JP3293725B2 - 表面電位計及び形状測定器 - Google Patents
表面電位計及び形状測定器Info
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- JP3293725B2 JP3293725B2 JP05240995A JP5240995A JP3293725B2 JP 3293725 B2 JP3293725 B2 JP 3293725B2 JP 05240995 A JP05240995 A JP 05240995A JP 5240995 A JP5240995 A JP 5240995A JP 3293725 B2 JP3293725 B2 JP 3293725B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は表面電位計及び形状測定
器に関する。
器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型力顕微鏡としては、走査型
プローブ顕微鏡セミナーテキスト（セイコー電子工業株
式会社、１９９４年６月）に記載されているものが知ら
れており、図５にその構成を示す。この力顕微鏡は、一
般的にＫＦＭ(Kelvin Force Microscope)と呼ばれるも
ので、試料（測定物）の表面電位分布（表面電位像）と
試料の表面形状（トポ像）を同時かつ独立に測定するこ
とができて表面電位計及び形状測定器として用いること
ができる。導電性カンチレバー１１の先端には導電性探
針１２が取り付けられ、この導電性探針１２は試料１３
に対向配置される。圧電素子１４は交流電源１５から交
流電圧Ｖr・sinωrｔが印加されて導電性カンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。
プローブ顕微鏡セミナーテキスト（セイコー電子工業株
式会社、１９９４年６月）に記載されているものが知ら
れており、図５にその構成を示す。この力顕微鏡は、一
般的にＫＦＭ(Kelvin Force Microscope)と呼ばれるも
ので、試料（測定物）の表面電位分布（表面電位像）と
試料の表面形状（トポ像）を同時かつ独立に測定するこ
とができて表面電位計及び形状測定器として用いること
ができる。導電性カンチレバー１１の先端には導電性探
針１２が取り付けられ、この導電性探針１２は試料１３
に対向配置される。圧電素子１４は交流電源１５から交
流電圧Ｖr・sinωrｔが印加されて導電性カンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。
【０００３】また、交流電源１６からのカンチレバー１
１の非共振周波数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電
源１７からの直流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電
圧が試料１３のベースとなる導電性基板１８に印加され
てカンチレバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面
との間に静電引力が発生し、この静電引力によりカンチ
レバー１１に周波数ωの振動が生ずる。このカンチレバ
ー１１の振動はレーザダイオードからなる光源１９と２
分割フォトダイオードからなる受光素子２０により光て
こ法で検出され、つまり、光源１９からカンチレバー１
１にレーザ光が照射されてその反射光が受光素子２０に
より受光されてその反射光が２分割フォトダイオード２
０に照射される位置が検出される。これによりカンチレ
バー１１の振動を検出できる。
１の非共振周波数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電
源１７からの直流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電
圧が試料１３のベースとなる導電性基板１８に印加され
てカンチレバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面
との間に静電引力が発生し、この静電引力によりカンチ
レバー１１に周波数ωの振動が生ずる。このカンチレバ
ー１１の振動はレーザダイオードからなる光源１９と２
分割フォトダイオードからなる受光素子２０により光て
こ法で検出され、つまり、光源１９からカンチレバー１
１にレーザ光が照射されてその反射光が受光素子２０に
より受光されてその反射光が２分割フォトダイオード２
０に照射される位置が検出される。これによりカンチレ
バー１１の振動を検出できる。
【０００４】受光素子２０の出力信号は２台のロックイ
ンアンプ２１，２２に入力され、ロックインアンプ２
１，２２はそれぞれ交流電源１５、１６からの交流電圧
Ｖrsinωrｔ、ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動のω成分の振幅Ａωとωr成分の振幅
Ａωrを分離増幅する。電圧フィードバック回路２３は
振幅Ａωの分離増幅を行うロックインアンプ２１の出力
信号により直流電源１７を制御して直流オフセット電圧
Ｖoffを制御し、電圧フィードバック回路２３の直流オ
フセット電圧Ｖoffに対する制御量が試料１３の表面電
位Ｖsの測定結果として出力される。ここに、交流電源
１６から試料１３に印加する交流電圧の周波数はカンチ
レバー１１の共振周波数の１／２以下にしている。
ンアンプ２１，２２に入力され、ロックインアンプ２
１，２２はそれぞれ交流電源１５、１６からの交流電圧
Ｖrsinωrｔ、ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動のω成分の振幅Ａωとωr成分の振幅
Ａωrを分離増幅する。電圧フィードバック回路２３は
振幅Ａωの分離増幅を行うロックインアンプ２１の出力
信号により直流電源１７を制御して直流オフセット電圧
Ｖoffを制御し、電圧フィードバック回路２３の直流オ
フセット電圧Ｖoffに対する制御量が試料１３の表面電
位Ｖsの測定結果として出力される。ここに、交流電源
１６から試料１３に印加する交流電圧の周波数はカンチ
レバー１１の共振周波数の１／２以下にしている。
【０００５】また、Ｚサーボ回路２４は、試料１３をＺ
軸方向に駆動してカンチレバー１１の探針１２と試料１
３との間の距離を可変するＺ軸アクチュエータを有し、
振幅Ａωrを分離増幅するロックインアンプ２２の出力
信号によりＺ軸アクチュエータを制御することで探針１
２と試料１３との間の距離を制御する。スキャナ２５は
試料１３をＺ軸と直角な方向に走査し、Ｚサーボ回路２
４のＺ軸アクチュエータに対する制御量が試料１３の表
面形状（いわゆるトポ像：TOPOGRAPHY）の測定結果とし
て出力される。
軸方向に駆動してカンチレバー１１の探針１２と試料１
３との間の距離を可変するＺ軸アクチュエータを有し、
振幅Ａωrを分離増幅するロックインアンプ２２の出力
信号によりＺ軸アクチュエータを制御することで探針１
２と試料１３との間の距離を制御する。スキャナ２５は
試料１３をＺ軸と直角な方向に走査し、Ｚサーボ回路２
４のＺ軸アクチュエータに対する制御量が試料１３の表
面形状（いわゆるトポ像：TOPOGRAPHY）の測定結果とし
て出力される。
【０００６】次に、図６を用いてこの力顕微鏡の動作原
理を詳しく説明する。カンチレバー１１には、圧電素子
１４によりカンチレバー１１を機械的に加振する力Ｆvi
bと、探針１２に印加される電圧により生ずる静電引力
Ｆesと、試料１３の表面と探針１２との間に働くファン
・デル・ワールス力Ｆvdwという３つの力が働く。カン
チレバー１１はＦvibにより共振振動する。また、Ｆes
は次の(1)式で表わされる。
理を詳しく説明する。カンチレバー１１には、圧電素子
１４によりカンチレバー１１を機械的に加振する力Ｆvi
bと、探針１２に印加される電圧により生ずる静電引力
Ｆesと、試料１３の表面と探針１２との間に働くファン
・デル・ワールス力Ｆvdwという３つの力が働く。カン
チレバー１１はＦvibにより共振振動する。また、Ｆes
は次の(1)式で表わされる。
【０００７】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ２・・・(1) ここで、Ｃは探針１２と試料１３のベース１８との間の
静電容量、Ｚは探針１２と試料１３のベース１８との間
の距離であり、Ｖは次の(2)式で表わされる。
静電容量、Ｚは探針１２と試料１３のベース１８との間
の距離であり、Ｖは次の(2)式で表わされる。
【０００８】 Ｖ＝(Ｖs＋Ｖoff)＋ＶACsinωｔ・・・(2) したがって、Ｆesは次の(3)式で表わされる。
【０００９】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)［{(Ｖs＋Ｖoff)２＋ＶAC２／２}＋２(Ｖs＋ Ｖoff)ＶACsinωｔ−(ＶAC２／２)cos２ωｔ］・・・(3) また、Ｆvdwは次の(4)式で表わされる。 Ｆvdw＝−Ｈ／Ｚ６・・・(4) ここで、ＨはHamaker定数である。探針１２と試料１３
の表面との間に働く力Ｆは次の(5)式で表わされる。
の表面との間に働く力Ｆは次の(5)式で表わされる。
【００１０】 Ｆ＝Ｆvdw＋Ｆes・・・(5) カンチレバー１１は、Ｆvibにより共振振動している
が、探針１２と試料１３の表面との間に働く直流成分の
力により共振周波数がずれる。しかし、カンチレバー１
１は、圧電素子１４により周波数ωrで強制振動してい
るので、その振動振幅が上記直流成分の力により小さく
なる。このカンチレバー１１の自由振動時の振動振幅か
らの減少分をΔＡとすると、これは次の(6)式で表わさ
れる。
が、探針１２と試料１３の表面との間に働く直流成分の
力により共振周波数がずれる。しかし、カンチレバー１
１は、圧電素子１４により周波数ωrで強制振動してい
るので、その振動振幅が上記直流成分の力により小さく
なる。このカンチレバー１１の自由振動時の振動振幅か
らの減少分をΔＡとすると、これは次の(6)式で表わさ
れる。
【００１１】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}(∂Ｆ／∂Ｚ) ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［Ｈ/Ｚ７＋(１/２)(∂２Ｃ/∂Ｚ２){(Ｖs ＋Ｖoff)２＋ＶAC２／２}］・・・(6) ここで、Ａ０はカンチレバー１１の自由振動時の振動振
幅、Ｋはカンチレバー１１のバネ定数、Ｑは共振特性の
Ｑ値である。実際の試料１３の表面電位測定はファン・
デル・ワールス力が及ばない距離Ｚで行われるので、Δ
Ａは次の(7)式のようになる。 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［(１/２)(∂２Ｃ/∂Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff)２ ＋ＶAC２／２}］・・・(7) Ｖs＋Ｖoffは次に述べるように電圧フィードバック回路
２３による帰還制御により０に保たれ、Ａ０、Ｋ、Ｑ、
ＶACは一定である。また、Ｚサーボ回路２４がΔＡが一
定になるようにＺ軸アクチュエータを制御するから、ト
ポ像は(∂２Ｃ／∂Ｚ２)が一定の像を与える。試料１３
の絶縁膜の容量がカンチレバー１１先端の探針１２と試
料１３の表面との間の容量よりも十分に大きければ、ト
ポ像は試料１３の表面形状を示す。
幅、Ｋはカンチレバー１１のバネ定数、Ｑは共振特性の
Ｑ値である。実際の試料１３の表面電位測定はファン・
デル・ワールス力が及ばない距離Ｚで行われるので、Δ
Ａは次の(7)式のようになる。 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［(１/２)(∂２Ｃ/∂Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff)２ ＋ＶAC２／２}］・・・(7) Ｖs＋Ｖoffは次に述べるように電圧フィードバック回路
２３による帰還制御により０に保たれ、Ａ０、Ｋ、Ｑ、
ＶACは一定である。また、Ｚサーボ回路２４がΔＡが一
定になるようにＺ軸アクチュエータを制御するから、ト
ポ像は(∂２Ｃ／∂Ｚ２)が一定の像を与える。試料１３
の絶縁膜の容量がカンチレバー１１先端の探針１２と試
料１３の表面との間の容量よりも十分に大きければ、ト
ポ像は試料１３の表面形状を示す。
【００１２】一方、カンチレバー１１の振動のω成分の
振幅Ａωは次の(8)で表わされる。
振幅Ａωは次の(8)で表わされる。
【００１３】 Ａω＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(8) 従って、Ａω＝０となるようにＶoffを制御することに
より(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶoffの値から試料１３の
表面電位Ｖsを測定することができる。このようにして
試料１３の表面電位Ｖsと形状を同時に測定することが
できる。
より(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶoffの値から試料１３の
表面電位Ｖsを測定することができる。このようにして
試料１３の表面電位Ｖsと形状を同時に測定することが
できる。
【００１４】また、図７に示すような表面電位計及び形
状測定器としての力顕微鏡が提案されている。この力顕
微鏡では、導電性カンチレバー２６の先端には導電性探
針２７が取り付けられ、この導電性探針２７は試料２８
に対向配置される。交流電源２９からの交流電圧ＶA・s
inωacｔ、交流電源３０からの交流電圧ＶB・sin(ωac
ｔ／２)及び直流電圧Ｖbは加算器３１で加算されてアン
プ３２を介してカンチレバー２６に印加され、カンチレ
バー２６先端の探針２７と試料２８の表面との間に静電
引力Ｆesが働いてカンチレバー２６が振動する。
状測定器としての力顕微鏡が提案されている。この力顕
微鏡では、導電性カンチレバー２６の先端には導電性探
針２７が取り付けられ、この導電性探針２７は試料２８
に対向配置される。交流電源２９からの交流電圧ＶA・s
inωacｔ、交流電源３０からの交流電圧ＶB・sin(ωac
ｔ／２)及び直流電圧Ｖbは加算器３１で加算されてアン
プ３２を介してカンチレバー２６に印加され、カンチレ
バー２６先端の探針２７と試料２８の表面との間に静電
引力Ｆesが働いてカンチレバー２６が振動する。
【００１５】このカンチレバー２６の振動はレーザダイ
オードからなる光源３４とフォトダイオードからなる受
光素子３５により光てこ法で検出され、つまり、光源３
４からカンチレバー２６に光が照射されてその反射光が
受光素子３５により受光されてその反射光が２分割フォ
トダイオード２０に照射される位置が検出される。これ
によりカンチレバー１１の振動を検出できる。受光素子
３５の出力信号はプリアンプ３６を介してロックインア
ンプ３７、３８に入力される。探針２７と試料２８の表
面との間の電圧をＶとすると、静電引力Ｆesは次の(9)
式で表わされる。
オードからなる光源３４とフォトダイオードからなる受
光素子３５により光てこ法で検出され、つまり、光源３
４からカンチレバー２６に光が照射されてその反射光が
