JP2005227139A - 原子間力顕微鏡用カンチレバー - Google Patents

Abstract

【課題】 原子間力顕微鏡ＡＦＭの容量などの物性値の検出感度を向上すること。
【解決手段】 たとえばダイナミックモードＡＦＭにおいて、シリコン単結晶を切削加工して製造された扁平な短冊状の直方体のカンチレバー２の長さ方向の途中に、幅方向に延びる溝６４を形成する。これによってカンチレバー２の１次共振角周波数ω１に対する２次共振角周波数ω２の比（ω２／ω１）を、６．３未満の値、たとえば２．８に小さくすることができる。したがって光てこ法によってカンチレバー２の変位または角度を検出する構成におけるフォトダイオード５の検出可能な周波数帯域４００ｋＨｚ以下で、ω１，ω２をできるだけ大きくし、感度を向上させることができる。しかも構成上の制約が緩やかにすることができ、物性計測を利用する２次共振における等価ばね定数を小さくし、またダイナミックモードＡＦＭにおいて、探針１・試料３間の距離制御に利用する１次共振のばね定数を適切な値に保つことにより、探針１と試料３との間の分子間力による凝着を防ぎ、安定した測定が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy、略称ＡＦＭ）に用いられるカンチレバーに関する。

典型的な先行技術は、特許文献１である。この先行技術に開示されたダイナミックモードにおける走査型容量原子間力顕微鏡（Scanning Capacitance Force Microscopy、略称ＳＣＦＭ）が開示される。このダイナミックモードＡＦＭでは、１次の共振角周波数ω１でカンチレバーを機械的に励振し、その振動振幅を一定に保つように探針・試料間距離制御を行い、試料から一定の距離で走査する。探針とカンチレバーとを含む機械的共振部には、共振現象によって振幅が大きく増幅される共振角周波数が存在する。このＳＣＦＭでは、探針と試料との間に印加する交番電圧の角周波数ωは、３ωが２次の共振角周波数ω２に一致するように、すなわちω２＝３ωとなるように、設定され、これによって静電引力によるカンチレバーの振動が、共振現象によって大きく増幅され、高感度な容量測定が可能になる。

図７８は、先行技術のカンチレバー７５の斜視図である。カンチレバー７５の振動するビーム部の先端部７６には探針７７が設けられ、基端部７８は、固定位置に固定される。カンチレバー７５の撓みの変位量を検出するには、光てこ法が用いられる。カンチレバー７５の背面の光反射領域７９にはレーザ光源から光８０が照射され、その反射光８１の変位が、フォトダイオードなどによって実現される受光素子８２によって検出される。商業的に入手可能な原子間力顕微鏡装置においては、受光素子８２を用いて良好なＳ／Ｎで変位量を検出可能な周波数帯域は、４００ｋＨｚ以下であり、カンチレバー７５が振動するそれ以上の周波数帯域の成分を、受光素子８２によって検出することは、困難である。

原子間力顕微鏡における検出可能な力の最小値はカンチレバーにおける熱揺動ノイズによって決定され、次式で表される（T.Albrecht,P.Grutter,and D.Rugar,J.Appl.Phys.69,668(1991)）。

ここで、ｋはカンチレバーのばね定数、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは測定帯域幅、ω_０はカンチレバーの共振角周波数、Ｑは共振の機械的Ｑ値をそれぞれ表す。この式から判るとおり、検出可能な力の最小値を減らすためには、カンチレバーの共振角周波数やＱ値を高く、またはばね定数を小さくすればよい。

図７８に示されるカンチレバー７５の２次共振角周波数ω２は、後述のように１次共振角周波数の６．３倍であり、すなわちω２＝６．３・ω１であり、したがって受光素子８２の検出可能な周波数帯域内に２次共振角周波数ω２が存在するには、１次共振角周波数ω１を６３ｋＨｚ（＝４００／６．３）未満に選ぶ必要がある。このように１次共振角周波数ω１を低く設定すると、式１より力検出感度が低下し、探針・試料間距離制御の精度が低くなり、上述したＳＣＦＭにおける物性値測定が困難となる。また、このカンチレバー７５がシリコン単結晶から成る場合、変位検出帯域内に２次共振角周波数ω２を有するカンチレバーを設計するためには、たとえばビーム部の長さＬ１を長くし、または厚みＴ１をできるだけ薄く形成し、そのばね定数ｋを１〜２Ｎ／ｍに小さく設定し、いわゆる軟らかいばねに構成しなければならない。このようにばね定数ｋが小さい構成では、式１によれば力検出感度が高くなり、１次共振角周波数ω１および２次共振角周波数ω２（＝６．３・ω１）を低く設定することができるが、その反面、測定時に探針の試料への凝着によ
り探針・試料間距離制御が不安定になりやすいという新たな問題が生じる。この凝着を避けるため、試料と探針の平均距離を近づけることができず、探針と試料のそれぞれの広い範囲で積分した相互作用で距離制御を行うことになり、結果として高分解能観察が困難となる。

一般に、試料表面は水などの凝着物で覆われていることが多く、そのモデル図を図７に示す。図７で液体の架橋による探針先端と試料表面との間で作用する引力は、
Ｆ_ａｄ ＝ （４πＲγｃｏｓθ）・（１＋Ｄ／ｄ） …（２）
と表される（A.W.Adamson,“Physical Chemistry of Surface”,3rd Ed.,Wiely(1976)）。Ｒは探針先端の曲率半径、Ｄは探針先端と試料表面の距離、γは液体における自由エネルギー変化を表す。ダイナミックモードＡＦＭで試料表面との吸着を回避するためには、
Ｆ_ａｄ ＜ ｋＡ_ＯＳＣ …（３）
を満たせばよい。ここでＡ_ＯＳＣはカンチレバーの振動振幅を表す。つまり、Ａ_ＯＳＣを小さくして試料と探針の平均距離を近づけて高分解能観察を行うためには、ｋを大きくする必要があることが判る。

図７８に示される先行技術において、カンチレバー７５の長さＬ１＝１８３μｍ、幅Ｗ１＝４０μｍ、厚みＴ１＝４μｍとしたとき、１次共振角周波数ω１＝１４３ｋＨｚであり、２次共振角周波数ω２＝９０５ｋＨｚであり、この２次共振角周波数ω２は、受光素子８２の検出可能な周波数帯域４００ｋＨｚの範囲を超える。したがって図７８に示される先行技術は、前述の多くの問題を有している。

図７９は、先行技術のダイナミックモードＳＣＦＭで用いられる図７８のカンチレバー７５の共振スペクトルである。前述のダイナミックモードＳＣＦＭでは、１次共振角周波数ω１を利用して探針・試料間のファンデル・ワールス力を検出し、２次共振角周波数ω２を利用して探針・試料間に加わる静電引力を検出する。これらの１次および２次の共振角周波数ω１，ω２の値が大きいほど、それらの力の検出感度は高くなる。

したがってカンチレバー７５の１次および２次共振角周波数ω１，ω２を、受光素子８２の検出可能な周波数帯域内で、できるだけ高く設定することができるようにし、しかも構造上の制限をできるだけ緩やかにして、ばね定数ｋを大きくし、安定したダイナミックモードＡＦＭにおける探針・試料間距離制御が行えるようにした原子間力顕微鏡用カンチレバーが、要求されている。

図８０は、図７８のカンチレバー７５の１次および２次共振角周波数ω１，ω２の関係を説明するための側面図である。カンチレバー７５の基端部７８よりも探針７７寄りの振動するビーム部は、細長い扁平な直方体状である。カンチレバー７５が自然状態で細長く延びる水平な長さ方向をｙ軸とし、このｙ軸を含む鉛直面内における上下方向をｚ軸とする座標系を設定し、カンチレバー７５の曲げモーメントをＭとし、断面２次モーメントをＩとし、ヤング率をＥとするとき、次式４が成り立つ。

剪断力Ｖ１はカンチレバー７５の曲げモーメントＭのｙ微分で表される。

カンチレバー７５のビーム部の長さ方向に垂直な断面積をＡとし、カンチレバー７５の密度をρとし、ｔを時間とするとき、カンチレバー７５の運動方程式
ｄＶ１ ＝ −ρＡｄｙｄ^２Ｚ／ｄ^２ｔ
が成り立ち、したがって

カンチレバー７５の共振角周波数ω１，ω２を求めるために、この微分方程式６の解を、固有関数
Ｚ（ｙ，ｔ）＝Ｚ（ｙ）〔ｃｏｓ（ω_ｍｔ＋φ）〕 …（７）
とする。ｍは自然数である。

式６をｙとｔの微分方程式に分け、
χ^４ _ｍ＝ω_ｍ ^２ρＡ／ＥＩ …（８）
と置くと、ｙの方程式は、

カンチレバー７５において、その基端部７８では、ｙ＝０、ｚ＝０、傾きｄＺ／ｄｙ＝０であり、
先端部７６では、ｙ＝Ｌ１であり、

であるので、式９を解くと、
χ_ｍ・Ｌ１ ＝ １．８７５、４．６９４、および７．８５５、… …（11）
が導かれる。
したがって

したがって先行技術の図７８に示されるカンチレバー７５の１次および２次共振角周波数の比（＝ω２／ω１）は、前述のように６．３であることが理解される。

原子間力顕微鏡ＡＦＭに関する先行技術は、特許文献２，３にも開示されているが、前述の問題点を解決するものではない。

特開２００３−１７２６８５ アメリカ特許６，０７９，２５５ アメリカ特許６，４６９，２９３Ｂ１

本発明の目的は、カンチレバーの１次および２次共振角周波数ω１，ω２を、予め設定された検出可能な周波数帯域内でできるだけ大きく設定して、容量などの物性値の測定感度を向上するとともに、構造上の制約を緩やかにして、ばね定数ｋを大きくし、たとえばダイナミックモードＡＦＭなどにおける探針と試料間の凝着を防ぐことができるようにした原子間力顕微鏡用カンチレバーおよびそれを用いた原子間力顕微鏡を提供することである。

