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JP5948134B2 - Scanning probe microscope and control method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope.

走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、機械的プローブを走査しながら試料表面の情報を取得してマッピング表示する走査型顕微鏡の総称である。SPMには、走査型トンネリング顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型磁気力顕微鏡(MFM)、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)などがある。   A scanning probe microscope (SPM) is a generic name for a scanning microscope that acquires information on the surface of a sample while scanning a mechanical probe and displays the mapping. The SPM includes a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (AFM), a scanning magnetic force microscope (MFM), a scanning near-field light microscope (SNOM), and the like.

AFMは、SPMの中で最も広く使用されており、機械的プローブをその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的プローブと試料を相対的に走査する走査機構を主要な要素として備えている。その光学式変位センサーには、構成が簡単でありながら検出感度が高いことから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。この光てこ式の光学式変位センサーは、カンチレバー上に直径が数μmから数十μmの光束を照射し、カンチレバーの反りの変化に応じた反射光の反射方向の変化を二分割光ディテクタなどによりとらえることにより、カンチレバーの自由端にある機械的プローブの動作を反映した電気信号を出力する。AFMは、走査機構によって、光学式変位センサーの出力が一定になるように機械的プローブと試料の間の相対距離をZ方向に制御しながら機械的プローブと試料の間の相対位置をXY方向に走査することにより、試料表面の凹凸の状態をマッピングしてコンピュータのモニター上に表示する。   AFM is the most widely used in SPM. A cantilever having a mechanical probe at its free end, an optical displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever, and a scanning for relatively scanning the mechanical probe and the sample. The mechanism is provided as a main element. Since the optical displacement sensor has a simple configuration and high detection sensitivity, an optical lever type optical displacement sensor is most widely used. This optical lever type optical displacement sensor irradiates a light beam with a diameter of several μm to several tens of μm on the cantilever, and changes the reflection direction of the reflected light according to the change of the cantilever warp by using a two-split optical detector or the like. By capturing, an electrical signal reflecting the operation of the mechanical probe at the free end of the cantilever is output. The AFM uses the scanning mechanism to control the relative distance between the mechanical probe and the sample in the XY direction while controlling the relative distance between the mechanical probe and the sample in the Z direction so that the output of the optical displacement sensor becomes constant. By scanning, the uneven state of the sample surface is mapped and displayed on a computer monitor.

AFMでは、カンチレバーを振動させ、その振動特性から試料とプローブの間に働く相互作用を検出する方式(ACモード)を採用することが多い。それは、試料とプローブの間に働く力を通常の方式(コンタクトモードと呼ばれる)に比べて弱く保つことができる利点があるからである。このACモードAFMでは、試料とプローブの間に働く相互作用により生じるカンチレバーの振動すなわち変位の振幅変化や位相変化の一方を検出し、その検出結果に基づいて試料の表面形状を測定している。   AFM often employs a method (AC mode) in which a cantilever is vibrated and an interaction between a sample and a probe is detected from its vibration characteristics. This is because there is an advantage that the force acting between the sample and the probe can be kept weak as compared with the normal method (called contact mode). In this AC mode AFM, the vibration of the cantilever caused by the interaction between the sample and the probe, that is, one of the amplitude change or phase change of the displacement is detected, and the surface shape of the sample is measured based on the detection result.

特開2008−232984号公報は、この種のACモードAFMのひとつを開示している。このACモードAFMは、振幅変化と位相変化の一方を切り換えて検出し得る構成となっている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-232984 discloses one such AC mode AFM. The AC mode AFM is configured to detect by switching one of the amplitude change and the phase change.

特開2008−232984号公報JP 2008-232984 A

ACモードAFMにおいては、試料とプローブの間に働く相互作用が斥力の領域において振動状態の変化(振幅変化や位相変化)を検出し、それに基づいて画像形成することが多い。カンチレバーの変位の振幅は、試料とプローブの間の斥力が大きくなるにつれて減少する。またカンチレバーの変位の位相は、斥力が大きくなるにつれて進む。振幅の変化は、硬い試料においては変化率が大きく、柔らかい試料においては変化率が小さい。つまり振幅変化の検出感度は、硬い試料に対しては高く、柔らかい試料に対しては低い。反対に、位相の変化は、硬い試料においては振幅変化に比べて変化率が小さく、柔らかい試料に対しては振幅変化に比べて変化率が高い。つまり位相変化の検出感度は、硬い試料に対しては低く、柔らかい試料に対しては高い。これまでのACモードAFMは、振幅変化と位相変化のどちらか一方に基づいて斥力を検出しているため、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対しては、硬い部分と柔らかい部分の両方において斥力を高感度に検出することが難しい。これは、測定精度を低下させるだけでなく、制御を不安定にさせる要因にもなる。   In the AC mode AFM, the interaction between the sample and the probe often detects a vibration state change (amplitude change or phase change) in a repulsive region, and forms an image based on the change. The amplitude of the cantilever displacement decreases as the repulsion between the sample and the probe increases. The phase of the cantilever displacement advances as the repulsion increases. The change in amplitude has a large change rate in a hard sample and a small change rate in a soft sample. That is, the amplitude change detection sensitivity is high for a hard sample and low for a soft sample. On the contrary, the change rate of the phase is small for a hard sample compared to the amplitude change, and the change rate is high for a soft sample compared to the amplitude change. That is, the phase change detection sensitivity is low for a hard sample and high for a soft sample. Conventional AC mode AFM detects repulsive force based on either amplitude change or phase change, so for samples containing both hard and soft parts, both hard and soft parts It is difficult to detect repulsive force with high sensitivity. This not only reduces the measurement accuracy, but also makes the control unstable.

本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡を提供することである。   The present invention has been made in view of such a current situation, and an object of the present invention is to provide a scanning probe capable of stably measuring the surface shape of a sample in which a hard portion and a soft portion are mixed with high accuracy. To provide a microscope.

本発明による走査型プローブ顕微鏡は、自由端にプローブをもつカンチレバーと、前記プローブと試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、前記カンチレバーの変位を検出して前記変位を表す変位信号を出力する変位検出部とを備えており、さらに、前記変位信号の振幅情報を検出して前記振幅情報を含む振幅信号を出力する振幅情報検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差情報を検出して前記位相差情報を含む位相信号を出力する位相差情報検出部を含み、前記振幅信号と前記位相信号の混成信号を生成する混成信号生成部と、前記混成信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する制御部とを備えている。前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の混成比を調整し得るように構成されている。   A scanning probe microscope according to the present invention includes a cantilever having a probe at a free end, a scanning unit that relatively moves the probe and a sample in three dimensions, and an excitation unit that vibrates the cantilever based on an excitation signal. And a displacement detector that detects the displacement of the cantilever and outputs a displacement signal representing the displacement, and further detects amplitude information of the displacement signal and outputs an amplitude signal including the amplitude information. An amplitude information detection unit; and a phase difference information detection unit that detects phase difference information between the excitation signal and the displacement signal and outputs a phase signal including the phase difference information, and is a mixture of the amplitude signal and the phase signal. A hybrid signal generator that generates a signal, and a controller that controls the distance between the probe and the sample based on the hybrid signal. The hybrid signal generator is configured to adjust a hybrid ratio between the amplitude signal and the phase signal.

本発明によれば、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定に測定し得る走査型プローブ顕微鏡が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the scanning probe microscope which can measure the surface shape stably with high precision also with respect to the sample in which a hard part and a soft part are mixed is provided.

第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。The structure of the scanning probe microscope of 1st embodiment is shown. 第一実施形態における混成信号生成部の構成を示している。The structure of the hybrid signal generation part in 1st embodiment is shown. −Asinφとφの関係を示している。-Shows the relationship between Asin φ and φ. 第一実施形態における混成信号生成部の変形例を示している。The modification of the hybrid signal production | generation part in 1st embodiment is shown. 第二実施形態における混成信号生成部の構成を示している。The structure of the hybrid signal generation part in 2nd embodiment is shown. Acosφとφの関係を示している。The relationship between A cos φ and φ is shown. −Asinφとφの関係を示している。-Shows the relationship between Asin φ and φ. 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。The structure of the scanning probe microscope of 3rd embodiment is shown. 第三実施形態における混成信号生成部の構成を示している。The structure of the hybrid signal generation part in 3rd embodiment is shown. 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の変形例を示している。The modification of the scanning probe microscope of 3rd embodiment is shown. 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡における情報表示例(z制御信号の画像)を示している。The example of information display (image of z control signal) in the scanning probe microscope of a third embodiment is shown. 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡における情報表示例(Aの画像)を示している。The example of information display (image of A) in the scanning probe microscope of a third embodiment is shown. 第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡における情報表示例(−Asinφの画像)を示している。The example of information display in the scanning probe microscope of a third embodiment (image of -Asinφ) is shown. 第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。The structure of the scanning probe microscope of 4th embodiment is shown. 第四実施形態における混成信号生成部の構成例を示している。The structural example of the hybrid signal generation part in 4th embodiment is shown. 第四実施形態における混成信号生成部の別の構成例を示している。The another structural example of the hybrid signal generation part in 4th embodiment is shown.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<第一実施形態>
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を図1に示す。図1に示すように、走査型プローブ顕微鏡は、自由端にプローブ11をもつカンチレバー12を有している。このカンチレバー12は、試料19に正対するようにホルダ13に保持され得る。
<First embodiment>
The configuration of the scanning probe microscope of the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope has a cantilever 12 having a probe 11 at a free end. The cantilever 12 can be held by the holder 13 so as to face the sample 19.

走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバー12の変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部15を有している。変位検出部15は、光てこ式の光学式変位センサーで構成されており、カンチレバー12の背面に集束されたレーザ光を照射するレーザ光源16と、カンチレバー12の背面から反射されたレーザ光を受ける分割ディテクタ17と、分割ディテクタ17の出力からカンチレバー12の変位信号を生成する演算アンプ18から構成されている。   The scanning probe microscope also has a displacement detector 15 that detects the displacement of the cantilever 12 and outputs a displacement signal representing the displacement. The displacement detection unit 15 includes an optical lever type optical displacement sensor, and receives a laser light source 16 that irradiates a laser beam focused on the back surface of the cantilever 12 and a laser beam reflected from the back surface of the cantilever 12. The division detector 17 and an operational amplifier 18 that generates a displacement signal of the cantilever 12 from the output of the division detector 17 are configured.

走査型プローブ顕微鏡はまた、加振信号に基づいてカンチレバー12を振動させる加振部14と、加振部14に加振信号を供給する混成信号生成部30を有している。加振部14は、たとえば、ホルダ13に設けられている。加振部14は、たとえば圧電素子で構成され、カンチレバー12をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させ得る。混成信号生成部30は、加振信号を出力するほか、変位検出部15から出力される変位信号から混成信号を生成し得る。混成信号の詳細については後述する。走査型プローブ顕微鏡はまた、混成信号生成部30から出力される混成信号のゲインを調整し得る混成信号ゲイン調整部28を有している。   The scanning probe microscope also includes a vibration unit 14 that vibrates the cantilever 12 based on the vibration signal, and a hybrid signal generation unit 30 that supplies the vibration signal to the vibration unit 14. The vibration part 14 is provided in the holder 13, for example. The vibration unit 14 is made of, for example, a piezoelectric element, and can vibrate the cantilever 12 with a predetermined amplitude at a frequency near its mechanical resonance frequency. The hybrid signal generator 30 can generate a hybrid signal from the displacement signal output from the displacement detector 15 in addition to outputting the excitation signal. Details of the hybrid signal will be described later. The scanning probe microscope also includes a hybrid signal gain adjustment unit 28 that can adjust the gain of the hybrid signal output from the hybrid signal generation unit 30.

走査型プローブ顕微鏡はまた、試料19とプローブ11を三次元的に相対的に移動させる走査部20を有している。走査部20は、Zスキャナ21とXYスキャナ22から構成されている。Zスキャナ21はXYスキャナ22上に配置されており、Zスキャナ21上には、図示しない試料台を介して試料19が載置され得る。Zスキャナ21は、Zドライバ23により駆動され、プローブ11に対して試料19をZ方向に移動させ得る。またXYスキャナ22は、XYドライバ24により駆動され、プローブ11に対して試料19をXY方向に移動させ得る。   The scanning probe microscope also has a scanning unit 20 that relatively moves the sample 19 and the probe 11 in three dimensions. The scanning unit 20 includes a Z scanner 21 and an XY scanner 22. The Z scanner 21 is disposed on the XY scanner 22, and the sample 19 can be placed on the Z scanner 21 via a sample table (not shown). The Z scanner 21 is driven by a Z driver 23 and can move the sample 19 in the Z direction with respect to the probe 11. The XY scanner 22 is driven by the XY driver 24 and can move the sample 19 in the XY direction with respect to the probe 11.

走査型プローブ顕微鏡はまた、Zドライバ23とXYドライバ24を制御するコントローラ25と、試料19の表面の画像を形成するホストコンピュータ27を有している。コントローラ25は、試料19の表面に沿ってプローブ11を二次元的に走査するためのXY走査信号と、プローブ11と試料19の間の距離を制御するためのZ制御信号を生成し得る。コントローラ25は、混成信号からZ制御信号を生成するZ制御部26を有している。ホストコンピュータ27は、コントローラ25で生成されるXY走査信号とZ制御信号を用いて試料19の表面の画像を形成し得る。   The scanning probe microscope also includes a controller 25 that controls the Z driver 23 and the XY driver 24, and a host computer 27 that forms an image of the surface of the sample 19. The controller 25 can generate an XY scanning signal for two-dimensionally scanning the probe 11 along the surface of the sample 19 and a Z control signal for controlling the distance between the probe 11 and the sample 19. The controller 25 has a Z control unit 26 that generates a Z control signal from the hybrid signal. The host computer 27 can form an image of the surface of the sample 19 using the XY scanning signal and the Z control signal generated by the controller 25.

