JP3054509B2

JP3054509B2 - 走査型力顕微鏡、電位計、電位及び形状測定器

Info

Publication number: JP3054509B2
Application number: JP5012949A
Authority: JP
Inventors: 淳一高橋; 元美尾崎
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH06221846A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば電子写真装置に
おける感光体ドラム表面の電位分布測定や、トナー形状
或いはトナー帯電分布測定、又は、静電気メモリのピッ
クアップなどに用いられる走査型力顕微鏡、電位計、電
位及び形状測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、測定対象物の表面形状を測定する
方式として種々のものが提案されている。その内、第１
の従来例として、「ｄｃ検出法」又は「静的検出法」と
称される図１９に示すような方式がある。まず、測定対
象物なる試料１をＺ軸アクチュエータ２を介してＸ，Ｙ
ステージ３上に搭載する一方、試料１表面に対向させて
探針４を固定台５に取付けた片持ち梁６の先端に保持さ
せて設けられている。そして、原子間力の斥力又は引力
により、探針４に加えられた力による片持ち梁６の曲が
りを変位計７により検出し、Ａ／Ｄ変換器８に取込まれ
る。ここに、原子間力は探針４先端と試料１表面との間
の距離により変化する。今、コンピュータ９によりＸ，
Ｙ走査信号を与えてＸ，Ｙステージ３により試料１を動
かすと、試料１表面の凹凸により、探針４先端と試料１
表面との間の距離も変化し、原子間力が変化しようとす
る。これに対して、この原子間力が一定となるようにコ
ンピュータ９がＺ軸アクチュエータ２を制御する。この
Ｚ軸アクチュエータ２に対するＺ軸制御信号を解析する
ことにより、試料１の表面形状を測定し得るというもの
である。

【０００３】このようなｄｃ検出法によれば、変位計７
から出力される片持ち梁変位信号がほぼ直流電圧信号と
なるため、ロックインアンプが不要で、その出力電圧の
リップルが問題となることはない。しかし、直流電圧信
号であるため、熱雑音、その他の雑音の影響で検出が困
難となりやすい。また、全体の熱膨張等によりオフセッ
トドリフトも生じやすい。

【０００４】このような欠点を解消する第２の従来例と
して、「ａｃ検出法」と称される図２０に示すような方
式がある。これは、片持ち梁６を圧電素子１０を介して
固定台５に支持させ、この圧電素子１０を加振電圧源１
１により片持ち梁６の共振周波数又はその近傍の周波数
で振動させるようにしたものである。ここに、探針４と
試料１表面との間に原子間力が働くと、等価的に片持ち
梁６のバネ定数が変化し、これにより、共振周波数が変
化する。しかし、圧電素子１０による片持ち梁６の加振
周波数は変化しないので、片持ち梁６の振動振幅は小さ
くなる。この片持ち梁６の振動を変位計７で測定する。
即ち、片持ち梁６の振動の振幅変調により信号を取出
し、これを加振電圧源１１からの信号を参照信号として
ロックインアンプ１２に取込むものである。そして、原
子間力が働いた時のロックインアンプ１２の出力電圧か
ら、原子間力が働かない時のロックインアンプ１２の出
力電圧を、オフセット除去回路１３により除去し、原子
間力の有無による変動分のみをＡ／Ｄ変換器１４に入力
して、片持ち梁６の振動振幅が一定となるようにコンピ
ュータ９でＺ軸アクチュエータ２を制御する。このＺ軸
アクチュエータ２に対するＺ軸制御信号を解析すること
により、試料１の表面形状を測定し得るというものであ
る。

【０００５】このようなａｃ検出法によれば、ロックイ
ンアンプ１２の使用により熱雑音、その他の雑音に対す
るＳ／Ｎ比が向上するとともに、変位計７の出力の内、
片持ち梁６の振動を表す交流成分のみを信号処理すれば
よいので、直流レベルのノイズである光学系の熱膨張に
よるオフセットドリフトの問題がない、という利点を持
つ。

【０００６】また、第３の従来例として、このようなａ
ｃ検出法において、片持ち梁６の加振方法を変更した図
２１に示すようなものもある。これは、図２０の圧電素
子１０及び加振電圧源１１による加振法に代えて、固定
台５に支持された片持ち梁６にＬＤ電源１５により変調
駆動されるレーザダイオード（ＬＤ）１６でレーザビー
ムを照射することによるフォトサーマル振動を利用した
加振法である。より詳細には、片持ち梁６の根元に、強
度変調されたレーザビームを集光照射し、その光吸収エ
ネルギーによって発生した熱によって表面が膨張し、片
持ち梁６が撓む。ここに、レーザ変調周波数と片持ち梁
６の共振周波数とが一致すると片持ち梁６は共振振動す
る。この他の測定動作は図２０の場合と同様である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、第１の従来
例による場合、探針４・試料１表面間に力が働いていな
い時の振幅を基準とし、そこからの振幅変動分を力検出
信号とするため、基準値（オフセット）除去のための回
路が必須となる。通常、オフセット値に対して力検出に
よる変動分が非常に小さいため、オフセット除去回路１
３の安定性が問題となりドリフト等の不具合が生ずる。
また、圧電素子１０により片持ち梁６を加振するため、
圧電素子駆動電圧から探針４を絶縁することが困難とな
る。これは、片持ち梁６の根元に歪抵抗を設けることに
より、片持ち梁６の振動を検出する場合も、圧電素子駆
動電圧からのノイズの問題が生ずる。

【０００８】第３の従来例はこのような問題点を解決す
るためのものであり、圧電素子駆動電圧からのノイズの
問題は生じない。しかし、片持ち梁６の温度の上昇・下
降を利用しているため、高周波の共振周波数を持つ片持
ち梁６の場合には加振できない。また、歪抵抗による片
持ち梁６の振動検出法では、歪抵抗がレーザビームによ
り熱を受けてしまうため、特性が大きく変化してしま
い、検出不可能となる。また、多数の片持ち梁６を同時
に加振することによる多点測定にも利用できない。さら
には、測定対象物が感光体のような感光性物質の場合、
レーザビームの散乱光により測定対象物の表面状態が乱
されてしまう弊害も生ずる。

【０００９】このような点を考慮すると、ａｃ検出法に
よる熱雑音、光学系の熱膨張によるオフセットドリフト
に強い、という利点を維持しつつ、オフセット除去回路
の不安定さに起因するドリフトの問題を解決し得ること
が望まれる。さらに、片持ち梁を加振するために、片持
ち梁と圧電素子とが隣接することによる両者間の絶縁及
びノイズの問題を解消し得ることが要望される。この
際、歪抵抗を持つ片持ち梁の使用が可能で、感光性物質
を測定対象物とすることも可能なことが要望される。

【００１０】また、さらなる要望としては、測定対象物
をドラム状の感光体等とした場合に、その測定精度が高
いことが望まれる。即ち、電位及び表面形状を測定する
際、このような測定対象物には、１００μｍオーダの表
面うねりや、μｍオーダの傷などが存在し得るものであ
り、オーダの異なるこれらの双方の距離変動に対して１
つのアクチュエータで制御するのは極めて困難である。
よって、これに対処し得ることが要望される。

【００１１】さらなる要望としては、Ｚ軸アクチュエー
タのヒステリシス特性等の改善がある。即ち、Ｚ軸アク
チュエータとしては、通常、粗動用と微動用との２つの
アクチュエータを組合せて使用し、微動用には一般にＰ
ＺＴ等の圧電素子が用いられる。しかし、ＰＺＴは印加
電圧と距離変位との間の直線性の点で比較的優れている
ものの、ヒステリシス特性を有しており、測定精度に問
題がある。また、ＰＺＴは電気的には容量性負荷である
ため、容量の充放電のために十数ｋＨｚ以上での応答性
が悪いものである。また、これ以上の周波数での駆動に
おいては、容量性電流による損失により、電源又はＰＺ
Ｔ自身が破損してしまう。従って、試料表面形状の測定
時にこれ以上の周波数をもって現れ得る表面の凹凸に追
随して、試料表面と片持ち梁先端における探針との間の
距離を一定に保つことができない。この結果、この周波
数帯域における測定精度が低下してしまう。よって、Ｚ
軸アクチュエータのヒステリシス特性、高周波応答の悪
さによる測定誤差を少なくし、測定精度を向上させ得る
ことが要望される。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、測定対象物に対向させた探針を片持ち梁の先端に保
持させ、前記測定対象物と前記探針との間に作用する力
によって、前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変
形の検出により前記測定対象物と前記探針との間に作用
する力を検出し、前記測定対象物の状態を測定するよう
にした走査型力顕微鏡において、前記測定対象物を前記
探針の方向に振動させる対象物加振手段を設けた。

【００１３】特に、請求項２記載の発明では、請求項１
記載の発明において、測定対象物を片持ち梁の共振周波
数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる
対象物加振手段とした。

【００１４】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明に加えて、片持ち梁の振幅が一定となるよう
に対象物加振手段の振動振幅を制御する振動制御手段
と、この振動振幅を測定する振動振幅測定手段とを設け
た。

【００１５】請求項４記載の発明では、請求項２記載の
発明に加えて、片持ち梁の振幅が一定となるように対象
物加振手段の振動周波数を制御する振動制御手段と、こ
の振動周波数を測定する振動周波数測定手段とを設け
た。

【００１６】請求項５記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明の対象物加振手段を、測定対象物変位用のア
クチュエータとした。

【００１７】請求項６記載の発明では、測定対象物に対
向させた導電性の探針を片持ち梁の先端に保持させ、前
記測定対象物と前記探針との間に作用する静電力によっ
て、前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形の検
出により前記静電力を検出し、前記測定対象物の電位状
態を測定するようにした電位計において、前記測定対象
物を前記探針の方向に振動させる対象物加振手段を設け
た。

【００１８】特に、請求項７記載の発明では、請求項６
記載の発明において、測定対象物を片持ち梁の共振周波
数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる
対象物加振手段とした。

【００１９】請求項８記載の発明では、請求項６又は７
記載の発明に加えて、静電力が零又はほぼ零になるよう
に探針の電位を可変制御する電位制御手段と、この電位
制御手段により可変制御された前記探針の電位を測定す
る電位測定手段とを設けた。

【００２０】請求項９記載の発明では、請求項６又は７
記載の発明に加えて、探針に対して直流電圧に交流電圧
を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に
振れた時の静電力とが等しくなるように前記直流電圧を
制御する電位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電
位を測定する電位測定手段とを設けた。

【００２１】請求項１０記載の発明では、請求項６又は
７記載の発明の対象物加振手段を、測定対象物変位用の
アクチュエータとした。

【００２２】請求項１１記載の発明では、測定対象物に
対向させた導電性の探針を片持ち梁の先端に保持させ、
前記測定対象物と前記探針との間に作用する静電力によ
って、前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形の
検出により前記静電力を検出し、前記測定対象物の電位
及び形状を測定するようにした電位及び形状測定器にお
いて、前記測定対象物を前記探針の方向に振動させる対
象物加振手段と、前記探針に対して直流電圧に交流電圧
を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に
振れた時の静電力とが等しくなるように前記直流電圧を
制御する電位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電
位を測定する電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に
振れた時の静電力が一定となり、又は、負側に振れた時
の静電力が一定となり、又は、正側に振れた時の静電力
と負側に振れた時の静電力との和が一定となるように前
記測定対象物と前記探針との間の距離を制御するアクチ
ュエータを備えた距離制御手段と、前記アクチュエータ
の変位量を測定する変位量測定手段とを設けた。

