JP3953884B2

JP3953884B2 - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP3953884B2
Application number: JP2002133038A
Authority: JP
Inventors: 明江川; 竜也宮谷; 克則本間
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: JP2003156424A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などに代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、微小な試料の表面形状を観察する手段として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が広く用いられている。ＳＰＭは、プローブと試料表面の物理的相互作用によって、試料表面の形状、物性等を観察するものであり、その特徴は、サブナノメートルオーダーという高い分解能にある。その高分解能を達成するためには、試料あるいはプローブをＸＹＺそれぞれの方向に微小駆動する必要があるが、通常その駆動には、圧電素子が用いられている。圧電素子は、外部応力によって形成されると、電圧を発生する圧電効果と、逆に電圧を印加すると変形する逆圧電効果を持つことが知られており、ＳＰＭでは逆圧電効果を利用してプローブあるいは試料を微動している。圧電素子は、用途に応じて様々な構造のものが開発されているが、ＳＰＭで最も一般的に用いられているのが、円筒型圧電素子である。
【０００３】
円筒型圧電素子は、個別に駆動信号を印加可能な電極を設けることで、一個の圧電素子でＸ，Ｙ，Ｚそれぞれの方向に駆動することができ、Ｘ、Ｙ方向の変位量を比較的大きく確保することができる、などの利便性を有する。図６は、円筒型圧電素子を用いた微動手段の構造の一例を示す模式図である。円筒型圧電素子１０１の内側面の全域にグラウンド電極が形成される。一方、外側面の１部には４分割の電極を形成し、それぞれは電気的に絶縁されている。この４分割のＸ１電極１０２、Ｘ２電極１０３、Ｙ１電極１０４、Ｙ２電極１０５は、図６に示すように、２極が対向する位置関係にある。外側面の残りの部分には１極のＺ１電極１０６が形成され、内側のグランド用電極、外側の４分割電極とは電気的に絶縁される。
【０００４】
４分割のＸ１電極１０２、Ｘ２電極１０３、Ｙ１電極１０４、Ｙ２電極１０５、もう一つのＺ１電極１０６は、それぞれ、円筒型圧電素子内側のグランド用電極との間で高電圧を掛け、電極の形成される部分の圧電材料の分極を行う。この時、対向する電極の形成される部分の圧電材料は、同じ極性の電圧を印加された場合に、それぞれ反対の効果、すなわち、「伸び」「縮み」を起こすように分極される。
【０００５】
対極に同じ極性の電圧を印加すると、それぞれの電極部分の圧電材料が逆方向に伸縮するため、円筒型圧電素子１０１が弯曲する。つまり、円筒型圧電素子１０１の一端を固定し、もう一方を自由端とすれば、その自由端をXあるいはY方向に変位することが可能となる。一方、Ｚ１電極１０６に電圧を印加すると、電極部分の圧電材料がZ方向に伸縮され、Z方向へ自由端を駆動することができる。つまり、円筒型圧電素子１０１の自由端に、プローブあるいは試料を固定することで、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの方向に微動させることが可能となる。
【０００６】
ＳＰＭでは、この円筒型圧電素子に印加するＸＹＺそれぞれの駆動信号を３次元的にマッピングすることにより、試料の表面形状等の観察像を再現することができる。図７は、円筒型圧電素子を利用した従来のＳＰＭの構成例を示す。円筒型圧電素子１１０に、プローブ支持台１１１を介してプローブ１１２が取り付けられる。試料台１１４の試料１１５との物理的相互作用に応じたプローブ１１２の変化を、相互作用検出手段１１６により検出する。
【０００７】
