JP2002168801A - 走査型マイクロ波顕微鏡及びマイクロ波共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型マイクロ波顕微鏡におけるマイクロ波
共振器の先端部と試料との間の平均距離を一定に制御し
て高解像度を得る。 【解決手段】 マイクロ波信号源１０３の出力は、方向
性結合器１０６、減結合器１０７を経てマイクロ波共振
器１０１に結合され、その先端部１０２と試料１０４と
の共振系で反射された後、減結合器から方向性結合器を
経てダイオード１１０で検波される。発振器１１１の信
号は、加算器１１２からピエゾチューブ１０５に供給さ
れ、上記先端部と試料との距離を僅かに変調し、変調に
より生じた共振状態の変化はダイオードにより検波され
て位相振幅検出器１１３に入力され、発振器の信号位相
に依存した振幅差を得る。加算器１１４で振幅差出力と
設定値ＳＰとを比較して得られる誤差出力は帰還増幅器
１１５から加算器で発振信号と加算され、ピエゾチュー
ブのｚ変位用電極に帰還されて先端部と試料との平均距
離を設定値に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスあ
るいはそれにインテグレートされる各種導電性、絶縁
性、半導体薄膜材料の電気的特性をナノメートルオーダ
ーで２次元的な画像化を行う場合、あるいは各種薄膜材
料の電気特性を高解像度で２次元的な画像化を行う場合
等に用いて好適な走査型マイクロ波顕微鏡及びこの顕微
鏡に用いられるマイクロ波共振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関する技術のカテゴリは走査型
マイクロ波顕微鏡である。この顕微鏡は、マイクロ波共
振器に先鋭な一端を装備し、その先端に対向する試料面
上を近接して探針を走査することにより、試料の電気的
なインピーダンスに関する量を２次元的に画像化する。
例を挙げれば、第１の例は、ＧａｏとＸｉａｎｇ等（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、７１
巻、１８７２頁、１９９７年、及びＲｅｖｉｅｗ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、６
９巻、３８４６頁、１９９８年）は、同軸型の４分の１
波長共振器を用い、その中心導体の一端を先鋭化して試
料面近傍の走査を行う方式を用いている。画像化される
共振状態に関する量は、共振器内のアンテナにより検出
されるマイクロ波と励振するマイクロ波との位相差に関
する量である。

【０００３】第２の例は、Ｖｌａｈａｃｏｓ等（Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、６９巻、
３２７２頁、１９９６年； 同、７２巻、１７７８頁、
１９９８年；同、７５巻、３１８０頁、１９９９年）で
あり、この例では同軸型の多段共振器を用い、その先鋭
化した中心導体の一端を試料面近傍において走査する。
画像化される量は共振周波数及びＱ値に関わる量であ
り、これらは共振器から方向性結合器を介して取り出さ
れる反射電力をマイクロ波周波数の変調下で検出して得
られている。

【０００４】第３の例は、Ｔａｂｉｂ−Ａｚａｒ等（Ｒ
ｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒ
ｕｍｅｎｔｓ， ７０巻、１７２５頁、１９９９年；
同、同巻、２７８３頁；同、同巻、３７０７頁；同、同
巻、３３８１頁；同、同巻、３３８７頁；同、７１巻、
１４６０頁、２０００年）の例であり、ストリップライ
ン型の１／４波長共振器のラインの一端に鋭いテーパー
を施すかあるいは針を装架してその先端部を試料面近傍
において走査する。検出される量は共振近傍のマイクロ
波周波数における共振器からの反射電力あるいは反射係
数Ｓ11である。

【０００５】その名前のためにしばしば他の技術カテゴ
リと見られる走査型容量顕微鏡もここで挙げておかなけ
ればならない。この顕微鏡は便宜上走査型マイクロ波顕
微鏡と区別されているが本質的に両者は同類である。即
ち、走査型容量顕微鏡では、ストリップライン共振器と
これに結合する励振ライン及び受信ラインを有する所謂
容量センサを用い、その共振器ラインに原子間力顕微鏡
等で用いる導電性のプローブを接続し、走査に際しては
受信ラインで検出される共振周波数近傍の周波数の電力
に関わる量を画像化する。普通、用いられる導電性プロ
ーブは市販品であり、シリコンからマイクロファブリケ
ーションで一体に作り出されたカンチレバー探針に金属
をコートしたものが用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】走査型マイクロ波顕微
鏡に特徴的なのは、中心導体の一端あるいはこれを先鋭
化したものを、走査のための探針として用いている点で
あり、このおかげで共振器の構造及び中心導体の先端部
の形態等が単純でかつ精度良く作成でき、高周波的にも
単純であることが期待できる。しかし、特に先端と試料
面との距離についての制御を行わないために信号が距離
に大きく依存する試料の極近傍において測定上問題を生
じる場合がある。他には中心導体の一端を使う場合で
は、中心導体の径に分解能が制限されることが問題であ
り、また先鋭化した中心導体を用いる場合でも、その先
端が測定等で鈍磨した時には共振器ごと交換せざるを得
ない点も実用上問題である。

【０００７】一方、走査型容量顕微鏡において、カンチ
レバーは原子間力顕微鏡のプローブにおけるカンチレバ
ーと同様に光てこ方式での探針の位置検出に用いられ、
探針―試料間の距離の制御も１nm程度の高精度で可能と
なる。しかしカンチレバー、探針とこれらの支持部から
なるプローブや、このプローブを保持するホルダーとを
合わせた形状の複雑さ、及びプローブがシリコンと金属
の複合材料であること等から高周波的には複雑な構造と
ならざるを得ない。このことは共振器内での複雑な反射
を伴う複雑な電界分布を意味し、共振状態に関わる量が
必ずしも試料と探針の相互作用に敏感ではなく、さらに
高い周波数のミリ波領域においては波長と複雑な構造を
構成する長さスケールとが近づき、どの共振モードを見
ているかも問題となりかねない。また、しばしばプロー
ブを共振器に接続する際のホルダーの仕様に依存した共
振状態の変化も走査型容量顕微鏡を使い難い物にしてい
る。このように探針を含む共振器の構造的な単純さと探
針と試料間の距離の制御とは、従来の顕微鏡において十
分実現されているとは言いがたい。

【０００８】即ち、先鋭な一端を有するマイクロ波共振
器と該共振器の共振状態に関する量を検出する手段とを
有し、該共振器の先鋭な一端（先端）と対向する試料を
配して、試料面上を共振器の先端を走査し前記共振状態
に関わる量を画像化するところの走査型マイクロ波顕微
鏡において、前記共振器の先端と試料面との間の距離を
制御するに際して、その距離を十分微小にして定常に保
つことは困難であった。

