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【発明の名称】 走査プローブ顕微鏡
【発明者】 【氏名】北村真一

【氏名】末吉 孝
【要約】 【課題】ばね定数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを用いて、試料の凹凸画像および試料の表面電位像の各分解能を向上する。

【解決手段】光検出器７からの出力信号の変化がＦ／Ｖ変換器２２によってカンチレバー１の力の勾配を示す電圧に変換されて誤差増幅器１１に供給され、この電圧信号固有振動数とのずれを一定に保つようにフィルタ１２を介して圧電走査素子４のＺ方向の変位にフィードバックされる。そして、フィルタ１２の出力が試料３の凹凸像の信号となる。また、第１のロックインアンプ１４がＦ／Ｖ変換器２２の出力から所定周波数ω成分を検出し、誤差増幅器１７はこのω成分がゼロとなるＤＣ電圧Ｖｄｃを出力し、このＤＣ電圧Ｖｄｃが加算器１８を介してカンチレバー１にフィードバックされ、試料３の表面電位とチップ２の電位とが同電位に保たれるとともに、ＤＣ電圧Ｖｄｃが試料３の表面電位となる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 試料に対向して配置された探針と、前記探針を支持しかつこの探針を加振する第１の加振手段と、この第１の加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で前記第１の加振手段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振動周波数の変化をこの変化に対応した電圧に変換する周波数−電圧変換器と、この周波数−電圧変換器の出力と前記固有振動数とのずれを一定に保つように出力する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力に基づいて前記探針と前記試料との間の距離を制御する探針−試料間距離制御手段と、所定周波数の交流電圧の参照信号を出力する第２の加振手段と、前記周波数−電圧変換器の出力からこの第２の加振手段の出力する参照信号と同じ所定周波数成分を検出し出力する第１の周波数検出手段と、この第１の周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記第２の加振手段が出力する参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増幅器が出力する直流電圧とを加算した電圧を探針−試料間に印加する加算手段とを備え、前記誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得るとともに、前記第２の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料の表面電位像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】 試料に対向して配置された探針と、前記探針を支持しかつこの探針を加振する第１の加振手段と、この第１の加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で前記第１の加振手段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振動周波数の変化をこの変化に対応した電圧に変換する周波数−電圧変換器と、所定周波数の交流電圧の参照信号を出力する第２の加振手段と、前記周波数−電圧変換器の出力からこの第２の加振手段の出力する参照信号の所定周波数と同じ周期の周波数成分を検出し出力する第１の周波数検出手段と、前記周波数−電圧変換器の出力から前記第２の加振手段の出力する参照信号の所定周波数の２倍の周期の周波数成分を検出し出力する第２の周波数検出手段と、入力信号と前記固有振動数とのずれを一定に保つように出力する第１の誤差増幅器と、前記第１の誤差増幅器を、前記周波数−電圧変換器にまたは前記第２の周波数検出手段に選択的に切替接続する切替手段と、前記第１の周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記第２の加振手段が出力する参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増幅器が出力する直流電圧とを加算した電圧を探針−試料間に印加する加算手段と、この第１の誤差増幅器の出力に基づいて前記探針と前記試料との間の距離を制御する探針−試料間距離制御手段とを備え、前記第１の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得るとともに、前記第２の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料の表面電位像を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】 