JP3451620B2 - 信号処理方法および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分解能で、かつ
画像取得の時間を短縮させる信号処理方法および走査型
プローブ顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、先端の鋭い探
針により試料表面を走査し、探針と試料との相互作用を
検出してこれを定常とするように探針と試料の間の距離
を制御し、このときの制御信号から試料表面の凹凸構造
を画像化するという基本的な機能を有している。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡において、探針と試
料との相互作用としてトンネル電流を検出する場合は走
査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope;
ＳＴＭ）と呼ばれる。また検出する量が探針と試料の
間に働く力に関わる量であるときは原子間力顕微鏡（At
omic Force Microscope; ＡＦＭ）と呼ばれることが多
い。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡において、探針と試
料との相互作用として電気的、あるいは磁気的な相互作
用を検出する場合は、探針−試料間の力学的な相互作用
を一定とするために探針−試料間の距離に帰還制御を施
してこの相互作用を定常とする基本機能が必須であり、
これに加えて、試料表面を走査するとともに注目する電
気的あるいは磁気的な量を検出することになる。

【０００５】探針と試料の間の距離を制御するアクチュ
エーターには通常、ピエゾ素子が用いられ、その走査範
囲は例えば１０μｍ角程度が想定され、試料の傾きある
いは凹凸を補償するために想定される変位の程度は〜５
μｍ程度である。

【０００６】上述した走査範囲と制御範囲を実現するた
めの典型的なピエゾ素子は、高さ５〜９ｃｍ、外径〜１
ｃｍほどの円筒形をしているか、あるいはトライポッド
型の複合ピエゾ素子である。

【０００７】これらの素子は、その大きさあるいは複合
構造のため力学的な共振の基本振動数を数ｋＨｚ以下に
もっていることが多い。したがって、実際の測定におい
て探針−試料間の距離を制御できる帯域は数ｋＨｚ以下
に制限される。このことは走査の速度をも制限すること
を意味する。

【０００８】そのため、通常試料表面の凹凸構造を制御
信号から信頼性よく取得するのに一画面の画像あたり５
〜８分以上の長い時間を要する。画像取得に要する時間
を低減するために走査速度を上昇させると、画像の凹凸
構造に対する忠実性は損なわれて、画像は劣化すること
となる。

【０００９】すなわち、高速の走査に制御が追いつか
ず、探針が試料に衝突して探針あるいは試料の劣化をも
たらすばかりでなく、例えば導電性探針を用いた試料の
電気的特性を信頼性よく測定することは、探針−試料間
の相互作用が変動するため困難となる。

【００１０】ところで、探針からの信号の帯域と制御素
子（ピエゾ素子）の利用可能な帯域とは一般に異なり、
例えばＳＴＭにおける電流信号の帯域はピエゾ素子の帯
域より数桁以上広い。このことを利用して、走査速度を
改善する方法として探針からの信号とピエゾ素子への信
号の両者の線形和を取って試料表面の凹凸構造画像を得
る方法（特許第２７１３７１７号）がある。

【００１１】さらに探針を一端に備えたカンチレバーを
プローブとして用い光テコの原理を使用して探針の変位
に由来する信号を検出する場合においても、プローブを
選ぶことにより、探針からの信号の帯域を試料と探針と
の相対的な距離を制御するピエゾ素子の利用可能な帯域
より広くすることができる。

【００１２】また試料と探針の距離を制御するために２
つ以上のアクチュエーターを用いる方法として、インチ
ワームを用いて試料の傾きに由来する変位の補償を行
い、併せてトライポッド型複合ピエゾ素子に探針を装着
して試料表面の凹凸構造に由来する探針の変位の補償と
表面の走査に用いる方法（特開平２−５３３９号）があ
る。

【００１３】また高速および低速の２つのアクチュエー
ターを組み合わせることにより、表面の凹凸の大きな試
料に対する測定に応用した例（特開平１０−３１１８４
１号）がある。

【００１４】また２つ以上のピエゾ素子を用いて試料表
面の凹凸を走査した際の探針変位の異なる周波数成分の
補償を行い、しかも、これらのピエゾ素子への制御信号
を用いて試料表面の凹凸画像を得るようにしたものがあ
る（特開平１０−１０１４０号）。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、複数の
アクチュエーターを使用して前記目的を達しようとする
上述の従来技術は、高速に試料表面の凹凸画像を得るに
は必ずしも十分なものではない。

【００１６】高速の走査に対応するためには、試料表面
の凹凸構造を表す探針の変位を、該変位を補償するため
の相補的な複数の制御信号及び／又は探針からの信号を
用いて探針の変位を定常状態に回復するとき、これら複
数の信号相互間の関係を精度よく、しかも可能な限り簡
便に得ることが課題である。

【００１７】多くの場合、探針の変位は光テコを用いて
検出される光信号により検出されるものであり、探針の
変位は、必然的に光テコの幾何学的構造，利用する光
量，探針を一端に持つカンチレバーの光反射率，光検出
素子の光電変換率など多くのパラメータに依存してい
る。また制御信号を変位に換算する際のピエゾ素子の電
気−機械変換係数もそのピエゾ素子の安定性に依存し、
頻度多く校正する場合が多い。

【００１８】したがって、探針の変位信号と制御信号と
を用いて高速走査の下に試料表面の凹凸像を得る場合に
おいて、個々の校正作業により必要な係数が求められた
としても、それらを一定に保持することは現実的ではな
く、また目的とする係数の信頼性を確保することは容易
ではない。

【００１９】高速走査を標榜する走査型プローブ顕微鏡
の一層の実用化を図るために、これらの変位に関わる信
号相互間の関係を、測定の際の諸条件と同じ条件下で決
めることが重要である。

【００２０】さらに、高速に画像を得る方法として複数
のアクチュエーターにより探針の変位を補償し、これら
のアクチュエーターへの制御信号から試料表面の凹凸像
を得ることが考えられる。

【００２１】しかし、例えば特開平１０−１０１４０号
公報に開示された２つのピエゾ素子の制御方法に関して
は、信号を複数の帰還ルートに分割しているにも拘わら
ず、２つの帰還ルートに低周波域で重複した制御信号を
含み得ることを除外していない点は全体の動作の不安定
性を生じる恐れがある。

【００２２】さらに特開平１０−１０１４０号公報に開
示された技術では、試料表面の凹凸画像を取得するにあ
たって、信号の和を取る段階で２つのピエゾ素子への制
御信号の単なる和を取っている点は、２つのピエゾ素子
の電気−機械変換の変換係数が当然異なることからして
演算処理に問題がある、すなわち開示された内容から解
決しようとする課題を解決することはできない。帰還に
関わる複数の制御ルートがあるとき、帰還全体の安定性
を確保して制御ルートを複数に分割する手段を講じると
共に、その分割された複数の制御ルートにおける制御信
号を用いて試料表面の凹凸に相当する変位の信号を回復
する手段が講じられなければならないからである。

【００２３】単に２つのアクチュエーターを使用して高
速走査を実現する技術は、例えば論文Ｒｅｖｉｅｗ ｏ
ｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，
６４，６９２（１９９３）に開示されている。

【００２４】以上の考察の結果、走査型プローブ顕微鏡
における高速走査と両立可能な複数の制御手段における
帰還制御，試料表面の凹凸像を得るための信号処理に関
しては未だ不十分であることは明らかである。

【００２５】走査型容量顕微鏡では、試料表面層とその
下部の電極との間の容量を検出するのであるが、その検
出は必ずしも容易ではなく、特に試料表面の凹凸の大き
い誘電体材料が下部電極上に形成されている場合、試料
の面素片あたりの容量を走査するに際して検出するに
は、探針と試料表面との相対的な距離を先行して一定に
制御、保持して走査を行わなければならないため、容量
に関わる画像は試料表面の凹凸構造に関わる画像の取得
に要する時間よりは速く取得できない。

