JP3484429B2 - 力顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は力顕微鏡に関する。 【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７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。 【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。 【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。 【０００６】次に、図８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。 【０００７】Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ^２・・・(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。 【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＋ＶAC^２／２}＋２(Ｖs＋ Ｖoff)ＶACsinωｔ−(ＶAC^２／２)cos２ωｔ］・・・(3) また、Ｆvdwは次の(4)式で表わされる。 Ｆvdw＝−Ｈ／Ｚ^６・・・(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。 【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。 【００１１】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}(∂Ｆ／∂Ｚ) ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［Ｈ／Ｚ^７＋(１/２)(∂^２Ｃ／∂Ｚ^２){( Ｖs＋Ｖoff)^２＋ＶAC^２／２}］・・・(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。 【００１２】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［(１／２)(∂^２Ｃ/∂Ｚ^２){(Ｖs＋Ｖoff )^２＋ＶAC^２／２}］・・・(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／∂Ｚ^２)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。 【００１３】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。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。 【００１４】また、図９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。 【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。 【００１６】Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ^２・・・(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。 【００１７】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ){Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２ )}^２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)^２＋ＶA^２／２＋ＶB^２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶB^２／２)sin(ωacｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)ＶAsinωacｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶA^２／２)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。 【００１８】 Ｆesωac＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsinωacｔ＋(１/４)ＶB^２sin(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)ＶB^２sin (ωacｔ−π／２＋φ)} ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ１）＋(１/４)ＶB^２sin (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。 【００１９】(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。 【００２０】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)ＶB^２｛cos(−θ＋φ−π ／２）−cos(−θ＋φ−π／２＋π)}・・・(17) となる。 【００２１】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)ＶB^２｛cos(−θ −π／２−π／２）−cos(−θ−π／２−π／２＋π)}・・・(18) となる。 【００２２】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。 【００２３】 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA・・・(19) Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶB^２・・・(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。 【００２４】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。 【００２５】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。 【００２６】 【発明が解決しようとする課題】上記図７に示す力顕微
鏡では、(7)式において、ΔＡは(∂^２Ｃ／∂Ｚ^２)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。 【００２７】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０．０１Ｖ^２である。一方、ＶACは通常５Ｖ程度で
あるから、ＶAC^２／２＝１２．５[Ｖ^２]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。 【００２８】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。 【００２９】この時、(Ｖs＋Ｖoff)^２＝１００[Ｖ^２]と
なり、ＶAC^２／２＝１２．５[Ｖ^２]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