【００２３】特に、請求項１２記載の発明では、請求項
１１記載の発明において、測定対象物を片持ち梁の共振
周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動さ
せる対象物加振手段とした。

【００２４】請求項１３記載の発明では、請求項１１又
は１２記載の発明に関し、距離制御手段のアクチュエー
タを対象物加振手段とした。

【００２５】請求項１４記載の発明では、請求項１３記
載の発明に関し、アクチュエータとして粗動アクチュエ
ータと微動アクチュエータとを設け、前記アクチュエー
タに対する制御信号を周波数帯域により分離して前記粗
動アクチュエータと微動アクチュエータとに別個に入力
させるとともに、何れか一方に対する制御信号に測定対
象物を振動させる加振用の信号を重畳させる距離制御手
段とした。

【００２６】請求項１５記載の発明では、測定対象物に
対向させた導電性の探針を片持ち梁の先端に保持させ、
前記測定対象物と前記探針との間に作用する静電力によ
って、前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形の
検出により前記静電力を検出し、前記測定対象物の電位
及び形状を測定するようにした電位及び形状測定器にお
いて、前記測定対象物を前記探針の方向に振動させる対
象物加振手段と、前記探針に対して直流電圧に交流電圧
を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に
振れた時の静電力とが等しくなるように前記直流電圧を
制御する電位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電
位を測定する電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に
振れた時の前記探針の振幅が一定となり、又は、負側に
振れた時の前記探針の振幅が一定となり、又は、正側に
振れた時の前記振幅と負側に振れた時の前記振幅との和
が一定となるように前記対象物加振手段の振動振幅を制
御する振動振幅制御手段と、この振動振幅を測定する振
動振幅測定手段とを設けた。

【００２７】特に、請求項１６記載の発明では、請求項
１５記載の発明において、測定対象物を片持ち梁の共振
周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動さ
せる対象物加振手段とした。

【００２８】請求項１７記載の発明では、請求項１６記
載の発明の振動振幅制御手段、振動振幅測定手段に代え
て、対象物加振手段の振動周波数を制御する振動周波数
制御手段と、この振動周波数を測定する振動周波数測定
手段とを設けた。

【００２９】請求項１８記載の発明では、請求項１５記
載の発明と同様であるが、交流電圧が、正側に振れた時
の探針の振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の探
針の振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の前記振
幅と負側に振れた時の前記振幅との和が一定となるよう
に制御するための帰還信号を周波数帯域により分離する
分離手段を有して分離された一部の周波数帯域の帰還信
号により対象物加振手段の振動振幅を制御する振動振幅
制御手段とし、さらに、分離手段により分離された帰還
信号中から前記一部の周波数帯域の信号を除く帰還信号
により測定対象物と前記探針との間の距離を制御するア
クチュエータを備えた距離制御手段と、前記アクチュエ
ータの変位量を測定する変位量測定手段とを設けた。

【００３０】特に、請求項１９記載の発明では、請求項
１８記載の発明において、測定対象物を片持ち梁の共振
周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動さ
せる対象物加振手段とした。

【００３１】請求項２０記載の発明では、請求項１８記
載の発明の振動振幅制御手段、距離制御定手段に代え
て、分離された一部の周波数帯域の帰還信号により対象
物加振手段の振動周波数を制御する振動周波数制御手段
と、分離手段により分離された帰還信号中から前記一部
の周波数帯域の信号を除く帰還信号により測定対象物と
探針との間の距離を制御するアクチュエータを備えた距
離制御手段とを設けた。

【００３２】

【作用】請求項１記載の発明の走査型力顕微鏡において
は、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に
振動させて、測定対象物と探針との間に作用する力を検
出するようにしたので、ａｃ検出法による熱雑音、光学
系の熱膨張によるオフセットドリフトに強い、という利
点を維持しつつ、基準の片持ち梁振幅を表す電圧を除去
するための回路の不安定性に起因するドリフトの問題を
回避し得るものとなる。また、片持ち梁と圧電素子とが
隣接するようなことがないので、両者間の絶縁とかノイ
ズの問題も生じない。これにより、歪抵抗を持つ片持ち
梁の使用が可能である上に感光性材質のものでも測定対
象物とし得ることになる。

【００３３】特に、請求項２記載の発明の走査型力顕微
鏡においては、対象物加振手段によって測定対象物を探
針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させるの
で、一層感度が向上するものとなる。

【００３４】請求項３記載の発明の走査型力顕微鏡にお
いては、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方
向に振動させて、測定対象物と探針との間に作用する力
を検出する上に、片持ち梁の振幅が一定となるように測
定対象物を振動させる振動振幅を振動制御手段で制御
し、この振動振幅から測定対象物と探針との間に働く力
を測定するようにしたので、請求項１又は２記載の発明
の作用を維持した上に、ヒステリシスのない高周波特性
に優れた走査型力顕微鏡となる。

【００３５】請求項４記載の発明の走査型力顕微鏡にお
いては、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方
向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させて、測定対象
物と探針との間に作用する力を検出する上に、片持ち梁
の振幅が一定となるように測定対象物を振動させる振動
周波数を振動制御手段で制御し、この振動周波数から測
定対象物と探針との間に働く力を測定するようにしたの
で、請求項２記載の発明の作用を維持した上に、ヒステ
リシスのない高周波特性に優れた走査型力顕微鏡とな
る。

【００３６】請求項５記載の発明の走査型力顕微鏡にお
いては、アクチュエータを対象物加振手段として、測定
対象物をアクチュエータにより変位させるとともに、測
定対象物を片持ち梁の共振周波数程度の周波数で加振さ
せるようにしたので、Ｚ軸アクチュエータの数を減ら
し、測定対象物側の構造を単純化し、信頼性を向上させ
得るものとなる。

【００３７】請求項６記載の発明の電位計においては、
対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に振動
させて、測定対象物と探針との間に作用する静電力を検
出するようにしたので、ａｃ検出法による熱雑音、光学
系の熱膨張によるオフセットドリフトに強い、という利
点を維持しつつ、基準の片持ち梁振幅を表す電圧を除去
するための回路の不安定性に起因するドリフトの問題を
回避し得るものとなる。また、片持ち梁と圧電素子とが
隣接するようなことがないので、両者間の絶縁とかノイ
ズの問題も生じない。これにより、歪抵抗を持つ片持ち
梁の使用が可能である上に感光性材質のものでも測定対
象物とし得ることになる。

【００３８】特に、請求項７記載の発明の電位計におい
ては、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向
に片持ち梁の共振周波数程度で振動させるので、一層感
度が向上するものとなる。

【００３９】請求項８記載の発明の電位計においては、
対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に振動
させた上で、測定対象物と探針との間に作用する静電力
が零又はほぼ零になるように電位制御手段で探針の電位
を可変制御し、可変制御された探針の電位を電位測定手
段により測定することで測定対象物の電位を測定するよ
うにしたので、請求項６又は７記載の発明と同等の作用
が得られる。

【００４０】請求項９記載の発明の電位計においては、
対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に振動
させた上で、探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳し
て交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた時
の静電力とが等しくなるように電位制御手段により直流
電圧を制御し、この直流電圧の電位を電位測定手段によ
り測定することで測定対象物の電位を測定するようにし
たので、請求項６又は７記載の発明と同等の作用が得ら
れる。

【００４１】請求項１０記載の発明の電位計において
は、アクチュエータを対象物加振手段として、測定対象
物をアクチュエータにより変位させるとともに、測定対
象物を加振させるようにしたので、Ｚ軸アクチュエータ
の数を減らし、測定対象物側の構造を単純化し、信頼性
を向上させ得るものとなる。

【００４２】請求項１１記載の発明の電位及び形状測定
器においては、対象物加振手段によって測定対象物を探
針の方向に振動させるとともに、探針に対して直流電圧
に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電
力と負側に振れた時の静電力とが等しくなるように電位
制御手段により直流電圧を制御し、この直流電圧の電位
を電位測定手段により測定することで測定対象物の電位
を測定する一方、前記交流電圧が、正側に振れた時の静
電力が一定となり、又は、負側に振れた時の静電力が一
定となり、又は、正側に振れた時の静電力と負側に振れ
た時の静電力との和が一定となるように前記測定対象物
と前記探針との間の距離をアクチュエータにより制御
し、このアクチュエータの変位量を変位量測定手段によ
り測定することで、測定対象物の表面形状を測定するよ
うにしたので、ａｃ検出法による熱雑音、光学系の熱膨
張によるオフセットドリフトに強い、という利点を維持
しつつ、基準の片持ち梁振幅を表す電圧を除去するため
の回路の不安定性に起因するドリフトの問題を回避し得
るものとなる。また、片持ち梁と圧電素子とが隣接する
ようなことがないので、両者間の絶縁とかノイズの問題
も生じない。これにより、歪抵抗を持つ片持ち梁の使用
が可能である上に感光性材質のものでも測定対象物とし
得ることになる。

【００４３】特に、請求項１２記載の発明の電位及び形
状測定器においては、対象物加振手段によって測定対象
物を探針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させ
るので、一層感度が向上するものとなる。

【００４４】請求項１３記載の発明の電位及び形状測定
器においては、距離制御手段のアクチュエータを対象物
加振手段として、測定対象物をアクチュエータにより変
位させるとともに、測定対象物を加振させるようにした
ので、Ｚ軸アクチュエータの数を減らし、測定対象物側
の構造を単純化し、信頼性を向上させ得るものとなる。

【００４５】この際、請求項１４記載の発明の電位及び
形状測定器においては、アクチュエータとして粗動アク
チュエータと微動アクチュエータとを設ける一方、アク
チュエータに対する制御信号を周波数帯域により分離し
て粗動アクチュエータと微動アクチュエータとに別個に
入力させるとともに、何れか一方に対する制御信号に測
定対象物を振動させる加振用の信号を重畳させるように
したので、請求項１１ないし１３記載の発明の作用を維
持した上で、測定対象物表面のうねりによる１００μｍ
オーダの低周波の探針・測定対象物表面間の距離変動
と、測定対象物表面の傷などによるμｍオーダの高周波
の探針・測定対象物表面間の距離変動との双方の距離変
動に対する制御を適正に行うことができ、より高精度に
表面電位と表面形状とを測定し得るものとなる。

【００４６】また、請求項１５記載の発明の電位及び形
状測定器においては、対象物加振手段によって測定対象
物を探針の方向に振動させるとともに、探針に対して直
流電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時
の静電力と負側に振れた時の静電力とが等しくなるよう
に電位制御手段により直流電圧を制御し、この直流電圧
の電位を電位測定手段により測定することで測定対象物
の電位を測定する一方、交流電圧が、正側に振れた時の
探針の振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の探針
の振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の振幅と負
側に振れた時の振幅との和が一定となるように対象物加
振手段の振動振幅を振動振幅制御手段により制御し、こ
の振動振幅を振動振幅測定手段により測定することで、
振動振幅から探針と測定対象物表面との間の距離を測定
して表面形状を知るようにしたので、請求項１１記載の
発明と同等の作用を維持しつつ、ヒステリシスのない高
周波特性に優れた電位及び形状測定器となる。