前記第１の加振手段は、先端に前記探針を支持するカンチレバーと、前記カンチレバーの後端に支持しかつこのカンチレバーを加振する加振用圧電素子と、前記カンチレバーの撓みを検出して出力する検出器とを備え、この加振用圧電素子によってカンチレバーがこのカンチレバーの固有振動数で加振されるとともに、前記周波数−電圧変換器が前記検出器の出力周波数を電圧に変換することを特徴とする請求項１または２記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】 前記第１および第２の周波数検出手段を、前記カンチレバーのばね定数が大きいときは前記周波数−電圧変換器にまたは前記カンチレバーのばね定数が小さいときは前記検出器に選択的に切替接続する第２の切替手段を備え、前記第２の切替手段により前記カンチレバーのばね定数が大きいときは前記前記周波数−電圧変換器の出力を前記第１および第２の周波数検出手段に入力するとともに、また前記カンチレバーのばね定数が小さいときは前記検出器の出力を前記第１および第２の周波数検出手段に入力することを特徴とする請求項３記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】 前記第１の加振手段は、先端に前記探針を支持しかつこの探針を加振する水晶発振器を備え、前記水晶発振器がこの水晶発振器の固有振動数で加振されるとともに、前記周波数−電圧変換器が前記水晶発振器の加振周波数を電圧に変換することを特徴とする請求項１または２記載の走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の試料からの力を受けて試料表面の凹凸像を観察するとともに、試料の表面電位像を観察する走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】チップ（探針）と試料との間に生じる物理的な力を測定して試料表面の凹凸像を観察するとともに、試料表面の電位を観察するＳＰＭが、従来から開発されている。図４はこのようなＳＰＭの中の、ＫＦＭ（Kelvin probe Force micro-scopy）法によるＡＦＭの一例を模式的に示す図である。図中、１は金等の金属をコーティングした導電性でかつ弾性を有するカンチレバー、２はカンチレバー１の先端に取り付けられたチップ、３は試料、４はＸ軸（図４の左右方向）、Ｙ軸（図４の紙面に直交する方向）、およびＺ軸方向（図４の上下方向）の試料３の各位置を制御する圧電走査素子、５はカンチレバー１の後端支持部に取り付けられた加振用の圧電素子、６は光源（例 レーザ光源等）、７はオプチカルディテクター（以下、光検出器ともいう）、８はプリアンプ、９は発振用の圧電素子５に加振出力信号を、振幅を調整して供給するオシレータ（発振電源）、１０はオシレータ９の加振出力信号が供給され、この加振出力信号と同期した振幅変化分の信号をセレクトする凹凸像（Topo像）観察用のロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ、１１は誤差増幅器、１２はフィルタ、１３はＺ圧電素子駆動電源、１４は表面電位観察用の第１のロックインアンプ、１５は表面電位観察用の第２のロックインアンプ、１６は第１および第２のロックインアンプ１４,１５に所定周波数ωの交流電圧の参照信号を供給するとともに、振幅を所定の大きさに調整して出力するオシレータ、１７は０調整すなわち第１のロックインアンプ１４からの入力が０となる直流電圧Ｖｄｃを出力するとともに、この直流電圧Ｖｄｃをカンチレバー１にフィードバックさせるためのフィルタ等を有する誤差増幅器、１８はオシレータ１６の加振出力信号と誤差増幅器１７の出力直流電圧Ｖｄｃとを加算した電位をカンチレバー１に印加する加算器１８である。
【０００３】このＡＦＭはチップ２と試料３とが互いに対向して非接触（Non Contact）で配置されるＮＣーＡＦＭであり、光源６からレーザ光等の光がカンチレバー１の背面にフォーカスするように照射されるとともにこの背面に当たって反射し、その反射光が光検出器７に入射するようになっており、光源６、カンチレバー１および光検出器７により光てこ方式のカンチレバー１の変位の検出系が構成されている。この光てこ方式の変位検出系はチップ２−試料３間の原子間力によりカンチレバー１が撓むことによる反射角の変化をカンチレバー１から離れた位置に置かれた光検出器７上での照射位置の変化とし、この照射位置の変化からカンチレバー１の撓み量を検出する方法である。
【０００４】このような構成をしたＡＦＭにおいては、オシレータ９から発振出力信号が圧電素子５に供給されることにより、カンチレバー１がそのほぼ固有振動数程度の周波数で加振される。この状態で、チップ２を試料３に数ｎｍ程度に接近させると、チップ２と試料３との間に発生する物理的な力によりカンチレバー１が撓む。これにより光検出器７の出力が変化し、変化した出力信号がプリアンプ８によって適当な振幅に増幅されて凹凸像観察用のロックインアンプ１０に供給される。このロックインアンプ１０は、供給された光検出器７の出力信号とオシレータ９からの出力信号とに含まれる周波数成分とを比較して、共通の周波数成分の振幅に比例した信号を出力し、この出力信号が誤差増幅器１１に送られる。誤差増幅器１１はこの出力と参照電圧Ｖにより設定された一定電圧、すなわち固有振動数とのずれを一定に保つように出力し、この出力がフィルタ１２を介してＺ圧電素子駆動電源１３に送られる。このＺ圧電素子駆動電源１３は、圧電走査素子４に対して、フィルタ１２からの出力信号に基づいてチップ２−試料３間の距離を制御するようにフィードバック制御を行う。
