JPH06308180A - 表面電位計及び形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定物の表面電位と表面形状を高速にかつ高
感度に測定することが可能な表面電位計及び形状測定器
を提供する。 【構成】 片持ち梁１８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交流電圧Ｖ₃ に直流電圧Ｖ₂ を
重畳させた電圧を導電性探針１７に印加する直流電圧重
畳探針印加制御手段３０を設け、交流電圧Ｖ₃ による導
電性探針１７と測定物１６の間の静電引力により生じる
片持ち梁１８の振動の振幅が零又は一定値になるように
直流電圧Ｖ₂ を可変させる直流電位制御手段２５を設
け、直流電圧Ｖ₂ の電位を測定する直流電位測定手段２
６を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子写真装置における
感光体ドラム表面の電位分布測定、トナー形状測定、ト
ナー帯電分布測定に用いられる表面電位計及び形状測定
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来における表面電位計及び形状測定器
としては、例えば、「走査型マクスウェル応力顕微鏡に
よる有機薄膜の表面電位の観察」なる名称で、走査型プ
ローブ顕微鏡システムセミナー、１９９２、１２．１０
に開示されているものがある。これを、今、図１４に基
づいて説明する。試料１に対向してその上部には、先端
に探針２を有するカンチレバー３（片持ち梁）が配設さ
れている。このカンチレバー３には、交流電圧４（ＡＣ
ｓｉｎωｔ）と、直流電圧５（Ｖ_DC）とを重畳させた電
圧が印加される。交流電圧４の周波数ωは、カンチレバ
ー３の機械的共振周波数ω₀ の１／６〜１／３の周波数
に設定されている。今、交流電圧４と試料１の表面電位
との間に電位差が生じると、静電引力が発生し、これに
よりカンチレバー３は振動する。この振動によりカンチ
レバー３の一面に取付けられたミラー６により反射され
たレーザ光ａは、いわゆる「光テコ法」の原理により受
光素子７に検知され、この検知信号はプリアンプ８を介
して、ロックインアンプ９，１０に送られる。この場
合、ロックインアンプ９では振動のω成分から直流電圧
５と表面電位との間の電位差を測定し、その電位差がな
くなるように直流電圧５を制御する。一方、ロックイン
アンプ１０では振動の２ω成分から探針２の先端と試料
１の表面との間の距離を測定し、その距離を一定に保つ
ようにＺ軸ピエゾコントローラ１１によりピエゾアクチ
ュエータ１２をＺ軸方向に駆動させる。このピエゾアク
チュエータ１２上には試料台１３が取付けられており、
これにより試料台１３に載置された前記試料１表面と探
針２との間で距離の調整がなされる。また、ピエゾアク
チュエータ１２には、コントローラ１４が接続されてお
り、Ｘ，Ｙ軸方向の移動調整もなされる。そして、この
ような各種の制御信号をもとに、表面電位と表面形状を
同時にかつ独立して測定することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述したような従来例
においては、カンチレバー３の機械的共振周波数ω₀ の
１／６〜１／３の周波数ω（＝ω₀／６〜ω₀／３）の交
流電圧４を探針２に印加し、試料１表面と探針２との間
の静電引力によりカンチレバー３を振動させている。こ
のような振動は、ロックインアンプ９，１０により振動
周波数に同期して振幅に比例した直流電圧に増幅変換さ
れる。この場合、ロックインアンプ９，１０は、カンチ
レバー３の振動を表す交流信号を同期検波し、図示しな
いローパスフィルタにより平滑化して直流化するが、そ
のローパスフィルタの時定数は振動周期Ｔ（＝２π／
ω）の１００倍以上にしないと、直流化された信号の平
滑度が悪くなりＳ／Ｎが悪くなる。従って、ωが小さく
なると、周期Ｔが大きくなり、図１４のフィードバック
ループ中の遅れ要素が大きくなり、これにより帰還の応
答速度が遅くなり、測定時間が多くかかることになる。