本発明は、長さ方向の途中に薄肉部、透孔、切欠きなどの質量軽減部が形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバーである。

また本発明は、長さ方向の途中に、薄肉部、透孔または切欠きの少なくともいずれかが形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバーである。

また本発明は、１次共振角周波数ω１に対する２次共振角周波数ω２の比（ω２／ω１）が、６．３未満であることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバーである。

また本発明は、長さ方向に交差する方向に延びる溝が形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバーである。

また本発明は、探針に向って開放して長さ方向に延びるＵ字状透孔１０２，１０８が形成され、
前記透孔の長さ方向に延びる一対の透孔部分１０３，１１１間のビーム部１０５，１１３に、探針寄りに、長さ方向に交差する方向に延びる溝１１６，１１９が形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバーである。この溝１１６，１１９に代えて、厚み方向に貫通した透孔または切欠きなどの質量軽減部が形成されてもよい。

また本発明は、長さ方向に沿って、ビーム部の探針とは反対側の基端部寄りに、探針直上のビーム部の変位または角度を検出するための光反射領域６７が設けられることを特徴とする。

また本発明は、探針に向って開放して長さ方向に延びるＵ字状透孔１０２，１０８が形成され、
前記透孔の長さ方向に延びる一対の透孔部分間のビーム部１０５，１１３の探針とは反対側の基端部寄りに、探針直上のビーム部の変位または角度を検出するための光反射領域６７が設けられることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバーである。

また本発明は、全体の外形が、偏平な直方体、または探針に向って先細に形成されることを特徴とする。

本発明に従えば、原子間力顕微鏡用カンチレバーの全体の外形は、たとえば短冊状であって断面が矩形である長方形状であってもよく、または探針に向って先細状である、たとえば扁平な三角形の板状などであってもよく、その長さ方向の途中に、図１〜図６および図２２に示されるように薄肉部である溝が形成されてもよく、また図２３〜図３６に示されるように探針に向って開放したたとえばＵ字状などの透孔が形成されてもよく、さらに図３７〜図５８に示されるように薄肉部と透孔とが組合わされて形成されてもよく、図７７のように切欠き１７２が形成されてもよく、このようにしてカンチレバーに質量軽減部が形成される。カンチレバーに、たとえばこのような質量軽減部が形成されることによって、１次および２次共振角周波数ω１，ω２の比（＝ω２／ω１）を、前述の式１２に関連して述べた値６．３未満にすることができる。したがってカンチレバーの１次および２次共振角周波数ω１，ω２を、検出可能な周波数帯域、たとえば０〜４００ｋＨｚの範囲内で、できるだけ大きくし、これによって容量などの測定感度を高くすることができ、しかもカンチレバーのばね定数ｋをたとえば２Ｎ／ｍ以下の小さい値にすることなく、たとえばダイナミックモードＡＦＭなどにおける探針と試料間の凝着を防ぐことができ、探針・試料間距離制御における安定性を高めることができる。

また本発明は、前述の原子間力顕微鏡用カンチレバーを備える原子間力顕微鏡である。
また本発明は、前述の原子間力顕微鏡用カンチレバーと、
このカンチレバーの先端部に設けられる探針と試料との間に、交番電圧を印加して角周波数ωで振動する発振ループと、
前記カンチレバーの変位または角度を検出する検出手段と、
検出手段の出力に含まれる複数ｎ（ｎは２以上の自然数）次の角周波数ｎ・ωの高調波成分によって、物性値を測定する測定手段とを含むことを特徴とする原子間力顕微鏡である。

また本発明は、前記検出手段は、
カンチレバーに光を照射する光源と、
前記光源からの光がカンチレバーによって反射された反射光を受光し、カンチレバーの振動による反射光の変位量を検出する受光素子とを含む光てこ法による検出手段であることを特徴とする。

本発明に従えば、カンチレバーの変位または角度を検出する検出手段として、（１）図〜６７のように光てこ法によってカンチレバーの変位または角度を検出することができるが、本発明は、このような光てこ法に限られず、（２）図６８および図６９のようにＰＺＴ薄膜をカンチレバーに堆積し、その圧電性を利用してカンチレバーの撓みを検出するＰＺＴカンチレバーに関連しても実施することができ、（３）図７０および図７１のようにカンチレバーの基端部に設けたピエゾ抵抗センサーの電気抵抗が変化することを利用して、カンチレバーの変位を検出するピエゾ抵抗カンチレバーに関連して実施することができ、（４）図７２〜図７４の容量検出方式、または（５）図７５および図７６の光干渉方式などにも、本発明を実施することができる。

さらに本発明は、タッピングモード、ノンコンタクトモードおよびコンタクトモードのＳＣＦＭに関連して実施することができ、さらにタッピングモード、ノンコンタクトモードおよびコンタクトモードのケルビン表面力顕微鏡（Kelvin Probe-Force Microscopy、略称ＫＦＭ）に関連しても実施することができ、さらに走査型トンネル顕微鏡に関連しても実施することができ、さらにほかの種類の走査型プローブ顕微鏡に関連して本発明を実施することができる。すなわち、このカンチレバーはタッピングモードＳＣＦＭ、ノンコンタクトモードＳＣＦＭ、コンタクトモードＳＣＦＭ、タッピングモードＫＦＭ、ノンコンタクトモードＫＦＭおよびコンタクトモードＫＦＭなどの顕微鏡に関連して実施することができ、また走査型トンネル顕微鏡などに関連して実施することができ、このように本発明のカンチレバー２は、走査型プローブ顕微鏡に関連して広範囲に実施することができる。

本発明によれば、原子間力顕微鏡用カンチレバーの１次および２次共振角周波数ω１，ω２を、そのカンチレバーの変位または角度の検出可能な周波数帯域内で、できるだけ大きく設定し、その比（＝ω２／ω１）を、１を超え、６．３未満に小さくすることができるようになる。このように１次および２次共振角周波数ω１，ω２をできるだけ大きく設定することができることによって、測定感度の向上を図ることができる。またこれによってカンチレバーの構造上の制約を緩やかにし、物性値測定に用いる２次共振角周波数ω２におけるばね定数ｋをできるだけ小さくすることが容易となり、その結果、測定されるべき物性値の精度を向上し、さらに１次共振角周波数ω１におけるばね定数ｋをたとえば２Ｎ／ｍ以下の小さい値にすることなく、たとえばダイナミックモードＡＦＭなどにおける探針と試料間の凝着を防ぐことができ、探針・試料間距離制御における安定性を高めることができる。

こうして原子間力顕微鏡ＡＦＭにおける短冊状などのカンチレバーの振動における規準モード関数、固有振動数だけでなくカンチレバーに設けられた探針に作用する力によって発生する変位を表す等価ばね定数をも制御することができるようになる。本発明によれば、たとえば従来の図７８に示される短冊状である直方体状のカンチレバー７５の一部分を、たとえば集束イオンビームを照射することによって削り取り、たとえば前述のように溝６４を形成することによって、原子間力顕微鏡ＡＦＭにおける利用可能な周波数帯域内に固有振動数を有する振動モードを発生させ、この固有振動数において振動する力を検出することによって、原子間力顕微鏡ＡＦＭにおける、たとえば静電気力などの検出感度を飛躍的に高めることができるようになる。

走査型容量原子間力顕微鏡ＳＣＦＭなどによるカンチレバーに、たとえば集束イオンビーム加工装置を用いて厚みの異なる溝、透孔、切欠きなどの重量軽減部を形成し、１次および２次共振角周波数の比（＝ω２／ω１）を、１を超え６．３未満に選ぶことによって、たとえば半導体における不純物分布計測の高感度化および高分解能化が可能となり、静電気力などの検出による局所電子物性計測技術において、カンチレバーの構造パラメータによってその検出感度を向上することができることが、本件発明者によって確認された。

本発明のカンチレバーによれば、前述の計測技術における感度、分解能を飛躍的に向上することができ、原子・分子レベルでの電子物性解明に大いに貢献することができるようになる。また次世代半導体デバイスだけでなく、単一分子デバイスなどの次世代エレクトロニクスデバイスの開発を促進させることも期待される。

本発明のカンチレバーは、たとえば集束イオンビーム加工装置における集束イオンビーム照射による微細加工によって所望の部分を削ることでその部分の厚みを薄くして溝を作製することができる。加工個所、厚みは、たとえば有限要素法を用いた解析によって、最適化することが可能であり、このことは本件発明者によって確認されている。

こうして本発明の原子間力顕微鏡ＡＦＭを応用した様々な力学的局所電子物性計測技術の高感度化を実現するカンチレバーが実現される。

本発明によれば、原子間力顕微鏡用カンチレバーの固有の共振モードを利用して、試料の表面物性に関係した探針・試料間の相互作用力を、高感度に測定することが可能になる。本発明は、原子間力顕微鏡を応用したＫＦＭに関連して実施することができる。本発明のカンチレバーは、たとえばＳｉ単結晶から成ってもよいが、そのほかの材料から成ってもよく、導電性であってもよいが、電気絶縁性であってもよく、またレーザ光を用いて切削加工してもよいが、そのほかの手法で製造されてもよい。