なお、相互作用検出手段１１６で実際に検出する対象となるのは、相互作用が原子間力である場合には、原子間力に応じたプローブ１１２のたわみであり、またトンネル電流の場合には、プローブ１１２と試料１１５との間に流れるトンネル電流である。この相互作用検出手段１１６の出力信号が制御手段１１７によって設定した一定の値となるように、補償器１１８を介して円筒型圧電素子１１０のＺ電極に入力され、Ｚ方向の変位量を制御する。つまり、試料１１５とプローブ１１２のZ方向の相対距離が一定となるようフィードバック制御を行う。この状態で制御手段１１７から円筒型圧電素子１１０のＸ，Ｙ電極に走査信号入力し、プローブ１１２と試料１１５を相対的に走査するとともに、その際のZ駆動信号をモニタすることで、試料表面の形状情報を得ることができる。なお、図７の構成例では、Z駆動信号のモニタも制御手段１１７で行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＰＭは、その高い分解能から、今後ますます微細化、高集積化が進む、光ディスクなどの記録媒体や、半導体パターンなどの検査・計測装置としての応用が期待されている。しかし、検査・計測装置として使用するためには、精度および走査速度の向上が必要である。
【０００９】
ＳＰＭで用いられる圧電素子は、微小位置決めを行う手段として非常に有効であり、広く用いられているが、その動作にはヒステリシスが存在することが知られている。図８は、圧電素子のヒステリシス特性を模式的に示したものである。横軸１２０が圧電素子に印加する電圧、縦軸１２１が変位量である。ここで、圧電素子に印加する電圧をｖ１からｖ２に上げ、またｖ１に戻した場合、図８で示されたような、非線形なヒステリシス曲線１２２が得られる。従来の例で示したように、ＳＰＭでは、圧電素子に印加する駆動信号を形状情報とするため、このヒステリシス特性によりＳＰＭの形状情報にも誤差が生じる。
【００１０】
次にＳＰＭにおける走査時のヒステリシスの影響を、図９を用いて説明する。図９（ａ）では、左右対称な凸構造をもつ試料１３２の上を、圧電素子１３０に固定したプローブ１３１と試料１３２表面との距離が一定となるようにフィードバック制御しながら、紙面に向かって左から右に走査する例を示している。
【００１１】
また、図９（ｂ）は、その際の圧電素子１３０への印加電圧波形である。縦軸１３３が入力電圧、横軸１３４が時間を表している。フィードバック制御が正常に機能していれば、図９（ａ）に図示されているように、圧電素子１３０の変位量も左右対称となるはずである。しかし、その際の印加電圧は、図９（ｂ）で示したように、試料１３２の高さが変化する部分で、非線形性が現れ、左右対称な電圧変化とならない。従来のＳＰＭでは、この印加電圧の変化を形状情報とするため、精度の面で問題となる。
【００１２】
圧電素子のヒステリシスを補正する手段としては、変位センサで圧電素子の変位量を測定し、補正するという手段が最も一般的である。図１０は、静電容量型変位センサを用いた、ＳＰＭ走査機構の構成例である。（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。円筒型圧電素子１４０により、カンチレバー台１４１に固定されたカンチレバー１４２を３次元的に駆動するが、円筒型圧電素子１４０の先端には、静電容量型変位センサのターゲット電極１４３を備えている。また、ターゲット電極と対向するように、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの方向に対して、静電容量型変位センサ１４４が配置されている。この構成により、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの変位量を正確に測定できるため、ヒステリシスの影響を補正することが可能となる。
【００１３】
しかし、この方法では、ターゲット電極１４３の質量が負荷となり、円筒型圧電素子１４０の機械的共振周波数の低下、すなわち、走査速度の低下を引き起こす可能性がある。一般的に、圧電素子の共振周波数は、以下の式で表される。
【００１４】
ｆ_ｎ＝１／２π｛Ｋ_ｐ／（Ｍ＋Ｍ_ｐ／２）｝^１／２
ここで、ｆ_ｎは共振周波数、Ｋ_ｐは圧電素子のバネ定数、Ｍは圧電素子にかかる負荷質量、Ｍ_ｐは圧電素子の質量である。この式から、圧電素子の質量に対して負荷質量が大きい場合には、共振周波数に多大な影響を及ぼすことが分かる。そのため、圧電素子を高速に駆動する場合には、負荷質量を極力小さくすることが必要とされる。
【００１５】
また、この手法のもう一つの問題として、ＳＰＭで用いる際に求められるサブナノメートルの分解能、精度を有する変位センサは非常に高価である点も挙げられる。
【００１６】