【０００９】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたもので、マイクロ波共振器の先端部と試料面との平
均距離を一定に制御することにより、高解像度を得るこ
とのできる走査型マイクロ波顕微鏡およびマイクロ波共
振器を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型マイ
クロ波顕微鏡は、マイクロ波共振器と、このマイクロ波
共振器を励振する励振手段と、前記マイクロ波共振器の
共振状態に関する量を検出し第１の検出量を出力する第
１の検出手段と、前記マイクロ波共振器の中心導体に接
続される先鋭な先端部とを有し、前記先端部と対向する
試料面上を前記先端部により走査して前記第１の検出量
を画像化する走査型マイクロ波顕微鏡において、前記先
端部と試料面との間の距離に微小な変化を与える距離変
化手段と、前記距離の変化に応じた前記第１の検出量の
変化を検出し第２の検出量を出力する第２の検出手段
と、前記第２の検出量を用いて前記先端部と試料面との
平均距離を一定に制御する制御手段とを設けたものであ
る。

【００１１】本発明によるマイクロ波共振器は、共振器
がライン部と着脱可能な先端部とから成り、前記先端部
に一端を先鋭化した導体を有するものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。本実施の形態は、マイクロ波共振
器の先端部と試料面との平均距離を一定に制御するため
に、上記平均距離に微小な変化を与え、この微小な変化
により生じる共振器の共振状態に関する量（例えば電気
容量）の変化を検出し、その検出量を共振器の先端部と
試料面との平均的な距離に帰還するようにしたものであ
る。

【００１３】図１は本発明の第１の実施の形態による走
査型マイクロ波顕微鏡を示すブロック図である。図１に
おいて、共振器としては同軸円筒型の多段のマイクロ波
共振器（Ｒ）１０１を用いている。このマイクロ波共振
器１０１に対向して該共振器の先端部１０２と試料１０
４との距離を制御するアクチュエータとしては円筒型ピ
エゾチューブ（Ｐ）１０５を用いている。このピエゾチ
ューブ１０５は、５分割の電極を円筒の外面に有すると
共に、円筒内面に一面の電極を有し、内面の電位を一定
として、外側上部の円筒状電極を用いてｚ方向、即ち、
共振器の先端部１０２と試料１０４との平均の距離の制
御と、距離の微小な変化とを行う。また、外側円筒下部
に配置された４分割電極によりｘ、ｙ方向、即ち、試料
面上の走査を行う。尚、上記先端部１０２は、マイクロ
波共振器１０１の中心導体に接続された先鋭な一端部で
ある。

【００１４】マイクロ波の信号源（ＳＧ）１０３の出力
は２４GHｚ帯にあり、方向性結合器（ＤＣ）１０６、及
び減結合器１０７を経て共振器１０１に結合され、共振
器１０１と先端部１０２とこれに近接しておかれた試料
１０４とが共振系を構成する。共振系で反射されたマイ
クロ波は、減結合器１０７を経て方向性結合器１０６に
より入力マイクロ波と分離してダイオード１１０により
検波される。

【００１５】一方、発振器１１１からの信号は、加算器
１１２を経てピエゾチューブ１０５に供給され、共振器
１０１の先端部１０２と試料１０４との距離を僅かに変
調する。この変調により生じた共振状態の変化はダイオ
ード１１０により検波された後、位相振幅検出器（ＰＡ
Ｄ）１１３に入力され、発振器１１１の信号位相を参照
して位相依存の振幅差を出力する。加算器１１４は、こ
の位相依存の振幅差出力と設定値（セットポイント）信
号ＳＰとを比較し誤差出力を与え、この誤差出力は帰還
増幅器１１５により増幅され、加算器１１２において、
微小変位を引き起こす発振器１１１からの信号と加算さ
れ、ピエゾチューブ１０５のｚ変位用電極に供給され、
先端部１０２と試料１０４との平均距離に帰還されて設
定値により決まる上記平均距離を保つように制御され
る。

【００１６】尚、加算器１１２を用いないで、微小変調
用のピエゾ素子と帰還制御用のピエゾ素子とを機械的に
直列にし、微小変調と帰還制御を加算して目的を達して
も良いし、あるいはピエゾチューブにｚ変位用の電極を
二つ用意しそれぞれに微小変調信号と帰還信号を入力し
て目的を達しても良い。前者の場合、例えば試料台を水
晶振動子とし、この試料台をピエゾチューブに取り付け
ても良い。ここに、距離の微小変調の周波数は使用する
電気機械変換素子の力学的特性に支配され、通常の原子
間力顕微鏡（AFM ）でしばしば使われるピエゾチューブ
では約１０KHｚ以下であり、水晶振動子を用い試料の固
定方法に問題がなければ１００KHｚ以上の周波数も可能
である。

【００１７】上記先端部１０２と試料１０４との距離が
上述のように制御されているとき、ダイオード１１０の
検波出力を低域濾波器１１６により濾波した信号は、先
端部１０２が試料１０４に十分近接したときの電気容量
に関する情報であり、この情報は表示装置１０８により
画像化される。また、帰還増幅器２１５の出力は試料１
０４と先端部１０２との距離を制御する制御信号であ
り、先端部１０２が試料１０４と十分近接した状態を保
つために必要な平均的な変位に対応し、この情報はトポ
グラフィに相当するものとして表示装置１０８で画像化
される。表示装置１０８は、実際には走査の制御等の装
置の制御及び測定データの収集等を行うパーソナルコン
ピュータの表示装置であり、試料面上を共振器先端部が
走査する詳細な説明は省略する。

【００１８】ここで、本実施の形態の理解を深めるた
め、走査型マイクロ波顕微鏡の原理について簡単に説明
する。共振器の先端が開放されているとき、その共振器
系は固有の共振周波数において共振し、その周波数、例
えば２４GHz において共振系からの反射電力は極小にな
る。本実施の形態における多段型共振器では、このよう
な極小が固有の周波数間隔、例えば２００MHz 程度で起
こる。

【００１９】この共振周波数近傍での共振系からの反射
係数Ｓ11を概念的に示したのが図２である。図２におい
て、マイクロ波共振器１０１の先端部１０２が開放され
ているときの共振曲線に対し、先端部１０２が試料１０
４に近接して相互作用するようになると、一般には共振
曲線は低周波数側にシフトすると共に広がってＱ値が小
さくなる。

【００２０】これらの試料と近接したための変化は、そ
れが摂動と見なせる程度に僅かであれば、周波数シフト
の量は先端部１０２が試料と相互作用したことによって
増した電気容量に比例し、さらに近接したための効果が
電気容量の増し分だけであれば、共振曲線の広がり、即
ち、Ｑ値の変化は無視できる。このとき、共振周波数よ
り低いが近傍にある一定のマイクロ波周波数（図２では
ｆｔ）における変化は、試料との相互作用によりＳ11が
低下することに現れ、この変化も摂動と見なせる程度に
僅かであれば上記相互作用による電気容量の増加分に比
例する。