【００４７】特に、請求項１６記載の発明の電位及び形
状測定器においては、対象物加振手段によって測定対象
物を探針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させ
るので、一層感度が向上するものとなる。

【００４８】請求項１７記載の発明の電位及び形状測定
器においては、請求項１６記載の発明中の「振動振幅」
に代えて、「振動周波数」を扱うようにしたものであ
り、同等の作用が得られる。

【００４９】請求項１８記載の発明の電位及び形状測定
器においては、対象物加振手段によって測定対象物を探
針の方向に振動させるとともに、探針に対して直流電圧
に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電
力と負側に振れた時の静電力とが等しくなるように電位
制御手段により直流電圧を制御し、この直流電圧の電位
を電位測定手段により測定することで測定対象物の電位
を測定する一方、交流電圧が、正側に振れた時の探針の
振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の探針の振幅
が一定となり、又は、正側に振れた時の振幅と負側に振
れた時の振幅との和が一定となるように制御するための
帰還信号を周波数帯域により分離する分離手段を有し
て、分離された一部の周波数帯域の帰還信号により対象
物加振手段の振動振幅を制御するものとし、さらに、分
離手段により分離された帰還信号中から前記一部の周波
数帯域の信号を除く帰還信号により測定対象物と前記探
針との間の距離をアクチュエータにより制御し、このア
クチュエータの変位量を変位量測定手段により測定する
ことで、測定対象物の表面形状を知るようにしたので、
請求項９記載の発明と同等の作用を維持しつつ、アクチ
ュエータのヒステリシス特性による測定誤差がなくて高
周波特性に優れ、かつ、大きなうねりのある測定対象物
についても測定精度及び分解能を低下させることのない
電位及び形状測定器となる。

【００５０】特に、請求項１９記載の発明の電位及び形
状測定器においては、対象物加振手段によって測定対象
物を探針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させ
るので、一層感度が向上するものとなる。

【００５１】請求項２０記載の発明の電位及び形状測定
器においては、請求項１９記載の発明中の「振動振幅」
に代えて、「振動周波数」を扱うようにしたものであ
り、同等の作用が得られる。

【００５２】

【実施例】請求項１及び２記載の発明の一実施例を図１
及び図２に基づいて説明する。まず、測定対象物となる
試料２１がＺ軸アクチュエータ２２及びＺ軸粗動アクチ
ュエータ・Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ２３を介して台２４
上に保持されている。このような試料２１の表面に先端
を近接対向させた探針２５が設けられている。この探針
２５は固定台２６に一端が固定された片持ち梁２７の先
端下部に接着固定されたものである。つまり、探針２５
は片持ち梁２７を板バネとするような形でその先端側に
変位自在に支持されている。

【００５３】一方、片持ち梁２７の探針２５背面位置に
は鏡２８が固定されており、この鏡２８を利用して片持
ち梁２７先端部分の変位を検出する光テコ法変位検出器
２９が設けられている。この光テコ法変位検出器２９
は、この鏡２８とともに、前記鏡２８部分にレーザ光を
照射するレーザダイオード３０と、鏡２８部分の変位に
応じて角度変位した位置に反射光を受ける位置検出フォ
トダイオード（ＰＳＤ）３１とにより構成されている。
このＰＳＤ３１の出力はプリアンプ３２により変位を表
す電気信号Ｖ₀ として出力される。

【００５４】この電気信号Ｖ₀ は後述するように交流信
号となるので、ＡＭ復調器（＝ロックインアンプ）３３
により復調されて、電気信号Ｖ₀ の振幅の実効値に比例
した直流電圧Ｖ₁ とされる。この直流電圧Ｖ₁ は比較器
３４で基準電圧Ｖ₂ と比較され、その差が積分器３５に
より積分されて電圧Ｖ₅ とされる。この積分電圧Ｖ₅は
電位計３６により測定される一方、パワーアンプ３７で
増幅されて電圧Ｖ₆ として前記Ｚ軸アクチュエータ２２
に駆動制御信号として与えられる。なお、ＡＭ復調器３
３で復調された直流電圧Ｖ₁ は、他方では、Ａ／Ｄ変換
器３８によりデジタル情報に変換された後、コンピユー
タ３９に与えられ、Ｚ軸粗動アクチュエータ・Ｘ，Ｙ軸
アクチュエータ２３の駆動制御用に供される。

【００５５】しかして、試料２１とＺ軸アクチュエータ
２２との間には対象物加振手段となる加振アクチュエー
タ４０が介在され、加振用電源４１によって試料２１自
身を探針２５の方向、即ち、Ｚ軸方向に振動させ得るよ
うに構成されている。ここに、この振動周波数は、片持
ち梁２７の共振周波数（又は、ほぼ共振周波数に等しい
周波数）に設定されている。

【００５６】このような構成において、その動作につい
て図２を参照して説明する。今、探針２５と試料２１表
面との間に原子間力Ｆが働く場合を考える。図２は原子
間力Ｆが探針２５と試料２１表面との間の距離ｄに応じ
て変化する様子を示すものである。試料２１が探針２５
から原子間力Ｆの及ばない距離にある場合、探針２５は
片持ち梁２７を介して固定台２６に固定支持されている
ので動かない。従って、片持ち梁２７の振幅（変位）を
表す電圧Ｖ₁ はＶ₁ ＝０となる。一方、試料２１は加振
アクチュエータ４０により振幅Δｄ、周波数ｆ₀ で振動
している。このような状態で、Ｚ軸粗動アクチュエータ
・Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ２３のＺ軸粗動アクチュエー
タにより試料２１表面を探針２５側に近付けて、距離ｄ
を小さくしていき、ｄ＝ｄ₁ になった場合を考える。図
２によれば、距離ｄ₁ においては探針２５・試料２１表
面間に原子間力Ｆ₁ が働く。同時に、試料２１表面は探
針２５に対して距離ｄ₁ を中心として振幅Δｄで振動し
ている。よって、原子間力ＦはＦ₁ を中心に振幅ΔＦ₁
で変化するものとなる。即ち、試料２１表面から原子間
力を介して振幅ΔＦ₁ 、周波数ｆ₀ の力で、探針２５を
加振していると等価的となる。この加振周波数ｆ₀ は片
持ち梁２７の共振周波数であるので、片持ち梁２７は共
振振動を始め、光テコ法変位検出器２９によりこの振動
が検出され、直流電圧Ｖ₁ としてＶ₁ ＝Ｖ₁₁が現れる。
即ち、探針２５先端と試料２１表面との距離ｄが近づく
ことにより、振幅を示す直流電圧Ｖ₁ が０からＶ₁₁に増
加することになる。

【００５７】両者間の距離ｄをさらに小さくし、ｄ＝ｄ
₂ にすると、図２より、距離ｄ₂ における原子間力Ｆの
傾斜が大きくなるので、力の振幅ΔＦ₂ は振幅ΔＦ₁ よ
り大きくなる。即ち、片持ち梁２７を加振する力の振幅
が大きくなるので（片持ち梁２７の加振パワーが大きく
なるので）、その振幅も大きくなり、振幅を示す直流電
圧Ｖ₁ もＶ₁ ＝Ｖ₁₂（＞Ｖ₁₁）と大きくなる。

【００５８】よって、このようなことから、振幅を示す
直流電圧Ｖ₁ が増加することにより、試料２１表面と探
針２５先端とが近づいたことを知ることができる。ここ
に、直流電圧Ｖ₁ は比較器３４で基準電圧Ｖ₂ と比較さ
れ、その差が積分器３５により積分されて電圧Ｖ₅ とさ
れる。ここに、基準電圧Ｖ₂ は、所望の距離ｄに対応す
る電圧Ｖ₁ と等しい値に予め設定されたものである。よ
って、積分電圧Ｖ₅ は電圧Ｖ₁ ，Ｖ₂ が等しくなるまで
変化するものとなり、この電圧Ｖ₅ がパワーアンプ３７
で増幅されて電圧Ｖ₆ としてＺ軸アクチュエータ２２に
駆動制御信号として与えられることで、距離ｄを変化さ
せ、所望の距離ｄとなるまでＺ軸アクチュエータ２２に
より試料２１を変位させる。これにより、表面に凹凸の
ある試料２１を探針２５によってＸ，Ｙ軸方向にスキャ
ンしても、試料２１表面と探針２５先端との距離を常に
所望の距離ｄに保つことができる。そして、Ｚ軸アクチ
ュエータ２２の変位とその駆動電圧Ｖ₆ との関係を予め
測定しておけば、Ｘ，Ｙ座標に対する駆動電圧Ｖ₆ の変
化から、試料２１の表面形状を知ることができる。

【００５９】このように、本実施例によれば、従来のａ
ｃ検出法を基本としているので、その利点、即ち、熱雑
音、光学系の熱膨張によるオフセットドリフトの影響を
受けない点を維持できる。その上、探針２５が試料２１
表面に近づくことにより、片持ち梁２７の振幅が０から
増加していく特徴を持つので、従来のオフセット除去回
路１３のような原子間力が作用しない場合の振幅分を除
去する手段が不要となり、オフセット除去回路１３に伴
う弊害を除去し得る。また、試料２１を加振する加振ア
クチュエータ４０は例えば圧電素子により構成される
が、試料２１下面側に存在して片持ち梁２７からは離れ
ているので、両者間の絶縁ないしはノイズの問題を生ず
ることもない。同時に、試料２１として感光性材質によ
るものも、何んの支障もなく適用し得るものとなる。

【００６０】なお、本実施例では、振幅に相当する電圧
Ｖ₁ をＺ軸アクチュエータ２２にフィードバックさせる
方式としたが、このようなフィードバックをかけず、単
に振幅に相当する電圧Ｖ₁ の変動から試料２１の表面形
状を解析するようにしてもよい。

【００６１】また、試料２１を振動させる周波数は、好
ましくは、片持ち梁２７の共振周波数又はほぼ共振周波
数であるほうがよいが、充分な感度が得られれば、共振
周波数以外の周波数で振動させてもよい。

【００６２】つづいて、請求項６及び７記載の発明の一
実施例を図３ないし図５により説明する。前記実施例で
示した部分と同一部分は同一符号を用いて示す（以下の
実施例でも同様とする）。本実施例では、探針２５及び
片持ち梁２７を導電性のものとし、かつ、探針２５が片
持ち梁２７の根元を介して接地されているものとして、
前記実施例による走査型力顕微鏡を電位計として用いる
ようにしたものである。電圧計３６が電位測定手段とな
る。

【００６３】ここに、説明を単純化するために、図４に
模式的に示すように、探針２５の先端を面積Ｓを持つ平
板と考え、試料２１表面に対して平行に対向しているも
のとする。また、探針２５先端と試料２１表面との間の
距離をｄ、両者間の電位差をＶとする。すると、両者間
に働く静電力Ｆは、Ｆ＝−ａ・Ｖ²／ｄ² ………………………………（１）で表される。ただし、ａは比例定数である。