圧電素子のヒステリシスを改善する手段として、その他に圧電素子を電圧ではなく、電荷（電流）で制御する手法が知られている。この手法は、変位センサを用いる手法と比べて、負荷質量がないこと、また低コストである点で有利であるが、圧電素子の漏れ電流の影響により、圧電素子の直流駆動が困難である。また、圧電素子の電荷量を正確に測定することが困難であるという問題点もある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため本発明は、先端部が尖鋭化されたプローブと、プローブ又は測定対象となる試料を３次元的に微動可能な微動手段を有し、プローブ先端部と試料の相対距離に依存する物理的相互作用に従って、微動手段のＺ方向の変位を調節しながらＸＹ方向に走査することで、物理的相互作用に基づく試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、微動手段がＺ方向に駆動可能な少なくとも1つ以上の圧電素子から構成され、圧電素子の圧電効果により発生した電圧を検出する圧電効果検出手段を有し、圧電効果検出手段の出力から試料の形状情報を得ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を構成する。
【００１８】
また本発明は、先端部が尖鋭化されたプローブと、プローブ又は測定対象となる試料を３次元的に微動可能な微動手段を有し、プローブ先端部と試料の相対距離に依存する物理的相互作用に従って、微動手段のＺ方向の変位を調節しながらＸＹ方向に走査することで、物理的相互作用に基づく試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、微動手段がＸあるいはＹ方向に駆動可能な少なくとも1つ以上の圧電素子から構成され、圧電素子の圧電効果により発生した電圧を検出する圧電効果検出手段と、圧電効果検出手段の出力に従い圧電素子の変位量を制御する変位量制御手段と、を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を構成する。
【００１９】
また本発明は、以上の走査型プローブ顕微鏡の圧電効果検出手段として、圧電素子と接続される少なくとも１つ以上のコンデンサと、２個以上のコンデンサあるいは抵抗器を接続することによって構成されるブリッジ回路を有する走査型プローブ顕微鏡を構成する。
【００２０】
さらに、圧電効果検出手段が、圧電素子と直列接続される少なくとも１つ以上のコンデンサを有し、コンデンサの電圧値と、圧電素子の印加電圧値から、圧電効果を推定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡と、以上の圧電素子効果検出手段における、圧電素子漏れ電流に起因する誤差を低減するための漏れ電流補正手段を有する走査型プローブ顕微鏡を構成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明における実施の形態１として、図１に本発明の走査型プローブ顕微鏡の構成図を示す。従来の例として挙げた図７と同様に、微動手段として、円筒型圧電素子を用いている。円筒型圧電素子１には、プローブ台２を介してプローブ３が取り付けられており、プローブ３と試料台９上の試料４との相対位置を３次元的に調節することが可能となっている。プローブ３と試料４の物理的相互作用を検出する相互作用検出手段５の出力が一定の値となるように、つまりプローブ３と試料４のＺ方向の相対距離が一定となるように、円筒型圧電素子１のＺ方向の変位をフィードバック制御するためのＺ補償器６、および制御手段８が取り付けられている。このＺ補償器６には、比例制御、積分制御を行うＰＩ補償器が用いられる。
【００２２】
また、Ｚフィードバック制御時、円筒型圧電素子１は、印加電圧に対して非線形な変位量を持つが、その変位量は圧電効果検出手段７によって高精度に求めることが可能である。このＺ方向のフィードバック制御を行いながら、ＸＹ方向に走査し、その際の圧電効果検出手段７の出力に従って求めた形状情報をマッピングすることで、高精度な形状像を得ることが可能となる。なお、実際には、ＸＹ方向に走査するためには、円筒型圧電素子１に、ＸＹ駆動信号を入力する必要があるが、従来の例と同様であるので、図１では省略している。
（実施の形態２）