【０００４】また、探針２と試料１の表面との間の電位
差をＶ、距離をｄとすると、両者間に働く静電引力Ｆ
は、Ｆ∝（Ｖ²／ｄ²）で表され、交流電圧振幅をＶ_ACと
すると、Ｆ∝（Ｖ_AC ²／ｄ²）で表される。探針２に働く
力Ｆとその変位ｘとの関係は、カンチレバー３が板バネ
と考えられることから、Ｆ＝Ｋｘ（Ｋ：バネ定数）で表
される。ここで、プリアンプ８の出力電圧Ｖ_sig はｘに
比例するため、 Ｖ_sig ∝（Ｖ_AC ²／ｄ²） となる。従って、Ｖ_sig の値を大きくするには、交流電
圧振幅Ｖ_ACを大きくするか、測定する際の距離ｄを短く
する必要がある。Ｖ_ACを大きくすると、探針２と試料１
の表面との間に放電が生じ易くなり、また、ｄを小さく
すると、放電の可能性があがり、試料１の表面の凹凸に
探針２の先端が衝突しやすくなる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、測定物に対向配置された導電性探針を片持ち梁の先
端に保持させ、前記測定物と前記導電性探針との間に作
用する静電引力により前記片持ち梁を変形させ、この片
持ち梁の変形により前記測定物と前記探針との間に作用
する静電引力を検出して前記測定物の表面電位を測定す
るようにした表面電位計において、前記片持ち梁の共振
周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の交流電
圧を前記導電性探針に印加する探針印加制御手段を設け
た。

【０００６】請求項２記載の発明では、測定物に対向配
置された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記
測定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力によ
り前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により
前記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出
して前記測定物の形状を測定するようにした形状測定器
において、前記片持ち梁の共振周波数の２分の１の周波
数又はこの周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周波
数の交流電圧を前記導電性探針に印加する探針印加制御
手段を設けた。

【０００７】請求項３記載の発明では、測定物に対向配
置された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記
測定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力によ
り前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により
前記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出
して前記測定物の表面電位を測定するようにした表面電
位計において、前記片持ち梁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交流電圧に直流電圧を重畳
させた電圧を前記導電性探針に印加する直流電圧重畳探
針印加制御手段を設け、前記交流電圧による前記導電性
探針と前記測定物の間の静電引力により生じる前記片持
ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように前記直流
電圧を可変させる直流電位制御手段を設け、前記直流電
圧の電位を測定する直流電位測定手段を設けた。

【０００８】請求項４記載の発明では、測定物に対向配
置された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記
測定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力によ
り前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により
前記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出
して前記測定物の形状を測定するようにした形状測定器
において、前記片持ち梁の共振周波数の２分の１の周波
数又はこの周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周波
数の交流電圧を前記導電性探針に印加する探針印加制御
手段を設け、前記交流電圧による前記探針と前記測定物
の間の静電引力により生じる前記片持ち梁の振動の振幅
が一定値になるように前記測定物と前記導電性探針との
間の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御手
段を設け、前記アクチュエータの変位量を測定する変位
量測定手段を設けた。

【０００９】請求項５記載の発明では、測定物に対向配
置された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記
測定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力によ
り前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により
前記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出
して前記測定物の電位又は形状を測定するようにした表
面電位計又は形状測定器において、前記片持ち梁の共振
周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の第１交
流電圧と前記片持ち梁の共振周波数の２分の１の周波数
又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周
波数の第２交流電圧とを重畳させた電圧を前記導電性探
針に印加する探針印加制御手段を設け、前記第１交流電
圧による前記導電性探針と前記測定物の間の静電引力に
より生じる前記片持ち梁の振動の振幅から前記測定物の
電位を測定する表面電位測定手段を設け、前記第２交流
電圧による前記導電性探針と前記測定物の間の静電引力
により生じる前記片持ち梁の振動の振幅から前記測定物
の形状を測定する形状測定手段を設けた。