【００６４】従って、図５に示すように、距離ｄが小さ
く、また、電位差Ｖが大きいほど、静電力Ｆの絶対値は
大きくなる。今、試料２１表面の電位がＶｂであったと
すると、探針２５と試料２１表面との間の電位差ＶもＶ
＝Ｖｂとなる。

【００６５】この場合、前記実施例の場合と同様に、静
電力Ｆが働かないほどに距離ｄが大きい場合には、片持
ち梁２７は振動せず、振幅に相当する電圧Ｖ₁ は０であ
る。ここで、図５において距離ｄがｄ₁ まで小さくなっ
たとする。この時、試料２１は加振されて振幅Δｄで振
動しているので、片持ち梁２７はΔＦ_b の振幅を持った
静電力により加振されたと等価的に振動するようにな
り、電圧Ｖ₁ としてＶ_1bなる値が出る。即ち、ｂを定数
とすると、ΔＦは（１）式より ΔＦ＝（∂Ｆ／∂ｄ）Δｄ＝ｂ（Ｖ²／ｄ³）Δｄ ……………（２）となる。

【００６６】また、ΔＦとＶ₁ とはほぼ比例すると考え
られるので、ｃを定数とすると、Ｖ₁ ＝ｃ（Ｖ²／ｄ³）Δｄ …………………………（３）となり、よって、Ｖ_1b＝ｃ（Ｖ_b ²／ｄ³）Δｄ …………………………（４）となる。

【００６７】今、試料２１の電位ＶがＶ_b からＶ_a に変
化したとする。ただし、０＜Ｖ_b ＜Ｖ_a とする。この時
の電圧Ｖ₁ であるＶ_1aは、Ｖ_1a＝ｃ（Ｖ_a ²／ｄ³）Δｄ …………………………（５）となる。ここに、０＜Ｖ_b ＜Ｖ_a であるので、Ｖ_1a＞Ｖ_1b …………………………（６）となる。

【００６８】同様に、試料２１の電位ＶがＶ_b からＶ_c
に変化したとする。ただし、Ｖ_b ＞Ｖ_c とする。この時
の電圧Ｖ₁ であるＶ_1cは、Ｖ_1c＝ｃ（Ｖ_c ²／ｄ³）Δｄ …………………………（７）となる。ここに、Ｖ_b ＞Ｖ_c であるので、Ｖ_1c＜Ｖ_1b …………………………（８）となる。

【００６９】よって、電圧Ｖ₁ の変化から、試料２１の
表面電位の変化を知ることができる。図３はこの電圧Ｖ
₁ に基づきＺ軸アクチュエータ２２にフィードバックを
かけた例を示し、距離ｄをこのＺ軸アクチュエータ２２
により変化させて電圧Ｖ₁ を一定に保つように制御させ
るフィードバックのシーケンスは、図１の場合と同様で
ある。

【００７０】即ち、フィードバック系は、Ｚ軸アクチュ
エータ２２により距離ｄを変化させて、（３）式に示さ
れる電圧Ｖ₁ を一定に維持するように働くので、電圧Ｖ
₁ は定数と見做すことができる。また、Δｄも定数であ
る。従って、（３）式を変形すれば、Ｖ＝ｅ・√ｄ³ ……………………………………………………（９）ただし、ｅ＝√（Ｖ₁ ／ｃ・Δｄ）となる。

【００７１】よって、予めＺ軸アクチュエータ２２の変
位とその駆動電圧Ｖ₆ との関係を測定しておけば、電圧
Ｖ₆ からｄを知ることができ、さらに、（９）式よりＶ
を知ることができるので、試料２１の表面電位を測定し
得るものとなる。

【００７２】なお、本実施例において、距離ｄを一定に
保ようにすれば、フィードバック系を設けなくても、電
圧Ｖ₁ の変化から試料２１の表面電位を測定し得るもの
となる。

【００７３】次いで、請求項８記載の発明の一実施例を
図６により説明する。本実施例では、比較器３４、積分
器３５及びパワーアンプ３７によるフィードバック系を
電位制御手段４５とし、パワーアンプ３７より出力され
る電圧Ｖ₆ を、Ｚ軸アクチュエータ２２ではなく、片持
ち梁２７を介して探針２５に与えてその電位を制御する
ようにしたものである。

【００７４】今、前記実施例と同様に、最初、電圧Ｖ₆
が０で、試料２１の表面電位Ｖ_s ＝Ｖ_b とすると、Ｖ＝
Ｖ_b であり、距離ｄがｄ₁ に近づくと、ΔＦ_b の振幅で
振動する力で探針２５が加振され、片持ち梁２７が振動
を始める。この時の電圧Ｖ₁をＶ_1bとする。ここで、表
面電位Ｖ_s がＶ_b からＶ_a に変化すると、ΔＦ_a の増加
により、電圧Ｖ₁ の値が大きくなる。そこで、電位制御
手段４５は電圧Ｖ₁ を一定に保つように電圧Ｖ₆ を上昇
させていき、Ｖ₆ ＝Ｖ_a −Ｖ_b となる。この時、探針２
５と試料２１表面との間の電位差はＶ_b となる。よっ
て、最終的には、電圧Ｖ₁ はＶ_1bに戻る。この時の電圧
Ｖ₆ は、最初の値０から表面電位Ｖ_s の変動分Ｖ_a −Ｖ
_b 分だけ変化している。従って、電圧Ｖ₆ と比例する電
圧Ｖ₅ の値を電位計３６により測定することにより、試
料２１の表面電位の変動を測定できるものとなる。

【００７５】また、基準電圧Ｖ₂ を０Ｖとし、電圧Ｖ₁
が０Ｖになるように電圧Ｖ₆ にフィードバックをかけれ
ば、電圧Ｖ₆ と表面電位Ｖ_s とは常に等しくなる。従っ
て、この場合にも、電圧Ｖ₅ の値から表面電位を測定し
得るものとなる。

【００７６】さらに、請求項９記載の発明の一実施例を
図７ないし図９により説明する。本実施例も、電位計に
適用したもので、試料２１としては基板２１ａに感光体
２１ｂを積層させたものが用いられている。ここに、感
光体２１ｂの表面には電荷Ｑが存在し、接地ＧＮＤとの
間に電位差（表面電位）Ｖ_Sを生じている。このような
感光体２１ｂ表面に近接対向させて導電性の探針２５が
設けられている。この探針２５は、固定台２６に対して
一端が固定支持された導電性の片持ち梁２７の先端下部
に取付けられている。一方、試料２１は台２４上に加振
アクチュエータ４０、例えば、ピエゾ圧電素子を介して
保持されており、加振アクチュエータ４０には加振用電
源４１によって交流電圧Ｖ₈ が印加されている。これに
より、加振アクチュエータ４０は交流電圧Ｖ₈ の周波数
で振動するように構成されている。この周波数は、片持
ち梁２７の機械的振動の共振点ｆ₀ （又はこれとほぼ同
等なもの）とされている。

【００７７】一方、片持ち梁２７の探針２５背面側に対
する光テコ法変位検出器２９は前述した実施例と同様に
構成され、静電力検出手段を構成するものとされてい
る。この光テコ法変位検出器２９の位置検出フォトダイ
オード３１の出力はプリアンプ３２により振幅を表す電
気信号Ｖ₀ として出力される。

【００７８】ここに、探針２５先端と感光体２１ｂ表面
との間に静電力が作用するほどに両者が近づくと、前述
した実施例の場合と同じように、片持ち梁２７が振動す
るようになる。そして、両者間に働く静電力の絶対値が
大きいほど、片持ち梁２７の振動振幅は大きくなる。こ
のような振動振幅の増加は、片持ち梁２７先端の変位量
の増加として光テコ法変位検出器２９により捉えられ
る。つまり、光テコ法変位検出器２９による変位検出
は、探針２５が受けている静電引力を検出することに相
当する。

【００７９】さらに、前記光テコ法変位検出器２９の出
力Ｖ₀ に基づき前記探針２５の電位を可変制御する電位
制御手段４６が設けられている。この電位制御手段４６
は、直流電圧Ｖ₉ に電源４７による台形状波形の交流電
圧Ｖ₄ を重畳するゲイン０の加算器４８と、この加算器
４８の出力電圧Ｖ₅ を増幅して前記探針２５（片持ち梁
２７）に出力電圧Ｖ₆ を印加するゲインＧのパワーアン
プ３７と、前記プリアンプ３２の出力Ｖ₀ の振幅を直流
電圧Ｖ₁ に変換するＡＭ復調器３３と、この直流電圧Ｖ
₁ を所定タイミングでサンプリングして保持するサンプ
ルホールド回路４９，５０と、これらのサンプルホール
ド回路４９，５０から得られる電圧Ｖ₂₁，Ｖ₂₂間の差を
とる差動アンプ５１と、この差動アンプ５１の出力電圧
Ｖ₃ を積分して前記直流電圧Ｖ₉ を増減させる反転積分
器構成の積分器３５とをループ状に接続して構成されて
いる。

【００８０】ここに、前記電源４７から前記サンプルホ
ールド回路５０に対するシンクロ信号Ｖ₇₂が交流電圧Ｖ
₄ に同期して取出され、サンプルホールド回路４９に対
してはインバータ５２により反転されたシンクロ信号Ｖ
₇₁が与えられている。

【００８１】さらに、前記直流電圧Ｖ₉ の値を測定して
電位測定手段となる電圧計５３が設けられている。

【００８２】このような構成において、図８及び図９に
示すタイミング波形図を参照して表面電位Ｖ_Sの測定動
作を説明する。まず、加振アクチュエータ４０には図８
（ａ）に示すように交流電圧Ｖ₈ が印加され、また、同
図（ｂ）に示す台形状波形の交流電圧Ｖ₄ は、この交流
電圧Ｖ₈ の周期よりも低い周波数（好ましくは、１／１
０以下）に設定されて加算器４８の一方の入力端子に入
力され、さらに、表面電位をＶ_Sとした時に、同図
（ｃ）に示すようにＶ_S／Ｇなる電圧Ｖ₉ がこの加算器
４８の他方の入力端子に入力されているとする。する
と、加算器４８の出力電圧Ｖ₅ は同図（ｄ）に示すよう
になり、さらに、ゲインＧのパワーアンプ３７で増幅し
た出力信号Ｖ₆ は同図（ｅ）に示すようになる。即ち、
直流電圧Ｖ_Sを中心にＶ_S−（Ｖ_4a・Ｇ）／２からＶ_S
＋（Ｖ_4a・Ｇ）／２の間で振れる電圧、つまり、直流電
圧Ｖ_Sに交流電圧Ｖ₄ をＧ倍した交流電圧を重畳した波
形の電圧となる。よって、探針２５の先端電位もこの出
力電圧Ｖ₆ に相当する電位となる。なお、図８では、便
宜上、Ｖ_S とＶ_4a・Ｇとを同レベルとして図示するが、
実際はＶ_4a・Ｇの値はＶ_Sの１／５０以下となるように
設定される。