【００２６】したがって、走査型容量顕微鏡において画
像を高速に取得するには、探針と試料との相対的な距離
の制御に要する時間を短縮することが重要であり、それ
が達成されれば容量の画像とともに、試料表面の凹凸構
造に関わる画像をも高速の走査により取得することが可
能であり、走査型容量顕微鏡の適用範囲も広がり一層の
実用化を図れるに違いない。

【００２７】本発明の目的は、高分解能で、しかも画像
取得の時間を短縮する信号処理方法および走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することにある。

【００２８】

【課題を解決する手段】前記目的を達成するため、本発
明に係る走査型プローブ顕微鏡の信号処理方法は、試料
と探針の間に相対的な変位を与え、前記相対的変位に基
いて探針と試料の間に生ずる相互作用の変化を検出し、
その検出した変化量を前記相互作用を定常な設定値に保
持するために前記相対的な変位量に帰還して制御する走
査型プローブ顕微鏡の信号処理方法において、測定のた
めの走査を行う前段階で、前記相互作用の変化信号を探
針−試料面間の距離データに帰還して補償するための制
御手段を動作させ、その動作中に検出された前記相互作
用の変化量を前記設定値に加算することにより、前記設
定値を一時的に変化させ、前記設定値の変化に伴って変
化する変位に関わる複数の信号（探針による検出信号，
制御手段における制御信号，制御手段が実現する変位を
計測した計測信号）を収集して、前記複数の信号相互間
の関係を演算し、かつ前記演算結果を記憶し、一時的に
変化させた前記設定値を定常値に戻して測定のための走
査を行う際に、前記記憶された演算結果と実時間の前記
複数の信号相互間の積を演算し、その和を取って、試料
表面の形態に対応する信号を得て画像化するものであ
る。

【００２９】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、試
料と探針の間に相対的な変位を与え、前記相対的変位に
基いて探針と試料の間に生ずる相互作用の変化を検出
し、その検出された変化量を前記相互作用を定常な設定
値に保持するために前記相対的な変位量に帰還して制御
する走査型プローブ顕微鏡において、測定のための走査
を行う前段階で、前記相互作用の変化信号を探針−試料
面間の距離データに帰還して補償するための制御手段を
動作させ、その動作中に検出された前記相互作用の変化
量を前記設定値に加算することにより、前記設定値を一
時的に変化させる手段と、前記設定値の変化に伴って変
化する変位に関わる複数の信号（探針による検出信号，
制御手段における制御信号，制御手段が実現する変位を
計測した計測信号）を収集して、前記複数の信号相互間
の関係を演算し、かつ前記演算結果を記憶する手段と、
一時的に変化させた前記設定値を定常値に戻して測定の
ための走査を行う際に、前記記憶された演算結果と実時
間の前記複数の信号相互間の積を演算し、その和を取っ
て、試料表面の形態に対応する信号を得て画像化する手
段とを有するものである。

【００３０】また本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
は、試料と探針の間に相対的な変位を与える変位手段
と、前記相対的変位に基いて探針と試料の間に生ずる相
互作用の変化量を検出する検出手段と、前記検出された
変化量を前記相対的な変位量に帰還して前記相互作用を
定常な設定値に保持制御する制御手段とを有する走査型
プローブ顕微鏡において、前記帰還制御が動作し、走査
が停止している下で前記設定値を変化させる手段と、前
記設定値の変化に応じて変化する探針信号と前記制御手
段において変化する制御信号とを収集し、制御信号に対
する探針信号の一次の変化率を演算し、演算の結果を記
憶する演算記憶手段と、測定のための走査を行う際に前
記演算記憶手段に記憶された演算結果を用いて、試料表
面の形態に相当する変位信号を実時間の前記探針信号と
制御信号とから実時間で合成する合成手段を有するもの
である。

【００３１】また本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
は、試料と探針の間に相対的な変位を与える手段と、前
記相対的変位に基いて探針と試料の間に生ずる相互作用
の変化を検出する検出手段と、前記検出された変化量を
前記相対的な変位量に帰還して前記相互作用を定常な設
定値に保持制御する制御手段とを有する走査型プローブ
顕微鏡において、前記帰還制御が動作し、走査が停止し
ている下で前記設定値を変化させる手段と、前記設定値
の変化に応じて変化する探針信号と複数の制御手段にお
いて変化する複数の制御信号のそれぞれを収集し、複数
の制御信号のそれぞれに対する探針信号の変化率を演算
し、演算の結果を記憶する演算記憶手段と、測定のため
の走査を行う際に前記演算記憶手段により記憶された演
算結果を用いて、実時間の探針信号と複数の制御信号と
から実時間で試料表面の形態に相当する信号を合成する
合成手段とを有するものである。

【００３２】また本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
は、試料と探針の間に相対的な変位を与える手段と、前
記相対的変位により探針と試料の間に生ずる相互作用の
変化を検出する検出手段と、前記検出された変化量を前
記相対的な変位量に帰還して前記相互作用を定常な設定
値に保持制御する制御手段とを有する走査型プローブ顕
微鏡において、前記制御手段の一により実現される変位
量を計測する計測手段と、前記帰還制御が動作し、走査
が停止している下で前記設定値を変化させる手段と、前
記設定値を変化させる手段により与えられる変化量に応
じて変化する前記計測手段の出力信号と前記計測手段に
関わらない他の制御手段における制御信号とを収集し、
前記他の制御手段における制御信号にそれぞれ対応する
前記計測手段の出力信号の一次の変化率を演算し、演算
の結果を記憶する演算記憶手段と、測定のための走査を
行う際に前記演算記憶手段により記憶された演算結果を
用いて、実時間の前記計測手段の出力信号と前記計測手
段に関わらない他の制御信号とから実時間で表面凹凸に
相当する信号を合成する合成手段とを有するものであ
る。

【００３３】

【００３４】

【００３５】また前記制御手段は、相補的な低域濾波器
及び高域濾波器と、前記分割されたそれぞれの信号を増
幅するための増幅手段と、前記増幅手段から出力される
制御信号に基いて駆動されるアクチュエーターとを有す
るものである。

【００３６】また前記制御手段は、前記検出された変化
の信号を増幅するための増幅器と、前記増幅器により増
幅された制御信号に基いて駆動するアクチュエーター
と、前記制御信号の低周波成分を与える低域濾波器と、
前記低域濾波器の出力を第２の制御信号とするアクチュ
エーターとを有するものである。

【００３７】また前記設定値を変化させる手段として、
測定のための走査を行う際に用いる帰還制御のための設
定値に周期的に変化する信号を加算する手段を有するも
のである。

【００３８】また前記演算記憶手段は、走査を停止して
いる下で、変位に関わる複数の信号（前記探針信号、前
記変位計測手段からの出力信号および複数の前記制御信
号）をアナログ−デジタル変換するためのＡ−Ｄ変換器
と、前記設定値を変化させる手段を用いて設定値を変化
させたとき変化する変位に関わる複数の信号をアナログ
−デジタル変換させた後にデータを収集し、その収集さ
れたデータに基いて前記複数の信号相互間の１次の変化
率を演算する演算装置と、前記演算結果を記憶するため
の記憶装置と、データを転送するための転送装置とを有
するものである。

【００３９】また前記合成手段は、変位に関わる複数の
信号（前記探針信号，前記変位計測手段からの出力信号
および複数の前記制御信号）から選ばれた変位をスケー
ルする基準となる一つの基準信号の前記変位に関わる一
つまたは複数の信号に対する１次の変化率の演算結果を
受け取るための受信装置と、前記一つまたは複数の１次
の変化率のそれぞれに対応する変位に関わる実時間の信
号との積を取るための一つあるいは複数の乗算器あるい
は可変利得増幅器と、得られた一つの出力と実時間の基
準信号との和、あるいは複数の乗算器または可変利得増
幅器の出力の和を取るための加算器とを有するものであ
る。

【００４０】また前記合成手段は、前記乗算器または前
記可変利得増幅器がデジタルデータとアナログ信号の乗
算を行う乗算型ディーエーコンバーター（ＤＡＣ）を構
成要素に含むものである。