受光素子３５により受光されてその反射光が２分割フォ
トダイオード２０に照射される位置が検出される。これ
によりカンチレバー１１の振動を検出できる。受光素子
３５の出力信号はプリアンプ３６を介してロックインア
ンプ３７、３８に入力される。探針２７と試料２８の表
面との間の電圧をＶとすると、静電引力Ｆesは次の(9)
式で表わされる。
【００１６】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ２・・・(9) ここで、Ｃは探針２７と試料２８のベースとなる導電性
基板３３との間の静電容量、Ｚは探針２７と試料２８の
ベース３３との間の距離である。試料２８の表面電位を
Ｖsとすると、Ｖは次の(10)式で表わされる。 Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２)・・・(10) したがって、Ｆesは次の(11)式で表わされる。 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ){Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／ ２)}２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)２＋ＶA２／２＋ＶB２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶB２／２)sin(ωacｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)ＶAsinωacｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶA２／２)sin(２ωacｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛２(Ｖb−Ｖs)ＶBsin(ωacｔ／２)＋ＶAＶBsi n(ωacｔ／２＋π／２)｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛ＶAＶBsin(３ωacｔ／２＋π／２)｝ ・・・(11) ωacをカンチレバー２６の共振周波数ω０とすれば、カ
ンチレバー２６は次の(12)式で表わされるＦesのωac成
分Ｆesωacにより共振する。
基板３３との間の静電容量、Ｚは探針２７と試料２８の
ベース３３との間の距離である。試料２８の表面電位を
Ｖsとすると、Ｖは次の(10)式で表わされる。 Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２)・・・(10) したがって、Ｆesは次の(11)式で表わされる。 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ){Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／ ２)}２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)２＋ＶA２／２＋ＶB２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶB２／２)sin(ωacｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)ＶAsinωacｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶA２／２)sin(２ωacｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛２(Ｖb−Ｖs)ＶBsin(ωacｔ／２)＋ＶAＶBsi n(ωacｔ／２＋π／２)｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛ＶAＶBsin(３ωacｔ／２＋π／２)｝ ・・・(11) ωacをカンチレバー２６の共振周波数ω０とすれば、カ
ンチレバー２６は次の(12)式で表わされるＦesのωac成
分Ｆesωacにより共振する。
【００１７】 Ｆesωac＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsinωacｔ＋(１/４)ＶB２sin(ωac ｔ−π／２)}・・・(12) したがって、Ｆesωacによって生ずるカンチレバー２６
の振動を示すプリアンプ３６の出力信号ｖは次の(13)式
で表わされる。 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ）＋(１／４)ＶB２sin (ωacｔ−π／２＋φ)} ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ１）＋(１/４)ＶB２sin (ωacｔ＋φ２)}・・・(13) ただし、ａは比例定数であり、 φ１＝φ・・・(14) φ２＝−π／２＋φ・・・(15) である。φは力Ｆesωacの位相と、Ｆesωacにより生ず
るカンチレバー２６の共振振動との間の位相差である。
の振動を示すプリアンプ３６の出力信号ｖは次の(13)式
で表わされる。 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ）＋(１／４)ＶB２sin (ωacｔ−π／２＋φ)} ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ１）＋(１/４)ＶB２sin (ωacｔ＋φ２)}・・・(13) ただし、ａは比例定数であり、 φ１＝φ・・・(14) φ２＝−π／２＋φ・・・(15) である。φは力Ｆesωacの位相と、Ｆesωacにより生ず
るカンチレバー２６の共振振動との間の位相差である。
【００１８】(13)式の括弧の中の第１項は周波数ω０の
第１交流電圧により生ずるカンチレバー２６の振動を表
わし、その位相φ１は交流電源２９からカンチレバー２
６に印加している第１交流電圧の位相を基準にしてい
る。この位相φ１は交流電源２９からロックインアンプ
３７に与えられる参照信号を基準としている。(13)式の
括弧の中の第２項は周波数ω０／２の第２交流電圧によ
り生ずるカンチレバー２６の振動を表わし、その位相φ
２は交流電源３０からカンチレバー２６に印加している
第２交流電圧の位相を基準にしている。この位相φ２は
交流電源３０からロックインアンプ３８に与えられる参
照信号を基準としている。また、第１交流電圧と第２交
流電圧は位相が一致している。ロックインアンプ３７、
３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源２９、３０
からの参照信号により位相φ１、φ２で位相検波して増
幅する。
第１交流電圧により生ずるカンチレバー２６の振動を表
わし、その位相φ１は交流電源２９からカンチレバー２
６に印加している第１交流電圧の位相を基準にしてい
る。この位相φ１は交流電源２９からロックインアンプ
３７に与えられる参照信号を基準としている。(13)式の
括弧の中の第２項は周波数ω０／２の第２交流電圧によ
り生ずるカンチレバー２６の振動を表わし、その位相φ
２は交流電源３０からカンチレバー２６に印加している
第２交流電圧の位相を基準にしている。この位相φ２は
交流電源３０からロックインアンプ３８に与えられる参
照信号を基準としている。また、第１交流電圧と第２交
流電圧は位相が一致している。ロックインアンプ３７、
３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源２９、３０
からの参照信号により位相φ１、φ２で位相検波して増
幅する。
【００１９】また、ａsin(ωｔ＋φ)なる交流信号を位
相θでロックインアンプにより位相検波して増幅した時
の出力Ｖは Ｖ＝(Ａ／２){cos(−θ＋ψ)−cos(−θ＋ψ＋π)}・・・(16) となる。ただし、Ａは比例定数である。ここで、(13)式
を(16)式に当てはめると、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ＋φ）−cos(−θ＋φ ＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１/４)ＶB２｛cos(−θ＋φ−π／２） −cos(−θ＋φ−π／２＋π)}・・・(17) となる。
相θでロックインアンプにより位相検波して増幅した時
の出力Ｖは Ｖ＝(Ａ／２){cos(−θ＋ψ)−cos(−θ＋ψ＋π)}・・・(16) となる。ただし、Ａは比例定数である。ここで、(13)式
を(16)式に当てはめると、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ＋φ）−cos(−θ＋φ ＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１/４)ＶB２｛cos(−θ＋φ−π／２） −cos(−θ＋φ−π／２＋π)}・・・(17) となる。
【００２０】ここで、ωacをカンチレバー２６の機械的
共振周波数ω０と完全に一致させる（ωac＝ω０とす
る）と、φ＝−π／２である。これを(17)式に代入する
と、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π/２）−cos(−θ −π／２＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１/４)ＶB２｛cos(−θ−π／ ２−π／２）−cos(−θ−π／２−π／２＋π)}・・・(18) となる。
共振周波数ω０と完全に一致させる（ωac＝ω０とす
る）と、φ＝−π／２である。これを(17)式に代入する
と、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π/２）−cos(−θ −π／２＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１/４)ＶB２｛cos(−θ−π／ ２−π／２）−cos(−θ−π／２−π／２＋π)}・・・(18) となる。
【００２１】位相θ＝θ１＝−π／２でロックインアン
プ３７によりプリアンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれ
ば、ロックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は(18)式に位
相θ＝θ１＝−π／２を代入したものとなる。また、位
相θ＝θ２＝−πでロックインアンプ３８によりプリア
ンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれば、ロックインアン
プ３８の出力信号Ｖ２は(18)式に位相θ＝θ２＝−πを
代入したものとなる。ロックインアンプ３７、３８の出
力信号Ｖ１、Ｖ２は次の(19)、(20)で表わされる。
プ３７によりプリアンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれ
ば、ロックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は(18)式に位
相θ＝θ１＝−π／２を代入したものとなる。また、位
相θ＝θ２＝−πでロックインアンプ３８によりプリア
ンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれば、ロックインアン
プ３８の出力信号Ｖ２は(18)式に位相θ＝θ２＝−πを
代入したものとなる。ロックインアンプ３７、３８の出
力信号Ｖ１、Ｖ２は次の(19)、(20)で表わされる。
【００２２】 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA・・・(19) Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶB２・・・(20) ここで、Ａ１、Ａ２は比例定数である。以上のように(1
3)式の括弧内の第１項と第２項の振幅をロックインアン
プ３７、３８で分離することができる。ロックインアン
プ３７の出力Ｖ１は積分器３９により積分されて加算器
３１に上記直流電圧Ｖbとして入力されてＶ１が０にな
るようにＶbが制御され、(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶbの
値から試料２６の表面電位が測定できる。
3)式の括弧内の第１項と第２項の振幅をロックインアン
プ３７、３８で分離することができる。ロックインアン
プ３７の出力Ｖ１は積分器３９により積分されて加算器
３１に上記直流電圧Ｖbとして入力されてＶ１が０にな
るようにＶbが制御され、(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶbの
値から試料２６の表面電位が測定できる。
【００２３】ロックインアンプ３８の出力Ｖ２は、比較
器４０により基準電圧源４１の基準電圧と比較され、そ
の比較結果が積分器４２により積分される。Ｚ軸アクチ
ュエータ４３は積分器４２の出力信号により試料２８を
駆動し、Ｖ２が一定になるように試料２８と探針２７と
の間の距離が制御される。したがって、トポ像（Ｚ軸ア
クチュエータ４３の制御電圧から得られる像）は(∂Ｃ
／∂Ｚ)が一定の像となる。試料２８の絶縁膜の容量が
探針２７先端と試料２８の表面との間の容量より十分に
大きければ、トポ像は試料２８の表面形状を示す。この
ようにして試料２８の表面電位と表面形状を同時に測定
することができる。
器４０により基準電圧源４１の基準電圧と比較され、そ
の比較結果が積分器４２により積分される。Ｚ軸アクチ
ュエータ４３は積分器４２の出力信号により試料２８を
駆動し、Ｖ２が一定になるように試料２８と探針２７と
の間の距離が制御される。したがって、トポ像（Ｚ軸ア
クチュエータ４３の制御電圧から得られる像）は(∂Ｃ
／∂Ｚ)が一定の像となる。試料２８の絶縁膜の容量が
探針２７先端と試料２８の表面との間の容量より十分に
大きければ、トポ像は試料２８の表面形状を示す。この
ようにして試料２８の表面電位と表面形状を同時に測定
することができる。
【００２４】また、上記力顕微鏡では、カンチレバーの
振動を検出する方法としてカンチレバーの曲がり傾斜角
度を検出する光てこ法を用いたが、カンチレバーの振動
時の変位を検出する光干渉法、カンチレバー背後に設け
た電極とカンチレバーとの間に流れるトンネル電流を検
出するトンネル電流法、カンチレバー振動時の速度を検
出するヘテロダイン光干渉法などを用いたものもある。
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプローブと
なるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位置）
はカンチレバーの先端に設定されている。
振動を検出する方法としてカンチレバーの曲がり傾斜角
度を検出する光てこ法を用いたが、カンチレバーの振動
時の変位を検出する光干渉法、カンチレバー背後に設け
た電極とカンチレバーとの間に流れるトンネル電流を検
出するトンネル電流法、カンチレバー振動時の速度を検
出するヘテロダイン光干渉法などを用いたものもある。