図１は、本発明の実施の一形態の原子間力顕微鏡用カンチレバー２の斜視図である。カンチレバー２は、後述の図８〜図２１のタッピングモードＳＣＦＭに関連して実施される。

図２は図１に示されるカンチレバー２の平面図であり、図３はカンチレバー２の側面図であり、図４は図２の切断面線Ａ４−Ａ４から見た断面図であり、図５は図２の切断面線Ｂ５−Ｂ５から見た断面図であり、図６は図２の切断面線Ｃ６−Ｃ６から見た断面図である。カンチレバー２は、たとえばシリコン単結晶などの導電性材料から成り、探針１とともに一体的に、たとえば集束イオンビーム加工装置によって切削加工されて製造される。探針１もまた、カンチレバー２と同様に導電性である。このカンチレバー２は、先端部６２の試料３（後述の図１８および図１９参照）に臨む表面に探針１が突設され、基端部６３は固定位置に固定される。カンチレバー２の長さ方向（図１〜図３の左右方向）には、試料３に臨む表面に、質量軽減部である溝６４が、長さ方向に垂直方向に、すなわち幅方向に延びて形成される。この溝６４もまた、集束イオンビーム加工装置によって形成される。

本件発明者の実験によれば、カンチレバー２の基端部６３よりも先端部６２側の振動するビーム部の長さＬ２は、たとえば１８３μｍであり、幅Ｗ２は４０μｍであり、溝６４以外のビーム部の厚みＴ１は４μｍであり、溝６４では厚みＴ２＝１μｍである。溝６４の長さ方向に沿う長さＬ３は、たとえば３０μｍであってもよく、この溝６４は、カンチレバー２のビーム部の先端部６２の端部から長さ方向に距離Ｌ４が隔てられる。先端部６２の端面から溝６４までの長さ方向の距離Ｌ４は、たとえば２５μｍである。

この距離Ｌ４の範囲内で先端部６２の探針１と反対側の表面には、後述の図９に示されるように光源であるレーザーダイオード４からの光６５が照射され、その反射光６６を反射する光反射領域６７が設けられる。光反射領域６７は、先端部６２から溝６４の直上の領域に存在してもよく、さらに溝６４よりも基端部６３寄りに延在してもよい。

カンチレバー２のＳｉ単結晶材料は、密度２．３２８×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ヤング率１３０ＧＰａ、ポアソン比０．２８である。このカンチレバー２の１次共振角周波数ω１は、１３６ｋＨｚであり、２次共振角周波数ω２は、３９３ｋＨｚであり、１次共振角周波数ω１に対する２次共振角周波数ω２の比（ω２／ω１）は２．８であり、前述の先行技術に関連して述べた比６．３よりも小さい値になることが確認された。これによって２次共振角周波数ω２は、受光素子であるフォトダイオード５の良好なＳ／Ｎで検出可能な周波数帯域０〜４００ｋＨｚの範囲内に存在する。こうしてカンチレバー２の先端部６２付近に、溝６４を形成して質量を軽減し、比ω２／ω１をできるだけ小さい値に設定することが可能となる。探針１に加わる試料３との間の微小な相互作用力による先端部６２の振動が、カンチレバー２のビーム部では大きな振幅を有する振動に増幅され、これによって高感度な物性値の計測が可能になる。

図８は、走査型プローブ顕微鏡であるダイナミックモードＡＦＭの概略の電気的構成を示すブロック図である。この図８に示されるダイナミックモードＡＦＭは、タッピングモードＳＣＦＭであり、本発明の図１〜図６に示されるカンチレバー２が用いられる。探針１を備えたカンチレバー２の変位は、光源であるレーザーダイオード４、フォトダイオード５、差動増幅器６からなる変位検出装置によって検出することができる。駆動手段である圧電素子７に固定発振器８からの信号を印加することで、探針１を備えたばね力を有するカンチレバー２の振動を励起することができる。

固定発振器８の角周波数ω１に同期した振動成分の振幅は、探針１と試料３との相互作用による力に対応しており、この振幅を、ロックインアンプ９を用いて電圧に変換して検出することができる。探針１がカンチレバー２に充分近づくと、この振幅が減少するが、フィードバック回路１０を用いて、高域遮断フィルタ１１および高圧増幅器１２を通じて駆動される圧電素子を用いるＸＹＺ方向駆動機構１３によって、ロックインアンプ９の出力が予め定める設定値となるように、Ｚ方向の試料位置を調節することで、この振幅を一定に保つことができる。

この図８に示される走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡ＡＦＭであり、前述のカンチレバー２は、先端部６２に探針１を備え、圧電素子７によって実現される駆動手段によって、試料３に近接／離反する方向に固定発振器８の角周波数ω１で振動させられる。

ダイナミックモードＳＣＦＭの原理を以下に説明する。ダイナミックモードＳＣＦＭでは、ＡＦＭの探針１とたとえば半導体の試料３間に、周波数ωの交流バイアスＶを加える。そのとき探針試料系を平行平板金属系を仮定し、静電容量をＣとし、その平行平板に垂直な方向をＺとすると、探針・試料間に誘起される静電気力は次式１３で表される。

このとき探針１・試料３間に印加される電圧Ｖを直流成分Ｖｄｃと交流成分Ｖａｃとに分けると、式１４のとおりである。
Ｖ ＝ Ｖ_dc＋Ｖ_acｃｏｓωｔ …（14）
この電圧Ｖを印加すると、

となる。ここで、Ｖｄｃ＝０とした場合、

となる。

ここで試料３が半導体の場合、金属探針１、半導体試料３表面における酸化膜、半導体試料からＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）構造が構成される。このＭＯＳ構造に加える電圧Ｖと容量（Ｃ）の関係は、後述の図２０および図２１に示される。図２０および図２１では、半導体試料をｐ型およびｎ型とそれぞれ仮定し、電圧Ｖは試料に加えられたものとする。図２０の太い線４１および図２１の太い線４３は、試料の不純物濃度が高い場合を示し、細い線４２および４４は不純物濃度が低い場合を示す。試料３が半導体の場合、式１６の∂Ｃ／∂ｚは定数ではなく、印加電圧Ｖによって変調されているので、

で表されるように、角周波数ωで変調されていると考える。このため、静電引力Ｆは、

となり、

となる。したがって３倍高調波成分（３ω）の静電引力

が存在するため、３倍高調波成分（３ω）を検出することで、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像に相当する情報を得ることができる。

半導体試料３の不純物濃度が大きい場合、∂Ｃ／∂Ｖは小さくなり、不純物濃度が小さい場合、∂Ｃ／∂Ｖは大きくなるため、上記の３倍高調波成分（３ω）を検出することで半導体試料の不純物濃度分布を画像化することが可能となる。以上が、ＳＣＦＭの基本原理である。ＳＣＦＭおよびＫＦＭは、探針１および試料３間に働く静電気力によって誘起されたカンチレバー２の撓みを検出することによって、試料３の表面における２次元キャリア密度分布または２次元電位分布を画像化することができる。

本発明のカンチレバー２はまた、ケルビンプローブ表面力顕微鏡などの２次共振角周波数ω２を利用して高感度の物性値の測定を行う全ての場合に、実施することができる。

図９は、カンチレバー２とフォトダイオード５付近の構成を簡略化して示す図である。カンチレバー２は、静止した自然状態では破線７０で示される中立位置に存在し、振動によって参照符２ａ，２ｂで示されるように中立線７０の図９における上下に変位し、その変位する角度は、参照符θ１で示される。カンチレバー２の探針１ａ，１ｂ、したがってビーム部が、参照符２ａ，２ｂで示されるように小さな振幅ｄ１で振動することによって、レーザーダイオード４からの光６５は、光反射領域６７で反射し、反射光６６ａ，６６ｂの振動範囲で受光素子５の一対の受光領域６８，６９にわたって大きな変位量である振幅ｄ２で変位する。レーザーダイオード４からの光がカンチレバー２の背面の光反射領域６７に照射され、その反射光６６ａ，６６ｂは受光素子であるフォトダイオード５によって受光される。フォトダイオード５は、一対の前述の受光領域６８，６９を有する。受光領域６８，６９は、反射光６６ａ，６６ｂのカンチレバー２の振動による変位方向に隣接して形成される。

カンチレバー２の先端部６２の振幅ｄ１に比べて、反射光６６ａ，６６ｂの振幅ｄ２は大きく（ｄ１＜ｄ２）、この振幅ｄ２が、受光領域６８，６９によって検出される。カンチレバー２の中立位置７０の先端部６２とフォトダイオード５の受光領域６８，６９との間の距離は、参照符Ｌ５で示される。角度変化θが大きいほど、ｄ２／ｄ１は大きくなり、常にｄ２＞ｄ１である。つまり、カンチレバー２の微小な振動が、振幅ｄ１から大きな振幅ｄ２に増幅されて、フォトダイオード５で検出される。そのため、試料３の物性値を測定する際、微小な相互作用力によるカンチレバー２の振動を増幅して検出することができる。

フォトダイオード５の受光領域６８，６９上の振幅ｄ２は、ｄ２＝Ｌ５・tan ２・θ１であり、カンチレバー２の角度変化θ１が大きい共振モードが好ましい。

図１０は、フォトダイオード５に関連する電気回路を示す。各受光領域６８，６９の出力は、電流／電圧変換増幅回路７０に与えられてそれぞれ増幅され、その各出力は差動増幅器６に与えられる。これによってカンチレバー２の周期的変位を表す信号がライン７１から得られ、この信号は、ロックインアンプ９に前述のように与えられる。