【００２１】次に、位相依存の振幅差について説明す
る。試料１０４の持つ電気容量Ｃｘと、上記先端部１０
２と試料１０４との距離ｚに依存する空隙の電気容量Ｃ
ｚを用いれば、共振器が感応する電気容量はこれらの直
列の合成容量Ｃであり、Ｃ＝（ＣｘＣｚ）／（Ｃｘ＋Ｃ
ｚ）で与えられる。先端部が試料と対抗する面の面積を
Ａとして√Ａが十分にｚより大きいとき、Ｃｚは面積Ａ
の平行平板容量εo Ａ／ｚで近似できる。先端部と試料
を含む共振系の共振周波数は先端部が開放のときに比
べ、上記合成容量Ｃの増大と共に減少し、Ｃが摂動とし
て扱える範囲でＣに比例する。

【００２２】また、共振周波数近傍でかつ共振周波数よ
りは低い一定のマイクロ波周波数においては共振系から
の反射、即ちダイオード１１０により検出される反射電
力はＣの増大と共に減少する。今、先端部と試料との平
均的な距離を減少して先端部を試料に近づければＣｚは
増大し、さらに距離ｚが微小な正弦的な変調を受けてい
れば、変調のないときの先端部の位置に対し先端部が試
料に近づく位相では合成容量Ｃが増大するのでダイオー
ド出力は減少し、試料から遠ざかる位相ではダイオード
出力は増大する。

【００２３】図３は合成容量Ｃを先端部と試料との距離
ｚに対して図示したものである。ｚ軸の下にＡ及びＢで
示したのは微小変調の正弦波の１波長分であり、離れて
いる場所における変調ＡによりＣは僅かに変調され、Ｃ
の受ける変調の振幅は近づく位相でより大きくなり、近
づく位相での振幅の平均値≫遠ざかる位相での振幅の平
均値である。従って、ダイオード出力でも近づく位相で
の振幅の平均から遠ざかる位相での振幅の平均を差し引
いた値Δは正の符号を持つ。しかし、変調は微小である
から線形近似が成り立ち、Δはゼロ近傍の値と考えて良
い。

【００２４】さて、ｚが僅かに負にまで変化することを
許す（図３、ｚ軸の下の変調Ｂ）、即ち、上記先端部が
僅かに試料に侵入することを許すとすれば、ｚ＜０にお
いてＣは一定値Ｃｘであり、上記Δはｚ＞０においての
値より僅かに減少し、ゼロに近づくかあるいは僅かに負
となる。即ち、近づく位相と遠ざかる位相における振幅
の差Δは試料表面の近傍において符号が変化するから、
設定値（セットポイント）をゼロ近傍としてその差信号
を増幅し、ピエゾチューブへ帰還してやれば、先端部と
試料との平均的な距離はゼロ近傍に制御される。

【００２５】図４に位相依存振幅差Δを検出する位相振
幅検出器回路（Ｐｈａｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｄｅ
ｔｅｃｔｏｒ；ＰＡＤ）１１３の二つの構成例を示す。
図４（ａ）に第１の構成例を示す。ダイオード１１０の
出力Ｖｓは先端部１０２と試料１０４間の平均的な距離
に依存する直流的なオフセットに、先端部と試料間の距
離の正弦波変調による時間遅れのない正弦的な変化を重
ねた（図左上の波形）変化を示す。変調信号の０度及び
１８０度で発するサンプル／ホールド信号Ｓ／Ｈ（図左
下の波形）は、上記近づく位相及び遠ざかる位相それぞ
れの始点におけるＶｓの信号強度である基準信号Ｖｆ及
びＶｒをサンプルし、次段の差動増幅器Ｄｆは、Ｖｓと
基準信号との差（即ち、符号付の振幅）を送出する。

【００２６】距離の変調に対し、ダイオード出力は線形
的な変化を示すから差動増幅器Ｄｆは、前記近づく位相
と遠ざかる位相において符号が反転する符号付の振幅を
出力する。従って、次に平均化回路Ａｖが変調の１周期
の時間より長い平均を行えばその出力は前記近づく位相
と遠ざかる位相の振幅の差の平均に比例する。この振幅
の差の平均は上記Δに相当する。

【００２７】図４（ｂ）に第２の構成例を示す。ダイオ
ード出力Ｖｓと、変調信号の０度および１８０度でサン
プルしたＶｓの値との差を取ることで得られる位相に依
存した符号付の振幅信号は、スイッチＳｗにより上記位
相（図左下の波形）によって一方の位相成分と他方の位
相成分にＤｆからの信号を振り分ける。このとき、他の
位相において前段Ｄｆからの信号がＯＮのとき該当する
位相成分はゼロレベルの信号が補われる。次に、それぞ
れの位相成分は一方を−１のゲインを持ったインバータ
を経由して平均化回路Ａｖに入力される。平均化回路Ａ
ｖのそれぞれの出力は、近づく位相及び遠ざかる位相に
おける平均の振幅を与え、後段の差動増幅器Ｄｆは、前
記近づく位相と遠ざかる位相の振幅の差の平均に比例す
る。この振幅の差の平均は上記Δに相当する。

【００２８】図５は本発明の第２の実施の形態による走
査型マイクロ波顕微鏡を示すブロック図である。図５に
おいて、マイクロ波発振器（ＳＧ）１０３、方向性結合
器（ＤＣ）１０６、減結合器１０７、マイクロ波共振器
（Ｒ）１０１、共振器１０１の先端部１０２、試料１０
４、ピエゾチューブ（Ｐ）１０５及びダイオード１１０
から成る構成は図１と同様である。

【００２９】第１発振器２０１は周波数Ωで発信し、第
２発振器２０２は周波数ωで発信しており、Ω＞ωであ
る。今、Ωをωの偶数倍の周波数とし、Ωとωとの間に
は位相差がないものとする。ここで、両者の発振出力は
例えば｛１＋ｓｉｎ（Ω・ｔ）｝とｓｉｎ（ω・ｔ）に
比例しており、乗算器２０６は両者の積を出力し、帰還
増幅器２０８からの信号と加算器２０７により足し合わ
されてピエゾチューブ１０５のｚ変位用電極に供給され
る。そこで図５のＡに示すような波形；｛１＋ｓｉｎ
（Ω・ｔ）｝・ｓｉｎ（ω・ｔ）に比例する微小なｚ変
位により誘起された共振系の共振状態の変化はマイクロ
波振幅の変化となり、ダイオードの出力変化となる。

【００３０】この変化はロックインアンプ２０３におい
て第１発信器２０１の出力正弦波（図５のＣ）の位相で
検波される。今、第２発信器２０２の出力（図５のＢ）
ωの位相で考えれば、波形Ｂの最初の位相０−１８０度
は共振器の先端１０２と試料１０４の距離が近づく位相
であり、次の位相１８０−３６０度は遠ざかる位相とし
てよい。従って、ロックインアンプ２０３の出力は、ω
の位相に依存した符号を随伴するところの角周波数Ωで
微小変調された応答の振幅に相当する。

【００３１】ここで、これらの振幅は角周波数ωの位相
により互いに異なる符号を随伴しているから、後段の低
域濾波器２０４により平均化された出力は、近づく位相
における振幅と遠ざかる位相における振幅との差に比例
する。この位相依存の振幅差出力は加算器２０５におい
て設定値（ＳＰ）と比較され、ＳＰとの誤差信号は帰還
増幅器２０８により増幅され、加算器２０７において微
小変調するための信号と加算されてピエゾチューブ１０
５のｚ変位用の電極に供給され、共振器１０１の先端分
１０２と試料１０４との平均的な距離を制御する。

