JP3185742B2

JP3185742B2 - 表面計測器

Info

Publication number: JP3185742B2
Application number: JP05928398A
Authority: JP
Inventors: 啓二高田; 博道清水; 茂行細木; 純男保坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JPH10221351A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面計測計に係り、特
に試料表面を観察するのに好適なように改良された表面
計測計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型トンネル顕微鏡（以下、こ
れをＳＴＭと略称する）については、例えば、特開昭６
１−２２０２６０号公報，特開昭６１−２０６１４８号
公報、あるいは、アプライドフィジックスレター
ズ，４０（２）１９８２年，第１７８頁から第１８０頁
（Ａppl. Ｐhys. Ｌett．４０（２）１９８２，pp.１７
８−１８０）において論じられている。

【０００３】ＳＴＭの原理的構成は次のようなものであ
る。すなわち、タングステン針を導電性試料の表面に接
近させ、両者の間にトンネル電流を流し、このトンネル
電流を一定に保つように針と試料との間隔を調節しなが
ら、針あるいは試料を走査する。これにより、試料表面
の形状情報が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、主として試料表面の凹凸などの形状
情報を得ることについて述べられているのみで、試料内
部の情報を得ることおよびそのための具体的手段につい
ては提示されていない。また、試料が絶縁体である場合
についての配慮もなされていない。

【０００５】本発明の目的は、結晶試料内の歪あるいは
クラック等の、従来のＳＴＭにおいては観察できなかっ
た試料内部の情報を得ることにある。

【０００６】また、本発明の他の目的は、ＳＴＭ測定中
の針と試料との間隔（真空ギャップ）の測定や絶縁体表
面形状の観察をも可能ならしめることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、試料に入射
されるトンネル電流を周期的に増減させる（変調させ
る）ことにより発生する試料内部の歪波を、ピエゾ板に
より成るトランスデューサで検出することにより達成さ
れる。

【０００８】真空ギャップの測定及び絶縁体表面の観察
は、針を試料表面に接触させることにより試料に歪を生
じさせ、これを検出することにより達成される。

【０００９】

【作用】トンネル電流を変調させることにより試料内に
発生する歪波の大きさ及び位相は、試料内の物理的情報
を反映しているため、これらの分布を示す画像が得られ
る。

【００１０】また、針が試料表面に対し数オングストロ
ーム以下の距離に接近すると両者の間に働く原子間力に
より試料に歪が発生する。この歪の検知により、針と試
料表面との距離がわかるので、ＳＴＭ測定時の真空ギャ
ップの測定及び絶縁体表面構造の観察が可能となる。針
と試料の間に働く原子間力を、歪波として遠方に伝播さ
せ、これをトランスデューサあるいは別途に設けたＳＴ
Ｍ等で検出することにより、引力と斥力との識別及びそ
の大きさまで知ることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。導電性試料１は、導電性ブロック２の表面に貼り付
けられ、該ブロック２の裏面には、ピエゾ板３，４が貼
り付けられている。ピエゾ板３，４は、分極方向が互い
に逆向きである以外は、大きさ及び材質は同一のもので
ある。この２枚のピエゾ板３，４に誘起される電圧
ｖ_P1，ｖ_P2は、差動アンプ５で引き算され、差分出力Δ
ｖ_Pがロックインアンプ６に入力される。

【００１２】先端を鋭利に尖らせた金属針１１には電源
７により直流電圧ｖ_dが与えられ、該針１１を試料１の
表面に接近させると両者間にトンネル電流ｉが流れる。
このトンネル電流ｉは電流計８により検出され、その検
出信号Ｓｉはサーボ回路９に入力され、該サーボ回路９
は駆動信号Ｓｖを出力して微動機構１０を動作させるこ
とにより、針１１と試料１との間隔を調整し、トンネル
電流ｉの直流成分を一定に保つように動作する。走査回
路１２は走査信号Ｓｈを出力して微動機構１３により針
１１を試料面と平行な面内で２次元的に走査する。微動
機構１０への駆動信号Ｓｖを、微動機構１３への走査信
号Ｓｈとの関係において、ディスプレイ１４に表示する
ことによりＳＴＭ像が得られる。

【００１３】発振器１５からの交流電圧ｖ_fもまた、針
１１に前述の直流電圧ｖ_dに重畳して与えられ、この交
流電圧ｖ_fは、同時にロックインアンプ６のリファレン
ス信号となる。ここで、発振器１５からの交流電圧ｖ_f
の周波数はピエゾ板３，４の厚さ方向の共振周波数であ
り、サーボ回路９の時定数よりも高い。これによって、
発振器１５からの交流電圧ｖ_fによって変化するトンネ
ル電流ｉの交流成分にサーボ回路９は追従せず、したが
ってトンネル電流ｉは交流電圧ｖ_fの周波数で変調され
る。

【００１４】試料１に入射されるトンネル電流量によ
り、試料中に生じる歪の大きさが変化するため、試料表
面に発生した歪は歪波となって試料中およびブロック２
中を伝播し、ピエゾ板３，４を歪ませる。２つのピエゾ
板は、互いに分離方向が逆であるため、出力電圧は互い
に逆極性である。このため、ピエゾ板３，４の誘起電圧
ｖ_P1，ｖ_P2を差動アンプ５により引き算処理することに
より、誘導ノイズはその大部分がカットされる。ロック
インアンプ６は、差動アンプ５の出力信号の振幅Δｖ_P
と該出力信号の位相の交流電圧ｖ_fの位相に対する位相
ずれΔφとを出力でき、これを走査信号Ｓｈとの関係に
おいてディスプレイ１４上に表示できる。これが本発明
で言うところの走査型トンネル音響顕微鏡像である。

【００１５】次に、歪の発生原因について簡単に説明す
る。半導体結晶中に生じる電気的歪は、すでに１９６１
年、フィジルスキ（Ｔ.Ｆigielski）により論じられて
いる（Ｐhys.Ｓtatus.Ｓolidi.Ｖol.１，３０６（１９
６１））。さらに、近年スターン（Ｒ.Ｇ.Ｓtearns）ら
によって、電気的歪と熱的歪との大きさの比較がなされ
た（Ａppl.Ｐhys.Ｌett.Ｖol.４７，１０４８（１９８
５年）。光により励起された電子−正孔対のエネルギー
が最低となるように結晶格子間隔が変化する。歪の大き
さは、ｄＥｇ／ｄＰ（Ｅｇは禁制帯のエネルギー幅、Ｐ
は圧力）及び電子−正孔対の密度に比例した量である。

【００１６】ＳＴＭにおいては、電子−正孔対ではな
く、電子あるいは正孔のみを半導体試料中に高密度に注
入する。このような現象による歪は、いまだ詳しくは論
じられていないが、例えば電子を伝導帯に高密度に注入
した場合においては、格子間隔の変化に対する伝導帯下
端のエネルギーレベルの変化の割合が重要であり、正孔
を価電子帯に多く注入した場合においては、価電子帯上
端及び下端のエネルギーレベルの変化の割合が歪に大き
く寄与する。