【００１０】請求項６記載の発明では、請求項５記載の
発明において、導電性探針に第１交流電圧と第２交流電
圧とに加えて直流電圧を重畳した電圧を印加する直流電
圧重畳探針印加制御手段と、前記第１交流電圧による前
記導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
前記片持ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように
前記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記直流電
圧の電位を測定する電位測定手段とを有するようにし
た。

【００１１】請求項７記載の発明では、請求項５記載の
発明において、第２交流電圧による導電性探針と前記測
定物の間の静電引力により生じる片持ち梁の振動の振幅
が一定値になるように前記測定物と前記導電性探針との
間の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御手
段と、前記アクチュエータの変位量を測定する変位量測
定手段とを有するようにした。

【００１２】請求項８記載の発明では、請求項５記載の
発明において、導電性探針に第１交流電圧と第２交流電
圧とに加えて直流電圧を重畳した電圧を印加する直流電
圧重畳探針印加制御手段と、前記第１交流電圧による前
記導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
前記片持ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように
前記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記直流電
圧の電位を測定する電位測定手段と、第２交流電圧によ
る導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
片持ち梁の振動の振幅が一定値になるように前記測定物
と前記導電性探針との間の距離を制御するアクチュエー
タを備えた距離制御手段と、前記アクチュエータの変位
量を測定する変位量測定手段とを有するようにした。

【００１３】請求項９記載の発明では、請求項５，６，
７又は８記載の発明において、第２交流電圧により生じ
る片持ち梁の振動波形の位相から９０°の位相差をもっ
て位相検波した信号により測定物の電位を測定する電位
測定手段と、第１交流電圧により生じる前記片持ち梁の
振動波形の位相から９０°の位相差をもって位相検波し
た信号により前記測定物の形状を測定する形状測定手段
とを有するようにした。

【００１４】請求項１０記載の発明では、請求項９記載
の発明において、第２交流電圧により生じる片持ち梁の
振動波形と第１交流電圧により生じる前記片持ち梁の振
動波形との位相差が９０°になるように第２交流電圧と
第１交流電圧の間の位相差を決定する位相差決定手段を
有するようにした。

【００１５】請求項１１記載の発明では、請求項５，
６，７，８，９又は１０記載の発明において、導電性探
針に第１交流電圧と第２交流電圧を交互に印加し、前記
第１交流電圧が印加されているときに測定物の電位を測
定し、第２交流電圧が印加されているときに前記測定物
の形状を測定する電位形状測定選択手段を有するように
した。

【００１６】請求項１２記載の発明では、請求項１，
２，３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の
発明において、導電性探針に印加する電圧を測定物の導
電性基板に印加し、その導電性探針の電位を基準電位と
した。

【００１７】請求項１３記載の発明では、請求項１，
２，３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の
発明において、第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧
のうち、いずれか２つを導電性探針に印加し、残りの１
つを測定物の導電性基板に印加する電圧印加制御手段を
有するようにした。

【００１８】請求項１４記載の発明では、請求項１，
２，３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の
発明において、第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧
のうち、いずれか２つを測定物の導電性基板に印加し、
残りの１つを導電性探針に印加する電圧印加制御手段を
有するようにした。

【００１９】請求項１５記載の発明では、請求項５，
６，７，８，９，１０，１１，１２，１３又は１４記載
の発明において、第２交流電圧の周波数を片持ち梁の共
振周波数の２倍の周波数又はこの共振周波数とほぼ等し
い周波数の２倍の周波数に設定した。

【００２０】

【作用】請求項１，３記載の発明においては、測定物の
表面電位を従来よりも高速にかつ高感度に測定すること
が可能となる。

【００２１】請求項２，４記載の発明においては、測定
物の表面形状を従来よりも高速にかつ高感度に測定する
ことが可能となる。

【００２２】請求項５，６，７，８，１１，１２，１
３，１４，１５記載の発明においては、測定物の表面電
位と表面形状を従来よりも高速にかつ高感度に、しか
も、同時にかつ独立に測定することが可能となる。