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプローブと
なるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位置）
はカンチレバーの先端に設定されている。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】上記図５に示す力顕微
鏡では、(7)式において、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ２)と(Ｖ
s＋Ｖoff)の関数になっているが、Ａω＝０となるよう
にＶoffを電圧フィードバック回路２３で制御すること
により、Ｖs＋Ｖoff＝０となり、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ
２)のみの関数となる。これにより、試料１３の表面形
状を測定できるとしているが、実際はＡω＝０とする帰
還には遅れがあり、Ｖs＋Ｖoff＝０が成り立たない時間
がある。したがって、試料１３の表面形状の測定結果に
対する干渉が実際には存在する。
鏡では、(7)式において、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ２)と(Ｖ
s＋Ｖoff)の関数になっているが、Ａω＝０となるよう
にＶoffを電圧フィードバック回路２３で制御すること
により、Ｖs＋Ｖoff＝０となり、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ
２)のみの関数となる。これにより、試料１３の表面形
状を測定できるとしているが、実際はＡω＝０とする帰
還には遅れがあり、Ｖs＋Ｖoff＝０が成り立たない時間
がある。したがって、試料１３の表面形状の測定結果に
対する干渉が実際には存在する。
【００２６】しかし、この力顕微鏡の測定対象は、異種
金属間の接触電位差やＬＢ(Langmuri Blodgett)上の表
面電位分布であり、表面電位がせいぜい１００ｍＶ程度
の分布しかない。したがって、帰還の遅れにより、Ｖs
＋Ｖoff＝１００ｍＶであったとしても、(Ｖs＋Ｖoff)
２は０．０１Ｖ２である。一方、ＶACは通常５Ｖ程度で
あるから、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]である。ＶACは
一定であるから、(Ｖs＋Ｖoff)によるΔＡの変動は、
０．１／１２．５＝０．０８％であり、ほとんど問題に
ならない。
金属間の接触電位差やＬＢ(Langmuri Blodgett)上の表
面電位分布であり、表面電位がせいぜい１００ｍＶ程度
の分布しかない。したがって、帰還の遅れにより、Ｖs
＋Ｖoff＝１００ｍＶであったとしても、(Ｖs＋Ｖoff)
２は０．０１Ｖ２である。一方、ＶACは通常５Ｖ程度で
あるから、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]である。ＶACは
一定であるから、(Ｖs＋Ｖoff)によるΔＡの変動は、
０．１／１２．５＝０．０８％であり、ほとんど問題に
ならない。
【００２７】ところが、この力顕微鏡により、電子写真
装置に用いられる感光体の表面電位分布を測定する場合
は事情が異なる。感光体の表面電位は通常１０００Ｖ程
度であり、感光体の電位分布（測定領域中の表面電位の
範囲）も数百Ｖは存在する。したがって、帰還の遅れに
よる(Ｖs＋Ｖoff)の値も従来の試料の表面電位を測定す
る場合よりも大きくなる。仮に、帰還による遅れで(Ｖs
＋Ｖoff)が１０００Ｖの１／１００の１０Ｖであったと
しよう。
装置に用いられる感光体の表面電位分布を測定する場合
は事情が異なる。感光体の表面電位は通常１０００Ｖ程
度であり、感光体の電位分布（測定領域中の表面電位の
範囲）も数百Ｖは存在する。したがって、帰還の遅れに
よる(Ｖs＋Ｖoff)の値も従来の試料の表面電位を測定す
る場合よりも大きくなる。仮に、帰還による遅れで(Ｖs
＋Ｖoff)が１０００Ｖの１／１００の１０Ｖであったと
しよう。
【００２８】この時、(Ｖs＋Ｖoff)２＝１００[Ｖ２]と
なり、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]の８倍になってしま
う。したがって、試料の表面電位の測定結果に対する干
渉が大きく、トポ像の測定結果に対しても無視できない
測定誤差となる。これを解決する手段としては、ＶACを
大きくすることが考えられる。例えば、(Ｖs＋Ｖoff)２
／（ＶAC２／２）＝０．１％とするためには、ＶAC＝４
４７Ｖにしなければならない。一方、試料の表面電位分
布を少なくとも数十μｍの分解能で測定するためには、
試料１８の表面と探針１３との間の距離を数十μｍ以下
にしなければならない。したがって、交流電源１６から
探針１３に印加する交流電圧が数百Ｖになると、探針１
３と試料１８の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
となる。
なり、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]の８倍になってしま
う。したがって、試料の表面電位の測定結果に対する干
渉が大きく、トポ像の測定結果に対しても無視できない
測定誤差となる。これを解決する手段としては、ＶACを
大きくすることが考えられる。例えば、(Ｖs＋Ｖoff)２
／（ＶAC２／２）＝０．１％とするためには、ＶAC＝４
４７Ｖにしなければならない。一方、試料の表面電位分
布を少なくとも数十μｍの分解能で測定するためには、
試料１８の表面と探針１３との間の距離を数十μｍ以下
にしなければならない。したがって、交流電源１６から
探針１３に印加する交流電圧が数百Ｖになると、探針１
３と試料１８の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
となる。
【００２９】以上のように上記力顕微鏡により高電圧な
表面電位分布を測定する場合には今まで無視できた誤差
が大きくなり、大きな問題となる。また、上記力顕微鏡
では、交流電源１６から試料１３に印加する交流電圧の
周波数はカンチレバー１１の共振周波数の１／２以下に
している。従って、カンチレバー１１は交流電源１６か
ら試料１３に交流電圧が印加されても共振振動を生じな
いので、その振動振幅は共振を使用した場合に比べて著
しく小さくて感度が悪い。
表面電位分布を測定する場合には今まで無視できた誤差
が大きくなり、大きな問題となる。また、上記力顕微鏡
では、交流電源１６から試料１３に印加する交流電圧の
周波数はカンチレバー１１の共振周波数の１／２以下に
している。従って、カンチレバー１１は交流電源１６か
ら試料１３に交流電圧が印加されても共振振動を生じな
いので、その振動振幅は共振を使用した場合に比べて著
しく小さくて感度が悪い。
【００３０】そこで、交流電源１６から試料１３に印加
する交流電圧の周波数を、カンチレバー１１を圧電素子
１４で機械的に加振して共振させている共振周波数に設
定すると、受光素子２０の出力信号からロックインアン
プ２１，２２でカンチレバー１１の交流電圧による振動
と機械的加振による振動の各成分を分離することができ
ず、試料１３の表面電位と表面形状を独立に測定するこ
とができない。
する交流電圧の周波数を、カンチレバー１１を圧電素子
１４で機械的に加振して共振させている共振周波数に設
定すると、受光素子２０の出力信号からロックインアン
プ２１，２２でカンチレバー１１の交流電圧による振動
と機械的加振による振動の各成分を分離することができ
ず、試料１３の表面電位と表面形状を独立に測定するこ
とができない。
【００３１】また、図７に示す上記力顕微鏡では、交流
電源２９から出力される交流電圧の周波数ωacをカンチ
レバー２６の機械的共振周波数ω０と完全に一致させて
いる。したがって、φ＝−π／２となるので、ロックイ
ンアンプ３７により位相θ＝−π／２でプリアンプ３６
の出力信号ｖを位相検波して増幅し、ロックインアンプ
３８により位相θ＝−πでプリアンプ３６の出力信号ｖ
を位相検波して増幅すれば、(13)式の括弧内の第１項と
第２項の振幅を(17)、(18)に示すように分離して得るこ
とができる。ところが、カンチレバー２６の機械的共振
周波数ω０は測定を何回か行っている間に周囲の気温や
湿度、気圧などの影響により少しづつずれてくる。しか
し、交流電源２９から出力される交流電圧の周波数ωac
は、安定しているので、変化しない。したがって、ω０
とωacとは一致しなくなってくる。
電源２９から出力される交流電圧の周波数ωacをカンチ
レバー２６の機械的共振周波数ω０と完全に一致させて
いる。したがって、φ＝−π／２となるので、ロックイ
ンアンプ３７により位相θ＝−π／２でプリアンプ３６
の出力信号ｖを位相検波して増幅し、ロックインアンプ
３８により位相θ＝−πでプリアンプ３６の出力信号ｖ
を位相検波して増幅すれば、(13)式の括弧内の第１項と
第２項の振幅を(17)、(18)に示すように分離して得るこ
とができる。ところが、カンチレバー２６の機械的共振
周波数ω０は測定を何回か行っている間に周囲の気温や
湿度、気圧などの影響により少しづつずれてくる。しか
し、交流電源２９から出力される交流電圧の周波数ωac
は、安定しているので、変化しない。したがって、ω０
とωacとは一致しなくなってくる。
【００３２】また、カンチレバー２６の振動は共振点付
近ではカンチレバー２６の機械的共振周波数のずれに対
する位相の変化が非常に大きい。従って、カンチレバー
２６の共振点のずれにより、φの−π／２からの差が無
視し得ないものとなる。一方、ロックインアンプ３７、
３８において位相検波を行う位相は測定当初に設定した
θ１＝−π／２、θ２＝−πのままである。したがっ
て、(17)、(18)式のように(13)式の括弧内の第１項と第
２項の振幅を分離できなくなる。
近ではカンチレバー２６の機械的共振周波数のずれに対
する位相の変化が非常に大きい。従って、カンチレバー
２６の共振点のずれにより、φの−π／２からの差が無
視し得ないものとなる。一方、ロックインアンプ３７、
３８において位相検波を行う位相は測定当初に設定した
θ１＝−π／２、θ２＝−πのままである。したがっ
て、(17)、(18)式のように(13)式の括弧内の第１項と第
２項の振幅を分離できなくなる。
【００３３】例えば、ω０＝ωacが成り立たなくなって
φ=−π／２＋Δφとなったとしよう。この時、Ｖは次
の(21)式で表わされる。 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π/２＋Δφ)−cos (−θ−π／２＋Δφ＋π)}−(Ａ２/２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(１/４)ＶB２{cos (−θ−π/２＋Δφ−π/２）−cos(−θ−π/２＋Δφ−π/２＋π)} ・・・(21) ここで、θ＝θ１＝−π／２の時のロックインアンプ３
７の出力Ｖ１及びθ＝θ２＝−πの時のロックインアン
プ３８の出力Ｖ２はそれぞれ Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAcos(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２sin(Δφ)・・・(22) Ｖ２＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２cos(Δφ)・・・(23) となる。
φ=−π／２＋Δφとなったとしよう。この時、Ｖは次
の(21)式で表わされる。 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π/２＋Δφ)−cos (−θ−π／２＋Δφ＋π)}−(Ａ２/２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(１/４)ＶB２{cos (−θ−π/２＋Δφ−π/２）−cos(−θ−π/２＋Δφ−π/２＋π)} ・・・(21) ここで、θ＝θ１＝−π／２の時のロックインアンプ３
７の出力Ｖ１及びθ＝θ２＝−πの時のロックインアン
プ３８の出力Ｖ２はそれぞれ Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAcos(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２sin(Δφ)・・・(22) Ｖ２＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２cos(Δφ)・・・(23) となる。
【００３４】(22)、(23)から分かるように、Δφ≠０で
あるために、(13)式の括弧内の第１項と第２項の振幅は
分離されず、表面電位測定信号であるＶ１には表面形状
を測定するための(13)式の括弧内の第２項の振幅が混入
している。また、表面形状測定信号であるＶ２には表面
電位を測定するための(13)式の括弧内の第１項の振幅が
混入している。すなわち、試料の表面電位が表面形状の
測定結果に混入・干渉し、試料の表面形状が表面電位の
測定結果に混入・干渉する。このようにカンチレバー２
６の共振周波数であるω０が、周囲の気温や湿度、気圧
などの影響によりわずかに変動することにより、試料の
表面電位と表面形状の測定結果が互いに干渉し、無視で
きない誤差となって現われてくる。
あるために、(13)式の括弧内の第１項と第２項の振幅は
分離されず、表面電位測定信号であるＶ１には表面形状
を測定するための(13)式の括弧内の第２項の振幅が混入
している。また、表面形状測定信号であるＶ２には表面
電位を測定するための(13)式の括弧内の第１項の振幅が
混入している。すなわち、試料の表面電位が表面形状の
測定結果に混入・干渉し、試料の表面形状が表面電位の
測定結果に混入・干渉する。このようにカンチレバー２
６の共振周波数であるω０が、周囲の気温や湿度、気圧
などの影響によりわずかに変動することにより、試料の
表面電位と表面形状の測定結果が互いに干渉し、無視で
きない誤差となって現われてくる。
【００３５】従来、力顕微鏡では、図８（ａ）に示すよ
うに棒１１の片端を固定して棒４４の他端を自由にした
場合の棒（カンチレバー）４４の横振動を利用し、カン
チレバー４４の一次共振させて試料の表面状態（表面電
位や表面形状）を測定している。図８（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）はカンチレバー４４の一次、二次及び三次の共振
状態における各振動モードを示す。カンチレバー４４の
長さを１とした場合、二次及び三次の共振状態における
カンチレバー４４の節の位置を図８（ｃ）、（ｄ）に示
す。
うに棒１１の片端を固定して棒４４の他端を自由にした
場合の棒（カンチレバー）４４の横振動を利用し、カン
チレバー４４の一次共振させて試料の表面状態（表面電
位や表面形状）を測定している。図８（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）はカンチレバー４４の一次、二次及び三次の共振
状態における各振動モードを示す。カンチレバー４４の
長さを１とした場合、二次及び三次の共振状態における
カンチレバー４４の節の位置を図８（ｃ）、（ｄ）に示
す。
