JP3387846B2

JP3387846B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3387846B2
Application number: JP5760399A
Authority: JP
Inventors: 克則本間; 宏村松; 明江川
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2003-03-17
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2000258330A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プローブを試料表
面に沿って走査することによって、試料表面の形状や表
面物性を観察する走査型プローブ顕微鏡であって、プロ
ーブを振動体によって共振させ、その振動状態の変化を
検出することによって、試料表面とプローブの先端との
距離を制御する、いわいるダイナミック制御方式の走査
型プローブ顕微鏡に関し、特に光ファイバーをプローブ
として利用する走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のダイナミック制御方式の走査型プ
ローブ顕微鏡において試料表面を観察する場合を考え
る。ダイナミック制御方式の走査型プローブ顕微鏡は、
プローブで検出する力の種類によって２つに分けられ
る。一つは、カンチレバー形状のプローブを利用して原
子間力（Atomic Force）を検出し、プローブと試料の距
離制御を行うアトミックフォースフィードバック方式。
もう一つは、ストレート形状のプローブを利用してせん
断力（Shear Force）を検出し、プローブと試料の距離
制御を行うシアフォースフィードバック方式。いずれの
方式も、プローブを振動体によって機械的共振周波数近
傍で共振振動させ、試料表面に接近させる。プローブ先
端と試料表面の距離が１０ｎｍ程度以下となると、原子
間力またはせん断力が作用する。この力により、共振特
性は変化する。この変化とは、振幅の変化であり、ある
いは位相の変化である。この、振幅の変化量や位相の変
化量が一定になるようにプローブと試料間の距離をスキ
ャナによって制御し、その制御信号を画像化すれば、試
料表面形状を観察することができる。２つの方式で異な
るところは、アトミックフォースフィードバック方式で
は、プローブを試料表面に対して垂直に振動させるのに
対し、シアフォースフィードバック方式では、プローブ
を試料表面に対して平行に振動させるところである。

【０００３】これまで説明してきたアトミックフォース
フィードバック方式、シアフォースフィードバック方式
のいずれの場合においても、プローブの振動特性の変化
を検出するために、光テコ法や、光干渉法などの光学的
な手法が主に用いられてきた。特に、光テコ法は、高い
検出感度と比較的容易な調整により、ほとんどの走査型
プローブ顕微鏡で利用されている。

【０００４】しかしながら、このような光学的検出方法
は、光学的機構が必要なため、機構的に複雑で大型であ
り、装置構成において制約を受けるものであった。この
ような問題点を解決するために、原子間力顕微鏡用プロ
ーブの振動特性変化の検出に水晶振動子を利用しようと
いう提案が、特開昭６３−３０９８０３、特開平４−１
０２００８に記載されている。

【０００５】また、走査型近視野顕微鏡を構成するため
に、音叉型水晶振動子と光ファイバーを一体にし、非光
学的な検出を行う方法が、特開平９−０８９９１１に開
示されている。図９は、特開平９−０８９９１１に開示
されているような、音叉型水晶振動子を利用してプロー
ブの振動特性変化を検出する型式の走査型プローブ顕微
鏡の一例を示す模式図である。この走査型プローブ顕微
鏡は、ストレート形状のプローブを試料表面に対して平
行に振動させるシアフォースフィードバック方式のもの
である。プローブ９０１が試料９０２の表面近傍に接近
して配置され、試料９０２は試料台９０３の上に載って
いる。試料台９０３は、スキャナ９０４の上に固定され
ている。このスキャナ９０４は一本のピエゾチューブよ
りなる型式であり、走査型プローブ顕微鏡で広く利用さ
れているものである。スキャナ９０４の外周側面には、
Ｘ電極９０８、Ｙ電極９０９、Ｚ電極９１０が形成され
ており、それぞれに電圧を印加することで、ピエゾスキ
ャナをＸＹＺの各方向に独立して変形させることができ
る。

【０００６】プローブ９０１は、プローブ９０１を含む
変位検出手段９０５に取り付けられている。変位検出手
段９０５の詳細は、後述する図１０の説明により明確に
示すが、プローブ９０１の励振手段と、プローブ９０１
の振動検出手段である音叉型水晶振動子１００１を含む
ものである。変位検出手段９０５よりの信号は、すなわ
ちプローブ９０１の振動状態を示す信号であり、プロー
ブ９０１と試料９０２との距離によって変化する。この
信号は、フィードバックコントローラ９０６に導入され
る。フィードバックコントローラ９０６は、この信号を
増幅、変調し、スキャナ９０４のＺ電極９１０に電圧を
印加し、プローブ９０１と試料９０２の距離を一定に保
つ役割を持つ。一方、スキャナコントローラ９０７は、
Ｘ電極９０８とＹ電極９０９に独立して電圧を印加する
ことができる。この２つの印加電圧を連動させれば、任
意の面積をなぞるようにスキャナ９０４を変形させるこ
とができる。この時のＸ電極９０８、Ｙ電極９０９それ
ぞれに印加される電圧と、フィードバックコントローラ
９０６からＺ電極９１０に印加される電圧をオシロスコ
ープ９０９に入力し、時系列的にマッピングすれば、試
料９０２の表面形状を画像として再現することができ
る。

【０００７】この動作状態をより詳細に述べる。今、プ
ローブ９０１は、試料９０２の表面と平行に励振され
る。つまり、紙面において左右に振動する。プローブ９
０１の振動状態は、プローブ９０１と試料９０２の間に
働くせん断力（シアフォース）によって変化する。この
せん断力（シアフォース）は、試料９０２の表面の水分
やコンタミネーションにより発生するもので、プローブ
９０１と試料９０２の距離により指数関数的に変化する
ものである。したがって、プローブ９０１の振動状態変
化を検出することによって、プローブ９０１と試料９０
２の距離変化を知ることができる。この時に、検出感度
を高くするため、プローブ９０１をその固有振動数近傍
で共振振動させる。ただし、図１０で説明するように、
プローブ９０１と音叉型水晶振動子は一体固定されてい
るので、ここでいう固有振動数とは、正確には音叉型水
晶振動子１００１にプローブ９０１を付加した状態での
音叉型水晶振動子１００１の固有振動数ということにな
る。

【０００８】ここで、プローブ９０１を試料９０２の表
面に接近させ、その後、スキャナ９０４のＸ電極９０８
とＹ電極９０９に電圧を周期的に印加し、試料９０２を
プローブ９０１に対して走査した場合を考える。まず、
プローブ９０１と音叉型水晶振動子１００１を無負荷状
態で励振手段によって振動させ、その共振特性を測定す
る。これは、プローブ９０１の振動変化を音叉型水晶振
動子１００１によって電圧信号変化に変換することで行
う。プローブ９０１を音叉型水晶振動子１００１の固有
振動数近傍（近傍であって固有振動数に一致させるもの
ではない）で振動させながら、試料９０２に接近させて
いくと、せん断力（シアフォース）によってプローブ９
０１の振動状態が変化する。その変化は、例えば振幅量
変化であり、あるいは位相の変化である。これらの変化
量をある一定の値に設定すれば、プローブ９０１と試料
９０２の距離は一義的に決められる。