／（ＶAC^２／２）＝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。 【００３０】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。 【００３１】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。 【００３２】また、図９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。 【００３３】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。 【００３４】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)ＶB^２{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)ＶB^２sin(Δφ)・・・(22) Ｖ２＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB^２cos(Δφ)・・・(23) となる。 【００３５】(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。 【００３６】従来、力顕微鏡では、図１０（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１０（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１０（ｃ）、
（ｄ）に示す。 【００３７】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。 【００３８】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。 【００３９】しかし、上記図９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１０
（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。 【００４０】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。 【００４１】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。 【００４２】一方、図１０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。 【００４３】本発明は、感度やＳ／Ｎ比を向上させるこ
とができて測定物の表面電位と表面形状を独立に測定す
ることができ、かつ、異なる周波数の振動振幅の検出に
対する感度やＳ／Ｎ比を向上させることができる力顕微
鏡を提供することを目的とする。 【００４４】 【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探
針を先端部に設けた板バネを振動させ、前記探針に働く
力を検出して前記測定物の状態を観察する力顕微鏡にお
いて、前記板バネを該板バネの非共振周波数或いは一次
共振周波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互
いに異なる複数の周波数で振動させ、前記探針に働く力
により前記複数の振動による各曲がり角が等しくなる前
記板バネ上の位置に光てこ法の光を照射するものであ
る。 【００４５】 【００４６】 【００４７】 【００４８】 【００４９】 【００５０】 【作用】請求項１記載の発明では、測定物に対向配置さ
れる探針を先端部に設けた板バネ板バネが該板バネの非
共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数
の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動さ
せられ、前記探針に働く力により前記複数の振動による
各曲がり角が等しくなる前記板バネ上の位置に光てこ法
の光が照射される。 【００５１】 【００５２】 【００５３】 【００５４】 【００５５】 【００５６】 【実施例】図１は本発明の実施例の前提となる力顕微鏡
を示す。この力顕微鏡は、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。力顕微鏡では、前述
した図７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・si
nωｔ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１
３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１
２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。圧電素子１４は絶縁体５１を介してカンチレバー１
１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ωr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。 【００５７】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Ａω^２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αＡω^２
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αＡω^２
が加算されて(Ａωr＋αＡω^２)となり、この(Ａωr＋
αＡω^２)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。 【００５８】次に力顕微鏡の動作を説明する。探針１
２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１
２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。 【００５９】 Ａω＝(πε０Ｒ／Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(25) したがって、自乗器５２の出力信号Ａω^２は次の(26)式
で表わされる。 Ａω^２＝(πε０Ｒ)^２{(Ｖs＋Ｖoff)^２／Ｚ^２}ＶAC^２・・・(26) ここで、π、ε０、Ｒ、ＶACは定数である。したがっ
て、Ａω^２はＶs、Ｖoff、Ｚの関数となる。 【００６０】一方、静電容量ＣのＺに関しての２階の微
係数∂^２Ｃ／∂Ｚ^２は次の(27)式で表わされる。 ∂^２Ｃ／∂Ｚ^２＝πε０Ｒ／Ｚ^２・・・(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/Ｚ^２){(Ｖs＋Ｖoff)^２ ＋ＶAC^２／２}］ ＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)^２/Ｚ^２}−{Ａ０Ｑπ ε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC^２／Ｚ^２)・・・(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。 【００６１】 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{１／(ＶAC^２πε０Ｒ)}・・・(29) アンプ５３の出力信号αＡω２は次の(30)式のように設
定する。 αＡω^２＝{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)^２／Ｚ^２}・・・(30) したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号(Ａωr＋α