【００１７】すなわち、歪波の大きさ及びその位相（例
えば、正孔を注入した場合、膨張するか収縮するか）を
調べることにより、電子準位（バンド）構造がわかり、
ひいては、結晶内応力による格子間隔のずれを知ること
ができる。

【００１８】分子線成長などの手法により、格子間隔の
異なる物質を多数積層して製作される半導体素子の格子
間隔の不整による内部応力の分布及び不純物の打ち込み
による結晶内応力の分布などの測定に最適である。

【００１９】電源７の電圧をｍＶオーダに設定して、半
導体試料を観察する場合には、ペルティエ効果による熱
的歪が観察される。例えば、金属の針から試料に電子を
注入すれば、ｎ型半導体では吸熱（収縮）がおこり、ｐ
型半導体では発熱（膨張）がおこる。すなわち、ｐ型と
ｎ型ではロックインアンプ６からの位相ずれ出力Δφの
極性が逆転するので、両者を明確に識別することができ
る。また、試料内部にｐｎジャンクションがあり、ここ
を電流が流れるとペルチェ効果がおこる。これにより、
試料内部のジャンクションについての情報が得られる。

【００２０】電源７の電圧をより高く設定すると、試料
内の抵抗による発熱が生じる。これは、トンネル電流の
向き及び試料の電気的性質によらず、常に発熱（膨張）
する。この場合の歪発生のメカニズムは電子線超音波顕
微鏡の場合とほぼ同様であり、得られる像のコントラス
トも似通っている。しかし、低い電圧で大きい電流を狭
い領域に注入できるトンネル音響顕微鏡の方が分解能に
優れる。電子線超音波顕微鏡は、応用物理，第５１巻，
第２号（１９８２），２０５頁〜２０９頁に述べられて
いる。

【００２１】次に、ＳＴＭおよび原子間力顕微鏡（Ａto
mic Ｆorce Ｍicroscope；ＡＦＭ）を応用した歪波の検
出方法を示す。ＳＴＭ及びＡＦＭは、試料表面の原子オ
ーダの凹凸を検出できるため、非常に微小な振幅の歪波
の検出にも応用できる。構成の一例を図２に示す。試料
１中の破線は、ある時点における歪波の最大振幅、一点
破線は振幅０の位置を示す。電流回路５８，５９により
針１７，１８と試料１との間には適当な電圧が加えら
れ、それぞれの針と試料との間に流れる電流（トンネル
電流）ｉ₁，ｉ₂が計測される。帰還回路６０，６１は、
この電流値ｉ₁，ｉ₂がそれぞれ一定になるように微動機
構１９，２０を伸縮させ、その結果針１７，１８と試料
１との間隔が一定に保たれる。移動機構２１，２２の動
きにより、針１１，１７，１８はほぼ一直線上に設定さ
れ、かつ針１７，１８の間隔は試料１の表面波の半波長
に設定される。試料１端部には表面波吸収剤が塗布され
ており、表面波の反射は起こらないよう考慮されてい
る。この方法によると、表面波の振幅に対する量が針１
７，１８の変位、すなわち帰還回路６０，６１の出力信
号Ｓｖ₁，Ｓｖ₂として検出される。針１７，１８の振幅
の比較により、波の減衰係数がわかる。これにより、歪
の発生源（針１１近傍の試料表面）での振幅が推定で
き、トンネル電流ｉの注入量に対する歪の絶対量がわか
るので、試料１の弾性的電気的性質が判明する。

【００２２】移動機構２１，２２による針１７，１８の
位置決めは、針１７，１８の変位の位相差が１８０°と
なるようにすればよい。これにより、両者の間隔は表面
波の半波長となり、表面波の速度もわかる。針１１の走
査による画像取得は、この後行われる。

【００２３】図１のピエゾ板３，４の出力電圧に変わ
り、針１７，１８の変位信号（帰還回路６０，６１の出
力信号Ｓｖ₁，Ｓｖ₂）が差動アンプ５に入力される。歪
波検出手段以外の機能，構成は、図１と同様である。発
振器１５の周波数が高く、針１７，１８が追従しない状
態においては、電流回路５８，５９の出力信号（トンネ
ル電流値ｉ₁，ｉ₂）が、差動アンプ５に入力される。

【００２４】試料１に電流を流すことなく試料表面の波
を検出するには、ＡＦＭを用いる（図３）。薄い金属板
より成るカンチレバー２９の一方の端に絶縁物製の針３
０が取り付けられ、他方の端は導電性の枠３１に固定さ
れている。枠３１には微動機構３２と導電性の針３３が
取り付けられ、針３３とカンチレバー２９との間には電
流回路６２により電圧が印加され両者の間の電流ｉ′が
計測される。帰還回路６３は、この電流値ｉ′が一定に
なるように微動機構３２を伸縮させ、カンチレバー２９
と針３３との間隔を一定に保つ。針３０は絶縁体である
ので、試料１に電流は流れ込まない。針３０と試料１と
の間には、弱い原子間力（斥力）が働いている。

【００２５】試料表面波は、針３０の変位を介して針３
３の変位として検出される。帰還回路６３の出力信号
（針３３の変位信号）Ｓｖ′が、図１におけるピエゾ板
３あるいは４の起電力、あるいは図２における帰還回路
６０あるいは６１の出力信号に対応するものである。

【００２６】ピエゾ板による歪波の検出とＳＴＭ及びＡ
ＦＭによる検出とを比較すると、前者は高い周波数まで
検出できるのに対し、後者は非常に微小な振幅の波が測
定でき、かつ歪発生源での歪量が容易に推定できる。

【００２７】次に、トンネル音響顕微鏡を応用した測定
例を図１の構成を引用しながら述べる。

【００２８】導電性の試料１表面に絶縁性の被膜３５が
ある表面をＳＴＭで観察する様子を図４に示す。針１１
と試料１との間には一定の電圧が印加され、トンネル電
流が一定になるように針１１は図中の破線で示すような
軌跡を描く。被膜３５と真空との誘電率の差により、針
１１の軌跡は被膜３５の形状をわずかに反映している。
しかし、被膜３５の厚い所では、針１１が被膜３５の凸
部に衝突する。このとき、大きな歪波が発生し、図１中
のピエゾ板３，４からは、パルス状の強い信号が出る。
このパルス発生の位置を記憶しておくことにより、ＳＴ
Ｍ像上での被膜３５の厚い場所がわかる。

【００２９】針１１と試料１との接触がおこると針先の
変形によりトンネル電流の流れる場所が変わり、ＳＴＭ
像が不連続になり、かつ再現性もそこなわれる。そこ
で、接触がおこると、電源７の電圧ｖ_dを上げ、サーボ
回路９の働きにより針１１と試料１とのギャップをひろ
げる。これにより、針１１と試料１との間には、常に真
空ギャップが存在し、再現性良くＳＴＭ像が得られる。
電源７の電圧ｖ_dを上げる代りに、トンネル電流ｉの設
定値を小さくしても同様である。