【０００５】ところで、フィルタ１２はこのようなフィードバック回路を安定に動作させるためのものであり、このフィルタ１２の出力が試料３表面の凹凸像の信号となり、この凹凸像の信号が、図示しない画像表示装置に送られる。そして、このようなチップ２と試料３との間の距離一定制御を行いながらチップ２または試料３を２次元走査（Ｘ、Ｙ方向）することにより、試料３の表面の凹凸画像が画像表示装置において得られる。
【０００６】一方、プリアンプ８によって振幅が増幅された光検出器７の出力は、試料３の表面電位像観察用の第１のロックインアンプ１４および第２のロックインアンプ１５に入力される。また、これらの第１および第２のロックインアンプ１４,１５には、オシレータ１６から所定周波数ωの交流電圧の参照信号が供給されている。そして、第１のロックインアンプ１４では、この参照信号の所定周波数ωと同じ周期（すなわちω成分）の振幅に相当する信号が検出され、また第２のロックインアンプ１５では、この参照信号の周波数ωと２倍周期（すなわち２ω成分）の振幅に相当する信号が検出される。
【０００７】第１のロックインアンプ１４で検出されたω成分は誤差増幅器１７に送られ、誤差増幅器１７は入力されるこのω成分がゼロとなるような直流電圧（ＤＣ電圧）Ｖｄｃを出力し（すなわち０調整を行う）、この出力が加算器１８に送られる。また、加算器１８には、オシレータ１６から参照信号と同じ周波数ωの交流電圧がオシレータ１６内の振幅調整器によって振幅が所定の大きさに調整されて供給されている。加算器１８は、オシレータ１６からの周波数ωの交流電圧と誤差増幅器１７からの直流電圧Ｖｄｃを加算してカンチレバー１に印加することにより、電圧がフィードバックされる。
【０００８】カンチレバー１への交流電圧の印加により、アース電位である試料３とカンチレバー１先端のチップ２との間に静電気力が働き、カンチレバー１の固有振動数のシフトが印加される交流電圧の周期で生じる。このシフトの周期がω成分であり、試料３の表面電位とチップ２の先端の電位が同じとき、２ω成分だけになる。また、カンチレバー１への直流電圧Ｖｄｃのフィードバックにより、試料３の表面電位とチップ２の先端の電位とが同電位に保たれる。ところで、誤差増幅器１７から出力される直流電圧Ｖｄｃが試料３の表面電位となり、この直流電圧Ｖｄｃを図示しない画像表示装置に供給することにより、画像表示装置において試料３の表面電位像が得られる。
【０００９】一方、第２のロックインアンプ１５で検出された２ω成分の信号には、チップ２−試料３間の容量に関係した情報が含まれており、表面電位の観察に応じてこの信号も画像表示装置に表面電位と同時表示させる。
【００１０】このように、この例のＡＦＭでは、試料３の表面電位像を観察する手法として、静電気力を直接力Ｆ、すなわちカンチレバー１の撓みとして検出し、静電気力が最小となるチップ印加電圧を求めることにより、チップ表面に対する相対的な試料３の表面電位を得るという、いわゆるＫＦＭ法が用いられている。
【００１１】図５は、従来のＳＰＭの中の、ＳＭＭ法によるＡＦＭの一例を模式的に示す図である。なお、図４に示すＡＦＭと同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。
【００１２】前述の図４に示す例では、ロックインアンプ１０によって出力される出力信号を用いてチップ２−試料３間の距離が一定となるように制御しているが、この例では前述の図４のＡＦＭにおける第２のロックインアンプ１５の出力である２倍周期の信号（２ω成分）の振幅をチップ２−試料３間の距離の制御信号として用い、この振幅の値が一定となるようにチップ２−試料３間の距離を制御している。
【００１３】すなわち、図５に示すようにこの例のＡＦＭでは、第２のロックインアンプ１５の出力が誤差増幅器１１に入力されるようになっている。この例のＡＦＭの他の構成は、図４に示す例のＡＦＭと同じである。
【００１４】このように構成されたＡＦＭにおいては、誤差増幅器１１が第２のロックインアンプ１５の出力２ωと参照電圧Ｖにより設定された一定電圧すなわち固有振動数とのずれを一定に保つように出力し、この出力がフィルタ１２を介してＺ圧電素子駆動電源１３に送られる。そして、Ｚ圧電素子駆動電源１３は、圧電走査素子４に対して、フィルタ１２からの出力信号に基づいてチップ２と試料３との間の距離を制御するようにフィードバック制御を行う。この例のＡＦＭの他の作用効果は、図４に示す例のＡＦＭと同じである。