【００８３】ここに、今、感光体２１ｂの表面電位はＶ
_Sであるので、電圧Ｖ₆ がＶ_SよりＶ_4a・Ｇ／２だけ大
きくなっている時刻ｔ₁ と、Ｖ_SよりＶ_4a・Ｇ／２だけ
小さくなっている時刻ｔ₂ とにおいて、探針２５の先端
は表面電位Ｖ_Sとの間で各々Ｆ₁ ，Ｆ₂ なる静電引力Ｆ
_Sを受ける。この時の距離ｄに対する傾きＦ_S′＝∂Ｆ
_S／∂ｄは同図（ｆ）に示すようにＦ₁′ ，Ｆ₂′ とな
る。これにより、前述したように片持ち梁２７が静電引
力Ｆ_Sを介して加振されるパワーが大きくなり、この片
持ち梁２７、従って、探針２５の振動振幅が大きくな
る。よって、光テコ法変位検出器２９を通して得られる
振幅信号Ｖ₀ は同図（ｇ）に示すように大きくなる。な
お、時刻ｔ₃ においては、Ｖ₆ ＝Ｖ_S であり、同電位で
あるので、探針２５は静電引力Ｆ_Sを受けず、振幅信号
Ｖ₀ の振幅は０となる。

【００８４】このような振幅信号Ｖ₀ はＡＭ復調器３３
により復調され、同図（ｈ）に示すような直流電圧Ｖ₁
に変換される。ここに、時刻ｔ₁ における電圧Ｖ₁₁と時
刻ｔ₂ における電圧Ｖ₁₂とは等しくなる。これは、時刻
ｔ₁ ，ｔ₂ における電圧Ｖ₆の各々の値と、電圧Ｖ_Sと
の差の絶対値が等しく、時刻ｔ₁ ，ｔ₂ において作用す
る静電引力Ｆ₁ ，Ｆ₂ の値が等しいためである。

【００８５】ここに、電源４７からはその交流電圧Ｖ₄
に同期した同図（ｊ）に示すようなシンクロ信号Ｖ₇₂が
取出され、サンプルホールド回路５０のサンプリング時
刻が決められている。同様に、同図（ｉ）に示すよう
に、このシンクロ信号Ｖ₇₂を反転させたシンクロ信号Ｖ
₇₁が生成され、サンプルホールド回路４９のサンプリン
グ時刻が決められている。本例では、これらのサンプル
ホールド回路４９，５０がシンクロ信号Ｖ₇₁，Ｖ₇₂の立
上りでサンプリングするように構成されているので、サ
ンプルホールド回路４９は時刻ｔ₁ における直流電圧Ｖ
₁ の値をＶ₂₁＝Ｖ₁₁として、サンプルホールド回路５０
は時刻ｔ₂ における直流電圧Ｖ₁ の値をＶ₂₂＝Ｖ₁₂とし
て各々サンプルホールドする（同図（ｋ）（ｌ）参
照）。

【００８６】これらの電圧Ｖ₂₁，Ｖ₂₂は差動アンプ５１
に入力されて差がとられ、Ｖ₃ として出力される。今、
前述したようにＶ₁₁＝Ｖ₂₂によりＶ₂₁＝Ｖ₂₂であるの
で、同図（ｍ）に示すように、Ｖ₃ ＝Ｖ₂₂−Ｖ₂₁＝０と
なる。この差動アンプ５１の出力Ｖ₃ は積分器３５に入
力されるが、Ｖ₃ ＝０であるので、積分器３５出力であ
る直流電圧Ｖ₉ の値は当初のＶ_S／Ｇのまま変化しな
い、従って、探針２５に印加する電圧Ｖ₆ の値も変化し
ない。

【００８７】このように感光体２１ｂの表面電位Ｖ_Sが
変化しない限り、探針２５の先端電位も図８（ｅ）に示
す電圧Ｖ₆ のような波形を維持し続ける。よって、表面
電位Ｖ_Sは直流電圧Ｖ₉ を電圧計５３で読取り、パワー
アンプ３７のゲインＧを掛けることにより求められる。

【００８８】ところで、感光体２１ｂの表面電位が変化
した場合に、電圧計５３の指示値がどのように変化する
かを図９を参照して説明する。今、表面電位がＶ_Sから
Ｖ_S−ΔＶ_Sに変化したとする。また、探針２５の先端
電位Ｖ₆ は図８（ｅ）に示した値と同じであるとする。
すると、図９（ａ）に示すように感光体２１ｂの表面と
探針２５先端との電位差は、時刻ｔ₁ においてはＶ_4a・
Ｇ／２＋ΔＶ_S、時刻ｔ₂ においてはＶ_4a・Ｇ／２−Δ
Ｖ_Sとなる。つまり、時刻ｔ₁ における電位差が、時刻
ｔ₂ における電位差よりも大きくなる。従って、探針２
５先端の受ける静電引力Ｆ_Sの距離ｄに対する傾き∂Ｆ
_S／∂ｄも同図（ｂ）に示すように時刻ｔ₂ の時よりも
時刻ｔ₁ の時のほうが大きくなる。この結果、前述した
ように、時刻ｔ₁ におけるサンプルホールド電圧Ｖ₁₁は
時刻ｔ₂ におけるサンプルホールド電圧Ｖ₁₂の値より大
きくなる（同図（ｄ）〜（ｆ）参照）。よって、サンプ
ルホールド回路４９，５０の各々の出力電圧Ｖ₂₁，Ｖ₂₂
の間には、Ｖ₂₁＜Ｖ₂₂なる関係が成立する。従って、差
動アンプ５１の出力Ｖ₃ は同図（ｇ）に示すように正の
電圧となる。ここに、積分器３５は反転積分器なので、
電圧Ｖ₃ を積分し、直流電圧Ｖ₉ の電位は当初の値Ｖ_S
／Ｇから減少されていく。

【００８９】直流電圧Ｖ₉ が減少すると、同図（ｈ）に
示すように、探針２５（片持ち梁２７）に対する電圧Ｖ
₆ の交流振幅のバイアス電圧Ｖｂ（振幅の中心電圧）も
小さくなり、このバイアス電圧ＶｂがＶ_S−ΔＶ_Sとな
った時にＶｂの変動は止まる。そして、図８の場合と同
様に、電圧Ｖ₆ はＶｂ＝Ｖ_S−ΔＶ_Sなる直流電圧を中
心とし振幅Ｖ_4a・Ｇ／２の電圧となる。この時の感光体
２１ｂの表面電位はＶ_S−ΔＶ_Sであるので、図９
（ｉ）に示すように、時刻ｔ₁ ，ｔ₂ において受ける静
電引力Ｆ₁ ，Ｆ₂ はＦ₁ ＝Ｆ₂ となる。この結果、電圧
Ｖ₃ はＶ₃ ＝０となり、直流電圧Ｖ₉ は（Ｖ_S−Δ
Ｖ_S）／Ｇなる電圧を維持する。この時の感光体２１ｂ
の表面電位は、電圧計５３の指示値（Ｖ_S−ΔＶ_S）／
Ｇに既知の値Ｇを掛けた値により求められる。

【００９０】感光体２１ｂの表面電位がＶ_S＋ΔＶ_Sに
変化した場合は、上記の処理の電圧の増減関係が逆にな
るだけで、同様に電圧Ｖ₉ を可変させる制御を行なうこ
とにより、最終的にはＶｂ＝Ｖ_S＋ΔＶ_Sとなる。

【００９１】また、試料２１を振動させる周波数は、好
ましくは、片持ち梁２７の共振周波数又はほぼ共振周波
数であるほうがよいが、充分な感度が得られれば、共振
周波数以外の周波数で振動させてもよい。

【００９２】さらに、請求項１１及び１２記載の発明の
一実施例を図１０ないし図１３により説明する。本実施
例は、前記実施例をベースとして、加算器等を始めとす
るもう一つのフィードバック系を付加して、電位及び形
状測定器として構成したものである。まず、試料２１側
については、加振アクチュエータ４０の上に試料２１を
Ｚ軸方向に移動させるためのＺ軸アクチュエータ５５が
介在されている。もう一つのフィードバック系は、この
Ｚ軸アクチュエータ５５用であり、前記サンプルホール
ド回路４９，５０からの出力Ｖ₂₁，Ｖ₂₂を加算する加算
器５６が設けられ、この加算器５６からの出力Ｖ₁₀を予
め設定された基準電圧（基準値）Ｖ₁₃と比較する差動増
幅器５７が設けられている。この差動増幅器５７の出力
Ｖ₁₄を積分する積分器５８が設けられ、この積分器５８
の出力Ｖ₁₅を増幅するパワーアンプ５９が設けられてい
る。このパワーアンプ５９の出力Ｖ₁₆が前記Ｚ軸アクチ
ュエータ５５に対する駆動用の制御信号としてフィード
バックされ、距離制御手段６０が構成されている。

【００９３】さらに、前記積分器５８から出力される出
力Ｖ₁₅の値を測定して変位量測定手段となる電圧計６１
が設けられている。

【００９４】このような構成において、本実施例の表面
電位Ｖ_S及び表面形状の測定動作を図１１ないし図１３
のタイミング波形図に示す。まず、探針２５に対する電
圧フィードバック制御は、基本的には、前記実施例の場
合と同様である。そして、Ｘ，Ｙステージ（図示せず）
により試料２１と探針２５との間の相対的位置関係を変
化させ（即ち、Ｘ，Ｙ座標上をスキャンさせ）、試料２
１表面の凹凸により両者間の距離ｄが小さくなったとす
る。一方、探針２５には直流電圧Ｖ₉ に交流電圧Ｖ₄ が
重畳された電圧Ｖ₆ が印加されている。よって、探針電
圧へのフィードバックにより感光体２１ｂの表面電位Ｖ
_sと直流電圧Ｖ₉ とが等しくなっても、一定の交流電圧
Ｖ₄ の振幅分の電位差が、探針２５と感光体２１ｂ表面
との間に存在することになる。

【００９５】ここに、請求項６及び７記載の発明の実施
例で説明したように、距離ｄが小さくなると、探針２５
と感光体２１ｂ表面との電位差が一定であっても、傾き
∂Ｆ_s／∂ｄは大きくなる。従って、探針２５の電位が
感光体２１ｂの表面電位Ｖ_sと等しい電圧を中心に、
正、負側に各々振れた時の片持ち梁２７の振幅は、距離
ｄが大きい時に比べ大きくなる（図１１（ｇ）と図１２
（ｇ）との対比により明かである）。これにより、電圧
Ｖ₁₀は基準電圧Ｖ₁₃よりも大きくなり、電圧Ｖ₁₄が負と
なるため、Ｚ軸アクチュエータ５５は縮んでいき（距離
ｄが大きくなっていき）、最終的に一定の値となる。

【００９６】このようにＸ，Ｙステージにより走査を行
いつつ、Ｚ軸アクチュエータ５５を制御する電圧Ｖ₁₅の
値を電圧計６１により測定することにより、感光体２１
の表面電位測定とは独立しつつ同時に、その表面形状を
測定し得るものとなる。