【００３０】試料表面に急峻な段差がある場合、サーボ
回路９の応答速度が十分でないと衝突が起こる。このと
きには、走査速度を遅くすることにより衝突をさけるこ
とができる。

【００３１】以上は、針と試料との間に働く力による歪
の検出を、衝突防止の目的に応用した例を示したが、真
空ギャップの測定及び絶縁体の観察にも応用することが
できる。これは図５，図６により説明する。図４に示し
たような絶縁性被膜３５の存在する試料１表面の観察を
考える。図６中の走査回路１２は針１１を試料面１に沿
いラスタースキャンする。さらに走査回路１２からの走
査信号Ｓｈにより画素毎にサーボ回路９の出力信号Ｓｖ
はホールドされ針１１は停止する。次に、パルス発振器
３６からのパルス信号Ｓｐがサーボ回路９の出力信号Ｓ
ｖに加えられ、パルス高に応じて針１１を試料１に近づ
ける。図５に示すように、時間とともにパルスＳｐのパ
ルス高は増し、あるパルス番号のときに針１１は試料表
面に接触する。この際発生する歪は、針３７，微動機構
３８，帰還回路３９，電流回路４０より成るＳＴＭ方式
の歪検出系により検出される。歪量は、帰還回路３９の
出力信号Ｓｖ″として、波高分別器４１に出力される。
波高分別器４１は、針１１と試料１とが接触したときの
大きな信号が入力された際、パルス信号Ｓｇをゲート４
２に出力する。このときゲート４２は開き、その時の発
振器３６の出力パルスＳｐの波高値がメモリ４３に入力
される。例えば、５番目のパルスで針１１と試料１とが
接触したときには、ゲート４２は５番と６番とのパルス
の間の時間に開くが、発振器３６からゲート４２への出
力パルスはパルス間隔の時間分遅延されており、５番目
のパルスがメモリ４３に入力されるようになっている。
ゲート４２が開かれると同時に発振器３６は出力を止
め、６番目のパルスは出力されない。波高分別器４１の
出力パルスＳｇは走査回路１２にも入力され、サーボ回
路９のホールドを解除し、次の一画素分の距離だけ針１
１を走査する。図５は、このような方法で走査を行い、
各位置においてそれぞれ５，４，３番のパルスがメモリ
４３に記憶された状態を示す。このようにして記憶され
たパルスのパルス高（または、パルス番号）が真空ギャ
ップに対応していることがわかる。

【００３２】この測定方法により、真空ギャップが測定
でき絶縁性被膜の厚さあるいは試料の電子状態が判明す
る。

【００３３】サーボ回路９のホールド時において、針１
１を試料１に近づけるに従いトンネル電流ｉは増大し、
これによる歪発生は真空ギャップ測定の誤差要因とな
る。このため、サーボホールド時には、同時に電源７の
電圧も０とし、トンネル電流を流さないようにする。

【００３４】しかし、トンネル電流を流した場合と流さ
ない場合での真空ギャップ値の比較をすることにより、
トンネル電流による試料の歪量が測定できる。また、電
源７の電圧値ｖ_dを一定に保ったときの接触時のトンネ
ル電流値は、絶縁性被膜の厚さあるいは試料表面の導電
性を反映するので、表面観察の際には有益な情報である
ので、トンネル電流信号Ｓｉをゲート４２を通してメモ
リ４３に格納することもできる。

【００３５】試料１と針１１との間のギャップ測定のた
めの針１１の変位をギャップ電圧（試料１と針１１との
間の電圧）の変調により行い、サーボ回路９を常に働か
せることによりトンネル電流を一定に保てば、上記の歪
の影響はなくなる。この構成を図７に示す。歪検出系
は、試料１表面に取り付けられたピエゾ板６４，アンプ
６５である。このように、ピエゾ板６４を試料１の表面
位取り付けることにより、歪波検出効率は向上すること
が多い。試料材質にも依存するが歪エネルギーの大部分
が表面を伝播するためである。

【００３６】発振器３６からは、図５と同様のパルスＳ
ｐが出力され、ギャップ電圧ｖ_dに加えられる。このパ
ルスＳｐはギャップ電圧ｖ_dとは逆極性であり、パルス
Ｓｐが加えられるとギャップ電圧は減少する。このと
き、トンネル電流ｉを一定に保つため、サーボ回路９は
針１１を試料１に近づける。パルスが大きくなるにつ
れ、針１１は試料１に近づき、あるパルス高のとき、針
１１は試料１に接触し、発振器３６は出力を止める。接
触したときのサーボ回路９の出力信号値Ｓ_vcは、波高分
別器４１からのゲート信号Ｓｇでゲート４２が開くこと
によりメモリ４３に取り込まれる。一方、一画素分走査
した直後のパルス高０のときのサーボ回路９の出力信号
値Ｓ_v0は、走査回路１２からの走査信号Ｓｈでゲート４
２が開くことにより同じくメモリ４３に取り込まれる。
前者の信号Ｓ_vcは真の試料面を表わし、後者の信号Ｓ_v0
は、ＳＴＭ像信号としての針１１の先端位置を表わす。
両者の差Ｓ_vc−Ｓ_v0が、真空ギャップ値に対応する。

【００３７】上述のギャップ測定方法を応用すると、図
８の如くして絶縁体の観察が可能である。その場合の装
置構成としては、図６中の電源７，電流計８，サーボ回
路９が不要であり、発振器３６の出力パルス信号Ｓｐが
直接微動機構１０に入力される。歪の検出方法は、図６
と同様ＳＴＭ方式でもよいが、その場合は針３７周辺の
試料表面は金を蒸着するなどして導電性をもたせる必要
がある。図８のようにＡＦＭ方式を用いれば、試料表面
の導電性化処理の必要はない。ＡＦＭ方式は、図３と同
様であるので説明は省略する。

【００３８】次に、図８，図９を用いて動作の説明をす
る。図８中の発振器３６からは図５に示したパルスＳｐ
が微動機構１０へ出力され、針１１は試料１に近づく。
最大パルス高でも歪が検出されない場合には、発振器３
６から粗動機構制御部４５へ信号が出され、粗動機構４
６は制御部４５からの制御信号Ｓv_tを受けて最大パルス
高以下の距離だけ針１１を試料１に近づける。この状態
から、発振器３６は再びパルスＳｐを出力する。この手
段で、針１１は試料１に近づき、あるパルス高のとき歪
が検出されると、この番号がメモリ４３に記憶され、そ
の直後、発振器３６の出力パルスＳｐは０となり、針１
１が引っ込む。ついで針１１は次の一画素分の距離だけ
走査回路１２，微動機構１３により走査され、各画素に
おいて、歪発生時のパルス番号が記憶される。

【００３９】図９には、針先の原子と試料表面原子との
間に働く力を示した。針１１を試料１に近づけていく
と、図中イの距離までは引力が働き、これ以上近づくと
斥力となる。最初に観察される歪は引力であり試料表面
がもちあがり、さらに高いパルスでは斥力により表面に
下がる。この様子を図８に破線で示す。引力か斥力かに
より、検出される歪信号の位相は逆転する。それぞれの
状態でのパルスＳｐの番号を一画素毎に記憶することに
より、吸着原子や化学的に活性な場所の影響をより強く
反映する引力の分布と原子位置を強く反映する斥力の分
布とを同時に得ることができる。波高分別器４４のレベ
ル設定により検出される歪の大きさすなわち原子間力の
強さを選択できる。