【００１５】このようにこの例のＡＦＭでは、試料３の表面電位像を観察する手法として、カンチレバー１の撓みを検出し、チップ２への印加交流電圧と同周期のカンチレバー１の振動成分がゼロとなるチップ印加ＤＣ電圧を求めることにより、チップ表面に対する相対的な試料３の表面電位を得るという、いわゆるＳＭＭ法が用いられている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述の図４および図５に示す、直接力Ｆを検出するような従来のＡＦＭでは、カンチレバー１の撓みの検出を確実に行うようにするためには、ばね定数が小さいカンチレバー１を使用しなければならない。しかしながら、カンチレバー１のばね定数を小さくすると、カンチレバー１が撓み易くなり、カンチレバー１の先端のチップ２が試料３に接触してしまうおそれがある。特に、図５に示すＡＦＭでは、２倍周期の信号（２ω成分）を用いているため、チップ２−試料３間の距離が小さくなり過ぎて、チップ２が試料３に接触したとき、カンチレバー１の振動が止まり、２ω成分がゼロとなってしまう。このように２ω成分がゼロになることは、チップ２−試料３間の距離が大きい場合と同じになり、したがってチップ２−試料３間の距離をもっと小さくする方向にフィードバックが働いてしまうため、チップ２と試料３とが完全にぶつかってしまう。
【００１７】このため、チップ２−試料３間の距離をあまり小さくすることはできなく、その結果試料３の表面電位と同時に観察される凹凸像の分解能をよくすることができないという問題がある。
【００１８】一方、ＮＣーＡＦＭによる、表面電位像と同時に観察される試料３表面の凹凸像の観察方法においては、近年ばね定数の比較的大きいカンチレバー１を超高真空下で使用することにより、試料３の原子像観察が可能となっている。このような原子像観察が可能な状態で、従来のように直接力Ｆを検出するようにした場合には、表面電位の分解能が非常に悪くなってしまうという問題がある。
【００１９】本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的はばね定数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを用いて試料表面の凹凸画像の分解能を高くしながら、しかも試料表面の電位像の分解能を向上させることのできる走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するために、請求項１の発明は、試料に対向して配置された探針と、前記探針を支持しかつこの探針を加振する第１の加振手段と、この第１の加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で前記第１の加振手段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振動周波数の変化をこの変化に対応した電圧に変換する周波数−電圧変換器と、この周波数−電圧変換器の出力と前記固有振動数とのずれを一定に保つように出力する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力に基づいて前記探針と前記試料との間の距離を制御する探針−試料間距離制御手段と、所定周波数の交流電圧の参照信号を出力する第２の加振手段と、前記周波数−電圧変換器の出力からこの第２の加振手段の出力する参照信号と同じ所定周波数成分を検出し出力する第１の周波数検出手段と、この第１の周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記第２の加振手段が出力する参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増幅器が出力する直流電圧とを加算した電圧を探針−試料間に印加する加算手段とを備え、前記誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得るとともに、前記第２の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料の表面電位像を得ることを特徴としている。
【００２１】また請求項２の発明は、試料に対向して配置された探針と、前記探針を支持しかつこの探針を加振する第１の加振手段と、この第１の加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で前記第１の加振手段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振動周波数の変化をこの変化に対応した電圧に変換する周波数−電圧変換器と、所定周波数の交流電圧の参照信号を出力する第２の加振手段と、前記周波数−電圧変換器の出力からこの第２の加振手段の出力する参照信号の所定周波数と同じ周期の周波数成分を検出し出力する第１の周波数検出手段と、前記周波数−電圧変換器の出力から前記第２の加振手段の出力する参照信号の所定周波数の２倍の周期の周波数成分を検出し出力する第２の周波数検出手段と、入力信号と前記固有振動数とのずれを一定に保つように出力する第１の誤差増幅器と、前記第１の誤差増幅器を、前記周波数−電圧変換器にまたは前記第２の周波数検出手段に選択的に切替接続する切替手段と、前記第１の周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記第２の加振手段が出力する参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増幅器が出力する直流電圧とを加算した電圧を探針−試料間に印加する加算手段と、この第１の誤差増幅器の出力に基づいて前記探針と前記試料との間の距離を制御する探針−試料間距離制御手段とを備え、前記第１の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得るとともに、前記第２の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料の表面電位像を得ることを特徴としている。