Ａω^２)は次の(31)式で表わされる。 【００６２】 Ａωr＋αＡω^２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω^２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)^２／ Ｚ^２}−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC^２／Ｚ^２)＋ {Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)^２／Ｚ^２} ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・６√３)}(ＶAC^２/Ｚ^２)・・(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)}(ＶAC^２／Ｚ^２)・・・(32) となる。この(32)式においてはＺ以外は全て定数であ
る。 【００６３】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。 【００６４】このように、力顕微鏡は、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１
１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。 【００６５】また、力顕微鏡は、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。 【００６６】次に、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡について説明する。上記力顕微鏡は、探針１
２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。 【００６７】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、上記力顕微鏡では
γ＝１である。力顕微鏡では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／∂Ｚ^２＝−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＋ＶAC^２／２}] ＝−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋Ｖoff)^２−{ Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶAC^２・・・(35) となる。 【００６８】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αＡω^２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)^２ＶAC^２・・・(37) となる。これから、αは α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ０＊＊(γ−１)}(γ/ａ)(１/ＶAC^２)・・・(38) となる。したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号
(Ａωr＋αＡω^２)は次の(39)式のようになる。 【００６９】 Ａωr＋αＡω^２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω^２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}ａγ／{Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶA C^２＋{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。 【００７０】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。力顕微鏡では
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。 【００７１】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、力顕微鏡は、上記力顕微鏡
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。具体的には力顕微鏡は
(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)(ＶAC^２／２)・・・(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。 【００７２】 {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。 【００７３】この力顕微鏡は、力顕微鏡において、
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。 【００７４】次に、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡について説明する。力顕微鏡において、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。
力顕微鏡は、この点を改善したものである。図３は力
顕微鏡を示す。力顕微鏡では、上記力顕微鏡にお
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２０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１
１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。 【００７５】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。 【００７６】さて、次に、力顕微鏡の動作を述べる。
(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)ＶAC^２cos２ωｔ・・・(41) ここで、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝ｆ(Ｚ)・・・(42) とすると、 Ａ2ω＝(１／４)ｆ(Ｚ)ＶAC^２cos２ωｔ・・・(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。 【００７７】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／ＶAC^２)・・・(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。 【００７８】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。 【００７９】このように、力顕微鏡は、力顕微鏡に
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Ａ2ω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。 【００８０】次に、本発明の実施例の前提となる各力顕
微鏡について説明する。この力顕微鏡は、上記各力
顕微鏡〜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１