【００４１】また前記検出手段は、探針が試料と常時接
触する状態で動作するものである。

【００４２】また前記検出手段は、探針が試料と周期的
に接触する状態で動作するものである。

【００４３】

【００４４】

【００４５】

【００４６】以上のように本発明によれば、試料表面の
凹凸構造に応じた探針の変位を補償する変位に関わる制
御信号、探針により検出された信号（探針信号）あるい
は制御手段により実現される変位を計測する手段のある
ときその計測手段からの出力信号が複数あって、これら
の変位に関わる信号を用いて試料表面の凹凸をあらわす
変位を回復するとき、試料表面の凹凸像を得るための走
査をはじめる前に、探針の変位を補償する制御が動作し
ている下で、これら複数の信号相互間の関係を簡便に精
度よく決定し、測定のための走査に際しては決定された
複数の信号相互間の関係と実時間の複数の信号を用いて
試料表面の凹凸に応じた変位を合成し、高速走査を実現
するものである。

【００４７】前記複数の変位に関わる信号が探針からの
変位信号と１つのアクチュエーターへの制御信号である
とき、試料表面の凹凸像を測定するときに用いる一定の
設定値に対して帰還のための制御が動作しているとき、
測定のための走査を開始する前に、前記一定の設定値に
鋸歯状波，三角波あるいは正弦波など周期的に変化する
信号を加算し、前記設定値の変化に対応する探針による
検出信号と制御信号とを収集し、これら２つの信号相互
間の関係を演算記憶するとともに、測定のための走査に
際しては、これらの記憶結果を用いて、実時間の探針か
らの変位信号と制御信号とから試料表面の凹凸像を合成
する。ここで、前記探針からの変位信号と１つのアクチ
ュエーターへの制御信号は、２つの周波数帯域に分割さ
れた変位に関わる信号である。

【００４８】前記複数の変位に関わる信号が、複数の制
御手段における複数の制御信号であるとき、測定のため
のすべての帰還制御系が動作している下で、測定のため
の走査を開始する前に、変位に関わる複数の信号それぞ
れが属する周波数帯域の信号を前記一定の設定値に加算
し、前記加算された設定値に対して変化する複数の制御
信号と、探針による検出信号とを収集し、これらの間の
相互関係を演算し、これらの結果を記憶するとともに、
測定のための走査に際してはこれらの記憶結果を用い
て、実時間の複数の変位に関わる信号から試料表面の凹
凸構造に相当する信号を合成し、走査型プローブ顕微鏡
による画像を得る。

【００４９】前記複数の変位に関わる信号が、複数の制
御手段の一が実現する変位を計測する手段からの出力信
号を含むとき、すべての帰還制御系が動作している下
で、測定のための走査を開始する前に、一定の設定値に
変位に関わる複数の信号それぞれが属する周波数帯域の
信号を加算し、設定値に加算された変化に対して変化す
る計測手段からの出力信号と計測手段をもたない制御手
段における制御信号とを収集し、これらの収集された信
号と加算の際に用いた各周波数帯域の信号との間の相互
関係を演算し、その演算結果を記憶するとともに、測定
のための走査に際してはこれらの記憶結果を用いて、実
時間の計測手段からの出力信号と計測手段をもたない制
御手段における制御信号から表面凹凸構造に相当する信
号を合成し、走査型プローブ顕微鏡による画像を得る。

【００５０】探針からの検出信号を補償するために複数
の制御手段を用いて探針と試料との距離に帰還すると
き、複数の帰還ルートの安定性を確保して制御するため
には、それぞれのルートが互いに競合しないで帰還に寄
与する必要がある。

【００５１】このため探針による検出信号を低域および
これに相補的な高域濾波器により周波数帯域で分割し、
前記分割された信号毎に増幅器を付設する。ここに、相
補的な分割とは、一つの信号が周波数帯域において過不
足なく分割され、その分割された信号の和が原信号と合
同であることを意味する。

【００５２】前記複数の帰還ルートが互いに競合しない
で動作するための他の方法として、探針による検出信号
を増幅して、高周波域で駆動される小型のアクチュエー
ターへの制御信号として入力し、さらに前記小型アクチ
ュエーターが実現する変位のうち低周波域の成分を補償
するように、前記制御信号を低域濾波器により濾波した
制御信号により低周波域の変位を補償するアクチュエー
ターを駆動する。

【００５３】変位に関わる複数の信号相互間の関係を校
正するために、帰還のための制御が動作している下で、
測定のための走査を開始する前に、複数の信号それぞれ
の帯域に属する鋸歯状波，三角波あるいは正弦波など周
期的に変化する信号を走査の際に使用する一定の設定値
に加算し、変位に関わる複数の信号それぞれの応答を収
集する。

【００５４】このため設定値を変化させる手段として、
周期的に変化する信号を発生するための波形合成器と、
これを一定の設定値に加算するための加算器を実装す
る。

【００５５】帰還制御が動作し、設定値を変化させる手
段により設定値が変化するときに変化する変位に関わる
複数の信号を収集し、変位に関わる複数の信号から選ば
れた変位をスケールする基準となる一つの信号（基準信
号）の前記変位に関わる一つまたは複数の信号に対する
１次の変化率を演算し、その変化率により記述できる信
号の値域とともに結果を記憶するための演算記憶手段を
実装する。

【００５６】帰還が動作し、走査を行っているときに、
実時間で合成する手段として、前記基準信号の前記変位
に関わる一つまたは複数の信号に対する１次の変化率の
演算結果を受け取り、前記一つまたは複数の１次の変化
率それぞれと対応する変位に関わる実時間の信号との積
を取るための一つあるいは複数の乗算を行い、得られた
一つの出力と実時間の基準信号との和、あるいは複数の
乗算結果の出力の和を取ることにより、試料表面の凹凸
をあらわす信号を得るための演算記憶手段を実装する。

【００５７】実時間で動作する前記合成手段を実装する
ため、デジタルデータとアナログ信号の乗算を行う回路
を提案する。デジタルデータには前記演算記憶装置から
の前記１次の変化率のデジタルデータ、アナログ信号に
は該変化率に関わる実時間の信号を入力し、乗算結果を
実時間のアナログ出力として得るとともに、演算増幅器
を実装しアナログ和演算を行う。

【００５８】前記のうち複数の制御手段を用いる高速走
査法とその信号処理方法は、探針の動作に関わる種々の
ヴァリエーションに対応できるものであり、探針が常
時、試料表面と接触するコンタクトモード、あるいは周
期的に接触するタッピングモードなどの場合、さらには
小型水晶振動子に探針を装着し、その振動子系を力学的
な共振状態において探針と試料との相互作用により変化
する共振パラメーターを検出する方法にも同様に適用す
ることができるものである。

【００５９】上述したうち複数の制御手段を用いる場
合、探針と試料との相互作用を相対的な位置を高速に制
御することにより定常に保持するため、探針と試料と電
気的相互作用を高速に走査して検出することもできる。

【００６０】探針をマイクロ波共振器に組み込み、探針
と試料との相対的な距離情報、あるいは探針を試料と接
触させた状態での試料面素片の容量情報をマイクロ波共
振の共振状態の変化として検出する走査型容量顕微鏡に
おいても、複数の制御手段を用いれば高速に走査でき
る。

【００６１】特に試料面素片の容量情報を問題とするな
らば、単にマイクロ波共振状態の変化を見るだけでな
く、試料の下部電極の電位を変化させて共振状態の変化
を見る所謂ｄＣ／ｄＶを検出する方法であっても高速に
走査することができる。

【００６２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。

【００６３】（実施形態１）図１において、レーザー光
源１０１からの光はプローブ（探針１０２と、探針１０
２を自由端にもつカンチレバー１０３）に入射し、反射
されて分割フォトディテクター１０４で検出され、位置
検出回路１０５により探針１０２からの信号（探針信
号）Ｖｃとして取り出される。