【００２２】更に請求項３の発明は、前記第１の加振手段が、先端に前記探針を支持するカンチレバーと、前記カンチレバーの後端に支持しかつこのカンチレバーを加振する加振用圧電素子と、前記カンチレバーの撓みを検出して出力する検出器とを備え、この加振用圧電素子によってカンチレバーがこのカンチレバーの固有振動数で加振されるとともに、前記周波数−電圧変換器が前記検出器の出力周波数を電圧に変換することを特徴としている。
【００２３】更に請求項４の発明は、前記第１および第２の周波数検出手段を、前記カンチレバーのばね定数が大きいときは前記周波数−電圧変換器にまたは前記カンチレバーのばね定数が小さいときは前記検出器に選択的に切替接続する第２の切替手段を備え、前記第２の切替手段により前記カンチレバーのばね定数が大きいときは前記前記周波数−電圧変換器の出力を前記第１および第２の周波数検出手段に入力するとともに、また前記カンチレバーのばね定数が小さいときは前記検出器の出力を前記第１および第２の周波数検出手段に入力することを特徴としている。
【００２４】更に請求項５の発明は、前記第１の加振手段が、先端に前記探針を支持しかつこの探針を加振する水晶発振器を備え、前記水晶発振器がこの水晶発振器の固有振動数で加振されるとともに、前記周波数−電圧変換器が前記水晶発振器の加振周波数を電圧に変換することを特徴としている。
【００２５】
【作用】このような構成をした請求項１の発明の走査プローブ顕微鏡においては、周波数−電圧変換器の出力である力の勾配を用いて試料の表面電位が検出されるようになる。したがって、表面電位の検出において、ばね定数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用しても、表面電位像の分解能が良好になるとともに、ばね定数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用することにより、表面電位像と同時観察される試料の凹凸像の分解能が原子レベルまで向上するようになる。
【００２６】また、請求項２の発明の走査プローブ顕微鏡においては、ＳＭＭ法による観察を行う際に、始めに切替手段により第１の誤差増幅器を周波数−電圧変換器に接続することにより、ＫＦＭ法に基づいてチップ−試料間の距離が設定される。次いで、切替手段により第１の誤差増幅器を第２の周波数検出手段に接続してＳＭＭ法による観察のためのチップ−試料間の距離設定が、ＫＦＭ法により設定されたチップ−試料間の距離に基づいて行われる。これにより、ＳＭＭ法による観察におけるチップ−試料間の距離を、チップを試料にぶつけてクラッシュさせることなく最適値に容易に設定することが可能となる。しかも、切替手段により、ＫＦＭ法による観察およびＳＭＭ法による観察のいずれも簡単に行うことが可能となる。
【００２７】更に、請求項３の発明においては、カンチレバーの力の勾配を用いて試料表面の表面電位像および凹凸像の観察が行われる。したがって、ばね定数の大きいカンチレバーのＳＰＭを使用しても、試料の表面電位像および試料の凹凸像の分解能がともに高レベルに向上するようになる。特に、請求項４の発明においては、カンチレバーのばね定数に基づいて、すなわちこのばね定数が小さいときはカンチレバーの力を用いて表面電位の観察および凹凸像の観察が可能になるとともに、ばね定数が大きいときはカンチレバーの力の勾配を用いて表面電位の観察および凹凸像の観察が可能になる。その場合、第２の切替手段により、カンチレバーの力あるいは力の勾配のいずれかの選択を簡単に行うことが可能となる。
【００２８】更に、請求項５の発明においては、水晶発振器を用いて試料表面の凹凸像および表面電位像が観察される。この場合、水晶発振器を用いることによりカンチレバーより高い固有振動数が簡単に得られるため、力の勾配を検出する上でネックとなっている周波数−電圧変換器の応答周波数帯域を改善することが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明にかかる走査プローブ顕微鏡の実施の形態の一例を、ＡＦＭに適用した場合について模式的に示す図である。なお、図４に示す従来のＡＦＭと同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。