２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ωr2に設定するようにしたものである。 【００８１】これにより、これら力顕微鏡では、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。 【００８２】このように、これらの力顕微鏡は、力顕
微鏡、またはにおいて、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。 【００８３】図４は本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡を示す。この力顕微鏡は、前述した図９に示
す力顕微鏡とは以下の点が異なる。交流電源２９はカン
チレバー２６の一次及び高次の共振周波数又はこの共振
周波数とほぼ等しい周波数の何れかの周波数の第１交流
電圧を発生し、交流電源３０はカンチレバー２６の一次
及び高次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい
周波数の何れかの周波数の２分の１の周波数を持つ第２
交流電圧を発生する。例えば、交流電源２９は交流電圧
Ｖr1sinωr1ｔを発生し、交流電源３０は交流電圧Ｖωr
2sinωr2ｔ／２を発生する。ここに、ωr1はカンチレバ
ー２６の第１共振周波数、ωr2はカンチレバー２６の第
２共振周波数とする。 【００８４】ロックインアンプ３７はプリアンプ３６の
出力信号を交流電源２９からの参照信号Ｖr1sinωr1ｔ
により位相検波して増幅することによりカンチレバー２
６の振動のωr1成分の振幅を分離増幅し、ロックインア
ンプ３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源３０か
らの参照信号Ｖr2sinωr2ｔ／２により位相検波して増
幅することによりカンチレバー２６の振動のωr2成分の
振幅を分離増幅する。 【００８５】本力顕微鏡において、探針２７の先端と
試料２８の表面との間の電位差Ｖは Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋Ｖr1sinωr1ｔ＋Ｖr2sinωr2ｔ／２・・・(45) となる。したがって、Ｆesは次の(9)式より Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs＋Ｖr1sinωr1ｔ＋Ｖr2sinωr2ｔ／ ２)^２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)^２＋Ｖr1^２／２＋Ｖr2^２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖr2^２／２)sin(ωr2ｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)Ｖr1sinωr1ｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖr1^２／２)sin(ωr1ｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)[２(Ｖb−Ｖs)Ｖr2sinωr2ｔ／２＋Ｖr1Ｖr2 sin{(ωr1−ωr2／２)ｔ＋π／２}] −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛Ｖr1Ｖr2sin(ωr1＋ωr2／２)ｔ＋π／２)｝ ・・・(46) となる。 【００８６】ωr1はカンチレバー２６の第１共振周波
数、ωr2はカンチレバー２６の第２共振周波数であるか
ら、カンチレバー２６は次の(47)式で表わされるＦesの
ωr1、ωr2成分Ｆesωrにより共振する。 Ｆesωr＝−(∂Ｃ／∂Ｚ){(Ｖb−Ｖs)Ｖr1sinωr1ｔ＋(１／４)Ｖr2^２sin(ωr 2ｔ−π／２)・・・(47) したがって、Ｆesωr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ｖは次の(48)式で表
わされる。 【００８７】 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ){(Ｖb−Ｖs)Ｖr1sin(ωr1ｔ＋φr1)＋(１/４)Ｖr2^２sin (ωr2ｔ−π／２＋φr2)・・・(48) ロックインアンプ３７、３８は入力信号の参照信号周波
数と同じ周波数成分のみを増幅する狭帯域アンプと考え
られる。したがって、２位相式のロックインアンプ３８
によりωr2の参照信号でｖを増幅することにより、(48)
式のωr2成分のみをその位相ωr2に無関係に得ることが
できる。 【００８８】このロックインアンプ３８の出力信号Ｖ２
は次の(49)式のようになる。 Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖr2^２・・・(49) すなわち、周囲の気温や湿度、気圧などの影響によりω
r1、ωr2がずれ、φr1、φr2が変動しても試料２８の表
面電位が試料２８の表面形状測定結果に混入・干渉する
ことはない。 【００８９】一方、ロックインアンプ３７によりωr1の
参照信号でｖを増幅することにより、(48)式のωr1成分
のみを増幅することができる。この時、ロックインアン
プ３７において、位相θでｖを位相検波増幅すれば、ロ
ックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は次の(49)式のよう
になる。 Ｖ１＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1{cos(−θ＋φr1)−cos(−θ ＋φr1＋π)・・・(50) (50)式にはφr2が含まれていないので、試料２８の表面
電位測定結果はφr2の変動による影響を受けない。θ＝
φr1とすると、Ｖ１は、 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1・・・(51) となり、最大値を示す。 【００９０】ここで、周囲の気温や湿度、気圧などの影
響によりωr1がずれ、φr1が(φr1＋Δφr1)に変動した
とする。また、θはφr1のままであったとすると、この
時のＶ１は Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1cosΔφr1・・・(52) となる。(52)式からφr1の変動により、Ｖ１は最大値か
ら小さくなるが、試料２８の表面形状が試料２８の表面
電位測定結果に混入・干渉することはない。以上のよう
に、力顕微鏡においては、従来技術のように、カンチ
レバーの共振周波数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で、試料の表面電位と表
面形状の測定結果が互いに干渉して無視できない誤差と
なって現われてくるようなことが無い。すなわち、カン
チレバーの共振周波数の変動に無関係に安定して試料の
表面電位と表面形状を測定することができる。 【００９１】このように、力顕微鏡は、測定物２８に
対向配置される導電性探針２７を先端部に設けたバネと
しての導電性カンチレバー２６を、測定物２８とバネ２
６との間に作用する静電引力により変形させ、バネ２６
の変形により測定物２８とバネ２６との間に作用する静
電引力を検出して測定物２８の電位と形状の何れか一方
或いは両方を測定するようにした表面電位計及び形状測
定器としての力顕微鏡において、バネ２６の一次及び高
次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数
の何れかの周波数の第１交流電圧と、バネ２６の一次及
