JP3244021B2

JP3244021B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3244021B2
Application number: JP15359197A
Authority: JP
Inventors: 充彦山本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2002-01-07
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: JPH112637A

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
微鏡に関し、特に複数の測定モードを有する走査型プロ
ーブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細な表面形状の分析を行う装置とし
て、プローブと試料表面との間に流れるトンネル電流を
用いる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、プローブと
試料表面間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡が知られている。

【０００３】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、探針
を試料表面に近づけて探針または試料を３次元方向に移
動可能とし、探針を試料表面との間に流れるトンネル電
流が一定となるように試料表面と探針との間をサブナノ
メータオーダーで制御することによって、原子レベルの
分解能で３次元形状を測定し、物質表面の原子配列の観
察や、物質表面の表面形状の観察を行うものである。ま
た、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針および探針を支
持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲がりを検
出する変位測定系とを備え、探針と試料との間の原子間
力（引力または斥力）を検出し、この原子間力が一定と
なるように制御することによって、試料表面の形状を観
察するものであり、生物，有機分子，絶縁物等の非導電
物質の観察を行うことができる顕微鏡である。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡は複数の測定モード
を備え、例えば、原子間力顕微鏡は、コンタクトモー
ド、コンスタントハイトモード、ノンコンタクトモード
（共振モード）、ダイナミックモード等の各種の測定モ
ードを備えている。コンタクトモードはカンチレバーと
試料との間に働く斥力が一定となるようにフィードバッ
ク制御を行いながら試料表面を走査し、フィードバック
量から高さを測定するモードであり、コンスタントハイ
トモードはカンチレバーの高さを一定に保ちながら試料
表面を走査し、カンチレバーのたわみ量から高さを測定
するモードであり、ノンコンタクトモードは共振点付近
で振動しているカンチレバーと試料との間に働く引力が
一定となるようにフィードバック制御を行いながら試料
表面を走査し、フィードバック量から高さを測定するモ
ードであり、ダイナミックモードは共振点付近で振動し
ているカンチレバーと試料との間に働く斥力が一定とな
るようにフィードバック制御を行いながら試料表面を走
査し、フィードバック量から高さを測定するモードであ
る。上記測定モードは、測定試料の特性や測定目的に応
じて選択され、測定モードに対応した信号特性の検出信
号が出力される。従来の走査型プローブ顕微鏡では、検
出器から出力される検出信号を信号検出用のプリアンプ
で増幅した後、信号処理部において信号処理を行い、デ
ータ測定やフィードバック制御を行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
の検出器出力は、測定モードに応じた信号特性を有して
いる。例えば、原子間力顕微鏡において、コンタクトモ
ードで検出される検出信号は、信号強度が比較的大き
く、検出信号変化と試料表面の凹凸との比率が線形（リ
ニア）な信号特性であり、また、ノンコンタクトモード
（共振モード）で検出される検出信号は、信号強度が小
さく、検出信号変化は試料表面の凹凸変化に対して大き
く、感度が高い信号特性を有している。

【０００６】従来の走査型プローブ顕微鏡は、このよう
な異なる測定モードで検出される検出信号を一つの信号
検出用のプリアンプで信号増幅し、各測定モードに対応
した信号領域の抽出は後段の信号処理部で行っている。
しかしながら、信号検出用のプリアンプは回路固有の信
号増幅特性を有しており、全ての測定モードの検出信号
に対して最適な信号増幅を行うことは困難である。その
ため、従来の走査型プローブ顕微鏡は、測定モードによ
っては、信号処理において最適なＳ／Ｎ比や応答性やダ
イナミックレンジ等が得られず、最適な測定が望めない
という問題点がある。

【０００７】図５は走査型プローブ顕微鏡の検出器出力
の出力例を説明するための図である。図５中の信号ａ
は、信号強度が小さく、検出信号変化が試料表面の凹凸
変化に対して大きい信号特性例であり、ノンコンタクト
モード（共振モード）の検出信号に対応し、また、図５
中の信号ｂは、信号強度が比較的大きく、検出信号変化
と試料表面の凹凸との比率が線形（リニア）な信号特性
例であり、コンタクトモードに対応している。

【０００８】図６，７は検出信号の信号増幅例を説明す
るための図である。図６中の信号Ａは、線形増幅特性を
有する比例増幅器によって図５中の検出信号ａを信号増
幅した出力例であり、出力振幅は大きくなる。そのた
め、この増幅信号を用いてフィードバック定数を設定し
て制御を行うと、オーバーシュートおよびアンダーシュ
ートを繰り返すことになる。このオーバーシュートある
いはアンダーシュートは、カンチレバー先端や試料を損
傷したり、測定結果の再現性を悪化させる原因となる。

【０００９】また、図７中の信号Ｂは、対数増幅特性を
有する対数増幅器によって図５中の検出信号ｂを信号増
幅した出力例であり、その出力の振幅は小さくなる。そ
のため、この増幅信号を用いて設定されるフィードバッ
ク定数で制御を行うと、信号領域が劣化し、得られる画
像データぼやけたものとなる。