混成信号生成部30の構成を図2に示す。図2に示すように、混成信号生成部30は、信号発生器34と振幅情報検出部31と位相差情報検出部32と振幅信号ゲイン調整部36と位相信号ゲイン調整部37と演算部35から構成されている。   The configuration of the hybrid signal generation unit 30 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the hybrid signal generation unit 30 includes a signal generator 34, an amplitude information detection unit 31, a phase difference information detection unit 32, an amplitude signal gain adjustment unit 36, a phase signal gain adjustment unit 37, and a calculation unit 35. It is configured.

信号発生器34は、カンチレバー12をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させる加振信号を生成し、これを加振部14に出力する。信号発生器34はまた、加振信号に同期した同期信号を位相差情報検出部32に供給する。この同期信号は、加振信号と同一の周波数で同位相のたとえば方形波信号(ロジック信号)で構成され得る。   The signal generator 34 generates an excitation signal that causes the cantilever 12 to vibrate with a predetermined amplitude at a frequency near its mechanical resonance frequency, and outputs this to the excitation unit 14. The signal generator 34 also supplies a synchronization signal synchronized with the excitation signal to the phase difference information detection unit 32. This synchronization signal can be composed of, for example, a square wave signal (logic signal) having the same frequency and the same phase as the excitation signal.

振幅情報検出部31は、変位検出部15から出力されるカンチレバー12の変位信号の振幅情報を検出し、その振幅情報を含む振幅信号を生成して出力する。   The amplitude information detection unit 31 detects amplitude information of the displacement signal of the cantilever 12 output from the displacement detection unit 15, generates an amplitude signal including the amplitude information, and outputs the amplitude signal.

振幅信号ゲイン調整部36は、振幅情報検出部31から出力される振幅信号のゲインを調整し得る。振幅信号ゲイン調整部36は、たとえば、振幅情報検出部31から出力される振幅信号をゲインGで増幅して出力する。 The amplitude signal gain adjustment unit 36 can adjust the gain of the amplitude signal output from the amplitude information detection unit 31. Amplitude signal gain adjustment unit 36, for example, outputs an amplitude signal outputted from the amplitude information detector 31 and amplified by the gain G A.

位相差情報検出部32は、変位検出部15から出力されるカンチレバー12の変位信号と信号発生器34から供給される同期信号の位相差情報を検出し、その位相差情報含む位相信号を生成して出力する。同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。   The phase difference information detection unit 32 detects the phase difference information between the displacement signal of the cantilever 12 output from the displacement detection unit 15 and the synchronization signal supplied from the signal generator 34, and generates a phase signal including the phase difference information. Output. Since the synchronization signal and the excitation signal have the same frequency and phase, the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal is equivalent to the phase difference between the displacement signal and the excitation signal.

位相差情報検出部32は、信号発生器34から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部33を備えている。位相調整部33は、信号発生器34から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部33は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部32は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。   The phase difference information detection unit 32 includes a phase adjustment unit 33 that can adjust the phase of the synchronization signal supplied from the signal generator 34. The phase adjustment unit 33 can give a desired phase offset to the phase of the synchronization signal supplied from the signal generator 34. Therefore, the phase adjustment unit 33 can give a desired phase offset to the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal. The phase difference information detection unit 32 generates and outputs a phase signal including information on the phase difference between the synchronization signal given the phase offset and the displacement signal. The phase difference between the synchronization signal to which the phase offset is given and the displacement signal is equivalent to the phase difference given to the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal.

位相信号ゲイン調整部37は、位相差情報検出部32から出力される位相信号のゲインを調整し得る。位相信号ゲイン調整部37は、たとえば、位相差情報検出部32から出力される位相信号をゲインGΦで増幅して出力する。 The phase signal gain adjustment unit 37 can adjust the gain of the phase signal output from the phase difference information detection unit 32. For example, the phase signal gain adjustment unit 37 amplifies the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 with the gain and outputs the amplified signal.

混成信号生成部30は、振幅信号のゲインと位相信号のゲインをそれぞれ独立に調整し得るように構成されている。   The hybrid signal generation unit 30 is configured to be able to independently adjust the gain of the amplitude signal and the gain of the phase signal.

演算部35は、振幅信号ゲイン調整部36から出力される振幅信号と位相信号ゲイン調整部37から出力される位相信号を加算処理し、その結果を混成信号として出力する。ここで、加算処理とは、負の加算処理、いわゆる減算処理も含む。   The computing unit 35 adds the amplitude signal output from the amplitude signal gain adjusting unit 36 and the phase signal output from the phase signal gain adjusting unit 37, and outputs the result as a hybrid signal. Here, the addition processing includes negative addition processing, so-called subtraction processing.

ここで混成信号生成部30の信号処理について詳細に説明する。   Here, the signal processing of the hybrid signal generation unit 30 will be described in detail.

加振信号をAsinωtとおく。ここで、Aは、加振信号の振幅、ωは、加振信号の角振動数、tは時間である。ωは、カンチレバー12の共振周波数をfとすると、2π・fとほぼ等しい値をもつ。 Let the vibration signal be A 0 sin ω 0 t. Here, A 0 is the amplitude of the vibration signal, ω 0 is the angular frequency of the vibration signal, and t is time. ω 0 has a value approximately equal to 2π · f 0 where the resonance frequency of the cantilever 12 is f 0 .

同期信号は、加振信号と同一の周波数(すなわち角振動数ω)で同位相のたとえば方形波信号とする。 The synchronization signal is, for example, a square wave signal having the same frequency (that is, angular frequency ω 0 ) and the same phase as the excitation signal.

カンチレバー12の変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とおく。ここで、Aは、変位信号の振幅、φは、プローブ11と試料19が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ11と試料19が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ11と試料19が接触していないとき、φは0である。Aとφが、検出の対象である。 The displacement signal of the cantilever 12 is set as Asin (ω 0 t + φ 0 + φ). Here, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe 11 and the sample 19 are not in contact, and φ is that the probe 11 and the sample 19 are in contact with each other. This is the phase difference of the displacement signal generated. Hereinafter, this phase difference is referred to as a phase shift amount for convenience. When the probe 11 and the sample 19 are not in contact, φ is zero. A and φ are detection targets.

位相調整部33は、信号発生器34から出力される同期信号の位相に位相オフセット(+ψ)を与える。すなわち、位相調整部33は、同期信号の位相を(+ψ)だけシフトさせる。これは、カンチレバー12の変位信号と同期信号(つまり加振信号)の位相差に、位相オフセット(−ψ)を与えることと等価である。位相差情報検出部32は、カンチレバー12の変位信号Asin(ωt+φ+φ)と位相オフセット(+ψ)が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Acos(φ+φ−ψ)を生成して出力する。 The phase adjustment unit 33 gives a phase offset (+ ψ) to the phase of the synchronization signal output from the signal generator 34. That is, the phase adjustment unit 33 shifts the phase of the synchronization signal by (+ ψ). This is equivalent to giving a phase offset (−ψ) to the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 and the synchronization signal (ie, the excitation signal). The phase difference information detection unit 32 includes a phase signal Acos (φ 0 + φ−ψ including information on the phase difference between the displacement signal Asin (ω 0 t + φ 0 + φ) of the cantilever 12 and the synchronization signal given the phase offset (+ ψ). ) Is generated and output.

好ましくは、位相調整部33は、同期信号の位相を(φ−π/2)だけシフトさせる。すなわち、ψ=φ−π/2である。この場合、位相差情報検出部32から出力される位相信号は、Acos{φ+φ−(φ−π/2)}=−Asinφとなる。 Preferably, the phase adjustment unit 33 shifts the phase of the synchronization signal by (φ 0 −π / 2). That is, ψ = φ 0 −π / 2. In this case, the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 is Acos {φ 0 + φ− (φ 0 −π / 2)} = − A sin φ.

図3は、−Asinφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Asinφは、φ=0において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感(高感度)である。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between -Asin φ and φ. As can be seen from this graph, -Asin φ is most sensitive (high sensitivity) to the change in the phase shift amount φ when φ = 0.

測定部分が硬い場合には、カンチレバー12の変位信号は、位相よりも振幅が大きく変化する。この振幅は、試料19とプローブ11の間に作用する斥力が大きくなるにつれて減少する。反対に、測定部分が柔らかい場合には、カンチレバー12の変位信号は、振幅よりも位相が大きく変化する。この位相は、試料19とプローブ11の間に作用する斥力が大きくなるにつれて進む(+φの方向にシフトする)。このため、位相差情報検出部32から出力される位相信号は、φ=0の近くで敏感に変化するとともに、振幅の変化に合わせて、φが進むにつれて減少すると好ましい。このような理由から、好ましくは、位相信号Acos(φ+φ−ψ)が−Asinφとなるように、位相オフセットψはψ=φ−π/2に設定される。 When the measurement part is hard, the amplitude of the displacement signal of the cantilever 12 changes more greatly than the phase. This amplitude decreases as the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 increases. On the other hand, when the measurement portion is soft, the displacement signal of the cantilever 12 changes in phase more greatly than the amplitude. This phase advances as the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 increases (shifts in the + φ direction). For this reason, it is preferable that the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 changes sensitively near φ = 0 and decreases as φ advances in accordance with the change in amplitude. For this reason, the phase offset ψ is preferably set to ψ = φ 0 −π / 2 so that the phase signal Acos (φ 0 + φ−ψ) becomes −Asinφ.

再び図2を参照して分かるように、振幅情報検出部31は、カンチレバー12の変位信号Asin(ωt+φ+φ)の振幅Aを検出し、その振幅を表す振幅信号Aを出力する。 As can be seen again with reference to FIG. 2, the amplitude information detector 31 detects the amplitude A of the displacement signal Asin (ω 0 t + φ 0 + φ) of the cantilever 12 and outputs an amplitude signal A representing the amplitude.

振幅信号ゲイン調整部36は、振幅情報検出部31から出力される振幅信号AをゲインGで増幅し、振幅信号として、GAを出力する。 Amplitude signal gain adjustment unit 36, an amplitude signal A outputted from the amplitude information detector 31 and amplified by the gain G A, as the amplitude signal, and outputs a G A A.

また位相信号ゲイン調整部37は、位相差情報検出部32から出力される位相信号(−Asinφ)をゲインGΦで増幅し、位相信号として、−GΦAsinφを出力する。 The phase signal gain adjustment section 37, the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 (-Asinφ) was amplified with the gain G [Phi, as the phase signal, and outputs the -G Φ Asinφ.

演算部35は、振幅信号GAと位相信号(−GΦAsinφ)を加算処理し、混成信号として、A(G−GΦsinφ)を出力する。 Calculating unit 35 adds the processing the amplitude signals G A A and the phase signal (-G Φ Asinφ), as mixed signal, and outputs the A (G A -G Φ sinφ) .

振幅信号ゲイン調整部36によるゲインGと位相信号ゲイン調整部37によるゲインGΦは、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を調整するものであり、測定部分の硬さ(柔らかさ)に応じて変更され得る。ゲインGとゲインGΦの基本状態はともに1、つまり混成比は1:1である。硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が硬い部分が支配的であるなら、振幅信号Aの比率を大きくする。たとえば、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を3:1にする。たとえば、ゲインGとゲインGΦをそれぞれ1.5と0.5にする。また、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が柔らかい部分が支配的であるなら、位相信号(−Asinφ)の比率を大きくする。たとえば、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を1:3にする。たとえば、ゲインGとゲインGΦをそれぞれ0.5と1.5にする。ゲインGとゲインGΦは、それぞれ0〜2の範囲で調整できることが望ましい。 The gain G [Phi by the amplitude signal gain adjustment section 36 by the gain G A and the phase signal gain adjusting unit 37, which adjusts the hybrid ratio of the amplitude signal A and the phase signal (-Asinfai), hardness measurement portion (soft It can be changed according to Gain G A and the gain G base state of Φ are both 1, i.e. the hybrid ratio is 1: 1. If the measurement part of the sample in which the hard part and the soft part are mixed is dominant, the ratio of the amplitude signal A is increased. For example, the mixing ratio of the amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ) is set to 3: 1. For example, the gain G A and the gain G [Phi respectively 1.5 and 0.5. If the measurement part of the sample in which the hard part and the soft part are mixed is dominant, the ratio of the phase signal (−Asinφ) is increased. For example, the hybrid ratio of the amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ) is set to 1: 3. For example, the gain G A and the gain G [Phi 0.5 and 1.5, respectively. The gain G A and the gain G [Phi, it is desirable to be able to adjust the ranges of 0-2.

演算部35から出力された混成信号は、図1に示すように、混成信号ゲイン調整部28を介して、コントローラ25内のZ制御部26に供給される。Z制御部26は、混成信号を一定に保つように試料19とプローブ11の間の距離を制御するZ制御信号を生成し、これをZドライバ23に供給する。Zドライバ23は、供給されるZ制御信号にしたがってZスキャナ21を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料19とプローブ11の間の距離が制御される。   The hybrid signal output from the calculation unit 35 is supplied to the Z control unit 26 in the controller 25 via the hybrid signal gain adjustment unit 28 as shown in FIG. The Z control unit 26 generates a Z control signal for controlling the distance between the sample 19 and the probe 11 so as to keep the hybrid signal constant, and supplies this to the Z driver 23. The Z driver 23 controls the Z scanner 21 according to the supplied Z control signal. As a result, the distance between the sample 19 and the probe 11 is controlled so as to keep the hybrid signal constant.

コントローラ25は、試料19の表面に沿ってプローブ11を二次元的に走査するXY走査信号を生成し、これをXYドライバ24に供給する。XYドライバ24は、供給されるXY走査信号にしたがってXYスキャナ22を制御する。その結果、試料19の表面に沿ってプローブ11が二次元的に走査する。   The controller 25 generates an XY scanning signal for two-dimensionally scanning the probe 11 along the surface of the sample 19 and supplies this to the XY driver 24. The XY driver 24 controls the XY scanner 22 in accordance with the supplied XY scanning signal. As a result, the probe 11 scans two-dimensionally along the surface of the sample 19.