図１１は、フォトダイオード５の受光領域６８，６９に反射光６６が照射された状態を示す正面図である。２つの光反射領域６７に照射して受光される反射光６６の断面は、たとえば円形であって、図１１では、斜線を施して示す。各受光領域６８，６９は、それぞれ受光される反射光６６の面積、したがって受光される光強度に対応したレベルを有する出力Ａ，Ｂを導出する。差動増幅器６の出力（＝Ａ−Ｂ）は、図１１（１）に示されるように２つの受光領域６８，６９に受光される光強度Ａ，Ｂが等しいとき、零である。図１１（２）に示されるように一方の受光領域６８の受光量が他方の受光領域６９に比べて大きいとき、差動増幅器６の出力（＝Ａ−Ｂ）は正であり、その逆である図１１（３）では負である。このような２つの受光領域６８，６９の受光量の差（＝Ａ−Ｂ）に対応するレベルを有する電気信号がライン７１から導出されることになる。

したがって反射光６６が図９の参照符６６ａ，６６ｂで示される振幅ｄ２が大きいほど、差動増幅器６の出力は大きくなり、検出感度が向上されることになる。本発明のカンチレバー２は、このような反射光６６ａ，６６ｂの振幅ｄ２をできるだけ大きくし、検出感度を向上する働きを果たす。

ＸＹＺ方向駆動機構１３によって、水平な図１の紙面に垂直である仮想平面内のＸＹ方向へ試料３の表面上を走査しながら、試料３の上面の凹凸に応じて探針１と試料３とを結ぶ仮想直線の延びる図１の上下方向であるＺ方向の試料位置を調節する。ロックインアンプ９の出力は、探針１と試料３との相互作用による力に対応し、この力に対応した電圧が、予め定める設定値となるように、フィードバックコントローラ７２におけるフィードバック回路１０の出力が得られる。駆動機構１３は、Ｚ方向の移動を行う。フィードバック回路１０からのＺ方向駆動用の制御電圧を、表示手段に表面形状像１４として表示することができる。

固定発振器１５から角周波数ωの交流電圧を探針１・試料３間に印加し、すなわち試料３と接地間に印加し、角周波数ωを逓倍器１６を用いて逓倍して得られた参照信号Ｖ_refに同期した静電引力の３倍高調波（３ω）成分を、ロックインアンプ１７を用いて検出することで、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像１８が得られる。ロックインアンプ１７は、逓倍器１６からの出力である参照信号Ｖ_refに同期した差動増幅器６の出力成分を取り出して抽出し、表示手段に与え、微分容量像１８を得る。本発明の実施の他の形態では、逓倍器１６とロックインアンプ１７との組合せは、角周波数３ωの成分を通過するバンドパスフィルタによって実現されてもよい。

図１２は、本件発明者の実験によるカンチレバー２の探針１側から見た顕微鏡写真である。溝６４が形成されたビーム部の厚みＴ２は、前述のようにたとえば１μｍである（図１参照）。

図１３は、図１〜図１２に示される実施の形態における角周波数を説明するためのスペクトル図である。図１３に示すように、探針１とカンチレバー２とを含む機械的共振部には、共振現象によって振幅が大きく増幅される周波数（共振角周波数）があり、ダイナミックモードＡＦＭでは、固定発振器８の周波数は、カンチレバー２の１次自由共振角周波数ω１に設定している。３ωが２次自由共振角周波数ω２に一致するように（ω２＝３ω）、ωを設定することで、静電引力によるカンチレバーの振動が共振現象によって大きく増幅されるので、高感度で物性値の測定が可能となる。ω１は、たとえば２９．８１ｋＨｚであり、ω２は、８３．４ｋＨｚ（＝２９．８×２．８）である。

たとえばカンチレバー２が前述のように短冊形であり、１次自由共振角周波数ω１が１３６ｋＨｚであり、２次自由共振角周波数ω２が３９３ｋＨｚであるとする。この場合、ωを１３１ｋＨｚとし、これと位相同期した３９３ｋＨｚの振幅位相特性をロックインアンプ１７等を用いて位相検波することで、表示手段によって微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像１８が得られる。

図１４は、本件発明者の実験結果を示す図である。図１に示すカンチレバー２の溝６４の長さＬ３を変化したとき、カンチレバー２の共振角周波数ω１，ω２が、参照符８５，８６でそれぞれ示されるように変化し、その比ω２／ω１はライン８７で示されるように変化し、その比ω２／ω１＝２．８で、最小値となり好ましい。

図１５は、カンチレバー２の振動の周波数と振動の振幅ｄ１とを示す図である。カンチレバー２に溝６４が形成されないとき、２次共振角周波数ω２は、破線８８で示されるように、比ω２／ω１＝６．３である。溝６４が形成されることによって、参照符８９で示されるようにω２＝２．８・ω１に設定される。この２次共振角周波数ω２は、フォトダイオード５および差動増幅器６などを含む電気回路の検出可能な周波数帯域９０の範囲内にあり、この範囲９０は、たとえば０〜４００ｋＨｚである。先行技術では、２次共振角周波数は参照符８８で示されるように検出可能な周波数帯域の範囲９０よりも高く、したがって２次共振角周波数ω２を検出することは不可能である。本発明は、この問題を解決する。

図１６は、図１の本発明の実施の一形態のカンチレバー２と前述の図７８に示される従来からのカンチレバー７５との１次共振角周波数ω１による変位を示すグラフである。図１の本発明の実施の一形態のカンチレバー２は、特性９１を示し、図７８の先行技術のカンチレバー７５の特性は参照符９２で示される。本発明のカンチレバー２によれば、先端部６２における変位量である振幅ｄ１が大きいことが判る。

図１７は、図１に示される本発明の実施の一形態のカンチレバー２と図７８に示される先行技術のカンチレバー７５の２次共振角周波数ω２の変位を示す図である。本発明の実施の一形態のカンチレバー２の特性は参照符９３で示され、先行技術のカンチレバー７５の特性は参照符９４で示される。本発明によれば特性９３で示されるように、カンチレバー２の先端部６２付近では、参照符９５で示される溝６４よりも先端部６２側で、角度が大きく変化し、これによって反射光６６の振幅ｄ２が、先行技術に比べて大きく向上されることが理解される。すなわちカンチレバー２の溝６４が形成された位置におけるばね定数は小さく、したがって探針１が設けられた先端部６２は、溝６４よりも基端部６３寄りの残のビーム部に対して比較的大きな角度で屈曲し、これによって反射光６６ａ，６６ｂ間の振幅ｄ２を大きくすることができる。

図１８は試料３の平面図であり、図１９は本件発明者の実験による図１８の試料３のノンコンタクトモードＳＣＦＭ像である。この試料３は、Ｓｉ基板上にｐ形、ｎ形、ｎ^＋形の各領域のパターニングが施されたものである。試料３を用い、前述のダイナミックモードＳＣＦＭの実験を行い、カンチレバー２の持つ固有の共振モードが、高感度の力検出測定に適していることが確認された。こうしてカンチレバー２を用いてダイナミックモードＳＣＦＭ測定を行った結果、図７８に示される先行技術のカンチレバー７５を用いた構成に比べて、ＳＣＦＭ測定において同じＳ／Ｎを得るために必要となる測定電圧Ｖａｃを、先行技術に比べて１／４程度に抑えることが可能になった。測定電圧を過大に加えると、試料３の表面状態を変化させてしまう場合がある。例として、観察試料３が半導体の場合では、測定電圧Ｖａｃが大きいと、試料３の表面の酸化膜に電流が流れ、酸化膜内部にトラップ準位を生成してしまい、その結果、ＳＣＦＭおよびＫＦＭ測定を行う場合、測定結果の定量的な評価が困難になる。本発明は、前述のように測定電圧Ｖａｃを低下することができるようにし、この問題を解決する。

図２０は、図１〜図１７に示される実施の形態において、図１８および図１９の試料３を用い、探針１を接地電位とし、Ｓｉである試料３のｐ型半導体領域に固定発振器１５から電圧Ｖを印加した場合の容量変化のグラフである。太い線４１は試料３にドープされた不純物濃度が高い場合を示し、細い線４２は低い場合に相当する。容量（Ｃ）は試料３に印加した電圧Ｖが正電圧側に振れたときに大きくなり、負電圧側に振れたときに小さくなる。つまり、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）の符号は正となり、その絶対値│∂Ｃ／∂Ｖ│の大きさから不純物濃度を知ることができる。

また図２１は、図１〜図１７に示される実施の形態において、図１８および図１９の試料３を用い、探針１を接地電位とし、Ｓｉのｎ型半導体である試料３に固定発振器１５から電圧Ｖを印加した場合の容量変化のグラフである。太い線４３は、試料３にドープされた不純物濃度が高い場合を示し、細い線４４は、低い場合に相当する。容量（Ｃ）は試料に印加した電圧Ｖが正電圧側に振れたときに小さくなり負電圧側に振れたときに大きくなる。つまり、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）の符号は負となり、その絶対値│∂Ｃ／∂Ｖ│の大きさから不純物濃度を知ることができる。

図２０および図２１において、固定発振器１５から前述のように角周波数ωの信号４５が探針１と試料３との間に印加されて入力されるとき、ロックインアンプ１７の３倍高調波３ωの成分である波形４６，４７；４８，４９の振幅位相特性が検出され、その振幅に依存した試料３のドープされた不純物濃度を検出することができる。

試料３は前述のようにたとえばＳｉ単結晶半導体であり、導電性を有し、その表面には、ＳｉＯ₂が形成されてもよい。本発明の実施の他の形態では、カンチレバー２はばね定数を前述のように等価的小さく選ぶことによって、感度の向上を図ることができる。像１４，１８は、液晶パネルまたは陰極線管などによって実現される表示手段によって表示され、これらの参照符号１４，１８を用いて表示手段を表すことがあり、このことは後述の参照符３６に関しても同様である。