【００１０】そこで、本発明は前記した従来の走査型プ
ローブ顕微鏡の持つ問題点を解決し、測定モードにかか
わらず最適な測定を行うことができる走査型プローブ顕
微鏡を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、検出器から得られる検出信号の増幅を測定モ
ードに応じて行うことによって、測定モードによらず最
適な測定を行うものである。本発明の走査型プローブ顕
微鏡は、測定モードに応じた検出信号の増幅を行うため
に、複数の測定モードを有する測定型プローブ顕微鏡に
おいて、複数の信号増幅特性を有する検出信号増幅部
と、検出処理増幅部の増幅信号を入力する信号処理部を
備えた構成とし、検出信号増幅部による信号増幅を測定
モードに応じた信号増幅特性で行うものである。

【００１２】検出信号増幅部が有する複数の信号増幅特
性は、走査型プローブ顕微鏡が有する複数の測定モード
に対応し、該測定モードで得られる検出信号特性に応じ
て最適に増幅を行う信号増幅特性である。この検出信号
増幅部は、測定モードに対応した信号増幅特性の増幅器
を複数個備え、これらの増幅器を測定モードに応じて選
択し切り換える第１の実施態様の構成や、信号増幅特性
が変更可能な増幅器を備え、この増幅器の信号増幅特性
を測定モードに応じて変更する第２の実施態様の構成と
することができる。

【００１３】また、第３の実施態様は、複数個の増幅器
を備える検出信号増幅部において、比例増幅器と対数増
幅器を備え、測定モードに応じて比例増幅器と対数増幅
器を切り換えて信号処理部に増幅信号を送るものであ
る。なお、比例増幅器は入力信号に対して線形の増幅特
性で信号増幅を行う増幅器であり、対数増幅器は入力信
号に対して対数の増幅特性で信号増幅を行う増幅器であ
る。

【００１４】第４の実施態様は、原子間力顕微鏡のコン
タクトモードにおいて、検出信号増幅部は比例増幅器を
用いることによって鮮明な画像データを得るものであ
り、第５の実施態様は、原子間力顕微鏡のノンコンタク
トモード（共振モード）において、検出信号増幅部は対
数増幅器を用いることによって安定で再現性が良くダイ
ナミックレンジの広い測定データを得るものである。

【００１５】本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、
検出信号増幅部は走査型プローブ顕微鏡の測定モードに
応じて増幅器の信号増幅特性を設定する。この信号増幅
特性の設定は、複数の増幅器の中から測定モードに適し
た信号増幅特性の増幅器の選択し切り換える動作や、あ
るいは可変増幅器の信号増幅特性を測定モードに応じて
変更する動作によって行うことができる。検出器で検出
された検出信号は、検出信号増幅部において測定モード
に対応した最適な信号増幅特性で増幅され、その後、信
号処理部で信号処理され、フィードバック制御や測定が
行われる。

【００１６】本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、
測定モードに対応した信号増幅特性で検出信号の信号増
幅を行うことができるため、オーバーシュートやアンダ
ーシュートによるカンチレバー先端や試料の損傷や再現
性の悪化を防止することができ、また、信号領域が劣化
を防止して鮮明な画像データを得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態の構
成例について、図１の本発明の走査型プローブ顕微鏡の
実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明す
る。なお、図１に示す構成は、走査型プローブ顕微鏡を
概括的に示しており、走査型トンネル顕微鏡や原子間力
顕微鏡や水平力摩擦力顕微鏡に適用することができる。

【００１８】図１において、走査型プローブ顕微鏡１
は、試料表面を測定する検出器２と、検出器２から得ら
れる検出信号を信号増幅する検出信号増幅部３と、測定
データやフィードバック制御のための制御信号を求める
等の各種信号処理を行う信号処理部４と、試料あるいは
プローブ部を移動して走査を行う走査部５と、走査部５
をフィードバック制御するためのフィードバック制御部
６と、測定データ等の表示を行う表示部７と、検出信号
増幅部３，信号処理部４，フィードバック制御部６，お
よび表示部７等を制御する制御部１０を備える。

【００１９】走査型プローブ顕微鏡１は複数の測定モー
ドによる測定が可能な構成であり、制御部１０は複数測
定モードの中から選択された測定モードに対応するパラ
メータの設定や、測定モードに対応する制御指令を出力
する。なお、図１に示す構成は、通常の走査型プローブ
顕微鏡とほぼ同様の構成であるため、以下では、測定モ
ードに応じて信号増幅特性を設定するための構成につて
説明し、その他の通常の走査型プローブ顕微鏡と共通す
る構成および動作については説明を省略する。