【００３２】既に述べたと同様に、近づく（角周波数ω
の）位相内であってさらに角周波数Ωの近づく位相にお
いて、先端部１０２と試料１０４とは最も接近した位相
であり、より大きなＣｚ、より大きなＣ、より低い共振
周波数、従って、共振周波数近傍で共振周波数よりも低
い一定のマイクロ波周波数においてはより小さなダイオ
ード出力を与える。従って、角周波数ωの異なる位相に
おいて同じ距離の変調を与える角周波数Ωの一周期を比
べると、ωの近づく位相におけるΩに応答するダイオー
ド出力の振幅は遠ざかる位相のそれより小さくなる。

【００３３】ところで、ロックインアンプ２０３の出力
はΩに応答する振幅に対してωの位相で決まる符合を随
伴しており、この出力を低域濾波器３０４を通した出力
は、ωの異なる位相におけるΩに応答する振幅の差の時
間平均を与える。従って、ωの位相で決まる符合がその
近づく位相において負であるとすれば、低域濾波器２０
４の出力は負である。この事情は上記先端部が試料と接
触するまで続く。

【００３４】先端部が試料に接触すると事情は異なり、
先端部の感応する電気容量は一定値である試料のＣｘと
なる。このとき、僅かに先端部が試料に侵入するのを許
すとすれば、Ωに応答する振幅のωの位相に依存した差
の時間平均は小さな負値から僅かに減少し、ゼロ近傍の
正値を含む値となる。従って、ＳＰをゼロ近傍の値と
し、上記振幅の差の時間平均が負のときは先端部を試料
に近づけ、正値のときは遠ざけるような負帰還を行え
ば、先端部の位置を試料の極近傍に制御することができ
る。

【００３５】図６は本発明の第３の実施の形態による走
査型マイクロ波顕微鏡を示すブロック図であり、図１、
図５と対応する部分には同一番号を付して重複する説明
は省略する。図６において、本実施の形態は、１０１〜
１０７、１１０の各部と、Ａ／Ｄ変換器３０１、Ｄ／Ａ
変換器３０２、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
３０３及びこれらのホストとしてパーソナルコンピュー
タ（ＰＣ）３０４とで構成される。

【００３６】例えば、ＤＳＰ３０３において正弦波の１
／４周期分のデータから正弦波データを生成し、これを
Ｄ／Ａ変換器３０２に入力して正弦波を発生する。これ
と同時に逐次共振状態に関する量としてダイオード１１
０の出力をＡ／Ｄ変換器３０１でＡ／Ｄ変換し、さら
に、上記正弦波データの１／２周期毎にサンプルされた
ダイオード出力のデジタル値を各位相における参照値と
して対応する位相内にサンプルされた逐次のダイオード
出力のデジタルデータとの差を計算し、逐次の差のデジ
タル値を対応する位相内で加算、平均をとる。

【００３７】次に、１周期毎にそれぞれの位相内で加
算、平均されたデジタル値の差を取って、結果のデジタ
ル値に比例するデータをＤ／Ａ変換して、ピエゾチュー
ブ１０５のｚ変位用電極に加えて先端部１０２と試料１
０４との平均距離を制御する。実際のＤＳＰ３０３のプ
ログラミングでは、上記の種々の変法が考えられるが、
上記先端部と試料との距離を微小に変調し、変調の位相
に依存する平均振幅の差を問題とする点では第１の実施
の形態と同様である。また、少し複雑になるが、第２の
実施の形態に挙げた２つの正弦波による変調を使用する
場合も本実施の形態の構成で実現できる。

【００３８】ここで注意したいのは、デジタルデータに
よる信号処理が第１の実施の形態で用いた位相振幅検出
器ＰＡＤにおけるサンプルアンドホールド素子につきも
ののドループによる誤差を原理的に除去している点であ
る。すなわちＰＡＤにおけるＳ／Ｈ素子ではサンプルし
保持した電位は時間とともにゼロに近づいて誤差を生じ
る（ドループ）という宿命があるがデジタルデータは一
度サンプルされれば事故による以外変化はない。

【００３９】本実施の形態の他の態様として、ステップ
状の微小変位を先端部と試料との間に加える場合を説明
する。このような変位を与えて、目的を達するのはＤＳ
Ｐ３０３とＤ／Ａ変換器３０２、Ａ／Ｄ変換器３０１の
構成においてより容易である。

【００４０】即ち、上記先端部と試料との距離がｚ１、
ｚ２、ｚ３の順により試料に近接した距離を与えるとき
のダイオード出力のＡ／Ｄ変換後のデジタル値がそれぞ
れｙ１、ｙ２、ｙ３であるとき、ＤＳＰ３０３に差分値
Ａ２１＝（ｙ２−ｙ１）／（ｚ２−ｚ１）、と差分値Ａ
３２＝（ｙ３−ｙ２）／（ｚ３−ｚ２）を計算するよう
に指示する。さらに差分値の比Ａ３２／Ａ２１を計算し
て１近傍の小さな定数αと比較し、αとの大小関係に応
じてｚ２−ｚ１あるいはｚ３−ｚ２を一定に保ちなが
ら、平均的な距離ｚ２をより試料面に近接あるいは離反
させる方向に増分を取るようにプログラムし、ＤＳＰの
出力であるｚ２のデジタルデータをＤ／Ａ変換してピエ
ゾチューブ１０５のｚ変位用電極に供給することによ
り、Ａ３２／Ａ２１を小さな定数αに保持するように平
均的な距離に帰還制御することができる。

【００４１】さらに他の態様として、ＤＳＰ３０１が上
記差分Ａ２１＝（ｙ２−ｙ１）／（ｚ２−ｚ１）、と上
記差分Ａ３２＝（ｙ３−ｙ２）／（ｚ３−ｚ２）の計算
を行い、さらにこれらの差Ｂ＝Ａ３２−Ａ２１を計算し
て、その値をゼロ近傍の小さな定数βと比較する。次
に、比較結果の正負に応じて平均的な距離ｚ２をより試
料面に近接あるいは離反させるような増分を施すように
プログラムしてデジタル値を出力する。このＤＳＰ出力
はＤ／Ａ変換によりアナログ信号となってピエゾチュー
ブ１０５に供給され、上記先端部と試料との平均的な距
離を帰還制御する。本態様においては、画像化されるべ
き共振状態に関する量は、例えば先端部と試料との距離
が最も近接したとき、即ち、ｚ３の位置にあるときのダ
イオード出力データである。