コントローラ25はまた、XY走査信号とZ制御信号をホストコンピュータ27に供給する。ホストコンピュータ27は、XY走査信号とZ制御信号を用いて試料19の表面の画像を形成し、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。   The controller 25 also supplies an XY scanning signal and a Z control signal to the host computer 27. The host computer 27 forms an image of the surface of the sample 19 using the XY scanning signal and the Z control signal, displays the image, and stores the image data.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料19とプローブ11の間に働く斥力を混成信号GA−GΦAsinφとして検出し、それに基づいて試料19とプローブ11の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には振幅信号Aが大きく変化する。つまり測定部分が硬い場合には振幅信号GAが大きく変化する。また測定部分が柔らかい場合には位相信号(−Asinφ)が大きく変化する。つまり測定部分が柔らかい場合には位相信号(−GΦAsinφ)が大きく変化する。このため、試料19に硬い部分と柔らかい部分が混在していても、それら両方に対して試料19とプローブ11の間に働く斥力を高感度に検出することができる。さらに、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を調整し得る。測定部分の硬さ(柔らかさ)に応じて、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を調整することによって、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料において、それらがどのように混在していても最適な検出状態を得ることができる。その結果、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定に測定することができる。 In scanning probe microscope of the present embodiment, the repulsive force acting between the sample 19 and probe 11 detects the mixed signal G A A-G Φ Asinφ, controls the distance between the sample 19 and the probe 11 on the basis thereof . When the measurement part is hard, the amplitude signal A changes greatly. That is, when the measurement portion is hard, the amplitude signal G A A greatly changes. When the measurement part is soft, the phase signal (-Asinφ) changes greatly. That phase signal (-G Φ Asinφ) largely changes when the measurement portion is soft. For this reason, even if a hard part and a soft part are mixed in the sample 19, the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 can be detected with high sensitivity. Furthermore, the hybrid ratio of the amplitude signal A and the phase signal (-Asinφ) can be adjusted. By adjusting the hybrid ratio of the amplitude signal A and phase signal (-Asinφ) according to the hardness (softness) of the measurement part, how the hard part and the soft part are mixed is mixed. Even if it is, the optimal detection state can be obtained. As a result, the surface shape can be stably measured with high accuracy even for a sample in which a hard portion and a soft portion are mixed.

[第一実施形態の変形例]
第一実施形態の変形例として、混成信号生成部30の特殊な使用形態について説明する。この変形例による混成信号生成部を図4に示す。図4の混成信号生成部30は、図2の混成信号生成部30と比較して、振幅信号ゲイン調整部36のゲインが1に固定されている点だけが相違している。
[Modification of First Embodiment]
As a modification of the first embodiment, a special usage pattern of the hybrid signal generation unit 30 will be described. A hybrid signal generation unit according to this modification is shown in FIG. The hybrid signal generation unit 30 in FIG. 4 differs from the hybrid signal generation unit 30 in FIG. 2 only in that the gain of the amplitude signal gain adjustment unit 36 is fixed to 1.

この変形例では、振幅信号ゲイン調整部36は、振幅情報検出部31から出力される振幅信号Aを増幅せずに、言い換えればゲイン1で増幅し、振幅信号として、Aを出力する。位相信号ゲイン調整部37は、位相差情報検出部32から出力される位相信号(−Asinφ)をゲインGΦで増幅し、位相信号として、−GΦAsinφを出力する。演算部35は、振幅信号Aと位相信号(−GΦAsinφ)を加算処理し、混成信号として、A(1−GΦsinφ)を出力する。 In this modification, the amplitude signal gain adjustment unit 36 does not amplify the amplitude signal A output from the amplitude information detection unit 31, in other words, amplifies the gain signal 1 and outputs A as an amplitude signal. Phase signal gain adjustment section 37, the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 (-Asinφ) was amplified with the gain G [Phi, as the phase signal, and outputs the -G Φ Asinφ. Calculating unit 35 adds the processing the amplitude signal A and the phase signal (-G Φ Asinφ), as mixed signal, and outputs the A (1-G Φ sinφ) .

この変形例では、振幅信号ゲイン調整部36のゲインが1に固定されており、混成信号生成部30は、位相信号ゲイン調整部37によって位相信号のゲインだけを調整し得る。振幅信号と位相信号の混成比の調整は、位相信号ゲイン調整部37によって位相信号のゲインを変更することによっておこなわれる。このため、振幅信号や位相信号の混成比の調整をおこないやすいという利点がある。   In this modification, the gain of the amplitude signal gain adjustment unit 36 is fixed to 1, and the hybrid signal generation unit 30 can adjust only the gain of the phase signal by the phase signal gain adjustment unit 37. Adjustment of the mixing ratio of the amplitude signal and the phase signal is performed by changing the gain of the phase signal by the phase signal gain adjusting unit 37. For this reason, there exists an advantage that it is easy to adjust the hybrid ratio of an amplitude signal or a phase signal.

しかし、その反面、たとえば、測定部分が柔らかく、位相信号ゲイン調整部37のゲインを極端に大きくした場合、フィードバックループのゲイン(制御ループゲイン)に悪影響を与える可能性がある。そのような場合には、フィードバックループのゲインを混成信号ゲイン調整部28によって調整(補正)することが望ましい。   However, on the other hand, for example, when the measurement part is soft and the gain of the phase signal gain adjustment unit 37 is extremely increased, there is a possibility that the feedback loop gain (control loop gain) will be adversely affected. In such a case, it is desirable to adjust (correct) the gain of the feedback loop by the hybrid signal gain adjusting unit 28.

振幅信号ゲイン調整部36のゲインを1に固定することは、回路的には、振幅信号ゲイン調整部36が振幅信号を増幅することなく通すことと等価である。したがって、混成信号生成部30は、振幅信号ゲイン調整部36のゲインを1に固定する代わりに、振幅信号ゲイン調整部36を省略した構成としてもよい。   Fixing the gain of the amplitude signal gain adjusting unit 36 to 1 is equivalent to passing the amplitude signal without amplifying the amplitude signal in terms of a circuit. Therefore, the hybrid signal generation unit 30 may be configured to omit the amplitude signal gain adjustment unit 36 instead of fixing the gain of the amplitude signal gain adjustment unit 36 to 1.

ここでは、振幅信号ゲイン調整部36のゲインを1に固定した変形例を示したが、振幅信号ゲイン調整部36のゲインを1に固定する代わりに、位相信号ゲイン調整部37のゲインを1に固定する変形例も可能であり、また、位相信号ゲイン調整部37を省略した変形例も可能である。この変形例では、振幅信号や位相信号の混成比の調整は、振幅信号ゲイン調整部36のゲインを変更することによっておこなわれる。この変形例でも、振幅信号や位相信号の混成比の調整をおこないやすいという利点がある。   Here, a modification example is shown in which the gain of the amplitude signal gain adjustment unit 36 is fixed to 1. However, instead of fixing the gain of the amplitude signal gain adjustment unit 36 to 1, the gain of the phase signal gain adjustment unit 37 is set to 1. The modification which fixes is also possible, and the modification which abbreviate | omitted the phase signal gain adjustment part 37 is also possible. In this modification, adjustment of the mixing ratio of the amplitude signal and the phase signal is performed by changing the gain of the amplitude signal gain adjusting unit 36. This modification also has an advantage that it is easy to adjust the hybrid ratio of the amplitude signal and the phase signal.

本実施形態およびその変形例を総合すると、混成信号生成部30は、振幅信号のゲインと位相信号のゲインの少なくとも一方を調整し得るように構成されていればよい。   If this embodiment and its modification are put together, the hybrid signal generation part 30 should just be comprised so that at least one of the gain of an amplitude signal and the gain of a phase signal can be adjusted.

<第二実施形態>
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号生成部の構成が異なるほかは、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、本実施形態の混成信号生成部の構成と作用に重点をおいて説明する。
<Second embodiment>
The scanning probe microscope of the present embodiment is the same as the scanning probe microscope of the first embodiment except that the configuration of the hybrid signal generation unit is different. Therefore, here, description will be given with an emphasis on the configuration and operation of the hybrid signal generation unit of the present embodiment.

図5は、本実施形態の混成信号生成部40の構成を示している。図5に示すように、混成信号生成部40は、信号発生器34と位相差情報検出部41と位相差情報検出部32と振幅信号ゲイン調整部36と位相信号ゲイン調整部37と演算部35から構成されている。   FIG. 5 shows a configuration of the hybrid signal generation unit 40 of the present embodiment. As shown in FIG. 5, the hybrid signal generation unit 40 includes a signal generator 34, a phase difference information detection unit 41, a phase difference information detection unit 32, an amplitude signal gain adjustment unit 36, a phase signal gain adjustment unit 37, and a calculation unit 35. It is composed of

信号発生器34と位相差情報検出部32と振幅信号ゲイン調整部36と位相信号ゲイン調整部37と演算部35の詳細は第一実施形態で説明した通りである。   Details of the signal generator 34, the phase difference information detection unit 32, the amplitude signal gain adjustment unit 36, the phase signal gain adjustment unit 37, and the calculation unit 35 are as described in the first embodiment.

図2と図5を比較して分かるように、混成信号生成部40は、振幅情報検出部31に代えて位相差情報検出部41を備えている点において、第一実施形態の混成信号生成部30と相違している。言い換えれば、混成信号生成部40は、第一実施形態の混成信号生成部30の振幅情報検出部31を位相差情報検出部41に置き換えた構成となっている。   As can be seen by comparing FIG. 2 and FIG. 5, the hybrid signal generation unit 40 includes a phase difference information detection unit 41 in place of the amplitude information detection unit 31. 30. In other words, the hybrid signal generation unit 40 is configured by replacing the amplitude information detection unit 31 of the hybrid signal generation unit 30 of the first embodiment with a phase difference information detection unit 41.

信号発生器34は、カンチレバー12をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させる加振信号を生成し、これを加振部14に出力する。信号発生器34はまた、加振信号に同期した同期信号を位相差情報検出部41と位相差情報検出部32に出力する。この同期信号は、加振信号と同一の周波数で同位相のたとえば方形波信号(ロジック信号)で構成され得る。   The signal generator 34 generates an excitation signal that causes the cantilever 12 to vibrate with a predetermined amplitude at a frequency near its mechanical resonance frequency, and outputs this to the excitation unit 14. The signal generator 34 also outputs a synchronization signal synchronized with the excitation signal to the phase difference information detection unit 41 and the phase difference information detection unit 32. This synchronization signal can be composed of, for example, a square wave signal (logic signal) having the same frequency and the same phase as the excitation signal.

位相差情報検出部41は、変位検出部15から供給されるカンチレバー12の変位信号と信号発生器34から供給される同期信号の位相差の情報を含む第一の位相信号を生成して出力する。   The phase difference information detection unit 41 generates and outputs a first phase signal including information on the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 supplied from the displacement detection unit 15 and the synchronization signal supplied from the signal generator 34. .

位相差情報検出部41は、信号発生器34から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部42を備えている。位相調整部42は、信号発生器34から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部42は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部41は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を出力する。   The phase difference information detection unit 41 includes a phase adjustment unit 42 that can adjust the phase of the synchronization signal supplied from the signal generator 34. The phase adjustment unit 42 can give a desired phase offset to the phase of the synchronization signal supplied from the signal generator 34. Therefore, the phase adjustment unit 42 can give a desired phase offset to the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal. The phase difference information detection unit 41 outputs a phase signal including information on the phase difference between the synchronization signal given the phase offset and the displacement signal.

位相差情報検出部32は、変位検出部15から供給されるカンチレバー12の変位信号と信号発生器34から供給される同期信号の位相差の情報を含む第二の位相信号を生成して出力する。   The phase difference information detection unit 32 generates and outputs a second phase signal including information on the phase difference between the displacement signal of the cantilever 12 supplied from the displacement detection unit 15 and the synchronization signal supplied from the signal generator 34. .

位相差情報検出部32は、信号発生器34から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部33を備えている。位相調整部33は、信号発生器34から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部33は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部32は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を出力する。   The phase difference information detection unit 32 includes a phase adjustment unit 33 that can adjust the phase of the synchronization signal supplied from the signal generator 34. The phase adjustment unit 33 can give a desired phase offset to the phase of the synchronization signal supplied from the signal generator 34. Therefore, the phase adjustment unit 33 can give a desired phase offset to the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal. The phase difference information detection unit 32 outputs a phase signal including information on the phase difference between the synchronization signal given the phase offset and the displacement signal.

ここで、同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。また、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。   Here, since the frequency and the phase of the synchronization signal and the excitation signal are the same, the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal is equivalent to the phase difference between the displacement signal and the excitation signal. Further, the phase difference between the synchronization signal to which the phase offset is given and the displacement signal is equivalent to the phase difference given to the phase difference between the displacement signal and the synchronization signal.

振幅信号ゲイン調整部36は、位相差情報検出部41から出力される位相信号を増幅率Gで増幅し、その結果を第一の位相信号として出力する。 Amplitude signal gain adjustment section 36 amplifies the phase signal output from the phase difference information detection unit 41 by the amplification factor G A, and outputs the result as the first phase signal.

位相信号ゲイン調整部37は、位相差情報検出部32から出力される位相信号を増幅率Gφで増幅し、その結果を第二の位相信号として出力する。 The phase signal gain adjustment unit 37 amplifies the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 with an amplification factor , and outputs the result as a second phase signal.

演算部35は、振幅信号ゲイン調整部36から供給される第一の位相信号と位相信号ゲイン調整部37から供給される第二の位相信号を加算処理し、これを混成信号として出力する。   The computing unit 35 adds the first phase signal supplied from the amplitude signal gain adjusting unit 36 and the second phase signal supplied from the phase signal gain adjusting unit 37, and outputs this as a hybrid signal.