【００６４】探針信号Ｖｃは誤差増幅器１０７の一の入
力端に入力され、一定の設定値信号ＳＰは加算器１０６
を経て誤差増幅器１０７の他の入力端に入力する。

【００６５】誤差増幅器１０７の出力信号は、低域濾波
器１０８を経た信号Ｖｐとして高電圧増幅器１０９と演
算記憶装置１１０に入力する。

【００６６】高電圧増幅器１０９の出力信号はピエゾ素
子１１１に入力され、ピエゾ素子１１１は試料１１２と
探針１０２との間隔をＶｃとＳＰとが等しくなるように
制御し、この帰還制御により前記試料１１２と探針１０
２との間隔は一定に保持される。

【００６７】ピエゾ素子１１１の大きさは直径１２ｍ
ｍ、高さ９０ｍｍで肉厚１ｍｍの円筒形をしており、そ
の力学的共振周波数は約２ｋＨｚである。低域濾波器１
０８の遮断周波数は４００〜７００Ｈｚである。

【００６８】探針１０２と試料１１２の表面とが相互作
用し定常になるように一定の設定値に対して探針１０２
と試料１１２の間の距離が帰還制御される。

【００６９】測定のための走査を開始する前に、コント
ローラー１１３は波形合成器１１４に変化する信号を合
成し加算器１０６に供給するよう指示する。典型的には
波形合成器１１４は低域濾波器１０８の通過帯域にある
鋸歯状波を発生する。

【００７０】帰還制御はＶｃに前記鋸歯状波と相同の波
形を生むように作用する、すなわちピエゾ素子１１１を
伸縮し、探針１０２の変位を経てカンチレバー１０３の
変形、そしてＶｃの変化を引き起こす。

【００７１】このとき種々のＶｃとＶｐの値の組みは演
算記憶装置１１０に入力され、ＶｃをＶｐの多項式で当
てはめ記述し、その一次式で記述されるＶｐの値域と一
次の微係数ｄＶｃ／ｄＶｐが記憶され、このデータを用
いることにより、ＶｐとＶｃの間の非線形性を除去し、
真の凹凸像を得ることを可能とする。

【００７２】これらのプロセスはコントローラー１１３
にあるディスプレイ１１６に表示される。

【００７３】最初に設定された帰還制御は時間的に切れ
目なく引き続き成立している。次に試料面の走査を行う
のであるが、その前にコントローラー１１３は波形合成
器１１４に合成を停止し加算器１０６にゼロ電位を供給
するように指示する。

【００７４】演算記憶装置１１０はＶｐに依存した記憶
内容の読み出しに応じることができ、かつ読み出された
データを凹凸信号合成器１１５に出力できる。

【００７５】コントローラー１１３に設けられた走査信
号発生器１１７は走査信号を発生し、前記信号は高電圧
増幅器１１８により増幅されてピエゾ素子１１１に入力
され、探針１０２は試料１１２の表面を相対的に走査す
る。

【００７６】前記走査にともない変化する信号Ｖｃのゆ
っくりと変化する周波数成分、例えば試料の傾き、ある
いは緩やかな凹凸に由来する成分は誤差増幅器１０７，
低域濾波器１０８を通過して信号Ｖｐとなってピエゾ素
子１１１を制御しＶｃを補償する。

【００７７】したがってＶｃには残余の高い周波数成
分、例えば急峻な試料表面の凹凸などに由来する成分が
現れる。凹凸信号合成器１１５は演算記憶器１１０の出
力である一次の微係数を得て、前記係数とＶｐとの積を
取り、次にＶｐの値域によっては警告を発生する。

【００７８】このようにして得られた凹凸信号合成器１
１５の出力はＶｃにスケールされた試料表面の凹凸信号
に他ならない。この表面凹凸信号は走査信号に同期して
ディスプレイ１１６に画像として出力される。

【００７９】前記実施形態では、図１において常時探針
１０２が試料１１２と接触する所謂コンタクトモードの
場合を示し、Ｖｃはカンチレバー１０３の曲げ変位を表
しているが、変位に関わる信号Ｖｃはこのような場合だ
けではなく、例えばカンチレバー１０３を力学的な強制
力のある共振状態の近傍に置き、周期的に探針１０２が
試料１１２の表面に接触するときのカンチレバー１０３
の振動の振幅であっても、また、その振動の強制力に対
する位相であっても良い。

【００８０】さらには探針１０２が共振状態の近傍にあ
る小型の水晶振動子に取り付けられているとき、その振
動子の力学的インピーダンスに関わる量であっても良
い。

【００８１】（実施形態２）図２は、２つのアクチュエ
ーターを用いた高速走査に対応した走査型プローブ顕微
鏡の例を示すブロック図である。

【００８２】図２に示す本発明の実施形態２は、図１に
示す実施形態１の構成に、２つの制御信号を与えるため
の制御ブロック２００，小型ピエゾ素子２０３とその駆
動用の電力増幅器２０２，探針１０２からの信号Ｖｃ
と、前記制御ブロック２００が与えるピエゾ素子１１１
と小型ピエゾ素子２０３への制御信号ＶｐとＶｐｈをモ
ニタする演算記憶装置２０４を付加している。またピエ
ゾ素子１１１の力学的共振周波数は約２ｋＨｚである。
ピエゾ素子２０３は力学的共振周波数は約７０ｋＨｚ、
３ｘ４ｘ５ｍｍの大きさをもつ積層型素子である。

【００８３】２つの制御信号を与えるための制御ブロッ
ク２００の例として相補的な濾波器の組の実施例を図３
（ａ）に示す。低域濾波器１０８と高域濾波器２０１は
相補的な濾波器の組であり、探針１０２からの信号が誤
差増幅器１０７を通った後の信号を周波数帯域において
ピエゾ素子１１１への低周波信号Ｖｐと、ピエゾ素子２
０３への高周波信号Ｖｐｈにそれぞれ分割する。

【００８４】この例では、低域濾波器１０８と高域濾波
器２０１は、濾波作用をもつ部分が抵抗Ｒ１とＲ２およ
び容量Ｃ１とＣ２で構成され、Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２
＝τを満たし（τはピエゾ素子１１１の力学的共振周波
数の逆数である時間の３〜４倍程度の時間）、前記抵抗
と容量で作られるそれぞれの濾波器の後段に増幅器を備
えている。

【００８５】２つの制御信号を与えるための制御ブロッ
ク２００の他の例として直列的な制御の実施例を図３
（ｂ）に示す。誤差増幅器１０７の出力信号は増幅器２
０５を経て小型ピエゾ素子２０３を駆動する高電圧増幅
器２０２へ入力される制御信号Ｖｐｈとなる。

【００８６】このＶｐｈのうちの低周波域の成分は低域
濾波器１０８により取出されピエゾ素子１１１を制御す
る信号Ｖｐを与える。

【００８７】このときＶｐにより実現するピエゾ素子１
１１の変位はピエゾ素子２０３が実現する変位のうち低
周波域の変位を補償するように動作する。図示していな
いが、高電圧増幅器２０２へ入力される信号はＶｐｈを
高域濾波器２０１により濾波し、小型ピエゾ素子２０３
の共振周波数以下に制限した信号としている。

【００８８】複数の変位に関わる信号の相互関係は次の
ように帰還制御の下で決定される。探針１０２と試料１
１２の表面とが相互作用しており、探針１０２により検
出された信号Ｖｃは一定の設定値において定常になるよ
うに探針１０２と試料１１２間の距離が帰還制御されて
いるとき、測定のための走査に先立って、コントローラ
ー１１３は波形合成器１１４に変化する信号を合成し加
算器１０６に供給するよう指示する。典型的には波形合
成器１１４は低域濾波器１０８の通過帯域にある鋸歯状
波を発生する。

【００８９】帰還制御はＶｃに前記鋸歯状波と相同の波
形を生むように作用する、すなわちピエゾ素子１１１を
伸縮し、探針１０２の変位を経てカンチレバー１０３の
変形、そしてＶｃの変化を引き起こす。