び高次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周
波数の何れかの周波数の２分の１の周波数を持つ第２交
流電圧とを重畳させた電圧を導電性探針２７に印加する
電圧印加手段としての交流電源２９、３０と、第１交流
電圧による導電性探針２７と測定物２８との間の静電引
力により生ずるバネ２６の第１振動の振幅から測定物２
８の電位を測定する表面電位測定手段としてのロックイ
ンアンプ３７と、第２交流電圧による導電性探針２７と
測定物２８との間の静電引力により生ずるバネ２６の第
２振動の振幅から測定物の形状を測定する形状測定手段
としてのロックインアンプ３８とを備えたので、バネ２
６の共振周波数の変動に無関係に安定して試料の表面電
位と表面形状を測定することができる。 【００９２】また、力顕微鏡は、電圧印加手段として
の交流電源２９、３０、加算器３１が導電性探針２７に
第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧とを重畳した電
圧を印加し、かつ、第１交流電圧による導電性探針２７
と測定物２８との間の静電引力により生ずるバネ２６の
第１振動の振幅が零(もしくは一定値)になるように上記
直流電圧を可変する電位制御手段としての積分器３９を
含む帰還回路と、直流電圧を測定する電位測定手段とし
てのロックインアンプ３７と、測定物２８と導電性探針
２６との間の距離を可変するアクチュエータとしてのＺ
軸アクチュエータ４３を有し第２交流電圧による導電性
探針２７と測定物２８との間の静電引力により生ずるバ
ネ２６の第２振動の振幅が一定値になるようにアクチュ
エータ４３を制御して測定物２８と導電性探針２７との
間の距離を制御する距離制御手段としての帰還回路と、
アクチュエータ４３の変位量を測定する変位量測定手段
としてのロックインアンプ３８とを備えたので、バネ２
６の共振周波数の変動に無関係に安定して試料の表面電
位と表面形状を測定することができる。 【００９３】また、本発明の実施例の前提となる力顕微
鏡は、上記力顕微鏡において、導電性探針２７に印
加すべき電圧を導電性探針２７に印加せずに測定物２８
の導電性基板３３に印加し、導電性探針２７の電位を基
準電位としたものであり、力顕微鏡と同様な効果が得
られる。また、本発明の実施例の前提となる他の力顕微
鏡は、上記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜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、上記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜と同様な効
果が得られる。 【００９４】また、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡は、上記力顕微鏡において、交流電源２９、
３０を含む電圧印加手段により、上記第１交流電圧と上
記第２交流電圧と直流電圧の内のいずれか２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、第４実施例と同様な効果が得ら
れる。また、本発明の実施例の前提となる他の各力顕微
鏡は、上記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜、、
において、それぞれ電圧印加手段としての交流電源２
９、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
記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜、、と同様な
効果が得られる。なお、これらの力顕微鏡では、測定物
の導電性基板は接地しない。 【００９５】また、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡10は、上記力顕微鏡において、交流電源２９、
３０を含む電圧印加手段により、上記第１交流電圧と上
記第２交流電圧と上記直流電圧の内のいずれか２つをカ
ンチレバー２６に印加せずに測定物２８の導電性基板３
３に印加し、残りの１つを導電性探針２７に印加するよ
うにしたものであり、力顕微鏡と同様な効果が得られ
る。 【００９６】次に、請求項１記載の発明の実施例につい
て図５を用いて説明する。力顕微鏡において、光てこ法
は、光源から照射されてカンチレバーの表面で反射され
た光スポット位置の動きを光位置検出器や２分割フォト
ダイオードからなる受光素子により測定することでカン
チレバーの曲がり（動き）を検出する。ここに、図５
（ａ）に示すようにカンチレバー５７の長さを１とす
る。 【００９７】この光てこ法は、カンチレバー５７の静止
状態の位置（図５のｉの位置）からの変位を捉えている
のではなく、カンチレバー５７の変形に伴うカンチレバ
ー５７の傾斜角（表面接線のｉに対する角度）を測定し
ている。従って、この傾斜角が最も大きい所に光源から
の光スポットを当てれば、その光スポットの位置の動き
が大きくなり、大きな感度を得ることができる。カンチ
レバー５７の一次共振を利用した場合は、図５（ａ）に
示すようにカンチレバー５７の先端がｉからの変位及び
傾斜角の両方について最大であるので、光源からの光ス
ポツトをカンチレバー５７の先端に照射すれば最大の感
度が得られる。 【００９８】しかし、高次共振を利用する場合は、光源
からの光スポツトをカンチレバー５７の先端に照射して
も最大の感度は得られない。カンチレバー５７の二次共
振を利用する場合は、図５（ｃ）のａにおいてカンチレ
バー５７の傾斜は最大となる。従って、ここに光源から
の光スポツトを照射することにより最大の感度を得るこ
とができる。 【００９９】また、カンチレバー５７の三次共振を利用
する場合は、図５（ｄ）のｂ、ｃにおいてカンチレバー
５７の傾斜は最大となるから、ここに光源からの光スポ
ツトを照射することにより最大の感度を得ることができ
る。一般に、図５のａ、ｂ、ｃの点はカンチレバー５７
の節という。このように、高次共振状態のカンチレバー
５７の節に光源からの光スポツトを照射することにより
最大の感度を得ることができる。 【０１００】そこで、請求項１記載の発明の各実施例
は、上記各力顕微鏡〜10において、それぞれカンチレ
バー１１、２６が高次共振する時の節に光源１９、３４
からの光スポツトを照射して光てこ法でカンチレバーの
振動を検出するようにしたものであり、最大の感度を得
ることができてカンチレバーの複数の振動の信号の振幅
をカンチレバーの最適な加振条件を変えることなく最大
にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させること
ができて信号処理上有利になる。 【０１０１】次に、請求項２記載の発明の実施例につい
て図５を用いて説明する。請求項２記載の発明は、力顕
微鏡において、試料の状態を測定するための最適な状態
で２つ以上の周波数でカンチレバーを振動させる場合に
適用される。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共
振を生じさせて測定を行う場合を考える。前述のように
カンチレバーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅
（信号の大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、
それぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、こ
れを実現するためにカンチレバーの加振条件を変えるこ
