JP3485244B2 - 単一パス２重振幅モード走査力顕微鏡による場の検出 - Google Patents

単一パス２重振幅モード走査力顕微鏡による場の検出

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サンプル材料内の
磁界または電界を測定するための方法に関し、より具体
的には、材料表面に接近して発生するこのような界がそ
の表面から一定の小さい距離で正確に測定されるよう
に、走査力顕微鏡を使用して表面凹凸形状を追跡する方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】サンプル材料内に発生する磁界または電
界をこの表面上の非常に接近した位置で材料の表面を横
切る測定点から測定することは、数年間に及ぶ走査プロ
ーブ顕微鏡研究者による進行中の努力の主題であった。
このタイプの測定プロセスでは、走査中または走査プロ
セス中に磁界または電界に敏感なプローブをサンプル表
面に対して垂直な方向に移動して、サンプル表面に接触
せずにプローブがその凹凸を追跡するようにしなければ
ならない。磁気データ記憶媒体の表面など、このタイプ
の測定によって重大な情報が得られるような種々の材料
の表面のように、サンプル表面が極めて粗いときには、
プローブをこのように移動することは重要かつ困難なこ
とである。
【０００３】走査力顕微鏡は、表面に沿ってそれに非常
に近接してプローブを移動するための正確な方法を提供
する。非常に鋭い先端を有するプローブは、横アクチュ
エータにより検査中のサンプル表面に沿って移動する。
プローブは片持ちばりの遠位端に取り付けられ、その近
位端は垂直アクチュエータに取り付けられており、垂直
アクチュエータはプローブ先端を移動してサンプル表面
とかみ合わせたり、そこから分離したりする。このよう
な垂直方向の振動は、片持ちばりの共鳴振動数に近い振
動数で垂直アクチュエータにより片持ちばりの遠位端に
加えられる。この振動数のプローブ先端の振動が測定さ
れる。サンプル表面の凹凸によってこの表面とプローブ
先端とのかみ合いが増加すると、プローブ先端の振動が
減少する。このかみ合いが減少すると、プローブ先端の
振動は、プローブがサンプル表面から離れて自由に振動
する点まで増加する。フィードバック信号は、プローブ
先端の振動を表す信号と、プローブ先端とサンプル表面
との間の所望のかみ合いの動作レベルで発生する振動の
レベルを表す設定点信号との差として生成される。この
フィードバック信号は、横走査中にこの動作レベルでの
かみ合いを維持するために、垂直アクチュエータを含む
サーボ機構ループ内で使用する。
【０００４】しかし、単一プローブを使用して、走査力
顕微鏡などの方法により表面凹凸を追跡し、同時に磁界
または電界を追跡すると、凹凸の変化によって発生した
信号は、このような界によって発生した信号と混合され
る傾向があるので、正確な情報を回復することができな
い。したがって、界の測定中に凹凸の変動に応じてプロ
ーブを移動しながら、界の測定から凹凸の測定を分離す
る方法が必要である。
【０００５】従来技術の説明 米国特許第４７２４３１８号には、鋭い点を調査すべき
サンプルの表面に対して非常に接近させ、その点の頂上
にある原子と表面にある原子との間に発生する力によっ
てバネ状の片持ちばりが偏向するような、原子間力顕微
鏡が記載されている。この片持ちばりはトンネル顕微鏡
の一方の電極を形成し、もう一方の電極は鋭い先端にな
る。片持ちばりの偏向はトンネル電流の変動を引き起こ
し、その変動を使用すると、たとえば、ｘｙ平面でのラ
スタ走査でサンプルを駆動するｘｙｚの駆動によりサン
プルの表面を横切ってその点を走査するときに、それら
の間の力を一定に維持するように点とサンプルとの間の
距離を制御するために使用できる補正信号が生成され
る。所与の動作モードでは、サンプルまたは片持ちばり
のいずれかを励起して、ｚ方向に振動させることができ
る。その振動が片持ちばりの共鳴振動数で行われる場
合、解像度が強化される。この方法を使用すると、以下
のステップを使用することにより、１００ナノメートル
を上回る解像度を有するサンプル表面凹凸画像が得られ
る。バネ状の片持ちばりの一端に固定された鋭い点とサ
ンプル表面の間に発生する力が１０-20ニュートンより
大きくなり、その結果得られる力が片持ちばりを偏向さ
せるように、その点をサンプルの表面に対して接近させ
る。片持ちばりに隣接配置したトンネル先端により片持
ちばりの偏向を検出する。検出したトンネル電流の変動
を使用して補正信号を生成することにより、片持ちばり
とトンネル先端との間のギャップを横切って流れるトン
ネル電流を一定値に維持する。特にこの補正信号を使用
して、点とサンプルとの距離を一定に維持する。
【０００６】磁界および電界の同時測定から表面凹凸の
測定を分離するための方法はいくつか開発されている。
たとえば、D. Ruger他によるJournal of Applied Physi
cs（Vol.68(3)、１１６９ページ、１９９０年）には、
プローブとサンプルとの間に０〜１０ボルトの追加の直
流バイアスをかけることによる磁界の測定が記載されて
いる。この電気バイアスは、プローブとサンプル表面と
の距離の関数にすぎない静電引力の勾配をもたらす。こ
の静電引力は、サンプル表面に沿って変動する測定すべ
き磁界と結合し、プローブが表面に接近したときに大き
さが増加する全体的な引力の勾配を形成する。この追加
の引力により、全体的な力が引性のままになり、磁気力
が引性または反発性のいずれかになりうるにもかかわら
ず、プローブでサンプル表面上を追跡し続けるサーボ・
ループが安定する。
【０００７】しかし、このようにして測定した一定力勾
配の輪郭は必ずしも、プローブ先端とサンプル表面との
距離に対する非磁気力の依存性により、磁気コントラス
トのレベルのみを反映しているわけではない。すなわ
ち、非磁気力の勾配が非線形関数であり、大きさが測定
磁気力勾配に匹敵する場合、その結果、磁気力勾配に対
する装置の垂直軸応答も非線形になる。さらに、粗い表
面上でこの方法を使用する場合、凹凸データによる磁気
力勾配マップの汚染を回避するためにプローブ先端と表
面との距離は比較的大きくなければならない。この距離
が大きい場合、磁気力測定の空間解像度および信号対雑
音比が減少する。
【０００８】凹凸および磁界の変動に対する応答によっ
て発生した同時発生信号を分離するためのもう１つの方
法は、MartinおよびWickramasingheによるApplied Phys
icsLetters（vol.50、１４５５ページ、１９８７年）お
よびSchonenberger他によるJournal of Applied Physic
s（Vol.67、７２７８ページ、１９９０年）に記載され
ているように、変調技術の使用である。この技法では、
たとえば、印加したＤＣバイアスにＡＣ変調信号を加え
ると、片持ちばりの第２調和振動が発生する。この振動
の振幅は、プローブ先端とサンプル表面との分離を調整
するフィードバック・ループを駆動するために使用す
る。従来の走査力顕微鏡のように、先端の振動振幅を所
定の値に保持するのに必要な圧電アクチュエータの垂直
（Ｚ方向）移動を使用して表面凹凸を示すと、プローブ
先端の偏向とアクチュエータの移動との差の変動によっ
て示されるように、片持ちばりの準静的偏向を検出する
ことによってＤＣ力が測定される。この方法の欠点は、
基礎となる電界または磁界の正確な描写を提供する方法
でこの準静的偏向を測定することが難しいことにある。
このような偏向は、片持ちばりの共鳴振動数付近の振動
数で発生する振動の振幅の変化に応じて、ＡＣ方法を使
用することにより得られる正確さで容易に測定すること
ができない。
【０００９】磁界またはサンプルの他の非表面凹凸特徴
を測定するための他の方法は、米国特許第５４１８３６
３号に記載されている。この方法では、サンプルの表面
上の走査線に沿ったプローブの第１のパスを使用して、
原子間力顕微鏡の方法のような従来の手段によってその
凹凸を決定する。この第１のパス中に、凹凸データが記
憶される。第２のパスでは、同じ線に沿ってサンプル表
面が走査され、この記憶凹凸データを使用して、プロー
ブがいつでも所定のオフセット距離だけサンプル表面か
ら変位するようになっている。
【００１０】磁界を測定するように構成されたこのよう
な装置の実施例では、プローブは磁性先端を組み込んで
おり、第１の走査は原子間力顕微鏡の方法を使用して行
われる。第２の走査中に磁性先端は、サンプル内の磁気
力の測定が可能になるようにサンプルの表面の上に維持
される。この第２の走査中、片持ちばりの偏向は検出器
によって直接測定するか、または片持ちばりを共鳴付近
で振動させて、その結果の振動の振幅または位相を検出
器で測定することができる。
【００１１】Y.E. Strausser他によるAmerican Laborat
ory（１９９４年５月）に示されているこのような装置
による測定の例は、ハードファイル・ディスクの表面凹
凸および磁気力勾配の測定である。この例の凹凸は、ピ
ーク−ピークで１２０ｎｍの変動を有する。先端はこの
凹凸をたどるが、表面より１００ｎｍ上のところで変位
する。
【００１２】電界を測定するように構成されたこのよう
な装置の実施例では、装置は導電先端を含み、原子間力
顕微鏡または走査トンネル顕微鏡のいずれかとして第１
の走査が行われる。第２の走査中、電圧源は先端とサン
プルとの間の電圧差に備える。このようにして、たとえ
ば、サンプルが集積回路である場合に表面下にある様々
な回路要素の存在を示す電界が先端とサンプルの間に発
生する。
【００１３】磁界または電界の測定の空間解像度および
信号対雑音比が低下しないように、磁界または電界の測
定中にサンプル表面から振動の中心を移動する必要性を
解消する方法が必要である。また、測定プロセスを促進
するために、単一パス中に表面凹凸の特徴と磁界または
電界とを測定する方法が必要である。
【００１４】力の場内の勾配を測定するための振動プロ
ーブの使い方については、R. WiesendangerによるScann
ing Probe Microscopy and Spectroscopy---Methods an
d Applications（Cambridge University Press、１９９
４年、２４１〜２４３ページ）に記載されている。この
ような界の有効ばね定数は、以下の式で示される。
【数１】
【００１５】上記の式のｃは力の場がない場合の片持ち
ばりのばね率であり、ｃeffは力の場がある場合の片持
ちばりの有効ばね率である。引力の場では、プローブ先
端が表面に引きつけられ、片持ちばりが効果的に柔らか
くなる。斥力の場では、プローブ先端が表面によって跳
ね返され、片持ちばりが効果的に固くなる。
【００１６】片持ちばり／質量システムの振動の共鳴振
動数の変化は、以下の式で示される。
【数２】
【００１７】上記の式のｍは有効質量であり、ω0は力