【００３６】従来、力顕微鏡は一般にカンチレバーの一
次共振を利用して試料の表面状態（表面電位や表面形
状）を測定している。カンチレバーの振動を検出する方
法としては、カンチレバーの曲がり傾斜角度を検出する
光てこ法、カンチレバーの振動時の変位を検出する光干
渉法、カンチレバー背後に設けた電極とカンチレバーと
の間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流法、
カンチレバー振動時の速度を検出するヘテロダイン光干
渉法などがある。
次共振を利用して試料の表面状態（表面電位や表面形
状）を測定している。カンチレバーの振動を検出する方
法としては、カンチレバーの曲がり傾斜角度を検出する
光てこ法、カンチレバーの振動時の変位を検出する光干
渉法、カンチレバー背後に設けた電極とカンチレバーと
の間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流法、
カンチレバー振動時の速度を検出するヘテロダイン光干
渉法などがある。
【００３７】カンチレバーの一次共振を利用する場合、
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
はカンチレバーの先端において最も大きい。したがっ
て、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプロー
ブとなるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位
置）はカンチレバーの先端に設定されている。カンチレ
バーの振動を検出する際の感度やＳ／Ｎ比を考えた場
合、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度が最大となる位置においてこれら曲がり傾斜角度、
変位、速度を検出するのが最も有利である。
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
はカンチレバーの先端において最も大きい。したがっ
て、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプロー
ブとなるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位
置）はカンチレバーの先端に設定されている。カンチレ
バーの振動を検出する際の感度やＳ／Ｎ比を考えた場
合、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度が最大となる位置においてこれら曲がり傾斜角度、
変位、速度を検出するのが最も有利である。
【００３８】しかし、上記図７に示す力顕微鏡のように
カンチレバーの高次共振を利用して試料の表面状態（表
面電位や表面形状）を測定する場合には、図８（ｃ）、
（ｄ）からも分かるように、必ずしもカンチレバーの先
端において振動による曲がり傾斜角度、変位、速度が最
大になるものではない。したがって、カンチレバーの先
端で振動による曲がり傾斜角度、変位、速度を検出する
と、必ずしも感度やＳ／Ｎ比の点で有利な測定を行って
いることにはならない。
カンチレバーの高次共振を利用して試料の表面状態（表
面電位や表面形状）を測定する場合には、図８（ｃ）、
（ｄ）からも分かるように、必ずしもカンチレバーの先
端において振動による曲がり傾斜角度、変位、速度が最
大になるものではない。したがって、カンチレバーの先
端で振動による曲がり傾斜角度、変位、速度を検出する
と、必ずしも感度やＳ／Ｎ比の点で有利な測定を行って
いることにはならない。
【００３９】また、力顕微鏡において、カンチレバーの
非共振、一次共振、及び高次共振の内の少なくとも２つ
を利用する場合、カンチレバーはそれぞれの振動を重畳
した振動を示す。一方、カンチレバーの振動信号は、通
常ロックインアンプに入力される。ロックインアンプは
入力信号の中から参照信号の周波数成分のみをフィルタ
リングして増幅する狭帯域アンプと考えられる。このロ
ックインアンプは、複数の周波数成分を持つカンチレバ
ー振動信号から測定したい振動周波数成分と同じ周波数
の参照信号が入力され、ロックインアンプにて複数の周
波数成分を持つカンチレバー振動信号から他の周波数成
分を分離して所望の振動周波数成分のみを抽出し増幅す
る。
非共振、一次共振、及び高次共振の内の少なくとも２つ
を利用する場合、カンチレバーはそれぞれの振動を重畳
した振動を示す。一方、カンチレバーの振動信号は、通
常ロックインアンプに入力される。ロックインアンプは
入力信号の中から参照信号の周波数成分のみをフィルタ
リングして増幅する狭帯域アンプと考えられる。このロ
ックインアンプは、複数の周波数成分を持つカンチレバ
ー振動信号から測定したい振動周波数成分と同じ周波数
の参照信号が入力され、ロックインアンプにて複数の周
波数成分を持つカンチレバー振動信号から他の周波数成
分を分離して所望の振動周波数成分のみを抽出し増幅す
る。
【００４０】例えば、カンチレバー振動信号に異なる周
波数を持つ２つの信号があって、これをロックインアン
プにより分離して検出する場合、片方の信号（以下Ａ信
号と呼ぶ）にとって他の信号（以下Ｂ信号と呼ぶ）はノ
イズとなる。したがって、Ａ信号にとってはＢ信号は小
さい程良いのであるが、そのような状態になると、Ｂ信
号にとってノイズとなるＡ信号が非常に多い信号の中か
らＢ信号をフィルタリングして増幅しなければならず、
Ｂ信号の分離・増幅にとって非常に不利になる。このよ
うなことをなくすためには、カンチレバーの振動信号に
おけるＡ信号とＢ信号の振幅がほぼ等しい状態にあるこ
とが必要である。
波数を持つ２つの信号があって、これをロックインアン
プにより分離して検出する場合、片方の信号（以下Ａ信
号と呼ぶ）にとって他の信号（以下Ｂ信号と呼ぶ）はノ
イズとなる。したがって、Ａ信号にとってはＢ信号は小
さい程良いのであるが、そのような状態になると、Ｂ信
号にとってノイズとなるＡ信号が非常に多い信号の中か
らＢ信号をフィルタリングして増幅しなければならず、
Ｂ信号の分離・増幅にとって非常に不利になる。このよ
うなことをなくすためには、カンチレバーの振動信号に
おけるＡ信号とＢ信号の振幅がほぼ等しい状態にあるこ
とが必要である。
【００４１】一方、図８に示すように例えば、一次共振
振動によるカンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、
変位、速度が最大になる位置は、必ずしも高次の共振振
動によるカンチレバーの曲がり傾斜角度、変位、速度が
最大になる位置とは限らない。したがって、２つの周波
数の振動振幅ががほぼ等しくならないことが多い。これ
らの振動振幅を同程度にするためには、２つの信号の
内、振幅が小さい方の振動を生じさせている力、例えば
静電引力を大きくするという方法をとればよい。しか
し、静電引力を大きくするためには、カンチレバー先端
の探針と試料の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
になる。したがって、このような方法では、必ずしも異
なる周波数の振動振幅を同程度にすることはできない。
振動によるカンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、
変位、速度が最大になる位置は、必ずしも高次の共振振
動によるカンチレバーの曲がり傾斜角度、変位、速度が
最大になる位置とは限らない。したがって、２つの周波
数の振動振幅ががほぼ等しくならないことが多い。これ
らの振動振幅を同程度にするためには、２つの信号の
内、振幅が小さい方の振動を生じさせている力、例えば
静電引力を大きくするという方法をとればよい。しか
し、静電引力を大きくするためには、カンチレバー先端
の探針と試料の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
になる。したがって、このような方法では、必ずしも異
なる周波数の振動振幅を同程度にすることはできない。
【００４２】本発明は、測定結果に対する干渉を除去し
て測定誤差を大幅に減少させることができる表面電位計
及び形状測定器を提供することを目的とする。
て測定誤差を大幅に減少させることができる表面電位計
及び形状測定器を提供することを目的とする。
【００４３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、測定物に対向配置される導
電性探針を先端部に設けたバネを、該バネに機械的に結
合したアクチュエータにより前記バネの機械的共振周波
数で加振して前記バネに第１振動を生じさせ、前記導電
性探針と前記測定物との間に交流電圧及び直流電圧を重
畳して印加することにより前記導電性探針と前記測定物
との間に静電引力を生じさせて該静電引力により前記バ
ネに第２振動を生じさせ、前記第１振動の振幅の減少か
ら前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離を測
定し、前記第２振動から前記測定物の表面電位を測定す
る表面電位計及び形状測定器において、前記第２振動状
態から、前記第１振動より測定した前記導電性探針と前
記測定物の表面との間の距離の測定結果を補正する補正
手段を備えたものである。
め、請求項１記載の発明は、測定物に対向配置される導
電性探針を先端部に設けたバネを、該バネに機械的に結
合したアクチュエータにより前記バネの機械的共振周波
数で加振して前記バネに第１振動を生じさせ、前記導電
性探針と前記測定物との間に交流電圧及び直流電圧を重
畳して印加することにより前記導電性探針と前記測定物
との間に静電引力を生じさせて該静電引力により前記バ
ネに第２振動を生じさせ、前記第１振動の振幅の減少か
ら前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離を測
定し、前記第２振動から前記測定物の表面電位を測定す
る表面電位計及び形状測定器において、前記第２振動状
態から、前記第１振動より測定した前記導電性探針と前
記測定物の表面との間の距離の測定結果を補正する補正
手段を備えたものである。
【００４４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の表
面電位計及び形状測定器において、前記補正手段は、前
記第２振動の前記交流電圧周波数成分の振幅の自乗と補
正係数の積を前記第１振動振幅に加算することにより前
記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離の測定結
果を補正するものである。
面電位計及び形状測定器において、前記補正手段は、前
記第２振動の前記交流電圧周波数成分の振幅の自乗と補
正係数の積を前記第１振動振幅に加算することにより前
記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離の測定結
果を補正するものである。
【００４５】請求項３記載の発明は、請求項２記載の表
面電位計及び形状測定器において、前記導電性探針と前
記測定物の表面との間の距離を一定に制御する際の目標
値よりも前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距
離が小さい時に前記補正が最適に行われるように前記補
正係数を定めたものである。
面電位計及び形状測定器において、前記導電性探針と前
記測定物の表面との間の距離を一定に制御する際の目標
値よりも前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距
離が小さい時に前記補正が最適に行われるように前記補
正係数を定めたものである。
【００４６】請求項４記載の発明は、請求項２記載の表
面電位計及び形状測定器において、前記導電性探針と前
記測定物との間に前記交流電圧及び前記直流電圧を重畳
して印加することにより生ずる第２振動の前記交流電圧
周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅から前記補正係
数を定める手段を備えたものである。
面電位計及び形状測定器において、前記導電性探針と前
記測定物との間に前記交流電圧及び前記直流電圧を重畳
して印加することにより生ずる第２振動の前記交流電圧
周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅から前記補正係
数を定める手段を備えたものである。
【００４７】請求項５記載の発明は、請求項１，２，３
または４記載の表面電位計及び形状測定器において、前
記アクチュエータにより前記導電性探針を機械的に加振
する周波数を前記バネの一次及び高次の共振周波数の何
れかとし、前記導電性探針と前記測定物との間に印加す
る交流電圧の周波数を前記導電性探針を機械的に加振す
る周波数とは異なる前記バネの一次及び高次の共振周波
数或いはこれら共振周波数の２分の１以下の周波数とし
たものである。
または４記載の表面電位計及び形状測定器において、前
記アクチュエータにより前記導電性探針を機械的に加振
する周波数を前記バネの一次及び高次の共振周波数の何
れかとし、前記導電性探針と前記測定物との間に印加す
る交流電圧の周波数を前記導電性探針を機械的に加振す
る周波数とは異なる前記バネの一次及び高次の共振周波
数或いはこれら共振周波数の２分の１以下の周波数とし
たものである。
【００４８】請求項６記載の発明は、請求項１，２，
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧は前記導電性探針の電位を
基準電位として前記導電性探針と前記測定物の導電性基
板との間に印加するものである。
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧は前記導電性探針の電位を
基準電位として前記導電性探針と前記測定物の導電性基
板との間に印加するものである。
【００４９】請求項７記載の発明は、請求項１，２，
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧の基準電位を共通とし、前
記交流電圧及び前記直流電圧の何れか一方を前記導電性
探針に印加し、他方を前記測定物の導電性基板に印加す
ることにより前記導電性探針と前記測定物との間に前記
交流電圧及び前記直流電圧を重畳して印加するものであ
る。
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧の基準電位を共通とし、前
記交流電圧及び前記直流電圧の何れか一方を前記導電性
探針に印加し、他方を前記測定物の導電性基板に印加す
ることにより前記導電性探針と前記測定物との間に前記
交流電圧及び前記直流電圧を重畳して印加するものであ
る。
【００５０】
【作用】請求項１記載の発明では、バネの先端部に設け
られた導電性探針が測定物に対向し、バネがアクチュエ
ータによりバネの機械的共振周波数で加振されてバネに
第１振動が生ずる。交流電圧及び直流電圧が重畳されて
導電性探針と測定物との間に印加されて導電性探針と測
定物との間に静電引力が生じ、この静電引力によりバネ
に第２振動が生ずる。第１振動の振幅の減少から導電性
探針と測定物の表面との間の距離が測定され、第２振動
から測定物の表面電位が測定される。そして、補正手段
が第１振動より測定した導電性探針と測定物の表面との