【００２０】図１に示す走査型プローブ顕微鏡１は、検
出信号増幅部３の第１の構成例を示している。第１の構
成例の検出信号増幅部３は、選択し切り換え可能に構成
された複数個の増幅器を備えた構成である。図１は、比
例増幅器３１と対数増幅器３２の２つの信号増幅特性が
異なる増幅器を備え、両増幅器３１，３２を切り換え部
３３で選択し切り換える構成を示している。切り換え部
３３は、制御部１０からの制御指令（切り換え信号）に
よって比例増幅器３１と対数増幅器３２の何れかを選択
し、検出器２と信号処理部４との間の接続切り換えを行
う。この切り換えによって、検出器２で検出された検出
信号は、比例増幅器３１による線形増幅あるいは対数増
幅器３２による対数増幅され、信号処理部４に送られ
る。ここで、制御部４から検出信号増幅部４に送られる
制御指令（切り換え信号）は、測定モードに対応して出
力される。これによって、走査型プローブ顕微鏡の測定
モードに応じて、検出信号増幅部３における信号増幅特
性を切り換えることができる。

【００２１】図２，３は検出信号の信号増幅例を説明す
るための図である。ここで、前記図５に示す検出器出力
の出力例を用いて説明する。図５中の検出信号ａは、信
号強度が小さく、検出信号変化が試料表面の凹凸変化に
対して大きい信号特性例であり、図５中の信号ｂは、信
号強度が比較的大きく、検出信号変化と試料表面の凹凸
との比率が線形（リニア）な信号特性例であり、それぞ
れ、ノンコンタクトモード（共振モード）およびコンタ
クトモードの検出信号に対応している。

【００２２】図２は、図５中の検出信号ａを対数増幅す
る場合であり、信号強度が小さく、信号変化が大きな検
出信号に対して対数増幅を行うことによって増幅信号
Ａ’を得ることができ、前記図６に示したような信号処
理のレンジをオーバーするといった問題点を解消するこ
とができ、最適な信号増幅を行うことができる。なお、
増幅率は、測定パラメータにより設定することができ
る。

【００２３】また、図３は、図５中の検出信号ｂを比例
増幅する場合であり、信号強度が大きく検出信号変化と
試料表面の凹凸との比率が線形（リニア）な検出信号に
対して比例増幅を行うことによって、前記図７に示した
ような信号領域の劣化を解消することができ、最適な信
号増幅を行うことができる。このとき、制御部１０は、
ノンコンタクトモード（共振モード）に対して対数増幅
器３２を選択し、コンタクトモードに対して比例増幅器
３１を選択するよう設定しておくと、走査型プローブ顕
微鏡が行う測定モードに対応して、検出信号増幅部３の
比例増幅器３１あるいは対数増幅器３２が選択され、こ
れによって最適な信号増幅を行う。

【００２４】次に、図４に示す走査型プローブ顕微鏡１
は、検出信号増幅部３の第２の構成例を示している。第
２の構成例の検出信号増幅部３は、信号増幅特性を変更
することができる可変増幅器を備えた構成である。図４
の構成例は、検出信号増幅部３の構成の点でのみ前記図
１に示す構成例と異なるため、ここでは検出信号増幅部
３の構成についてのみ説明する。

【００２５】検出信号増幅部３は、信号増幅特性を変更
することができる可変増幅器３４を備え、制御部４から
の制御指令（変更信号）によって信号増幅特性の変更を
行う。この信号増幅特性の変更によって、検出器２で検
出された検出信号は、可変増幅器３４により所定の増幅
特性で信号増幅され、信号処理部４に送られる。ここ
で、制御部４から検出信号増幅部４に送られる制御指令
（変更信号）は、測定モードに対応して出力される。こ
れによって、走査型プローブ顕微鏡の測定モードに応じ
て、検出信号増幅部３における信号増幅特性を切り換え
ることができる。

【００２６】前記実施形態では、信号増幅特性として、
比例増幅および対数増幅の場合を示しているが、その他
の特性とすることもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、測定モードにかかわらず最適な
測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形
態を説明する概略ブロック線図である。

【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡による検出信号
の信号増幅例を説明するための図である。

【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡による検出信号
の信号増幅例を説明するための図である。

【図４】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形
態を説明する概略ブロック線図である。

【図５】走査型プローブ顕微鏡の検出器出力の出力例を
説明するための図である。

【図６】従来の走査型プローブ顕微鏡による検出信号の
信号増幅例を説明するための図である。

【図７】従来の走査型プローブ顕微鏡による検出信号の
信号増幅例を説明するための図である。

【符号の説明】

１…走査型プローブ顕微鏡、２…検出器、３…検出信号
増幅部、４…信号処理部、５…走査部、６…フィードバ
ック制御部、７…表示装置、１０…制御部、３１…比例
増幅器、３２…対数増幅器、３３…切り換え部、３４…
可変増幅器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の測定モードを有する走査型プロー
ブ顕微鏡において、検出信号増幅部と当該検出信号増幅
部の増幅信号を信号処理する信号処理部を備え、前記検出信号増幅部は、前記複数の測定モードに応じ
て、信号強度が小さく、信号変化が試料表面の凹凸変化
に対して大きな検出信号に対して対数増幅し、信号強度
が大きく、信号変化と試料表面の凹凸との比率が線形な
信号に対して比例増幅することを特徴とする、走査型プ
ローブ顕微鏡。