図２２は、本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバーの斜視図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきは、この実施の形態では、溝９８は、探針１と反対側の図２２における上面に臨んで形成される。そのほかの構成は前述の実施の形態と同様である。

図２３は本発明の実施の他の形態のカンチレバー１０１の平面図であり、図２４は図２３に示されるカンチレバー１０１の側面図である。さらに図２５は、図２３の切断面線Ａ２５−Ａ２５から見た断面図であり、図２６は図２３の切断面線Ｂ２６−Ｂ２６から見た断面図であり、図２７は図２３の切断面線Ｃ２７−Ｃ２７から見た断面図であり、図２８は図２３の切断面線Ｄ２８−Ｄ２８から見た断面図である。注目すべきはこの実施の形態では、その全体の形状が扁平な矩形板の直方体状であるカンチレバー１０１の先端部６２に、探針１が固定されており、このカンチレバー１０１には、厚み方向に貫通したＵ字状の透孔１０２が形成される。この透孔１０２は、カンチレバー１０１の長手方向に沿って延びる一対の直方体状空間を形成する長孔部１０３と、これらの長孔部１０３を基端部６３で連結する連結孔部１０４とを含む。こうして透孔１０２によって囲まれた大きく振動するビーム部１０５が形成される。透孔１０２は、前述のようにＵ字状であって、探針１に向って開放している。長孔部１０３よりも幅方向外方側には、一対のアーム部１１０が形成される。

図２９は、図２３〜図２８に示されるカンチレバー１０１の振動時の状態を示す図である。ビーム部１０５は、透孔１０２の長孔部１０３の探針１側の端部付近の領域１０６を中心にしてヒンジの作用が果たされ、ビーム部１０５の基端部６３寄りの光反射領域６７が、探針１の変位に対応して大きな振幅ｄ２となるように、振動する。したがってこの光反射領域６７に光６５が照射されることによって、反射光６６は大きな振幅ｄ２で変位することになり、検出感度を向上することができる。このように透孔１０２は、質量軽減部としての働きを果たし、探針１の振動の振幅を大きくする働きをも果たす。

図３０は本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバー１０７の平面図であり、図３１は図３０に示されるカンチレバー１０７の側面図である。図３２は図３０の切断面線Ａ３２−Ａ３２から見た断面図であり、図３３は図３０の切断面線Ｂ３３−Ｂ３３から見た断面図であり、図３４は図３０の切断面線Ｃ３４−Ｃ３４から見た断面図であり、図３５は図３０の切断面線Ｄ３５−Ｄ３５から見た断面図である。このカンチレバー１０７は、先端部６２に向うにつれて基端部６３から先細に形成され、図３０に示される平面視で三角形である板状に形成される。透孔１０８は、探針１に向って開放し、対称面１０９に関して左右面対称に形成され、先端部６２に向って先軸の一対の細長い直角三角形状空間を形成する長孔部１１１と、これらの長孔部１１１の基端部６３で連なる連結孔部１１２とを含む。一対の長孔部１１１間に形成された細長いビーム部１１３には、基端部６３寄りで、光反射領域６７が形成される。長孔部１１１よりも幅方向外方側には、一対のアーム部１２０が形成される。この光反射領域６７には、光６６が照射され、反射光６５が、探針１の変位ｄ１によって大きく拡大された振幅ｄ２を有して反射される。

図３６は、図３０〜図３５に示されるカンチレバー１０７の振動状態を示す簡略化した斜視図である。探針１の先端部６２が振動することによって、ビーム部１１３の基端部６３寄りの端部では、光反射領域６７が、前述のように大きな振幅ｄ２で変位し、検出感度が向上されることになる。

図３７は本発明の実施の他の形態のカンチレバー１１５の平面図であり、図３８は図３７に示されるカンチレバー１１５の側面図であり、図３９は図３７の切断面線Ａ３９−Ａ３９から見た断面図であり、図４０は図３７の切断面線Ｂ４０−Ｂ４０から見た断面図であり、図４１は図３７の切断面線Ｃ４１−Ｃ４１から見た断面図であり、図４２は図３７の切断面線Ｄ４２−Ｄ４２から見た断面図である。この図３７〜図４２に示されるカンチレバー１１５は、前述の図２３〜図２８に示されるカンチレバー１０１に類似するが、注目すべきは透孔１０２の長孔部１０３間のビーム部１１３には、探針１寄りに、長さ方向に交差する方向、たとえば垂直に延びる溝１１６が形成される。

図４３は、図３７〜図４２に示されるカンチレバー１１５の振動状態を示す斜視図である。溝１１６が形成されたビーム部１１３は、大きな振幅ｄ１で変位し、これによって光反射領域６７では、光６５が大きな変位量で反射光６６で導かれる。こうして測定の検出感度を向上することができる。

図４４は本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバー１１８の平面図であり、図４５は図４４に示すカンチレバー１１８の側面図であり、図４６は図４４の切断面線Ａ４６−Ａ４６から見た断面図であり、図４７は図４４の切断面線Ｂ４７−Ｂ４７から見た断面図であり、図４８は図４４の切断面線Ｃ４８−Ｃ４８から見た断面図であり、図４９は図４４の切断面線Ｄ４９−Ｄ４９から見た断面図であり、図５０は図４４の切断面線Ｅ５０−Ｅ５０から見た断面図である。カンチレバー１１８は、前述の図３０〜図３６に関連して述べたカンチレバー１０７に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、ビーム部１１３には、この長さ方向に先端部６２寄りに、薄肉部である溝１１９が形成される。

図５１は、図４４〜図５０に示されるカンチレバー１１８の振動状態を示す斜視図である。ビーム部１１３に溝１１９が形成されることによって、その光反射領域６７が形成されるビーム部１１３の遊端部の振幅ｄ１が、大きく拡大され、これによって測定の感度が向上される。

図５２は本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバー１２１の平面図であり、図５３は図５２に示されるカンチレバー１２１の側面図であり、図５４は図５２の切断面線Ａ５４−Ａ５４から見た断面図であり、図５５は図５２の切断面線Ｂ５５−Ｂ５５から見た断面図であり、図５６は図５２の切断面線Ｃ５６−Ｃ５６から見た断面図であり、図５７は図５２の切断面線Ｄ５７−Ｄ５７から見た断面図である。この実施の形態は、前述の図２３〜図２９および図３７〜図４３の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきは、この実施の形態では、透孔１０２は、カンチレバー１２１の長さ方向に先端部６２から約１／２のみの長さに形成される。図５８は図５２〜図５７に示されるカンチレバー１２１の振動状態を示す図である。ビーム部１０５は、溝１１６の働きによって大きな振幅ｄ２を達成し、測定感度の向上を図ることができる。

図５９は、本発明の実施の一形態のダイナミックモードＡＦＭであるノンコンタクトモードＳＣＦＭの概略の構成を示すブロック図である。図５９の実施の形態の図１〜図５８の実施の各形態に対応する部分には、同一の参照符を付す。探針１を備えたカンチレバー２の変位はレーザーダイオード４、フォトダイオード５、差動増幅器６からなる変位検出装置によって検出することができる。差動増幅器６の出力であるカンチレバー２の変位信号を振幅制御回路１９によって振幅を増幅または減衰し、さらに位相シフト回路２０によって再び圧電素子７を駆動することで、いわば自励発振ループを形成することができ、カンチレバー２の１次自由共振角周波数ω１で発振させ続けることができる。

１次自由共振角周波数ω１は、探針１と試料３との相互作用による力に対応して変化し、この周波数の変化を、周波数検出回路５７を用いて電圧に変換して検出することができる。探針１が試料３に充分近づくと、引力によって角周波数ω１が減少し、また斥力によって増加するが、フィードバックコントローラ７２のフィードバック回路１０を用いて、高域遮断フィルタ１１および高圧増幅器１２を通じて駆動される圧電素子を用いるＸＹＺ方向駆動機構１３によって、周波数検出回路５７の出力が予め定める設定値となるように、Ｚ方向の試料位置を調節することで、この周波数を一定に保つことができる。振幅制御回路１９および周波数検出回路５７は、図５９に示されるようにフェイズ・ロック・ループ回路１２３によって実現される。位相シフト回路２０の出力は、図５９に示されるように、自動利得制御回路１２４に与えられ、この自動利得制御回路１２４の出力が圧電素子７に与えられるように構成されてもよい。

差動増幅器６の出力は位相同期ループ回路によって実現される周波数検出回路５７に与えられる。ＸＹＺ方向駆動機構１３によって、水平な図１の紙面に垂直である仮想平面内のＸＹ方向へ試料３の表面上を走査しながら、試料３の上面の凹凸に応じて探針１と試料３とを結ぶ仮想直線の延びる図５９の上下方向であるＺ方向の試料位置を調節する。周波数検出回路５７の出力は、探針１と試料３との相互作用による力に対応し、この力に対応した電圧が、予め定める設定値となるように、フィードバック回路１０の出力が得られる。駆動機構１３は、Ｚ方向の移動を行う。フィードバック回路１０からのＺ方向駆動用の制御電圧を、表示手段に表面形状像１４として表示することができる。