間の距離の測定結果を第２振動状態から補正する。
られた導電性探針が測定物に対向し、バネがアクチュエ
ータによりバネの機械的共振周波数で加振されてバネに
第１振動が生ずる。交流電圧及び直流電圧が重畳されて
導電性探針と測定物との間に印加されて導電性探針と測
定物との間に静電引力が生じ、この静電引力によりバネ
に第２振動が生ずる。第１振動の振幅の減少から導電性
探針と測定物の表面との間の距離が測定され、第２振動
から測定物の表面電位が測定される。そして、補正手段
が第１振動より測定した導電性探針と測定物の表面との
間の距離の測定結果を第２振動状態から補正する。
【００５１】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
表面電位計及び形状測定器において、補正手段が第２振
動の交流電圧周波数成分の振幅の自乗と補正係数の積を
第１振動振幅に加算することにより導電性探針と測定物
の表面との間の距離の測定結果を補正する。
表面電位計及び形状測定器において、補正手段が第２振
動の交流電圧周波数成分の振幅の自乗と補正係数の積を
第１振動振幅に加算することにより導電性探針と測定物
の表面との間の距離の測定結果を補正する。
【００５２】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
表面電位計及び形状測定器において、導電性探針と測定
物の表面との間の距離を一定に制御する際の目標値より
も導電性探針と測定物の表面との間の距離が小さい時に
補正が最適に行われるように補正係数が定められる。
表面電位計及び形状測定器において、導電性探針と測定
物の表面との間の距離を一定に制御する際の目標値より
も導電性探針と測定物の表面との間の距離が小さい時に
補正が最適に行われるように補正係数が定められる。
【００５３】請求項４記載の発明では、請求項２記載の
表面電位計及び形状測定器において、導電性探針と測定
物との間に交流電圧及び直流電圧が重畳されて印加され
ることにより生ずる第２振動の交流電圧周波数成分の２
倍の周波数の成分の振幅から補正係数が定められる。
表面電位計及び形状測定器において、導電性探針と測定
物との間に交流電圧及び直流電圧が重畳されて印加され
ることにより生ずる第２振動の交流電圧周波数成分の２
倍の周波数の成分の振幅から補正係数が定められる。
【００５４】請求項５記載の発明では、請求項１，２，
３または４記載の表面電位計及び形状測定器において、
アクチュエータにより導電性探針が機械的に加振される
周波数はバネの一次及び高次の共振周波数の何れかであ
り、導電性探針と測定物との間に印加される交流電圧の
周波数は導電性探針が機械的に加振される周波数とは異
なるバネの一次及び高次の共振周波数或いはこれら共振
周波数の２分の１以下の周波数である。
３または４記載の表面電位計及び形状測定器において、
アクチュエータにより導電性探針が機械的に加振される
周波数はバネの一次及び高次の共振周波数の何れかであ
り、導電性探針と測定物との間に印加される交流電圧の
周波数は導電性探針が機械的に加振される周波数とは異
なるバネの一次及び高次の共振周波数或いはこれら共振
周波数の２分の１以下の周波数である。
【００５５】請求項６記載の発明では、請求項１，２，
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧は前記導電性探針の電位を
基準電位として前記導電性探針と前記測定物の導電性基
板との間に印加される。
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧は前記導電性探針の電位を
基準電位として前記導電性探針と前記測定物の導電性基
板との間に印加される。
【００５６】請求項７記載の発明では、請求項１，２，
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧の基準電位が共通とされ、
前記交流電圧及び前記直流電圧の何れか一方が前記導電
性探針に印加され、他方が前記測定物の導電性基板に印
加されることにより前記導電性探針と前記測定物との間
に前記交流電圧及び前記直流電圧が重畳して印加され
る。
３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記導電性探針と前記測定物との間に印加すべき前
記交流電圧及び前記直流電圧の基準電位が共通とされ、
前記交流電圧及び前記直流電圧の何れか一方が前記導電
性探針に印加され、他方が前記測定物の導電性基板に印
加されることにより前記導電性探針と前記測定物との間
に前記交流電圧及び前記直流電圧が重畳して印加され
る。
【００５７】
【実施例】図１は本発明の第１実施例を示す。この第１
実施例は、請求項１、２記載の発明の実施例であり、表
面電位計及び形状測定器としての力顕微鏡の例を示す。
第１実施例では、前述した図５に示す力顕微鏡におい
て、交流電源１６からのカンチレバー１１の非共振周波
数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電源１７からの直
流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電圧がカンチレバ
ー１１に印加されて試料１３のベースとなる導電性基板
１８が基準電位の接地点に接続されることによりカンチ
レバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面との間に
静電引力が発生し、この静電引力によりカンチレバー１
１に周波数ωの振動が生ずる。圧電素子１４は絶縁体５
１を介してカンチレバー１１に固定されてカンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。
実施例は、請求項１、２記載の発明の実施例であり、表
面電位計及び形状測定器としての力顕微鏡の例を示す。
第１実施例では、前述した図５に示す力顕微鏡におい
て、交流電源１６からのカンチレバー１１の非共振周波
数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電源１７からの直
流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電圧がカンチレバ
ー１１に印加されて試料１３のベースとなる導電性基板
１８が基準電位の接地点に接続されることによりカンチ
レバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面との間に
静電引力が発生し、この静電引力によりカンチレバー１
１に周波数ωの振動が生ずる。圧電素子１４は絶縁体５
１を介してカンチレバー１１に固定されてカンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。
【００５８】探針１２と試料１３の表面との電位差を測
定した結果であるロックインアンプ２１の出力信号Ａω
は、自乗器５２により自乗されてＡω２となった後に、
ゲインがαであるアンプ５３により増幅されてαＡω２
となる。このアンプ５３は補正手段として用いられ、α
が補正係数となる。ロックインアンプ２２の出力信号Ａ
ωrは加算器５４によりアンプ５３の出力信号αＡω２
が加算されて(Ａωr＋αＡω２)となり、この(Ａωr＋
αＡω２)がＺサーボ回路２４に入力される。Ｚサーボ
回路２４は加算器５４の出力信号によりＺ軸アクチュエ
ータを制御して探針１２と試料１３の表面との間の距離
を一定に保ち、Ｚサーボ回路２４のＺ軸アクチュエータ
制御量から試料１３の表面形状を測定する。
定した結果であるロックインアンプ２１の出力信号Ａω
は、自乗器５２により自乗されてＡω２となった後に、
ゲインがαであるアンプ５３により増幅されてαＡω２
となる。このアンプ５３は補正手段として用いられ、α
が補正係数となる。ロックインアンプ２２の出力信号Ａ
ωrは加算器５４によりアンプ５３の出力信号αＡω２
が加算されて(Ａωr＋αＡω２)となり、この(Ａωr＋
αＡω２)がＺサーボ回路２４に入力される。Ｚサーボ
回路２４は加算器５４の出力信号によりＺ軸アクチュエ
ータを制御して探針１２と試料１３の表面との間の距離
を一定に保ち、Ｚサーボ回路２４のＺ軸アクチュエータ
制御量から試料１３の表面形状を測定する。
【００５９】次に本実施例の動作を説明する。探針１２
の先端と試料１３の表面との間の距離をＺ、探針１２の
先端の曲率半径をＲとすると、Ｚ＜Ｒの場合、探針１２
の先端と試料１３の表面との間の静電容量ＣのＺに関し
ての微係数∂Ｃ／∂Ｚは次の(24)式で表わされる。 (∂Ｃ／∂Ｚ)＝πε０Ｒ／Ｚ・・・(24) これを(8)式に代入すると、ω成分の振幅Ａωは次の(2
5)式で表わされる。
の先端と試料１３の表面との間の距離をＺ、探針１２の
先端の曲率半径をＲとすると、Ｚ＜Ｒの場合、探針１２
の先端と試料１３の表面との間の静電容量ＣのＺに関し
ての微係数∂Ｃ／∂Ｚは次の(24)式で表わされる。 (∂Ｃ／∂Ｚ)＝πε０Ｒ／Ｚ・・・(24) これを(8)式に代入すると、ω成分の振幅Ａωは次の(2
5)式で表わされる。
【００６０】 Ａω＝(πε０Ｒ／Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(25) したがって、自乗器５２の出力信号Ａω２は次の(26)式
で表わされる。 Ａω２＝(πε０Ｒ)２{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}ＶAC２・・・(26) ここで、π、ε０、Ｒ、ＶACは定数である。したがっ
て、Ａω２はＶs、Ｖoff、Ｚの関数となる。
で表わされる。 Ａω２＝(πε０Ｒ)２{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}ＶAC２・・・(26) ここで、π、ε０、Ｒ、ＶACは定数である。したがっ
て、Ａω２はＶs、Ｖoff、Ｚの関数となる。
【００６１】一方、静電容量ＣのＺに関しての２階の微
係数∂２Ｃ／∂Ｚ２は次の(27)式で表わされる。 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝πε０Ｒ／Ｚ２・・・(27) これにより、ωr成分の振幅減少分であるΔＡは次の(2
8)式で表わされる。 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ/(Ｋ・３√３)}［(１/２)(πε０Ｒ/Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff)２ ＋ＶAC２／２}］ ＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２/Ｚ２}−{Ａ０Ｑπ ε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(28) ここで、Ａ０、Ｑ、Ｋは定数であり、αは次の(29)式の
ように設定する。
係数∂２Ｃ／∂Ｚ２は次の(27)式で表わされる。 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝πε０Ｒ／Ｚ２・・・(27) これにより、ωr成分の振幅減少分であるΔＡは次の(2
8)式で表わされる。 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ/(Ｋ・３√３)}［(１/２)(πε０Ｒ/Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff)２ ＋ＶAC２／２}］ ＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２/Ｚ２}−{Ａ０Ｑπ ε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(28) ここで、Ａ０、Ｑ、Ｋは定数であり、αは次の(29)式の
ように設定する。
【００６２】 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{１／(ＶAC２πε０Ｒ)}・・・(29) アンプ５３の出力信号αＡω２は次の(30)式のように設
定する。 αＡω２＝{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}・・・(30) したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号(Ａωr＋α
Ａω２)は次の(31)式で表わされる。
定する。 αＡω２＝{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}・・・(30) したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号(Ａωr＋α
Ａω２)は次の(31)式で表わされる。
【００６３】 Ａωr＋αＡω２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／ Ｚ２}−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)＋ {Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２} ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２) ・・・(31) ここで、Ｚサーボ回路２４への入力信号の自由振動時の
振幅からの減少分を新たにΔＡrとすると、(31)式より
ΔＡrは ΔＡr＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(32) となる。この(32)式においてはＺ以外は全て定数であ
る。
振幅からの減少分を新たにΔＡrとすると、(31)式より
ΔＡrは ΔＡr＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(32) となる。この(32)式においてはＺ以外は全て定数であ
る。
【００６４】したがって、(Ｖs＋Ｖoff)によりΔＡrが
変化することはない。Ｚサーボ回路２４はΔＡrを一定
にするようにＺ軸アクチュエータを制御するから、その
制御量から測定した試料１３の表面形状測定結果は試料
１３の表面電位による誤差を含まない。すなわち、試料
１３の表面電位の表面形状測定結果に対する干渉を消去
することができ、試料１３の表面形状測定結果の誤差を
大幅に減少させることができる。
変化することはない。Ｚサーボ回路２４はΔＡrを一定
にするようにＺ軸アクチュエータを制御するから、その
制御量から測定した試料１３の表面形状測定結果は試料
１３の表面電位による誤差を含まない。すなわち、試料
１３の表面電位の表面形状測定結果に対する干渉を消去
することができ、試料１３の表面形状測定結果の誤差を
大幅に減少させることができる。
【００６５】このように、第１実施例は、請求項１記載
の発明の実施例であって、測定物１３に対向配置される
導電性探針１２を先端部に設けたバネとしてのカンチレ
バー１１を、該バネ１１に機械的に結合したアクチュエ
ータとしての圧電素子１４によりバネ１１の機械的共振
周波数で加振してバネに第１振動を生じさせ、導電性探
針１２に交流電圧を印加することにより導電性探針１２