【０００９】この状態で、スキャナ９０４により試料９
０２をＸＹ方向に走査する。試料９０２の表面には微小
な凸凹があり、試料９０２を走査することによって、プ
ローブ９０１と試料９０２の距離は変化し、プローブ９
０１の振動状態は変化する。この変化量をフィードバッ
クコントローラ９０６により検出し、プローブ９０１と
試料９０２の距離が元の状態に戻るように、スキャナ９
０４のＺ電極９１０にフィードバック電圧を印加する。
これを繰り返すことで、プローブ９０１は試料９０２と
の距離を一定に保ったまま、試料９０２の表面をなぞる
ことになる。

【００１０】このときに、Ｚ電極９１０に印加されるフ
ィードバック電圧と、Ｘ電極９０８、Ｙ電極９０９に印
加される電圧をオシロスコープ９０９に入力し、時系列
的にマッピングすれば、試料９０２の表面形状を画像と
して再現できる。以上説明したように、この走査型プロ
ーブ顕微鏡は、せん断力（シアフォース）を利用してプ
ローブと試料の距離を制御することから、シアフォース
フィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡と呼ばれ
る。

【００１１】図１０は、図９に示したシアフォースフィ
ードバック方式の走査プローブ顕微鏡の構成のうち、変
位検出手段９０５の構成を詳細に示したものである。図
１０において、プローブ９０１は音叉型水晶振動子１０
０１の一つの腕に固定される。固定は、一般的に接着に
より行われる。音叉型水晶振動子１００１は、振動体１
００２の上に固定される。音叉型水晶振動子１００１と
振動体１００２の固定は、接着剤が利用されることが多
い。音叉型水晶振動子１００１には電極および端子が形
成されるが、図１０では省略する。電極の端子部分から
は信号線が引き出され、図９に示したフィードバックコ
ントローラ９０６に接続される。この音叉型水晶振動子
１００１は、腕に垂直方向の変形に対し、電圧を発生す
る。

【００１２】さらに、振動体１００２は、プローブホル
ダー１００３に固定され、プローブホルダー１００３に
はプローブ９０１を保持するプローブ固定体１００４が
固定される。振動体１００２には、振動体１００２を振
動させるための電圧波形を発生する駆動回路９１２が接
続される。

【００１３】次に動作状態を説明する。今、音叉型水晶
振動子１００１とプローブ９０１が、振動体１００２に
よって紙面の左右（矢印方向）に励振されるものとす
る。すでに述べたように、検出感度を上げるため、音叉
型水晶振動子１００１とプローブ９０１は、音叉型水晶
振動子１００１の機械的固有振動数近傍で共振させる。
時計などに利用され、入手しやすい水晶振動子の固有振
動数は、約３２ｋＨｚである。プローブ９０１の先端が
試料９０２に接近すると、プローブ９０１はせん断力
（シアフォース）を受け、振動状態が変わる。例えば振
幅量変化であり、あるいは位相の変化である。この変化
は、水晶振動子１００１から発信される電圧信号の変化
より読みとれる。この電圧信号はフィードバックコント
ローラ９０６に送られ、図９で説明したような動作を経
て試料９７０２の表面形状を再現することができる。

【００１４】図１１は、図９に示したシアフォースフィ
ードバック方式の走査プローブ顕微鏡の構成のうち、別
の実施の形態の変位検出手段９０５の構成を詳細に示し
たものである。図１１において、励振用圧電体１１０１
と振動検出用圧電体１１０２が、一体となってプローブ
ホルダー１１０３上に配置される。この２つの圧電体の
両方にプローブ９０１が固定される。固定は、一般的に
接着により行われる。励振用圧電体１１０１と振動検出
用圧電体１１０２には、電極および端子が形成される
が、図１１では省略する。励振用圧電体１１０１の電極
の端子部分からは信号線が引き出され、図９に示した駆
動回路９１２に接続される。励振用圧電体１１０１は、
駆動回路９１２より印加される電圧波形に対し、プロー
ブ９０１に垂直方向に振動する。一方、振動検出用圧電
体１１０２の電極の端子部分からは信号線が引き出さ
れ、図９に示したフィードバックコントローラ９０６に
接続される。この振動検出用圧電体１１０２は、プロー
ブ９０１に垂直方向の変形に対し、電圧を発生する。

【００１５】さらに、プローブホルダー１１０３にはプ
ローブ９０１を保持するプローブ固定体１１０４が固定
される。次に動作状態を説明する。今、プローブ９０１
が、励振用圧電体１１０２によって紙面の左右（矢印方
向）に励振されるものとする。プローブ９０１は、振動
検出用圧電体１１０１の機械的固有振動数で共振させら
れる。プローブ９０１の先端が試料９０２に接近する
と、プローブ９０１はせん断力（シアフォース）を受
け、振動状態が変わる。例えば振幅量変化であり、ある
いは位相の変化である。この変化は、振動検出用圧電体
１１０１から発信される電圧信号の変化より読みとれ
る。この電圧信号はフィードバックコントローラ９０６
に送られ、図９で説明したような動作を経て試料９０２
の表面形状を再現することができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記の提案により、走
査型プローブ顕微鏡の構成は、よりシンプルなものとな
りつつある。しかしながら、検出手段の構成上、新たな
問題も発生している。従来技術のいずれの例も、プロー
ブを付加した水晶振動子などの圧電振動子をその固有振
動数近傍で共振振動させ、プローブ先端に作用する力に
よる共振特性の変化を圧電振動子の電荷変化によって検
出しようとするものである。いわゆる狭帯域の共振型の
センサーとして構成するものであり、センサーに高いＱ
値を必要とするものであった。このような検出手段を構
成する場合、プローブと圧電振動子の一体固定が必要に
なり、それに伴う問題が発生するとともに、圧電振動子
の特性により変位検出手段の特性が決定してしまうとい
う問題が起きる。それを以下に具体的に述べる。

【００１７】例えば、従来技術の例とした特開平９−０
８９９１１では、音叉型水晶振動子を振動特性の変化の
検出に用いている。構成としては、図８で説明したよう
に、音叉型水晶振動子の一辺の腕に光ファイバーよりな
るプローブを接着するものである。光ファイバープロー
ブを音叉型水晶振動子の腕に接着する場合、接着部が極
めて微小な領域であり、例えば、直径１２５μｍの光フ
ァイバーを使用する場合、約１００μｍ平方である。し
たがって、接着作業が困難であるとともに、接着位置、
接着強度の再現性も低い。また、接着状態によって、音
叉型水晶振動子＋プローブの機械的特性値がばらつき易
いという問題がある。それはすなわち、ばね定数であ
り、Ｑ値である。特に、Ｑ値は、共振周波数特性の変化
の検出感度を決める要素であり、一定した値が望まし
い。

【００１８】一方、この音叉型水晶振動子のＱ値が、フ
ィードバック制御をするのには高すぎるという問題があ
る。先に挙げた音叉型水晶振動子の場合、無負荷におい
てＱ値は１００００近い。特開平９−０８９９１１の例
においては、プローブを固定した状態においてもなお２
０００以上のＱ値を示す。このようにＱ値が高い場合、
振動の減衰時間が長くなることによって応答速度が低下
し、スキャナによる試料走査の速度が遅くなる。

【００１９】また一方、現在容易に入手しうる水晶振動
子は、時計用のものであり、その共振周波数は約３２ｋ
Ｈｚである。プローブを共振させるノンコンタクトモー
ドの走査型プローブ顕微鏡では、水晶振動子の固有振動
数と、プローブ単体の固有振動数を一致もしくは接近さ
せる必要があるため、利用できるプローブは一義的に決
められてしまう。このため、プローブのばね定数も一義
的に決められてしまい、多種多様の試料に対応するため
に数種類のばね定数のプローブを使い分ける、というこ
とが出来なくなる問題がある。