【００３０】前述の図４に示すＡＦＭにおいては、オシレータ９およびロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ１０が設けられているが、本例のＡＦＭは、図１に示すようにこれらのオシレータ９およびロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ１０が削除されており、代わりにプリアンプ８の出力が位相調整器１９に入力されるとともに、この位相調整器１９の出力が波形変換器２０に入力されるようになっている。また、波形変換器２０の出力が振幅調整器を有するアッテネータ２１および周波数−電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換器）２２に供給されるようになっている。
【００３１】アッテネータ２１の出力は、振幅が調整されて加振用圧電素子５に供給されるようになっており、またＦ／Ｖ変換器２２の出力が、誤差増幅器１１、第１および第２のロックインアンプ１４,１５に供給されるようになっている。本例のＡＦＭの他の構成は、図４に示す従来のＡＦＭと同じである。
【００３２】このように構成された本例のＡＦＭにおいては、図４のＡＦＭと同様に光源６からの光がカンチレバー１に当たって反射した反射光が光検出器７によって検出され、この光検出器７の出力がプリアンプ８によって適当な大きさの振幅に増幅される。プリアンプ８で振幅が増幅された光検出器７の出力は、位相調整器１９によって発振系（加振用圧電素子５ー光検出器７ープリアンプ８ー位相調整器１９ー波形変換器２０ーアッテネータ２１からなる系）が加振用圧電素子５への最大の正帰還となるようにその位相が調整された後、例えばコンパレータ等の波形変換器２０により電源電圧のようなある一定の振幅の方形波に変換されて、参照波が形成される。その場合、この参照波が予期しないカンチレバー１の振幅の変化に対しても変化しない程度にプリアンプ８のゲインを調整しておく。
【００３３】更に、アッテネータ２１は、この参照波の抵抗分割等によって、カンチレバー１の振動振幅が適当な大きさになるように、加振用圧電素子５に印加する電圧振幅を設定する。以上の発振系により、カンチレバー１は、その加振振幅が一定に保持された状態でかつカンチレバー１の固有振動数で発振する。
【００３４】一方、波形変換器２０からの参照波は、その周波数の変化がＦ／Ｖ変換器２２によってその変化に対応した電圧に変換される。このＦ／Ｖ変換器２２の出力は誤差増幅器１１に供給され、前述の図４のＡＦＭと同様にこの誤差増幅器１１において参照電圧Ｖにより設定された一定電圧すなわち固有振動数とのずれを一定に保つようにフィルタ１２およびＺ圧電素子駆動電源１３を介して圧電走査素子４のＺ方向の変位にフィードバックされる。そして、フィルタ１２はこのフィードバック回路を安定させ、その出力が試料３の凹凸像の信号となる。
【００３５】この凹凸像を観察する部分はＦＭ検出法を用いたＮＣ−ＡＦＭであり、プリアンプ８の出力がカンチレバー１の力Ｆとなっているとともに、Ｆ／Ｖ変換器２２の出力がカンチレバー１の力の勾配（周波数シフト）Ｆ′となっている。このＦ／Ｖ変換器２２の出力信号が第１および第２のロックインアンプ１４,１５に入力される。以後、前述の図４に示すＡＦＭと同様に、誤差増幅器１７は第１のロックインアンプ１４で検出されたω成分がゼロとなるＤＣ電圧Ｖｄｃを出力し、このＤＣ電圧Ｖｄｃが加算器１８を介してカンチレバー１にフィードバックされ、試料３の表面電位とチップ２の先端の電位とが同電位に保たれるとともに、ＤＣ電圧Ｖｄｃが試料３の表面電位となる。また、第２のロックインアンプ１５で検出された２ω成分の信号により、チップ２−試料３間の容量に関係した情報の画像が画像表示装置に表面電位と同時表示される。
【００３６】このようにして、本例のＡＦＭによれば、第１および第２のロックインアンプ１４,１５にカンチレバー１に作用する力の勾配Ｆ′を用いているので、従来のようなカンチレバー１に作用する力Ｆを用いる場合に比べて、ばね定数の大きいカンチレバー１を用いての表面電位の観察が可能となり、表面電位の分解能が向上する。また、ばね定数の大きいカンチレバー１を用いることから、チップ２−試料３間の距離をより小さくすることができるようになる。したがって、試料３の表面の凹凸像の分解能も向上する。
【００３７】図２は、本発明の実施の形態の他の例を示す、図１と同様の図である。なお、図１および図４に示す従来のＡＦＭと同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。
【００３８】図１に示す例のＡＦＭでは、カンチレバー１を用いているが、この例のＡＦＭは、図２に示すようにカンチレバー１に代えて、チップ２が取り付けられたクォーツ（水晶発振器）２３を用いたニードルタイプのＡＦＭである。この例のＡＦＭは、図１に示す例のＡＦＭにおける、加振用圧電素子５、光源６、光検出器７、プリアンプ８、位相調整器１９、波形変換器２０、およびアッテネータ２１を備えていない。
【００３９】そして、このクォーツ２３がオシレータ駆動電源２４に接続されているとともに、このオシレータ駆動電源２４はＦ／Ｖ変換器２２にも接続されている。この例のＡＦＭの他の構成は、図１に示す例のＡＦＭと同じである。