固定発振器１５から角周波数ωの交流電圧を探針１・試料３間に印加し、角周波数ωを逓倍器１６を用いて逓倍して得られた参照信号Ｖ_refに同期した静電引力の３倍高調波（３ω）成分を、ロックインアンプ１７を用いて検出することで、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像１８が得られる。ロックインアンプ１７は、逓倍器１６からの出力である参照信号Ｖ_refに同期した差動増幅器６または周波数検出回路５７の出力成分を取り出して抽出し、表示手段に与え、微分容量像１８を得る。本発明の実施の他の形態では、逓倍器１６とロックインアンプ１７との組合せは、角周波数３ωの成分を通過するバンドパスフィルタによって実現されてもよい。

図６０は、図５９に示されるノンコンタクトモードＳＣＦＭのスペクトル図である。角周波数３ωの成分を抽出する信号は、差動増幅器６の出力または周波数検出回路５７の出力であるが、これはスイッチ５８によって切り替えることができる。スイッチ５８を差動増幅器６の出力側に切り替えると、図１の実施例と同様に、３ωが２次自由共振角周波数ω２に一致するように（ω２＝３ω）、ωを設定することで、静電引力によるカンチレバーの振動が共振現象によって大きく増幅されるため、高感度で物性値の測定が可能となる。

また、周波数検出回路５７の出力は探針１と試料３との相互作用による力に対応しているため、スイッチ５８を周波数検出回路５７の出力側に切り替えると、周波数検出回路５７の出力における３倍高調波（３ω）成分を、ロックインアンプ１７を用いて検出することでも、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像１８が得ることができる。このとき、フィードバック回路１０を用いて、高域遮断フィルタ１１および高圧増幅器１２を通じて圧電素子を用いるＸＹＺ方向駆動機構１３を駆動することによって周波数検出回路５７の出力が予め定める設定値となるように、Ｚ方向の試料位置を調節しているが、この距離制御の応答帯域は約１ｋＨｚ程度であるため、クロストークを防ぎ、正しい表面形状像１４を得るためには、角周波数ωを約１ｋＨｚ以上に設定する必要がある。また、周波数検出回路５７の周波数検出応答帯域は通常約１０ｋＨｚ程度であり、３ωが約１０ｋＨｚ以下となるように角周波数ωを設定する必要がある。

この走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡ＡＦＭにおいて、カンチレバー２からの発振信号である差動増幅器６の出力信号は、圧電素子７を駆動制御する信号に対して９０度の位相遅れを生じる。この差動増幅器６の出力は、振幅制御回路１９によって増幅または減衰されて前述のように位相シフト回路２０に与えられ、ここで位相が９０度遅延されるとともに、反転され、このようにして圧電素子７に位相シフト回路２０からの信号が正帰還される。したがってカンチレバー２の機械的発振動作が継続される。周波数検出回路５７は、差動増幅器６の出力の周波数に対応した電圧を導出する。

図６１は、本発明の実施の他の形態のコンタクトモードＡＦＭの電気的構成を示すブロック図である。図６１の実施の形態の図１〜図６０の実施の形態に対応する部分には、同一の参照符を付す。探針１は試料３の表面に接触している。探針１を備えたカンチレバー２の変位はレーザーダイオード４、フォトダイオード５、差動増幅器６からなる変位検出装置によって検出することができる。探針１がカンチレバー２に接触すると、ばね力を有するカンチレバー２のたわみが、この変位検出装置によって検出され、フィードバック回路１０を用いて、高域遮断フィルタ１１および高圧増幅器１２を通じて駆動されるＸＹＺ方向駆動機構１３によって、差動増幅器６の出力が予め定める設定値となるように、Ｚ方向の試料位置を調節することで、この振幅を一定に保つことができる。ＸＹＺ方向駆動圧電素子１３によってＸＹ方向へ走査しながら、試料の凹凸に応じてＺ方向の試料３の位置を調節し、フィードバック回路１０からのＺ方向駆動用の制御電圧を、表面形状像１４として表示することができる。この図６１の実施の形態では、前述の圧電素子７は省略され、カンチレバー２の基端部は固定位置に固定される。

固定発振器１５から角周波数ωの交流電圧を探針１・試料３間に印加し、角周波数ωを逓倍器１６を用いて逓倍して得られた参照信号Ｖ_refに同期した静電引力の３倍高調波（３ω）成分を、ロックインアンプ１７を用いて検出することで、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像１８が得られる。ロックインアンプ１７は、逓倍器１６からの出力である参照信号Ｖ_{r ef}に同期した差動増幅器６の出力成分を取り出して抽出し、表示手段に与え、微分容量像１８を得る。本発明の実施の他の形態では、逓倍器１６とロックインアンプ１７との組合せは、角周波数３ωの成分を通過するバンドパスフィルタによって実現されてもよい。

図６２は、図６１に示される実施の形態における各周波数を説明するためのスペクトル図である。この図６２に示すように、探針１が試料３の表面と接触した状態において、探針１とカンチレバー２とを含む機械的共振部には、その探針１・試料３間相互作用によって決まる接触共振角周波数ωｃがあるため、３ωがωｃに一致するように固定発振器１５の角周波数ωを設定することで、静電引力によるカンチレバー２の振動が共振現象によって大きく増幅される。そのため、高感度で物性値の測定が可能となる。

図６３は、本発明の実施の他の形態のタッピングモードＫＦＭの電気的構成を示すブロック図である。この図６３の実施の形態は、前述の図１〜図６１の各実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。特にこの実施の形態では、探針１と試料３との間に作用する静電引力を打ち消すことにより、探針１と試料３との仕事関数に関する情報を得るよう構成される。固定発振器３１によって出力された角周波数ωｐの交流電圧Ｖｐは、加算器３２において反転増幅器３５からの出力である電圧（Ｖｄｃ）と加算されて試料１へ印加される。探針１と試料３の材料が異なる場合など、仕事関数の差である電圧（Ｖｃｐｄ）が存在し、静電引力は、

となる。ロックインアンプ３３によって角周波数ωｐの成分を検出し、フィードバック回路３４および反転増幅器３５によって、
Ｖ_cpd＋Ｖ_dc ＝ ０ …（22）
となるような電圧Ｖｄｃを調節することが可能である。このとき、
Ｖ_dc ＝ −Ｖ_cpd …（23）
となり、探針１と試料３の仕事関数の差を打ち消しながら、それに必要となる電圧を画像化することで、表面電位像３６を得ることができる。こうしてタッピングモードＫＦＭが実現される。

図６４は、図６３に示されるタッピングモードＫＦＭの周波数スペクトル図である。たとえば、図１〜図２１の実施例と同様に、ωｐが２次共振角周波数ω２に一致するように（ω２＝ωｐ）、ωｐを設定することで、静電引力によるカンチレバーの振動が共振現象によって大きく増幅されるので、高感度で表面電位の測定が可能となる。

図６５は、本発明の実施の他の形態のノンコンタクトモードＫＦＭの電気的構成を示すブロック図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。この実施の形態では、表面電位像３６を得るＫＦＭの構成は、前述の図６３および図６４に示される実施の形態と同様であり、固定発振器３１、加算器３２、ロックインアンプ３３、フィードバック回路３４、反転増幅器３５を含む。この構成は、前述の図５９および図６０の実施の形態に類似し、振幅制御回路１９、位相シフト回路２０、周波数検出回路５７、フィードバックコントローラ７２などを含み、表面形状像１４を得ることができる。図６５に示されるノンコンタクトモードＫＦＭの周波数スペクトルは、前述の図６４と同様である。

図６６は、本発明の実施の他の形態のコンタクトモードＫＦＭの電気的構成を示すブロック図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一参照符を付す。この実施の形態では、表面電位像３６を得るＫＦＭの構成は、前述の図６３および図６５に示される実施の形態と同様であり、固定発振器３１、加算機３２、ロックインアンプ３３、フィードバック回路３４および反転増幅器３５を含む。表面電位像３６と同時に表面形状像１４を得ることが可能であり、その構成は図６５に示される実施の形状に類似し、フィードバック回路１０、高域遮断フィルタ１１および高圧増幅器１２を含む。

コンタクトモードＫＦＭの周波数スペクトルは図６２と同様で、ωｐが接触共振角周波数ωｃに一致するように（ωｃ＝ωｐ）、ωｐを設定することで、静電引力によるカンチレバーの振動が共振現象によって大きく増幅されるため、高感度で表面電位の測定が可能となる。

図６７は、本発明の実施の他の形態の走査型トンネル顕微鏡ＳＴＭの電気的構成を示すブロック図である。この実施の形態は、前述の図１〜図６６の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。この図６７に示される実施の形態は、探針１と試料３間に流れるトンネル電流の大きさを一定に保つことにより、探針１・試料３間相互作用を一定に保つようにした構成を有する。試料３から探針１を備えたカンチレバー２へと流れる電流は電流−電圧変換回路３０によって検出され、フィードバック回路１０を用いて、高域遮断フィルタ１１および高圧増幅器１２を通じて駆動されるＸＹＺ方向駆動機構１３によってＺ方向の試料位置を調節し、このトンネル電流値を予め定める設定値に一定に保つことができる。ＸＹＺ方向駆動機構１３によってＸＹ方向へ走査しながら、試料３の凹凸に応じてＺ方向の試料３位置を調節し、フィードバック回路１０からのＺ方向駆動用の制御電圧を、表面形状像１４として表示することができる。この図８の実施の形態では、前述の圧電素子７は省略され、カンチレバー２の基端部は固定位置に固定される。

固定発振器１５から角周波数ωの交流電圧を探針１・試料３間に印加し、角周波数ωを逓倍器１６を用いて逓倍して得られた参照信号に同期した静電引力の３倍高調波（３ω）成分を、ロックインアンプ１７を用いて検出して振幅を求めることで、微分容量（∂Ｃ／∂Ｖ）像１８が得られる。本発明の実施の他の形態では、逓倍器１６とロックインアンプ１７との組合せは、角周波数３ωの成分を通過するバンドパスフィルタによって実現されてもよい。