【００９０】このとき種々のＶｃと低域濾波器１０８の
出力Ｖｐの値の組みは演算記憶装置２０４に入力され、
ＶｃをＶｐの多項式で当てはめ記述し、その一次式で記
述されるＶｐの値域と一次の微係数ｄＶｃ／ｄＶｐが演
算記憶装置２０４に記憶される。

【００９１】これらのプロセスはコントローラー１１３
にあるディスプレイ１１６に表示される。

【００９２】次にコントローラー１１３は波形合成器１
１４が低域濾波器１０８を通過できないより高い周波数
の帯域にある典型的には正弦波形である電圧を合成する
よう指示する。

【００９３】帰還制御はＶｃに前記正弦波形と相同の波
形を生むように作用する、すなわちピエゾ素子２０３を
伸縮し、探針１０２の変位を経てカンチレバー１０３の
変形、そしてＶｃの変化を引き起こす。

【００９４】このとき種々のＶｃと高域濾波器２０１の
出力Ｖｐｈの値の組みは演算記憶装置２０４に入力さ
れ、ＶｃをＶｐｈの多項式で当てはめ記述し、その一次
式で記述されるＶｐｈの値域と一次の微係数ｄＶｃ／ｄ
Ｖｐｈがともに演算記憶装置２０４に記憶される。

【００９５】ここで、帰還制御は時間的に切れ目なく引
き続き最初の一定の設定値で成立していることに注意す
る。

【００９６】次にコントローラー１１３は波形合成器１
１４に合成を停止し加算器１０６にゼロ電位を供給する
ように指示する。演算記憶装置２０４はＶｐとＶｐｈに
依存した記憶内容の読み出しに応じることができ、かつ
読み出したデータを凹凸信号合成器１１５に出力するこ
とができる。

【００９７】次に試料面の走査を行うため、コントロー
ラー１１３の指示で走査信号発生器１１７は走査信号を
発生し、前記走査信号は高電圧増幅器１１８により増幅
されてピエゾ素子１１１に入力され、探針１０２は試料
１１２の表面を相対的に走査する。

【００９８】この走査にともない信号Ｖｃのゆっくりと
変化する周波数成分、例えば試料の傾きあるいは緩やか
な凹凸に由来する成分は誤差増幅器１０７、低域濾波器
１０８を通過し信号Ｖｐとなってピエゾ素子１１１を制
御しＶｃを補償する。

【００９９】Ｖｃの残余の高い周波数成分、例えば急峻
な試料表面の凹凸などに由来する成分は誤差増幅器１０
７を通過し信号Ｖｐｈとなってピエゾ素子２０３を制御
しＶｃの高い周波数成分を補償する。

【０１００】凹凸信号合成器１１５は演算記憶装置２０
４の出力である一次の微係数ｄＶｃ／ｄＶｐおよびｄＶ
ｃ／ｄＶｐｈを得て前記一時の微係数と実時間の信号Ｖ
ｐおよびＶｐｈとの積を取り、次に高次項による補正が
必要な値域にＶｐあるいはＶｐｈがあれば警報を発す
る。

【０１０１】このようにして得られた凹凸信号合成器１
１５の出力はＶｃにスケールされた表面凹凸信号に他な
らない。この表面凹凸信号は走査信号に同期してディス
プレイ１１６に画像として出力される。

【０１０２】次に、デジタルシグナルプロセッサー（Ｄ
ＳＰ）を用いた実施形態を図４に示す。

【０１０３】図４において、デジタルシグナルプロセッ
サー（以下、ＤＳＰという）２０６は、周辺にデジタル
−トウ−アナログ（Ｄ−Ａ）変換器２０７および２０８
と、アナログ−トウ−デジタル（Ａ−Ｄ）変換器２０
９、２１０および２１１を制御下におきコントローラー
１１３の制御を受けている。

【０１０４】Ｄ−Ａ変換器２０７は測定のための走査を
開始する前に走査のときに用いる一定の設定値に加算器
１０６を通して加算する、設定値を変化させるための信
号を発生する。

【０１０５】Ｄ−Ａ変換器２０７は走査のとき走査のた
めの信号を発生する。Ａ−Ｄ変換器２０９、２１０およ
び２１１は、帰還制御が動作していて走査をする前にあ
ってはＤ−Ａ変換器２０７からの信号によって変化する
低域濾波器１０８の出力信号Ｖｐ、探針からの信号Ｖｃ
および信号Ｖｐｈとを受けてそれぞれデジタルデータに
ｘ変換し、また測定のための走査をしているときには、
走査とともに変化する信号Ｖｐ、ＶｃおよびＶｐｈをＡ
−Ｄ変換し、ＤＳＰ２０６に入力する。

【０１０６】ＤＳＰ２０６は、帰還制御が動作していて
走査をする前にあってはＡ−Ｄ変換後の信号Ｖｐ、Ｖｃ
およびＶｐｈのデジタルデータを受け取り、Ｖｐあるい
はＶｐｈに対するＶｃの一次の変化率を演算し、それぞ
れの２信号を対応する一次の変化率で記述できる２信号
の値域を演算し、前記変化率と値域を記憶し、また測定
のための走査をしているときには、走査とともに変化す
る信号Ｖｐ、ＶｃおよびＶｐｈのデータを受け取り、記
憶されている前記変化率で記述される値域であるかを調
べ、その値域でなければ警告を発し、その値域であれば
ＶｐとＶｐｈそれぞれのデータに相応する変化率ｄＶｐ
／ｄＶｃとｄＶｐｈ／ｄＶｃを乗じてＶｃにスケール
し、それぞれの乗算結果を加算してコントローラー１１
３に送る。走査とともに送られるこれらのデータは時々
刻々ディスプレイ１１６上に表示される。

【０１０７】この例ではコントローラー１１３の他にＤ
ＳＰ２０６を用意したが、コントローラー１１３が周辺
にＡ−ＤあるいはＤ−Ａ変換器を有し、上述べたＤＳＰ
の役割を果たすようにしても良いものである。

【０１０８】前記実施形態ではＶｐとＶｐｈをＶｃにス
ケールして処理したが、Ｖｐ，Ｖｐｈ及びＶｃのどの一
つにでも任意にスケーリングすることができるし、また
ピエゾ素子の機械−電気変換係数を用いる場合にはディ
スプレイ上に実寸法を表示して画像を与えることができ
る。

【０１０９】また図２は、常時探針が試料と接触する所
謂コンタクトモードの場合を示しているが、探針信号は
例えばカンチレバーを力学的な共振状態の近傍に置き、
周期的に探針が試料表面に接触する所謂タッピングモー
ドでのカンチレバーの振動の振幅であってもよく、また
その振動の強制力に対する位相であっても良い。さらに
は探針が共振状態の近傍にある小型の水晶振動子に取り
付けられているとき、その振動子の力学的インピーダン
スに関わる量であっても良い。

【０１１０】また前記実施形態では、最初にピエゾ素子
１１１への制御信号ＶｐとＶｃの関係を定めるための低
周波域の信号を加算し、次に高い周波数域で駆動される
ピエゾ素子２０３への制御信号ＶｐｈとＶｃの関係を定
めるための高周波域の信号を加算して複数の変位に関わ
る量の間の関係を測定している。このように逐次的に進
めるやり方に対して、帰還制御下で、かつ走査が停止し
ているときに、Ｖｐの属する低周波域の信号とＶｐｈの
属する高周波域の信号を加算した信号を波形合成器１１
４に合成させ、その得られる信号を一定の設定値に加算
して、ＶｐとＶｐｈとの２つの信号を同時に検出して２
信号の間の関係を決定しても良い。走査に際して、この
関係を用いればＶｐ（あるいはＶｐｈ）にスケールした
表面凹凸像に関わる信号を合成することができる。