【００４０】このように構成されたこの例のＡＦＭにおいては、オシレータ駆動電源２４により、クォーツ２３をその固有振動数（共振周波数）で共振させる。これにより、チップ２はクォーツ２３の固有振動数で振動するが、チップ２−試料３間の力の勾配Ｆ′によってこのチップ２の共振周波数がシフトする。オシレータ駆動電源２４からこの周波数のシフトが生じた発振波形がＦ／Ｖ変換器２２に入力される。以後、図１の例のＡＦＭと同様に、Ｆ／Ｖ変換器２２で周波数のシフトが電圧に変換されて、試料３の凹凸像、試料３の表面電位像、およびチップ２−試料３間の容量に関係した情報の像が得られる。
【００４１】この例のＡＦＭでは、水晶発振器２３を用いているので、カンチレバー１よりも高い固有振動数が簡単に得られ、力の勾配Ｆ′を検出する上でネックとなるＦ／Ｖ変換器２２の応答周波数帯域が改善されるようになる。この例のＡＦＭの他の作用効果は、図１の例と同じである。なお、前述の各例では、ＮＣ−ＡＦＭによりＦＭ検出法を用いているが、スロープ（Slope）検出法にも本発明を適用することができる。
【００４２】図３は、本発明の実施の形態の更に他の例を示す、図１と同様の図である。なお、図１および図４に示す従来のＡＦＭと同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。
【００４３】図１の例のＡＦＭでは、表面電位像の観察手法としてＫＦＭ法のみを用いるようにしているが、この例のＡＦＭでは、表面電位像の観察手法としてＫＦＭ法とＳＭＭ法との両方を用いることができるようにしている。すなわち、図３に示すようにこの例のＡＦＭは、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５と、カンチレバー１のばね定数切替スイッチ２６とを備えている。
【００４４】ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５は、試料３の表面電位の観察をＫＦＭ法で行う場合には破線で示す位置に設定され、また表面電位の観察をＳＭＭ法で行う場合には実線で示す位置に設定されるようになっている。
【００４５】ばね定数切替スイッチ２６は、カンチレバー１のばね定数ｋが大きく、カンチレバー１の力の勾配Ｆ′で試料３の表面電位の観察を行う場合は実線で示す位置に設定され、またカンチレバー１のばね定数ｋが小さく、カンチレバー１の力Ｆで試料３の表面電位の観察を行う場合は破線で示す位置に設定されるようになっている。この例のＡＦＭの他の構成は、図１に示すＡＦＭと同じであるこのように構成されたこの例のＡＦＭにおいては、まず、ばね定数ｋの大きなカンチレバー１を用いてＫＦＭ法で試料３の凹凸像および表面電位像の観察を行う場合は、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を破線で示す位置に設定するとともに、ばね定数切替スイッチ２６を実線で示す位置に設定する。これにより、Ｆ／Ｖ変換器２２の出力がＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を介して誤差増幅器１１に入力されるとともに、ばね定数切替スイッチ２６を介して第１および第２ロックインアンプ１４,１５に入力される。この状態は、図１に示す例のＡＦＭとまったく同じ状態になっており、この状態でのＡＦＭの作動についての説明は前述と同じであるので省略する。
【００４６】ばね定数ｋの小さなカンチレバー１を用いてＫＦＭ法で試料３の凹凸像および表面電位の観察を行う場合は、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５およびばね定数切替スイッチ２６をともに破線で示す位置に設定する。これにより、Ｆ／Ｖ変換器２２の出力がＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を介して誤差増幅器１１に入力されるとともに、プリアンプ８の出力がばね定数切替スイッチ２６を介して第１および第２ロックインアンプ１４,１５に入力される。この状態では、発振系、試料３の凹凸像の観察、およびＺ圧電素子駆動電源１３による、チップ２−試料３間の距離を一定に保つ圧電走査素子４に対するフィードバック制御が、それぞれ図１に示す例のＡＦＭと同じになる。また、この状態での表面電位の観察、チップ２−試料３間の容量に関係する情報の観察、およびチップ２への電圧フィードバック制御が、図４に示す従来のＡＦＭと同じになる。
【００４７】ばね定数ｋの大きなカンチレバー１を用いてＳＭＭ法で試料３の凹凸像の観察および表面電位の観察を行う場合は、まず、チップ２を試料３にアプローチするために、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を破線で示すＫＦＭ側に設定するとともに、ばね定数切替スイッチ２６を実線で示す位置に設定する。このようにＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５をＫＦＭ側に設定した後、通常のＮＣ−ＡＦＭと同様にチップ２を試料３に接近させる。チップ２のアプローチが完了した後、前述と同様のＮＣ−ＡＦＭでのＫＦＭ法による周波数のシフト量を観察し、そのときのＦ／Ｖ変換器２２の出力を記憶しておく。次に、Ｚ圧電素子駆動電源１３を用いて、試料３をチップ２から一旦遠ざけた後、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を実線で示すＳＭＭ側に設定する。次いで、誤差増幅器１１の参照電圧Ｖの値、すなわちチップ２−試料３間の距離を、先ほど記憶したＦ／Ｖ変換器２２の出力を目安に設定し直す。そして、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を実線位置（ＳＭＭ側）に設定した状態では、Ｆ／Ｖ変換器２２の出力がばね定数切替スイッチ２６を介して第１および第２ロックインアンプ１４,１５に入力されるとともに、第２のロックインアンプ１５の出力（２ω成分）が誤差増幅器１１に入力されるようになる。