さらに、３ωが１次または２次共振角周波数ω１・ω２に一致するように（すなわちω１＝３ω、またはω２＝３ω）、ωを設定することで、静電引力によるカンチレバーの振動が共振現象によって大きく増幅されるため、高感度で物性値の測定が可能となる。

図６８は、本発明の実施の他の形態のノンコンタクトモードＳＣＦＭの電気的構成を示すブロック図である。注目すべきはこの実施の形態では、前述の実施の各形態における光てこ法を実施するのではなく、カンチレバー２の変位または角度を検出するために、歪みセンサ１２７が用いられる。

図６９は、図６８に示されるカンチレバー２の拡大断面図である。カンチレバー２は、前述の図１〜図５８に関連して前述した構成と同様であり、重量軽減部である溝６４が形成されてもよく、または透孔が形成されていてもよい。カンチレバー２の探針１とは反対側の図６８および図６９の上方の表面には、歪みセンサ１２７が固定される。この歪みセンサ１２７は、ＰＺＴフィルム１２８と、その上下に設けられる各電極１２９，１３０を有し、ＰＺＴフィルム１２８がこれらの電極１２９，１３０によってサンドイッチされる。電極１３０は、カンチレバー２の探針１と反対側の表面に固定される。歪みセンサ１２７は、可撓性を有し、その変位量に対応した電流値を導出する構成を有する。カンチレバー２の変位するビーム部の長さＬ２は、たとえば５００μｍであってもよく、そのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。このようにＰＺＴカンチレバーを用いた図６８および図６９に示されるノンコンタクトモードＳＣＦＭでは、カンチレバー２に堆積されたＰＺＴフィルム１２８が弾性変形すると、電荷が発生し、それを定常的に検出することによって、試料３の表面形状だけでなく、電位、静電容量などの諸物性を計測することができる。

カンチレバー２はＳｉ単結晶から成り、探針１は、ＳｉＮ_４から成ってもよい。光てこ法に代わる図６８および図６９に示されるカンチレバー２に歪みセンサ１２７を備えた構成は、そのほかのタッピングモードおよびコンタクトモードの各ＳＣＦＭに関連して実施され、またタッピングモード、ノンコンタクトモードおよびコンタクトモードの各ＫＦＭに関連しても実施することができる。このようにＰＺＴカンチレバーを用いた図６８および図６９に示されるノンコンタクトモードＳＣＦＭでは、カンチレバー２に堆積されたＰＺＴフィルム１２８が弾性変形すると、電荷が発生し、それを定常的に検出することによって、試料３の表面形状だけでなく、電位、静電容量などの諸物性を計測することができる。

図７０は本発明の実施の他の形態のピエゾ抵抗カンチレバー１３１の底面図であり、図７１は図７０に示されるピエゾ抵抗カンチレバー１３１の側面図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。図７０および図７１の実施の形態では、歪みセンサを構成するピエゾ抵抗カンチレバー１３１が用いられる原子間力顕微鏡ＡＦＭが実現される。ピエゾ抵抗カンチレバー１３１のカンチレバー本体１３２には、前述の実施の形態と同様に重量軽減部である溝６４などが形成されてもよい。基端部６３は、切欠部１３３によって一対の基端部分１３４，１３５に分離され、固定部材１３６に電気的に絶縁されて固定される。基端部６３から探針１とともに撓んで変形するビーム部の切欠部１３３における端部には、ピエゾ抵抗素子１３７，１３８が設けられ、金属パッドから成る電極１３９，１４０が接続される。

カンチレバー本体１３２は、たとえば前述のようにＳｉ単結晶から成ってもよい。各電極１３９，１４０は、ホイートストンブリッジ回路１４１のライン１４２，１４３に接続されて、１辺を構成する。ホイートストンブリッジ回路１４１の他の３辺には、固定抵抗１４４〜１４６が接続される。ホイートストンブリッジ回路１４１の出力は、ライン１４７，１４８から差動増幅器１４９に与えられ、ピエゾ抵抗カンチレバー１３１のカンチレバー本体１３２の変形した変位量に対応する電位差（＝Ｖ１−Ｖ２）が、ライン７１に導出され、前述の原子間力顕微鏡ＡＦＭのために用いられる。ピエゾ抵抗素子１３７，１３８間では、図７０に示されるように電流１５０が流れる。

ホイートストンブリッジ回路１４１における抵抗１４６の抵抗値Ｒ１は、ピエゾ抵抗素子１３７，１３８の抵抗と同程度の参照抵抗であり、そのほかの抵抗１４４，１４５の抵抗値Ｒは、同一値である。ピエゾ抵抗カンチレバー１３１のビーム部が自然状態であって変形していないとき、ホイートストンブリッジ１４１の差動増幅器１４９に与えられる電位Ｖ１，Ｖ２は等しく、ライン７１の出力電圧は零である。ピエゾ抵抗カンチレバー１３１が変形したとき、ライン１４２，１４３間の抵抗値Ｒ１が、抵抗値（Ｒ１＋ΔＲ）に変化し、ホイートストンブリッジ回路１４１のバランスが崩れ、電位差（Ｖ１−Ｖ２）が発生する。こうして探針１と試料３との間に働く相互作用力をさらに対応したライン７１からの電気信号を導出することが可能になる。

図７０および図７１に示されるピエゾ抵抗カンチレバー１３１は前述の実施の形態と同様に、タッピングモードＳＣＦＭ、ノンコンタクトモードＳＣＦＭ、タッピングモードＫＦＭ、ノンコンタクトモードＫＦＭなどの原子間力顕微鏡ＡＦＭに関連して広範囲に実施することができる。

図７２は、本発明の実施の他の形態の容量検出方式の原子間力顕微鏡ＡＦＭの一部を示す図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。この実施の形態では、弾性カンチレバー２の先端部６２付近で、固定位置には探針１と反対側の表面に臨んで間隔をあけて電極１５２が配置される。この電極１５２は、たとえば矩形であってもよい。電極１５２は、金属製平行板であってもよい。

図７３は図７２のカンチレバー２の先端部６２付近の拡大断面図であり、図７４はカンチレバー２の先端部６２付近の拡大正面図である。電極１５２とカンチレバー２の基端部６３との間には、コンデンサ１５３とコイル１５４との並列回路が接続され、コイル１５４に誘導結合されたコイル１５５は、固定発振器１５６によって励振される。こうしてコンデンサ１５３とコイル１５４、およびカンチレバー２と電極１５２とによる容量で構成される発振回路１５７を、コイル１５５と固定発振器１５６とから成る外部同調回路１５８に結合させる。

探針１が試料３との間の相互作用力を受けて変位すると、発振回路１５７の周波数特性がシフトする。このとき発振回路１５７からの検出信号が変化し、その周波数を電圧に変換する変換回路１５９からライン７１には、周波数の偏位に対応した電圧を表わす信号が導出され、探針１の変位を検出することができる。こうして探針１と試料３との間に働く相互作用力を測定することができる。このような図７２〜図７４に示される容量検出方式によるカンチレバー２の変位または角度を検出することによって、タッピングモードＳＣＦＭ、ノンコンタクトモードＳＣＦＭ、タッピングモードＫＦＭおよびノンコンタクトモードＫＦＭなどに関連して、本発明が実施される。

図７５は本発明の実施の他の形態におけるカンチレバー２の変位または角度を検出するための光干渉方式の構成を示す系統図であり、図７６は図７５の実施の形態におけるカンチレバー２の先端部６２付近の拡大断面図である。光源であるＨｅ−Ｎｅレーザ源１６１からのレーザ光１６２は、偏光分離素子１６３によって偏光分離され、この変更分離されたレーザ光１６４は、光ファイバ１６５を経由し、その光ファイバ１６５の端面１６６では、図７６の参照符ＬＡ２で示されるように反射され、こうして端面１６６で反射されたレーザ光ＬＡ２が戻る。またレーザ光１６４は、端面１６６を出て、カンチレバー２の探針１と反対側の光反射領域６７で反射され、参照符１６７で示されるように反射光は再び端面１６６から光ファイバ１６５に入る。光反射領域６７で反射するレーザ光は、参照符ＬＢ２で示される。こうして光ファイバ１６５を戻るレーザ光１６８は、レーザ光ＬＡ２，ＬＢ２の干渉光であり、この干渉光１６８は、光ファイバ１６５を伝搬し、偏光分離素子１６３から光検出器１６９に与えられる。

干渉光１６８は、カンチレバー２の変位によって、レーザ光ＬＡ２，ＬＢ２の位相差が変化し、その位相差が干渉光１６８の光強度の変化となって現れ、光強度が光検出器１６９によって検出される。光検出器１６９の出力は、前述のライン７１に導出される。こうして光ファイバ１６５の端面１６６は、カンチレバー２の先端部６２の図７５および図７６の上方に間隔をあけて固定位置に設けられる。こうして探針１と試料３との間に働く相互作用力を測定することができる。図７５および図７６に示される光干渉方式の構成は、たとえば前述のようにタッピングモードＳＣＦＭおよびノンコンタクトモードＳＣＦＭ、タッピングモードＫＦＭおよびノンコンタクトモードＫＦＭなどの原子間力顕微鏡ＡＦＭに関連して実施することができる。