勾配がない場合のシステムの共鳴振動数である。
【００１８】非接触力顕微鏡の諸条件下での磁気力の測
定に適したプローブ先端を作成するための様々な方法
は、R. Wiesendangerによる同書の２５３〜２５６ペー
ジに記載されている。磁力センサの第１の例は、細いニ
ッケル、鉄、またはコバルトのワイヤの電気化学エッチ
ングによって形成された統合先端を備えた片持ちばりで
ある。ワイヤをエッチングした後、その遠位端で曲げて
先端を形成する。あるいは、タングステンなどの材料か
ら構成される非磁性先端は、電気化学エッチングによる
表面調製の後、スパッタリングまたはガルヴァーニ付着
のいずれかによって強磁性材料の通常は５０ｎｍの薄い
層でコーティングする。この層は、付着後に磁化する。
磁気先端コーティング技法は超小型製作シリコン片持ち
ばりにも適用されているが、この片持ちばりはコーティ
ング材料および厚さの選択に基づいて特定の特性をもた
らすように構築することができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、走査プローブによる表面に沿った単一パスでサンプ
ル表面から延びる磁界または電界を記述するデータと表
面凹凸の形状特徴の両方を決定するための方法である。
【００２０】本発明の第２の目的は、このような測定の
空間解像度および信号対雑音比を改善できるように、磁
界または電界の測定中にプローブの振動の中心間の距離
を低減するための方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、サンプル表面の凹凸特徴とそこから外に向かって延
びる力の場を測定するための方法が提供される。このよ
うな測定は、サンプル表面上の走査線に沿って間隔を開
けた関係にある複数のサンプル点で行われる。この方法
は、 ａ）サンプル表面と、サンプル表面とかみ合った状態で
振動させたプローブ先端との間で相対運動を引き起こす
ステップであって、この相対運動がサンプル点の１つま
で走査線に沿って発生し、サンプル表面との所定のレベ
ルのかみ合いを維持するために可変オフセット距離の
間、プローブもサンプル表面に対して垂直なＺ軸に沿っ
て移動するステップと、 ｂ）サンプル点で走査線に沿った相対運動を停止するス
テップであって、そのサンプル点でステップ（ａ）で確
立された可変オフセット距離から決定されたサンプル・
オフセット距離の周りでプローブ先端が振動するステッ
プと、 ｃ）そのサンプル点に隣接するプローブ先端の振動を測
定するステップと、 ｄ）プローブ先端が次のサンプル点に隣接するまで走査
線に沿った相対運動を続行するようにステップ（ａ）に
戻るステップとを含む。
【００２２】本発明の他の態様によれば、サンプル表面
の凹凸特徴とそこから外に向かって延びる力の場を測定
するための装置が提供される。この装置は、プローブ先
端と、横駆動機構と、垂直駆動機構と、励起駆動機構
と、振動検出器と、制御電子機器と、データメモリとを
含む。プローブ先端は片持ちばりの遠位端に取り付けら
れている。横駆動機構は、サンプル表面上の走査線に沿
ってプローブ先端とサンプル表面との間で断続走査運動
を発生する。プローブ先端とサンプル表面は、プローブ
先端が断続相対走査移動の間の走査線に沿った各サンプ
リング点に隣接した状態で、サンプリング期間中に保持
される。垂直駆動機構は、垂直駆動機構に印加された位
置信号に応じて、サンプル表面に対して垂直なＺ軸に沿
ってプローブとサンプル表面との間で相対運動を引き起
こす。振動検出器は、プローブ先端の振動の振幅を検出
する。制御電子機器は、相対走査運動中にプローブ先端
とサンプル表面との一定レベルのかみ合いを維持するた
めに振動検出器の出力から決定された補正信号に応じて
位置制御信号を生成し、制御電子機器は、各サンプリン
グ期間中にサンプル表面から分離した状態でプローブ先
端を振動させるために位置制御信号を生成し、励起駆動
機構を操作する。データメモリは、各サンプリング点ご
とに、サンプル表面とかみ合った状態でプローブを振動
したときの位置制御信号から決定された第１の値と、サ
ンプル表面から分離した状態でプローブを振動したとき
の振動検出器の出力から決定された第２の値とを格納す
る。第１の値はサンプル表面凹凸レベルを示し、第２の
値は力の場の条件を示す。
【００２３】サンプル表面から外に向かって延びる力の
場は、サンプルの表面またはその付近の諸条件の結果と
してプローブ先端がこの表面に向かって引きつけられる
かまたはそこから跳ね返るときに確立される。たとえ
ば、磁化したプローブ先端は、それが磁化領域を有する
サンプルの表面に隣接して移動したときに力の場を検出
する。このような領域は、磁気記録したデータのパター
ンを形成することができる。プローブ先端に電位を印加
した場合、これは、電気的に充電した区域を有するサン
プルの表面に隣接して移動したときに力の場を検出す
る。このような力の場は通常、サンプル表面から外に向
かって延びるＺ方向の関連勾配を有し、サンプルとプロ
ーブとの間の力は表面に接近するにつれて、より強くな
る。
【００２４】したがって、振動中のプローブ先端は、サ
ンプル点の間の横運動中にサンプル表面とかみ合った状
態に保持される。このタイプのかみ合いは、装置が原子
間力顕微鏡のように動作し、プローブ先端とサンプル表
面との間で作用する近距離斥力がプローブ先端の振動の
振幅を決定し、その周りにこのような振動がセンタリン
グされる位置はサーボ・システムにより制御され、一定
振幅の先端振動とその結果としてプローブ先端１４の一
定振幅の振動が維持される。各サンプル点でプローブ先
端１４はサンプル表面から分離した状態で振動するの
で、プローブ先端の振動の振幅と、プローブ先端振動と
そこからその振動が発生する励起機能との位相角は、力
の場の勾配によって決定される。各サンプル点でプロー
ブ先端振動は、局部的な力の場勾配を決定するために、
その振幅または振動を発生する励起信号に対するその位
相角で評価される。
【００２５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明により構築した装
置の概略図である。この装置では、サンプル１２の表面
１０の凹凸特性とその表面１０から外に向かって延びる
磁界の両方をプローブ先端１４により測定するが、この
プローブ先端１４は片持ちばり１８によりバイモルフ圧
電アクチュエータ１６に取り付けられている。プローブ
先端１４は、ドライバ回路２２、２３によりバイモルフ
圧電アクチュエータの上部電極２０に電圧信号が印加さ
れると、矢印１９の方向にサンプル表面１０とかみ合う
ように移動したり、表面から分離するように移動し、そ
の下部電極２４は電気アースに維持される。アクチュエ
ータ１６は、電極２０、２４間に延びる圧電材料の１対
のストリップ２６を含む。アクチュエータ１６の近位端
２７はクランプされ、その遠位端２８は片持ちばり１８
に固定されている。サンプル１２は、横運動アクチュエ
ータ２９により表面１０に平行な横走査運動のパターン
状に移動し、横運動ドライバ３０によって印加された電
圧に応答して動作する。
【００２６】図１の例の上部電極２０はセグメント化さ
れ、ドライバ回路２２によって振動励起信号が印加され
てプローブ先端１４を振動させる振動励起セグメント３
１と、ドライバ回路２３によって位置制御信号が印加さ
れてプローブ先端１４がサンプル表面の凹凸をたどるよ
うにする位置制御電極セグメント３２とに、横線に沿っ
て分割されている。
【００２７】図示し、ここに記載した方法は、プローブ
先端１４の垂直運動とサンプル１２の横運動に備えるも
のであるが、制御しなければならないのは先端とサンプ
ルとの相対運動であることが分かるだろう。たとえば、
プローブ先端１４が静止したサンプルに対して相対移動
するときに、垂直運動と横運動の両方をプローブ先端１
４に適用することができる。
【００２８】本発明により発生する単一パスによる動作
時に、サンプル１２は、データ・サンプルが取られるい
くつかの停止点を含む走査線に沿って断続運動で移動す
る。走査線に沿ったサンプル１２の横移動が発生する間
に、装置は原子間力顕微鏡として機能し、走査線に沿っ
たその表面凹凸特徴に応答することにより、サンプル表
面１０から一定の距離だけ上でプローブ先端を移動す
る。各サンプル点でサンプル１２の横運動が停止し、サ
ンプル表面の高さを示す凹凸測定値が格納され、振動中
のプローブ先端とサンプル表面１０との間に所定の隙間
が維持されるようにプローブ先端の垂直運動が変更され
る。この状態では、プローブ先端がサンプル表面１０か
ら離れた状態で振動し、横運動が停止し、力の場勾配の
測定が行われる。したがって、サンプル点間の横運動に
より走査プローブが原子間力顕微鏡として動作すると、
サンプル点間のプローブ先端の安全な移動が促進され、
凹凸の変化につれて移動することによりプローブ先端と
サンプル表面とのクラッシュ条件の確立が回避され、凹
凸の高さおよび磁界勾配の測定が行われる次のサンプル
点で表面から所定の間隔をあけるようにプローブ先端を
移動する。
【００２９】計算システム３３は、サンプル１２の横移
動中と力の場勾配を測定するためにサンプル１２を停止
したときの両方の場合にこの装置の動作を制御し、横運
動または力の場勾配測定が現在行われているかどうかを
示すためにMODE信号を生成する。横サンプル移動中と力
の場勾配測定中のいずれでも、発振器３４から励起ドラ
イバ回路２２に振動励起信号を印加することにより、プ
ローブ先端１４が矢印１９の垂直方向に振動する。この
信号は可変利得増幅器３６により印加される。横サンプ
ル移動中と力の場勾配測定中のいずれでも、発振器３４
は、片持ちばり１８の共鳴振動数付近の振動数、通常１
００ＫＨｚ〜１ＭＨｚの間の振動数でアクチュエータ２
０の振動を発生することが好ましい。
【００３０】横移動中と力の場勾配測定中のいずれで
も、プローブ先端１４の運動はレーザ検出器４０によっ
て測定されるが、このレーザ検出器ではプローブ先端１
４の移動を示す運動信号を発生するために干渉計を使用
する。この出力は、プローブ先端１４とともに移動する
反射表面４２の移動に基づくものである。この出力信号
は復調器４４への入力として供給され、次にこの復調器
は、レーザ検出器４０によって測定される発振器３４の
振動数でのプローブ先端振動の振幅を記述する出力を供
給する。サンプル１２の横移動中に、復調器４４の出力
は次に比較回路４６への一方の入力として使用される。
比較回路４６へのもう一方の入力は、計算システム３３
から供給される制御信号電圧である。
【００３１】サンプル１２の横移動中、プローブ先端１
４とサンプル表面１０との距離が減少するにつれて、先
端１４での振動の振幅が減少する。この距離が増加する
につれて、この振幅は、サンプル表面１０との接触がな
い場合にプローブ先端１４の自由振動によって発生する
振幅まで増加する。先端１４と表面１０とのかみ合いが