【００４２】図７は本発明の第４の実施の形態による走
査型マイクロ波顕微鏡を示すブロック図であり、図１と
対応する部分には同一番号を付して重複する説明は省略
する。本実施の形態は、共振状態に関する量として、開
放状態の共振周波数からの共振周波数のずれを検出する
ようにした例である。本実施の形態においては、マイク
ロ波信号源１０３は電圧制御発振器として働き、その出
力は方向性結合器１０６、減結合器１０７、マイクロ波
共振器１０１、先端部１０２へと順次出力される。試料
１０４との電気的相互作用の結果反射されたマイクロ波
は、方向性結合器１０７により取り出され、ダイオード
１１０で検波される。

【００４３】図７において、本実施の形態により新たに
追加された発振器４０１からの正弦波出力は、加算器４
０２を経てマイクロ波信号源１０３の電圧制御入力に供
給され、マイクロ波周波数を共振周波数の近傍で変調す
る。この変調によるダイオード１１０の出力の変化はロ
ックインアンプ４０３により発振器４０１の位相を参照
して検波され、その出力は増幅器４０４で増幅され、加
算器４０２においてマイクロ波変調用の信号と加算され
てマイクロ波信号源１０３の電圧制御入力に供給され
る。

【００４４】また、増幅器４０４の出力は、共振器の先
端部１０２と試料１０４との相互作用を制御するための
位相振幅検出器（ＰＡＤ）１１３に入力され、第１の実
施の形態の場合と同様に、先端部と試料との距離を変調
する信号を参照波として位相依存の振幅差が検出され、
加算器１１４で上記相互作用を設定するための信号ＳＰ
と比較された後、帰還増幅器１１５により増幅され、加
算器１１２において上記距離変調のための信号と加算さ
れてピエゾチューブ１０５のｚ変位用電極に供給され
る。また、増幅器４０４の出力は低域濾波器４０４を経
て表示装置１０８で画像化される。

【００４５】次に、動作を簡単に説明する。共振周波数
の近傍で変調を行えば、ロックインアンプ４０３の出力
は共振周波数を境に符号を変える。この符号の変化を用
いて負帰還をかけるようにマイクロ波信号源１０３の電
圧制御入力への電圧の符号を決定すれば、共振周波数を
トラッキングすることができる。

【００４６】このようにして増幅器４０４の出力はマイ
クロ波信号源１０３の電圧制御入力がゼロのとき、即
ち、開放系の共振周波数と試料１０４との相互作用のあ
るときの共振周波数との差に比例する信号となり、第１
の実施の形態で説明した先端部と試料との相互作用を制
御する目的に用いることができる。

【００４７】図８は本発明の第５の実施の形態による走
査型マイクロ波顕微鏡を示すブロック図である。先の第
４の実施の形態に挙げた共振周波数の検出方法は、反射
マイクロ波の振幅の周波数微分が共振周波数を境に符号
を変えることを利用している。試料との相互作用によっ
ては共振点近傍での振幅の変化が微小となり、場合によ
っては感度良く共振周波数をトラッキングすることが困
難になる。この困難は本実施の形態である共振点近傍で
励振マイクロ波と反射マイクロ波の位相差を検出するこ
とで克服できる。

【００４８】図８において、マイクロ波信号源１０３は
電圧制御発信器として機能しており、その出力の主たる
電力は方向性結合器５０２を経てダブルバランスドミキ
サ（ＤＢＭ）５０３のＬ０入力に供給される。方向性結
合器５０２は本実施の形態では電力の分配器として機能
している。方向性結合器５０２により分岐した残りの電
力は、次に方向性結合器１０６、減結合器１０７、マイ
クロ波共振器１０１、先端部１０２に供給され、試料１
０４との相互作用を含む共振系からの反射波は、方向性
結合器１０６より取り出されて上記ミキサ５０３のＲＦ
入力に供給される。

【００４９】このようにしてミキサ５０３のＩＦ出力に
は、共振系への入力マイクロ波とこの共振系からの反射
マイクロ波との位相差に関する出力を得る。発振器５０
１の出力は、加算器５０６を経てマイクロ波信号源１０
３の電圧制御入力に供給されて出力マイクロ波の周波数
を変調する。この周波数変調に応答するミキサ５０３の
ＩＦ出力はマイクロ波の位相差に関する信号である。こ
の位相差信号はロックインアンプ５０４に供給され、発
振器５０１の出力を参照位相として検波され、検波出力
は増幅器５０５に入力される。

【００５０】増幅器５０５の出力は加算器５０６を経て
マイクロ波信号源２０３の出力中心周波数を共振周波数
にトラッキング制御する。また、増幅器５０５の出力は
同時に表示装置１０８に低域濾波器１１６を経て供給さ
れ画像化されると共に、位相振幅検出器１１３に供給さ
れて、第１の実施の形態と同様に先端部１０２と試料１
０４との相互作用の制御に用いられる。

【００５１】次に、動作を簡単に説明する。ミキサ５０
３の出力はＬ０入力及びＲＦ入力マイクロ波の位相が合
致するとき、即ち、共振の中心周波数において出力振幅
は最大値となる。従って、共振周波数の近傍で変調を行
えばロックインアンプ５０４の出力は共振周波数を境に
符号を変える。

【００５２】この符号の変化に対して負帰還をかけるよ
うにマイクロ波信号源１０３の電圧制御入力への電圧の
符号を決定すれば、増幅器４０４の出力は、マイクロ波
信号源１０３の電圧制御入力がゼロのときの発振周波数
（開放系の共振周波数）と実際の共振周波数との差に比
例する信号を与えつつ共振の中心周波数をトラッキング
することができる。このようにして増幅器４０４の出力
は第１の実施の形態で説明した先端部と試料との相互作
用を制御する目的に用いることができる。

【００５３】図９は本発明の第６の実施の形態による走
査型マイクロ波顕微鏡を示すブロック図である。本実施
の形態は、マイクロ波周波数より低い周波数の外場を試
料１０４に加え、その外場により誘起された共振状態に
関する量の変化を検出し画像化するものである。外場と
して電場を取り上げ、この電場を発生するための発振器
６０１を備えている。

【００５４】発振器６０１は、望ましくは直流成分と交
流成分の双方を出力でき、その出力は実装されたバイア
ス用のストリップラインで構成された低域濾波回路によ
り共振器１０１の中心導体に伝わり、試料下部に設けら
れた電極をグランド電位として、先端部１０２と試料１
０４との間に加えてもよいし、あるいは、逆に上記スト
リップラインの低域濾波回路を通じて中心導体をグラン
ドし、試料１０４の下部電極にバイアスを加えてもよ
い。このような目的のストリップラインによる低域濾波
回路の構成例を図１０に示す。

【００５５】試料１０４として半導体デバイス等を対象
とする場合、バイアスとして例えば周波数１MHz 程度の
交流を選び、同じ周波数に現れる共振状態に関する量の
応答を調べることになる。ダイオード１１０からの出力
にはバイアス周波数で変動する応答が重畳する。一方、
先端部１０２と試料１０４との間の距離を第２の実施の
形態と同様に微小な変調を行うとき、この変調は通常の
ピエゾチューブ１０５では１０KHz 程度の周波数である
から、結局、ダイオード１１０の出力には、直流成分と
１０KHz 程度で変化するゆっくりとした距離変調に関わ
る成分に１MHz程度の電場依存の共振状態の変化が重畳
したものになる。