次に実施の形態２について、図２の構成図を参照しながら説明する。図２では、実施の形態１でＺ方向に対して取り付けていた圧電効果検出手段７を、ＸＹ方向に付加している。制御手段１２からの基準信号と、それぞれの圧電効果検出手段７の出力信号に基づき、Ｘ補償器１０，Ｙ補償器１１を介してフィードバック制御することで、線形なＸＹ変位制御が可能となる。なお、Ｘ補償器１０や、Ｙ補償器１１は図１におけるＺ補償器と同様にＰＩあるいはＰＩＤ補償器といった、一般的な方法を用いることが可能である。なお、図２では、円筒型圧電素子のＺ方向の制御は省略しているが、実施の形態１で用いた手法をそのまま利用することができる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３として、圧電効果検出手段の詳細について説明する。圧電素子に電圧を印加し、逆圧電効果を利用して変位させる場合には、その印加した電圧とは別に、圧電効果による電圧が発生する。また、圧電素子は一種のコンデンサとしての性質を示すため、電気的等価回路は図３に示すように、圧電効果により発生する電圧Ｖ_ｐの電圧源２０と静電容量Ｃ_ｐのコンデンサ２１を組み合わせとして表すことができる。圧電素子を駆動する際には、駆動用の電圧が印加されているため、直接Ｖ_ｐを測定することはできない。そこで図４に示す圧電素子を含むブリッジ回路を利用する。図４の破線で囲まれた部分が図３で示した圧電素子の等価回路である。
【００２３】
ブリッジ回路は、圧電素子の他にコンデンサ３２，コンデンサ３３、コンデンサ３４を接続した構成となっている。このブリッジ回路に電圧源３５を接続することで、圧電素子に対する制御を行う。ここで、電圧源３５による印加電圧をＶ_ｃ、圧電素子の圧電効果による発生電圧（電圧源３０の電圧）をＶ_ｐ，圧電素子の静電容量（コンデンサ３１の静電容量）をＣ_ｐ，コンデンサ３２の静電容量をＣ_１とし、コンデンサ３３とコンデンサ３４の静電容量は等しい値Ｃ_２を有するものとする。圧電素子とコンデンサ３３の間の端子３６における電圧をｖ_１、コンデンサ３２とコンデンサ３４の間の端子３７における電圧をｖ_２とすると、それぞれ以下のように表される。
【００２４】
ｖ_１＝Ｃ_ｐ／（Ｃ_ｐ＋Ｃ_２）×（Ｖ_ｐ＋Ｖ_ｃ）
ｖ_２＝Ｃ_１／（Ｃ_１＋Ｃ_２）Ｖ_ｃ
ここで、Ｃ_１＝Ｃ_ｐとし、ｖ_１とｖ_２の差を取ると、
ｖ_１−ｖ_２＝Ｃ_ｐ／（Ｃ_ｐ＋Ｃ_２）Ｖ_ｐ
つまり、ｖ_１とｖ_２の差をとることで、印加電圧Ｖ_ｃの影響を排除し、圧電効果に対応した電圧Ｖ_ｐを求めることができる。このＶ_ｐが、本発明の圧電効果検出手段の出力信号となる。なお、図４では、コンデンサのみでブリッジ回路を構成したが、コンデンサ３３、コンデンサ３４を抵抗器に置き換えてもよい。
【００２５】
次に、前述のブリッジ回路を用いた走査型プローブ顕微鏡の構成ブロック図を、図５に示す。図５は、実施の形態１で示した図１の圧電効果検出手段をブリッジ回路に置き換えたものである。その他の基本的な構成およびその動作は、図１と同様であるので、説明は省略する。ブリッジ回路は、円筒型圧電素子１と可変コンデンサ４１、コンデンサ４２、コンデンサ４３で構成されている。図４と異なり、可変コンデンサ４１を採用した理由は、圧電素子の静電容量が温度変化などに伴い、変化する場合のことを想定してのことである。Ｚ補償器６からのＺ駆動信号は、円筒型圧電素子１のＺ電極に接続されるが、同じく可変コンデンサ４１にも接続される。
【００２６】
一方、コンデンサ４２とコンデンサ４３の片側は同じくグラウンドに接地される。Ｚ補償器６も片側の端子がグラウンドに接地されているため、図４と同様接続されていることが分かる。円筒型圧電素子１のグラウンド電極と４１コンデンサ４２接続部分の電圧、および可変コンデンサとコンデンサ４３接続部分の電圧を、バッファアンプ４４、バッファアンプ４５を介して差分をとることで、実際の圧電素子の変位量に比例した電圧を得られる。この電圧を形状情報として制御手段８により処理する。
【００２７】
ここでは、図１の圧電効果検出手段をブリッジ回路に置き換えて説明したが、当然のことながら、図２にも適用することが可能である。
【００２８】
以上、主に円筒型圧電素子を用いた実施の形態を説明したが、圧電素子を用いた微動手段であれば、その他の構造でも適用可能であることは、明らかである。特に本発明の特徴として、圧電素子に何ら特別な部品を取り付ける必要がなく、単純な構造の微動手段を構築できる点が挙げられる。つまり、高剛性な微動手段を構築することが可能となるため、走査型プローブ顕微鏡の高速化を達成するためには、非常に有益な発明である。