【００２０】さらに別の問題として、水晶振動子や圧電
素子のばね定数が大きい、つまり、硬いという性質が上
げられる。一般的な走査型プローブ顕微鏡用のノンコン
タクト観察用カンチレバープローブのばね定数が３〜４
０Ｎ／ｍ、シアフォースフィードバック方式の走査型プ
ローブ顕微鏡用のストレートの光ファイバープローブの
ばね定数が４０〜７００Ｎ／ｍであるのに対し水晶振動
子のばね定数は３２００Ｎ／ｍである。従来の走査型プ
ローブ顕微鏡では、水晶振動子とプローブを一体固定し
て利用するため、プローブのばね定数は実質的に水晶振
動子のそれに等しくなる。プローブと試料表面の距離を
離して観察する場合は、プローブと試料表面が接触する
ことはなく、水晶振動子の固さは問題には成らず、水晶
振動子の高い機械的Ｑ値による高感度という特徴が活か
せる。ところが、空間分解能を向上させるために、プロ
ーブと試料表面の距離を近づける場合、プローブが試料
に接触する場合がある。観察する試料が生物や有機薄膜
の場合は、試料を損傷してしまうという問題があった。

【００２１】本発明の目的は、プローブと圧電体を一体
固定せず、可撓性のある弾性体と、コンプライアンスの
大きい（柔らかい）広帯域の圧電体を用い、非共振型の
変位センサーを構成することによって、従来技術の持つ
問題を解決するところにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、先鋭化された先端部を有するプローブと、プロー
ブを振動させるプローブ振動体と、プローブの振動の振
動特性変化を検出する変位検出手段と、サンプルをプロ
ーブに対して３次元的に走査するスキャナと、変位検出
手段の変位信号を増幅もしくは変調しスキャナにフィー
ドバックするフィードバック回路を有する走査型プロー
ブ顕微鏡において、弾性体からなるプローブと、前記プ
ローブを保持する２つの弾性体、すなわち第１の弾性体
と、第２の弾性体を有し、第１の弾性体と、第２の弾性
体によりプローブを可撓自在に挟み、さらに第１の弾性
体またはプローブが圧電体を有することにより変位検出
手段を構成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
を考案した。

【００２３】このような構成とすることにより、１）水晶振動子などの圧電素子とプローブの接着という
作業が不要となり、接着状態によって、水晶振動子＋プ
ローブの機械的特性値がばらつき易いという問題をなく
した。２）Ｑ値が小さく、特定の固有振動数を持たない圧電ポ
リマー材料が利用できるため、変位検出手段を広帯域の
非共振型変位センサーとして構成できる。これにより、
プローブの持つ固有振動数を調整する必要がなく、その
まま振動状態の変化を検出することが可能となり、固有
振動数の異なる多種多様のプローブを利用することが出
来る。

【００２４】３）Ｑ値が小さい圧電ポリマー材料が利用
できるため、高いＱ値により起こる応答速度の低下を防
ぎ、速い試料走査が出来る。４）プローブを変位検出手段により柔軟に弾性保持する
ため、その保持力を調整することによりプローブの振動
を減衰させることができ、プローブの持つＱ値を適正に
調整することができる。

【００２５】５）変位検出手段が柔らかいため、プロー
ブのばね定数に影響することがなく、柔らかい試料に損
傷を与えることがない。また、ばね定数の異なる多種多
様のプローブを利用することが出来る。という優れた効
果を発揮する。

【００２６】

【発明の実施の形態】［実施の形態１］以下に、本発明
の実施の形態１について図面を参照して説明する。図１
は、本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態１の構成
を示したものである。図１の構成は、図９の従来技術で
説明したストレート形状のプローブを利用するシアフォ
ースフィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡ではな
く、カンチレバー形状のプローブを利用するアトミック
フォースフィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡の
例である。プローブ１０１が試料１０２の表面近傍に接
近して配置され、試料１０２は試料台１０３の上に載っ
ている。試料台１０３は、スキャナ１０４の上に固定さ
れている。このスキャナ１０４は一本のピエゾチューブ
よりなる型式であり、走査型プローブ顕微鏡で一般的に
利用されるものである。スキャナ１０４の外周側面に
は、Ｘ電極１０８、Ｙ電極１０９、Ｚ電極１１０が形成
されており、それぞれに電圧を印加することで、ピエゾ
スキャナをＸＹＺの各方向に独立して変形させることが
できる。

【００２７】プローブ１０１は、プローブ１０１を含む
変位検出手段１０５に取り付けられている。変位検出手
段１０５の詳細は、後述する図２の説明により明確に示
すが、プローブ１０１の励振手段と、プローブ１０１の
振動検出手段をも含むものである。変位検出手段１０５
よりの信号は、すなわちプローブ１０１の振動状態を示
す信号であり、プローブ１０１と試料１０２との距離に
よって変化する。この信号は、フィードバックコントロ
ーラ１０６に導入される。フィードバックコントローラ
１０６は、この信号を増幅、変調し、スキャナ１０４の
Ｚ電極１１０に電圧を印加し、プローブ１０１とサンプ
ル１０２の距離を一定に保つ役割を持つ。一方、スキャ
ナコントローラ１０７は、Ｘ電極１０８とＹ電極１０９
に独立して電圧を印加することができる。この２つの印
加電圧を連動させれば、任意の面積をなぞるようにスキ
ャナ１０４を変形させることができる。この時のＸ電極
１０８、Ｙ電極１０９それぞれに印加される電圧と、フ
ィードバックコントローラ１０６からＺ電極１１０に印
加される電圧をオシロスコープ１０９に入力し、時系列
的にマッピングすれば、サンプル１０２の表面形状を画
像として再現することができる。

【００２８】この動作状態をより詳細に述べる。プロー
ブ１０１の振動状態は、プローブ１０１と試料１０２の
間に働く原子間力によって変化し、この原子間力は、プ
ローブ１０１と試料１０２との距離により指数関数的に
変化するものである。したがって、プローブ１０１の振
動状態変化を検出することによって、プローブ１０１と
試料１０２の距離変化を知ることができる。

【００２９】ここで、プローブ１０１を試料１０２の表
面に接近させ、その後、スキャナ１０４のＸ電極１０８
とＹ電極１０９に電圧を周期的に印加し、試料１０２を
プローブ１０１に対して走査した場合を考える。まず、
プローブ１０１を無負荷状態で励振手段によって振動さ
せ、その共振特性を測定する。プローブ１０１をその固
有振動数近傍で振動させながら、サンプル１０２に接近
させていくと、原子間力によってプローブ１０１の振動
状態が変化する。その変化は、例えば振幅量変化であ
り、あるいは位相の変化である。これらの変化量をある
一定の値に設定すれば、プローブ１０１と試料１０２の
距離は一義的に決められる。