と測定物１３との間に静電引力を生じさせて該静電引力
によりバネに第２振動を生じさせ、第１振動の振幅の減
少から導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離
を測定し、第２振動から測定物１３の表面電位を測定す
る表面電位計及び形状測定器を構成する力顕微鏡におい
て、第２振動状態から、第１振動より測定した導電性探
針１２と測定物１３の表面との間の距離の測定結果を補
正する補正手段としての自乗器５２、アンプ５３及び加
算器５４を備えたので、測定物表面電位の測定物表面形
状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定物
表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることができ
る。
の発明の実施例であって、測定物１３に対向配置される
導電性探針１２を先端部に設けたバネとしてのカンチレ
バー１１を、該バネ１１に機械的に結合したアクチュエ
ータとしての圧電素子１４によりバネ１１の機械的共振
周波数で加振してバネに第１振動を生じさせ、導電性探
針１２に交流電圧を印加することにより導電性探針１２
と測定物１３との間に静電引力を生じさせて該静電引力
によりバネに第２振動を生じさせ、第１振動の振幅の減
少から導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離
を測定し、第２振動から測定物１３の表面電位を測定す
る表面電位計及び形状測定器を構成する力顕微鏡におい
て、第２振動状態から、第１振動より測定した導電性探
針１２と測定物１３の表面との間の距離の測定結果を補
正する補正手段としての自乗器５２、アンプ５３及び加
算器５４を備えたので、測定物表面電位の測定物表面形
状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定物
表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることができ
る。
【００６６】また、第１実施例は、請求項２記載の発明
の実施例であって、請求項１記載の表面電位計及び形状
測定器において、補正手段としての自乗器５２、アンプ
５３及び加算器５４は、第２振動の交流電圧周波数成分
の振幅Ａωの自乗Ａω２と補正係数αの積αＡω２を第
１振動振幅Ａωrに加算することにより導電性探針１２
と測定物１３の表面との間の距離の測定結果を補正する
ので、測定物表面電位の測定物表面形状測定結果に対す
る干渉を除去することができ、測定物表面形状測定結果
の誤差を大幅に減少させることができる。
の実施例であって、請求項１記載の表面電位計及び形状
測定器において、補正手段としての自乗器５２、アンプ
５３及び加算器５４は、第２振動の交流電圧周波数成分
の振幅Ａωの自乗Ａω２と補正係数αの積αＡω２を第
１振動振幅Ａωrに加算することにより導電性探針１２
と測定物１３の表面との間の距離の測定結果を補正する
ので、測定物表面電位の測定物表面形状測定結果に対す
る干渉を除去することができ、測定物表面形状測定結果
の誤差を大幅に減少させることができる。
【００６７】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。この第２実施例は、請求項３記載の発明の実施例で
ある。上記第１実施例は、探針１２の先端と試料１３の
表面との間の距離Ｚと、探針１２の先端の曲率半径Ｒと
の関係を図２に示すようにＺ＜Ｒとした。しかし、実際
には、Ｒは測定の空間分解能を上げるために非常に鋭く
加工されており、Ｒ≒１０ｎｍ程度である。したがっ
て、一般的には、Ｚ＜１０ｎｍとして測定を行うことは
ほとんどできず、Ｚ≧Ｒの状態で測定が行われる。
る。この第２実施例は、請求項３記載の発明の実施例で
ある。上記第１実施例は、探針１２の先端と試料１３の
表面との間の距離Ｚと、探針１２の先端の曲率半径Ｒと
の関係を図２に示すようにＺ＜Ｒとした。しかし、実際
には、Ｒは測定の空間分解能を上げるために非常に鋭く
加工されており、Ｒ≒１０ｎｍ程度である。したがっ
て、一般的には、Ｚ＜１０ｎｍとして測定を行うことは
ほとんどできず、Ｚ≧Ｒの状態で測定が行われる。
【００６８】探針１２の先端を半球、試料１３の表面を
平面としたモデルでは、Ｚ≧Ｒの場合、平行平板のコン
デンサモデルに近似できる。この場合、Ｚのγ乗をＺ＊
＊γと表わし、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝−ａ／Ｚ＊＊γ・・・(33) とすると、γ＝２になる。ここに、上記第１実施例では
γ＝１である。第１実施例ではＺを目標値Ｚ０に保よう
にＺ軸アクチュエータに帰還をかけているが、任意のγ
について、Ｚ０において補償（試料１３の表面電位の距
離測定結果に対する干渉を補償すること：上記補正）が
最適になるようにαを決定することを考える。(33)式か
らＺの(γ＋１)乗をＺ＊＊(γ＋１)と表わすと、 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝−ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)・・・(34) となる。したがって、 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}[(１／２){ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋ Ｖoff)２＋ＶAC２／２}] ＝−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋Ｖoff)２−{ Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶAC２・・・(35) となる。
平面としたモデルでは、Ｚ≧Ｒの場合、平行平板のコン
デンサモデルに近似できる。この場合、Ｚのγ乗をＺ＊
＊γと表わし、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝−ａ／Ｚ＊＊γ・・・(33) とすると、γ＝２になる。ここに、上記第１実施例では
γ＝１である。第１実施例ではＺを目標値Ｚ０に保よう
にＺ軸アクチュエータに帰還をかけているが、任意のγ
について、Ｚ０において補償（試料１３の表面電位の距
離測定結果に対する干渉を補償すること：上記補正）が
最適になるようにαを決定することを考える。(33)式か
らＺの(γ＋１)乗をＺ＊＊(γ＋１)と表わすと、 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝−ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)・・・(34) となる。したがって、 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}[(１／２){ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋ Ｖoff)２＋ＶAC２／２}] ＝−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋Ｖoff)２−{ Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶAC２・・・(35) となる。
【００６９】一方、ω成分の振幅Ａωは次の(36)式で表
わされる。 Ａω＝(ａ／Ｚ＊＊γ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(36) ここで、Ｚ０において補償が最適になるようにするに
は、Ｚ０におけるαＡω２が(35)式の第１項と等しくな
ればよく、 {Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ０＊＊(γ＋１)}(Ｖs＋Ｖoff)２ ＝(αａ２／Ｚ０＊＊２γ)(Ｖs＋Ｖoff)２ＶAC２・・・(37) となる。これから、αは α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ０＊＊(γ−１)}(γ／ａ)(１／ＶAC２)・・(38) となる。したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号
(Ａωr＋αＡω２)は次の(39)式のようになる。
わされる。 Ａω＝(ａ／Ｚ＊＊γ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(36) ここで、Ｚ０において補償が最適になるようにするに
は、Ｚ０におけるαＡω２が(35)式の第１項と等しくな
ればよく、 {Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ０＊＊(γ＋１)}(Ｖs＋Ｖoff)２ ＝(αａ２／Ｚ０＊＊２γ)(Ｖs＋Ｖoff)２ＶAC２・・・(37) となる。これから、αは α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ０＊＊(γ−１)}(γ／ａ)(１／ＶAC２)・・(38) となる。したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号
(Ａωr＋αＡω２)は次の(39)式のようになる。
【００７０】 Ａωr＋αＡω２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}ａγ／{Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶA C２＋{Ａ０Ｑａγ／(Ｋ・３√３)}(Ｖs＋Ｖoff)２{１／Ｚ ＊＊２γ}{Ｚ０＊＊(γ−１)}{Ｚ＊＊(γ−１)}・・・(39) (39)式において、第２項はＺのみに依存し、探針１２の
先端と試料１３の表面との間の距離Ｚだけを測定する信
号となる。
先端と試料１３の表面との間の距離Ｚだけを測定する信
号となる。
【００７１】一方、(39)式の第３項は(Ｖs＋Ｖoff)とＺ
に依存し、距離測定に対する(Ｖs＋Ｖoff)の干渉成分で
ある。ここで、前述したようにγ＝２とすると、(39)式
の第３項はＺ＜Ｚ０において正になる。すなわち、Ｚ＜
Ｚ０において(Ｖs＋Ｖoff)による干渉を除去するための
補償量が大き過ぎ、実際のＺの測定結果より大きな値を
Ｚサーボ回路２４に与えることとなる。第１実施例では
Ｚサーボ回路２４への入力が大きいほどＺが大きくて探
針１２の先端と試料１３の表面とが離れたことを示す。
Ｚサーボ回路２４はその入力信号を基にＺを小さくする
（探針１２の先端と試料１３の表面とを近づける）よう
に働く。
に依存し、距離測定に対する(Ｖs＋Ｖoff)の干渉成分で
ある。ここで、前述したようにγ＝２とすると、(39)式
の第３項はＺ＜Ｚ０において正になる。すなわち、Ｚ＜
Ｚ０において(Ｖs＋Ｖoff)による干渉を除去するための
補償量が大き過ぎ、実際のＺの測定結果より大きな値を
Ｚサーボ回路２４に与えることとなる。第１実施例では
Ｚサーボ回路２４への入力が大きいほどＺが大きくて探
針１２の先端と試料１３の表面とが離れたことを示す。
Ｚサーボ回路２４はその入力信号を基にＺを小さくする
（探針１２の先端と試料１３の表面とを近づける）よう
に働く。
【００７２】したがって、上述したようなＺ＜Ｚ０にお
いて実際のＺの測定結果よりも大きな値をＺサーボ回路
２４に与えることは、探針１２の先端と試料１３の表面
とが近づいている時に両者をさらに近づけるようにＺサ
ーボ回路２４が働くことになり、Ｚの制御が正帰還にな
り、Ｚサーボ回路２４は探針１２の先端と試料１３の表
面とを衝突させるように働くことになる。以上のような
ことを克服するために、本実施例は、上記第１実施例に
おいて、Ｚ＜Ｚ０において最適な補償量が得られるよう
にαを決定したものである。具体的には本実施例は(3)
式の静電引力Ｆesの、(Ｖs＋Ｖoff)＝０における直流の
力 ＦesDC＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(ＶAC２／２)・・・(40) により探針１２の先端が試料１３の表面に吸引される直
前の距離Ｚminにおいて、αを決定する。この場合、(3
9)式の第３項は次の(40-a)式になる。
いて実際のＺの測定結果よりも大きな値をＺサーボ回路
２４に与えることは、探針１２の先端と試料１３の表面
とが近づいている時に両者をさらに近づけるようにＺサ
ーボ回路２４が働くことになり、Ｚの制御が正帰還にな
り、Ｚサーボ回路２４は探針１２の先端と試料１３の表
面とを衝突させるように働くことになる。以上のような
ことを克服するために、本実施例は、上記第１実施例に
おいて、Ｚ＜Ｚ０において最適な補償量が得られるよう
にαを決定したものである。具体的には本実施例は(3)
式の静電引力Ｆesの、(Ｖs＋Ｖoff)＝０における直流の
力 ＦesDC＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(ＶAC２／２)・・・(40) により探針１２の先端が試料１３の表面に吸引される直
前の距離Ｚminにおいて、αを決定する。この場合、(3
9)式の第３項は次の(40-a)式になる。
【００７３】 {Ａ０Ｑａγ／(Ｋ・３√３)}(Ｖs＋Ｖoff)２{１／Ｚ＊＊２γ}{Ｚmin＊＊(γ −１)}{Ｚ＊＊(γ−１)}・・・(40-a) (40-a)式の値はＺ＞Ｚminにおいて負になるので、Ｚ軸
アクチュエータの制御が不安定になることはない。ま
た、Ｚ＞Ｚminにおいては探針１２電位への帰還の遅れ
による直流の静電引力Ｆesの増加により、距離帰還の安
定性に関わらず探針１２の先端と試料１３の表面とが衝
突する。したがって、Ｚ＜ＺminにおけるＺの制御の不
安定性による探針１２の先端と試料１３の表面との衝突
は考慮する必要がない。以上のようにＺminにおいてα
を決定することにより、試料１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、探針１２の先端と試料１３
の表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。
アクチュエータの制御が不安定になることはない。ま
た、Ｚ＞Ｚminにおいては探針１２電位への帰還の遅れ
による直流の静電引力Ｆesの増加により、距離帰還の安
定性に関わらず探針１２の先端と試料１３の表面とが衝
突する。したがって、Ｚ＜ＺminにおけるＺの制御の不
安定性による探針１２の先端と試料１３の表面との衝突
は考慮する必要がない。以上のようにＺminにおいてα
を決定することにより、試料１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、探針１２の先端と試料１３
の表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。
【００７４】この第２実施例は、請求項３記載の発明の
実施例であって、第１実施例において、導電性探針１２
と測定物１３の表面との間の距離Ｚを一定に制御する際
の目標値よりも導電性探針１２と測定物１３の表面との
間の距離が小さい時に補正が最適に行われるように補正