【００４０】図１０は、超音波による試料内部観察の実
施例を示す。基本的構成はＳＴＭと同様である。電源
７、電流計８、サーボ回路９、微動機構１０，１３、走
査回路１２により、トンネル電流ｉを一定に保ちながら
針１１を走査する。針１１の根元には圧電振動子４８が
取り付けられ、該圧電振動子４８には該圧電振動子の共
振周波数に等しい周波数の高周波電圧ｖ_fが発振器１５
により印加される。それにより針１１は試料面に対し垂
直方向に振動し、針１１と試料１との接触点から超音波
が試料内を伝播する。この超音波振動を、ピエゾ板４
９，５０及び５１，５２と差動アンプ５３，５４により
検出する。波長が短いため、ピエゾ板４９と５０の出力
信号ｖ_P11とｖ_P12との間、およびピエゾ板５１と５２の
出力信号ｖ_P21とｖ_P22との間には、それぞれわずかでは
あるが位相差が生ずるが、遅延器５５，５６で位相差は
補償される。差動アンプ５３，５４の出力信号Δｖ_P1，
Δｖ_P2は２チャンネルロックインアンプ６６に入力され
る。ロックインアンプ６６のリファレンス信号としては
発振器１５の出力信号ｖ_fを用いる。ロックインアンプ
６６の出力信号Δｖ_P1，Δｖ_P2は、演算回路６７へ入力
され、そこで例えば引き算され、その引算結果Δｖ_Pが
メモリ４３へ格納される。

【００４１】針１１を図中右から左に走査する場合を考
える。試料１中には、図示したような欠陥があり、超音
波を反射，散乱する。最初の破線の位置では、差動アン
プ５３の出力信号Δｖ_P1は差動アンプ５４の出力信号Δ
ｖ_P2よりも大きく、実線の針の位置ではΔｖ_P1とΔｖ_P2
は等しく、最後の破線の針の位置では差動アンプ５３の
出力信号Δｖ_P1の方が差動アンプ５４の出力信号Δｖ_P2
よりも小さくなる。２個の差動アンプの信号強度の差Δ
ｖ_Pは、欠陥の位置を反映（微分形）していることがわ
かる。

【００４２】分解能を向上させるために非常に高い周波
数で振動させているため、針１１の振動によるトンネル
電流ｉの変化を電流計８は計測できず、従ってＳＴＭフ
ィードバック系は何ら影響を受けない。

【００４３】本実施例においては２個の検出系について
述べたが、二次元像を得るためには４個の検出系を設
け、それらの信号強度の比較を行う必要がある。ピエゾ
板は、できる限り面積の小さいものを用いる。

【００４４】図１１には、ＳＴＭの撮像と同時に真空ギ
ャップを連続的に測定できる装置構成を示す。ＳＴＭ関
係のコンポーネントの記載は省略した。トンネル電流が
一定に保たれている状態で圧電振動子４８を共振させ
る。針１１と試料１との接触による歪波の大きさはロッ
クインアンプ６の出力信号Δｖ_Pとして検出される。こ
の信号Δｖ_pが一定になるようにサーボ回路５７は発振
器１５の出力電圧ｖ_fの振幅を調整する。この振幅が真
空ギャップに対応する。発振器１５からロックインアン
プ６へ出力されるリファレンス信号ｖ_f′は常に一定の
振幅である。圧電振動子４８の共振点はＳＴＭのフィー
ドバック系よりも高い周波数にあり、ＳＴＭに影響を与
えることがないのは前記実施例の場合と同様である。

【００４５】絶縁体試料の観察には、図１２の構成を用
いる。発振器１５の出力電圧ｖ_fは一定である。ロック
インアンプ６の出力信号Δｖ_Pが一定になるようにサー
ボ回路９は微動機構１０を動かし、針１１と試料１との
間隔を調整する。微動機構１０の変位量Ｓｖを微動機構
１３の変位量Ｓｈに対応して、ディスプレイ６８に表示
することにより絶縁物試料１の表面形状が得られる。

【００４６】通常、ロックインアンプ６の出力信号Δｖ
_Pを小さい値で一定に保つと引力による像が得られ、大
きい値を設定すると斥力による像となる。引力と斥力と
の明確な識別は、ロックインアンプ６の位相出力により
なされる。引力と斥力では位相が逆転するためである。

【００４７】上記２つの実施例においては、図５，図
６，図７，図８に上げた方法に比べ、撮像時間が短い。
常に針１１を振動させているため、サーボ回路９をホー
ルドする必要がないためである。さらに、圧電振動子４
８の共振状態を用いるため、小さい電圧で十分な変位が
得られる。

【００４８】本発明のさらに具体的な一実施例を図１３
により説明する。先端を鋭利に尖がらせた針６９は、ピ
エゾ振動子７０により先端方向に振動させられる。この
振動周波数は、発振器７１と７２により設定され、それ
ぞれｆ₁、ｆ₂であり、それぞれの出力電圧ｖ_f1，ｖ_f2は
加算器７３により加算され、ピエゾ振動子７０に印加さ
れる。ｆ₁，ｆ₂は、歪検出用の圧電板７４の共振周波数
であるが、振動モードのちがいにより、その周波数は１
桁以上異なる（ｆ₂＞ｆ₁）。弾性支持板９３はピエゾ振
動子７０の振動がステージ９４を伝播し、圧電板７４に
到達することを防止するためのものである。試料７５は
圧電板７４上に直接貼り付けられている。シールドボッ
クス７６は、電気的ノイズ遮断のためのものであり、シ
ールドボックス７６内にはプリアンプ７７が設けられて
いる。圧電板７４の起電力ｖ_Pはアンプ７８でも増幅さ
れ、２個のバンドパスフィルタ７９，８０により、それ
ぞれｆ₁，ｆ₂の周波数成分のみが通過せしめられる。こ
れらのバンドパスフィルタ７９，８０はディジタルフィ
ルタであり、通過させる周波数幅は非常に狭く応答速度
は速い。整流回路８１，８２はバンドパスフィルタ７
９，８０を通過してきた交流電圧を整流し、直流電圧ｖ
₁，ｖ₂として出力し、該出力直流電圧ｖ₁，ｖ₂は帰還回
路８３およびメモリ８４へ入力される。

【００４９】針６９と試料７５との間には電源８９によ
り直流電圧ｖ_dが印加されており、両者の間に流れるト
ンネル電流ｉは電流計９０により計測され、電流計９０
の出力信号Ｓｉがメモリ８４へ入力される。

【００５０】帰還回路８３は、入力信号ｖ₁あるいはｖ₂
あるいはＳ_iを、あらかじめ設定された値になるように
ｚ方向ピエゾ素子８５を伸縮させる。帰還回路８３への
入力信号の切り換えは、スイッチ９１により行う。