【００３０】この状態で、スキャナ１０４により試料１
０２をＸＹ方向に走査する。試料１０２の表面には微小
な凸凹があり、試料１０２を走査することによって、プ
ローブ１０１と試料１０２の距離は変化し、プローブ１
０１の振動状態は変化する。この変化量をフィードバッ
クコントローラ１０６により検出し、プローブ１０１と
試料１０２の距離が元の状態に戻るように、スキャナ１
０４のＺ電極１１０に電圧を印加する。これを繰り返す
ことで、プローブ１０１は試料１０２との距離を一定に
保ったまま、試料１０２の表面をなぞることになる。こ
のときに、Ｚ電極１１０に印加される電圧と、Ｘ電極１
０８、Ｙ電極１０９に印加される電圧をオシロスコープ
１０９に入力し、時系列的にマッピングすれば、試料１
０２の表面状態を画像として再現できる。

【００３１】なお、図１に示した装置構成図は、本発明
に関わる主要な部分を記載したものであり、実際の発明
の実施に当たっては、図１に記載されている以外の一般
的な走査型プローブ顕微鏡で使用されている構成要素も
含まれる。また、説明した動作状態も、一般的な走査型
プローブ顕微鏡のノンコンタクト方式の一例であり、本
発明に制限を加えるものではない。

【００３２】図２は、本発明の走査プローブ顕微鏡の実
施の形態１の構成のうち、変位検出手段１０５の構成を
詳細に示したものである。図２では、その構成を明確に
するため、図１に示される変位検出手段１０５を逆さま
にして示してある。図２において、プローブ１０１は第
１の弾性体２０１と第２の弾性体２０６によって弾性的
に挟まれ、ここがプローブ１０１の振動支点となる。

【００３３】第２の弾性体２０６は、圧電材料からなり
振動体を兼ねている。第２の弾性体２０６としては、広
く用いられているＰＺＴのバイモルフ振動子や、積層圧
電素子を利用する。第２の弾性体２０６とプローブ１０
１の接触する面にはＶミゾ２０８が形成されており、こ
のＶミゾ２０８と第１の弾性体２０１により、プローブ
１０１の位置を決めることができる。

【００３４】第１の弾性体２０１の表面には圧電体２０
２が形成されている。この圧電体２０２は軽く柔軟な材
料であって、可撓性を有することが必要で、具体的には
圧電ポリマ材料などによる薄膜が望ましい。圧電ポリマ
材料としては、代表的なものとして、ＰＶＤＦ（ポリフ
ッ化ビニルデン）や、Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ）（シアン
化ビニルデン−酢酸ビニル共重合体）などがある。第１
の弾性体２０１の材質に関しては、金属、樹脂、ゴムな
どあらゆる種類のものを利用できる。ただし、形状・質
量・弾性などの諸特性から吟味する必要がある。好適に
は、ポリエチレン、ポリエステルなどのコンプライアン
スの大きいプラスチックを利用することができる。当然
のことながら、金属などの導電体を用いる場合は、絶縁
に留意する必要がある。

【００３５】このように、圧電ポリマ材料を可撓性のあ
る弾性体と組み合わせることにより、プローブ１０１の
振動変位を弾性体の曲げ変形に変換し、その曲げ変形に
より圧電体２０２に引っ張り変形を与え、電荷を発生さ
せることが可能となる。本実施の形態では示していない
が、圧電ポリマ材料そのものにも弾性があるので、第１
の弾性体２０１を圧電ポリマ材料そのもので構成するこ
とも可能ではある。圧電体２０２の一面には第１の電極
２０３（ａ）が形成され、反対側にグランド電極２０３
（ｅ）が形成される。図２では、グランド電極２０３
（ｅ）の端子部分を第１の電極２０３（ａ）側に折り返
して形成した状態を示し、グランド電極２０３（ｅ）全
体の表示は省略する。端子部分からは信号線が引き出さ
れ、図１に示したフィードバックコントローラ１０６に
接続される。この圧電体２０２は、例えば、圧電横効果
を利用する場合、長さ方向の伸縮に対し、厚み方向に電
位を発生する。第１の弾性体２０１は、その両端を与圧
調整手段２０７を介してプローブホルダー２０４に固定
される。プローブホルダー２０４は実質的な剛体からな
る。本実施の形態では与圧調整手段２０７は、２本のボ
ルトで構成され、ボルトを短冊部２０１（ａ）の長手方
向に調整することで、プローブ１０１に加える力（与
圧）を変化させることができる。この与圧を調整するこ
とにより、プローブ１０１の共振特性を最適な状態に調
整することが可能となる。

【００３６】図２においては、第１の弾性体２０１を屈
曲させ、あらかじめ引っ張り変形を加えた状態で示して
あるが、ほとんど屈曲させない状態（与圧なし）で押さ
えることもできる。与圧調整手段２０７を構成しない場
合は、第１の弾性体２０１を接着材などによってプロー
ブホルダー２０４に固定することも可能である。第２の
弾性体２０６もプローブホルダー２０４に固定されてい
る。その固定は、振動を抑制しない限りにおいて、接着
材、締結手段いづれの方法でも良い。プローブ１０１
は、振動する部分以外の任意の部位をプローブ保持体２
０５を介してプローブホルダー２０４に固定される。プ
ローブ１０１のプローブホルダー２０４への固定は、プ
ローブ保持体２０５を用いずに接着材によっても良い
が、プローブ１０１を交換することを鑑み、望ましくは
ボルトなどの脱着容易な締結手段による固定が良い。プ
ローブ１０１の励振手段である第２の弾性体２０６に
は、第２の弾性体２０６を振動させるための電圧波形を
発生する駆動回路１１２が接続される。

【００３７】次に動作状態を説明する。今、プローブ１
０１が第２の弾性体２０６によって紙面の上下に励振さ
れるものとする。プローブ１０１の振動は第１の弾性体
２０１に伝わるが、第１の弾性体２０１は、その両端を
固定されているため、プローブ１０１は接触している部
分を支点として曲げ振動を起こす。同時に、第１の弾性
体２０１はコンプライアンスが大きいため、プローブ１
０１が接触している部分を作用点として曲げ変形を起こ
す。第２の弾性体２０６のコンプライアンスは、第１の
弾性体２０１のコンプライアンスより小さい（硬い）た
め、プローブ１０１は第１の弾性体２０１側に向かって
振動する。このように、プローブ１０１に対して振動異
方性を与えることにより、プローブ１０１の振動がより
効率よく第１の弾性体２０１に伝達される。

【００３８】この振動状態のうち、プローブ１０１が矢
印の方向に動く瞬間について考えると、このときに、第
１の弾性体２０１は矢印方向に曲げ変形を起こし、これ
により、第１の弾性体２０１の表面に位置する圧電体２
０２は、第１の弾性体２０１の長手方向に引っ張り力を
受け、伸びる。この瞬間に、圧電体２０２は電荷を発生
し、第１の電極２０３（ａ）と、グランド電極２０３
（ｅ）の間に電位差が生じる。このときの電位の極性は
圧電体２０２の分極方向により決まるが、ここでは仮に
（＋）極性の電位とする。次の瞬間に、プローブ１０１
が矢印と反対方向に動くと、圧電体２０２は縮み（元の
長さに戻る）、逆極性（−）の電圧を発生する。振動体
を兼ねる第２の弾性体２０６の振動数を掃引していく
と、プローブ１０１の機械的固有振動数に接近するにつ
れ、プローブ１０１の振動振幅は大きくなり、共振状態
においてその振幅は最大となる。プローブ１０１の振動
振幅の増大に伴い、圧電体２０２の伸縮も大きくなり、
発生電圧も増大する。圧電体２０２の発生する電圧の変
化状態をモニターすれば、プローブ１０１の共振特性を
知ることができる。