（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態３では、圧電素子と並列にコンデンサを接続することで、圧電素子の変位量に比例した電圧を検出したが、図４における並列のコンデンサ３２，３４は省略することも可能である。圧電効果に応じた電圧Ｖ_ｐは、変位量に比例した値であり、次のような式で表される。
【００２９】
Ｖｐ≒Ａ・Ｘ＋Ｂ
ここで、Ｘが圧電素子の変位量、Ａ、Ｂが比例定数である。この式を前述の電圧ｖ_１の式に代入すると、
ｖ_１≒Ｃ_ｐ／（Ｃ_ｐ＋Ｃ_２）×（Ａ・Ｘ＋Ｂ＋Ｖ_ｃ）≒Ｋ（Ａ・Ｘ＋Ｂ＋Ｖ_ｃ）（Ｋ＝Ｃ_ｐ／（Ｃ_ｐ＋Ｃ_２））
となり、圧電素子へ電圧Ｖ_ｃを印可した際の、電圧ｖ_１と圧電素子の変位量Ｘを測定することで、各定数値を最小自乗法等により推定することが可能となる。その求めた定数を式に代入すれば、圧電素子の変位量をソフトウェア上で、あるいはデジタル信号処理の中で容易に算出できる。この手法により、回路の簡素化とともに、並列コンデンサ自体の持つ性能誤差を考慮する必要がなくなる。また、回路に印可する電流値を、約１／２に低減できる、つまり消費電力を低減できるという利点も挙げられる。
（実施の形態５）
次に、実施の形態５として、圧電素子の漏れ電流の影響を低減する手法を説明する。圧電素子には、内部抵抗成分が存在し、微量ながら漏れ電流が存在する。図１１では、破線で示した圧電素子の等価回路内に、圧電素子内部抵抗５０を示している。圧電素子を静的、あるいは準静的な動作をさせた場合、漏れ電流が存在すると、圧電素子内に蓄えられた電荷量が変化し、電圧v_１に誤差を生ずる結果をもたらす。その漏れ電流の影響を低減するためには、図１１に示したように、圧電素子内部抵抗５０と釣り合うように、圧電素子と直列に接続したコンデンサ３３にも並列に抵抗５１を負荷すればよい。この際、負荷する抵抗値Ｒ_２は、次の式を満たすように決定する。
【００３０】
Ｒ_ｐ・Ｃ_ｐ＝Ｒ_２・Ｃ_２
また、図１１に示すように、圧電素子の並列に接続したコンデンサ３２にも同様にコンデンサ内部抵抗５２が存在する場合、コンデンサ３４に抵抗５３を負荷することで誤差を少なくすることができる。この場合に付加する抵抗値Ｒ_３も、前述と同様に以下の式により決定される。
【００３１】
Ｒ_１・Ｃ_１＝Ｒ_３・Ｃ_２
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、変位センサなどの高価な手段を要することなく、また従来の走査速度を維持したまま、圧電素子のヒステリシスによる変位誤差を低減した高精度な走査型プローブ顕微鏡を、提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図である。
【図３】圧電素子の等価回路を示す図である。
【図４】本発明にかかわる圧電効果検出手段を示す回路図である。
【図５】本発明の圧電効果検出手段を用いた走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図である。
【図６】円筒型圧電素子を用いた微動手段の例を示す模式図である。
【図７】円筒型圧電素子を用いた従来のＳＰＭの構成例を示す図である。
【図８】圧電素子のヒステリシス特性を示す模式図である。
【図９】ＳＰＭ走査時のヒステリシスの影響を表す模式図である。
【図１０】静電容量型変位センサを用いた、ＳＰＭ走査機構の構成例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態にかかわる漏れ電流補正手段を有する圧電効果検出手段を示す回路図である。
【符号の説明】
１円筒型圧電素子
２プローブ台
３プローブ
４試料
５相互作用検出手段
６Ｚ補償器
７圧電効果検出手段
８制御手段
９試料台
１０Ｘ補償器
１１Ｙ補償器
１２制御手段
２０電圧源
２１コンデンサ
３０電圧源
３１コンデンサ
３２コンデンサ
３３コンデンサ
３４コンデンサ
３５電圧源
３６端子
３７端子
４１可変コンデンサ
４２コンデンサ
４３コンデンサ
４４バッファアンプ
４５バッファアンプ
５０圧電素子内部抵抗
５１抵抗
５２コンデンサ内部抵抗
５３抵抗
１０１円筒型圧電素子
１０２Ｘ１電極
１０３Ｘ２電極
１０４Ｙ１電極
１０５Ｙ２電極
１１０円筒型圧電素子
１１１プローブ支持台
１１２プローブ
１１４試料台
１１５試料
１１６相互作用検出手段
１１７制御手段
１１８補償器
１２０横軸
１２１縦軸
１２２ヒステリシス曲線
１３０圧電素子
１３１プローブ