有用な範囲である場合、このような効果は、先端１４と
表面１０との間で作用する近距離斥力によって制御され
る。
【００３２】また、サンプル１２の横移動中は、プロー
ブ先端１４とサンプル表面１０との距離を所定の範囲内
に維持するために垂直圧電アクチュエータ１６を使用す
ることが好ましく、サンプル１２の横走査運動によりサ
ンプル表面１０の凹凸の変化が検出されると、このよう
な変化につれてプローブ先端１４が上下方向に移動す
る。サンプル表面１０の凹凸のこのような変化を補正す
るように矢印１９の垂直方向にプローブ先端１４を移動
するために、比較回路４６は計算システム３３からのCO
NTROL信号と復調器４４からの出力信号との差である補
正信号を生成する。このCONTROL信号は、プローブ先端
１４が操作される振動振幅を決定する設定点レベルを示
すものである。比較回路４６からの補正信号は入力とし
て積分器５４に印加されるが、この積分器は補正信号内
で対向する方向に高速で発生する小さいエラーの取消し
を引き起こすために使用する。積分器５４の出力は入力
としてスイッチ回路５７に供給される。
【００３３】サンプル１２の横移動中、スイッチ回路５
７は積分器５４からのこの入力を位置制御ドライバ回路
３２に印加し、計算システム３３から比較回路４６に入
力として供給されるCONTROL信号に対応するレベルに出
力を維持するために必要な通りに位置制御ドライバ電極
セグメントがプローブ先端１４を移動する。すなわち、
復調器４４からの振幅信号が高すぎる場合はプローブ先
端１４が低くなり、振幅信号が低すぎる場合はプローブ
先端が高くなる。セグメント化圧電アクチュエータ１６
に印加されるもう一方の信号は発振器３４の出力から得
られるが、これは発振器３４からの振動信号を送信する
可変利得増幅器３６を通過する。
【００３４】また、積分器５４の出力はアナログ・ディ
ジタル変換器５８により印加される。サンプル１２の各
横移動の終わりに、計算システム３３はこの変換器５８
の出力をサンプリングし、垂直ドライバ２２に印加中の
電圧を決定する。この電圧は圧電アクチュエータ１６内
で達成される偏向を示し、このアクチュエータ１６はサ
ンプル表面１０との所定レベルのかみ合いを維持するた
めにサーボ・ループによりサンプル１２の横移動中に駆
動されているので、アナログ・ディジタル変換器５８か
らのＺ位置データは、横移動の終わりにサンプル表面１
０のレベルを正確に記述する。ドライバ２２に印加され
た駆動信号の結果であるプローブ先端１４の運動と、ド
ライバ２３に印加された駆動信号の結果であるプローブ
先端１４の運動は垂直アクチュエータ１６内で加えられ
るので、アナログ・ディジタル変換器５８の出力は、振
動運動が加えられる垂直運動の中心線を記述する。
【００３５】計算システム３３は、様々な測定の結果得
られるデータが格納される内部ランダム・アクセス・メ
モリ６０を含む。サンプル１２の各移動の終わりに、現
行データ点でのサンプルの凹凸の高さを示すために、ア
ナログ・ディジタル変換器５８からの現在の値が格納さ
れる。計算システム３３は、ディジタル・アナログ変換
器６２により横移動ドライバ３０に入力信号を供給する
ことにより、矢印１９の垂直方向に対して垂直な平面に
沿ったサンプル１２の横走査移動も制御する。一般に、
この横移動は互いに垂直な２通りの方向に発生するの
で、横移動アクチュエータ２９はこの２通りの方向の移
動をもたらす。
【００３６】上記のように行われるサンプル１２の各移
動に続いてサンプリング点で力の場勾配の測定が行わ
れ、プローブ点はサンプル点より前のサンプル移動の終
わりに原子間力顕微鏡としての装置によるサーボ動作の
結果として振動の中心の周りで振動し続けることが好ま
しい。図１の装置例に関しては、これは、垂直位置決め
ドライバ２３を駆動するために使用し、アナログ・ディ
ジタル変換器５８でディジタル化され、計算システムの
データ・メモリ６０に格納される、積分器５４からの位
置決め信号が力の場データのサンプリング・プロセス中
にＺ位置ドライバ２３へのＺ位置データ入力として使用
されることを意味する。この動作モードはMODE信号によ
りスイッチ回路５７の動作によって達成され、ドライバ
２３への入力は、力の場データのサンプリング・プロセ
ス中はディジタル・アナログ変換器６６の出力に接続さ
れ、サンプル１２の移動中は積分器５４の出力に接続さ
れる。
【００３７】本発明によれば、力の場データのサンプリ
ング・プロセス中にプローブ先端１４はサンプル表面１
０に接触しない状態で保持され、プローブ先端１４は力
の場データの決定時よりかなり低い振幅で振動し、振動
のピークピーク・パターンの中心は第１の走査中と同じ
レベルになる。調査中の磁界に対する所望の応答を提供
するために、プローブ先端１４は、先端の頂上でＮ極ま
たはＳ極のいずれかの極を提供するように磁化された強
磁性材料で構成されるかまたはコーティングされる。従
来技術の項で前述したように、Roland Wiesendangerに
よるScanning Probe Microscopy and Spectroscopy---M
ethods and Applications（Cambridge University Pres
s、１９９４年、２５３〜２５６ページ）には、この種
の先端を生産するために使用可能なプロセスが記載され
ている。
【００３８】増幅器３６の利得は、計算システム３３か
らのMODE信号に応答するスイッチ回路６７の動作によ
り、各測定点で高レベルから低レベルに変化する。サン
プル１０が横に移動すると、スイッチ回路６７は第１の
フィードバック回路６８による増幅器３６のフィードバ
ック・ループを指示する。装置が力の場データをサンプ
リングしている場合、スイッチ回路６７は第２のフィー
ドバック回路７０による増幅器３６のフィードバック・
ループを指示する。フィードバック回路６８、７０間の
リアクタンスの差、すなわち、抵抗およびキャパシタン
スの差は、増幅器３６の利得の変動を引き起こすのに十
分なものなので、励起ドライバ回路２２を駆動する振動
信号の振幅は、サンプル１２の横移動中の方が力の場測
定中よりかなり大きくなる。
【００３９】力の場の測定中は、復調器４４内で測定さ
れ、アナログ・ディジタル変換器５８により計算システ
ム３３への入力として供給されるプローブ先端振動の振
幅レベルを図４および図５に関連して後述するように使
用して、サンプル表面１０から外に向かって延びる磁界
の方向および強度を決定する。
【００４０】図２は、本発明による図１の装置の動作を
示す流れ図である。図１および図２を参照すると、計算
システム３３内では、表面凹凸と表面１０から外に向か
って延びる磁界の両方についてサンプル表面１０を検査
するプロセスの様々なステップを制御するようにサブル
ーチンが動作する。このルーチンはブロック７２から始
まる。次にブロック７４では、サンプル１２の横移動の
ためにMODE信号を設定し、スイッチ６７の動作によって
可変利得増幅器３６を高利得モードに保持し、大振幅励
起信号が励起ドライバ２２への入力として供給され、ス
イッチ５７の動作によって垂直位置決めドライバ２３の
入力を積分器５４の出力に接続し、サーボ・システムの
動作によって振動中のプローブ先端１４がサンプル表面
１０の凹凸の変化をたどれるようにすることができる。
次にブロック７６では、データが取られる次の点までサ
ンプル１２を移動する。この点に達すると、ブロック７
８では、ｚデータ・レベル、すなわち、アナログ・ディ
ジタル変換器５８からの符号化信号を計算システム３３
のデータ・メモリ６０に格納する。
【００４１】次にブロック８０では、力の場を測定する
ようにMODE信号を設定し、スイッチ５７の動作によって
可変利得増幅器３６をその低利得モードに保持し、小振
幅励起信号が励起ドライバ２２への入力として供給さ
れ、スイッチ５７の動作によって垂直位置決めドライバ
２３の入力をディジタル・アナログ変換器６６の出力に
接続する。この変換器６６への入力はブロック７８で格
納された符号化データであるので、垂直位置決めドライ
バ２３への入力電圧は同じレベルのままになる。次にブ
ロック８２では、振動システムがドライバ２２からの小
振幅励起入力によって安定化できるようにした後、計算
システムはアナログ・ディジタル変換器５８の出力をサ
ンプリングし、次にこの変換器はプローブ先端１４が振
動している力の場の勾配を示す出力を供給する。次にこ
の変換器５８からの符号化信号は、磁界を表すデータと
してデータ・メモリ６０内に記録される。
【００４２】次にブロック８４では、走査が完了したか
どうかの判定を行う。走査が完了していない場合、すな
わち、サンプル値が取られるデータ点が他にもある場
合、サブルーチンはブロック７４に戻り、そこから上記
のプロセスを繰り返し、横移動のためにMODE信号を設定
することから始め、次のデータ点がプローブ先端１４に
隣接するまでサンプル１２を移動する。ブロック８４に
示すように、走査が完了するまでこのプロセスを繰り返
し、サブルーチンはブロック８６で終了できるようにな
る。
【００４３】図３は、図２に示すように動作する図１の
装置の場合のプローブ先端１４の運動（ｓ）を時間
（ｔ）の関数として示すグラフである。図１〜３を参照
すると、第１の期間９０の間、励起ドライバ２２によっ
て印加される大振幅励起機能によってプローブ先端１４
が振動すると、サンプル１２は横方向に移動する。図１
に関連して記載したように、この振動の中心線９２は、
サンプル表面１０の凹凸をたどるように移動する。第１
のサンプリング時９４では、サンプル１２の横運動が停
止し、アナログ・ディジタル変換器５８に格納された値
は計算システム３３に読み込まれ、ｚ位置データ点とし
てデータ・メモリ６０に格納される。
【００４４】第２の期間９６の間、横運動ドライバ３０
への入力信号が同じレベルに維持されるので、サンプル
１２は静止状態に保持される。垂直位置決めドライバ２
３への入力信号も同じレベルに維持されるので、中心線
９２の垂直位置も維持され、励起ドライバ２２によって
印加される小振幅励起機能によってプローブ先端１４が
振動する。振動システムが落ち着くための時間を見込
み、小振幅励起に応答して定常状態動作に接近した後、
第２のサンプリング時９８では、アナログ・ディジタル
変換器５８の値が計算システム３３に読み込まれ、力の
場勾配データ点としてデータ・メモリ６０に格納され
る。変換器５８からのこの値が取られると、第１の期間
９０の間に発生するより大きい振幅から先端の振動振幅
が低下するので、プローブ先端はサンプル表面１０に接
触せずに振動する。
【００４５】次に、第２の期間９６の終わりに、励起ド
ライバ２２によって印加される大振幅励起機能によって
プローブ先端１４が振動する。振動システムが落ち着く
ための時間を見込み、大振幅励起に応答して定常状態動
作に接近した後、第３の期間１００の間、サンプル１２
の横運動と、中心線９２の位置を制御するためのサーボ
動作の両方が復元され、次のデータ点がプローブ先端１