【００４８】この状態で、ＮＣ−ＡＦＭでのＳＭＭ法による凹凸像および表面電位像の観察を行う。その場合、誤差増幅器１１は、第２ロックインアンプからの出力（２ω成分）と新しく設定し直された参照電圧Ｖに基づいて、前述と同様に固有振動数のずれを一定に保つように出力し、フィルタ１２を介してＺ圧電素子駆動電源１３に送り、Ｚ圧電素子駆動電源１３は圧電走査素子４に対して、チップ２−試料３間の距離を一定に保つようにフィードバック制御を行う。そして、このときのフィルタ１２の出力が試料３表面の凹凸像（Ｔｏｐｏ像）の信号となる。また、表面電位像の観察は、Ｆ／Ｖ変換器２２の出力が第１および第２ロックインアンプ１４,１５に供給されることから、図１に示す例のＡＦＭでのＫＦＭ法による場合と同じに行われる。
【００４９】更に、ばね定数ｋの小さなカンチレバー１を用いてＳＭＭ法で試料３の凹凸像の観察および表面電位像の観察を行う場合は、チップ２を試料３にアプローチするために、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を破線で示すＫＦＭ側に設定するとともに、ばね定数切替スイッチ２６を破線で示す位置に設定する。そして、前述のＳＭＭ法の場合と同様に、誤差増幅器１１の参照電圧Ｖを設定し直して、ＫＦＭ／ＳＭＭ切替スイッチ２５を実線のＳＭＭ側に設定する。
【００５０】この状態で、試料３の凹凸像観察と表面電位観察とを行うが、凹凸像の観察は前述のＳＭＭ法による観察と同じであり、また表面電位像の観察は、図５に示す従来のＮＣ−ＡＦＭでのＳＭＭ法による表面電位像の観察と同じである。
【００５１】なお、前述のカンチレバーによるＡＦＭの各例では、光てこ方式を用いているが、これに限定されるものではなく、光干渉、静電容量等の他の方式を用いることもできる。
【００５２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項１の発明の走査プローブ顕微鏡によれば、力の勾配を用いて試料の凹凸像および表面電位像を観察しているので、ばね定数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用できる。これにより、表面電位像の分解能を良好にできるとともに、試料の凹凸像の分解能を原子レベルまで向上できる。
【００５３】また、請求項２の発明の走査プローブ顕微鏡によれば、ＳＭＭ法による観察のためのチップ−試料間の距離設定を、ＫＦＭ法により設定したチップ−試料間の距離に基づいて行うようにしているので、ＳＭＭ法による観察におけるチップ−試料間の距離を、チップを試料にぶつけてクラッシュさせることなく最適値に容易に設定することができる。しかも、切替手段により、ＫＦＭ法による観察およびＳＭＭ法による観察のいずれも簡単に行うことが可能となる。
【００５４】更に、請求項３の発明によれば、カンチレバーの力の勾配を用いて試料表面の表面電位像および凹凸像の観察を行うようにしているので、ばね定数の大きいカンチレバーを使用することができる。これにより、試料の表面電位像および試料の凹凸像の分解能をともに高レベルに向上できる。特に、請求項４の発明によれば、カンチレバーのばね定数が小さいときはカンチレバーの力を用いて表面電位の観察および凹凸像の観察を行うことができるとともに、ばね定数が大きいときはカンチレバーの力の勾配を用いて表面電位の観察および凹凸像の観察を行うことができる。その場合、第２の切替手段により、カンチレバーの力あるいは力の勾配のいずれかの選択を簡単に行うことが可能となる。
【００５５】更に、請求項５の発明によれば、水晶発振器を用いて試料表面の凹凸像および表面電位像を観察するようにしているので、水晶発振器を用いることによりカンチレバーより高い固有振動数が簡単に得られるため、力の勾配を検出する上でネックとなっている周波数−電圧変換器の応答周波数帯域を改善することが可能となる。
【出願人】 【識別番号】０００００４２７１
【氏名又は名称】日本電子株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）７月８日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】青木 健二 （外７名）
【公開番号】 特開平１１−２３５８８
【公開日】 平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】 特願平９−１８２３０５