とは放電等の問題で安易に行えない。 【０１０２】そこで、請求項２記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記力顕微鏡〜10、請求項１記載の発明の実施例におい
て、所望のカンチレバー加振条件で一次共振によるカン
チレバーの傾斜と二次共振によるンチレバーの傾斜とが
ほぼ等しくなる位置に光源からの光スポツトを照射し、
カンチレバーの振動を光てこ法で測定するようにしたも
のである。これにより、カンチレバーの振動信号におけ
る一次共振と二次共振の振幅（信号の大きさ）をほぼ等
しくすることができる。このため、最適なカンチレバー
加振条件のままで、カンチレバーの一次共振と二次共振
の振動信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならない
ように分離することができる。 【０１０３】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１２記載の発明を
適用することができる。 【０１０４】したがって、請求項２記載の発明の各実施
例は、試料に対向配置される探針を先端部に設けた板バ
ネとしてのカンチレバーを該カンチレバーの非共振周波
数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何れか
で、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、上記
探針に働く力により上記複数の振動の状態が各々変化す
ることを光てこ法により検出することで探針に働く力を
検出し、これにより試料の状態を観察する上記各実施例
等の力顕微鏡において、カンチレバーの複数の振動によ
る各曲がり角が等しくなるカンチレバー上の位置に光て
こ法で光源からの光を照射してカンチレバーの振動を検
出するようにしており、最適なカンチレバー加振条件の
ままで、カンチレバーの複数の振動の信号をそれぞれの
Ｓ／Ｎ比の点で不利にならないように分離することがで
きる。 【０１０５】次に、請求項３記載の発明の実施例につい
て図６を用いて説明する。光干渉法及びトンネル電流を
検出するトンネル電流法では、力顕微鏡において、カン
チレバーの静止状態の位置（図６のｉの位置）からの変
位を捉えている。従って、この変位が最も大きい所に光
源からの光スポツトを照射し、或いはトンネル電流を検
出するための電極を設ければ、大きな感度を得ることが
できる。 【０１０６】カンチレバーの一次共振を利用した場合
は、図６（ａ）に示すようにカンチレバー５８の先端が
ｉからの変位が最大であるので、変位検出手段によりカ
ンチレバー５８の先端の変位を検出すれば最大の感度が
得られる。しかし、高次共振を利用する場合は、変位検
出手段による変位検出位置をカンチレバー５８の先端に
しても最大の感度は得られない。カンチレバー５８の二
次共振を利用する場合は、図６（ｃ）のｄにおいてカン
チレバー５８の変位は最大となる。従って、ここの変位
を変位検出手段で検出することにより最大の感度を得る
ことができる。 【０１０７】また、カンチレバー５８の三次共振を利用
する場合は、図６（ｄ）のｅ、ｆにおいてカンチレバー
５８の変位は最大となるから、ここの変位を変位検出手
段で検出することにより最大の感度を得ることができ
る。一般に、図６のｄ、ｅ、ｆの点はカンチレバー５８
の腹という。このように、高次共振状態のカンチレバー
５８の腹の変位を変位検出手段で検出することにより最
大の感度を得ることができる。そこで、請求項３記載の
発明の各実施例は、上記力顕微鏡〜10、及び各実施例
において、それぞれカンチレバー１１、２６が高次共振
する時の腹の位置の変位を光干渉法やトンネル電流法に
より変位検出手段で検出するようにしたものであり、最
大の感度を得ることができる。 【０１０８】このように、請求項３記載の発明の実施例
は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２７
を先端部に設けた板バネを該板バネとしてのカンチレバ
ー１１，２６の高次共振周波数により振動させ、この板
バネ１１，２６の振動状態における変位を測定するため
の振動変位測定手段により板バネ１１，２６の振動状態
を検出し、探針１２，２７に働く力による振動状態の変
化から探針１２，２７に働く力を検出し、これにより測
定物１３，２８の状態を観察する力顕微鏡において、板
バネ１１，２６が高次共振する時の腹を振動変位測定手
段の測定点としたので、カンチレバーの複数の振動の信
号の振幅をカンチレバーの最適な加振条件を変えること
なく最大にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上さ
せることができて信号処理上有利になる。 【０１０９】次に、請求項４記載の発明の実施例につい
て説明する。請求項４記載の発明は、力顕微鏡におい
て、試料の状態を測定するための最適な条件で２つ以上
の周波数でカンチレバーを振動させる場合に適用され
る。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共振を生じ
させて測定を行う場合を考える。前述のようにカンチレ
バーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅（信号の
大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、それぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、これを実現
するためにカンチレバーの加振条件を変えることは放電
等の問題で安易に行えない。 【０１１０】そこで、請求項４記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記力顕微鏡〜10、各実施例において、所望のカンチレ
バー加振条件で一次共振によるカンチレバーの静止状態
の位置（図６のｉの位置）と二次共振によるカンチレバ
ーの静止状態の位置とがほぼ等しくなる位置に光源から
の光スポツトを照射し、或いはトンネル電流を検出する
ための電極を設け、カンチレバーの振動振幅を測定する
ようにしたものである。これにより、カンチレバーの振
動信号における一次共振と二次共振の振幅（信号の大き
さ）をほぼ等しくすることができる。このため、最適な
カンチレバー加振条件のままで、カンチレバーの一次共
振と二次共振の振動信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不
利にならないように分離することができる。 【０１１１】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１４記載の発明を
適用することができる。 【０１１２】したがって、請求項４記載の発明の各実施
例は、測定物に対向配置される探針を先端部に設けた板
バネとしてのカンチレバーを該板バネの非共振周波数或
いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何れかで、
かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、探針に働
く力により前記複数の振動の状態が各々変化することを
光干渉法やトンネル電流法により振動変位測定手段によ
り検出することにより探針に働く力を検出し、これによ
り測定物の状態を観察する上記力顕微鏡〜10、各実施
例等の力顕微鏡において、板バネの複数の振動の各振幅
が等しくなる板バネ上の位置を上振動変位測定手段の測
定点としており、最適なカンチレバー加振条件のまま
で、カンチレバーの複数の振動の信号をそれぞれのＳ／
Ｎ比の点で不利にならないように分離することができ
る。 【０１１３】次に、請求項５記載の発明の実施例につい