１３２試料
１３３縦軸
１３４横軸
１３５印加電圧波形
１４０円筒型圧電素子
１４１カンチレバー台
１４２カンチレバー

Claims

先端部が尖鋭化されたプローブと、プローブ又は測定対象となる試料を３次元的に微動可能な微動手段とを有し、プローブ先端部と試料の相対距離に依存する物理的相互作用に従って、微動手段のＺ方向の変位を調節しながらＸＹ方向に走査することで、物理的相互作用に基づく試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記微動手段は、Ｚ方向に駆動するための駆動電圧が印加される圧電素子を備えており、
前記圧電素子の変位により発生した内部電圧を検出する圧電効果検出手段と、
前記圧電効果検出手段により検出された前記内部電圧に基づいて試料の形状情報を取得する形状情報取得手段とを備えており、
前記圧電効果検出手段は、
第１端部及び第２端部を有し、前記第１端部が前記圧電素子の一端に接続され、前記第２端部がグランドに接続されたコンデンサＡと、
第３端部及び第４端部を有し、前記第３端部が前記圧電素子の他端に接続されたコンデンサＢと、
第５端部及び第６端部を有し、前記第５端部が前記コンデンサＢの前記第４端部に接続され、前記第６端部がグランドに接続されたコンデンサＣとを備えており、
前記コンデンサＡ及び前記コンデンサＣは、互いに同じ静電容量を有し、前記圧電素子及びコンデンサＢは、互いに同じ静電容量を有し、
前記圧電効果検出手段は、前記圧電素子、前記コンデンサＡ、前記コンデンサＢ、前記コンデンサＣのそれぞれの静電容量と、前記第１端部−前記第４端部間の端部電圧とを用いて、前記内部電圧を検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
先端部が尖鋭化されたプローブと、プローブ又は測定対象となる試料を３次元的に微動可能な微動手段を有し、プローブ先端部と試料の相対距離に依存する物理的相互作用に従って、微動手段のＺ方向の変位を調節しながらＸＹ方向に走査することで、物理的相互作用に基づく試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記微動手段は、ＸあるいはＹ方向に駆動するための駆動電圧が印加される圧電素子を備えており、
前記圧電素子の変位により発生した内部電圧を検出する圧電効果検出手段と、
前記圧電効果検出手段により検出された前記内部電圧に基づいて圧電素子の変位量を制御する変位量制御手段とを有し、
前記圧電効果検出手段は、
第１端部及び第２端部を有し、前記第１端部が前記圧電素子の一端に接続され、前記第２端部がグランドに接続されたコンデンサＡと、
第３端部及び第４端部を有し、前記第３端部が前記圧電素子の他端に接続されたコンデンサＢと、
第５端部及び第６端部を有し、前記第５端部が前記コンデンサＢの前記第４端部に接続され、前記第６端部がグランドに接続されたコンデンサＣとを備えており、
前記コンデンサＡ及び前記コンデンサＣは、互いに同じ静電容量を有し、前記圧電素子及びコンデンサＢは、互いに同じ静電容量を有し、
前記圧電効果検出手段は、前記圧電素子、前記コンデンサＡ、前記コンデンサＢ、前記コンデンサＣのそれぞれの静電容量と、前記第１端部−前記第４端部間の端部電圧とを用いて、前記内部電圧を検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記圧電効果検出手段が、前記圧電素子の漏れ電流による誤差を補正するための漏れ電流補正手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記漏れ電流補正手段は、前記圧電素子に並列に接続された圧電並列抵抗器と、前記コンデンサＡに並列に接続された抵抗器Ａとを有し、
前記圧電並列抵抗器の抵抗値と前記圧電素子の静電容量との積は、前記抵抗器Ａの抵抗値と前記コンデンサＡの静電容量との積の大きさに等しいことを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記漏れ電流補正手段は、前記コンデンサＢに並列に接続された抵抗器Ｂと、前記コンデンサＣに並列に接続された抵抗器Ｃとを有し、
前記抵抗器Ｂの抵抗値と前記コンデンサＢの静電容量との積は、前記抵抗器Ｃの抵抗値と前記コンデンサＣの静電容量との積の大きさに等しいことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。