【００２３】請求項９記載の発明においては、測定物の
表面電位と表面形状を従来よりも高速にかつ高感度に、
しかも、互いに干渉なく測定することが可能となる。

【００２４】請求項１０記載の発明においては、測定物
の表面電位と表面形状を従来よりも高速にかつ高感度
に、しかも、互いに干渉なく、最大の感度をもって測定
することが可能となる。

【００２５】

【実施例】請求項３記載の発明の一実施例を図１〜図５
に基づいて説明する。まず、表面電位計の全体構成を図
１に基づいて述べる。試料台１５上には測定物としての
試料１６が設けられている。この試料１６の上部には先
端に導電性探針１７（以下、探針と呼ぶ）を有する片持
ち梁１８が配置されており、この片持ち梁１８はその一
端部が基台１９に支持されてカンチレバーを構成してい
る。片持ち梁１８の探針１７が取付けられた面と反対側
の面にはミラー２０が貼付けられている。半導体レーザ
２１から出射されたレーザ光ａは、いわゆる光テコの原
理により、ミラー２０面により反射され光検知器２２に
検出される。この光検知器２２はプリアンプ２３を介し
てロックインアンプ２４と接続されている。このロック
インアンプ２４の後段には、直流電位制御手段としての
積分器２５が接続されている。この積分器２５は、交流
電圧による探針１７と試料１６の間の静電引力により生
じる片持ち梁１８の振動の振幅が零又は一定値になるよ
うに直流電圧を可変させる。積分器２５の出力側のアー
スとの間には、直流電圧の電位を測定する直流電位測定
手段としての電圧計２６が接続されている。また、積分
器２５の出力側は加算器２７の一方の入力端子に接続さ
れ、この加算器２７の出力側はパワーアンプ２８に接続
され、このパワーアンプ２８は片持ち梁１８と接続され
ている。加算器２７の他方の入力端子には正弦波交流電
圧源２９が接続されている。この正弦波交流電圧源２９
は、前記片持ち梁１８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交流電圧を有している。この場
合、前記加算器２７と、前記パワーアンプ２８と、前記
正弦波交流電圧源２９は、前記片持ち梁１８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交流電圧に
直流電圧を重畳させた電圧を前記探針１７に印加する直
流電圧重畳探針印加制御手段３０を構成している。

【００２６】このような構成において、表面電位計の具
体的な動作について述べる。今、片持ち梁１８の探針１
７と試料１６の表面との間に電位差が生じ静電引力が作
用すると、片持ち梁１８は振動する。これにより、光テ
コ法により片持ち梁１８の振動をプリアンプ２３の出力
Ｖｏとして検出する。そのＶｏは交流信号であり、ロッ
クインアンプ２４において正弦波交流電圧源２９の同期
信号（ω₀)と同期して、直流電圧信号Ｖ₁ に変換され
る。この場合、ロックインアンプ２４の参照信号入力の
モードは、同期信号の周波数ｆに同期して増幅するモー
ドになっている。その後、直流電圧Ｖ₁ は積分器２５に
より積分されて反転増幅された電圧Ｖ₂ となる。このＶ
₂ と正弦波交流電圧源２９の出力Ｖ₃ とは加算器２７に
加算され、これにより、直流電圧Ｖ₂ に交流電圧Ｖ₃ を
重畳した電圧Ｖ₄ となる。この重畳された電圧Ｖ₄ はゲ
インＧをもつパワーアンプ２８に入力されることによ
り、その出力はＶ₅ ＝ＧＶ₄ ＝Ｇ（Ｖ₂＋Ｖ₃）となる。
この電圧Ｖ₅ の値が探針１７の電位となる。

【００２７】図２は、探針１７の先端部と試料１６の表
面との間の様子を模式的に描いたものである。今、探針
１７の先端面を面積Ｓをもつ平板と考え、この平板が試
料１６の表面に対して平行に対向しているものとする。
この場合、探針１７の先端面と試料１６との間の距離を
ｄとし、両者間の電位差をＶとすると、両者間に働く力
Ｆは、