【００３９】この共振特性を基準とすれば、プローブ１
０１と試料１０２の距離変化を圧電体２０２の発生する
電圧変化より観察することができ、図１で説明したよう
な動作を経て試料１０２の表面形状を再現することがで
きる。以上説明したように、本発明における変位検出手
段は、プローブ１０１の振動変位を第１の弾性体２０１
上に形成した圧電体２０２の引っ張り変形に変換し、電
圧出力を得るものであるが、従来技術との違いについて
より具体的に記述する。本発明で利用する圧電ポリマ材
料は、すでに公知のように、コンプライアンスが大きく
軽いため、機械的Ｑ値が小さく、明確な共振特性を示さ
ない。したがって、広い周波数範囲において、均一な感
度を有する。本発明では、プローブ１０１を可撓性のあ
る第１の弾性体２０１により弾性的に押さえる構造とし
たため、走査型プローブ顕微鏡の変位検出手段の構成に
おいて、圧電ポリマ材料の機能を有効に応用できる効果
を見いだした。その効果は、本発明における変位検出手
段が、広帯域の非共振型のセンサーとして働くことであ
る。一方、従来技術における水晶振動子や圧電素子は、
それ自体が共振する狭帯域の共振型センサーである。

【００４０】非共振型のセンサーは水晶振動子などの共
振型センサーより振動振幅は小さい。しかしながら、水
晶振動子およびＰＺＴの電圧出力定数（ｇ₃₁：機械→電
気の変換能力）がそれぞれ５０×１０^-3Ｖｍ／Ｎ、１０
×１０^-3Ｖｍ／Ｎ、であるのに対し、圧電ポリマ材料の
一つであるＰＶＤＦのそれは３〜１０倍以上の１７０×
１０^-3Ｖｍ／Ｎを示す。従って、振動変位検出感度は水
晶振動子などと比して遜色のないものとなる。したがっ
て、プローブ１０１の固有振動数に係わらず、高い検出
感度の変位検出手段を構成できる。

【００４１】以上のように、本発明における変位検出手
段は、コンプライアンスの大きい圧電体を利用して広帯
域の非共振型のセンサーを構成することにより、従来技
術の課題を解決することができる。［実施の形態２］図３は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態２の構成のうち、変位検出手段１０５の構
成を詳細に示したものである。図３において、プローブ
１０１は第１の弾性体２０１と第２の弾性体２０６によ
って弾性的に挟まれ、ここがプローブ１０１の振動支点
となる。第２の弾性体２０６は、圧電材料からなり振動
体を兼ねている。第２の弾性体２０６としては、広く用
いられているＰＺＴのバイモルフ振動子や、積層圧電素
子を利用する。

【００４２】第２の弾性体２０６とプローブ１０１の接
触する面にはＶミゾ２０８が形成されており、このＶミ
ゾ２０８と第１の弾性体２０１により、プローブ１０１
の位置を決めることができる。第１の弾性体２０１の表
面には圧電体２０２が形成されている。この第１の弾性
体２０１および圧電体２０２の材質は、実施の形態１と
変わるところはない。

【００４３】与圧調整手段２０７は、実施の形態１とは
異なり、矩形上の弾性体から構成され、その両端をプロ
ーブホルダー２０４に固定される。第１の弾性体２０１
は、与圧調整手段２０７とプローブホルダー２０４と間
に挟まれ、弾性的に保持される。このような構成とする
ことにより、第１の弾性体２０１と与圧調整手段２０７
を分離することができ、第１の弾性体２０１の取り付け
位置を前後に調整して最適な検出感度を得ることができ
る。その他の構成および動作・効果については、実施の
形態１と変わることはない。

【００４４】［実施の形態３］図４は、本発明の走査プ
ローブ顕微鏡の実施の形態３の構成のうち、変位検出手
段１０５の構成を詳細に示したものである。図４におい
て、プローブ１０１は第２の弾性体２０６の上に配置さ
れ、プローブ１０１の上に第１の弾性体２０１が配置さ
れる。第１の弾性体２０１はＴ字型をしており、短冊部
２０１（ａ）からプローブ１０１の軸に平行にＩビーム
２０１（ｂ）が伸びている構造を有する。プローブ１０
１は、第１の弾性体２０１と第２の弾性体２０６によっ
て弾性支持され、ここがプローブ１０１の振動支点とな
る。

【００４５】第２の弾性体２０６は、圧電材料からなり
振動体を兼ねている。第２の弾性体２０６としては、広
く用いられているＰＺＴのバイモルフ振動子や、積層圧
電素子を利用する。第２の弾性体２０６とプローブ１０
１の接触する面にはＶミゾ２０８が形成されており、こ
のＶミゾ２０８と第１の弾性体２０１により、プローブ
１０１の位置を決めることができる。

【００４６】第１の弾性体２０１のＩビーム２０１
（ｂ）の表面には圧電体２０２が形成されている。第１
の弾性体２０１および圧電体２０２の材質は、実施の形
態１の場合と同様である。圧電体２０２の一面には
第１の電極２０３（ａ）が形成され、反対側にグランド
電極２０３（ｅ）が形成される。図２では、グランド電
極２０３（ｅ）の端子部分を第１の電極２０３（ａ）側
に折り返して形成した状態を示し、グランド電極２０３
（ｅ）全体の表示は省略する。第１の電極２０３
（ａ）、グランド電極２０３（ｅ）を短冊部２０１
（ａ）の範囲に拡大して形成することも可能である。端
子部分からは信号線が引き出され、図１に示したフィー
ドバックコントローラ１０６に接続される。この圧電体
２０２は、例えば、圧電横効果を利用する場合、長さ方
向の伸縮に対し、厚み方向に電位を発生する。第１の弾
性体２０１は、その両端を与圧調整手段２０７を介して
プローブホルダー２０４に固定される。プローブホルダ
ー２０４は実質的な剛体からなる。本実施の形態では与
圧調整手段２０７は、２本のボルトで構成され、ボルト
を短冊部２０１（ａ）の長手方向に調整することで、プ
ローブ１０１に加える力（与圧）を変化させることがで
きる。この与圧を調整することにより、プローブ１０１
の共振特性を最適な状態に調整することが可能となる。
図２においては、第１の弾性体２０１を屈曲させ、あら
かじめ引っ張り変形を加えた状態で示してあるが、ほと
んど屈曲させない状態（与圧なし）で押さえることもで
きる。第２の弾性体２０６もプローブホルダー２０４に
固定されている。その固定は、振動を抑制しない限りに
おいて、接着材、締結手段いづれの方法でも良い。プロ
ーブ１０１は、振動する部分以外の任意の部位をプロー
ブ保持体２０５を介してプローブホルダー２０４に固定
される。プローブ１０１のプローブホルダー２０４への
固定は、プローブ保持体２０５を用いずに接着材によっ
ても良いが、プローブ１０１を交換することを鑑み、望
ましくはボルトなどの脱着容易な締結手段による固定が
良い。プローブ１０１の励振手段である第２の弾性体２
０６には、第２の弾性体２０６を振動させるための電圧
波形を発生する駆動回路１１２が接続される。