ここで混成信号生成部40の信号処理について詳細に説明する。   Here, the signal processing of the hybrid signal generation unit 40 will be described in detail.

加振信号をAsinωtとおく。ここで、Aは、加振信号の振幅、ωは、加振信号の角振動数、tは時間である。ωは、カンチレバー12の共振周波数をfとすると、2π・fとほぼ等しい値をもつ。 Let the vibration signal be A 0 sin ω 0 t. Here, A 0 is the amplitude of the vibration signal, ω 0 is the angular frequency of the vibration signal, and t is time. ω 0 has a value approximately equal to 2π · f 0 where the resonance frequency of the cantilever 12 is f 0 .

同期信号は、加振信号と同一の周波数(すなわち角振動数ω)で同位相のたとえば方形波信号とする。 The synchronization signal is, for example, a square wave signal having the same frequency (that is, angular frequency ω 0 ) and the same phase as the excitation signal.

カンチレバー12の変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とおく。ここで、Aは、変位信号の振幅、φは、プローブ11と試料19が接触していないときの変位信号の位相の初期値、φは、プローブ11と試料19が接触したことに起因して発生する変位信号の位相シフト量である。プローブ11と試料19が接触していないとき、φは0である。Aとφが、検出の対象である。 The displacement signal of the cantilever 12 is set as Asin (ω 0 t + φ 0 + φ). Here, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial value of the phase of the displacement signal when the probe 11 and the sample 19 are not in contact, and φ is due to the contact between the probe 11 and the sample 19. Phase shift amount of the displacement signal generated by the When the probe 11 and the sample 19 are not in contact, φ is zero. A and φ are detection targets.

位相調整部42は、信号発生器34から出力される同期信号の位相に位相オフセット(+ψ)を与える。すなわち、位相調整部42は、同期信号の位相を(+ψ)だけシフトさせる。位相差情報検出部32は、カンチレバー12の変位信号Asin(ωt+φ+φ)と位相オフセット(+ψ)が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Acos(φ+φ−ψ)を生成して出力する。 The phase adjustment unit 42 gives a phase offset (+ ψ 1 ) to the phase of the synchronization signal output from the signal generator 34. That is, the phase adjustment unit 42 shifts the phase of the synchronization signal by (+ ψ 1 ). The phase difference information detection unit 32 includes a phase signal Acos (φ 0 + φ− that includes information on the phase difference between the displacement signal Asin (ω 0 t + φ 0 + φ) of the cantilever 12 and the synchronization signal to which the phase offset (+ ψ 1 ) is given. ψ 1 ) is generated and output.

好ましくは、位相調整部42は、同期信号の位相を(+φ)だけシフトさせる。すなわち、ψ=φである。この場合、位相差情報検出部41から出力される位相信号は、Acos(φ+φ−φ)=Acosφとなる。 Preferably, the phase adjustment unit 42 shifts the phase of the synchronization signal by (+ φ 0 ). That is, ψ 1 = φ 0 . In this case, the phase signal output from the phase difference information detection unit 41 is Acos (φ 0 + φ−φ 0 ) = A cos φ.

位相調整部33は、信号発生器34から出力される同期信号の位相に位相オフセット(+ψ)を与える。すなわち、位相調整部33は、同期信号の位相を(+ψ)だけシフトさせる。位相差情報検出部32は、カンチレバー12の変位信号Asin(ωt+φ+φ)と位相オフセット(+ψ)が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Acos(φ+φ−ψ)を生成して出力する。 The phase adjustment unit 33 gives a phase offset (+ ψ 2 ) to the phase of the synchronization signal output from the signal generator 34. That is, the phase adjustment unit 33 shifts the phase of the synchronization signal by (+ ψ 2 ). The phase difference information detection unit 32 includes a phase signal Acos (φ 0 + φ− including the information on the phase difference between the displacement signal Asin (ω 0 t + φ 0 + φ) of the cantilever 12 and the synchronization signal to which the phase offset (+ ψ 2 ) is given. ψ 2 ) is generated and output.

好ましくは、位相調整部33は、同期信号の位相を(φ−π/2)だけシフトさせる。すなわち、ψ=φ−π/2である。この場合、位相差情報検出部32から出力される位相信号は、Acos{φ+φ−(φ−π/2)}=−Asinφとなる。 Preferably, the phase adjustment unit 33 shifts the phase of the synchronization signal by (φ 0 −π / 2). That is, ψ 2 = φ 0 -π / 2. In this case, the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 is Acos {φ 0 + φ− (φ 0 −π / 2)} = − A sin φ.

図6は、Acosφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、Acosφは、φ=0において、位相シフト量φの変化に対して一番鈍感(低感度)である。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between A cos φ and φ. As can be seen from this graph, A cos φ is the least insensitive (low sensitivity) to the change in the phase shift amount φ when φ = 0.

図7は、−Asinφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Asinφは、φ=0において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感(高感度)であり、0から位相が進むにつれて減少する。つまり、位相信号(−Asinφ)は、振幅信号の変化の方向と同様に、試料19とプローブ11の間に働く斥力が大きくなるにつれて減少する。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between -Asin φ and φ. As can be seen from this graph, −A sin φ is most sensitive (high sensitivity) to a change in the phase shift amount φ when φ = 0, and decreases as the phase advances from zero. That is, the phase signal (−Asinφ) decreases as the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 increases, similarly to the direction of change of the amplitude signal.

振幅信号ゲイン調整部36は、位相差情報検出部41から出力される位相信号AcosφをゲインGで増幅し、第一の位相信号として、GAcosφを出力する。 Amplitude signal gain adjustment unit 36, a phase signal Acosfai outputted from the phase difference information detection section 41 amplifies by the gain G A, as a first phase signal, and outputs a G A Acosφ.

位相信号ゲイン調整部37は、位相差情報検出部32から出力される位相信号(−Asinφ)をゲインGφで増幅し、第二の位相信号として、−GφAsinφを出力する。 Phase signal gain adjustment section 37, the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 (-Asinφ) amplified by the gain G phi, as a second phase signal, and outputs the -G φ Asinφ.

演算部35は、第一の位相信号GAcosφと第二の位相信号(−GφAsinφ)を加算処理し、混成信号として、A(Gcosφ−Gφsinφ)を出力する。 The arithmetic unit 35 adds the first phase signal G A Acos φ and the second phase signal (−G φ A sin φ) and outputs A (GA cos φ −G φ sin φ) as a hybrid signal.

振幅信号ゲイン調整部36によるゲインGと位相信号ゲイン調整部37によるゲインGφは、それぞれ、第一の位相信号Acosφと第二の位相信号(−Asinφ)の混成比を調整するものであり、測定部分の硬さ(柔らかさ)に応じて変更し得る。ゲインGとゲインGφの基本状態はともに1であり、つまり混成比は1:1である。 The gain G phi by the amplitude signal gain adjustment section 36 by the gain G A and the phase signal gain adjusting unit 37, respectively, which adjusts the hybrid ratio of the first phase signal Acosφ and the second phase signal (-Asinφ) It can be changed according to the hardness (softness) of the measurement part. Basic state of the gain G A and the gain G phi are both 1, i.e. the hybrid ratio is 1: 1.

こうすることで、測定対象が硬い場合、すなわち振幅の変化が位相シフト量φよりも大きい場合の信号の変化量は、Acosφ>−Asinφとなり、Acosφの信号が支配的に働く。またφの変化が小さい場合はcosφ≒1とおけることから、Acosφ≒A、すなわち位相信号Acosφはほぼ振幅信号Aと同じと見なすことができる。   By doing this, when the measurement object is hard, that is, when the amplitude change is larger than the phase shift amount φ, the signal change amount becomes A cos φ> −A sin φ, and the signal of A cos φ works dominantly. When the change of φ is small, cos φ≈1 can be set, so that Acos φ≈A, that is, the phase signal Acos φ can be regarded as substantially the same as the amplitude signal A.

また、測定対象が柔らかい場合、すなわち振幅の変化よりも位相シフト量φが大きい場合の信号の変化量は、−Asinφ>Acosφとなり、−Asinφの信号が支配的に働く。このときφの変化が大きいので、Acosφの変化も第一実施形態(Aだけの場合)よりも大きくなる。   Further, when the measurement target is soft, that is, when the phase shift amount φ is larger than the change in amplitude, the change amount of the signal is −A sin φ> A cos φ, and the signal of −A sin φ works dominantly. At this time, since the change in φ is large, the change in Acos φ is also larger than in the first embodiment (in the case of only A).

さらに硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が硬い部分が支配的であるなら、第一の位相信号Acosφの比率を大きくする。たとえば、第一の位相信号Acosφと第二の位相信号(−Asinφ)の混成比を3:1にする。すなわちゲインGとゲインGφをそれぞれ1.5と0.5する。また、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が柔らかい部分が支配的であるなら、第二の位相信号(−Asinφ)の比率を大きくする。たとえば、第一の位相信号Acosφと第二の位相信号(−Asinφ)の混成比を1:3にする。すなわちゲインGとゲインGφをそれぞれ0.5と1.5する。ゲインGとゲインGφは、それぞれ0〜2の範囲で調整できることが望ましい。 Furthermore, if the measurement part of the sample in which the hard part and the soft part are mixed is dominant, the ratio of the first phase signal A cos φ is increased. For example, the hybrid ratio of the first phase signal Acosφ and the second phase signal (−Asinφ) is set to 3: 1. That gain G A and the gain G phi 1.5 respectively to 0.5. Further, if the measurement portion of the sample in which the hard portion and the soft portion are mixed is dominant, the ratio of the second phase signal (−Asinφ) is increased. For example, the hybrid ratio of the first phase signal Acosφ and the second phase signal (−Asinφ) is set to 1: 3. That 1.5 and gain G A and the gain G phi 0.5 respectively. The gain G A and the gain G phi, it is desirable to be able to adjust the ranges of 0-2.

演算部35から出力された混成信号は、図1に示すように、コントローラ25内のZ制御部26に供給される。Z制御部26は、混成信号を一定に保つように試料19とプローブ11の間の距離を制御するZ制御信号を生成し、これをZドライバ23に供給する。Zドライバ23は、供給されるZ制御信号にしたがってZスキャナ21を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料19とプローブ11の間の距離が制御される。   The hybrid signal output from the calculation unit 35 is supplied to the Z control unit 26 in the controller 25 as shown in FIG. The Z control unit 26 generates a Z control signal for controlling the distance between the sample 19 and the probe 11 so as to keep the hybrid signal constant, and supplies this to the Z driver 23. The Z driver 23 controls the Z scanner 21 according to the supplied Z control signal. As a result, the distance between the sample 19 and the probe 11 is controlled so as to keep the hybrid signal constant.

コントローラ25は、試料19の表面に沿ってプローブ11を二次元的に走査するXY走査信号を生成し、これをXYドライバ24に供給する。XYドライバ24は、供給されるXY走査信号にしたがってXYスキャナ22を制御する。その結果、試料19の表面に沿ってプローブ11が二次元的に走査する。   The controller 25 generates an XY scanning signal for two-dimensionally scanning the probe 11 along the surface of the sample 19 and supplies this to the XY driver 24. The XY driver 24 controls the XY scanner 22 in accordance with the supplied XY scanning signal. As a result, the probe 11 scans two-dimensionally along the surface of the sample 19.

コントローラ25はまた、XY走査信号とZ制御信号をホストコンピュータ27に供給する。ホストコンピュータ27は、XY走査信号とZ制御信号を用いて試料19の表面の画像を形成し、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。   The controller 25 also supplies an XY scanning signal and a Z control signal to the host computer 27. The host computer 27 forms an image of the surface of the sample 19 using the XY scanning signal and the Z control signal, displays the image, and stores the image data.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料19とプローブ11の間に働く斥力を混成信号A(Gcosφ−Gφsinφ)として検出し、それに基づいて試料19とプローブ11の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には、AcosφはほぼAと見なせるので、第一の位相信号GAcosφが大きく変化する。その結果、硬い部分については、第一実施形態と同程度の感度で試料19とプローブ11の間に働く斥力を検出することができる。また測定部分が柔らかい場合には、第二の位相信号(−GφAsinφ)が大きく変化するとともに第一の位相信号GAcosφも変化する。その結果、柔らかい部分については、第一実施形態よりも高感度で試料19とプローブ11の間に働く斥力を検出することができる。さらに測定部分の硬さ(柔らかさ)に応じて、第一の位相信号Acosφと第二の位相信号(−Asinφ)の混成比を調整できる。そうすることで、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料において、それらがどのように混在していても最適な検出状態を得ることができる。その結果、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定に測定することができる。 In scanning probe microscope of the present embodiment, the repulsive force acting between the sample 19 and probe 11 detects the mixed signal A (G A cosφ-G φ sinφ), the distance between the sample 19 and the probe 11 on the basis thereof To control. When the measurement portion is hard, Acos φ can be regarded as almost A, and therefore the first phase signal G A Acos φ changes greatly. As a result, for the hard part, the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 can be detected with the same sensitivity as the first embodiment. When the measurement portion is soft, the second phase signal (−G φ Asin φ ) changes greatly, and the first phase signal G A Acos φ also changes. As a result, for the soft part, the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 can be detected with higher sensitivity than in the first embodiment. Furthermore, the hybrid ratio of the first phase signal Acosφ and the second phase signal (-Asinφ) can be adjusted according to the hardness (softness) of the measurement portion. By doing so, in the sample in which the hard part and the soft part are mixed, an optimum detection state can be obtained no matter how they are mixed. As a result, the surface shape can be stably measured with high accuracy even for a sample in which a hard portion and a soft portion are mixed.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡でも、図4で示した第一実施形態の変形例と同様の変形が可能である。   The scanning probe microscope of this embodiment can be modified in the same manner as the modification of the first embodiment shown in FIG.