４に隣接するようにサンプル１２が横方向に移動する
と、第１の期間９０に関連して前述したように動作を続
行する。
【００４６】図４は、垂直アクチュエータ１６からの一
定振幅振動入力に対する片持ちばり１８とプローブ先端
１４とを含む振動システムの振動応答時にサンプル表面
１０（いずれも図１に示す）から外に向かって延びる勾
配を有する力の場の影響を示すグラフである。このタイ
プの力の場は、たとえば、その下にいくつかの磁化領域
が存在するサンプル表面１０の上に隣接しているが接触
していない状態で移動する磁化プローブ先端の使用によ
って確立される。たとえば、下に向かって延びるＮ極を
有するように磁化されたプローブ先端１４がＳ極として
磁化された領域の上を移動する場合、プローブ先端１４
がサンプル表面１０に向かって引かれ、引力の場が検出
される。このようなプローブ先端１４がＮ極として磁化
された領域の上を移動する場合、プローブ先端１４がサ
ンプル表面１０から押し戻され、斥力の場が検出され
る。いずれの場合も、力の場の大きさは、プローブ先端
１４がサンプル表面１０に接近するにつれて増加する。
【００４７】図４には、結果として得られる先端振動の
振幅（Ａ）が励起振動数（ｆ）の関数として示されてい
る。中央の曲線１０８は、共鳴振動数１１０で最大振幅
の振動が発生する場合で、力の場がないときにプローブ
先端１４がそれに取り付けられる片持ちばり１８からな
るシステムの周波数応答を示す。引力の場では、プロー
ブ先端が力が増加する方向に向かって引かれ、システム
の共鳴振動数は曲線１１２が示すように低下する。斥力
の場では、プローブ先端が力が減少する方向に押され、
システムの共鳴振動数は曲線１１４が示すように上昇す
る。
【００４８】発振器３４からの励起振動数は、テスト・
プロセス中に検出される力の場勾配によって発生する振
動システムの共鳴振動数の範囲外にある励起振動数１１
６で発生することが好ましい。そうでなければ、引力の
場または斥力の場のいずれかによって発生する振動振幅
のプローブ先端を用意することが可能である。図４の例
の励起振動数は共鳴振動数よりいくらか上である。この
ような条件下では、中間振幅１１８を有する周波数応答
は力の場勾配がないときのプローブ先端１４の振動の結
果であると理解され、中間振幅１１８より大きい振幅１
２０を有する周波数応答は斥力の場内のプローブ先端１
４の振動の結果であると理解され、中間振幅１１８より
小さい振幅１２２を有する周波数応答は引力の場内のプ
ローブ先端１４の振動の結果であると理解されている。
また、中間振幅１１８より上または下の振動振幅のレベ
ルは、力の場勾配のレベルの反映である。
【００４９】もう一度図１を参照すると、本発明の第１
の代替実施例では、プローブ先端振動とアクチュエータ
１６を駆動する振動励起信号との間の位相角を決定する
ことにより、サンプル１２の横運動が停止した状態で力
の場勾配が測定される。このような振動は、図３に示す
ように力の場をサンプリングするための低振幅で行われ
る。したがって、この装置の第１の代替バージョンは、
破線で図１に示す追加要素を含み、位相検出器１２０を
追加するが、これには励起ドライバ２２を駆動するため
に使用する振動励起信号とレーザ検出器４０からの出力
信号から構成される入力信号が供給される。位相検出器
１２０は、ドライバ２２への励起信号とレーザ検出器４
０によって測定されたプローブ先端振動との位相差を示
す信号を生成する。力の場勾配の測定中に、計算システ
ム３３は、計算、伝送、またはデータ・メモリ６０への
格納のために位相検出器１１６からこの位相角データを
受け入れる。
【００５０】図５は、励起ドライバ２２を駆動する励起
信号とプローブ先端１４の振動との位相角関係に対する
力の場勾配の影響を示すグラフである。図１、図４、図
５を参照すると、図５の３通りの曲線の変位は、図４に
関連して前述したように、力の場勾配による共鳴振動数
の変位を反映している。図５の各位相角曲線は、振動数
が０に近づくにつれて０度の角度に近づき、振動数が非
常に高くなるにつれて１８０度の角度に近づき、いずれ
の場合もプローブ先端１４の振動は励起信号より遅れ
る。力の場の各条件下では、励起信号がプローブ先端１
４と片持ちばり１８とを含む振動システムの共鳴振動数
のときに、位相角が９０度になる。したがって、中央の
位相角曲線１１８は力の場がないときのこの振動システ
ムの応答を表している。引力の場では、共鳴振動数が低
下し、位相角は曲線１２４が示すように変動する。斥力
の場では、共鳴振動数が増加し、位相角は曲線１２６が
示すように変動する。
【００５１】位相角測定は、励起ドライバ２２により印
加され、線１１６によって表される一定振動数の励起に
よって行われる。この一定振動数は、力の場がないとき
の振動システムの共鳴振動数またはその付近の振動数に
することができる。測定位相角がこのような界がないと
きに測定した位相角１２８を上回る場合は引力を示し、
測定位相角がこの位相角１２８を下回る場合は斥力を示
す。また、測定位相角と位相角１２８との差は、力の場
勾配の大きさも示す。
【００５２】上記の説明では、サンプル１２内の磁気領
域によって発生する外部界を測定するための本発明の使
い方について記載した。本発明は、サンプル内の電気的
に充電された領域によって発生する外部界の測定など、
他の目的にも使用することができる。
【００５３】図６は、電界の測定を容易にするためにプ
ローブ先端１４に適用される変更を示す概略図である。
先端１４の上に置かれた導電カバー１３０は電源１３２
に接続されている。電源１３２のもう一方の端子はサン
プル１３６に電気的に接続されているので、サンプル１
３６に対して相対的に導電コーティング１３０に電位が
印加される。サンプル１３６の性質に応じて、たとえ
ば、サンプルの内部または外部導電平面に電源１０４を
取り付けることができる。符号が対向する電荷同士は引
きつけ合うが、符号が同じ電荷同士は互いに反発するの
で、この構成は、サンプル表面１３８から離れる移動に
よって力のレベルを減少する勾配を有する力の場を確立
する。したがって、図４および図５に関連して前述した
結果が検出され、力の場の方向およびレベルは上記のよ
うに決定される。
【００５４】図７は、本発明の第２の代替バージョンに
よるプローブ先端１４の運動（ｓ）を時間（ｔ）の関数
として示すグラフである。このバージョンのプローブ先
端１４は、サンプル移動と力の場勾配測定のプロセス全
体にわたって一定の振幅および振動数を有する励起機能
によって振動する。図１および図７を参照すると、この
第２の代替バージョンでは、増幅器３６の可変利得の特
徴は不要である。図１の実施態様の例では、リアクタン
ス６８、７０によりスイッチ回路６７や異なるフィード
バック経路の必要性は一切ない。この第２の代替バージ
ョンでは、サンプル表面１０に接触せずに振動プローブ
先端１４が移動する。
【００５５】図１および図７を参照すると、第１の期間
１４０の間、励起ドライバ２２によって印加される大振
幅励起機能によってプローブ先端１４が振動すると、サ
ンプル１２は横方向に移動する。図１に関連して前述し
たように、この振動の中心線９２は、サンプル表面１０
の凹凸をたどるように移動する。第１のサンプリング時
１４２では、サンプル１２の横運動が停止し、アナログ
・ディジタル変換器５８に格納された値は計算システム
３３に読み込まれ、ｚ位置データ点としてデータ・メモ
リ６０に格納される。
【００５６】第２の期間１４４の間、横運動ドライバ３
０への入力信号が同じレベルに維持されるので、サンプ
ル１２は静止状態に保持される。同じ大振幅信号が励起
ドライバ２２に印加されるので、プローブ先端１４とサ
ンプル表面１０との接触を防止するのに十分なオフセッ
ト電圧によって、垂直位置決めドライバ２３への入力信
号レベルが増加する。このオフセット電圧は、振動中の
プローブ先端１４がサンプル表面１０との接触から引き
離されたときの振幅の増加を考慮しながら選択されてい
る。計算システム３３では、データ・メモリ６０内に最
も最近格納されたｚ位置データ値にこのオフセット電圧
を追加することにより、ｚ位置データの新しい値が計算
される。
【００５７】振動システムが落ち着くための時間を見込
み、新しい垂直高さに応答して定常状態動作に接近した
後、第２のサンプリング時１４６では、アナログ・ディ
ジタル変換器５８の値が計算システム３３に読み込ま
れ、力の場勾配データ点としてデータ・メモリ６０に格
納される。変換器５８からのこの値が取られると、オフ
セット電圧の印加により、プローブ先端はサンプル表面
１０に接触せずに振動する。
【００５８】次に、第２の期間１４４の終わりに、大振
幅励起機能が励起ドライバ２２によって印加されて、プ
ローブ先端１４が振動し、使用により振動の中心線が返
される。振動システムが落ち着くための時間を見込み、
新しい中心の周りの大振幅励起に応答して定常状態動作
に接近した後、第３の期間１４８の間、サンプル１２の
横運動と、中心線９２の位置を制御するためのサーボ動
作の両方が復元され、次のデータ点がプローブ先端１４
に隣接するようにサンプル１２が横方向に移動すると、
第１の期間９０に関連して前述したように動作を続行す
る。
【００５９】本出願と同一の譲受人を有し、本出願と同
じ日に出願され、参照により本出願に組み込まれる「De
tecting Fields with a Two-Pass, Dual-Amplitude-Mod
e Scanning Force Microscope」という名称の関連米国
特許出願（整理番号BC9-97-006）では、図１に関連して
前述したものと同様または同一の装置を使用して、サン
プル表面と、サンプル表面から外に向かって延びる力の
場を表す凹凸データを求める。この出願には、走査線に
沿って第１および第２のパスで駆動される走査力顕微鏡
としてのこの装置の使い方が記載され、サンプル表面の
凹凸は原子間力顕微鏡として第１の走査中に決定され、
磁界または電界は第２のパス中に測定される。第１のパ
スからの凹凸データは、第２のパス中にサンプル表面か
らの一定の変位でプローブ先端を移動するために使用
し、第２のパス中のプローブ先端とサンプル表面との接
触は先端振動の振幅を低減することによって防止され
る。
【００６０】本発明の第３の代替バージョンでは、図１
の装置が、図１〜７に関連して前述した第１のモード
と、上記の関連米国特許出願（整理番号BC9-97-006）に
詳述された第２のモードで交互に使用される。すなわ
ち、単一パス中に走査線に沿って取られた複数のサンプ
ル点でサンプル表面１０から外に向かって延びる力の場
を測定するか、または同じ走査線に沿った第１のパス中
に凹凸データを収集した後で走査線に沿った第２のパス
中に力の場データを取る。第１または第２のモードの動
作は、１つまたは複数の磁気ディスク１５０によって命
令メモリ内にロードされ、計算システム３３内で動作す
るサブルーチンの制御下で行われる。どのモードを使用