【００９７】ここに、表面電位Ｖ_sのみが変化した場合
は、図１３に示すように、感光体２１ｂ表面と探針２５
先端との電位差が大きくなった時刻ｔ₁ の振幅が、時刻
ｔ₂の振幅よりも大きくなるため、探針電位にフィード
バックがかかる。一方、加算器５６の出力Ｖ₁₀は、Ｖ₂₁
が増加し、Ｖ₂₂が減少して変化しないため、表面形状測
定結果に影響を及ぼすことはない。従って、表面電位の
みの変動を捉え、かつ、表面形状測定結果には、表面電
位の変動が現れない。よって、表面電位も独立しつつ同
時に測定し得ることになる。

【００９８】また、請求項５記載の発明の一実施例を図
１４により説明する。本実施例は、請求項１記載の発明
の走査型力顕微鏡を実現するに当り、アクチュエータ数
の問題を解消し得るようにするため、Ｚ軸アクチュエー
タ２２を試料２１を加振させるための対象物加振手段と
して兼用させ、図１に示した加振アクチュエータ４０を
省略したものである。このため、パワーアンプ３７の入
力側には、加算器６２が設けられ、試料２１と探針２５
との間の距離を制御する信号電圧Ｖ₄ と、加振用電源４
１による駆動電圧Ｖ₈ とを加算した信号がＺ軸アクチュ
エータ２２に供給されるように構成されている。これに
より、このＺ軸アクチュエータ２２は、試料２１と探針
２５との間の距離ｄの制御機能と、試料２１を片持ち梁
２７の共振周波数程度の周波数で振動させる加振機能と
を持つものとなる。これにより、必要とするアクチュエ
ータ数を減らし、試料２１側のＺ軸アクチュエータ構造
を単純化し、コスト、信頼性を向上させることができ
る。

【００９９】なお、本実施例は、請求項６及び７記載の
発明対応の図３の構成のものにも、請求項９記載の発明
対応の図７の構成のものにも、同様に適用し得る（請求
項１０，１３記載の発明に相当）。

【０１００】また、試料２１を振動させる周波数は、好
ましくは、片持ち梁２７の共振周波数又はほぼ共振周波
数であるほうがよいが、充分な感度が得られれば、共振
周波数以外の周波数で振動させてもよい。

【０１０１】さらに、請求項１４記載の発明の一実施例
を図１５により説明する。本実施例は、探針２５先端と
感光体２１ｂ表面との間の距離ｄの変化が、低周波で大
きな成分と、高周波で変動幅の小さな成分とを含んでい
る場合に適切に対処し得るようにしたものである。即
ち、本実施例では、Ｚ軸アチュエータ２２を微動アクチ
ュエータとして、電圧Ｖ₁₅をＨＰＦ（ハイ・パス・フィ
ルタ）６５を通して高周波成分の制御信号を抽出してこ
のＺ軸アクチュエータ（微動アクチュエータ）２２に与
える一方、別のＺ軸アクチュエータ６６を粗動アクチュ
エータとして設け、電圧Ｖ₁₅をＬＰＦ（ロー・パス・フ
ィルタ）６７、増幅器６８を通して低周波成分の制御信
号を抽出してこのＺ軸アクチュエータ（粗動アクチュエ
ータ）６６に与えるようにしたものである。ここに、Ｚ
軸アクチュエータ２２側が例えば圧電素子構成であるの
に対して、Ｚ軸アクチュエータ６６側はボイスコイル構
成のものとされている。

【０１０２】即ち、距離ｄの制御信号である電圧Ｖ₁₅を
ＨＰＦ６５とＬＰＦ６７とにより周波数帯域に応じて分
離し、ＨＰＦ６５側から出力される電圧Ｖ₁₆なる制御信
号により、高周波特性はよいが変位量が数１０μｍ程度
の微動アクチュエータ２２を駆動させるものとするが、
ＬＰＦ６７側から出力される電圧Ｖ₁₇なる制御信号によ
り、変位量はｍｍ程度までで大きいが低周波にしか応答
しない高周波特性の悪い粗動アクチュエータ６６を駆動
させるようにしたものである。

【０１０３】これにより、低周波で変動幅の大きな成分
と、高周波で変動幅の小さな成分を含んでいる距離変動
に対して適切に対処して距離ｄの制御を行うことがで
き、適正かつ精度よく、感光体２１ｂの表面電位及び表
面形状を測定し得るものとなる。

【０１０４】なお、これらの実施例にあっても、試料２
１側でなく、探針２５側をアクチュータ駆動させるよう
にしてもよい。

【０１０５】さらに、請求項１５，１６，１８及び１９
記載の発明の一実施例を図１６により説明する。本実施
例は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）６９により分離さ
れた最高周波帯域の信号Ｖ_Hを、電圧源４７に代えて、
加振アクチュエータ４０用の加振用電源４１に帰還入力
させ、信号Ｖ_Hにより加振用電源４１の電圧振幅（振動
振幅）を制御するようにしたものである。具体的には、
信号Ｖ_Hが減少すれば交流電圧Ｖ₈ の振幅は小さくな
る。信号Ｖ_Hの出力ラインにはその電圧振幅を測定する
振動振幅測定手段となる電圧計７０が接続されている。

【０１０６】ただし、本実施例では、探針２５・感光体
２１ｂ表面間の距離ｄの制御に関しては、試料２１側で
はなく、片持ち梁２７側に設けたアクチュエータ７１に
より制御するように構成されている。まず、探針２５は
固定台２６に対して粗動アクチュエータとしてのボイス
コイル７１と、微動アクチュエータとしてのＰＺＴ７２
とにより支持された片持ち梁２７の先端に保持されてい
る。試料２１側はＸ，Ｙ軸アクチュエータ７３、加振ア
クチュエータ４０上に保持されている。さらに、積分器
５８の出力Ｖ₁₅について周波数帯域により分離する分離
手段となる前記ＢＰＦ６９は、出力Ｖ₁₅を高帯域成分信
号Ｖ_H、中帯域成分信号Ｖ_M、低帯域成分信号Ｖ_Lとの
３信号に分離するものである。分離されたこれらの信号
につき、高帯域成分信号Ｖ_Hは駆動電圧Ｖ₈ を発生させ
るための加振用電源４１に振幅制御信号としてフィード
バックされ、中帯域成分信号Ｖ_Mはパワーアンプ７３を
介して微動アクチュエータ、即ちＰＺＴ７２に制御信号
としてフィードバックされ、低帯域成分信号Ｖ_Lはパワ
ーアンプ７４を介して粗動アクチュエータ、即ちボイス
コイル７１にフィードバックされている。よって、高帯
域成分信号Ｖ_Hのフィードバック系が交流電圧Ｖ₄ の振
幅を制御する振幅制御手段７５を構成しており、この出
力線に対してはその交流電位を測定する交流電位測定手
段となる電圧計７０が接続されている。また、中帯域成
分信号Ｖ_M、低帯域成分信号Ｖ_Lのフィードバック系が
距離制御手段７６を構成しており、各々の出力線に対し
ても変位測定手段となる電圧計７７，７８が接続されて
いる。

【０１０７】ここに、（３）式に示したように、ｃを定
数、Ｖを探針２５先端と感光体２１ｂ表面との間の電位
差、ｄを両者間の距離とすると、ＡＭ復調器３３の出力
電圧Ｖ₁ は、Ｖ₁ ＝ｃ（Ｖ²／ｄ³）Δｄで表される。
今、距離ｄが小さくなったとすると電圧Ｖ₁ は大きくな
るので、特に、この電圧Ｖ₁ の変動の内、高周波成分に
ついては高帯域成分信号Ｖ_Hを通して加振用電源４１の
振幅にフィードバックをかける。つまり、振幅を小さく
することにより、加振アクチュエータ４０の振動振幅Δ
ｄを小さくし、電圧Ｖ₁ を一定に保つ。このように高帯
域成分信号Ｖ_Hを測定することにより、この帰還量を電
圧計４２により検出することで、感光体２１ｂの表面形
状を測定することができる。

【０１０８】また、従来であれば、小さい振幅の距離変
動に対して圧電素子を用いている。この点、本実施例に
よれば、高周波で変位量の少ない距離変動については圧
電素子を用いずに帰還をかけることができるので、圧電
素子のヒステリシス、高周波特性の悪さによる測定誤差
を小さくすることができる。

【０１０９】特に、請求項１８及び１９記載の発明にい
うように粗動、微動用のボイスコイル７１、ＰＺＴ７２
により、低周波で大きい振幅の感光体２１ｂ表面と探針
２５との間の距離変動を除去しており、高周波で小さい
振幅の距離変動を試料２１を加振させるための加振電圧
の振幅変動により測定する場合は、この加振電圧の振幅
変動と距離との間に比例関係が成立し、容易に表面形状
を測定し得る。ここに、電圧Ｖ₈ の振幅Ｖ_Zは信号Ｖ_H
により制御されているので、Ｖ_HとＶ_Zとの間に比例関
係があれば、電圧計７０の測定結果により表面の突起の
高さΔｘの値を直線性をもって測定できる。

【０１１０】なお、請求項３記載の発明の走査型力顕微
鏡に関しても本実施例に準じて構成すればよい。

【０１１１】つづいて、請求項１７及び２０記載の発明
の一実施例を図１７及び図１８により説明する。構成的
には前記実施例と同様であるが、前記実施例がＢＰＦ６
９により周波数分離された高周波成分の信号Ｖ_Hを加振
アクチュエータ４０用の加振用電源４１の振動振幅制御
用として用いたのに対して、本実施例ではこの信号Ｖ_H
により加振用電源４１による振動周波数を制御するよう
にしたものである。この信号Ｖ_Hの減少により駆動電圧
Ｖ₈ の周波数は増加する。また、信号Ｖ_Hの出力ライン
にはその周波数を測定する振動周波数測定手段となる電
圧計７９が接続されている。

【０１１２】このような構成において、本実施例の動作
を判りやすくするため、加振アクチュエータ４０を加振
させる振幅Ｖ₈の周波数と片持ち梁２７の振動振幅との
関係から説明する。今、図１８において探針２５と試料
２１表面との間に働く力が無い状態で片持ち梁２７が振
動していない状態から、探針２５と試料２１表面とが近
づき、両者間に力が働き、片持ち梁２７の振動振幅Ａと
加振周波数ｆ（図１７においては駆動電圧Ｖ₈の周波数
となる）との特性がで示すようになっているとする。
ついで、探針２５先端が試料２１表面にさらに近付き、
前述したように試料２１表面から探針２５への加振パワ
ーが増加することにより、振幅Ａ−加振周波数ｆ特性が
で示すようになったとする。