【００５１】走査回路８６は、走査信号Ｓｈを出力して
ｘ方向ピエゾ素子８７、ｙ方向ピエゾ素子８８を伸縮さ
せることにより、針６９を試料７５に沿って２次元的に
ラスター方式で走査する（ただし、図ではｘ方向ピエゾ
素子８７とｙ方向ピエゾ素子８８への走査信号を分けて
示すことを省略している）。ｘ，ｙ，ｚ方向ピエゾ素子
８７，８８，８５の一端は枠９９に固定されており、他
の一端が一点で交わるトライポット構造をとっている。

【００５２】メモリ８４には、走査回路８６の出力信号
Ｓｈ、すなわち、試料７５上の針６９のｘ，ｙ平面内位
置に対応して、ｖ₁，ｖ₂，Ｓｉ及び、帰還回路８３の出
力信号Ｓｖが記録される。ｖ₂とＳｉは、発振器７１の
出力電圧ｖ_f1に対応しても記録される。

【００５３】針６９と試料７５との間に何らかの力が働
いた状態では、針６９の振動が試料７５へ伝わり圧電板
７４の起電力ｖ_P（さらには、その周波数成分ｖ₁，
ｖ₂）として検出される。まず第１に原子間力について
説明する。この場合にはｖ_dは０Ｖに設定する。図１４
は、整流回路８２の出力信号ｖ₂の典型定な測定例を示
す。発振器７２の出力信号ｖ_f2による針６９の振幅は、
０.１ｎｍから最大でも数ｎｍと小さい。一方、発振器
７１からの出力信号ｖ_f1による針６９の振幅は、図１４
中ＡからＢの距離である。整流回路８１の出力信号ｖ₁
は、帰還回路８３によるｚピエゾ８５の伸縮により、一
定に保たれているため、Ａ点，Ｂ点は図示した位置に保
たれる。

【００５４】図１４中、Ｂ〜Ｃまでは、引力の大きさを
示す。針６９がＣ点よりも試料７５に近づくと急激に斥
力が働く。Ｃ点からｖ₂がいったん減少する原因は、引
力と斥力とによる起電力の位相差が１８０°あること及
び、原子間力も引力から斥力に変わるさい０になるから
である。

【００５５】バンドパスフィルタ８０，整流回路８２の
かわりに、ロックインアンプ９２を用いると、振幅だけ
ではなく、位相の情報も同時に得られるため、図１５に
示すような、原子間力の分布が得られる。

【００５６】メモリ８４には、試料７５上一点毎の原子
間力分布（試料７５と針６９との間隔に対応したｖ₂あ
るいはロックインアンプ９２の出力信号ｖ₂′の値）が
記憶されると同時に、ｚ方向ピエゾ素子８５の変位量に
応じた信号Ｓｖが帰還回路８３から入力され記憶され
る。これら２つの情報は、ｘ，ｙ走査回路８６からの走
査信号Ｓｈに対応して記憶されるため、試料面上の二次
元的分布が得られる。これによって、原子間力は三次元
的な分布が得られる。帰還回路８３からの信号Ｓｖは試
料７５の表面形状をあらわす。原子オーダの分解能が得
られる。

【００５７】電源８９の電圧ｖ_dを適当な値に設定し、
トンネル電流ｉの測定信号Ｓｉを出力信号ｖ₂と同時に
記録することにより、電気的性質をも知ることができ
る。例えば、ｖ_dを数ｖに設定すれば、電界放射共鳴
（Ｆield Emission Ｒesonance）が観察される。これ
は、ｖ_f1（探針６９と試料７５との間隔）に対するトン
ネル電流ｉが振動する現象であり、電流の波長及び位相
を反映する。このことについては、フィジカル・レビュ
ー・レターズ、１９８５年，第５５巻，第９号，第９８
７〜９９０頁（Ｐhysical Ｒeview Ｌetters Ｖol. ５
５，Ｎｏ.９，１９８５，９８７〜９９０）に述べられ
ている。

【００５８】電界放射共鳴測定時には、発振器７２の出
力ｖ_f2は、０に設定する方が望ましい。

【００５９】原子間力の三次元分布を得ることにより、
表面近傍原子の結合状態を、試料の導電性にかかわりな
く知ることができる。また、試料表面の吸着分子の結合
状態、吸着分子の種類，吸着による試料表面の変化など
も知ることができる。

【００６０】本実施例は、化学反応を研究するうえで非
常に重要な手段である。例えば、試料７５上に任意の物
質を塗布し、この物質の特定の部位に結合する物質を針
６９に塗布し、三次元の原子間力分布をとる。結合部位
は、原子間力（引力）のひろがりが大きく、その力の強
い位置であるので、その位置を知ることができる。さら
に、針６９に白金などを用いれば、その触媒効果が判明
する。

【００６１】スイッチ９１をハの位置にし、整流回路８
２から信号ｖ₂が一定になるようにｚ方向ピエゾ素子８
５を伸縮させれば１回の走査では、帰還回路８３内で設
定される特定の大きさの原子間力がつくる曲面のみが得
られる。例えば、図１４中、Ｄ点でのｖ₂の値を保つよ
うに針６９のｚ方向位置を制御すれば、引力の分布が得
られ、Ａ点に設定すれば、斥力の分布が得られる。斥力
分布は、ほぼ格子点（原子位置）に対応する。引力のひ
ろがりがひろい場所は、化学的に活性かあるいは吸着分
子が存在する位置であり、斥力の分布に対応させること
により、容易に各原子の引力のひろがりを判断できる。
ｖ_dを適当に設定し、ｉを同時に記録することにより、
試料７５の電気的特性を得ることができる。

【００６２】次に、針６９と試料７５との間に磁力が働
く場合について説明する。針６９は、強磁性体よりな
り、電界研磨によって先端径を〜０.１μｍに尖がらせ
たものを用いる。観察すべき試料７５の情報は、磁性体
の磁区構造及びその表面形状である。スイッチ９１はイ
の位置にあり、ｖ₁が一定に保たれることにより帰還回
路８３からのメモリ８４への出力信号Ｓｖは試料表面形
状を表す。

【００６３】原子間力の到達距離は１ｎｍから最大でも
１０ｎｍ程度であるのに対し、漏れ磁場は通常、これよ
りもはるかに遠距離まで存在する。そのため、ｖ_f1によ
る針６９の振動が磁力のみを介して圧電板７４の起電力
ｖ₁成分を誘起せしめる。しかし、この状態では試料７
５表面形状は得られないので、帰還回路８３で一定に保
つべきｖ₁の値（例えばｖ_1Cは、原子間力（斥力）を感
じなければ発生しないように、十分大きな値に設定す
る。これにより、ｘｙ走査回路８６からの走査信号Ｓｈ
に対応して記録される帰還回路８３からの信号Ｓｖは、
表面形状を表わす。