図７７は、本発明の実施の他の形態の斜視図である。カンチレバー１７１の探針１が設けられた先端部６２寄りには、幅が狭くなるように両側部に切欠き１７２が形成される。このような切欠き１７２によるカンチレバー１７１の重量軽減が行われて、カンチレバー１７１の１次および２次共振角周波数ω１，ω２の比（＝ω２／ω１）が、６．３未満となるように構成されてもよい。カンチレバー２のほかに、他の各種のカンチレバー９７，１０１，１１５，１１８，１２１，１７１なども図６８〜図７６の実施の各形態に関連して実施することができる。

本発明の実施の一形態の原子間力顕微鏡用カンチレバー２の斜視図である。 図１に示されるカンチレバー２の平面図である。 カンチレバー２の側面図である。 図２の切断面線Ａ４−Ａ４から見た断面図である。 図２の切断面線Ｂ５−Ｂ５から見た断面図である。 図２の切断面線Ｃ６−Ｃ６から見た断面図である。 カンチレバーと試料の凝着のモデル図である。 図７に示されるタッピングモードＳＣＦＭのさらに具体的な電気的構成を示すブロック図である。 カンチレバー２とフォトダイオード５付近の構成を簡略化して示す図である。 フォトダイオード５に関連する電気回路を示す。 フォトダイオード５の受光領域６８，６９に反射光６６が照射された状態を示す正面図である。 本件発明者の実験によるカンチレバー２の探針１側から見た顕微鏡写真である。 図１〜図１２に示される実施の形態における角周波数を説明するためのスペクトル図である。 本件発明者の実験結果を示す図である。 カンチレバー２の振動の周波数と振幅ｄ１とを示す図である。 図１の本発明の実施の一形態のカンチレバー２と前述の図７８に示される従来からのカンチレバー７５との１次共振角周波数ω１による変位を示すグラフである。 図１に示される本発明の実施の一形態のカンチレバー２と図７８に示される先行技術のカンチレバー７５の２次共振角周波数ω２の変位を示す図である。 試料３の平面図である。 本件発明者の実験による図１８の試料３のノンコンタクトモードＳＣＦＭ像である。 図１および図２に示される実施の形態において、探針１を接地電位とし、Ｓｉのｐ型半導体である試料３に固定発振器１５から電圧Ｖを印加した場合の容量変化のグラフである。

図１および図２に示される実施の形態において、探針１を接地電位とし、Ｓｉのｎ型半導体である試料３に固定発振器１５から電圧Ｖを印加した場合の容量変化のグラフである。 本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバーの斜視図である。 本発明の実施の他の形態のカンチレバー１０１の平面図である。 図２３に示されるカンチレバー１０１の側面図である。 図２３の切断面線Ａ２５−Ａ２５から見た断面図である。 図２３の切断面線Ｂ２６−Ｂ２６から見た断面図である。 図２３の切断面線Ｃ２７−Ｃ２７から見た断面図である。 図２３の切断面線Ｄ２８−Ｄ２８から見た断面図である。 図２３〜図２８に示されるカンチレバー１０１の振動時の状態を示す図である。 本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバー１０７の平面図である。 図３０に示されるカンチレバー１０７の側面図である。 図３０の切断面線Ａ３２−Ａ３２から見た断面図である。 図３０の切断面線Ｂ３３−Ｂ３３から見た断面図である。 図３０の切断面線Ｃ３４−Ｃ３４から見た断面図である。 図３０の切断面線Ｄ３５−Ｄ３５から見た断面図である。 図３０〜図３５に示されるカンチレバー１０７の振動状態を示す簡略化した斜視図である。 本発明の実施の他の形態のカンチレバー１１５の平面図である。 図３７に示されるカンチレバー１１５の側面図である。 図３７の切断面線Ａ３９−Ａ３９から見た断面図である。 図３７の切断面線Ｂ４０−Ｂ４０から見た断面図である。

図３７の切断面線Ｃ４１−Ｃ４１から見た断面図である。 図３７の切断面線Ｄ４２−Ｄ４２から見た断面図である。 図３７〜図４２に示されるカンチレバー１１５の振動状態を示す斜視図である。 本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバー１１８の平面図である。 図４４に示すカンチレバー１１８の側面図である。 図４４の切断面線Ａ４６−Ａ４６から見た断面図である。 図４４の切断面線Ｂ４７−Ｂ４７から見た断面図である。 図４４の切断面線Ｃ４８−Ｃ４８から見た断面図である。 図４４の切断面線Ｄ４９−Ｄ４９から見た断面図である。 図４４の切断面線Ｅ５０−Ｅ５０から見た断面図である。 図４４〜図５０に示されるカンチレバー１１８の振動状態を示す斜視図である。 本発明の実施のさらに他の形態のカンチレバー１２１の平面図である。 図５２に示されるカンチレバー１２１の側面図である。 図５２の切断面線Ａ５４−Ａ５４から見た断面図である。 図５２の切断面線Ｂ５５−Ｂ５５から見た断面図である。 図５２の切断面線Ｃ５６−Ｃ５６から見た断面図である。 図５２の切断面線Ｄ５７−Ｄ５７から見た断面図である。 図５２〜図５７に示されるカンチレバー１２１の振動状態を示す図である。 本発明の実施の一形態のダイナミックモードＡＦＭであるノンコンタクトモードＳＣＦＭの概略の構成を示すブロック図である。 図５９に示されるノンコンタクトモードＳＣＦＭのスペクトル図である。

本発明の実施の他の形態のコンタクトモードＳＣＦＭの電気的構成を示すブロック図である。 図６１に示される実施の形態における各周波数を説明するためのスペクトル図である。 本発明の実施の他の形態のタッピングモードＫＦＭの電気的構成を示すブロック図である。 図６３に示されるタッピングモードＫＦＭの周波数スペクトル図である。 本発明の実施の他の形態のノンコンタクトモードＫＦＭの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の他の形態のコンタクトモードＫＦＭの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の他の形態の走査型トンネル顕微鏡ＳＴＭの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の他の形態のノンコンタクトモードＳＣＦＭの電気的構成を示すブロック図である。 図６８に示されるカンチレバー２の拡大断面図である。 本発明の実施の他の形態のピエゾ抵抗カンチレバー１３１の底面図である。 図７０に示されるピエゾ抵抗カンチレバー１３１の側面図である。 本発明の実施の他の形態の容量検出方式の原子間力顕微鏡の一部を示す図である。 図７２のカンチレバー２の先端部６２付近の拡大断面図である。 カンチレバー２の先端部６２付近の拡大正面図である。 本発明の実施の他の形態におけるカンチレバー２の変位または角度を検出するための光干渉方式の構成を示す系統図である。 図７５の実施の形態におけるカンチレバー２の先端部６２付近の拡大断面図である。 本発明の実施の他の形態のカンチレバー１７１の斜視図である。 先行技術のカンチレバー７５の斜視図である。 先行技術のダイナミックモードＳＣＦＭで用いられる図７８のカンチレバー７５の共振スペクトルである。 カンチレバー７５の１次および２次共振角周波数ω１，ω２を説明するための側面図である。

符号の説明

１ 探針
２，９７，１０１，１１５，１１８，１２１，１７１ カンチレバー
３ 試料
４ レーザーダイオード
５ フォトダイオード
６２ 先端部
６３ 基端部
６４，１１６，１１９ 溝
６７ 光反射領域
１０２ 透孔
１０５ ビーム部
１０８ 透孔
１１３ ビーム部
１２７ 歪みセンサ
１３１ ピエゾ抵抗カンチレバー
１７２ 切欠き

Claims (11)

1. 長さ方向の途中に薄肉部、透孔、切欠きなどの質量軽減部が形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
2. 長さ方向の途中に、薄肉部、透孔または切欠きの少なくともいずれかが形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
3. １次共振角周波数ω１に対する２次共振角周波数ω２の比（ω２／ω１）が、６．３未満であることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
4. 長さ方向に交差する方向に延びる溝が形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
5. 探針に向って開放して長さ方向に延びるＵ字状透孔１０２，１０８が形成され、
   前記透孔の長さ方向に延びる一対の透孔部分１０３，１１１間のビーム部１０５，１１３に、探針寄りに、長さ方向に交差する方向に延びる溝１１６，１１９が形成されることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
6. 長さ方向に沿って、ビーム部の探針とは反対側の基端部寄りに、探針直上のビーム部の変位または角度を検出するための光反射領域６７が設けられることを特徴とする請求項５記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー。
7. 探針に向って開放して長さ方向に延びるＵ字状透孔１０２，１０８が形成され、
   前記透孔の長さ方向に延びる一対の透孔部分間のビーム部１０５，１１３の探針とは反対側の基端部寄りに、ビーム部の変位または角度を検出するための光反射領域６７が設けられることを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
8. 全体の外形が、偏平な直方体、または探針に向って先細に形成されることを特徴とする請求項１〜７のうちの１つに記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー。
9. 請求項１〜８のうちの１つに記載の原子間力顕微鏡用カンチレバーを備える原子間力顕微鏡。
10. 請求項１〜８のうちの１つに記載の原子間力顕微鏡用カンチレバーと、
    このカンチレバーの先端部に設けられる探針と試料との間に、交番電圧を印加して角周波数ωで振動する発振ループと、
    前記カンチレバーの変位または角度を検出する検出手段と、
    検出手段の出力に含まれる複数ｎ（ｎは２以上の自然数）次の角周波数ｎ・ωの高調波成分によって、物性値を測定する測定手段とを含むことを特徴とする原子間力顕微鏡。
11. 前記検出手段は、
    カンチレバーに光を照射する光源と、
    前記光源からの光がカンチレバーによって反射された反射光を受光し、カンチレバーの振動による反射光の変位量を検出する受光素子とを含む光てこ法による検出手段であることを特徴とする請求項１０記載の原子間力顕微鏡。

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