【００４７】次に動作状態を説明する。今、プローブ１
０１が第２の弾性体２０６によって紙面の上下に励振さ
れるものとする。プローブ１０１は短冊部２０１（ａ）
とＩビーム２０１（ｂ）によって弾性支持されている
が、構造による当然の帰結として、片端支持であるＩビ
ーム２０１（ｂ）のコンプライアンスは両端固定の短冊
部２０１（ａ）より大きいため、プローブ１０１は短冊
部２０１（ａ）を支点として振動する。このときに、プ
ローブ１０１の振動に合わせてＩビーム２０１（ｂ）も
短冊部２０１（ａ）を支点として振動する。一方、第２
の弾性体２０６のコンプライアンスは、第１の弾性体２
０１のコンプライアンスより小さい（硬い）ため、プロ
ーブ１０１は第１の弾性体２０１側に向かって振動す
る。このように、プローブ１０１に対して振動異方性を
与えることにより、プローブ１０１の振動がより効率よ
くＩビーム２０１（ｂ）に伝達される。

【００４８】この振動状態のうち、プローブ１０１が矢
印の方向に動く瞬間について考えると、このときに、プ
ローブ１０１は短冊部２０１（ａ）を支点に曲がり変形
を起こし、これによりＩビーム２０１（ｂ）も矢印方向
に曲げ変形を生じる。これにより、Ｉビーム２０１
（ｂ）の表面に位置する圧電体２０２は振動方向と垂直
の方向、すなわち、Ｉビーム２０１（ｂ）の長手方向に
圧縮力を受け、縮む。この瞬間に、圧電体２０２は電荷
を発生し、第１の電極２０３（ａ）と、グランド電極２
０３（ｅ）の間に電位差が生じる。このときの電位の極
性は、圧電体２０２の分極方向を実施の形態１と同様と
すれば、（−）極性である。次の瞬間に、プローブ１０
１が矢印と反対方向に動くと、圧電体２０２は伸び（元
の長さに戻る）、逆極性（＋）の電圧を発生する。振動
体を兼ねる第１の弾性体２０１の振動数を掃引していく
と、プローブ１０１の機械的固有振動数に接近するにつ
れ、プローブ１０１の振動振幅は大きくなり、共振状態
においてその振幅は最大となる。プローブ１０１の振動
振幅の増大に伴い、圧電体２０２の伸縮も大きくなり、
発生電圧も増大する。圧電体２０２の発生する電圧の変
化状態をモニターすれば、プローブ１０１の共振特性を
知ることができる。

【００４９】この共振特性を基準とすれば、プローブ１
０１と試料１０２の距離変化を圧電体２０２の発生する
電圧変化より観察することができ、図１で説明したよう
な動作を経て試料１０２の表面形状を再現することがで
きる。［実施の形態４］図５は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態４の構成の、変位検出手段１０５の構成を
詳細に示したものである。変位検出手段１０５を除く全
体の構成は、図１と変わるところはない。図５におい
て、プローブ１０１は第１の弾性体２０１と第２の弾性
体２０６によって弾性的に挟まれ、ここがプローブ１０
１の振動支点となる。プローブ１０１の外周側面には圧
電ポリマ薄膜からなる圧電体２０２が形成されている。
この圧電ポリマ薄膜は、プローブ１０１に蒸着、スパッ
タリングなどの化学的、物理的成膜方法によって形成す
るか、あるいは、あらかじめ成形された圧電ポリマ薄膜
を接着・張り付けする方法をとっても良い。

【００５０】実施の形態１と異なり、本実施の形態の場
合、第１の弾性体２０１はプローブ１０１を弾性的に押
さえる役割のみを有するが、コンプライアンスの大きい
材料を利用することに関しては実施の形態１と変わると
ころはない。圧電体２０２の外周側面には、第１の電極
２０３（ａ）と、第２の電極２０３（ｂ）が形成されて
いる。また、圧電体２０２の内周側面には、グランド電
極２０３（ｅ）が形成される。このグランド電極２０３
（ｅ）は、圧電体２０２を形成する前にプローブ１０１
上に形成しておく必要がある。第１の電極２０３（ａ）
と、第２の電極２０３（ｂ）は、矢印に示す振動方向に
対して、プローブ１０１の断面を２分割するように形成
される。より具体的には、紙面の上下に対して、上側半
分と、下側半分に電極を形成する。こうすることによ
り、例えば、矢印方向にプローブ１０１が動く場合、第
１の電極２０３（ａ）が形成される側の圧電体２０２に
は圧縮変形が、第２の電極２０３（ｂ）が形成される側
の圧電ポリマ薄膜２０２には引っ張り変形が生じること
となり、第１の電極２０３（ａ）とグランド電極２０３
（ｅ）の間には（−）電位が、第２の電極２０３（ｂ）
とグランド電極２０３（ｅ）の間には（＋）電位が生じ
る。このため、プローブ１０１の変位量が実施の形態１
と同じであっても、より高い電位差を検出することがで
きるため、さらに検出感度が向上し、Ｓ／Ｎが良くな
る。また、この実施の形態２の場合、プローブ１０１は
光ファイバーより構成されており、弾性を有している。
したがって、プローブ１０１そのものが実施の形態１に
おける第１の弾性体２０１と同等の役割・効果を有する
ものである。当然のことながら、プローブ１０１の材質
が他の物質、例えば、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＮｘ（シ
リコンナイトライド）であったとしても、その効果は変
わることはない。

【００５１】実施の形態４における電圧発生原理以外の
動作は、実施の形態１と変わるところはない。［実施の形態５］図６は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態５の構成の、変位検出手段１０５の構成を
詳細に示したものである。変位検出手段１０５を除く全
体の構成は、図１と変わるところはない。図６におい
て、プローブ１０１は第２の弾性体２０６の上に配置さ
れ、第１の弾性体２０１によって弾性的に押さえられ
る。プローブ１０１の外周側面には圧電ポリマ薄膜から
なる圧電体２０２が形成されている。この圧電ポリマ薄
膜は、実施の形態２と同様、プローブ１０１に蒸着、ス
パッタリングなどの化学的、物理的成膜方法によって形
成するか、あるいは、あらかじめ成形された圧電ポリマ
薄膜を接着・張り付けする方法をとっても良い。

【００５２】圧電体２０２の外周側面には、第１の電極
２０３（ａ）と、第２の電極２０３（ｂ）、第３の電極
２０３（ｃ）、第４の電極２０３（ｄ）が形成されてい
る。また、圧電体２０２の内周側面には、グランド電極
２０３（ｅ）が形成される。このグランド電極２０３
（ｅ）は、圧電体２０２を形成する前にプローブ１０１
上に形成しておく必要がある。第１の電極２０３（ａ）
と、第２の電極２０３（ｂ）は、実線矢印に示す振動方
向に対して垂直に、プローブ１０１の断面を２分割する
ように形成される。より具体的には、紙面の上下に対し
て、上側半分と、下側半分に電極を形成する。こうする
ことにより、例えば、実線矢印方向にプローブ１０１が
動く場合、第１の電極２０３（ａ）が形成される側の圧
電体２０２には圧縮変形が、第２の電極２０３（ｂ）が
形成される側の圧電体２０２には引っ張り変形が生じる
こととなり、第１の電極２０３（ａ）とグランド電極２
０３（ｅ）の間には（−）電位が、第２の電極２０３
（ｂ）とグランド電極２０３（ｅ）の間には（＋）電位
が生じる。