【０１１１】（実施形態３）次に本発明の実施形態３に
ついて説明する。一つあるいは複数の制御手段が実現す
る変位を計測する計測手段があるとき、例えば、複数の
制御手段のうちの一つに関わるアクチュエーターの可動
端に試料を装架するとともに可動端の変位を計測する計
測装置があるとき、変位に関わる複数の信号の相互関係
は次のように帰還制御の下で決定される。

【０１１２】図５はベース１２０に対し試料１１２の変
位した量を計測する変位計測装置３０１が実装され、そ
の変位に関わる信号ｚが前記演算記憶装置２０４に入力
されている場合を示している。すなわち信号ｚが実施形
態２におけるピエゾ素子１１１への制御信号Ｖｐの代わ
りになっている。

【０１１３】探針１０２と試料１１２の表面とが相互作
用し、その相互作用が定常になるように探針１０２と試
料１１２間の距離が帰還制御されているとき、測定のた
めの走査に先立って、コントローラー１１３は波形合成
器１１４に変化する信号を合成させ、その合成信号を加
算器１０６に供給するよう指示する。典型的には波形合
成器１１４は低域濾波器１０８の通過帯域にある鋸歯状
波を発生する。

【０１１４】帰還制御はＶｃに前記鋸歯状波と相同の波
形を生むように作用する、すなわちピエゾ素子１１１を
伸縮し、探針１０２の変位を経てカンチレバー１０３の
変形、そしてＶｃの変化を引き起こす。

【０１１５】このとき種々のＶｃと変位計測装置３０１
の出力ｚの値の組みは演算記憶装置２０４に入力され、
Ｖｃをｚの多項式で当てはめ記述し、その一次式で記述
されるｚの値域と一次の微係数ｄｚ／ｄＶｃが演算記憶
装置２０４に記憶される。

【０１１６】これらのプロセスはコントローラー１１３
にあるディスプレイ１１６に表示される。

【０１１７】次にコントローラー１１３は波形合成器１
１４が高域濾波器２０１の帯域にある典型的には正弦波
形である信号を合成するよう指示する。帰還制御はＶｃ
に前記正弦波形と相同の波形を生むように作用する、す
なわちピエゾ素子２０３を伸縮し、探針１０２の変位を
経てカンチレバー１０３の変形、そしてＶｃの変化を引
き起こす。

【０１１８】このとき種々のＶｃと高域濾波器の出力Ｖ
ｐｈの値の組みは演算記憶装置２０４に入力され、Ｖｃ
をＶｐｈの多項式で当てはめ記述し、その一次式で記述
されるＶｐｈの値域と一次の微係数ｄＶｃ／ｄＶｐｈが
演算記憶装置２０４に記憶される。

【０１１９】さらに前記微係数ｄｚ／ｄＶｃおよびｄＶ
ｃ／ｄＶｐｈとからｄｚ／ｄＶｐｈを演算し演算記憶装
置２０４に記憶する。走査に際しては、実時間の制御信
号Ｖｐｈと微係数ｄｚ／ｄＶｐｈとの積に変位計測装置
３０１からの実時間の信号ｚを加算して変位計測装置３
０１からの信号にスケールされた表面凹凸をあらわす信
号を得る。

【０１２０】前記実施形態では、最初にＶｃと変位計測
装置３０１の出力ｚとの関係を定めるための低周波域の
信号を加算し、次にＶｃと高い周波数域で駆動されるピ
エゾ素子２０３への制御信号Ｖｐｈとの関係を定めるた
めの高周波域の信号を加算して複数の変位に関わる量の
間の関係を測定している。

【０１２１】このように逐次的に進められるやり方に対
して、帰還制御下で、かつ走査が停止しているときに、
ｚの属する低周波域の信号とＶｐｈの属する高周波域の
信号を加算した信号を波形合成器１１４により合成し、
一定の設定値に加算して、制御手段において変化する２
つの信号ｚとＶｐｈとを同時に検出、収集して、２信号
の間の関係を決定しても良い。走査に際してこの関係を
用いればｚ（あるいはＶｐｈ）にスケールした表面凹凸
像に関わる信号を合成することができる。

【０１２２】（実施形態４）次に本発明の実施形態４に
ついて説明する。図６は凹凸信号合成器１１５を乗算型
ディーエーコンバーター（ＤＡＣ）により構成した例で
あり、走査に際して、実時間の複数の変位に関わる信号
から表面凹凸に関わる信号を実時間で合成する。

【０１２３】図６においてアナログ入力Ａ１とＡ２はそ
れぞれ測定のための走査に際しての実時間の変位に関わ
るアナログ信号であり、Ａ１とＡ２それぞれの電圧振幅
に比例する電流にデジタル入力Ｄ１とＤ２による重みづ
けが乗算型ＤＡＣ４０１および乗算型ＤＡＣ４０３によ
り処理され、それぞれの重み付けされた電流は演算増幅
器４０２および演算増幅器４０４により電圧信号に変換
され、乗算結果のアナログ信号Ａ３とＡ４をそれぞれ与
える。

【０１２４】実施形態１において、Ａ１とＡ２はそれぞ
れ探針１０２からの信号Ｖｃとピエゾ素子１１１への制
御信号Ｖｐであり、Ｄ１は重み１に対応するデジタル信
号であり、Ｄ２は演算記憶装置１１０から読み出された
微係数ｄＶｃ／ｄＶｐに対応するデジタル信号である。

【０１２５】実施形態２において、Ａ１とＡ２はそれぞ
れピエゾ素子１１１への制御信号Ｖｐとピエゾ素子２０
３への制御信号Ｖｐｈであり、Ｄ１およびＤ２はそれぞ
れ微係数ｄＶｃ／ｄＶｐおよびｄＶｃ／ｄＶｐｈに対応
するデジタル信号である。

【０１２６】実施形態３において、Ａ１とＡ２はそれぞ
れピエゾ素子１１１の伸縮を示す変位計測装置３０１か
らの信号ｚとピエゾ素子２０３への制御信号Ｖｐｈであ
り、Ｄ１とＤ２はそれぞれ重み１および微係数ｄｚ／ｄ
Ｖｐｈに対応するデジタル信号である。

【０１２７】実施形態１、２および３のいずれの例にお
いても、乗算結果Ａ３とＡ４は演算増幅器４０５により
等しい重みで加算される、

【０１２８】すなわち抵抗Ｒｉ（ｉ＝１，２，３）はＲ
１＝Ｒ２＝Ｒ３を満たし１０ｋΩほどの値をもってい
る。

【０１２９】そのため加算結果Ａ５はいずれの実施形態
においても表面凹凸に線形な電圧信号である。

【０１３０】さらに本実施形態４では、乗算型ＤＡＣ４
０６及び演算増幅器４０７を付加して、試料表面の凹凸
像を得る際のアナログ−デジタル変換器の入力範囲に応
じた、あるいは試料表面の凹凸の実寸と電圧信号Ａ６の
値を対応するようにスケーリングするために用いる例を
示している。

【０１３１】実施形態２および３で示したＶｐ（または
ｚ）とＶｐｈとの２つの信号を同時に検出して２信号の
間の関係を決定する場合、乗算型ＤＡＣと加算用演算増
幅器４０７はそれぞれ１つあれば十分であるが、図５に
依っても実現できる。

【０１３２】すなわち実時間のＶｐ（またはｚ）を乗算
型ＤＡＣ４０１のＡ１に入力し、ｄＶｐｈ／ｄＶｐ（ま
たはｄＶｐｈ／ｚ）をＤ１に入力し、Ｖｐｈを乗算型Ｄ
ＡＣ４０３の入力Ａ２に接続し、入力Ｄ２を１と等価な
デジタルデータとすれば、図６に示した出力Ａ５は求め
る表面凹凸像に関わる実時間の信号となる。

【０１３３】（実施形態５）次に本発明の実施形態５に
ついて説明する。図７に示す実施形態は、プローブ（探
針１０２とそれを自由端に装着したレバー１０３）はそ
の支持端を小型圧電素子５０１によりプローブの力学的
共振周波数近傍で加振されており、そのプローブの先端
の振幅すなわち探針１０２の変位の振幅は試料表面との
相互作用により敏感に変化するモードでの高速の走査を
実現するプローブ顕微鏡を示している。