<第三実施形態>
図8は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。図8において、図1に示した第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図1に示した第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡との違いは、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号生成部30に代えて混成信号生成部50を備えており、振幅表示部51と位相表示部52をさらに備えている点である。
<Third embodiment>
FIG. 8 shows the configuration of the scanning probe microscope of the present embodiment. 8, members denoted by the same reference numerals as those of the scanning probe microscope according to the first embodiment shown in FIG. 1 are the same members, and detailed description thereof is omitted. The difference from the scanning probe microscope of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the scanning probe microscope of this embodiment includes a hybrid signal generator 50 instead of the hybrid signal generator 30, and an amplitude display unit. 51 and a phase display unit 52 are further provided.

図9は本実施形態の混成信号生成部50の構成を示している。図9において、図2に示した混成信号生成部30の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図9に示すように、混成信号生成部50は、振幅情報検出部31から出力される振幅信号Aと位相差情報検出部32から出力される位相信号(−Asinφ)を混成信号生成部50の外にそれぞれ出力するように構成されている。   FIG. 9 shows the configuration of the hybrid signal generator 50 of this embodiment. 9, members denoted by the same reference numerals as those of the hybrid signal generation unit 30 shown in FIG. 2 are the same members, and detailed description thereof is omitted. As shown in FIG. 9, the hybrid signal generation unit 50 uses the amplitude signal A output from the amplitude information detection unit 31 and the phase signal (−Asinφ) output from the phase difference information detection unit 32 to the hybrid signal generation unit 50. Each is configured to output to the outside.

混成信号生成部50から出力される振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)は、それぞれ、振幅表示部51と位相表示部52に供給される。振幅表示部51は、変位信号の振幅の情報を含む情報を表示する機能を有し、また位相表示部52は、変位信号の位相差の情報を含む情報を表示する機能を有している。つまり本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)がモニタできる構成になっている。その結果、試料の測定部分の硬さ(柔らかさ)の状態が判断しやすく、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比の調整を容易におこなえる。   The amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ) output from the hybrid signal generation unit 50 are supplied to the amplitude display unit 51 and the phase display unit 52, respectively. The amplitude display unit 51 has a function of displaying information including amplitude information of the displacement signal, and the phase display unit 52 has a function of displaying information including information of the phase difference of the displacement signal. That is, the scanning probe microscope of the present embodiment is configured to monitor the amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ). As a result, it is easy to determine the hardness (softness) state of the measurement part of the sample, and it is possible to easily adjust the hybrid ratio of the amplitude signal A and the phase signal (-Asinφ).

振幅表示部51と位相表示部52は、数値メータでもよいが、画像を表示できる画像モニタが望ましい。また、図8に示すように振幅表示部51と位相表示部52を個別に設けずに、図10に示すように、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)をコントローラ60に取り込み、ホストコンピュータ61に画像表示する構成としてもよい。   The amplitude display unit 51 and the phase display unit 52 may be numerical meters, but an image monitor capable of displaying an image is desirable. Further, as shown in FIG. 10, the amplitude signal A and the phase signal (−Asin φ) are taken into the controller 60 as shown in FIG. 10 without providing the amplitude display unit 51 and the phase display unit 52 individually as shown in FIG. It is good also as a structure which displays an image.

図11と12と13は、それぞれ、Z制御信号と振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)を画像表示した例を示している。図11は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡で得られた試料19の表面形状を示す画像である。濃いグレーの領域は高さが低く、白い領域が突出した形状になっている。以下の説明では、白い領域をと凸部と呼ぶ。図12は、図11の画像取得と同時に得られた振幅信号Aのプロット画像である。また図13は、図11の画像取得と同時に得られた位相信号(−Asinφ)のプロット画像である。   FIGS. 11, 12, and 13 show examples in which the Z control signal, the amplitude signal A, and the phase signal (−Asinφ) are displayed as images. FIG. 11 is an image showing the surface shape of the sample 19 obtained by the scanning probe microscope of the present embodiment. The dark gray area has a low height, and the white area protrudes. In the following description, the white area is called a convex part. FIG. 12 is a plot image of the amplitude signal A obtained simultaneously with the image acquisition of FIG. FIG. 13 is a plot image of the phase signal (−Asinφ) obtained simultaneously with the image acquisition of FIG.

図12の振幅信号Aのプロット画像は、試料の凸部が高く表示されている。これは、振幅信号Aの信号レベルが凸部で大きくなる現象を表している。一方、図13の位相信号(−Asinφ)のプロット画像は、試料の凸部が低く表示されている。これは、位相信号(−Asinφ)の信号レベルが凸部で小さくなる現象を表している。   In the plot image of the amplitude signal A in FIG. 12, the convex portion of the sample is displayed high. This represents a phenomenon in which the signal level of the amplitude signal A increases at the convex portion. On the other hand, in the plot image of the phase signal (−Asinφ) in FIG. 13, the convex portion of the sample is displayed low. This represents a phenomenon in which the signal level of the phase signal (−Asinφ) becomes small at the convex portion.

振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)は共に、試料19とプローブ11の間に作用する斥力が大きくなるにつれて減少する。試料19が硬い場合には、振幅信号Aの方が位相信号(−Asinφ)よりも感度が高くなる。つまり振幅信号Aの方が位相信号(−Asinφ)よりも減少率が大きくなる。また試料19が柔らかい場合には、位相信号(−Asinφ)の方が振幅信号Aよりも感度が高くなる。つまり位相信号(−Asinφ)の方が振幅信号Aよりも減少率が大きくなる。このことから、振幅信号Aの信号レベルが減少する領域は試料が硬く、また位相信号(−Asinφ)の信号レベルが減少する領域は試料が柔らかいことがわかる。したがって、図11の試料19の表面形状の画像においては、凸部が、濃いグレーの領域と比較して柔らかいと判断できる。   Both the amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ) decrease as the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 increases. When the sample 19 is hard, the amplitude signal A is more sensitive than the phase signal (-Asinφ). That is, the decrease rate of the amplitude signal A is larger than that of the phase signal (−Asinφ). When the sample 19 is soft, the phase signal (-Asinφ) is more sensitive than the amplitude signal A. That is, the decrease rate of the phase signal (−Asinφ) is larger than that of the amplitude signal A. From this, it can be seen that the sample is hard in the region where the signal level of the amplitude signal A is decreased, and the sample is soft in the region where the signal level of the phase signal (−Asinφ) is decreased. Therefore, in the image of the surface shape of the sample 19 in FIG. 11, it can be determined that the convex portion is softer than the dark gray region.

このように、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)を表示し、モニタすることで、試料の測定部分の硬さ(柔らかさ)の状態が判断しやすなり、その結果、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比の調整を容易におこなえる。   Thus, by displaying and monitoring the amplitude signal A and the phase signal (-Asinφ), it becomes easy to judge the hardness (softness) state of the measurement portion of the sample. As a result, the amplitude signal A and the phase are determined. The hybrid ratio of the signal (−Asinφ) can be easily adjusted.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、振幅信号と位相信号を加算処理した混成信号を一定に保つよう制御しているので、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)のどちらか一方が減少すれば、もう一方は増えることになる。したがって、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)のどちらか一方を表示するだけでも同様の効果を得ることができる。   In the scanning probe microscope of the present embodiment, control is performed so as to keep the mixed signal obtained by adding the amplitude signal and the phase signal constant, so if either the amplitude signal A or the phase signal (−Asinφ) decreases. The other will increase. Therefore, the same effect can be obtained by displaying only one of the amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ).

<第四実施形態>
図14は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。図14において、図1に示した第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号生成部30に代えて別の混成信号生成部70を備えている点において、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と相違している。
<Fourth embodiment>
FIG. 14 shows the configuration of the scanning probe microscope of the present embodiment. 14, members denoted by the same reference numerals as those of the scanning probe microscope of the first embodiment shown in FIG. 1 are the same members, and detailed description thereof is omitted. The scanning probe microscope of the present embodiment is different from the scanning probe microscope of the first embodiment in that another hybrid signal generation unit 70 is provided instead of the hybrid signal generation unit 30.

[混成信号生成部70の構成例1]
図15は、本実施形態の混成信号生成部70の一つの構成例を示している。図15において、図2に示した混成信号生成部30の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Configuration Example 1 of Hybrid Signal Generation Unit 70]
FIG. 15 shows one configuration example of the hybrid signal generation unit 70 of this embodiment. 15, members denoted by the same reference numerals as those of the hybrid signal generation unit 30 illustrated in FIG. 2 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図15に示すように、混成信号生成部70は、振幅情報検出部31と位相差情報検出部32と信号発生器34と複数たとえば三つの振幅信号増幅部71A,72A,73Aと複数たとえば三つの位相信号増幅部71B,72B,73Bと選択部74と演算部35を備えている。   As shown in FIG. 15, the hybrid signal generator 70 includes an amplitude information detector 31, a phase difference information detector 32, a signal generator 34, a plurality of, for example, three amplitude signal amplifiers 71A, 72A, 73A, and a plurality of, for example, three Phase signal amplifiers 71B, 72B, 73B, a selector 74, and an arithmetic unit 35 are provided.

振幅情報検出部31と位相差情報検出部32と信号発生器34と演算部35の詳細は第一実施形態で説明したとおりである。   Details of the amplitude information detection unit 31, the phase difference information detection unit 32, the signal generator 34, and the calculation unit 35 are as described in the first embodiment.

振幅信号増幅部71A,72A,73Aは、それぞれ、振幅情報検出部31から出力される振幅信号をゲインGA1,GA2,GA3で増幅して出力する。ゲインGA1,GA2,GA3は、予め設定された互いに異なる固定値である。 The amplitude signal amplifying units 71A, 72A and 73A amplify the amplitude signals output from the amplitude information detecting unit 31 with the gains G A1 , G A2 and G A3 , respectively. The gains G A1 , G A2 and G A3 are preset fixed values different from each other.

位相信号増幅部71B,72B,73Bは、それぞれ、位相差情報検出部32から出力される位相信号をゲインGφ1,Gφ2,Gφ3で増幅して出力する。ゲインGφ1,Gφ2,Gφ3は、予め設定された互いに異なる固定値である。 The phase signal amplifiers 71B, 72B, and 73B amplify the phase signals output from the phase difference information detector 32 with gains G φ1 , G φ2 , and G φ3 , respectively, and output them. The gains G φ1 , G φ2 and G φ3 are preset fixed values different from each other.

三つの振幅信号増幅部71A,72A,73Aと三つの位相信号増幅部71B,72B,73Bは、それぞれ、三つのペアを構成している。   The three amplitude signal amplifying units 71A, 72A, 73A and the three phase signal amplifying units 71B, 72B, 73B constitute three pairs, respectively.

選択部74は、コントローラ25から入力される選択信号にしたがって、ペアを構成する振幅信号増幅部71A,72A,73Aの一つと位相信号増幅部71B,72B,73Bの一つを選択するように構成されている。その結果、選択部74は、振幅信号増幅部71Aによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部71Bによって増幅された位相信号、振幅信号増幅部72Aによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部72Bによって増幅された位相信号、振幅信号増幅部73Aによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部73Bによって増幅された位相信号のいずれかをいちどきに出力する。   The selecting unit 74 is configured to select one of the amplitude signal amplifying units 71A, 72A, and 73A and one of the phase signal amplifying units 71B, 72B, and 73B constituting the pair according to a selection signal input from the controller 25. Has been. As a result, the selection unit 74 uses the amplitude signal amplified by the amplitude signal amplification unit 71A, the phase signal amplified by the phase signal amplification unit 71B, the amplitude signal amplified by the amplitude signal amplification unit 72A, and the phase signal amplification unit 72B. One of the amplified phase signal, the amplitude signal amplified by the amplitude signal amplifying unit 73A, and the phase signal amplified by the phase signal amplifying unit 73B is output at a time.

演算部35は、選択部74から出力される振幅信号と位相信号を加算処理し、その結果を混成信号として出力する。言い換えれば、演算部35は、選択部74によって選択された振幅信号増幅部71A,72A,73Aの一つから出力される振幅信号と、選択部74によって選択された位相信号増幅部71B,72B,73Bの一つから出力される位相信号を加算処理する。   The calculation unit 35 adds the amplitude signal and the phase signal output from the selection unit 74 and outputs the result as a hybrid signal. In other words, the calculation unit 35 includes the amplitude signal output from one of the amplitude signal amplification units 71A, 72A, 73A selected by the selection unit 74 and the phase signal amplification units 71B, 72B, 72B selected by the selection unit 74. The phase signal output from one of 73B is added.

混成信号生成部70は、演算部35から出力される信号を混成信号として出力する。   The hybrid signal generator 70 outputs the signal output from the calculator 35 as a hybrid signal.

[混成信号生成部70の構成例2]
図16は、本実施形態の混成信号生成部70の別の構成例を示している。図16において、図2に示した混成信号生成部30の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
[Configuration Example 2 of Hybrid Signal Generation Unit 70]
FIG. 16 shows another configuration example of the hybrid signal generation unit 70 of the present embodiment. 16, members denoted by the same reference numerals as the members of the hybrid signal generation unit 30 shown in FIG. 2 are the same members, and detailed description thereof is omitted.

図16に示すように、混成信号生成部70は、振幅情報検出部31と位相差情報検出部32と信号発生器34と複数たとえば三つの振幅信号増幅部71A,72A,73Aと複数たとえば三つの位相信号増幅部71B,72B,73Bと複数たとえば三つの演算部75,76,77と選択部78を備えている。   As shown in FIG. 16, the hybrid signal generation unit 70 includes an amplitude information detection unit 31, a phase difference information detection unit 32, a signal generator 34, a plurality of, for example, three amplitude signal amplification units 71A, 72A, 73A, and a plurality of, for example, three. Phase signal amplifiers 71B, 72B, 73B, a plurality of, for example, three arithmetic units 75, 76, 77, and a selector 78 are provided.