【００５６】この出力を例えば中心周波数１０KHz ほど
のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０２に入力すれば、
先端部と試料との距離の微小な変調に応答する成分を取
り出すことができ、次に位相位相振幅検出器１１３によ
り依存振幅の差を検出すれば、第１の実施の形態と同様
にして上記距離の制御用の信号を帰還増幅器１１５の出
力として得ることができる。他方、ダイオード出力をバ
イアスの周波数１MHzほどでロックインアンプ６０３で
検波すれば、バイアスの変化に応答する共振状態の変動
成分を検出でき、これは先端部が試料面上を走査するの
に伴って上記距離の制御信号としてそれぞれ画像化され
る。

【００５７】図１０に示すのは、上記ストリップライン
による低域濾波回路と各実施の形態における減結合器１
０７とを共通のテフロン（登録商標）基板６１０上に作
成した例である。方向性結合器１０６から共振器１０１
へ向かうストリップラインは５０Ωで設計されており、
このラインからバイアス回路へ向かう線路はその１０か
ら２０倍ほどのインピーダンスを持ち、途中に容量を持
たせるための良く知られたパターン６１１を切ってあ
る。このラインは０．５ＧＨｚ以下の信号を通過させ
る。方向性結合器１０６から共振器１０１へ向かうライ
ンは途中で切断の空隙６１１が切ってあり、断たれたラ
イン間を１ｐＦほど以下の容量素子６１２で接続し、減
結合器を構成している。また、図１０にはバイアス回路
が共振器のラインと接続され、試料下部に設けられた電
極がグランドに接続されて試料１０４にバイアスをかけ
る構成を示している。

【００５８】図１１は本発明の第７の実施の形態による
走査型マイクロ波顕微鏡に用いられるマイクロ波共振器
を示す構成図であり、一端に先鋭な先端部を持つ導体を
装着した共振器に着脱可能な先端部の構成の例を同軸共
振器の場合について示すものである。ＳＭＡ（又はＫコ
ネクタ）に適合する嵌合部分を有し、内側にプローブ７
０１（長さ約１０ｍｍ、０．５ｍｍφのタングステンワ
イアの一端を電気化学エッチにより先鋭化したもの）を
中心導体として挿入する嵌合金属部７０２を有する。中
心導体を構成するプローブ７０１と嵌合金属部７０２の
周囲はテフロン７０３が設けられ、その周囲をさらに外
部導体７０４が囲んでいる。

【００５９】これらの各部の形状は、図示のように緩や
かな段差で絞られ、プローブ７０１の先端の目視を容易
にしている。実際の測定において共振器の先端の磨耗は
避けられないことから、共振器が先鋭な先端部を維持す
るために着脱可能な構造は必須である。同軸ケーブルを
基本とする共振器を用いた本実施の形態に限らず、コプ
ラナー導波路、ストリップライン導波路等を用いた共振
器においても同様である。

【００６０】

【発明の効果】本発明による走査型マイクロ波顕微鏡に
よれば、マイクロ波共振器の先端部と試料との間の距離
を十分に微小に一定に制御することができ、高解像度を
得ることができる。

【００６１】また、本発明によるマイクロ波共振器によ
れば、共振器の先端部の目視が容易になり、磨耗を監視
して交換することにより、常に先鋭な先端部を維持して
高解像度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態による走査型マイ
クロ波顕微鏡を示すブロック図である。

【図２】 共振周波数近傍における共振系からの反射係
数を示す特性図である。

【図３】 共振器と試料との距離に対する合成容量を示
す特性図である。

【図４】 位相振幅検出回路の構成例を示すブロック図
であり、（ａ）は第１の構成例を示し、（ｂ）は第２の
構成例を示す。

【図５】 本発明の第２の実施の形態による走査型マイ
クロ波顕微鏡を示すブロック図である。

【図６】 本発明の第３の実施の形態による走査型マイ
クロ波顕微鏡を示すブロック図である。

【図７】 本発明の第４の実施の形態による走査型マイ
クロ波顕微鏡を示すブロック図である。

【図８】 本発明の第５の実施の形態による走査型マイ
クロ波顕微鏡を示すブロック図である。

【図９】 本発明の第６の実施の形態による走査型マイ
クロ波顕微鏡を示すブロック図である。

【図１０】 ストリップラインによる低域濾波回路と減
結合器の構成例を示す構成図である。

【図１１】 本発明の第７の実施の形態によるマイクロ
波共振器を示す構成図である。

【符号の説明】

１０１ マイクロ波共振器（Ｒ） １０２ マイクロ波共振器の先端部 １０３ マイクロ波発振器（ＳＧ） １０４ 試料 １０５ ピエゾチューブ（Ｐ） １０６、５０２ 方向性結合器（ＤＣ） １０７ 減結合器 １０８ 表示装置 １１０ ダイオード １１１、４０１、５０１、６０１ 発振器 １１２、１１４、２０５、２０７、４０２、５０６ 加
算器 １１３ 位相振幅検出回路（ＰＡＤ） １１５、２０８ 帰還増幅器 １１６、２０４ 低域濾波器 ２０１ 第１発振器 ２０２ 第２発振器 ２０３、４０３、５０４、６０３ ロックインアンプ ２０６ 乗算器 ３０１ Ａ／Ｄ変換器 ３０２ Ｄ／Ａ変換器 ３０３ デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ） ３０４ パーソナルコンピュータ（ＰＣ） ４０４、５０５ 増幅器 ５０３ ダブルバランスドミキサ ６０２ バンドパスフィルタ ７０１ プローブ ７０２ 嵌合金属部 ７０３ テフロン ７０４ 外部導体 Ｓ／Ｈ サンプルホールド回路 Ｄｆ 差動増幅器 Ａｖ 平均回路 Ｓｗ スイッチ

