を生成し、
    前記位相信号生成手段は、前記複数のトリガパルス信号の各々から前記位相信号を生成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
16. 前記位相信号生成手段により生成される位相信号が一定になるように前記試料と前記カンチレバーをＺ方向に相対的に走査することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
17. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、前記カンチレバーの振動の位相を検出するカンチレバー位相検出装置であって、
    前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、
    前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、
    前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成手段と、
    を備え、
    前記トリガパルス生成手段は、前記カンチレバーが前記試料に接触または最接近するタイミングに対応する前記振動波形上の位置で前記トリガパルス信号を発生させることを特徴とするカンチレバー位相検出装置。
18. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、前記カンチレバーの振動の位相を検出するカンチレバー位相検出装置であって、
    前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成手段と、
    前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス生成手段と、
    前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成手段と、
    を備え、
    前記トリガパルス生成手段は、前記基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号を生成し、
    前記位相信号生成手段は、前記複数のトリガパルス信号の各々から前記位相信号を生成することを特徴とするカンチレバー位相検出装置。
19. 前記位相信号生成手段により生成される位相信号が一定になるように前記試料と前記カンチレバーをＺ方向に相対的に走査することを特徴とする請求項１７又は１８に記載のカンチレバー位相検出装置。
20. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、前記カンチレバーの位相を検出するカンチレバー位相検出方法であって、
    前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成ステップと、
    前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス信号生成ステップと、
    前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成ステップとを含み、
    前記トリガパルス生成ステップは、前記カンチレバーが前記試料に接触または最接近するタイミングに対応する前記振動波形上の位置で前記トリガパルス信号を発生させることを特徴とするカンチレバー位相検出方法。
21. カンチレバーを振動させて、前記カンチレバーと試料を相対的に走査する走査型プローブ顕微鏡にて用いられ、前記カンチレバーの位相を検出するカンチレバー位相検出方法であって、
    前記カンチレバーの励振信号に応じた周波数を有しており前記励振信号との位相差が固定された基準波信号を生成する基準波生成ステップと、
    前記カンチレバーの変位に基づき、前記カンチレバーの振動の位相に応じてパルス位置が変化するトリガパルス信号を生成するトリガパルス信号生成ステップと、
    前記基準波信号と前記トリガパルス信号に基づき、前記パルス位置における前記基準波信号の大きさに応じた信号を前記カンチレバーの振動の位相信号として生成する位相信号生成ステップとを含み、
    前記トリガパルス生成ステップは、前記基準波信号の１周期の間に互いにずれた複数のトリガパルス信号を生成し、
    前記位相信号生成ステップは、前記複数のトリガパルス信号の各々から前記位相信号を生成することを特徴とするカンチレバー位相検出方法。
22. 前記位相信号生成ステップにより生成される位相信号が一定になるように前記試料と前記カンチレバーをＺ方向に相対的に走査することを特徴とする請求項２０又は２１に記載のカンチレバー位相検出方法。

Images