【０１１３】ここで、周波数ｆ₁ で試料２１を加振させ
た場合、その振幅はＡ₁ からＡ₂ に増加する。これによ
り、電圧Ｖ₁ の値が増加するので、加振用電源４１の出
力電圧Ｖ₈ の周波数はｆ₁ からｆ₂ になる。これによ
り、振幅はＡ₁ に戻る。また、の状態から探針２５と
試料２１表面とが離れた場合は、周波数ｆと振幅Ａとの
関係は、のようになり、振幅はＡ₃ となる。これによ
り、前述したように帰還がかかり、周波数ｆ₃ となる。
ここに、周波数ｆは高帯域成分信号Ｖ_Hにより制御して
いるので、電圧計７９によりこの信号Ｖ_Hを測定するこ
とにより、探針２５と試料２１表面との間の距離変動に
より生じた周波数ｆの変動量Δｆ₂ を知ることができ、
よって、試料２１の表面形状を測定することができる。

【０１１４】特に、請求項２０記載の発明にいうように
粗動、微動用のボイスコイル７１、ＰＺＴ７２により、
低周波で大きい振幅の試料２１表面と探針２５との間の
距離変動を除去しており、高周波で小さい振幅の距離変
動を試料２１を加振する加振アクチュエータ４０への駆
動電圧Ｖ₈ の周波数変化により測定する場合は、この加
振電圧の周波数変動と距離との間に比例関係が成立し、
容易に表面形状を測定し得る。

【０１１５】この時のΔｘは、周波数ｆの変化Δｆから
比例式により容易に知ることができる。即ち、周波数変
化Δｆが高周波成分の信号Ｖ_Hに比例するようにしてお
けば、この信号Ｖ_Hの値によりΔｘの値を比例式より求
めることができる。

【０１１６】なお、請求項４記載の発明の走査型力顕微
鏡に関しても本実施例に準じて構成すればよい。

【０１１７】

【発明の効果】請求項１記載の発明の走査型力顕微鏡に
よれば、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方
向に振動させて、測定対象物と探針との間に作用する力
を検出するようにしたので、ａｃ検出法による熱雑音、
光学系の熱膨張によるオフセットドリフトに強い、とい
う利点を維持しつつ、基準の片持ち梁振幅を表す電圧を
除去するための回路の不安定性に起因するドリフトの問
題を回避でき、さらには、片持ち梁と圧電素子とが隣接
するようなことがないので、両者間の絶縁とかノイズの
問題も生じることがなく、歪抵抗を持つ片持ち梁の使用
が可能である上に感光性材質のものでも測定対象物とし
得るものとなる。

【０１１８】特に、請求項２記載の発明の走査型力顕微
鏡によれば、対象物加振手段によって測定対象物を探針
の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させるように
したので、一層感度を向上させることができる。

【０１１９】請求項３記載の発明の走査型力顕微鏡によ
れば、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向
に振動させて、測定対象物と探針との間に作用する力を
検出する上に、片持ち梁の振幅が一定となるように測定
対象物を振動させる振動振幅を振動制御手段で制御し、
この振動振幅から測定対象物と探針との間に働く力を測
定するようにしたので、請求項１又は２記載の発明の効
果を維持した上に、ヒステリシスのない高周波特性に優
れた走査型力顕微鏡とすることができる。

【０１２０】請求項４記載の発明の走査型力顕微鏡によ
れば、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向
に片持ち梁の共振周波数程度で振動させて、測定対象物
と探針との間に作用する力を検出する上に、片持ち梁の
振幅が一定となるように測定対象物を振動させる振動周
波数を振動制御手段で制御し、この振動周波数から測定
対象物と探針との間に働く力を測定するようにしたの
で、請求項２記載の発明の効果を維持した上に、ヒステ
リシスのない高周波特性に優れた走査型力顕微鏡とする
ことができる。

【０１２１】請求項５記載の発明の走査型力顕微鏡によ
れば、アクチュエータを対象物加振手段として、測定対
象物をアクチュエータにより変位させるとともに、測定
対象物を加振させるようにしたので、Ｚ軸アクチュエー
タの数を減らし、測定対象物側の構造を単純化し、信頼
性を向上させることができる。

【０１２２】請求項６記載の発明の電位計によれば、対
象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に振動さ
せて、測定対象物と探針との間に作用する静電力を検出
するようにしたので、ａｃ検出法による熱雑音、光学系
の熱膨張によるオフセットドリフトに強い、という利点
を維持しつつ、基準の片持ち梁振幅を表す電圧を除去す
るための回路の不安定性に起因するドリフトの問題を回
避でき、さらには、片持ち梁と圧電素子とが隣接するよ
うなことがないので、両者間の絶縁とかノイズの問題も
生じることがなく、歪抵抗を持つ片持ち梁の使用が可能
である上に感光性材質のものでも測定対象物とすること
ができる。

【０１２３】特に、請求項７記載の発明の電位計によれ
ば、対象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に
片持ち梁の共振周波数程度で振動させるようにしたの
で、一層感度を向上させることができる。

【０１２４】請求項８記載の発明の電位計によれば、対
象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に振動さ
せた上で、測定対象物と探針との間に作用する静電力が
零又はほぼ零になるように電位制御手段で探針の電位を
可変制御し、可変制御された探針の電位を電位測定手段
により測定することで測定対象物の電位を測定するよう
にしたので、請求項６又は７記載の発明と同等の効果が
得られる。

【０１２５】請求項９記載の発明の電位計によれば、対
象物加振手段によって測定対象物を探針の方向に振動さ
せた上で、探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳して
交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた時の
静電力とが等しくなるように電位制御手段により直流電
圧を制御し、この直流電圧の電位を電位測定手段により
測定することで測定対象物の電位を測定するようにした
ので、請求項６又は７記載の発明と同等の効果が得られ
る。

【０１２６】請求項１０記載の発明の電位計によれば、
アクチュエータを対象物加振手段として、測定対象物を
アクチュエータにより変位させるとともに、測定対象物
を加振させるようにしたので、Ｚ軸アクチュエータの数
を減らし、測定対象物側の構造を単純化し、信頼性を向
上させることができる。

【０１２７】請求項１１記載の発明の電位及び形状測定
器によれば、対象物加振手段によって測定対象物を探針
の方向に振動させるとともに、探針に対して直流電圧に
交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電力
と負側に振れた時の静電力とが等しくなるように電位制
御手段により直流電圧を制御し、この直流電圧の電位を
電位測定手段により測定することで測定対象物の電位を
測定する一方、前記交流電圧が、正側に振れた時の静電
力が一定となり、又は、負側に振れた時の静電力が一定
となり、又は、正側に振れた時の静電力と負側に振れた
時の静電力との和が一定となるように前記測定対象物と
前記探針との間の距離をアクチュエータにより制御し、
このアクチュエータの変位量を変位量測定手段により測
定することで、測定対象物の表面形状を測定するように
したので、ａｃ検出法による熱雑音、光学系の熱膨張に
よるオフセットドリフトに強い、という利点を維持しつ
つ、基準の片持ち梁振幅を表す電圧を除去するための回
路の不安定性に起因するドリフトの問題を回避すること
ができ、さらに、片持ち梁と圧電素子とが隣接するよう
なことがないので、両者間の絶縁とかノイズの問題も生
じることがないので、歪抵抗を持つ片持ち梁の使用が可
能である上に感光性材質のものでも測定対象物とするこ
とができる。

【０１２８】特に、請求項１２記載の発明の電位及び形
状測定器によれば、対象物加振手段によって測定対象物
を探針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させる
ようにしたので、一層感度を向上させることができる。

【０１２９】請求項１３記載の発明の電位及び形状測定
器によれば、距離制御手段のアクチュエータを対象物加
振手段として、測定対象物をアクチュエータにより変位
させるとともに、測定対象物を加振させるようにしたの
で、Ｚ軸アクチュエータの数を減らし、測定対象物側の
構造を単純化し、信頼性を向上させることができる。

【０１３０】この際、請求項１４記載の発明の電位及び
形状測定器によれば、アクチュエータとして粗動アクチ
ュエータと微動アクチュエータとを設ける一方、アクチ
ュエータに対する制御信号を周波数帯域により分離して
粗動アクチュエータと微動アクチュエータとに別個に入
力させるとともに、何れか一方に対する制御信号に測定
対象物を振動させる加振用の信号を重畳させるようにし
たので、請求項１１，１３記載の発明の効果を維持した
上で、測定対象物表面のうねりによる１００μｍオーダ
の低周波の探針・測定対象物表面間の距離変動と、測定
対象物表面の傷などによるμｍオーダの高周波の探針・
測定対象物表面間の距離変動との双方の距離変動に対す
る制御を適正に行うことができ、より高精度に表面電位
と表面形状とを測定することができる。

【０１３１】また、請求項１５記載の発明の電位及び形
状測定器によれば、対象物加振手段によって測定対象物
を探針の方向に振動させるとともに、探針に対して直流
電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時の
静電力と負側に振れた時の静電力とが等しくなるように
電位制御手段により直流電圧を制御し、この直流電圧の
電位を電位測定手段により測定することで測定対象物の
電位を測定する一方、交流電圧が、正側に振れた時の探
針の振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の探針の
振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の振幅と負側
に振れた時の振幅との和が一定となるように対象物加振
手段の振動振幅を振動振幅制御手段により制御し、この
振動振幅を振動振幅測定手段により測定することで、振
動振幅から探針と測定対象物表面との間の距離を測定し
て表面形状を知るようにしたので、請求項１１記載の発
明と同等の効果を維持しつつ、ヒステリシスのない高周
波特性に優れた電位及び形状測定器とすることができ
る。

【０１３２】特に、請求項１６記載の発明の電位及び形
状測定器によれば、対象物加振手段によって測定対象物
を探針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させる
ようにしたので、一層感度を向上させることができる。

【０１３３】請求項１７記載の発明の電位及び形状測定
器によれば、請求項１６記載の発明中の「振動振幅」に
代えて、「振動周波数」を扱うようにしたものであり、
同等の効果が得られる。

【０１３４】請求項１８記載の発明の電位及び形状測定
器によれば、対象物加振手段によって測定対象物を探針
の方向に振動させるとともに、探針に対して直流電圧に
交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電力
と負側に振れた時の静電力とが等しくなるように電位制
御手段により直流電圧を制御し、この直流電圧の電位を
電位測定手段により測定することで測定対象物の電位を
測定する一方、交流電圧が、正側に振れた時の探針の振
幅が一定となり、又は、負側に振れた時の探針の振幅が
一定となり、又は、正側に振れた時の振幅と負側に振れ
た時の振幅との和が一定となるように制御するための帰
還信号を周波数帯域により分離する分離手段を有して、
分離された一部の周波数帯域の帰還信号により対象物加
振手段の振動振幅を制御するものとし、さらに、分離手
段により分離された帰還信号中から前記一部の周波数帯
域の信号を除く帰還信号により測定対象物と前記探針と
の間の距離をアクチュエータにより制御し、このアクチ
ュエータの変位量を変位量測定手段により測定すること
で、測定対象物の表面形状を知るようにしたので、請求
項１１記載の発明と同等の効果を維持しつつ、アクチュ
エータのヒステリシス特性による測定誤差がなくて高周
波特性に優れ、かつ、大きなうねりのある測定対象物に
ついても測定精度及び分解能を低下させることのない電
位及び形状測定器とすることができる。

【０１３５】特に、請求項１９記載の発明の電位及び形
状測定器によれば、対象物加振手段によって測定対象物
を探針の方向に片持ち梁の共振周波数程度で振動させる
ようにしたので、一層感度を向上させることができる。