するかの判定は、ディスプレイ・ユニット１５１上に表
示されたメニューに応答して行われた選択によってオペ
レータが選択可能なものにすることができる。
【００６１】図８は、本発明の第３の代替バージョンの
第２の動作モードにおけるサンプル１２の第１および第
２の横走査パスに関連するプローブ先端１４の相対垂直
移動の概略を示す、サンプル１２の縦断面図である。図
１および図８を参照すると、サンプル１２は、検査中の
表面１０と、表面１０の下にあるいくつかの磁化領域１
５２とを含む。第１のパス中、サンプル１２は矢印１５
４の方向に移動し、振動パターン１５６がプローブ先端
１４に印加される。図１に関連して前述したように、プ
ローブ先端の振動の中心は線１５８に沿って表面１０の
凹凸をたどり、所定の距離１６０だけ表面１０の上を変
位する。第２のパス中、サンプル１２は矢印１５４の方
向とは反対に移動し、振動パターン１５２がプローブ先
端１４に印加される。第２のパス中のプローブ先端１４
の振動の中心を表す線１５４は、差動変位距離１６６に
より前者の中心線１５８から下に変位する。
【００６２】領域１５２などの表面下の磁気領域に関連
する磁界を正確に測定するには、プローブ先端１５４が
サンプル表面１０と接触せずに移動するが、振動の中心
線がサンプル表面１０から一定の距離を移動する状態
で、第２パスの測定を行う必要がある。特に、プローブ
先端１４とサンプル表面１０が接触すると、表面の凹凸
から得た信号が磁界による信号と混同される。また、表
面１０から離れて振動の中心を移動させると、空間解像
度の損失が発生する。本発明によれば、このような条件
は、第２のパス中にプローブ先端１４が駆動される振動
の振幅を大幅に低減することによって満たされる。本発
明を使用すると、パターン１６２および１５６の比較が
示すように、第２のパス中の励起振動数の振幅の低減に
より上記の目標が両方とも達成される。このような振動
振幅の低減により、プローブ先端１４とサンプル表面１
０との接触を発生せずに、その周りで振動が発生する中
心８４はサンプル表面１０に向かって移動する。
【００６３】このようにして、空間解像度の点で従来技
術の方法を上回る重大な利点が得られるが、プローブ振
動の中心線は実際にはサンプル表面から離れて移動す
る。この利点は、サンプル表面からの距離につれて急速
に衰える外に向かって延びる界を発生するような特に小
さい磁化領域を有するいくつかの商業的に重要な応用例
では特に重要である。上記の説明では、線１６４が示す
第２のパスの振動中心を、線１５８が示す第１のパスの
振動中心に対して相対的に下に移動するものとして説明
してきたが、従来技術に対して重大な利点を維持しなが
ら、これらの線１５８、１６４が一致しうるものである
ことが分かるだろう。というのは、第２のパスの間に振
動の中心を上に移動する必要なしに、振動中のプローブ
先端１４とサンプル表面１０との隙間が確立されるから
である。
【００６４】領域１５２など、サンプル１２内の磁化領
域は、サンプル表面１０の上に延びる磁界を発生し、勾
配が比較的鋭い場合は表面１０から外側の距離の増加に
つれて界の強度を低下させる。プローブ先端１４など、
適度に小さい磁化プローブをこのような界に入れると、
それに対して力が作用するが、その力は、サンプル表面
１０に向かって界の強度を増加する方向にプローブを引
き寄せる引性か、サンプル表面から離れて界の強度を減
少する方向にプローブを押し出す反発性のいずれかにな
る。このようにして力の場が生成されると、プローブ先
端１４に対して引力または斥力が作用し、磁界によって
確立された勾配につれてこのような力が変動する。
【００６５】図１、図４、図８を参照すると、振動のレ
ベル間の関係は、図１に関連して前述した共鳴の影響を
含む、実際の先端運動の諸条件を反映するものであるこ
とが分かる。第２のパス中に一定の振幅および振動数の
振動がアクチュエータ２０に印加されるが、その結果の
プローブ先端１４の振動の振幅は、プローブ先端１４が
移動する力の場の変化につれて変動するものと予想され
る。本発明によれば、このような変動にかかわらず、第
２のパス中の先端振動の振幅は、第１のパス中に発生す
る先端振動の振幅より大幅に低いままになるので、第１
のパスのそのレベルより上に先端振動の中心を持ち上げ
なければならないという従来技術の要件なしに、第２の
パスによりプローブを移動することができる。
【００６６】上記の説明では、サンプル１２内の磁気領
域によって発生する外部界を測定するための本発明の使
い方について記載した。本発明は、サンプル内の電気的
に充電された領域によって発生する外部界の測定など、
他の目的にも使用することができる。一般に、この方法
は、この結果の力の場がサンプル表面から外に向かって
延びる線に対する勾配を有する限り、プローブがサンプ
ル表面１０に隣接して移動するときに磁界または電界な
どの界がプローブに作用する力の界を発生する場合であ
れば必ず適用可能である。
【００６７】計算システム３３は、いくつかの磁気記録
ディスク１５０の形式で供給された後にそこに格納され
た１つまたは複数のサブルーチンを実行する。このよう
なサブルーチンは、凹凸データの測定中と力の場データ
の測定中のいずれでも図１の装置の動作を制御し、サン
プルの凹凸と界の強度に関するデータの格納および変換
を制御する。
【００６８】図９は、凹凸と力の場勾配の測定間で別々
の励起振動数を備えるために図１に関連して前述した他
の構成要素とともに使用する、代替励起信号回路１６７
を示す部分概略図である。この代替励起信号回路１６７
のスイッチ１６８は、MODE信号の状態に応じて出力線１
７０を第１の発振器１７２または第２の発振器１７４の
いずれかに接続する。出力線１７０は励起ドライバ２２
への入力を供給する。この構成では、図１に関連して前
述したように、可変利得増幅器３６の使用は不要であ
る。というのは、第１および第２のパス内の振動振幅間
の前述の関係は、発振器１７２、１７４の回路を調整す
ることによって容易に得ることができる。
【００６９】図１および図９を参照すると、サンプル表
面１０の凹凸を測定するために原子間力顕微鏡として動
作する装置により、励起振動数がそこにプローブ１４が
取り付けられた片持ちばり１８の共鳴振動数と等しいと
きに凹凸の変化に対する最大感度が達成される。しか
し、図４に関連して前述したように、プローブ振動の振
幅の変動を測定することにより力の場の勾配を測定する
ためにこの装置を使用する場合、先端振動振幅の変化を
引き起こす力の場勾配の方向の決定を可能にするため、
また、力の場勾配の変化によって発生する振幅変化のレ
ベルを最大にするために、ドライバ２２への励起信号は
共鳴振動数よりいくらか上または下の振動数にしなけれ
ばならない。力の場測定中の励起振動数は、力の場勾配
を測定するプロセス中に検出可能な共鳴振動数の範囲外
であることが好ましい。したがって、第１および第２の
両方のパス中の測定がプローブ振幅の変動を使用して行
われる場合、第１のパス中は共鳴振動数で、第２のパス
中は共鳴振動数よりいくらか上または下のレベルでドラ
イバ２２に入力信号を供給するように代替信号励起回路
１６７を使用することによって、最大レベルの感度が得
られる。
【００７０】その好ましい形式または実施例で、ある程
度まで詳しく本発明を説明してきたが、この説明は例と
してのみ示すものであり、本発明の範囲および精神を逸
脱せずに、各部の組合せおよび配置を含む、構築、製
作、および使用の細部について多数の変更が可能である
ことを理解されたい。たとえば、プローブを移動する垂
直アクチュエータは、セグメント化電極の一方のセグメ
ントに振動励起信号が印加され、そのもう一方のセグメ
ントに位置決め信号が印加されるようなセグメント化バ
イモルフ圧電アクチュエータとして示されているが、本
発明は、位置信号と振動信号の和からなる信号によって
駆動される他のタイプのアクチュエータを使用すること
により、他の適用方法も可能である。
【００７１】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００７２】（１）サンプル表面上の走査線に沿って間
隔を開けた関係にある複数のサンプリング点で測定を行
い、前記サンプル表面の凹凸特徴とそこから外に向かっ
て延びる力の場を測定するための方法において、（ａ）
前記サンプル表面と、前記サンプル表面とかみ合った状
態で振動させた片持ちばりに取り付けられたプローブ先
端との間で相対運動を引き起こすステップであって、前
記相対運動が前記複数のサンプリング点内の１つのサン
プリング点まで走査線に沿って発生し、前記サンプル表
面との所定のレベルのかみ合いを維持するために可変オ
フセット距離の間、前記プローブ先端も前記サンプル表
面に対して垂直なＺ軸に沿って移動するステップと、
（ｂ）前記サンプリング点で前記走査線に沿った前記相
対運動を停止するステップであって、前記サンプリング
点で前記ステップ（ａ）で確立された前記可変オフセッ
ト距離から決定されたサンプル・オフセット距離の周り
で前記プローブ先端が振動するステップと、（ｃ）前記
サンプリング点に隣接する前記プローブ先端の振動を測
定するステップと、（ｄ）前記プローブ先端が前記複数
のサンプリング点内の次のサンプリング点に隣接するま
で前記走査線に沿った前記相対運動を続行するように前
記ステップ（ａ）に戻るステップとを含む方法。 （２）前記サンプル・オフセット距離が前記サンプリン
グ点で前記ステップ（ａ）で確立された前記可変オフセ
ット距離に等しくなり、前記プローブ先端が前記ステッ
プ（ａ）の間に第１の振動振幅で振動し、前記プローブ
先端が励起手段によって振動し、前記励起手段により前
記プローブ先端が前記ステップ（ｂ）および（ｃ）の間
に前記サンプル表面から前記プローブ先端を分離するよ
うに前記第１の振幅より十分小さい振幅で振動する、上
記（１）に記載の方法。 （３）前記サンプル・オフセット距離が、前記サンプリ
ング点で前記ステップ（ａ）で確立された前記可変オフ
セット距離と、前記サンプル表面から分離した状態で前
記振動中のプローブ先端を移動するのに十分な追加オフ
セット距離との和に等しい、上記（１）に記載の方法。 （４）前記プローブ先端が励起手段による柔軟な結合に
よって振動し、前記ステップ（ｃ）が前記プローブ先端
の振動の振幅の測定を含む、上記（１）に記載の方法。 （５）力の場勾配が前記ステップ（ｃ）で測定されると
きに、前記プローブ先端がそれに取り付けられた前記片
持ちばりの共鳴振動数が所定の振動数範囲内で変化し、
前記プローブ先端が、前記ステップ（ａ）の間に力の場
勾配がないときに前記プローブ先端がそれに取り付けら
れた前記片持ちばりの共鳴振動数と等しい第１の振動数
で振動し、前記第１の振動数が前記振動数範囲の範囲内
であり、前記プローブ先端が前記ステップ（ｂ）および
（ｃ）の間に前記振動数範囲の外側にある第２の振動数
で振動する、上記（４）に記載の方法。 （６）前記プローブ先端が励起手段による柔軟な結合に