て図６を用いて明する。ヘテロダイン光干渉法では、力
顕微鏡において、カンチレバーの表面の速度を速度検出
手段により測定する。従って、この速度が最も大きい所
に光源からの光スポツトを照射すれば、大きな感度を得
ることができる。カンチレバーの一次共振を利用した場
合は、カンチレバー５８の先端において速度が最大であ
るので、速度検出手段によりカンチレバー５８の先端の
速度を検出すれば最大の感度が得られる。 【０１１４】しかし、高次共振を利用する場合は、カン
チレバー５８の先端の速度を検出しても最大の感度は得
られない。カンチレバー５８の二次共振を利用する場合
は、図６（ｃ）のｄにおいてカンチレバー５８の速度は
最大となる。従って、ここの速度を速度検出手段で検出
することにより最大の感度を得ることができる。また、
カンチレバー５８の三次共振を利用する場合は、図６
（ｄ）のｅ、ｆにおいてカンチレバー５８の速度は最大
となるから、ここの速度を速度検出手段で検出すること
により最大の感度を得ることができる。 【０１１５】一般に、図６のｄ、ｅ、ｆの点はカンチレ
バー５８の腹という。このように、高次共振状態のカン
チレバー５８の腹の速度を速度検出手段で検出すること
により最大の感度を得ることができる。そこで、請求項
１５記載の発明の各実施例は、上記力顕微鏡〜10、各
実施例において、それぞれカンチレバー１１、２６が高
次共振する時の腹の位置の速度をヘテロダイン光干渉法
により速度検出手段で検出するようにしたものであり、
最大の感度を得ることができる。 【０１１６】このように、請求項５記載の発明の実施例
は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２７
を先端部に設けた板バネとしてのカンチレバー１１，２
６を該板バネ１１，２６の高次共振周波数により振動さ
せ、振動状態における板バネ１１，２６の振動速度を測
定するための振動速度測定手段により板バネ１１，２６
の振動状態を検出し、探針１２，２７に働く力による振
動状態の変化から探針１２，２７に働く力を検出し、こ
れにより測定物１３，２８の状態を観察する力顕微鏡に
おいて、板バネ１１，２６が高次共振する時の腹を上記
振動速度測定手段の測定点としたので、カンチレバーの
振動を表わす信号の振幅をカンチレバーの最適な加振条
件を変えることなく最大にすることができ、振動信号の
Ｓ／Ｎを向上させることができて信号処理上有利にな
る。 【０１１７】次に、請求項６記載の発明の実施例につい
て説明する。請求項６記載の発明は、力顕微鏡におい
て、試料の状態を測定するための最適な条件で２つ以上
の周波数でカンチレバーを振動させる場合に適用され
る。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共振を生じ
させて測定を行う場合を考える。前述のようにカンチレ
バーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅（信号の
大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、それぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、これを実現
するためにカンチレバーの加振条件を変えることは放電
等の問題で安易に行えない。 【０１１８】そこで、請求項６記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記力顕微鏡〜10、実施例において、所望のカンチレバ
ー加振条件で一次共振によるカンチレバーの速度と二次
共振によるカンチレバーの速度とがほぼ等しくなる位置
に光源からの光スポツトを照射し、ヘテロダイン光干渉
法によりカンチレバーの振動速度を測定してカンチレバ
ーの振動を検出するようにしたものである。これによ
り、カンチレバーの振動信号における一次共振と二次共
振の振幅（信号の大きさ）をほぼ等しくすることができ
る。このため、最適なカンチレバー加振条件のままで、
カンチレバーの一次共振と二次共振の振動信号をそれぞ
れのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離すること
ができる。 【０１１９】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項６記載の発明を適
用することができる。 【０１２０】したがって、請求項６記載の発明の各実施
例は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２
７を先端部に設けた板バネとしてのカンチレバー１１，
２６を該板バネ１１，２６の非共振周波数或いは一次共
振周波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互い
に異なる複数の周波数で振動させ、探針１２，２７に働
く力により複数の振動の状態が各々変化することをヘテ
ロダイン光干渉法により振動速度測定手段で検出するこ
とにより探針１２，２７に働く力を検出し、これにより
測定物１３，２８の状態を観察する上記実施例等の力顕
微鏡において、板バネ１１，２６の複数の振動による各
振動速度が等しくなる板バネ１１，２６上の位置を上記
振動速度測定手段の測定点としており、最適なカンチレ
バー加振条件のままで、カンチレバーの複数の振動の信
号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分
離することができる。 【０１２１】 【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探針を先端部に設けた板バ
ネを該板バネの共振周波数により振動させ、前記探針に
働く力により前記板バネの高次共振振動状態が変化する
ことを光てこ法により検出することで前記探針に働く力
を検出し、これにより前記測定物の状態を観察する力顕
微鏡において、前記板バネが高次共振する時の節に前記
光てこ法の光を照射するので、板バネの複数の振動の信
号の振幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最
大にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させるこ
とができて信号処理上有利になる。 【０１２２】請求項２記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波
数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動
させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が
各々変化することを光てこ法により検出することで前記
探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態を
観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動に
よる各曲がり角が等しくなる前記板バネ上の位置に前記
光てこ法の光を照射するので、最適な板バネ加振条件の
ままで、板バネの一次共振と二次共振の振動信号をそれ
ぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離するこ
とができる。 【０１２３】請求項３記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
高次共振周波数により振動させ、この板バネの振動状態
における変位を測定するための振動変位測定手段により
前記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力によ