【００５３】一方、第３の電極２０３（ｃ）と、第４の
電極２０３（ｄ）は、実線矢印に示す振動方向に対して
平行に、プローブ１０１の断面を２分割するように形成
される。より具体的には、紙面の左右に対して、左側半
分と、右側半分に電極を形成する。こうすることによ
り、例えば、波線矢印方向にプローブ１０１が動く場
合、第３の電極２０３（ｃ）が形成される側の圧電体２
０２には圧縮変形が、第４の電極２０３（ｄ）が形成さ
れる側の圧電体２０２には引っ張り変形が生じることと
なり、第３の電極２０３（ｃ）とグランド電極２０３
（ｅ）の間には（−）電位が、第４の電極２０３（ｄ）
とグランド電極２０３（ｅ）の間には（＋）電位が生じ
る。

【００５４】この４分割の電極配置を行う場合の効果
は、摩擦力の測定などの場合に顕著である。一般的に、
走査型プローブ顕微鏡で摩擦力を測定する場合は、試料
１０２（図示せず）を波線矢印方向に動かして、プロー
ブ１０１のねじれ量を検出する。このときに、プローブ
１０１は摩擦によりねじりを受けると同時に、波線矢印
方向に微小な曲がり変形を起こす。この曲がり変形量
は、プローブ１０１の針部分の長さ、直径、材質によ
り、異なるものである。この曲がり変形によって、すで
に説明したように、第３の電極２０３（ｃ）が形成され
る側の圧電体２０２には圧縮変形が、第４の電極２０３
（ｄ）が形成される側の圧電体２０２には引っ張り変形
が生じることとなり、第３の電極２０３（ｃ）とグラン
ド電極２０３（ｅ）の間には（−）電位が、第４の電極
２０３（ｄ）とグランド電極２０３（ｅ）の間には
（＋）電位が生じる。この電位差を検出することによ
り、摩擦力の変化を検出し、形状像と同じようにマッピ
ングすることが出来る。

【００５５】［実施の形態６］図７は、本発明の走査プ
ローブ顕微鏡の実施の形態６の構成の、変位検出手段１
０５の構成を詳細に示したものである。変位検出手段１
０５を除く全体の構成は、図１と変わるところはない。
図７において、プローブ１０１は第２の弾性体２０６の
上に配置され、第１の弾性体２０１によって弾性的に押
さえられる。第２の弾性体２０６は、プローブ１０１を
励振させる振動体としての機能はないが、実施の形態１
と同等のコンプライアンスを有する材料を利用する。プ
ローブ１０１の外周側面には圧電ポリマ薄膜からなる圧
電体２０２が形成されている。この圧電ポリマ薄膜は、
プローブ１０１に蒸着、スパッタリングなどの化学的、
物理的成膜方法によって形成するか、あるいは、あらか
じめ成形された圧電ポリマ薄膜を接着・張り付けする方
法をとっても良い。

【００５６】圧電体２０２の外周側面には、第１の電極
２０３（ａ）と、第２の電極２０３（ｂ）が形成されて
いる。また、圧電体２０２の内周側面には、グランド電
極２０３（ｅ）が形成される。このグランド電極２０３
（ｅ）は、圧電体２０２を形成する前にプローブ１０１
上に形成しておく必要がある。第１の電極２０３（ａ）
と、第２の電極２０３（ｂ）は、矢印に示す振動方向に
対して、プローブ１０１の断面を２分割するように形成
される。より具体的には、紙面の上下に対して、上側半
分と、下側半分に電極を形成する。第１の電極２０３
（ａ）とグランド電極（ｅ）は、フィードバックコント
ローラ１０６に接続され、第２の電極２０３（ｂ）とグ
ランド電極（ｅ）は、振動させるための電圧波形を発生
する駆動回路１１２に接続される。このような構成とす
ることにより、第２の電極２０３（ｂ）とグランド電極
（ｅ）の間に電圧信号を印加し、圧電体を伸縮振動させ
ることができる。例えば、（＋）電位を印加させた場合
に圧電体２０２が伸びるという特性を与えておけば、矢
印方向にプローブ１０１を曲げることができる。このと
き、第１の電極２０３（ａ）が形成される側の圧電体２
０２には、圧縮変形が生じ、第１の電極２０３（ａ）と
グランド電極（ｅ）の間には（−）電位が発生する。こ
のような構成とすることにより、プローブ１０１単体で
励振および振動変化検出ができることとなり、より単純
な変位検出手段を実現することができる。また、この実
施の形態６の場合も、実施の形態４と同様、プローブ１
０１は光ファイバーより構成されており、弾性を有して
いる。したがって、プローブ１０１そのものが実施の形
態１における第１の弾性体２０１と同等の役割・効果を
有するものである。当然のことながら、プローブ１０１
の材質が他の物質、例えば、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＮ
ｘ（シリコンナイトライド）であったとしても、その効
果は変わることはない。

【００５７】本実施の形態における動作は、実施の形態
１と変わるところはない。［実施の形態７］図８は、本発明の走査プローブ顕微鏡
の実施の形態７の構成の、変位検出手段１０５の構成を
詳細に示したものである。変位検出手段１０５を除く全
体の構成は、図１と変わるところはない。変位検出手段
１０５そのものは、実施の形態１〜４から９０°回転さ
せた構成となっている。また、プローブ１０１は、実施
の形態１〜４とは異なり、先端を尖らせたストレート形
状を有し、その先端はサンプル１０２に対して鉛直に位
置する。変位検出手段１０５の配置角度、プローブ１０
１の形状以外の構成については実施の形態１と変わると
ころはない。

【００５８】次に、動作を説明する。実施の形態７の動
作は、図９の従来の技術において説明したところの、シ
アフォースフィードバック方式の走査型プローブ顕微鏡
に準じる。プローブ１０１は第２の弾性体２０６によ
り、試料１０２の表面と平行に励振される。すなわち、
プローブ１０１は紙面左右に振動する。図８において、
プローブ１０１の形状以外は、実施の形態１と変わると
ころはない。

【００５９】動作状態を説明する。今、プローブ１０１
が第２の弾性体２０６によって紙面の左右に励振される
ものとする。プローブ１０１の振動は第１の弾性体２０
１に伝わるが、第１の弾性体２０１は、その両端を固定
されているため、プローブ１０１は接触している部分を
支点として曲げ振動を起こす。同時に、第１の弾性体２
０１はコンプライアンスが大きいため、プローブ１０１
が接触している部分を作用点として曲げ変形を起こす。
第２の弾性体２０６のコンプライアンスは、第１の弾性
体２０１のコンプライアンスより小さい（硬い）ため、
プローブ１０１は第１の弾性体２０１側に向かって振動
する。このように、プローブ１０１に対して振動異方性
を与えることにより、プローブ１０１の振動がより効率
よく第１の弾性体２０１に伝達される。

【００６０】この振動状態のうち、プローブ１０１が矢
印の方向に動く瞬間について考えると、このときに、第
１の弾性体２０１は矢印方向に曲げ変形を起こし、これ
により、第１の弾性体２０１の表面に位置する圧電体２
０２は、第１の弾性体２０１の長手方向に引っ張り力を
受け、伸びる。この瞬間に、圧電体２０２は電荷を発生
し、第１の電極２０３（ａ）と、グランド電極２０３
（ｅ）の間に電位差が生じる。このときの電位の極性は
圧電体２０２の分極方向により決まるが、ここでは仮に
（＋）極性の電位とする。次の瞬間に、プローブ１０１
が矢印と反対方向に動くと、圧電体２０２は縮み（元の
長さに戻る）、逆極性（−）の電圧を発生する。振動体
を兼ねる第２の弾性体２０６の振動数を掃引していく
と、プローブ１０１の機械的固有振動数に接近するにつ
れ、プローブ１０１の振動振幅は大きくなり、共振状態
においてその振幅は最大となる。プローブ１０１の振動
振幅の増大に伴い、圧電体２０２の伸縮も大きくなり、
発生電圧も増大する。圧電体２０２の発生する電圧の変
化状態をモニターすれば、プローブ１０１の共振特性を
知ることができる。