【０１３４】小型圧電素子５０１は発信機５０２からの
正弦的電圧信号によりプローブ支持端をプローブの共振
周波数近傍で駆動する。

【０１３５】この実施形態５では、共振周波数は約３０
０ｋＨｚである。発信機５０２は同時にその正弦的電圧
信号の位相情報をロックインアンプ５０３に供給する。

【０１３６】レーザー光源１０１からの光はプローブに
入射し、反射されて分割フォトディテクター１０４で検
出され位置検出回路１０５により探針の変位をあらわす
正弦的な電圧信号となり、ロックインアンプ５０３によ
り位相敏感に検波され探針の正弦的な変位に関わる振幅
信号Ｖａｍｐを与える。

【０１３７】一定の設定値ＳＰは加算器１０６を経てＶ
ａｍｐとともに誤差増幅器１０７の入力となり、誤差増
幅器１０７の出力は低域濾波器１０８を経た信号Ｖｐと
して高電圧増幅器１０９と演算記憶装置２０４に入力さ
れる。

【０１３８】高電圧増幅器１０９の出力はピエゾ素子１
１１に入力され試料１１２と探針１０２との間隔をＶａ
ｍｐとＳＰとが等しくなるように制御され、この帰還制
御により前記間隔は一定に保持される。

【０１３９】ピエゾ素子１１１の大きさ、共振周波数お
よび低域濾波器１０８の遮断周波数などは実施形態１と
同じである。

【０１４０】この実施形態５での前記の他の信号処理方
法、装置などは実施形態２においてＶｃをＶａｍｐと読
み替えたものに相当している。

【０１４１】（実施形態６）次に本発明の実施形態６に
ついて説明する。図８に示す実施形態は図２で示した態
様に電気容量センサー６０１と試料下部電極６０２への
バイアス回路６０３を付加し、電気容量センサー６０１
の出力である容量信号Ｖｃａｐを走査の際に収集し画像
化する構成の走査型容量顕微鏡を示している。

【０１４２】測定のための走査に先立って、複数の変位
に関わる信号Ｖｃ、ＶｐおよびＶｐｈの間の関係を、コ
ントローラー１１３，波形合成器１１４，加算器１０６
および演算記憶装置２０４などを用いて決定する方法
は、実施形態２に示したものと同様である。

【０１４３】測定を開始する前での走査に際しては、実
時間のＶｐおよびＶｐｈを凹凸信号合成器１１５に入力
し、演算記憶装置２０４から微係数などのデータを呼び
出し、そのデータとの積を取って加算し、試料表面の凹
凸に関する信号を得るなどの点も実施形態２に示したと
同様である。

【０１４４】バイアス回路６０３は探針１０２（この場
合は導電性を有している探針１０２であって、例えば窒
化シリコンに鉄，クロムをコートした探針を用いる）と
の電位差を与え、この電位差に依存した試料１１２の各
面素片と探針１０２との間の容量が電気容量センサー６
０１により走査の際に検出される。

【０１４５】この試料表面の凹凸に関わる信号と容量セ
ンサー６０１からの容量信号Ｖｃａｐが高速走査ととも
にコントローラー１１３により収集されディスプレイ１
１６に表示される。

【０１４６】この実施形態６においては、探針１０２は
常に試料表面との相互作用を保つべく接触しているモー
ド（コンタクトモード）で用いているが、実施形態５に
示したように探針の変位が強制力を受けて共振に近い変
調を受けているモードであっても同様の方法が適用でき
る。

【０１４７】また実施形態３に示した変位計測装置３０
１を使用して試料表面の凹凸像を実寸でスケールするこ
ともできる。

【０１４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
分解能を維持したまま画像取得の時間を短縮することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す構成図であって、探
針からの変位を表す信号とピエゾ素子への制御信号から
表面凹凸像を合成する例を示す図である。

【図２】本発明の実施形態２を示す構成図であって、高
速のピエゾ素子への制御信号と低速のピエゾ素子への制
御信号とから表面凹凸像を合成する例を示す図である。

【図３】（ａ）は、２つの制御信号を与える相補的な低
域および高域濾波器からなる制御ブロックを示す構成
図、（ｂ）は、２つの制御信号を与える直列的な制御ブ
ロックを示す構成図である。

【図４】本発明の実施形態２を示す構成図であって、デ
ジタルシグナルプロセッサー（ＤＳＰ）を用いた例を示
す構成図である。

【図５】本発明の実施形態３を示す構成図であって、ピ
エゾ素子が実現する試料の変位を計測する変位計測装置
があるとき、高速のピエゾ素子への制御信号と変位計測
装置からの信号とから表面凹凸像を合成する例を示す図
である。

【図６】本発明の実施形態４を示す構成図であって、乗
算型ディーエー（Ｄ−Ａ）コンバーターを用いた凹凸信
号合成器を用いた例を示す図である。

【図７】本発明の実施形態５を示す構成図であって、周
期的に接触する探針を用い、高速のピエゾ素子への制御
信号と低速のピエゾ素子への制御信号とから表面凹凸像
を合成する例を示す図である。

【図８】本発明の実施形態６を示す構成図であって、高
速走査型容量顕微鏡を構築した例を示す図である。

【符号の説明】

１０１ レーザー光源 １０２ 探針 １０３ カンチレバー １０４ 分割フォトディテクター １０５ 位置検出回路 １０６ 加算器 １０７ 誤差増幅器 １０８ 低域濾波器 １０９ 高電圧増幅器 １１０ 演算記憶装置 １１１ ピエゾ素子 １１２ 試料 １１３ コントローラー １１４ 波形合成器 １１５ 凹凸信号合成器 １１６ ディスプレイ １１７ 走査信号発生器 １１８ 高電圧増幅器 １１９ 粗動装置 １２０ ベース ２０１ 高域濾波器 ２０２ 高電圧増幅器 ２０３ 高速ピエゾ素子 ２０４ 演算記憶装置 ２０５ 増幅器 ２０６ デジタルシグナルプロセッサー ２０７，２０８ デジタル−トウ−アナログ（Ｄ−Ａ）
変換器 ２０９，２１０，２１１ アナログ−トウ−デジタル
（Ａ−Ｄ）変換器 ３０１ 変位計測装置 ４０１，４０３，４０６ 乗算型ディーエー（Ｄ−Ａ）
コンバーター ４０２，４０４，４０５，４０７ 演算増幅器 ５０１ 小型圧電素子 ５０２ 発信機 ５０３ ロックインアンプ ６０１ 容量センサー ６０２ 試料下部電極 ６０３ バイアス回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−273276（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−5339（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−206202（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−270903（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−118807（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−312873（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281444（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−43144（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−86792（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−114606（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−10140（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−142240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−296778（ＪＰ，Ａ) Ｓｈｍｕｅｌ Ｓｈａｌｏｍ，Ｋｌｏ ｎｙ Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ，Ａａｒｏｎ Ｌｅｗｉｓ，Ｓｉｄｎｅｙ Ｒ．Ｃｏ ｈｅｎ，Ａ ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅ ｆｏｒｃｅ ｐｒｏｂｅ ｓｕｉｔａ ｂｌｅ ｆｏｒ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔ ｒｕｍｅｎｔｓ，1992年，Ｖｏｌ．63, Ｎｏ．９，ｐｐ．4061−4065 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/00 - 13/24 G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32 G12B 21/00 - 21/24