よって振動し、前記ステップ（ｃ）が前記プローブ先端
の振動と前記励起手段の振動との位相角の測定を含む、
上記（１）に記載の方法。 （７）前記プローブ先端が、位置決め手段と振動手段に
よる柔軟な結合によって駆動される、上記（１）に記載
の方法。 （８）サンプル表面の凹凸とそこから外に向かって延び
る力の場を測定するための装置において、前記力の場の
範囲内の力によって移動可能なプローブ先端と、片持ち
ばりによって前記プローブ先端に取り付けられた垂直ア
クチュエータであって、前記サンプル表面に対して垂直
なＺ軸に沿って前記プローブ先端を移動する垂直アクチ
ュエータと、前記プローブ先端と前記サンプル表面との
間で相対運動を発生するための横駆動手段であって、前
記相対運動が走査線に沿って前記サンプル表面に対して
平行である横駆動手段と、前記垂直アクチュエータに振
動励起信号を印加する振動励起回路と、前記垂直アクチ
ュエータに位置決め信号を印加する位置決め駆動回路
と、前記プローブ先端の振動の振幅を検出するための先
端振動検出手段と、前記先端振動検出手段の出力信号か
ら生成されたデータを格納するデータ記憶手段と、前記
相対運動が断続的になる第１のモードで前記装置を操作
する制御手段であって、所定のレベルの振動振幅を維持
するように前記位置決め信号が生成されると前記相対運
動中に前記サンプル表面とかみ合った状態で前記プロー
ブ先端が振動し、前記相対運動が走査線に沿った複数の
サンプリング点で停止し、その後、前記複数のサンプリ
ング点内の様々なサンプリング点から前記走査線に沿っ
て前記相対運動が再開し、前記複数のサンプリング点内
の各サンプリング点で前記相対運動が停止し保持された
ときに前記力の場の条件を決定するために前記先端振動
検出手段によって前記サンプル表面と接触しない状態の
前記プローブ先端の振動が測定される制御手段とを含む
装置。 （９）前記複数のサンプリング点内の各サンプリング点
で前記相対運動が停止し保持されたときに前記先端振動
検出手段によって測定された前記プローブ先端の前記振
動振幅が、前記サンプリング点における前記力の場の条
件を示すために前記データ記憶手段内に記録される、上
記（８）に記載の装置。 （１０）前記力の場の勾配が測定されるときに、前記プ
ローブ先端がそれに取り付けられた前記片持ちばりの共
鳴振動数が所定の振動数範囲内で変化し、前記プローブ
先端が前記サンプル表面とかみ合った状態で振動すると
きに、前記振動励起信号が、力の場勾配がないときに前
記プローブ先端がそれに取り付けられた前記片持ちばり
の共鳴振動数と等しい第１の振動数で振動し、前記第１
の振動数が前記振動数範囲の範囲内であり、前記プロー
ブ先端が前記サンプル表面と接触せずに振動するとき
に、前記振動励起信号が前記振動数範囲の外側にある第
２の振動数で振動する、上記（９）に記載の装置。 （１１）前記先端振動検出手段が、前記複数のサンプリ
ング点内の前記各サンプリング点で前記相対運動が停止
し保持されたときに前記振動励起信号と前記プローブ先
端の振動との位相角を検出するための位相検出手段をさ
らに含み、前記サンプリング点における前記力の場の条
件を示すために前記位相検出手段の出力が前記データ記
憶手段内に記録される、上記（８）に記載の装置。 （１２）前記相対運動中に前記先端振動検出手段によっ
て測定された前記プローブ先端の振動の前記振幅を使用
して、そこから前記位置決め信号が生成される補正信号
を生成し、前記複数のサンプリング点内の１つのサンプ
リング点で前記相対運動が停止したときに、前記位置決
め信号が、前記相対運動が前記サンプリング点で停止し
たときに前記位置信号の可変レベルから決定されたサン
プル・レベルに保持される、上記（８）に記載の装置。 （１３）前記サンプル・レベルが、前記相対運動が前記
サンプリング点で停止したときの前記可変レベルに等し
くなり、前記プローブ先端が前記相対運動中に第１の振
幅で振動し、前記励起回路により、前記プローブ先端
が、前記相対運動が前記サンプリング点で停止したとき
に、前記サンプル表面から前記プローブ先端を分離する
ように前記第１の振幅より十分小さい振幅で振動する、
上記（１２）に記載の装置。 （１４）前記サンプル・レベルが、前記サンプリング点
で前記相対運動が停止したときの前記可変レベルと、そ
れが振動しているときに前記サンプル表面から分離した
状態で前記プローブ先端を移動するのに十分な追加レベ
ルとの和に等しい、上記（１２）に記載の装置。 （１５）前記制御手段が第２のモードで前記装置を操作
し、第１および第２のパスを順次行う際に前記相対運動
が前記走査線に沿って発生し、前記プローブ先端が前記
第１のパス中に前記サンプルとかみ合った状態で振動
し、前記プローブ先端の信号の振幅が所定のレベルに保
持されるように前記先端検出手段の出力を使用してそこ
から前記位置決め信号が生成される補正信号を生成し、
前記位置決め信号を表すデータが前記データ記憶手段に
格納され、前記プローブ先端が前記第２のパス中に前記
サンプルから分離した状態で振動し、前記第１のパス中
に前記データ記憶手段に格納された前記位置決め信号を
表す前記データを使用して前記第２のパス中の前記位置
決め信号の値を決定し、前記第２のパス中に前記振動検
出手段によって測定された前記プローブ先端の振動を使
用して前記力の場の条件を決定する、上記（８）に記載
の装置。 （１６）サンプル表面の凹凸とそこから外に向かって延
びる力の場を測定するための装置において、片持ちばり
の遠位端に取り付けられたプローブ先端と、前記サンプ
ル表面上の走査線に沿って前記プローブ先端と前記サン
プル表面との間で断続相対走査運動を発生する横駆動手
段であって、前記プローブ先端と前記サンプル表面は、
前記プローブ先端が前記走査線に沿った前記断続相対走
査運動の間、前記走査線に沿って複数のサンプリング点
内の各サンプリング点に隣接した状態でサンプリング期
間中に保持される横駆動手段と、垂直駆動手段に印加さ
れた位置信号に応じて、前記サンプル表面に対して垂直
なＺ軸に沿って前記プローブと前記サンプル表面との間
で相対運動を引き起こす垂直駆動手段と、前記片持ちば
りの近位端を振動する励起駆動手段と、前記プローブ先
端の振動の振幅を検出する振動検出器と、前記相対走査
運動中に前記プローブ先端と前記サンプル表面との一定
レベルのかみ合いを維持するために前記振動検出器の出
力から決定された補正信号に応じて前記位置制御信号を
生成する制御手段であって、前記各サンプリング期間中
に前記サンプル表面から分離した状態で前記プローブ先
端を振動させるために前記位置制御信号を生成し、前記
励起駆動手段を操作する制御手段と、前記各サンプリン
グ点ごとに、前記サンプル表面とかみ合った状態で前記
プローブを振動したときの前記位置制御信号から決定さ
れた第１の値と、前記サンプル表面から分離した状態で
前記プローブを振動したときの前記振動検出器の出力か
ら決定された第２の値とを格納するデータ記憶手段であ
って、前記第１の値は前記サンプル表面凹凸レベルを示
し、前記第２の値は前記力の場の条件を示すデータ記憶
手段とを含む装置。 （１７）前記各サンプリング期間中に、前記制御手段
が、前記サンプリング期間より前の前記相対走査運動の
終わりに前記位置制御信号の値に等しい一定値で前記位
置制御信号を生成し、前記制御手段が、前記サンプル表
面から分離した状態に前記プローブ先端を保持するのに
十分なほど小さい振幅で前記プローブ先端を振動するよ
うに前記励起駆動手段を操作する、上記（１６）に記載
の装置。 （１８）前記制御手段が、前記各相対走査運動中および
前記各サンプリング期間中に所定の振幅で前記片持ちば
りの前記近位端を振動するように前記励起駆動手段を操
作し、前記各サンプリング期間中に、前記制御手段が、
前記プローブ先端が前記サンプル表面とかみ合うのを防
止するのに十分なオフセット値とともに、前記サンプリ
ング期間より前の前記相対走査運動の終わりに前記位置
制御信号の値に等しい一定値で前記位置制御信号を生成
する、上記（１６）に記載の装置。 （１９）前記第２の値が、前記振動検出器によって検出
された前記プローブ先端の振動の振幅から決定される、
上記（１６）に記載の装置。 （２０）前記力の場の勾配が測定されるときに、前記プ
ローブ先端がそれに取り付けられた前記片持ちばりの共
鳴振動数が所定の振動数範囲内で変化し、前記プローブ
先端が前記サンプル表面とかみ合った状態で振動すると
きに、前記励起駆動手段が、力の場勾配がないときに前
記プローブ先端がそれに取り付けられた前記片持ちばり
の共鳴振動数と等しい第１の振動数で前記片持ちばりの
前記近位端を振動し、前記第１の振動数が前記振動数範
囲の範囲内であり、前記プローブ先端が前記サンプル表
面と接触せずに振動するときに、前記励起駆動手段が前
記振動数範囲の外側にある第２の振動数で前記片持ちば
りの前記近位端を振動する、上記（１９）に記載の装
置。 （２１）前記振動検出器が、前記プローブ先端の振動と
前記励起駆動手段の振動との位相角差も検出し、前記第
２の値が前記位相角差によって決定される、上記（１
６）に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により構築した装置の概略図である。
【図２】図１の装置の動作を示す流れ図である。
【図３】本発明の第１のバージョンによる図１の装置の
プローブ先端の運動を時間の関数として示すグラフであ
る。
【図４】変化する力の場の条件下における図１の装置内
のプローブ先端の振動の振幅を示すグラフである。
【図５】変化する力の場の条件下において、このような
振動を駆動する励起機能に対する図１の装置内のプロー
ブ先端の振動の位相角を示すグラフである。
【図６】電界の測定を容易にするために図１の装置内の
プローブ先端の変更を示す概略図である。
【図７】本発明の第２の代替バージョンによる図１の装
置のプローブ先端の運動を時間の関数として示すグラフ
である。
【図８】本発明の第３のバージョン内の第２の動作モー
ドによる図１の装置内のプローブ先端の移動を示すグラ
フとともに、図１の装置内で検査中のサンプルの縦断面
図である。
【図９】凹凸と力の場勾配の測定間で別々の励起振動数
を備えるために図１に関連して前述した他の構成要素と
ともに使用する、代替励起信号回路を示す部分概略図で
ある。
【符号の説明】
１０ 表面 １２ サンプル １４ プローブ先端 １６ バイモルフ圧電アクチュエータ １８ 片持ちばり ２０ 上部電極 ２２ ドライバ回路、垂直ドライバ ２３ ドライバ回路、垂直位置決めドライバ ２４ 下部電極 ２６ ストリップ ２７ 近位端 ２８ 遠位端 ２９ 横運動アクチュエータ ３０ 横運動ドライバ ３１ 振動励起セグメント ３２ 位置制御電極セグメント、位置制御ドライバ回路 ３３ 計算システム ３４ 発振器 ３６ 可変利得増幅器 ４０ レーザ検出器 ４２ 反射表面 ４４ 復調器 ４６ 比較回路 ５４ 積分器 ５７ スイッチ回路 ５８ アナログ・ディジタル変換器 ６０ 内部ランダム・アクセス・メモリ ６２ ディジタル・アナログ変換器 ６６ ディジタル・アナログ変換器 ６７ スイッチ回路 ６８ フィードバック回路 ７０ フィードバック回路