振幅情報検出部31と位相差情報検出部32と信号発生器34の詳細は第一実施形態で説明したとおりである。   Details of the amplitude information detector 31, the phase difference information detector 32, and the signal generator 34 are as described in the first embodiment.

振幅信号増幅部71A,72A,73Aは、それぞれ、振幅情報検出部31から出力される振幅信号をゲインGA1,GA2,GA3で増幅して出力する。ゲインGA1,GA2,GA3は、予め設定された互いに異なる固定値である。 The amplitude signal amplifying units 71A, 72A and 73A amplify the amplitude signals output from the amplitude information detecting unit 31 with the gains G A1 , G A2 and G A3 , respectively. The gains G A1 , G A2 and G A3 are preset fixed values different from each other.

位相信号増幅部71B,72B,73Bは、それぞれ、位相差情報検出部32から出力される位相信号をゲインGφ1,Gφ2,Gφ3で増幅して出力する。ゲインGφ1,Gφ2,Gφ3は、予め設定された互いに異なる固定値である。 The phase signal amplifiers 71B, 72B, and 73B amplify the phase signals output from the phase difference information detector 32 with gains G φ1 , G φ2 , and G φ3 , respectively, and output them. The gains G φ1 , G φ2 and G φ3 are preset fixed values different from each other.

さらに、ゲインGA1,GA2,GA3とゲインGφ1,Gφ2,Gφ3の比GA1/Gφ1,GA2/Gφ2,GA3/Gφ3は、一つが1よりも小さく、別の一つが1よりも大きく設定されている。 Further, the gain G A1, G A2, G A3 and gain G .phi.1, G .phi.2, the ratio G A1 / G .phi.1 of G φ3, G A2 / G φ2 , G A3 / G φ3 is, one is less than 1, different Is set to be larger than 1.

三つの振幅信号増幅部71A,72A,73Aと三つの位相信号増幅部71B,72B,73Bは、それぞれ、三つのペアを構成している。   The three amplitude signal amplifying units 71A, 72A, 73A and the three phase signal amplifying units 71B, 72B, 73B constitute three pairs, respectively.

演算部75は、振幅信号増幅部71Aによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部71Bによって増幅された位相信号を加算処理して出力する。演算部76は、振幅信号増幅部72Aによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部72Bによって増幅された位相信号を加算処理して出力する。演算部77は、振幅信号増幅部73Aによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部73Bによって増幅された位相信号を加算処理して出力する。   The computing unit 75 adds the amplitude signal amplified by the amplitude signal amplifying unit 71A and the phase signal amplified by the phase signal amplifying unit 71B and outputs the result. The calculation unit 76 adds the amplitude signal amplified by the amplitude signal amplification unit 72A and the phase signal amplified by the phase signal amplification unit 72B and outputs the result. The computing unit 77 adds the amplitude signal amplified by the amplitude signal amplifying unit 73A and the phase signal amplified by the phase signal amplifying unit 73B and outputs the result.

選択部78は、コントローラ25から入力される選択信号にしたがって、演算部75,76,77からそれぞれ出力される複数の信号の一つを選択して出力する。   The selection unit 78 selects and outputs one of a plurality of signals output from the calculation units 75, 76, and 77 according to the selection signal input from the controller 25.

混成信号生成部70は、選択部78から出力される信号を混成信号として出力する。   The hybrid signal generator 70 outputs the signal output from the selector 78 as a hybrid signal.

図15の構成例と図16の構成例のいずれにおいても、混成信号生成部70は、振幅信号と位相信号の両方をそれぞれ予め設定されたゲインGA1,GA2,GA3とゲインGφ1,Gφ2,Gφ3で増幅し、ゲインGA1,GA2,GA3の一つで増幅された振幅信号とゲインGφ1,Gφ2,Gφ3の一つで増幅された位相信号を加算処理するように構成されている。 In both the configuration example of FIG. 15 and the configuration example of FIG. 16, the hybrid signal generation unit 70 has gains G A1 , G A2 , G A3 and gains G φ1 , G .phi.2, amplified by G .phi.3, gain G A1, G A2, the amplitude signal and the gain G .phi.1 amplified by one G A3, G φ2, to addition processing one by amplified phase signal G .phi.3 It is configured as follows.

[混成信号生成部70の信号処理]
混成信号生成部70の信号処理の詳細は混成信号生成部30の信号処理と同様である。以下、簡単に説明する。
[Signal Processing of Hybrid Signal Generation Unit 70]
The details of the signal processing of the hybrid signal generator 70 are the same as the signal processing of the hybrid signal generator 30. A brief description is given below.

加振信号をAsinωtとおく。ここで、Aは、加振信号の振幅、ωは、加振信号の角振動数、tは時間である。同期信号は、加振信号と同一の周波数(すなわち角振動数ω)で同位相のたとえば方形波信号とする。 Let the vibration signal be A 0 sin ω 0 t. Here, A 0 is the amplitude of the vibration signal, ω 0 is the angular frequency of the vibration signal, and t is time. The synchronization signal is, for example, a square wave signal having the same frequency (that is, angular frequency ω 0 ) and the same phase as the excitation signal.

カンチレバー12の変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とおく。ここで、Aは、変位信号の振幅、φは、プローブ11と試料19が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ11と試料19が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。 The displacement signal of the cantilever 12 is set as Asin (ω 0 t + φ 0 + φ). Here, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe 11 and the sample 19 are not in contact, and φ is that the probe 11 and the sample 19 are in contact with each other. This is the phase difference of the displacement signal generated.

位相調整部33は、信号発生器34から出力される同期信号の位相に位相オフセット(+ψ)を与える。位相差情報検出部32は、カンチレバー12の変位信号Asin(ωt+φ+φ)と位相オフセット(+ψ)が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Acos(φ+φ−ψ)を生成して出力する。 The phase adjustment unit 33 gives a phase offset (+ ψ) to the phase of the synchronization signal output from the signal generator 34. The phase difference information detection unit 32 includes a phase signal Acos (φ 0 + φ−ψ including information on the phase difference between the displacement signal Asin (ω 0 t + φ 0 + φ) of the cantilever 12 and the synchronization signal given the phase offset (+ ψ). ) Is generated and output.

好ましくは、位相調整部33は、同期信号の位相を(φ−π/2)だけシフトさせる。すなわち、ψ=φ−π/2である。この場合、位相差情報検出部32から出力される位相信号は、Acos{φ+φ−(φ−π/2)}=−Asinφとなる。 Preferably, the phase adjustment unit 33 shifts the phase of the synchronization signal by (φ 0 −π / 2). That is, ψ = φ 0 −π / 2. In this case, the phase signal output from the phase difference information detection unit 32 is Acos {φ 0 + φ− (φ 0 −π / 2)} = − A sin φ.

振幅情報検出部31は、カンチレバー12の変位信号Asin(ωt+φ+φ)の振幅Aを検出し、その振幅を表す振幅信号Aを出力する。 The amplitude information detector 31 detects the amplitude A of the displacement signal Asin (ω 0 t + φ 0 + φ) of the cantilever 12 and outputs an amplitude signal A representing the amplitude.

振幅信号増幅部71A,72A,73Aは、それぞれ、振幅情報検出部31から出力される振幅信号をゲインGA1,GA2,GA3で増幅し、振幅信号として、GA1A,GA2A,GA3Aを出力する。 The amplitude signal amplifying units 71A, 72A, 73A amplify the amplitude signal output from the amplitude information detecting unit 31 with gains G A1 , G A2 , G A3 , respectively, and G A1 A, G A2 A, G A3 A is output.

位相信号増幅部71B,72B,73Bは、それぞれ、位相差情報検出部32から出力される位相信号をゲインGφ1,Gφ2,Gφ3で増幅し、位相信号として、−Gφ1Asinφ,−Gφ2Asinφ,−Gφ3Asinφを出力する。 The phase signal amplifiers 71B, 72B, and 73B amplify the phase signals output from the phase difference information detector 32 with gains G φ1 , G φ2 , and G φ3 , respectively, and −G φ1 Asin φ , −G as phase signals. φ2 Asinφ, -G φ3 Asinφ are output.

振幅信号増幅部71A,72A,73AのゲインGA1,GA2,GA3と位相信号増幅部71B,72B,73Bの位相信号をゲインGφ1,Gφ2,Gφ3は、それぞれ、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の三つの混成比を定めている。さらに、混成比をGA1/Gφ1,GA2/Gφ2,GA3/Gφ3をしたとき、混成比の一つは1よりも小さく、別の一つは1よりも大きい。 The gains G A1 , G A2 , and G A3 of the amplitude signal amplifying units 71A, 72A, and 73A and the phase signals of the phase signal amplifying units 71B, 72B, and 73B are the gains G φ1 , G φ2 , and G φ3 , respectively. Three hybrid ratios of the phase signal (−Asinφ) are defined. Further, the hybrid ratio G A1 / G φ1, G A2 / G φ2, when the G A3 / G φ3, one hybrid ratio is less than 1, different one is greater than 1.

混成信号生成部70は、選択部74と演算部35によって、または、演算部75,76,77と選択部78によって、A(GA1−Gφ1sinφ),A(GA2−Gφ2sinφ),A(GA3−Gφ3sinφ)のいずれかひとつを混成信号として出力する。言い換えれば、混成信号生成部70は、予め設定された三つの混成比の一つで振幅信号と位相信号を混成するように構成されている。 Mixed signal generation unit 70 by the selection unit 74 and the arithmetic unit 35, or by the selection unit 78 and the arithmetic unit 75,76,77, A (G A1 -G φ1 sinφ), A (G A2 -G φ2 sinφ) , A (G A3 -G φ3 sin φ) is output as a hybrid signal. In other words, the hybrid signal generator 70 is configured to hybridize the amplitude signal and the phase signal at one of three preset hybrid ratios.

振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比は、測定部分の硬さ(柔らかさ)に応じて選択される。言い換えれば、混成信号生成部70から出力される混成信号が切り替えられる。硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が硬い部分が支配的であるなら、振幅信号Aの比率の大きい混成比で振幅信号と位相信号を混成させる選択信号を混成信号生成部70に送る。また、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が柔らかい部分が支配的であるなら、位相信号(−Asinφ)の比率の大きい混成比で振幅信号と位相信号を混成させる選択信号を混成信号生成部70に送る。   The hybrid ratio of the amplitude signal A and the phase signal (-Asinφ) is selected according to the hardness (softness) of the measurement part. In other words, the hybrid signal output from the hybrid signal generation unit 70 is switched. If the measurement portion of the sample in which the hard portion and the soft portion are mixed is dominant, the selection signal for mixing the amplitude signal and the phase signal with a high ratio of the amplitude signal A is sent to the hybrid signal generation unit 70. . Moreover, if the measurement part of the sample in which the hard part and the soft part are mixed is dominant, the selection signal that hybridizes the amplitude signal and the phase signal with a high ratio of the phase signal (−Asinφ) is mixed signal. The data is sent to the generation unit 70.

混成信号生成部70から出力された混成信号は、図14に示すように、混成信号ゲイン調整部28を介して、コントローラ25内のZ制御部26に供給される。Z制御部26は、混成信号を一定に保つように試料19とプローブ11の間の距離を制御するZ制御信号をZドライバ23に供給する。Zドライバ23は、供給されるZ制御信号にしたがってZスキャナ21を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料19とプローブ11の間の距離が制御される。   The hybrid signal output from the hybrid signal generator 70 is supplied to the Z controller 26 in the controller 25 via the hybrid signal gain adjuster 28 as shown in FIG. The Z control unit 26 supplies a Z control signal for controlling the distance between the sample 19 and the probe 11 to the Z driver 23 so as to keep the hybrid signal constant. The Z driver 23 controls the Z scanner 21 according to the supplied Z control signal. As a result, the distance between the sample 19 and the probe 11 is controlled so as to keep the hybrid signal constant.

コントローラ25は、試料19の表面に沿ってプローブ11を二次元的に走査するXY走査信号をXYドライバ24に供給する。XYドライバ24は、供給されるXY走査信号にしたがってXYスキャナ22を制御する。その結果、試料19の表面に沿ってプローブ11が二次元的に走査する。   The controller 25 supplies the XY driver 24 with an XY scan signal for two-dimensionally scanning the probe 11 along the surface of the sample 19. The XY driver 24 controls the XY scanner 22 in accordance with the supplied XY scanning signal. As a result, the probe 11 scans two-dimensionally along the surface of the sample 19.

コントローラ25はまた、XY走査信号とZ制御信号をホストコンピュータ27に供給する。ホストコンピュータ27は、XY走査信号とZ制御信号を用いて試料19の表面の画像を形成し、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。   The controller 25 also supplies an XY scanning signal and a Z control signal to the host computer 27. The host computer 27 forms an image of the surface of the sample 19 using the XY scanning signal and the Z control signal, displays the image, and stores the image data.

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料19とプローブ11の間に働く斥力を混成信号A(G−GΦsinφ)として検出し、それに基づいて試料19とプローブ11の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には振幅信号Aが大きく変化する。つまり測定部分が硬い場合には振幅信号GAが大きく変化する。また測定部分が柔らかい場合には位相信号(−Asinφ)が大きく変化する。つまり測定部分が柔らかい場合には位相信号(−GΦAsinφ)が大きく変化する。このため、試料19に硬い部分と柔らかい部分が混在していても、それら両方に対して試料19とプローブ11の間に働く斥力を高感度に検出することができる。さらに、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を、予め設定された複数の混成比の間で変更し得る。測定部分の硬さ(柔らかさ)に応じて、振幅信号Aと位相信号(−Asinφ)の混成比を変更することによって、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料において、それらがどのように混在していても最適な検出状態を得ることができる。その結果、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定に測定することができる。 In scanning probe microscope of the present embodiment, the repulsive force acting between the sample 19 and probe 11 detects the mixed signal A (G A -G Φ sinφ) , the distance between the sample 19 and the probe 11 on the basis thereof Control. When the measurement part is hard, the amplitude signal A changes greatly. That is, when the measurement portion is hard, the amplitude signal G A A greatly changes. When the measurement part is soft, the phase signal (-Asinφ) changes greatly. That phase signal (-G Φ Asinφ) largely changes when the measurement portion is soft. For this reason, even if a hard part and a soft part are mixed in the sample 19, the repulsive force acting between the sample 19 and the probe 11 can be detected with high sensitivity. Furthermore, the hybrid ratio of the amplitude signal A and the phase signal (−Asinφ) can be changed between a plurality of preset hybrid ratios. By changing the mixing ratio of the amplitude signal A and phase signal (-Asinφ) according to the hardness (softness) of the measurement part, how the hard part and the soft part are mixed is mixed. Even if it is, the optimal detection state can be obtained. As a result, the surface shape can be stably measured with high accuracy even for a sample in which a hard portion and a soft portion are mixed.