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料と探針の間に相対的な変位を与え、
   前記相対的変位に基いて探針と試料の間に生ずる相互作
   用の変化を検出し、その検出した変化量を前記相互作用
   を定常な設定値に保持するために前記相対的な変位量に
   帰還して制御する走査型プローブ顕微鏡の信号処理方法
   において、 測定のための走査を行う前段階で、前記相互作用の変化
   信号を探針−試料面間の距離データに帰還して補償する
   ための制御手段を動作させ、その動作中に人為的な変化
   信号を前記設定値に加算することにより、前記設定値を
   一時的に変化させ、 前記設定値の変化に伴って変化する変位に関わる複数の
   信号（探針による検出信号，制御手段における制御信
   号，制御手段が実現する変位を計測した計測信号）を収
   集して、前記複数の信号相互間の関係を演算し、かつ前
   記演算結果を記憶し、一時的に変化させた前記設定値を
   定常値に戻して測定のための走査を行う際に、前記記憶
   された演算結果と実時間の前記複数の信号相互間の積を
   演算し、その和を取って、試料表面の形態に対応する信
   号を得て画像化することを特徴とする信号処理方法。
2. 【請求項２】 試料と探針の間に相対的な変位を与え、
   前記相対的変位に基いて探針と試料の間に生ずる相互作
   用の変化を検出し、その検出された変化量を前記相互作
   用を定常な設定値に保持するために前記相対的な変位量
   に帰還して制御する走査型プローブ顕微鏡において、 測定のための走査を行う前段階で、前記相互作用の変化
   信号を探針−試料面間の距離データに帰還して補償する
   ための制御手段を動作させ、人為的な変化信号を前記設
   定値に加算することにより、前記設定値を一時的に変化
   させる手段と、前記設定値の変化に伴って変化する変位
   に関わる複数の信号（探針による検出信号，制御手段に
   おける制御信号，制御手段が実現する変位を計測した計
   測信号）を収集して、前記複数の信号相互間の関係を演
   算し、かつ前記演算結果を記憶する手段と、 一時的に変化させた前記設定値を定常値に戻して測定の
   ための走査を行う際に、前記記憶された演算結果と実時
   間の前記複数の信号相互間の積を演算し、その和を取っ
   て、試料表面の形態に対応する信号を得て画像化する手
   段とを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 試料と探針の間に相対的な変位を与える
   変位手段と、前記相対的変位に基いて探針と試料の間に
   生ずる相互作用の変化量を検出する検出手段と、前記検
   出された変化量を前記相対的な変位量に帰還して前記相
   互作用を定常な設定値に保持制御する制御手段とを有す
   る走査型プローブ顕微鏡において、 前記帰還制御が動作し、走査が停止している下で前記設
   定値を変化させる手段と、前記設定値の変化に応じて変
   化する探針信号と前記制御手段において変化する制御信
   号とを収集し、制御信号に対する探針信号の一次の変化
   率を演算し、演算の結果を記憶する演算記憶手段と、 測定のための走査を行う際に前記演算記憶手段に記憶さ
   れた演算結果を用いて、試料表面の形態に相当する変位
   信号を実時間の前記探針信号と制御信号とから実時間で
   合成する合成手段を有することを特徴とする走査型プロ
   ーブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 試料と探針の間に相対的な変位を与える
   手段と、前記相対的変位に基いて探針と試料の間に生ず
   る相互作用の変化を検出する検出手段と、前記検出され
   た変化量を前記相対的な変位量に帰還して前記相互作用
   を定常な設定値に保持制御する制御手段とを有する走査
   型プローブ顕微鏡において、前記帰還制御が動作し、走
   査が停止している下で前記設定値を変化させる手段と、 前記設定値の変化に応じて変化する探針信号と複数の制
   御手段において変化する複数の制御信号のそれぞれを収
   集し、複数の制御信号のそれぞれに対する探針信号の変
   化率を演算し、演算の結果を記憶する演算記憶手段と、 測定のための走査を行う際に前記演算記憶手段により記
   憶された演算結果を用いて、実時間の探針信号と複数の
   制御信号とから実時間で試料表面の形態に相当する信号
   を合成する合成手段とを有することを特徴とする走査型
   プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 試料と探針の間に相対的な変位を与える
   手段と、前記相対的変位により探針と試料の間に生ずる
   相互作用の変化を検出する検出手段と、前記検出された
   変化量を前記相対的な変位量に帰還して前記相互作用を
   定常な設定値に保持制御する制御手段とを有する走査型
   プローブ顕微鏡において、 前記制御手段の一により実現される変位量を計測する計
   測手段と、 前記帰還制御が動作し、走査が停止している下で前記設
   定値を変化させる手段と、 前記設定値を変化させる手段により与えられる変化量に
   応じて変化する前記計測手段の出力信号と前記計測手段
   に関わらない他の制御手段における制御信号とを収集
   し、前記他の制御手段における制御信号にそれぞれ対応
   する前記計測手段の出力信号の一次の変化率を演算し、
   演算の結果を記憶する演算記憶手段と、 測定のための走査を行う際に前記演算記憶手段により記
   憶された演算結果を用いて、実時間の前記計測手段の出
   力信号と前記計測手段に関わらない他の制御信号とから
   実時間で表面凹凸に相当する信号を合成する合成手段と
   ｘを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記制御手段は、相補的な低域濾波器及
   び高域濾波器と、前記分割されたそれぞれの信号を増幅
   するための増幅手段と、前記増幅手段から出力される制
   御信号に基いて駆動されるアクチュエーターとを有する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の走査型プロー
   ブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記制御手段は、前記検出された変化の
   信号を増幅するための増幅器と、前記増幅器により増幅
   された制御信号に基いて駆動するアクチュエーターと、
   前記制御信号の低周波成分を与える低域濾波器と、前記
   低域濾波器の出力を第２の制御信号とするアクチュエー
   ターとを有することを特徴とする請求項４又は５に記載
   の走査型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記設定値を変化させる手段として、測
   定のための走査を行う際に用いる帰還制御のための設定
   値に時間的に変化する信号を加算する手段を有すること
   を特徴とする請求項３，４，５，６又は７に記載の走査
   型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記演算記憶手段は、走査を停止してい
   る下で、変位に関わる複数の信号（前記探針信号、前記
   変位計測手段からの出力信号および複数の前記制御信
   号）をアナログ−デジタル変換するためのＡ−Ｄ変換器
   と、 前記設定値を変化させる手段を用いて設定値を変化させ
   たとき変化する変位に関わる複数の信号をアナログ−デ
   ジタル変換させた後にデータを収集し、その収集された
   データに基いて前記複数の信号相互間の１次の変化率を
   演算する演算装置と、前記演算結果を記憶するための記
   憶装置と、データを転送するための転送装置とを有する
   ことを特徴とする請求項３，４，５，６，７又は８に記
   載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 【請求項１０】 前記合成手段は、変位に関わる複数の
    信号（前記探針信号，前記変位計測手段からの出力信号
    および複数の前記制御信号）から選ばれた変位をスケー
    ルする基準となる一つの基準信号の前記変位に関わる一
    つまたは複数の信号に対する１次の変化率の演算結果を
    受け取るための受信装置と、前記一つまたは複数の１次
    の変化率のそれぞれに対応する変位に関わる実時間の信
    号との積を取るための一つあるいは複数の乗算器あるい
    は可変利得増幅器と、得られた一つの出力と実時間の基
    準信号との和、あるいは複数の乗算器または可変利得増
    幅器の出力の和を取るための加算器とを有することを特
    徴とする請求項３，４，５，６，７，８又は９に記載の
    走査型プローブ顕微鏡。
11. 【請求項１１】 前記合成手段は、前記乗算器または前
    記可変利得増幅器がデジタルデータとアナログ信号の乗
    算を行う乗算型ディーエーコンバーター（ＤＡＣ）を構
    成要素に含むことを特徴とする請求項１０に記載の走査
    型プローブ顕微鏡。
12. 【請求項１２】 前記検出手段は、探針が試料と常時接
    触する状態で動作することを特徴とする請求項２，３，
    ４，５，６，７，８，９，１０又は１１に記載の走査型
    プローブ顕微鏡。
13. 【請求項１３】 前記検出手段は、探針が試料と周期的
    に接触する状態で動作することを特徴とする請求項２，
    ３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１に記載の走
    査型プローブ顕微鏡。