フロントページの続き (72)発明者 エドウィン・フレッチャ アメリカ合衆国33433 フロリダ州ボ カ・ラトン マーテラ・アベニュー 22185 (72)発明者 ジェームズ・マイケル・ハモンド アメリカ合衆国33486 フロリダ州ボ カ・ラトン ツウェルフス・ストリート サウスウェスト 1365 (72)発明者 ケニス・ギルバート・レスラー アメリカ合衆国33431 フロリダ州ボ カ・ラトン サーティース・ロード ノ ースウェスト 2096 (56)参考文献 特開 平５−187864（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−213910（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−203626（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−270434（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−311841（ＪＰ，Ａ) 特公 平８−30708（ＪＰ，Ｂ２) 特許2534439（ＪＰ，Ｂ２) 国際公開96／24026（ＷＯ，Ａ１) Ｓｕｍｉｏ Ｈｏｓａｋａ， Ａｔｓ ｕｓｈｉ Ｋｉｋｕｋａｗａ， Ｙｕｋ ｉｏ Ｈｏｎｄａ， Ｈａｊｉｍｅ Ｋ ｏｙａｎａｇｉ ａｎｄ Ｓｈｉｎｊｉ Ｔａｎａｋａ，”Ｓｉｍｕｌｔａｎｅ ｏｕｓ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｒａｙ Ｆｉｅｌｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔ ｒｕｃｔｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ｎｅｗ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”, Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ, 日本，応用物理学欧文誌刊行会，1992年 ７月 １日，第31巻、Ｐｔ．２、第７ Ａ号，ｐ．Ｌ904−Ｌ907 Ｙ． Ｅ． Ｓｔｒａｕｓｓｅｒ ａ ｎｄ Ｍ． Ｇ． Ｈｅａｔｏｎ，”Ｓ ｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒ ｏｓｃｏｐｙ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＣＥＮＴ ＩＮＮＯＶＡＴ ＩＯＮＳ”，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｌａｂ ｏｒａｔｏｒｙ，米国，1994年 ４月, 第26巻、第６号，ｐ，20、24−26、28、 29 Ｄ． Ｒｕｇａｒ， Ｈ． Ｊ． Ｍ ａｍｉｎ， Ｐ． Ｇｕｅｔｈｎｅｒ, Ｓ． Ｅ． Ｌａｍｂｅｒｔ， Ｊ. Ｅ． Ｓｔｅｒｎ， Ｉ． ＭｃＦａ ｄｙｅｎ， ａｎｄ Ｔ． Ｙｏｇ ｉ，”Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ａｐ ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｌｏｎｇｉ ｔｕｄｉｎａｌ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｍｅｄｉａ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，米 国，Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ, 1990年 ８月 １日，第68巻、第３号, ｐ．1169−1183 (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 (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】サンプル表面上の走査線に沿って間隔を開
    けた関係にある複数のサンプリング点で測定を行い、前
    記サンプル表面の凹凸特徴とそこから外に向かって延び
    る力の場を測定するための方法において、 （ａ）前記サンプル表面と、前記サンプル表面とかみ合
    った状態で振動させた片持ちばりに取り付けられたプロ
    ーブ先端との間で相対運動を引き起こすステップであっ
    て、前記相対運動が前記複数のサンプリング点内の１つ
    のサンプリング点まで走査線に沿って発生し、前記サン
    プル表面との所定のレベルのかみ合いを維持するために
    可変オフセット距離の間、前記プローブ先端も前記サン
    プル表面に対して垂直なＺ軸に沿って移動するステップ
    と、 （ｂ）前記サンプリング点で前記走査線に沿った前記相
    対運動を停止するステップであって、前記サンプリング
    点で前記ステップ（ａ）で確立された前記可変オフセッ
    ト距離から決定されたサンプル・オフセット距離の周り
    で前記プローブ先端が振動するステップと、 （ｃ）前記サンプリング点に隣接する前記プローブ先端
    の振動を測定するステップと、 （ｄ）前記プローブ先端が前記複数のサンプリング点内
    の次のサンプリング点に隣接するまで前記走査線に沿っ
    た前記相対運動を続行するように前記ステップ（ａ）に
    戻るステップとを含み、 前記プローブ先端が、振動励起回路によって振動励起信
    号が印加されて前記プローブ先端を振動させる振動励起
    セグメントと、位置決め駆動回路によって位置決め信号
    が印加されて前記プローブ先端が前記サンプル表面の凹
    凸をたどるようにする位置制御電極セグメントとを含む
    垂直アクチュエータに前記片持ちばりによって取り付け
    られている 方法。
  2. 【請求項２】前記サンプル・オフセット距離が前記サン
    プリング点で前記ステップ（ａ）で確立された前記可変
    オフセット距離に等しくなり、 前記プローブ先端が前記ステップ（ａ）の間に第１の振
    動振幅で振動し、 前記プローブ先端が励起手段によって振動し、前記励起
    手段により前記プローブ先端が前記ステップ（ｂ）およ
    び（ｃ）の間に前記サンプル表面から前記プローブ先端
    を分離するように前記第１の振幅より十分小さい振幅で
    振動する、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記サンプル・オフセット距離が、前記サ
    ンプリング点で前記ステップ（ａ）で確立された前記可
    変オフセット距離と、前記サンプル表面から分離した状
    態で前記振動中のプローブ先端を移動するのに十分な追
    加オフセット距離との和に等しい、請求項１に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】前記プローブ先端が励起手段による柔軟な
    結合によって振動し、 前記ステップ（ｃ）が前記プローブ先端の振動の振幅の
    測定を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】力の場勾配が前記ステップ（ｃ）で測定さ
    れるときに、前記プローブ先端がそれに取り付けられた
    前記片持ちばりの共鳴振動数が所定の振動数範囲内で変
    化し、 前記プローブ先端が、前記ステップ（ａ）の間に力の場
    勾配がないときに前記プローブ先端がそれに取り付けら
    れた前記片持ちばりの共鳴振動数と等しい第１の振動数
    で振動し、前記第１の振動数が前記振動数範囲の範囲内
    であり、 前記プローブ先端が前記ステップ（ｂ）および（ｃ）の
    間に前記振動数範囲の外側にある第２の振動数で振動す
    る、請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記プローブ先端が励起手段による柔軟な
    結合によって振動し、 前記ステップ（ｃ）が前記プローブ先端の振動と前記励
    起手段の振動との位相角の測定を含む、請求項１に記載
    の方法。
  7. 【請求項７】前記プローブ先端が、位置決め手段と振動
    手段による柔軟な結合によって駆動される、請求項１に
    記載の方法。
  8. 【請求項８】サンプル表面の凹凸とそこから外に向かっ
    て延びる力の場を測定するための装置において、 前記力の場の範囲内の力によって移動可能なプローブ先
    端と、 片持ちばりによって前記プローブ先端に取り付けられた
    垂直アクチュエータであって、前記サンプル表面に対し
    て垂直なＺ軸に沿って前記プローブ先端を移動する垂直
    アクチュエータと、 前記プローブ先端と前記サンプル表面との間で相対運動
    を発生するための横駆動手段であって、前記相対運動が
    走査線に沿って前記サンプル表面に対して平行である横
    駆動手段と、 前記垂直アクチュエータに振動励起信号を印加する振動
    励起回路と、 前記垂直アクチュエータに位置決め信号を印加する位置
    決め駆動回路と、 前記プローブ先端の振動の振幅を検出するための先端振
    動検出手段と、 前記先端振動検出手段の出力信号から生成されたデータ
    を格納するデータ記憶手段と、 前記相対運動が断続的になる第１のモードで前記装置を
    操作する制御手段であって、所定のレベルの振動振幅を
    維持するように前記位置決め信号が生成されると前記相
    対運動中に前記サンプル表面とかみ合った状態で前記プ
    ローブ先端が振動し、前記相対運動が走査線に沿った複
    数のサンプリング点で停止し、その後、前記複数のサン
    プリング点内の様々なサンプリング点から前記走査線に
    沿って前記相対運動が再開し、前記複数のサンプリング
    点内の各サンプリング点で前記相対運動が停止し保持さ
    れたときに前記力の場の条件を決定するために前記先端
    振動検出手段によって前記サンプル表面と接触しない状
    態の前記プローブ先端の振動が測定される制御手段とを
    含み、 前記垂直アクチュエータは、前記振動励起回路によって
    前記振動励起信号が印加されて前記プローブ先端を振動
    させる振動励起セグメントと、前記位置決め駆動回路に
    よって前記位置決め信号が印加されて前記プローブ先端
    が前記サンプル表面の凹凸をたどるようにする位置制御
    電極セグメントとを含 む装置。
  9. 【請求項９】前記複数のサンプリング点内の各サンプリ