係数αを定めたので、測定物１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、測定物１２の先端と測定物
１３の表面との間の距離の制御安定性を保ことができ
る。
実施例であって、第１実施例において、導電性探針１２
と測定物１３の表面との間の距離Ｚを一定に制御する際
の目標値よりも導電性探針１２と測定物１３の表面との
間の距離が小さい時に補正が最適に行われるように補正
係数αを定めたので、測定物１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、測定物１２の先端と測定物
１３の表面との間の距離の制御安定性を保ことができ
る。
【００７５】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。第２実施例において、試料１３の表面電位の距離測
定結果に対する干渉を補償する補償量がＺに対して過度
であったり過小であったりするのは、Ｚに対して最適な
αの値が変化するからである。本実施例は、この点を改
善したものであり、請求項４記載の発明の実施例であ
る。図３は本実施例を示す。本実施例では、上記第１実
施例において、ロックインアンプ５５が交流電源１６か
らの交流電圧ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動の２ω成分の振幅Ａ2ωを分離増幅す
る。この場合、交流電源１６からロックインアンプ５５
への参照信号の周波数がωであるが、ロックインアンプ
５５はωの参照信号により２ω成分の分離増幅を行うモ
ードで動作する。
る。第２実施例において、試料１３の表面電位の距離測
定結果に対する干渉を補償する補償量がＺに対して過度
であったり過小であったりするのは、Ｚに対して最適な
αの値が変化するからである。本実施例は、この点を改
善したものであり、請求項４記載の発明の実施例であ
る。図３は本実施例を示す。本実施例では、上記第１実
施例において、ロックインアンプ５５が交流電源１６か
らの交流電圧ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動の２ω成分の振幅Ａ2ωを分離増幅す
る。この場合、交流電源１６からロックインアンプ５５
への参照信号の周波数がωであるが、ロックインアンプ
５５はωの参照信号により２ω成分の分離増幅を行うモ
ードで動作する。
【００７６】また、補正係数決定手段５６として、最適
補正係数を決定するためのテーブル又は数式を持つＤＳ
Ｐ(Digital Signal Processor)等が用いられ、この補正
係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出力信号Ａ
2ωから最適な補正係数を決めてアンプ５３のゲインα
をその最適な補正係数に制御する。アンプ５３は、電圧
によりゲインを制御できるプログラマブルゲインアンプ
等を用いる。
補正係数を決定するためのテーブル又は数式を持つＤＳ
Ｐ(Digital Signal Processor)等が用いられ、この補正
係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出力信号Ａ
2ωから最適な補正係数を決めてアンプ５３のゲインα
をその最適な補正係数に制御する。アンプ５３は、電圧
によりゲインを制御できるプログラマブルゲインアンプ
等を用いる。
【００７７】さて、次に、本実施例の動作を述べる。
(3)式より、静電引力Ｆesには２ω成分が存在し、この
２ω成分による振動振幅Ａ2ωは次の(41)式で表わされ
る。 Ａ2ω＝(１／４)(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(41) ここで、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝ｆ(Ｚ)・・・(42) とすると、 Ａ2ω＝(１／４)ｆ(Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(43) となる。ＶACは定数であるから、Ａ2ωはＺのみに依存
する。従って、Ａ2ωからＺを知ることができる。
(3)式より、静電引力Ｆesには２ω成分が存在し、この
２ω成分による振動振幅Ａ2ωは次の(41)式で表わされ
る。 Ａ2ω＝(１／４)(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(41) ここで、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝ｆ(Ｚ)・・・(42) とすると、 Ａ2ω＝(１／４)ｆ(Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(43) となる。ＶACは定数であるから、Ａ2ωはＺのみに依存
する。従って、Ａ2ωからＺを知ることができる。
【００７８】一方、任意のＺに対して最適なαは(38)式
のＺ０に代入すればよいので、 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ＊＊(γ−１)}(γ／ａ)(１／ＶAC２)・・・(44) となる。γはあらかじめ実験により求めておく。以上の
ことから、Ａ2ωからＺを測定し、その値から(44)式を
用いて最適な補正係数αを求めることができる。そこ
で、補正係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出
力信号Ａ2ωから(44)式を用いて最適な補正係数を決め
てアンプ５３のゲインαをその最適な補正係数に制御す
る。
のＺ０に代入すればよいので、 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ＊＊(γ−１)}(γ／ａ)(１／ＶAC２)・・・(44) となる。γはあらかじめ実験により求めておく。以上の
ことから、Ａ2ωからＺを測定し、その値から(44)式を
用いて最適な補正係数αを求めることができる。そこ
で、補正係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出
力信号Ａ2ωから(44)式を用いて最適な補正係数を決め
てアンプ５３のゲインαをその最適な補正係数に制御す
る。
【００７９】また、補正係数決定手段５６は、Ｚに対す
る最適な補正係数αが(44)式により定められないときに
は、実験値から求めた具体的な数値を持つ補正テーブル
を用いてロックインアンプ５５の出力信号Ａ2ωから補
正係数を決めてアンプ５３のゲインαをその補正係数に
制御する。以上の動作により、本実施例は、任意のＺに
対して試料１３の表面電位の表面形状測定への干渉をほ
ぼ完全に除去することができるとともに、探針１２の先
端と試料１３の表面との間の距離の制御安定性を保つこ
とができる。
る最適な補正係数αが(44)式により定められないときに
は、実験値から求めた具体的な数値を持つ補正テーブル
を用いてロックインアンプ５５の出力信号Ａ2ωから補
正係数を決めてアンプ５３のゲインαをその補正係数に
制御する。以上の動作により、本実施例は、任意のＺに
対して試料１３の表面電位の表面形状測定への干渉をほ
ぼ完全に除去することができるとともに、探針１２の先
端と試料１３の表面との間の距離の制御安定性を保つこ
とができる。
【００８０】このように、第３実施例は、請求項４記載
の発明の実施例であって、第１実施例において、導電性
探針１２に交流電圧を印加することにより生ずる第２振
動の交流電圧周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅Ａ
2ωから補正係数αを定める手段５６を備えたので、任
意の導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離Ｚ
に対して測定物１３の表面電位の表面形状測定への干渉
をほぼ完全に除去することができるとともに、探針１２
の先端と測定物１３の表面との間の距離の制御の安定性
を保ことができる。
の発明の実施例であって、第１実施例において、導電性
探針１２に交流電圧を印加することにより生ずる第２振
動の交流電圧周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅Ａ
2ωから補正係数αを定める手段５６を備えたので、任
意の導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離Ｚ
に対して測定物１３の表面電位の表面形状測定への干渉
をほぼ完全に除去することができるとともに、探針１２
の先端と測定物１３の表面との間の距離の制御の安定性
を保ことができる。
【００８１】次に、請求項５記載の発明の各実施例につ
いて説明する。これらの実施例は、は、上記各実施例に
おいて、それぞれカンチレバーを機械的に加振すること
により一次及び高次の共振周波数の何れかの共振周波数
で共振させてその共振周波数とは異なるカンチレバーの
一次及び高次の共振周波数或いはこれら共振周波数の２
分の１以下の周波数の交流電圧を探針１２に印加するす
るようにし、例えば交流電源１５で発生する交流電圧の
周波数ωrをカンチレバー１１の一次共振周波数に設定
し、交流電源１６で発生する交流電圧の周波数ωをカン
チレバー１１の二次共振周波数或いは三次共振周波数ω
r2に設定するようにしたものである。
いて説明する。これらの実施例は、は、上記各実施例に
おいて、それぞれカンチレバーを機械的に加振すること
により一次及び高次の共振周波数の何れかの共振周波数
で共振させてその共振周波数とは異なるカンチレバーの
一次及び高次の共振周波数或いはこれら共振周波数の２
分の１以下の周波数の交流電圧を探針１２に印加するす
るようにし、例えば交流電源１５で発生する交流電圧の
周波数ωrをカンチレバー１１の一次共振周波数に設定
し、交流電源１６で発生する交流電圧の周波数ωをカン
チレバー１１の二次共振周波数或いは三次共振周波数ω
r2に設定するようにしたものである。
【００８２】これにより、これら実施例では、カンチレ
バー１１の交流電圧による静電引力で生ずる振動は、高
次の共振振動を示すから、従来の力顕微鏡のようにカン
チレバーの非共振振動を用いていた場合よりもはるかに
大きな振幅が得られる。また、ωrとωr2は異なる周波
数であるから、カンチレバー１１の交流電圧による静電
引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分離して
検出することができ、試料１３の表面電位と表面形状と
を独立に測定することができる。
バー１１の交流電圧による静電引力で生ずる振動は、高
次の共振振動を示すから、従来の力顕微鏡のようにカン
チレバーの非共振振動を用いていた場合よりもはるかに
大きな振幅が得られる。また、ωrとωr2は異なる周波
数であるから、カンチレバー１１の交流電圧による静電
引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分離して
検出することができ、試料１３の表面電位と表面形状と
を独立に測定することができる。
【００８３】このように、これらの実施例は、請求項５
記載の発明の実施例であって、請求項１，２，３または
４記載の表面電位計及び形状測定器において、アクチュ
エータとしての圧電素子１４により導電性探針１２を機
械的に加振する周波数をバネとしてのカンチレバー１１
の一次及び高次の共振周波数の何れかとし、導電性探針
１２に印加する交流電圧の周波数を導電性探針１２を機
械的に加振する周波数とは異なるバネの一次及び高次の
共振周波数或いはこれら共振周波数の２分の１以下の周
波数としたので、カンチレバー１１の振動振幅を従来よ
りもはるかに大きくすることができて振動信号の処理上
有利になるとともに、カンチレバー１１の交流電圧によ
る静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分
離して検出することができ、試料１３の表面電位と表面
形状とを独立に測定することができる。
記載の発明の実施例であって、請求項１，２，３または
４記載の表面電位計及び形状測定器において、アクチュ
エータとしての圧電素子１４により導電性探針１２を機
械的に加振する周波数をバネとしてのカンチレバー１１
の一次及び高次の共振周波数の何れかとし、導電性探針
１２に印加する交流電圧の周波数を導電性探針１２を機
械的に加振する周波数とは異なるバネの一次及び高次の
共振周波数或いはこれら共振周波数の２分の１以下の周
波数としたので、カンチレバー１１の振動振幅を従来よ
りもはるかに大きくすることができて振動信号の処理上
有利になるとともに、カンチレバー１１の交流電圧によ
る静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分
離して検出することができ、試料１３の表面電位と表面
形状とを独立に測定することができる。
【００８４】また、請求項６記載の発明の各実施例は、
上記各実施例において、それぞれ導電性探針１２に印加
すべき電圧を導電性探針１２に印加せずに測定物１３の
導電性基板１８に印加し、導電性探針１２の電位を基準
電位としたものであり、上記各実施例と同様な効果が得
られる。
上記各実施例において、それぞれ導電性探針１２に印加
すべき電圧を導電性探針１２に印加せずに測定物１３の
導電性基板１８に印加し、導電性探針１２の電位を基準
電位としたものであり、上記各実施例と同様な効果が得
られる。
【００８５】また、請求項７記載の発明の各実施例は、
上記各実施例において、それぞれ電圧印加手段としての
交流電源２９、３０及び直流電源１７により、交流電圧
と直流電圧の内のいずれか１つを導電性探針２７に印加
し、残りの１つを測定物２８に印加するようにしたもの
であり、上記各実施例と同様な効果が得られる。なお、
これらの実施例では、測定物の導電性基板は接地しな
い。
上記各実施例において、それぞれ電圧印加手段としての
交流電源２９、３０及び直流電源１７により、交流電圧
と直流電圧の内のいずれか１つを導電性探針２７に印加
し、残りの１つを測定物２８に印加するようにしたもの
であり、上記各実施例と同様な効果が得られる。なお、
これらの実施例では、測定物の導電性基板は接地しな
い。
【００８６】
【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、測定物に対向配置される導電性探針を先端部に設け
たバネを、該バネに機械的に結合したアクチュエータに
より前記バネの機械的共振周波数で加振して前記バネに
第１振動を生じさせ、前記導電性探針に交流電圧を印加
することにより前記導電性探針と前記測定物との間に静
電引力を生じさせて該静電引力により前記バネに第２振
動を生じさせ、前記第１振動の振幅の減少から前記導電
性探針と前記測定物の表面との間の距離を測定し、前記
第２振動から前記測定物の表面電位を測定する表面電位
計及び形状測定器において、前記第２振動状態から、前
記第１振動より測定した前記導電性探針と前記測定物の
表面との間の距離の測定結果を補正する補正手段を備え
たので、測定物表面電位の測定物表面形状測定結果に対
する干渉を除去することができ、測定物表面形状測定結
果の誤差を大幅に減少させることができる。
ば、測定物に対向配置される導電性探針を先端部に設け
たバネを、該バネに機械的に結合したアクチュエータに