これまでの説明では、混成信号生成部70は、振幅信号と位相信号の両方をそれぞれ予め設定されたゲインGA1,GA2,GA3とゲインGφ1,Gφ2,Gφ3で増幅し、ゲインGA1,GA2,GA3の一つで増幅された振幅信号とゲインGφ1,Gφ2,Gφ3の一つで増幅された位相信号を加算処理するように構成されているが、図4で示した第一実施形態の変形例と同様の変形が可能である。すなわち、振幅信号増幅部71A,72A,73Aと位相信号増幅部71B,72B,73Bのいずれか一方のゲインを1に固定する変形や、振幅信号増幅部71A,72A,73Aと位相信号増幅部71B,72B,73Bのいずれか一方を省略する変形も可能である。言い換えれば、混成信号生成部70は、振幅信号と位相信号の一方を予め設定された複数のゲインでそれぞれ増幅し、これらのゲインの一つで増幅された振幅信号と位相信号の一方と、振幅信号と位相信号の他方を加算処理するように構成されてもよい。このような変形においては、必要に応じて、フィードバックループのゲインを混成信号ゲイン調整部28によって調整(補正)するとよい。   In the description so far, the hybrid signal generation unit 70 amplifies both the amplitude signal and the phase signal with the preset gains GA1, GA2, and GA3 and the gains Gφ1, Gφ2, and Gφ3, and the gains GA1, GA2, and GA3. The amplitude signal amplified by one and the phase signal amplified by one of the gains Gφ1, Gφ2, and Gφ3 are added, but similar to the modification of the first embodiment shown in FIG. Can be modified. That is, a modification in which the gain of any one of the amplitude signal amplification units 71A, 72A, 73A and the phase signal amplification units 71B, 72B, 73B is fixed to 1, or the amplitude signal amplification units 71A, 72A, 73A and the phase signal amplification unit 71B. , 72B, and 73B may be omitted. In other words, the hybrid signal generation unit 70 amplifies one of the amplitude signal and the phase signal with a plurality of preset gains, and one of the amplitude signal and the phase signal amplified with one of these gains. The other of the signal and the phase signal may be added. In such a modification, the gain of the feedback loop may be adjusted (corrected) by the hybrid signal gain adjusting unit 28 as necessary.

また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態と同様に、混成信号生成部70から出力される振幅信号を表示する振幅表示部と、混成信号生成部70から出力される位相信号を表示する位相表示部を備えるように変形されてもよい。   In addition, the scanning probe microscope of the present embodiment is similar to the third embodiment in that the amplitude display unit displays the amplitude signal output from the hybrid signal generation unit 70 and the phase signal output from the hybrid signal generation unit 70. It may be modified so as to include a phase display unit for displaying.

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含み得る。また本発明は、実施形態で説明された構成に関連する装置や実施形態で説明された動作に関連する方法を含み得る。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good. Various modifications and changes described here may include implementations in which the above-described embodiments are appropriately combined. In addition, the present invention may include a device related to the configuration described in the embodiment and a method related to the operation described in the embodiment.

11…プローブ、12…カンチレバー、13…ホルダ、14…加振部、15…変位検出部、16…レーザ光源、17…分割ディテクタ、18…演算アンプ、19…試料、20…走査部、21…Zスキャナ、22…XYスキャナ、23…Zドライバ、24…XYドライバ、25…コントローラ、26…Z制御部、27…ホストコンピュータ、28…混成信号ゲイン調整部、30…混成信号生成部、31…振幅情報検出部、32…位相差情報検出部、33…位相調整部、34…信号発生器、35…演算部、36…振幅信号ゲイン調整部、37…位相信号ゲイン調整部、40…混成信号生成部、41…位相差情報検出部、42…位相調整部、50…混成信号生成部、51…振幅表示部、52…位相表示部、60…コントローラ、61…ホストコンピュータ、70…混成信号生成部、71A…振幅信号増幅部、71B…位相信号増幅部、72A…振幅信号増幅部、72B…位相信号増幅部、73A…振幅信号増幅部、73B…位相信号増幅部、74…選択部、75…演算部、76…演算部、77…演算部、78…選択部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Probe, 12 ... Cantilever, 13 ... Holder, 14 ... Excitation part, 15 ... Displacement detection part, 16 ... Laser light source, 17 ... Divided detector, 18 ... Operation amplifier, 19 ... Sample, 20 ... Scanning part, 21 ... Z scanner, 22 ... XY scanner, 23 ... Z driver, 24 ... XY driver, 25 ... Controller, 26 ... Z control unit, 27 ... Host computer, 28 ... Hybrid signal gain adjustment unit, 30 ... Hybrid signal generation unit, 31 ... Amplitude information detection unit, 32 ... phase difference information detection unit, 33 ... phase adjustment unit, 34 ... signal generator, 35 ... calculation unit, 36 ... amplitude signal gain adjustment unit, 37 ... phase signal gain adjustment unit, 40 ... hybrid signal Generation unit 41 ... Phase difference information detection unit 42 ... Phase adjustment unit 50 ... Hybrid signal generation unit 51 ... Amplitude display unit 52 ... Phase display unit 60 ... Controller 61 ... Host compilation 70 ... hybrid signal generation unit, 71A ... amplitude signal amplification unit, 71B ... phase signal amplification unit, 72A ... amplitude signal amplification unit, 72B ... phase signal amplification unit, 73A ... amplitude signal amplification unit, 73B ... phase signal amplification Part, 74 ... selection part, 75 ... calculation part, 76 ... calculation part, 77 ... calculation part, 78 ... selection part.

Claims (27)