【００６４】発振器７１からの交流出力電圧ｖ_f1に対応
して変化する針６９と試料７５との間隔に対する、整流
回路８２からの出力信号ｖ₂は、試料７５の表面に垂直
方向の磁力分布（磁場の微分係数）を表わす。これをｘ
ｙ走査回路８６の走査信号Ｓｈに対応して記録すること
により、３次元の磁力分布が得られる。

【００６５】整流回路８２の応答速度を周波数ｆ₁程度
まで下げることにより、ｖ₂は試料７５の表面に垂直方
向の磁力分布を平均化した値となり、垂直方向分解能は
なくなるが、磁区構造の特定は可能である。

【００６６】また、ｘｙ走査回路８６の一画素毎の走査
信号に対して、帰還回路８３からｚ方向ピエゾ素子８５
への出力信号Ｓｖをホールド（その時点の値を保つこ
と）し、さらにｖ_f1の値も一定の電圧ｖ_f1Cにホールド
する。そのときの針６９の位置でのｖ₂の値を記録する
方法もとられる。この場合、設定されるべき電圧ｖ_f1C
により針６９と試料７５との間隔は決定され、この位置
での磁力強度がｖ₂として得られる。このためには、針
６９と試料７５との間に原子間力が働かないような位置
に針６９の位置をホールドすることが必要である。ホー
ルド中に、ｖ_f1Cを変え、各々の値でのｖ₂を記録すれ
ば、試料７５の表面に垂直方向の磁力分布が得られる。
この手法は、磁力測定以外にも広く応用でき、バンドパ
スフィルタ８０，整流回路８２，メモリ８４等の電気回
路系の応答速度が遅い場合に便利である。

【００６７】図１５に示すように、ロックインアンプ９
２からの情報ｖ₂′は、発振器７２からの出力信号ｖ_f2
に対する、圧電板７４の起電力ｖ₂（周波数ｆ₂成分）の
位相情報をも得られるので、この位相情報から磁力線の
方向をも特定できる。ただし、この場合、試料７５から
の漏れ磁場で磁圧が変化しないような磁性材で針６９を
形成する必要がある。この針６９を装置に取り付ける前
に、先端方向の外部磁場中で、キュリー温度以上に加熱
した後、室温にもどす。これにより、針６９先端の磁圧
は外部磁場方向（先端方向）にそろう。針６９と試料７
５との間に引力が働いた場合は、試料７５の漏れ磁場
は、針６９先端方向の磁場成分をもち、斥力の場合には
逆方向の磁場成分をもつことが判る。

【００６８】導電性試料の場合は、スイッチ９１をロの
位置として、試料７５表面をなぞる機能を従来ＳＴＭ方
式とし、単一の周波数ｆ₂のみで針６９を振動させても
よい。電源８９により針６９と試料７５との間に電圧ｖ
_dを印加し、電流計９０により両者の間に流れるトンネ
ル電流ｉを計測する。トンネル電流ｉが一定になるよう
に、帰還回路８３はｚ方向ピエゾ素子８５に電圧Ｓｖを
加える。これによって、針６９と試料７５との間隔は制
御され、ｘｙ走査回路８６とｘ，ｙ方向ピエゾ素子８
７，８８の働きにより針６９を走査すると、針６９は試
料７５面をなぞり、メモリ８４には試料７５表面形状が
記録される。

【００６９】ＳＴＭでは、通常針６９と試料７５との間
隔は１ｎｍ程度に保たれているといわれている。発振器
７２からの交流電圧ｖ_f2がピエゾ振動子７０に印加さ
れ、それにより針６９が振動するが、その振幅は１ｎｍ
以下におさえられ、針６９と試料７５との間には強い原
子間力（斥力）は働かない。針６９の振動を試料７５に
伝達させる力は、主として磁力であり、ｘｙ走査回路８
６からの走査信号Ｓｈに対応する圧電板７４の起電力ｖ
₂は、試料７５表面の磁力分布を示す。

【００７０】本実施例においては、針６９と試料７５と
が極めて接近した状態での磁力分布が得られるため、分
解能が高い。

【００７１】図１６には、電気的力を測定するための装
置構成を示す。発振器７１からの交流電圧ｖ_f1をピエゾ
振動子７０に印加し、針６９を振動させ、圧電板７４の
起電力ｖ₁を一定に保つように帰還回路８３によってｚ
方向ピエゾ素子８５を伸縮させる。このためのフィード
バック系は、図１３の場合と同様である。本実施例にお
いては、発振器７２からの交流電圧ｖ_f2は直流電圧ｖ_d
に重畳させて針６９に印加される。これにより針６９と
試料７５との間には、周波数ｆ₂で変化する電場がつく
られる。試料７５に電荷がトラップされていない限り、
両者の間には電界強度に応じた引力が働く。針６９に
は、電源８９から任意の直流電圧ｖ_dがｖ_f2に加算され
印加される。電圧計９７により針６９の電圧ｖ_tが計測
される。針６９と試料７５との間に電流が流れなけれ
ば、ｖ_tは〜（ｖ_d＋ｖ_f2）となる。電流計９８は針６９
と試料７５との間の電流を計測する。

【００７２】試料７５が金属の場合には、電界は針６９
と試料７５との間にのみ存在する。抵抗Ｒ９５とコンデ
ンサＣ９６とは、試料７５と針６９とが強く接触した際
に、両者の間に大電流が流れることを防止するためのも
のである。歪を発生させる電気的引力は、針６９と試料
７５との静電容量及び電圧に依存する。このため、走査
信号Ｓｈに対するｖ₂の分布は、試料（金属）７５表面
に形成された酸化層（絶縁層）の厚さ等を反映したもの
になる。

【００７３】試料７５が半導体試料の場合には、試料７
５の内部にも電界は存在し、さらに針６９との間の静電
容量も電源８９の電圧値ｖ_dによって、および発振器７
２からの電圧ｖ_f2の周波数ｆ₂で変化する。また、表面
酸化層近傍には、電荷がトラップされている。従って、
ｖ₂は半導体の多数電荷担体の種類（例えば電子かホー
ルかの区別）、その密度分布、表面酸化層近傍にトラッ
プされた電荷等の情報を与える。このためには、ｘｙ走
査回路８６からの走査信号Ｓｈ，ｖ_f1及びｖ_tそれぞれ
に対するｖ₂の分布をメモリ８４へ記録する必要があ
る。

【００７４】絶縁体試料の場合には、試料７５の厚さを
非常に薄くする必要がある。ｖ_f2及びｖ_tによる電場
が、針６９先端から試料７５裏面（圧電板７４表面）の
基準電位（アース電位）の広い領域にわたり存在するた
め、電気的力が弱くなると同時にｖ₂の空間分布が得ら
れにくいためである。ｖ₂は試料７５の誘電率を反映す
る。

【００７５】本実施例においては、針６９と試料７５と
の間に働く力を検出しているため、静電容量を検出する
手法に比べ、分解能が高い。力の方が静電容量よりも針
６９と試料７５との間隔に敏感であるからである。