より前記バネの機械的共振周波数で加振して前記バネに
第１振動を生じさせ、前記導電性探針に交流電圧を印加
することにより前記導電性探針と前記測定物との間に静
電引力を生じさせて該静電引力により前記バネに第２振
動を生じさせ、前記第１振動の振幅の減少から前記導電
性探針と前記測定物の表面との間の距離を測定し、前記
第２振動から前記測定物の表面電位を測定する表面電位
計及び形状測定器において、前記第２振動状態から、前
記第１振動より測定した前記導電性探針と前記測定物の
表面との間の距離の測定結果を補正する補正手段を備え
たので、測定物表面電位の測定物表面形状測定結果に対
する干渉を除去することができ、測定物表面形状測定結
果の誤差を大幅に減少させることができる。
【００８７】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記補正手段
は、前記第２振動の前記交流電圧周波数成分の振幅の自
乗と補正係数の積を前記第１振動振幅に加算することに
より前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離の
測定結果を補正するので、測定物表面電位の測定物表面
形状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定
物表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることがで
きる。
載の表面電位計及び形状測定器において、前記補正手段
は、前記第２振動の前記交流電圧周波数成分の振幅の自
乗と補正係数の積を前記第１振動振幅に加算することに
より前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離の
測定結果を補正するので、測定物表面電位の測定物表面
形状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定
物表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることがで
きる。
【００８８】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記導電性探
針と前記測定物の表面との間の距離を一定に制御する際
の目標値よりも前記導電性探針と前記測定物の表面との
間の距離が小さい時に前記補正が最適に行われるように
前記補正係数を定めたので、測定物の表面電位の表面形
状測定への干渉を低減しつつ、測定物の先端と測定物の
表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。
載の表面電位計及び形状測定器において、前記導電性探
針と前記測定物の表面との間の距離を一定に制御する際
の目標値よりも前記導電性探針と前記測定物の表面との
間の距離が小さい時に前記補正が最適に行われるように
前記補正係数を定めたので、測定物の表面電位の表面形
状測定への干渉を低減しつつ、測定物の先端と測定物の
表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。
【００８９】請求項４記載の発明によれば、請求項２記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記導電性探
針に交流電圧を印加することにより生ずる第２振動の前
記交流電圧周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅から
前記補正係数を定める手段を備えたので、任意の導電性
探針と測定物の表面との間の距離に対して測定物の表面
電位の表面形状測定への干渉をほぼ完全に除去すること
ができるとともに、探針の先端と測定物の表面との間の
距離の制御の安定性を保つことができる。
載の表面電位計及び形状測定器において、前記導電性探
針に交流電圧を印加することにより生ずる第２振動の前
記交流電圧周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅から
前記補正係数を定める手段を備えたので、任意の導電性
探針と測定物の表面との間の距離に対して測定物の表面
電位の表面形状測定への干渉をほぼ完全に除去すること
ができるとともに、探針の先端と測定物の表面との間の
距離の制御の安定性を保つことができる。
【００９０】請求項５記載の発明によれば、請求項１，
２，３または４記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記アクチュエータにより前記導電性探針を機械的
に加振する周波数を前記バネの一次及び高次の共振周波
数の何れかとし、前記導電性探針に印加する交流電圧の
周波数を前記導電性探針を機械的に加振する周波数とは
異なる前記バネの一次及び高次の共振周波数或いはこれ
ら共振周波数の２分の１以下の周波数としたので、バネ
の振動振幅を従来よりもはるかに大きくすることができ
て振動信号の処理上有利になるとともに、バネの交流電
圧による静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動
とを分離して検出することができ、測定物の表面電位と
表面形状とを独立に測定することができる。
２，３または４記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記アクチュエータにより前記導電性探針を機械的
に加振する周波数を前記バネの一次及び高次の共振周波
数の何れかとし、前記導電性探針に印加する交流電圧の
周波数を前記導電性探針を機械的に加振する周波数とは
異なる前記バネの一次及び高次の共振周波数或いはこれ
ら共振周波数の２分の１以下の周波数としたので、バネ
の振動振幅を従来よりもはるかに大きくすることができ
て振動信号の処理上有利になるとともに、バネの交流電
圧による静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動
とを分離して検出することができ、測定物の表面電位と
表面形状とを独立に測定することができる。
【００９１】請求項６記載の発明によれば、請求項１，
２，３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器に
おいて、前記導電性探針に印加すべき電圧を測定物の導
電性基板に印加し、前記導電性探針の電位を基準電位と
したので、請求項１，２，３，４または５記載の表面電
位計及び形状測定器と同様な効果が得られる。
２，３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器に
おいて、前記導電性探針に印加すべき電圧を測定物の導
電性基板に印加し、前記導電性探針の電位を基準電位と
したので、請求項１，２，３，４または５記載の表面電
位計及び形状測定器と同様な効果が得られる。
【００９２】請求項７記載の発明によれば、請求項１，
２，３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器に
おいて、交流電圧と直流電圧の内のいずれか１つ或いは
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧と直流電圧の内の
いずれか２つを前記導電性探針に印加し、残りの１つを
前記測定物に印加する電圧印加手段を有するので、請求
項１，２，３，４または５記載の表面電位計及び形状測
定器と同様な効果が得 られる。
２，３，４または５記載の表面電位計及び形状測定器に
おいて、交流電圧と直流電圧の内のいずれか１つ或いは
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧と直流電圧の内の
いずれか２つを前記導電性探針に印加し、残りの１つを
前記測定物に印加する電圧印加手段を有するので、請求
項１，２，３，４または５記載の表面電位計及び形状測
定器と同様な効果が得 られる。
【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施例の一部を拡大して示す概略
図である。
図である。
【図３】本発明の第３実施例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第４実施例を示すブロック図である。
【図５】従来の力顕微鏡の一例を示すブロック図であ
る。
る。
【図６】同力顕微鏡の一部を示すブロック図である。
【図７】従来の力顕微鏡の他の例を示すブロック図であ
る。
る。
【図８】従来の力顕微鏡を説明するための図である。
【符号の説明】１１，２６ カンチレバー １２，２７ 導電性探針 １３，２８ 試料 １４ 圧電素子 １５，１６，２９，３０ 交流電源 １７ 直流電源 １８，３３ 導電性基板 １９，３４ 光源 ２０，３５ 受光素子 ２１，２２，３７，３８，５５ ロックインアンプ ２３ 電圧フィードバック回路 ２４ Ｚサーボ回路 ２５ スキャナ ３１，５４ 加算器 ３２，５３ アンプ ３６ プリアンプ ３９，４２ 積分器 ４１ 基準電圧源 ４３ Ｚ軸アクチュエータ ５１ 絶縁体 ５２ 自乗器 ５５ 補正係数決定手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 29/12 G01R 29/24 G01N 13/10 - 13/24
Claims (7)
- 【請求項１】測定物に対向配置される導電性探針を先端
部に設けたバネを、該バネに機械的に結合したアクチュ
エータにより前記バネの機械的共振周波数で加振して前
記バネに第１振動を生じさせ、前記導電性探針と前記測
定物との間に交流電圧及び直流電圧を重畳して印加する
ことにより前記導電性探針と前記測定物との間に静電引
力を生じさせて該静電引力により前記バネに第２振動を
生じさせ、前記第１振動の振幅の減少から前記導電性探
針と前記測定物の表面との間の距離を測定し、前記第２
振動から前記測定物の表面電位を測定する表面電位計及
び形状測定器において、前記第２振動状態から、前記第
１振動より測定した前記導電性探針と前記測定物の表面
との間の距離の測定結果を補正する補正手段を備えたこ
とを特徴とする表面電位計及び形状測定器。 - 【請求項２】請求項１記載の表面電位計及び形状測定器
において、前記補正手段は、前記第２振動の前記交流電
圧周波数成分の振幅の自乗と補正係数の積を前記第１振
動振幅に加算することにより前記導電性探針と前記測定
物の表面との間の距離の測定結果を補正することを特徴
とする表面電位計及び形状測定器。 - 【請求項３】請求項２記載の表面電位計及び形状測定器
において、前記導電性探針と前記測定物の表面との間の
距離を一定に制御する際の目標値よりも前記導電性探針
と前記測定物の表面との間の距離が小さい時に前記補正
が最適に行われるように前記補正係数を定めたことを特
徴とする表面電位計及び形状測定器。 - 【請求項４】請求項２記載の表面電位計及び形状測定器
において、前記導電性探針と前記測定物との間に前記交
流電圧及び前記直流電圧を重畳して印加することにより
生ずる第２振動の前記交流電圧周波数成分の２倍の周波
数の成分の振幅から前記補正係数を定める手段を備えた
ことを特徴とする表面電位計及び形状測定器。 - 【請求項５】請求項１，２，３または４記載の表面電位
計及び形状測定器において、前記アクチュエータにより
前記導電性探針を機械的に加振する周波数を前記バネの
一次及び高次の共振周波数の何れかとし、前記導電性探
針と前記測定物との間に印加する交流電圧の周波数を前
記導電性探針を機械的に加振する周波数とは異なる前記
バネの一次及び高次の共振周波数或いはこれら共振周波
数の２分の１以下の周波数としたことを特徴とする表面
電位計及び形状測定器。 - 【請求項６】請求項１，２，３，４または５記載の表面
電位計及び形状測定器において、前記導電性探針と前記
測定物との間に印加すべき前記交流電圧及び前記直流電
圧は前記導電性探針の電位を基準電位として前記導電性
探針と前記測定物の導電性基板との間に印加することを
特徴とする表面電位計及び形状測定器。 - 【請求項７】請求項１，２，３，４または５記載の表面
電位計及び形状測定器において、前記導電性探針と前記
測定物との間に印加すべき前記交流電圧及び前記直流電
圧の基準電位を共通とし、前記交流電圧及び前記直流電
圧の何れか一方を前記導電性探針に印加し、他方を前記
測定物の導電性基板に印加することにより前記導電性探
針と前記測定物との間に前記交流電圧及び前記直流電圧
を重畳して印加することを特徴とする表面電位計及び形
状測定器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05240995A JP3293725B2 (ja) | 1995-03-13 | 1995-03-13 | 表面電位計及び形状測定器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05240995A JP3293725B2 (ja) | 1995-03-13 | 1995-03-13 | 表面電位計及び形状測定器 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001176124A Division JP3484429B2 (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | 力顕微鏡 |
| JP2001176121A Division JP3592655B2 (ja) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | 表面電位計及び形状測定器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08248081A JPH08248081A (ja) | 1996-09-27 |
| JP3293725B2 true JP3293725B2 (ja) | 2002-06-17 |
Family
ID=12913996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05240995A Expired - Fee Related JP3293725B2 (ja) | 1995-03-13 | 1995-03-13 | 表面電位計及び形状測定器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3293725B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4831484B2 (ja) * | 2006-08-30 | 2011-12-07 | セイコーインスツル株式会社 | 電位差検出方法及び走査型プローブ顕微鏡 |
-
1995
- 1995-03-13 JP JP05240995A patent/JP3293725B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08248081A (ja) | 1996-09-27 |
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|---|---|---|---|
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