自由端にプローブをもつカンチレバーと、
前記プローブと試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、
加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、
前記カンチレバーの変位を検出して前記変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、
前記変位信号の振幅情報を検出して前記振幅情報を含む振幅信号を出力する振幅情報検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差情報を検出して前記位相差情報を含む位相信号を出力する位相差情報検出部を含み、前記振幅信号と前記位相信号の混成信号を生成する混成信号生成部と、
前記混成信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する制御部とを備えており、
前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の混成比を調整し得るように構成されている、走査型プローブ顕微鏡。
A cantilever with a probe at the free end;
A scanning unit that relatively moves the probe and the sample three-dimensionally;
An excitation unit that vibrates the cantilever based on an excitation signal;
A displacement detector that detects the displacement of the cantilever and outputs a displacement signal representing the displacement;
An amplitude information detector that detects amplitude information of the displacement signal and outputs an amplitude signal including the amplitude information, and a phase signal that detects phase difference information between the excitation signal and the displacement signal and includes the phase difference information A phase difference information detection unit that outputs a mixed signal generation unit that generates a mixed signal of the amplitude signal and the phase signal;
A control unit for controlling the distance between the probe and the sample based on the hybrid signal;
The scanning probe microscope is configured such that the hybrid signal generator is capable of adjusting a hybrid ratio between the amplitude signal and the phase signal.
前記混成信号生成部は、前記振幅信号のゲインと前記位相信号のゲインをそれぞれ独立に調整し得るように構成されている、請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the hybrid signal generation unit is configured to independently adjust a gain of the amplitude signal and a gain of the phase signal. 前記混成信号生成部は、前記振幅信号のゲインを調整し得る振幅信号ゲイン調整部と、前記位相信号のゲインを調整し得る位相信号ゲイン調整部と、前記振幅信号ゲイン調整部から出力される前記振幅信号と前記位相信号ゲイン調整部から出力される前記位相信号を加算処理する演算部とを有している、請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The hybrid signal generation unit is output from the amplitude signal gain adjustment unit that can adjust the gain of the amplitude signal, the phase signal gain adjustment unit that can adjust the gain of the phase signal, and the amplitude signal gain adjustment unit. The scanning probe microscope according to claim 2, further comprising: an arithmetic unit that adds the amplitude signal and the phase signal output from the phase signal gain adjustment unit. 前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部を備えており、
前記加振信号をAsinωt、前記変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とし、ここで、Aは、前記加振信号の振幅、ωは、前記加振信号の角振動数、tは時間、Aは、前記変位信号の振幅、φは、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記振幅信号ゲイン調整部のゲインをG、前記位相信号ゲイン調整部のゲインをGΦ、前記位相オフセットを(−ψ)としたとき、
前記振幅信号ゲイン調整部は、前記振幅信号として、GAを出力し、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、GΦAcos(φ+φ−ψ)を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(G+GΦcos(φ+φ−ψ))を生成して出力する、請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The phase difference information detection unit includes a phase adjustment unit that gives a phase offset to a phase difference between the excitation signal and the displacement signal,
Wherein the excitation signal A 0 sinω 0 t, the displacement signal and Asin (ω 0 t + φ 0 + φ), wherein, A 0 represents one of the aforementioned excitation signal amplitude, omega 0 is the angular frequency of the excitation signal Number, t is time, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe and the sample are not in contact, and φ is the difference between the probe and the sample A phase shift amount of the displacement signal generated due to contact, a gain of the amplitude signal gain adjustment unit is G A , a gain of the phase signal gain adjustment unit is G Φ , and the phase offset is ( −ψ),
The amplitude signal gain adjustment unit outputs G A A as the amplitude signal, the phase signal gain adjustment unit outputs G Φ Acos (φ 0 + φ−ψ) as the phase signal, and the arithmetic unit The scanning probe microscope according to claim 3, which generates and outputs A (G A + G Φ cos (φ 0 + φ−ψ)) as the hybrid signal.
前記位相オフセット(−ψ)は(π/2−φ)であり、すなわちψ=φ−π/2であり、したがって、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、−GΦAsinφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(G−GΦsinφ)を出力する、請求項4に記載の走査型プローブ顕微鏡。 Wherein the phase offset (-ψ) is (π / 2-φ 0) , i.e., ψ = φ 0 -π / 2, therefore, the phase signal gain adjustment section stores, as the phase signal, -G Φ Asinφ outputs, the computing unit, as the mixed signal, a (G a -G Φ sinφ ) for outputting a scanning probe microscope according to claim 4. 前記振幅情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第一の位相オフセットを与える第一の位相調整部を備え、
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第二の位相オフセットを与える第二の位相調整部を備え、
前記加振信号をAsinωt、前記変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とし、ここで、Aは、前記加振信号の振幅、ωは、前記加振信号の角振動数、tは時間、Aは、前記変位信号の振幅、φは、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記振幅信号ゲイン調整部のゲインをG、前記位相信号ゲイン調整部のゲインをGΦ、前記第一の位相オフセットを(−ψ)、前記第二の位相オフセットを(−ψ)としたとき、
前記振幅信号ゲイン調整部は、前記振幅信号として、GAcos(φ+φ−ψ)を出力し、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、GΦAcos(φ+φ−ψ)を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(Gcos(φ+φ−ψ)+GΦcos(φ+φ−ψ))を出力する、請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The amplitude information detection unit includes a first phase adjustment unit that gives a first phase offset to a phase difference between the excitation signal and the displacement signal,
The phase difference information detection unit includes a second phase adjustment unit that gives a second phase offset to the phase difference between the excitation signal and the displacement signal,
Wherein the excitation signal A 0 sinω 0 t, the displacement signal and Asin (ω 0 t + φ 0 + φ), wherein, A 0 represents one of the aforementioned excitation signal amplitude, omega 0 is the angular frequency of the excitation signal Number, t is time, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe and the sample are not in contact, and φ is the difference between the probe and the sample A phase shift amount of the displacement signal generated due to contact, the gain of the amplitude signal gain adjustment unit is G A , the gain of the phase signal gain adjustment unit is G Φ , and the first phase When the offset is (−ψ 1 ) and the second phase offset is (−ψ 2 ),
The amplitude signal gain adjustment unit outputs G A Acos (φ 0 + φ−ψ 1 ) as the amplitude signal, and the phase signal gain adjustment unit uses G Φ Acos (φ 0 + φ−ψ as the phase signal. outputs 2), the calculation unit, as the mixed signal, and outputs the a (G a cos (φ 0 + φ-ψ 1) + G Φ cos (φ 0 + φ-ψ 2)), according to claim 3 Scanning probe microscope.
前記第一の位相オフセット(−ψ)は(−φ)であり、すなわちψ=φであり、前記第二の位相オフセット(−ψ)は(π/2−φ)であり、すなわちψ=φ−π/2であり、したがって、前記振幅信号ゲイン調整部は、前記振幅信号として、GAcosφを出力し、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、−GΦAsinφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(Gcosφ−GΦsinφ)を出力する、請求項6に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The first phase offset (−ψ 1 ) is (−φ 0 ), that is, ψ 1 = φ 0 , and the second phase offset (−ψ 2 ) is (π / 2−φ 0 ). There, that is, ψ 2 = φ 0 -π / 2 , therefore, the amplitude signal gain adjusting section, as said amplitude signal, and outputs a G a Acosφ, the phase signal gain adjustment section stores, as the phase signal, outputs -G Φ Asinφ, the calculating unit, as the mixed signal, a (G a cosφ-G Φ sinφ) for outputting a scanning probe microscope according to claim 6. 前記振幅信号ゲイン調整部のゲインGと前記位相信号ゲイン調整部のゲインGΦのいずれか一方が1である、請求項4〜請求項7のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。 The amplitude signal gain adjuster one gain G A and the phase signal gain adjustment unit either gain G [Phi of is 1, scanning probe microscope according to any one of claims 4 to claim 7. 前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の一方のゲインを調整し得るように構成されている、請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the hybrid signal generation unit is configured to adjust a gain of one of the amplitude signal and the phase signal. 前記混成信号のゲインを調整し得る混成信号ゲイン調整部をさらに備えている、請求項1〜請求項9のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to any one of claims 1 to 9, further comprising a hybrid signal gain adjustment unit capable of adjusting a gain of the hybrid signal. 前記振幅情報を表示する第一の情報表示部と、前記位相差情報を表示する第二の情報表示部との少なくとも一つを備えている、請求項1〜請求項10のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。   11. The apparatus according to claim 1, further comprising at least one of a first information display unit that displays the amplitude information and a second information display unit that displays the phase difference information. Scanning probe microscope. 前記混成信号生成部は、予め設定された複数の混成比の一つで前記振幅信号と前記位相信号を混成するように構成されている、請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the hybrid signal generation unit is configured to hybridize the amplitude signal and the phase signal at one of a plurality of preset hybrid ratios. 前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の両方をそれぞれ予め設定された複数の第一ゲインと複数の第二ゲインで増幅し、複数の第一ゲインの一つで増幅された振幅信号と複数の第二ゲインの一つで増幅された位相信号を加算処理するように構成されている、請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The hybrid signal generation unit amplifies both the amplitude signal and the phase signal with a plurality of preset first gains and a plurality of second gains, respectively, and amplifies with one of the plurality of first gains. The scanning probe microscope according to claim 12, wherein the scanning probe microscope is configured to add the signal and a phase signal amplified by one of the plurality of second gains. 前記混成信号生成部は、
前記振幅信号を予め設定された互いに異なる複数の第一ゲインでそれぞれ増幅する複数の振幅信号増幅部と、
前記位相信号を予め設定された互いに異なる複数の第二ゲインでそれぞれ増幅する複数の位相信号増幅部を備えており、ここで、前記複数の振幅信号増幅部と前記複数の位相信号増幅部はそれぞれ複数のペアを構成しており、さらに、
前記複数のペアの一つを構成する前記振幅信号増幅部の一つと前記位相信号増幅部の一つを選択する選択部と、
前記選択部によって選択された前記振幅信号増幅部の一つから出力される前記振幅信号と前記選択部によって選択された前記位相信号増幅部の一つから出力される前記位相信号を加算処理する一つの演算部とを備えている、請求項13に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The hybrid signal generator is
A plurality of amplitude signal amplifying sections each amplifying the amplitude signal with a plurality of different first gains set in advance;
A plurality of phase signal amplifiers that respectively amplify the phase signals with a plurality of different second gains set in advance, wherein the plurality of amplitude signal amplifiers and the plurality of phase signal amplifiers are respectively It consists of multiple pairs,
A selection unit for selecting one of the amplitude signal amplification unit and one of the phase signal amplification unit constituting one of the plurality of pairs;
The amplitude signal output from one of the amplitude signal amplification units selected by the selection unit and the phase signal output from one of the phase signal amplification units selected by the selection unit are added. The scanning probe microscope according to claim 13, further comprising one arithmetic unit.
前記混成信号生成部は、
前記振幅信号を予め設定された互いに異なる複数の第一ゲインでそれぞれ増幅する複数の振幅信号増幅部と、
前記位相信号を予め設定された互いに異なる複数の第二ゲインでそれぞれ増幅する複数の位相信号増幅部を備えており、ここで、前記複数の振幅信号増幅部と前記複数の位相信号増幅部はそれぞれ複数のペアを構成しており、さらに、
前記複数のペアをそれぞれ構成する前記複数の振幅信号増幅部から出力される前記振幅信号と前記複数の位相信号増幅部から出力される前記位相信号をそれぞれ加算処理する複数の演算部と、
前記複数の演算部からそれぞれ出力される複数の信号の一つを選択する選択部を備えている、請求項13に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The hybrid signal generator is
A plurality of amplitude signal amplifying sections each amplifying the amplitude signal with a plurality of different first gains set in advance;
A plurality of phase signal amplifiers that respectively amplify the phase signals with a plurality of different second gains set in advance, wherein the plurality of amplitude signal amplifiers and the plurality of phase signal amplifiers are respectively It consists of multiple pairs,
A plurality of arithmetic units that respectively add the amplitude signals output from the plurality of amplitude signal amplifiers constituting the plurality of pairs and the phase signals output from the plurality of phase signal amplifiers;
The scanning probe microscope according to claim 13, further comprising a selection unit that selects one of a plurality of signals output from the plurality of calculation units.
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部を備えており、
前記加振信号をAsinωt、前記変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とし、ここで、Aは、前記加振信号の振幅、ωは、前記加振信号の角振動数、tは時間、Aは、前記変位信号の振幅、φは、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する振幅信号増幅部のゲインをG、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する位相信号増幅部のゲインをGΦ、前記位相オフセットを(−ψ)としたとき、
前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、GAを出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、GΦAcos(φ+φ−ψ)を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(G+GΦcos(φ+φ−ψ))を出力する、請求項14または請求項15に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The phase difference information detection unit includes a phase adjustment unit that gives a phase offset to a phase difference between the excitation signal and the displacement signal,
Wherein the excitation signal A 0 sinω 0 t, the displacement signal and Asin (ω 0 t + φ 0 + φ), wherein, A 0 represents one of the aforementioned excitation signal amplitude, omega 0 is the angular frequency of the excitation signal Number, t is time, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe and the sample are not in contact, and φ is the difference between the probe and the sample a phase shift amount of the displacement signal generated due to contact with, also, the gain of the amplitude signal amplifying portion corresponding to the mixed signal outputted from said composite signal generator G a, said composite signal generator When the gain of the phase signal amplifying unit corresponding to the hybrid signal output from is G Φ and the phase offset is (−ψ),
The amplitude signal amplification unit outputs G A A as the amplitude signal, the phase signal amplification unit outputs G Φ Acos (φ 0 + φ−ψ) as the phase signal, and the calculation unit includes: Examples mixed signal, a (G a + G Φ cos (φ 0 + φ-ψ)) for outputting a scanning probe microscope according to claim 14 or claim 15.
前記位相オフセット(−ψ)は(π/2−φ)であり、すなわちψ=φ−π/2であり、したがって、前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、GAを出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、−GΦAsinφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(G−GΦsinφ)を出力する、請求項16に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The phase offset (−ψ) is (π / 2−φ 0 ), that is, ψ = φ 0 −π / 2. Therefore, the amplitude signal amplification unit outputs G A A as the amplitude signal. and, the phase signal amplifier, as the phase signal, and outputs the -G Φ Asinφ, the calculating unit, as the mixed signal, and outputs the a (G a -G Φ sinφ) , according to claim 16 Scanning probe microscope. 前記振幅情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第一の位相オフセットを与える第一の位相調整部を備え、
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第二の位相オフセットを与える第二の位相調整部を備え、
前記加振信号をAsinωt、前記変位信号をAsin(ωt+φ+φ)とし、ここで、Aは、前記加振信号の振幅、ωは、前記加振信号の角振動数、tは時間、Aは、前記変位信号の振幅、φは、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する振幅信号増幅部のゲインをG、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する位相信号増幅部のゲインをGΦ、前記第一の位相オフセットを(−ψ)、前記第二の位相オフセットを(−ψ)としたとき、
前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、GAcos(φ+φ−ψ)を出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、GΦAcos(φ+φ−ψ)を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(Gcos(φ+φ−ψ)+GΦcos(φ+φ−ψ))を出力する、請求項14または請求項15に記載の走査型プローブ顕微鏡。
The amplitude information detection unit includes a first phase adjustment unit that gives a first phase offset to a phase difference between the excitation signal and the displacement signal,
The phase difference information detection unit includes a second phase adjustment unit that gives a second phase offset to the phase difference between the excitation signal and the displacement signal,
Wherein the excitation signal A 0 sinω 0 t, the displacement signal and Asin (ω 0 t + φ 0 + φ), wherein, A 0 represents one of the aforementioned excitation signal amplitude, omega 0 is the angular frequency of the excitation signal Number, t is time, A is the amplitude of the displacement signal, φ 0 is the initial phase difference of the displacement signal that exists when the probe and the sample are not in contact, and φ is the difference between the probe and the sample a phase shift amount of the displacement signal generated due to contact with, also, the gain of the amplitude signal amplifying portion corresponding to the mixed signal outputted from said composite signal generator G a, said composite signal generator When the gain of the phase signal amplifying unit corresponding to the hybrid signal output from Φ is G Φ , the first phase offset is (−ψ 1 ), and the second phase offset is (−ψ 2 ),
The amplitude signal amplifying unit outputs G A Acos (φ 0 + φ−ψ 1 ) as the amplitude signal, and the phase signal amplifying unit outputs G Φ Acos (φ 0 + φ−ψ 2 ) as the phase signal. outputs, the computing unit, as the mixed signal, and outputs the a (G a cos (φ 0 + φ-ψ 1) + G Φ cos (φ 0 + φ-ψ 2)), according to claim 14 or claim 15 A scanning probe microscope as described in 1. above.
前記第一の位相オフセット(−ψ)は(−φ)であり、すなわちψ=φであり、前記第二の位相オフセット(−ψ)は(π/2−φ)であり、すなわちψ=φ−π/2であり、したがって、前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、GAcosφを出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、−GΦAsinφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、A(Gcosφ−GΦsinφ)を出力する、請求項18に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The first phase offset (−ψ 1 ) is (−φ 0 ), that is, ψ 1 = φ 0 , and the second phase offset (−ψ 2 ) is (π / 2−φ 0 ). There, that is, ψ 2 = φ 0 -π / 2 , therefore, the amplitude signal amplifier, as the amplitude signal, and outputs a G a Acosφ, the phase signal amplifier, as the phase signal, -G [Phi Asinfai outputs, the computing unit, as the mixed signal, a (G a cosφ-G Φ sinφ) for outputting a scanning probe microscope according to claim 18. 前記混成比をG/GΦとしたとき、前記複数の混成比には、1よりも小さい比と、1よりも大きい比が含まれている、請求項16〜請求項19に記載の走査型プローブ顕微鏡。 20. The scanning according to claim 16, wherein when the hybrid ratio is G A / G Φ , the hybrid ratio includes a ratio smaller than 1 and a ratio larger than 1. Type probe microscope. 前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の一方を予め設定された複数のゲインでそれぞれ増幅し、前記複数のゲインの一つで増幅された前記振幅信号と前記位相信号の一方と、前記振幅信号と前記位相信号の他方を加算処理するように構成されている、請求項12に記載の走査型プローブ顕微鏡。   The hybrid signal generation unit amplifies one of the amplitude signal and the phase signal with a plurality of preset gains, and one of the amplitude signal and the phase signal amplified with one of the plurality of gains. The scanning probe microscope according to claim 12, configured to add the other of the amplitude signal and the phase signal. 前記混成信号のゲインを調整し得る混成信号ゲイン調整部をさらに備えている、請求項12〜請求項21のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to any one of claims 12 to 21, further comprising a hybrid signal gain adjustment unit capable of adjusting a gain of the hybrid signal. 前記振幅情報を表示する第一の情報表示部と、前記位相差情報を表示する第二の情報表示部の少なくとも一つを備えている、請求項12〜請求項22のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。   23. The apparatus according to claim 12, further comprising at least one of a first information display unit that displays the amplitude information and a second information display unit that displays the phase difference information. Scanning probe microscope. 走査型プローブ顕微鏡の制御方法であり、
自由端にプローブをもつカンチレバーを加振信号に基づいて振動させる工程と、
試料の表面に沿って前記プローブを走査する工程と、
前記カンチレバーの変位を検出して前記変位を表す変位信号を生成する工程と、
前記変位信号の振幅情報を含む振幅信号を生成する工程と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差情報を含む位相信号を生成する工程と、
前記振幅信号と前記位相信号の混成信号を生成する工程と、
前記混成信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する工程とを有し、
前記混成信号を生成する工程は、前記振幅信号と前記位相信号の混成比を調整し得る、制御方法。
A control method for a scanning probe microscope,
Oscillating a cantilever having a probe at a free end based on an excitation signal;
Scanning the probe along the surface of the sample;
Detecting a displacement of the cantilever and generating a displacement signal representing the displacement;
Generating an amplitude signal including amplitude information of the displacement signal;
Generating a phase signal including phase difference information between the excitation signal and the displacement signal;
Generating a hybrid signal of the amplitude signal and the phase signal;
Controlling the distance between the probe and the sample based on the hybrid signal;
The step of generating the hybrid signal is a control method in which a hybrid ratio between the amplitude signal and the phase signal can be adjusted.
前記振幅情報を表示する工程と、前記位相差情報を表示する工程の少なくとも一方をさらに有している、請求項24に記載の制御方法。   The control method according to claim 24, further comprising at least one of a step of displaying the amplitude information and a step of displaying the phase difference information. 前記混成信号を生成する工程は、予め設定された複数の混成比の一つで前記振幅信号と前記位相信号を混成する、請求項24に記載の制御方法。   The control method according to claim 24, wherein the step of generating the hybrid signal hybridizes the amplitude signal and the phase signal at one of a plurality of preset hybrid ratios. 前記振幅情報を表示する工程と、前記位相差情報を表示する工程の少なくとも一方をさらに有している、請求項26に記載の制御方法。   27. The control method according to claim 26, further comprising at least one of a step of displaying the amplitude information and a step of displaying the phase difference information.
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