【００６１】この共振特性を基準とすれば、プローブ１
０１と試料１０２の距離変化を圧電体２０２の発生する
電圧変化より観察することができ、図１で説明したよう
な動作を経て試料１０２の表面形状を再現することがで
きる。

【００６２】

【発明の効果】以上記述したように、本発明によれば、
プローブと圧電体を一体に固定するという困難な工程が
不要となると同時に、より単純、高感度、広帯域、高応
答速度の変位検出手段を実現するという優れた効果を有
する。より具体的には、先鋭化された先端部を有するプ
ローブと、プローブを振動させる振動体と、プローブの
振動の振動特性変化を検出する変位検出手段と、サンプ
ルをプローブに対して３次元的に走査するスキャナと、
変位検出手段の変位信号を増幅もしくは変調しスキャナ
にフィードバックするフィードバック回路を有する走査
型プローブ顕微鏡において、弾性体からなるプローブ
と、前記プローブを保持する２つの弾性体、すなわち第
１の弾性体と、第２の弾性体を有し、第１の弾性体と、
第２の弾性体により前記プローブを可撓自在に挟み、さ
らに前記第１の弾性体または前記プローブが圧電体を有
することにより変位検出手段を構成することを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡を考案した。

【００６３】このような構成とすることにより、１）水晶振動子などの圧電素子とプローブの接着という
作業が不要となり、接着状態によって、水晶振動子＋プ
ローブの機械的特性値がばらつき易いという問題をなく
した。２）Ｑ値が小さく、特定の固有振動数を持たない圧電ポ
リマー材料が利用できるため、変位検出手段を広帯域の
非共振型変位センサーとして構成できる。これにより、
プローブの持つ固有振動数を調整する必要がなく、その
まま振動状態の変化を検出することが可能となり、固有
振動数の異なる多種多様のプローブを利用することが出
来る。

【００６４】３）Ｑ値が小さい圧電ポリマー材料が利用
できるため、高いＱ値により起こる応答速度の低下を防
ぎ、速い試料走査が出来る。４）プローブを変位検出手段により柔軟に弾性保持する
ため、その保持力を調整することによりプローブの振動
を減衰させることができ、プローブの持つＱ値を適正に
調整することができる。

【００６５】５）変位検出手段が柔らかいため、プロー
ブのばね定数に影響することがなく、柔らかい試料に損
傷を与えることがない。また、ばね定数の異なる多種多
様のプローブを利用することが出来る。という優れた効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態１の
構成を示す説明図である。

【図２】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態１の
構成を示す説明図である。

【図３】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態２の
構成を示す説明図である。

【図４】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態３の
構成を示す説明図である。

【図５】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態４の
構成を示す説明図である。

【図６】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態５の
構成を示す説明図である。

【図７】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態６の
構成を示す説明図である。

【図８】本発明の走査プローブ顕微鏡の実施の形態７の
構成を示す説明図である。

【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を示
す説明図である。

【図１０】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を
示す説明図である。

【図１１】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を
示す説明図である。

【符号の説明】

１０１プローブ１０２試料１０３試料台１０４スキャナ１０５変位検出手段１０６フィードバックコントローラ１０７スキャナコントローラ１０８Ｘ電極１０９Ｙ電極１１０Ｚ電極１１１オシロスコープ１１２駆動回路２０１第１の弾性体２０１（ａ）短冊部２０１（ｂ）Ｉビーム２０２圧電体２０３（ａ）第１の電極２０３（ｂ）第２の電極２０３（ｃ）第３の電極２０３（ｄ）第４の電極２０３（ｅ）グランド電極２０４プローブホルダー２０５プローブ保持体２０６第２の弾性体２０７与圧調整手段２０８Ｖミゾ９０１プローブ９０２サンプル９０３試料台９０４スキャナ９０５変位検出手段９０６フィードバックコントローラ９０７スキャナコントローラ９０８Ｘ電極９０９Ｙ電極９１０Ｚ電極９１１オシロスコープ９１２駆動回路１００１音叉型水晶振動子１００２振動体１００３プローブホルダー１００４プローブ保持体１１０１振動検出用圧電体１１０２励振用圧電体１１０３プローブホルダー１１０４プローブ保持体

フロントページの続き (56)参考文献特開平10−282121（ＪＰ，Ａ) 特開平10−283972（ＪＰ，Ａ) 特開平10−253643（ＪＰ，Ａ) 特開平９−133691（ＪＰ，Ａ) 特開平５−196458（ＪＰ，Ａ) 特開平５−346304（ＪＰ，Ａ) 特開平５−60509（ＪＰ，Ａ) 特開平９−257814（ＪＰ，Ａ) 特開平９−297148（ＪＰ，Ａ) 特開2000−81443（ＪＰ，Ａ) 特開平９−89911（ＪＰ，Ａ) 特開平５−209712（ＪＰ，Ａ) 特開平４−355304（ＪＰ，Ａ) 実開平３−8859（ＪＰ，Ｕ) 特公平６−103176（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】先鋭化された先端部を有するプローブ
と、前記プローブを振動させる振動体と、前記プローブ
の振動の振動特性変化を検出する変位検出手段と、試料
を前記プローブに対して３次元的に走査するスキャナ
と、前記変位検出手段の変位信号を増幅もしくは変調し
前記スキャナにフィードバックするフィードバック回路
を有する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）において、弾性体からなるプローブと、前記プローブを保持する２
つの弾性体、すなわち第１の弾性体と、第２の弾性体を
有し、前記第１の弾性体が圧電ポリマ材料からなり可撓性を有
する圧電体を備えて非共振型の前記変位検出手段を構成
し、前記第２の弾性体が前記プロ−ブを振動させる振動
体であり、前記第１の弾性体と、前記第２の弾性体により前記プロ
ーブを可撓自在に挟むことを特徴とする走査型プローブ
顕微鏡。
【請求項２】前記第１の弾性体が、前記プローブを挟
んで、前記第２の弾性体と反対側に配置されることを特
徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】前記第２の弾性体のコンプライアンス
が、前記第１の弾性体のコンプライアンスより小さいこ
とを特徴とする請求項１または請求項２記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。
【請求項４】前記圧電体が、前記第１の弾性体である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の走
査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記プローブが、前記プローブを振動さ
せる振動体であることを特徴とする請求項１から４のい
ずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】前記第１の弾性体の全部もしくは一部と
前記第２の弾性体の全部もしくは一部が、前記プローブ
の振動支点をなすことを特徴とする請求項１から５のい
ずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】前記第１の弾性体を前記プローブに押し
つける力を調整する与圧調整手段を有することを特徴と
する請求項１から６のいずれかに記載の走査型プローブ
顕微鏡。
【請求項８】前記第２の弾性体にＶミゾが形成され、
前記Ｖミゾと前記第１の弾性体により前記プローブの位
置決めをすることを特徴とする請求項１から７のいずれ
かに記載の走査型プローブ顕微鏡。