【００７６】圧電板７４は、試料７５の表の面（針６９
が接する面）に取り付ける方が感度があがるが、裏面に
取り付けると試料７５の弾性的性質により歪信号
（ｖ₁，ｖ₂等）の強度が大きく異なるので、弾性的性質
を知るためには有効である。例えば、シリコンウェーハ
上の化学的処理をほどこされた領域の特定などに便利で
ある。

【００７７】次に、圧電体薄膜の分域測定について説明
する。図１６の試料７５として圧電体薄膜を取り付け
る。周波数ｆ₂の交流電界の印加により、圧電体薄膜は
伸縮し、その振動はｖ₂として検出される。この場合の
ｖ₂は試料７５の微小領域の圧電定数等をあらわす。ｆ₂
を圧電体薄膜の厚さ方向の共振周波数に設定すれば、ご
くわずかの薄膜の厚さ変化でｖ₂が変化するので、厚さ
分布がわかる。ロックインアンプ（位相検波）を用い
て、ｖ_f2に対する圧電板７４の起電力（周波数ｆ_２の成
分）の位相差を検出すれば、分域方向が特定できる。分
域方向が１８０°異なれば、位相差も１８０°異なるた
めである。

【００７８】図１７には、探針１００を試料７５表面の
電位測定のための電極として利用した例を挙げた。発振
器７２の出力電圧ｖ_ｆ２（周波数ｆ₂）はピエゾ振動子
７０に印加され、先端を鋭利に尖がらせた金属の探針１
００を先端方向に振動させる。探針１００と試料７５と
の相互作用により試料７５に発生した歪は圧電板７４の
起電力として検出され、プリアンプ７７，アンプ７８に
より増幅され、バンドパスフィルタ８０に入力される。
バンドパスフィルタ８０は周波数ｆ₂の成分のみを整流
回路８２へ出力し、その振幅ｖ₂が整流回路８２から帰
還回路８３へ出力される。帰還回路８３はｚ方向ピエゾ
素子８５を伸縮させることによりｖ₂をあらかじめ設定
された一定値に保つ。探針１００の電位ｖ_tは電圧計１
０１で計測され、ロックインアンプ９２に入力される。
ロックインアンプ９２の参照周波数はｆ₂であり、探針
１００の電位ｖ_tの振幅及び発振器７２出力信号ｖ_f2に
対する位相差が出力される。ｘｙ走査回路８６はｘ方向
ピエゾ素子８７，ｙ方向ピエゾ素子８８を伸縮させるこ
とにより探針１００を試料７５面に沿って二次元的にラ
スター方式で走査する。この走査信号Ｓｈに対応して、
帰還回路８３の出力信号Ｓｖ及びロックインアンプ９２
の出力信号がｖ_t′がメモリ８４に記録される。

【００７９】帰還回路８３の出力信号Ｓｖの分布は、試
料７５表面形状を表わす。ロックインアンプ９２の出力
信号ｖ_t′の分布は試料７５表面の電位分布を示す。例
えば、圧電体薄膜試料においては、ロックインアンプ９
２の出力信号ｖ_t′の振幅情報は圧電定数を示し、位相
情報は分極方向を示す。よって、微小電子素子の動作状
態での電位分布の測定に有効である。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、内部応力などの結晶内
部の情報が得られる。

【００８１】さらに、ＳＴＭ測定と同時に真空ギャップ
が測定できるので、試料の表面状態及び電子状態がわか
る。

【００８２】絶縁体表面の観察においては、従来のＡＦ
Ｍでは得られなかった引力による像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】歪波検出法を示す原理図。