【０１３６】請求項２０記載の発明の電位及び形状測定
器によれば、請求項１９記載の発明中の「振動振幅」に
代えて、「振動周波数」を扱うようにしたものであり、
同等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１及び２記載の発明の一実施例を示す回
路構成図である。

【図２】その動作を説明するための原子間力−距離特性
図である。

【図３】請求項６及び７記載の発明の一実施例を示す回
路構成図である。

【図４】探針付近を拡大して示す模式図である。

【図５】その動作を説明するための原子間力−距離特性
図である。

【図６】請求項８記載の発明の一実施例を示す回路構成
図である。

【図７】請求項９記載の発明の一実施例を示す回路構成
図である。

【図８】表面電位の変動及び距離の変動のない場合の測
定動作を示すタイミング波形図である。

【図９】距離が変動して場合の測定動作を示すタイミン
グ波形図である。

【図１０】請求項１１及び１２記載の発明の一実施例を
示す回路構成図である。

【図１１】表面電位の変動及び距離の変動のない場合の
測定動作を示すタイミング波形図である。

【図１２】距離が変動した場合の測定動作を示すタイミ
ング波形図である。

【図１３】表面電位の変動した場合の測定動作を示すタ
イミング波形図である。

【図１４】請求項５記載の発明の一実施例を示す回路構
成図である。

【図１５】請求項１４記載の発明の一実施例を示す回路
構成図である。

【図１６】請求項１５，１６，１８及び１９記載の発明
の一実施例を示す回路構成図である。

【図１７】請求項１７及び２０記載の発明の一実施例を
示す回路構成図である。

【図１８】加振周波数‐振動振幅特性図である。

【図１９】第１の従来例を示す回路構成図である。

【図２０】第２の従来例を示す回路構成図である。

【図２１】第３の従来例を示す回路構成図である。

【符号の説明】

２１測定対象物２２アクチュエータ、微動アクチュエータ２５探針２７片持ち梁３６電位測定手段４０対象物加振手段４５電位制御手段４６電位制御手段５３電位測定手段６６アクチュエータ、粗動アクチュエータ６９分離手段７０振動振幅測定手段７５振幅制御手段７６距離制御手段７７変位測定手段７８変位測定手段７９振動周波数測定手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物に対向させた探針を片持ち梁
の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探針との間に
作用する力によって、前記片持ち梁を変形させ、この片
持ち梁の変形の検出により前記測定対象物と前記探針と
の間に作用する力を検出し、前記測定対象物の状態を測
定するようにした走査型力顕微鏡において、前記測定対
象物を前記探針の方向に振動させる対象物加振手段を設
けたことを特徴とする走査型力顕微鏡。
【請求項２】測定対象物を片持ち梁の共振周波数又は
この共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象物
加振手段としたことを特徴とする請求項１記載の走査型
力顕微鏡。
【請求項３】片持ち梁の振幅が一定となるように対象
物加振手段の振動振幅を制御する振動制御手段と、この
振動振幅を測定する振動振幅測定手段とを設けたことを
特徴とする請求項１又は２記載の走査型力顕微鏡。
【請求項４】片持ち梁の振幅が一定となるように対象
物加振手段の振動周波数を制御する振動制御手段と、こ
の振動周波数を測定する振動周波数測定手段とを設けた
ことを特徴とする請求項２記載の走査型力顕微鏡。
【請求項５】対象物加振手段を、測定対象物変位用の
アクチュエータとしたことを特徴とする請求項１又は２
記載の走査型力顕微鏡。
【請求項６】測定対象物に対向させた導電性の探針を
片持ち梁の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探針
との間に作用する静電力によって、前記片持ち梁を変形
させ、この片持ち梁の変形の検出により前記静電力を検
出し、前記測定対象物の電位状態を測定するようにした
電位計において、前記測定対象物を前記探針の方向に振
動させる対象物加振手段を設けたことを特徴とする電位
計。
【請求項７】測定対象物を片持ち梁の共振周波数又は
この共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象物
加振手段としたことを特徴とする請求項６記載の電位
計。
【請求項８】静電力が零又はほぼ零になるように探針
の電位を可変制御する電位制御手段と、この電位制御手
段により可変制御された前記探針の電位を測定する電位
測定手段とを設けたことを特徴とする請求項６又は７記
載の電位計。
【請求項９】探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳
して交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた
時の静電力とが等しくなるように前記直流電圧を制御す
る電位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電位を測
定する電位測定手段とを設けたことを特徴とする請求項
６又は７記載の電位計。
【請求項１０】対象物加振手段を、測定対象物変位用
のアクチュエータとしたことを特徴とする請求項６又は
７記載の電位計。
【請求項１１】測定対象物に対向させた導電性の探針
を片持ち梁の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探
針との間に作用する静電力によって、前記片持ち梁を変
形させ、この片持ち梁の変形の検出により前記静電力を
検出し、前記測定対象物の電位及び形状を測定するよう
にした電位及び形状測定器において、前記測定対象物を
前記探針の方向に振動させる対象物加振手段と、前記探
針に対して直流電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正
側に振れた時の静電力と負側に振れた時の静電力とが等
しくなるように前記直流電圧を制御する電位制御手段
と、前記探針の前記直流電圧の電位を測定する電位測定
手段と、前記交流電圧が、正側に振れた時の静電力が一
定となり、又は、負側に振れた時の静電力が一定とな
り、又は、正側に振れた時の静電力と負側に振れた時の
静電力との和が一定となるように前記測定対象物と前記
探針との間の距離を制御するアクチュエータを備えた距
離制御手段と、前記アクチュエータの変位量を測定する
変位量測定手段とを設けたことを特徴とする電位及び形
状測定器。
【請求項１２】測定対象物を片持ち梁の共振周波数又
はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象
物加振手段としたことを特徴とする請求項１１記載の電
位及び形状測定器。
【請求項１３】距離制御手段のアクチュエータを対象
物加振手段としたことを特徴とする請求項１１又は１２
記載の電位及び形状測定器。
【請求項１４】アクチュエータとして粗動アクチュエ
ータと微動アクチュエータとを設け、前記アクチュエー
タに対する制御信号を周波数帯域により分離して前記粗
動アクチュエータと微動アクチュエータとに別個に入力
させるとともに、何れか一方に対する制御信号に測定対
象物を振動させる加振用の信号を重畳させる距離制御手
段としたことを特徴とする請求項１３記載の電位及び形
状測定器。
【請求項１５】測定対象物に対向させた導電性の探針
を片持ち梁の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探
針との間に作用する静電力によって、前記片持ち梁を変
形させ、この片持ち梁の変形の検出により前記静電力を
検出し、前記測定対象物の電位及び形状を測定するよう
にした電位及び形状測定器において、前記測定対象物を
前記探針の方向に振動させる対象物加振手段と、前記探
針に対して直流電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正
側に振れた時の静電力と負側に振れた時の静電力とが等
しくなるように前記直流電圧を制御する電位制御手段
と、前記探針の前記直流電圧の電位を測定する電位測定
手段と、前記交流電圧が、正側に振れた時の前記探針の
振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の前記探針の
振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の前記振幅と
負側に振れた時の前記振幅との和が一定となるように前
記対象物加振手段の振動振幅を制御する振動振幅制御手
段と、この振動振幅を測定する振動振幅測定手段とを設
けたことを特徴とする電位及び形状測定器。
【請求項１６】測定対象物を片持ち梁の共振周波数又
はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象
物加振手段としたことを特徴とする請求項１５記載の電
位及び形状測定器。
【請求項１７】測定対象物に対向させた導電性の探針
を片持ち梁の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探
針との間に作用する静電力によって、前記片持ち梁を変
形させ、この片持ち梁の変形の検出により前記静電力を
検出し、前記測定対象物の電位及び形状を測定するよう
にした電位及び形状測定器において、前記測定対象物を
前記探針の方向に前記片持ち梁の共振周波数又はこの共
振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象物加振手
段と、前記探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳して
交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた時の
静電力とが等しくなるように前記直流電圧を制御する電
位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電位を測定す
る電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れた時の
前記探針の振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の
前記探針の振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の
前記振幅と負側に振れた時の前記振幅との和が一定とな
るように前記対象物加振手段の振動周波数を制御する振
動周波数制御手段と、この振動周波数を測定する振動周
波数測定手段とを設けたことを特徴とする電位及び形状
測定器。
【請求項１８】測定対象物に対向させた導電性の探針
を片持ち梁の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探
針との間に作用する静電力によって、前記片持ち梁を変
形させ、この片持ち梁の変形の検出により前記静電力を
検出し、前記測定対象物の電位及び形状を測定するよう
にした電位及び形状測定器において、前記測定対象物を
前記探針の方向に振動させる対象物加振手段と、前記探
針に対して直流電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正
側に振れた時の静電力と負側に振れた時の静電力とが等
しくなるように前記直流電圧を制御する電位制御手段
と、前記探針の前記直流電圧の電位を測定する電位測定
手段と、前記交流電圧が、正側に振れた時の前記探針の
振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の前記探針の
振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の前記振幅と
負側に振れた時の前記振幅との和が一定となるように制
御するための帰還信号を周波数帯域により分離する分離
手段を有して分離された一部の周波数帯域の帰還信号に
より前記対象物加振手段の振動振幅を制御する振動振幅
制御手段と、前記分離手段により分離された帰還信号中
から前記一部の周波数帯域の信号を除く帰還信号により
前記測定対象物と前記探針との間の距離を制御するアク
チュエータを備えた距離制御手段と、前記アクチュエー
タの変位量を測定する変位量測定手段とを設けたことを
特徴とする電位及び形状測定器。
【請求項１９】測定対象物を片持ち梁の共振周波数又
はこの共振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象
物加振手段としたことを特徴とする請求項１８記載の電
位及び形状測定器。
【請求項２０】測定対象物に対向させた導電性の探針
を片持ち梁の先端に保持させ、前記測定対象物と前記探
針との間に作用する静電力によって、前記片持ち梁を変
形させ、この片持ち梁の変形の検出により前記静電力を
検出し、前記測定対象物の電位及び形状を測定するよう
にした電位及び形状測定器において、前記測定対象物を
前記探針の方向に前記片持ち梁の共振周波数又はこの共
振周波数とほぼ等しい周波数で振動させる対象物加振手
段と、前記探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳して
交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた時の
静電力とが等しくなるように前記直流電圧を制御する電
位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電位を測定す
る電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れた時の
前記探針の振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の
前記探針の振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の
前記振幅と負側に振れた時の前記振幅との和が一定とな
るように制御するための帰還信号を周波数帯域により分
離する分離手段を有して分離された一部の周波数帯域の
帰還信号により前記対象物加振手段の振動周波数を制御
する振動周波数制御手段と、前記分離手段により分離さ
れた帰還信号中から前記一部の周波数帯域の信号を除く
帰還信号により前記測定対象物と前記探針との間の距離
を制御するアクチュエータを備えた距離制御手段と、前
記アクチュエータの変位量を測定する変位量測定手段と
を設けたことを特徴とする電位及び形状測定器。