る振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、これ
により前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、
前記板バネが高次共振する時の腹を前記振動変位測定手
段の測定点としたので、板バネの複数の振動の信号の振
幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最大にす
ることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させることがで
きて信号処理上有利になる。 【０１２４】請求項４記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波
数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動
させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が
各々変化することを振動変位測定手段により検出するこ
とで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物
の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数
の振動の各振幅が等しくなる前記板バネ上の位置を前記
振動変位測定手段の測定点としたので、最適な板バネ加
振条件のままで、板バネの複数の振動の信号をそれぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離することが
できる。 【０１２５】請求項５記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
高次共振周波数により振動させ、振動状態における前記
板バネの振動速度を測定するための振動速度測定手段に
より前記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力
による振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、
これにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡におい
て、前記板バネが高次共振する時の腹を前記振動速度測
定手段の測定点としたので、板バネの振動を表わす信号
の振幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最大
にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させること
ができて信号処理上有利になる。 【０１２６】請求項６記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波
数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動
させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が
各々変化することを振動速度測定手段により検出するこ
とで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物
の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数
の振動による各振動速度が等しくなる前記板バネ上の位
置を前記振動速度測定手段の測定点としたので、最適な
板バネ加振条件のままで、板バネの複数の振動の信号を
それぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離す
ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡を示す
ブロック図である。 【図２】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡の一部
を拡大して示す概略図である。 【図３】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡を示す
ブロック図である。 【図４】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡を示す
ブロック図である。 【図５】請求項１記載の発明の実施例等を説明するため
の図である。 【図６】請求項３記載の発明の実施例等を説明するため
の図である。 【図７】従来の力顕微鏡の一例を示すブロック図であ
る。 【図８】同力顕微鏡の一部を示すブロック図である。 【図９】従来の力顕微鏡の他の例を示すブロック図であ
る。 【図１０】従来の力顕微鏡を説明するための図である。 【符号の説明】 １１，２６，５７，５８ 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 (56)参考文献 特開 平６−26855（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201373（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−221846（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−249863（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−308180（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−21846（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−201462（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−211078（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−248082（ＪＰ，Ａ) Ｋａｚｕｓｈｉ Ｙａｍａｎａｋａ, Ｓｈｉｚｕｋａ Ｎａｋａｎｏ，Ｕｌ ｔｒａｓｏｎｉｃ ａｔｏｍｉｃ ｆｏ ｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔ ｈ ｏｖｅｒｔｏｎｅ ｅｘｃｉｔａｔ ｉｏｎ ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ, Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，1996年 ６月，Ｖｏｌ．35， Ｐａ ｒｔ１， Ｎｏ．６Ｂ，ｐｐ．3787− 3792 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32 G12B 21/00 - 21/24

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】測定物に対向配置される探針を先端部に設
   けた板バネを振動させ、 前記探針に働く力を検出して前記測定物の状態を観察す
   る力顕微鏡において、 前記板バネを該板バネの非共振周波数或いは一次共振周
   波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互いに異
   なる複数の周波数で振動させ、 前記探針に働く力により前記複数の振動による各曲がり
   角が等しくなる前記板バネ上の位置に光てこ法の光を照
   射することを特徴とする力顕微鏡。