    ング点で前記相対運動が停止し保持されたときに前記先
    端振動検出手段によって測定された前記プローブ先端の
    前記振動振幅が、前記サンプリング点における前記力の
    場の条件を示すために前記データ記憶手段内に記録され
    る、請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記力の場の勾配が測定されるときに、
    前記プローブ先端がそれに取り付けられた前記片持ちば
    りの共鳴振動数が所定の振動数範囲内で変化し、 前記プローブ先端が前記サンプル表面とかみ合った状態
    で振動するときに、前記振動励起信号が、力の場勾配が
    ないときに前記プローブ先端がそれに取り付けられた前
    記片持ちばりの共鳴振動数と等しい第１の振動数で振動
    し、前記第１の振動数が前記振動数範囲の範囲内であ
    り、 前記プローブ先端が前記サンプル表面と接触せずに振動
    するときに、前記振動励起信号が前記振動数範囲の外側
    にある第２の振動数で振動する、請求項９に記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】前記先端振動検出手段が、前記複数のサ
    ンプリング点内の前記各サンプリング点で前記相対運動
    が停止し保持されたときに前記振動励起信号と前記プロ
    ーブ先端の振動との位相角を検出するための位相検出手
    段をさらに含み、前記サンプリング点における前記力の
    場の条件を示すために前記位相検出手段の出力が前記デ
    ータ記憶手段内に記録される、請求項８に記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記相対運動中に前記先端振動検出手段
    によって測定された前記プローブ先端の振動の前記振幅
    を使用して、そこから前記位置決め信号が生成される補
    正信号を生成し、 前記複数のサンプリング点内の１つのサンプリング点で
    前記相対運動が停止したときに、前記位置決め信号が、
    前記相対運動が前記サンプリング点で停止したときに前
    記位置信号の可変レベルから決定されたサンプル・レベ
    ルに保持される、請求項８に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記サンプル・レベルが、前記相対運動
    が前記サンプリング点で停止したときの前記可変レベル
    に等しくなり、 前記プローブ先端が前記相対運動中に第１の振幅で振動
    し、 前記励起回路により、前記プローブ先端が、前記相対運
    動が前記サンプリング点で停止したときに、前記サンプ
    ル表面から前記プローブ先端を分離するように前記第１
    の振幅より十分小さい振幅で振動する、請求項１２に記
    載の装置。
  14. 【請求項１４】前記サンプル・レベルが、前記サンプリ
    ング点で前記相対運動が停止したときの前記可変レベル
    と、それが振動しているときに前記サンプル表面から分
    離した状態で前記プローブ先端を移動するのに十分な追
    加レベルとの和に等しい、請求項１２に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記制御手段が第２のモードで前記装置
    を操作し、 第１および第２のパスを順次行う際に前記相対運動が前
    記走査線に沿って発生し、 前記プローブ先端が前記第１のパス中に前記サンプルと
    かみ合った状態で振動し、前記プローブ先端の信号の振
    幅が所定のレベルに保持されるように前記先端検出手段
    の出力を使用してそこから前記位置決め信号が生成され
    る補正信号を生成し、前記位置決め信号を表すデータが
    前記データ記憶手段に格納され、 前記プローブ先端が前記第２のパス中に前記サンプルか
    ら分離した状態で振動し、前記第１のパス中に前記デー
    タ記憶手段に格納された前記位置決め信号を表す前記デ
    ータを使用して前記第２のパス中の前記位置決め信号の
    値を決定し、前記第２のパス中に前記振動検出手段によ
    って測定された前記プローブ先端の振動を使用して前記
    力の場の条件を決定する、請求項８に記載の装置。
  16. 【請求項１６】サンプル表面の凹凸とそこから外に向か
    って延びる力の場を測定するための装置において、 片持ちばりの遠位端に取り付けられたプローブ先端と、 前記サンプル表面上の走査線に沿って前記プローブ先端
    と前記サンプル表面との間で断続相対走査運動を発生す
    る横駆動手段であって、前記プローブ先端と前記サンプ
    ル表面は、前記プローブ先端が前記走査線に沿った前記
    断続相対走査運動の間、前記走査線に沿って複数のサン
    プリング点内の各サンプリング点に隣接した状態でサン
    プリング期間中に保持される横駆動手段と、 垂直駆動手段に印加された位置信号に応じて、前記サン
    プル表面に対して垂直なＺ軸に沿って前記プローブと前
    記サンプル表面との間で相対運動を引き起こす垂直駆動
    手段と、 前記片持ちばりの近位端を振動する励起駆動手段と、 前記プローブ先端の振動の振幅を検出する振動検出器
    と、 前記相対走査運動中に前記プローブ先端と前記サンプル
    表面との一定レベルのかみ合いを維持するために前記振
    動検出器の出力から決定された補正信号に応じて前記位
    置制御信号を生成する制御手段であって、前記各サンプ
    リング期間中に前記サンプル表面から分離した状態で前
    記プローブ先端を振動させるために前記位置制御信号を
    生成し、前記励起駆動手段を操作する制御手段と、 前記各サンプリング点ごとに、前記サンプル表面とかみ
    合った状態で前記プローブを振動したときの前記位置制
    御信号から決定された第１の値と、前記サンプル表面か
    ら分離した状態で前記プローブを振動したときの前記振
    動検出器の出力から決定された第２の値とを格納するデ
    ータ記憶手段であって、前記第１の値は前記サンプル表
    面凹凸レベルを示し、前記第２の値は前記力の場の条件
    を示すデータ記憶手段とを含み、 前記垂直駆動手段は、振動励起回路によって振動励起信
    号が印加されて前記プローブ先端を振動させる振動励起
    セグメントと、位置決め駆動回路によって前記位置制御
    信号が印加されて前記プローブ先端が前記サンプル表面
    の凹凸をたどるようにする位置制御電極セグメントとを
    含 む装置。
  17. 【請求項１７】前記各サンプリング期間中に、 前記制御手段が、前記サンプリング期間より前の前記相
    対走査運動の終わりに前記位置制御信号の値に等しい一
    定値で前記位置制御信号を生成し、 前記制御手段が、前記サンプル表面から分離した状態に
    前記プローブ先端を保持するのに十分なほど小さい振幅
    で前記プローブ先端を振動するように前記励起駆動手段
    を操作する、請求項１６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】前記制御手段が、前記各相対走査運動中
    および前記各サンプリング期間中に所定の振幅で前記片
    持ちばりの前記近位端を振動するように前記励起駆動手
    段を操作し、 前記各サンプリング期間中に、前記制御手段が、前記プ
    ローブ先端が前記サンプル表面とかみ合うのを防止する
    のに十分なオフセット値とともに、前記サンプリング期
    間より前の前記相対走査運動の終わりに前記位置制御信
    号の値に等しい一定値で前記位置制御信号を生成する、
    請求項１６に記載の装置。
  19. 【請求項１９】前記第２の値が、前記振動検出器によっ
    て検出された前記プローブ先端の振動の振幅から決定さ
    れる、請求項１６に記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記力の場の勾配が測定されるときに、
    前記プローブ先端がそれに取り付けられた前記片持ちば
    りの共鳴振動数が所定の振動数範囲内で変化し、 前記プローブ先端が前記サンプル表面とかみ合った状態
    で振動するときに、前記励起駆動手段が、力の場勾配が
    ないときに前記プローブ先端がそれに取り付けられた前
    記片持ちばりの共鳴振動数と等しい第１の振動数で前記
    片持ちばりの前記近位端を振動し、前記第１の振動数が
    前記振動数範囲の範囲内であり、 前記プローブ先端が前記サンプル表面と接触せずに振動
    するときに、前記励起駆動手段が前記振動数範囲の外側
    にある第２の振動数で前記片持ちばりの前記近位端を振
    動する、請求項１９に記載の装置。
  21. 【請求項２１】前記振動検出器が、前記プローブ先端の
    振動と前記励起駆動手段の振動との位相角差も検出し、 前記第２の値が前記位相角差によって決定される、請求
    項１６に記載の装置。
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Ｓｕｍｉｏ Ｈｏｓａｋａ， Ａｔｓｕｓｈｉ Ｋｉｋｕｋａｗａ， Ｙｕｋｉｏ Ｈｏｎｄａ， Ｈａｊｉｍｅ Ｋｏｙａｎａｇｉ ａｎｄ Ｓｈｉｎｊｉ Ｔａｎａｋａ，"Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｒａｙ Ｆｉｅｌｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ｎｅｗ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，日本，応用物理学欧文誌刊行会，１９９２年 ７月 １日，第３１巻、Ｐｔ．２、第７Ａ号，ｐ．Ｌ９０４−Ｌ９０７
Ｙ． Ｅ． Ｓｔｒａｕｓｓｅｒ ａｎｄ Ｍ． Ｇ． Ｈｅａｔｏｎ，"Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＣＥＮＴ ＩＮＮＯＶＡＴＩＯＮＳ"，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，米国，１９９４年 ４月，第２６巻、第６号，ｐ，２０、２４−２６、２８、２９

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US7770439B2 (en) * 2006-10-17 2010-08-10 Veeco Instruments Inc. Method and apparatus of scanning a sample using a scanning probe microscope

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