【図３】歪波検出法を示す原理図。

【図４】ＳＴＭでの針の走査状態を示す模式図。

【図５】真空ギャップ測定の様子を示す模式図。

【図６】本発明の他の一実施例を示すブロック図。

【図７】本発明の他の一実施例を示すブロック図。

【図８】本発明のさらに他の一実施例及びそれにおける
測定状態を示すブロック図。

【図９】原子間力を示す曲線図。

【図１０】本発明のさらに他の一実施例を示すブロック
図。

【図１１】本発明のさらに他の一実施例を示すブロック
図。

【図１２】本発明のさらに他の一実施例を示すブロック
図。

【図１３】本発明のさらに他の一実施例を示すブロック
図。

【図１４】図１３の装置構成で得られた測定結果を示す
曲線図。

【図１５】図１３の装置構成で得られた測定結果を示す
曲線図。

【図１６】本発明の、さらに他の一実施例を示すブロッ
ク図。

【図１７】本発明の、さらに他の一実施例を示すブロッ
ク図。

【符号の説明】

１…試料、２…ブロック、３，４…ピエゾ板、５…差動
アンプ、６…ロックインアンプ、７…電源、８…電流
計、９…サーボ回路、１０，１３…微動機構、１１…
針、１２…走査回路、１４…ディスプレイ、１５…発振
器、１７，１８…針、１９，２０…微動機構、２１，２
２…移動機構、２９…カンチレバー、３０…針、３１…
枠、３２…微動機構、３３…針、３５…絶縁被膜、３６
…発振器、３７…針、３８…微動機構、３９…帰還回
路、４０…電流回路、４１…波高分別器、４２…ゲー
ト、４３…メモリ、４４…波高分別器、４５…粗動機構
制御部、４６…粗動機構、４８…圧電振動子、４９，５
０，５１，５２…ピエゾ板、５３，５４…差動アンプ、
５５，５６…遅延器、５７…サーボ回路、５８，５９…
電流回路、６０，６１…帰還回路、６２…電流回路、６
３…帰還回路、６４…ピエゾ板、６５…アンプ、６６…
ロックインアンプ、６７…演算回路、６８…ディスプレ
イ、６９…針、７０…ピエゾ振動子、７１，７２…発振
器、７３…加算器、７４…圧電板、７５…試料、７６…
シールドボックス、７７…プリアンプ、７８…アンプ、
７９，８０…バンドパスフィルタ、８１，８２…整流回
路、８３…帰還回路、８４…メモリ、８５…ｚ方向ピエ
ゾ素子、８６…ｘｙ走査回路、８７…ｘ方向ピエゾ素
子、８８…ｙ方向ピエゾ素子、８９…直流電源、９０…
電流計、９１…スイッチ、９２…ロックインアンプ、９
３…弾性支持板、９４…ステージ、９５…抵抗、９６…
コンデンサ、９７…電圧計、９８…電流計、９９…枠、
１００…探針、１０１…電圧計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者保坂純男東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開平２−93304（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 H01J 37/28 G01B 21/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料、前記試料に対向して配置される先端
が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且つ
二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で前
記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、前記帰還機構の動作
を一時的に保持状態におく保持機構、前記保持状態のも
とで第２の探針の状態で前記試料と前記探針間に作用す
る他の物理情報を検出する検出手段、前記走査機構から
の信号に対応して前記帰還機構からの出力信号あるいは
前記第1の探針の状態での前記検出手段の出力及び第２
の探針の状態での前記検出手段の出力を独立に表示する
手段とよりなることを特徴とする表面計測器。
【請求項２】前記第１の探針の状態及び第２の探針の状
態が、前記探針の振動振幅を異にするものであることを
特徴とする請求項１記載の表面計測器。
【請求項３】前記第２の探針の状態は、前記第1の探針
の状態における探針の前記試料面に対する垂直方向の位
置よりも、より前記試料面より離れた位置に探針が有る
ことを特徴とする請求項１記載の表面計測器。
【請求項４】前記第２の探針の状態が、前記探針に交流
電圧が印加されたものであることを特徴とする請求項１
記載の表面計測器。
【請求項５】前記第１の探針の状態及び第２の探針の状
態で検出される物理情報が、前記探針を振動させること
により生ずる現象の物理量であることを特徴とする請求
項１記載の表面計測器。
【請求項６】前記第２の探針の状態で検出される物理情
報が前記探針と前記試料との間の磁気的情報であること
を特徴とする請求項３記載の表面計測器。
【請求項７】前記第１の探針の状態で検出される物理情
報が前記探針と前記試料との間に一般的に働く力である
ことを特徴とする請求項１記載の表面計測器。
【請求項８】前記第１の探針の状態で検出される物理情
報が前記探針と前記試料との間のトンネル電流であるこ
とを特徴とする請求項１記載の表面計測器。
【請求項９】前記第２の探針の状態は、前記第1の探針
の状態における探針の前記試料面に対する垂直方向の位
置よりも、より前記試料面より離れた位置に探針が有る
ことを特徴とする請求項２記載の表面計測器。
【請求項１０】前記第１の探針の状態及び第2の探針の
状態で検出される物理情報が、前記探針を振動させるこ
とにより生ずる現象の物理量であることを特徴とする請
求項２記載の表面計測器。
【請求項１１】前記第２の探針の状態で検出される物理
情報が前記探針と前記試料との間の磁気的情報であるこ
とを特徴とする請求項９記載の表面計測器。
【請求項１２】前記第１の探針の状態で検出される物理
情報が前記探針と前記試料との間に一般的に働くカであ
ることを特徴とする請求項２記載の表面計測器。
【請求項１３】試料、前記試料に対向して配置される先
端が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且
つ二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で
前記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、前記走査機構と前記
帰還機構とにより前記試料の表面形状に関わる画像を取
得する一連の動作中に第２の探針の状態を作り出す機
構、前記第2の探針の状態で前記試料と前記探針間に作
用する他の物理情報を検出する検出手段、前記走査機構
からの信号に対応して前記帰還機構からの出力信号ある
いは前記第１の探針の状態での前記検出手段の出力及び
第２の探針の状態での前記検出手段の出力を独立かつ同
時に表示する手段とよりなることを特徴とする表面計測
器。
【請求項１４】前記第１の探針の状態及び第２の探針の
状態が、前記探針の振動振幅を異にするものであること
を特徴とする請求項１３記載の表面計測器。
【請求項１５】前記第２の探針の状態は、前記第1の探
針の状態における探針の前記試料面に対する垂直方向の
位置よりも、より前記試料面より離れた位置に探針が有
ることを特徴とする請求項１３記載の表面計測器。
【請求項１６】前記第２の探針の状態が、前記探針に交
流電圧が印加されたものであることを特徴とする請求項
１３記載の表面計測器。
【請求項１７】前記第１の探針の状態及び第2の探針の
状態で検出される物理情報が、前記探針を振動させるこ
とにより生ずる現象の物理量であることを特徴とする請
求項１３記載の表面計測器。
【請求項１８】前記第２の探針の状態で検出される物理
情報が前記探針と前記試料との間の磁気的情報であるこ
とを特徴とする請求項１５記載の表面計測器。
【請求項１９】前記第１の探針の状態で検出される物理
情報が前記探針と前記試料との間に一般的に働くカであ
ることを特徴とする請求項１３記載の表面計測器。
【請求項２０】前記第１の探針の状態で検出される物理
情報が前記探針と前記試料との間のトンネル電流である
ことを特徴とする請求項１３記載の表面計測器。
【請求項２１】試料、前記試料に対向して配置される先
端が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且
つ二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で
前記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、第２の探針の状態で
前記試料と前記探針間に作用する他の物理情報を検出す
る検出手段、前記走査機構からの信号に対応して前記帰
還機構からの出力信号あるいは前記第１の探針の状態で
の前記検出手段の出力及び第２の探針の状態での前記検
出手段の出力を独立に表示する手段とよりなり、前記第
１の探針の状態及び第２の探針の状態が、前記探針の振
動振幅を異にするものであることを特徴とする表面計測
器。
【請求項２２】試料、前記試料に対向して配置される先
端が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且
つ二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で
前記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、第２の探針の状態で
前記試料と前記探針間に作用する他の物理情報を検出す
る検出手段、前記走査機構からの信号に対応して前記帰
還機構からの出力信号あるいは前記第１の探針の状態で
の前記検出手段の出力及び第２の探針の状態での前記検
出手段の出力を独立に表示する手段とよりなり、前記第
２の探針の状態は、前記第1の探針の状態における探針
の前記試料面に対する垂直方向の位置よりも、より前記
試料面より離れた位置に探針が有ることを特徴とする表
面計測器。
【請求項２３】試料、前記試料に対向して配置される先
端が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且
つ二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で
前記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、第２の探針の状態で
前記試料と前記探針間に作用する他の物理情報を検出す
る検出手段、前記走査機構からの信号に対応して前記帰
還機構からの出力信号あるいは前記第１の探針の状態で
の前記検出手段の出力及び第２の探針の状態での前記検
出手段の出力を独立に表示する手段とよりなり、前記第
１の探針の状態及び第2の探針の状態で検出される物理
情報が、前記探針を振動させることにより生ずる現象の
物理量であることを特徴とする表面計測器。
【請求項２４】試料、前記試料に対向して配置される先
端が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且
つ二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で
前記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、第２の探針の状態で
前記試料と前記探針間に作用する他の物理情報を検出す
る検出手段、前記走査機構からの信号に対応して前記帰
還機構からの出力信号あるいは前記第１の探針の状態で
の前記検出手段の出力及び第２の探針の状態での前記検
出手段の出力を独立に表示する手段とよりなり、前記第
２の探針の状態で検出される物理情報が前記探針と前記
試料との間の磁気的情報であることを特徴とする表面計
測器。
【請求項２５】試料、前記試料に対向して配置される先
端が鋭利な探針、前記探針あるいは前記試料を相対的且
つ二次元的に走査させる走査機構、第１の探針の状態で
前記探針と前記試料間に働く物理情報を検出する検出手
段、前記検出された物理情報を参照して前記試料と前記
探針との距離を制御する帰還機構、第２の探針の状態で
前記試料と前記探針間に作用する他の物理情報を検出す
る検出手段、前記走査機構からの信号に対応して前記帰
還機構からの出力信号あるいは前記第１の探針の状態で
の前記検出手段の出力及び第２の探針の状態での前記検
出手段の出力を独立に表示する手段とよりなり、前記第
１の探針の状態で検出される物理情報が前記探針と前記
試料との間に一般的に働くカであることを特徴とする表
面計測器。