Claims (40)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波共振器と、このマイクロ波共
   振器を励振する励振手段と、前記マイクロ波共振器の共
   振状態に関する量を検出し第１の検出量を出力する第１
   の検出手段と、前記マイクロ波共振器の中心導体に接続
   される先鋭な先端部とを有し、前記先端部と対向する試
   料面上を前記先端部により走査して前記第１の検出量を
   画像化する走査型マイクロ波顕微鏡において、 前記先端部と試料面との間の距離に微小な変化を与える
   距離変化手段と、 前記距離の変化に応じた前記第１の検出量の変化を検出
   し第２の検出量を出力する第２の検出手段と、 前記第２の検出量を用いて前記先端部と試料面との平均
   距離を一定に制御する制御手段とを設けたことを特徴と
   する走査型マイクロ波顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記第２の検出量を用いて前記制御手段
   で得られる制御信号を画像化する表示手段を設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記第２の検出量は、前記距離の変化に
   関する第１の検出量の差分値であることを特徴とする請
   求項１又は２記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記第２の検出手段は、前記第１の検出
   量の変化において前記微小な変化以前の前記距離に比べ
   前記距離が縮小している位相と拡大している位相とにお
   ける前記第１の検出量の変化の振幅又は変化の平均を検
   出し第３の検出量としてこれを出力する第３の検出手段
   と、前記二つの位相の間における前記第３の検出量の差
   を検出しこれを第４の検出量として出力する第４の検出
   手段とを有し、前記制御手段は、前記第４の検出量を用
   いて前記平均距離を一定に制御することを特徴とする請
   求項１又は２記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記第３の検出手段は、前記微小な変化
   以前の距離に相当する時であって前記距離の縮小が始ま
   る時の前記第１の検出量の第１の測定値と縮小している
   位相における各時刻の前記第１の検出量の第２の測定値
   との差を検出し、次に前記微小な変化以前の距離にあっ
   て前記距離の拡大し始める時の前記第１の検出量の第３
   の測定値と、拡大している位相における第１の検出量の
   第４の測定値との差を検出し、次にこのように検出され
   た前記微小変化に応答する前記第１の検出量のそれぞれ
   の位相における符号付の振幅を平均するとともに平均の
   振幅の差を検出することを特徴とする請求項４記載の走
   査型マイクロ波顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記第３の検出手段は、前記微小な変化
   以前の距離に相当する時であって前記距離の縮小あるい
   は拡大が始まる時の前記第１の検出量をサンプルするた
   めのサンプルホールド回路と、前記変化以前の距離より
   縮小あるいは拡大している位相における各時刻の第１の
   検出量の測定値とそれぞれの位相の始まる時の前記サン
   プル値との差、即ち、各時刻における第１の検出量の符
   号付の振幅を検出するための差動増幅回路と、各位相に
   おける第１の検出量の符号付の振幅の長時間平均を取る
   ための平均回路とを有することを特徴とする請求項４記
   載の走査型マイクロ波顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記第３の検出手段は、前記微小変化に
   関する前記距離の縮小する位相と拡大する位相それぞれ
   における前記第１の検出量の符号付の振幅信号をその位
   相により分割し、それぞれの位相における前記振幅を平
   均し、次にそれぞれの位相における平均の振幅の差を検
   出することにより前記位相に依存する前記第１の検出量
   の振幅の差を検出することを特徴とする請求項４記載の
   走査型マイクロ波顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記第３の検出手段は、前記微小な変化
   以前の前記距離に相当し前記距離の縮小あるいは拡大が
   始まる時の前記第１の検出量をサンプルするためのサン
   プルホールド回路と、前記変化以前の距離より縮小ある
   いは拡大している位相における各時刻の第１の検出量の
   測定値とそれぞれの位相の始まる時の前記サンプル値と
   の差、即ち、各時刻における前記量の変化の振幅を検出
   するための差動増幅回路と、前記縮小あるいは拡大して
   いる位相に応じて各時刻の振幅信号を振り分けるための
   スイッチング回路と、各位相で振り分けられた時々刻々
   の振幅信号の長時間平均を取るための平均回路と、各位
   相の平均振幅の差を取るための差動増幅回路とを有する
   ことを特徴とする請求項４記載の走査型マイクロ波顕微
   鏡。
9. 【請求項９】 第２の検出手段は、前記第１の検出量の
   前記距離に関わる差分値の比あるいは差分値の差を得る
   ようになされ、前記制御手段は、前記差分値の比あるい
   は差分値の差を用いて前記平均距離を一定に制御するこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の走査型マイクロ波
   顕微鏡。
10. 【請求項１０】 前記距離変化手段として、少なくとも
    １つ以上の周波数で特徴づけられる周期的な変化を与え
    る手段と、この周期的変化に起因する前記共振状態に関
    する量の変化を検出するための前記周波数の周期に同期
    した一つ以上の第５の検出手段とを有し、前記制御手段
    は、前記第５の検出手段により得られる信号を平均距離
    に帰還し制御することを特徴とする請求項１又は２記載
    の走査型マイクロ波顕微鏡。
11. 【請求項１１】 前記共振器の先端と試料との距離をΔ
    ｚ＝ａ・ｓｉｎ（ωｔ）、（ａは定数、ωは角周波数、
    ｔは時間）のように微小変化させ、前記距離の縮小ある
    いは拡大している位相に相当するωの位相に依存した前
    記共振状態に関する量あるいはこの量のそれぞれの位相
    にわたる平均を用いて前記先端部と試料面との距離平均
    値を制御することを特徴とする請求項１０記載の走査型
    マイクロ波顕微鏡。
12. 【請求項１２】 前記先端部と試料との距離ΔｚがΩ≫
    ωであるところのΩとωを用いてΔｚ＝ａ・ｓｉｎ（ω
    ｔ）｛１＋ｂｓｉｎ（Ωｔ）｝、（ａ、ｂは定数、ω及
    びΩは角周波数、ｔは時間）のように微小変化させ、前
    記共振状態に関する量の変化を、Ωの位相でロックイン
    検波した信号を用いて前記先端部と試料との距離の平均
    値を制御することを特徴とする請求項１０記載の走査型
    マイクロ波顕微鏡。
13. 【請求項１３】 前記距離変化手段が、微小変化を指示
    するデジタル値をアナログ値へ変換するＤ／Ａ変換手段
    を有し、前記第２の検出手段が、前記共振状態に関する
    信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器手段を有し、前記微
    小変化を指示するデジタル値を生成し、前記共振状態に
    関する信号のデジタルデータを記憶し、記憶したデータ
    から前記距離に関わる差分値、差分値の比あるいは差分
    値の差を計算記憶し、差分値、差分値の比あるいは差分
    値の差から前記先端部と試料面との平均距離を制御する
    ためのデジタルデータを計算し前記Ｄ／Ａ変換器手段に
    送出するためのデジタルシグナルプロセッサを有するこ
    とを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の走
    査型マイクロ波顕微鏡。
14. 【請求項１４】 前記先端部と試料との距離ｚがｚ１、
    ｚ２、ｚ３の順により試料に近接した距離を与えると
    き、対応する前記共振状態に関する量をそれぞれｙ１、
    ｙ２、ｙ３とすれば差分値Ａ２１＝（ｙ２−ｙ１）／
    （ｚ２−ｚ１）、と差分値Ａ３２＝（ｙ３−ｙ２）／
    （ｚ３−ｚ２）において、差分値の比Ａ３２／Ａ２１を
    好ましくは１近傍の小さな定数αと比較し、αとの大小
    関係に応じて平均的な距離ｚ２をより試料面に近接ある
    いは離反させ、Ａ３２／Ａ２１を小さな定数αに保持す
    るような平均距離ｚ２に制御することを特徴とする請求
    項１３記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
15. 【請求項１５】 前記先端部と試料との距離ｚがｚ１、
    ｚ２、およびｚ３の順により試料に近接した距離を与え
    るとき、対応する前記共振状態に関する量をそれぞれｙ
    １、ｙ２、およびｙ３とすれば差分Ａ２１＝（ｙ２−ｙ
    １）／（ｚ２−ｚ１）、と差分Ａ３２＝（ｙ３−ｙ２）
    ／（ｚ３−ｚ２）において、これらの差Ｂ＝Ａ３２−Ａ
    ２１の値の正負に応じて平均的な距離ｚ２をより試料面
    に近接あるいは離反させ、差Ｂを小さな定数βとするよ
    うな平均的な距離に制御することを特徴とする請求項１
    ３記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
16. 【請求項１６】 前記距離変化手段は、電気信号から変
    位へ変換する変換素子を用いることを特徴とする請求項
    １〜１５の何れか１項に記載の走査型マイクロ波顕微
    鏡。
17. 【請求項１７】 前記距離変化手段は、前記先端部に圧
    電素子を有し、この素子の振動を用いて前記共振器の先
    端の微小変位を起こして試料との距離に微小な変化を与
    えることを特徴とする請求項１６記載の走査型マイクロ
    波顕微鏡。
18. 【請求項１８】 前記距離変化手段は、前記試料を保持
    する機構に圧電素子を有し、この素子の変形を用いて試
    料面の微小変位を起こして先端部と試料面との距離に微
    小な変化を与えることを特徴とする請求項１６記載の走
    査型マイクロ波顕微鏡。
19. 【請求項１９】 前記先端部と試料面との距離に微小な
    変化を与えるための変位と、平均距離を制御するための
    変位とが一つの変換素子により実現されることを特徴と
    する請求項１６記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
20. 【請求項２０】 前記励振手段は、マイクロ波の周波数
    を変調させる変調手段と、その周波数変調に応じた前記
    共振状態に関する量の変化を検出する検出手段とを有
    し、共振状態の変化が共振周波数を中心とする微小な周
    波数幅内にあるように制御することを特徴とする請求項
    １〜１９の何れか１項に記載の走査型マイクロ波顕微
    鏡。
21. 【請求項２１】 前記マイクロ波周波数の変調が周期的
    であることを特徴とする請求項２０記載の走査型マイク
    ロ波顕微鏡。
22. 【請求項２２】 前記マイクロ波の周波数の変調が矩形
    波状、正弦波状、鋸歯状波状あるいは三角波状であるこ
    とを特徴とする請求項２０記載の走査型マイクロ波顕微
    鏡。
23. 【請求項２３】 前記共振状態に関する量が共振器への
    入射マイクロ波と共振器からの反射マイクロ波との位相
    差であることを特徴とする請求項１〜２２の何れか１項
    に記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
24. 【請求項２４】 前記励振手段および第１の検出手段
    は、電力分配器、方向性結合器、混成器および検波器を
    有し、励振電力のうち電力分配器の１の出力を方向性結
    合器を介して共振器に供給し、電力分配器の２の出力を
    混成器の１の入力に供給し、さらに共振器の共振状態に
    関する量は方向性結合器により入射マイクロ波と分離し
    て反射波として取り出し、混成器の２の入力に供給し、
    この混成器の出力を検波器に供給して入射マイクロ波と
    反射波の位相差に関する量を検出することを特徴とする
    請求項２３記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
25. 【請求項２５】 前記第１の検出手段に用いる電力分配
    器が方向性結合器であることを特徴とする請求項２４記
    載の走査型マイクロ波顕微鏡。
26. 【請求項２６】 前記励振手段および第１の検出手段
    は、電力分配器、方向性結合器、混成器および検波器を
    有し、励振電力のうち電力分配器の１の出力を方向性結
    合器を介して共振器に供給し、電力分配器の２の出力を
    混成器の１の入力に供給し、さらに共振器の共振状態に
    関わる量は方向性結合器により入射マイクロ波と分離し
    て反射波として取り出し、混成器の２の入力に供給し、
    この混成器の出力を検波器に供給して入射マイクロ波と
    反射波の位相差に関する量を検出することを特徴とする
    請求項２３記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
27. 【請求項２７】 前記試料に電場、磁場または力の場等
    の外場を加える手段を設けたことを特徴とする請求項１
    〜２５の何れか１項に記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
28. 【請求項２８】 前記外場の周期に同期して共振器の共
    振状態に関する量の応答を検出することを特徴とする請
    求項２７記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
29. 【請求項２９】 前記試料に電場を加える手段は、共振
    器の中心導体へのバイアス回路を有することを特徴とす
    る請求項２７又は２８記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
30. 【請求項３０】 前記試料に電場を加える手段は、試料
    の下部に電極を有し、この電極の電位がバイアス回路に
    よって決まることを特徴とする請求項２７又は２８記載
    の走査型マイクロ波顕微鏡。
31. 【請求項３１】 前記試料に電場を加える手段は、試料
    に低周波数の周期的な電場を与え、前記第１の検出手段
    は、前記電場の周期に同期して検出することを特徴とす
    る請求項２７又は２８記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
32. 【請求項３２】 共振器がライン部と着脱可能な先端部
    とから成り、前記先端部に一端を先鋭化した導体を有す
    ることを特徴とするマイクロ波共振器。
33. 【請求項３３】 同軸円筒型の共振器であって、その着
    脱可能な先端部に一端を先鋭化した導体を有することを
    特徴とする請求項３２記載のマイクロ波共振器。
34. 【請求項３４】 コプラナー型の同軸共振器であって、
    その着脱可能な先端部に一端を先鋭化した導体を有する
    ことを特徴とする請求項３２記載のマイクロ波共振器。
35. 【請求項３５】 ストリップライン型の同軸共振器であ
    って、その着脱可能な先端部に一端を先鋭化した導体を
    有することを特徴とする請求項３２記載のマイクロ波共
    振器。
36. 【請求項３６】 共振器がライン部と着脱可能な先端部
    とから成り、前記先端部に一端を先鋭化した導体を有す
    るマイクロ波共振器を用いることを特徴とする走査型マ
    イクロ波顕微鏡。
37. 【請求項３７】 前記共振器は同軸円筒型、コプラナー
    型の同軸共振器、ストリップライン型の同軸共振器の何
    れかであることを特徴とする請求項３６記載の走査型マ
    イクロ波顕微鏡。
38. 【請求項３８】 前記共振器はストリップライン型の同
    軸共振器であって、その着脱可能な先端部に一端を先鋭
    化した導体を有することを特徴とする請求項３６記載の
    走査型マイクロ波顕微鏡。
39. 【請求項３９】 前記試料と少なくとも共振器の先端部
    とが環境圧力制御の下、典型的には真空下あるいは超高
    真空下に置かれることを特徴とする請求項１〜３１、３
    ６〜３８の何れか１項に記載の走査型マイクロ波顕微
    鏡。
40. 【請求項４０】 前記試料と少なくとも共振器の先端部
    とが温度制御環境の下、典型的にはクライオイスタット
    下に置かれることを特徴とする請求項１〜３１、３６〜
    ３９の何れか１項に記載の走査型マイクロ波顕微鏡。