【００２８】

【数１】

【００２９】で表される。ただし、ａは比例定数であ
る。

【００３０】また、図１において、試料表面の接地電位
（基準電位）に対する電位をＶｓ、Ｖ₅ の直流電圧分を
Ｖｂ（＝ＧＶ₂ ）、Ｖ₅ の交流電圧成分をＶａｓｉｎω
ｔ（＝ＧＶ₃)とすると、（１）式において、Ｖ＝Ｖｂ−
Ｖｓ＋ＶA ｓｉｎωｔとなる。従って、力Ｆ（ｔ）は、

【００３１】

【数２】

【００３２】となる。この（２）式より、

【００３３】

【数３】

【００３４】となる。

【００３５】ここで、図３を用いて、振動の基本的な動
作について考える。今、図１の片持ち梁１８の探針１７
にＦ（ｔ）が加わった場合の振動は、固定端３１に質量
ｍがバネｋとダッシュポットＣを介して接続され、質量
ｍに力Ｆ（ｔ）が印加された場合の振動に近似すること
ができる。この振動は粘性減衰１自由度系の強制振動で
あり、

【００３６】

【数４】

【００３７】の微分方程式で表される。この（４）式は
粘性減衰１自由度系の強制振動を表し、右辺の項Ｆ
（ｔ）を強制項という。力Ｆ（ｔ）は一般に調和加振力
の形式をとり、Ｆ（ｔ）＝Ｆｏｓｉｎωｔとなる。ただ
し、Ｆｏは時間に無関係な定数である。もし、力Ｆ
（ｔ）が（３）式のように周期的であるが調和力でない
時は、その周期（２π／ω）で決まる周波数を基本波と
してＦ（ｔ）をフーリエ級数に展開する。すなわち、

【００３８】

【数５】

【００３９】となる。この時、（４）式の特別解は
（５）式の右辺の各項が単独に（４）式の左辺の系に作
用した、すなわち図３の質量ｍに（５）式の右辺の各項
の力が作用したとして得られる多くの特別解の和とな
る。そこで、（４）式の解は、

【００４０】

【数６】

【００４１】の解がわかればよい。すなわち、任意の周
波数の力の場合の解は（６）式の一般解を求めたと同様
にして、強制力の周波数がｎωの場合の解を求め、所要
の特別解をこれらの解の和とする。（６）式の解は図３
の系に強制力Ｆ（ｔ）が作用する時のｍの振動の振幅ｘ
を表す。今、強制力Ｆが働くと、最初はｘには系の固有
振動数ω_d を含んだ成分が混在するが、時間が経過する
と、その成分は減衰し、

【００４２】

【数７】

【００４３】で与えられる強制力の振動のみの成分とな
る。また、Ｆｏｓｉｎωｔによる振動の振幅の最大値
は、

【００４４】

【数８】

【００４５】となる。Ｘｏ＝Ｆｏ／ｋは定常力、すなわ
ち、周波数零の力Ｆｏが作用した時のｍの変位である。
一般に、機械の振動が大きいとか小さいとか称している
のは、このＸのことをいう。この場合、ＸとＸｏとの比
を振幅倍率と呼び、その値は、

【００４６】

【数９】

【００４７】となる。これは、周波数ωのときの定常振
幅とＦｏにより生じるｍの変位（たわみ）との比を示す
ものである。図４及び図５は、種々のζについてのωと
Ｘ／Ｘｏ及びφの関係を示す。これにより、Ｘ／Ｘｏが
最大となる時、図３の系は共振する。この時のωは、

【００４８】

【数１０】

【００４９】で与えられる。この時、ｍの振動の位相は
９０°（＝π／２）の遅れとなる。

【００５０】以上のようなことから、次に（３）式で表
される力Ｆ（ｔ）がｍに加わった場合を考える。（３）
式をもう一度書き直すと、

【００５１】

【数１１】

【００５２】となる。この（１４）式で表される力Ｆ
（ｔ）がｍに加わった場合は、その（１４）式の〜
項の力が単独に加わった場合の解を（７）式から求めて
加算すればよい。

【００５３】この（１４）式でω＝ω₀ とした時、すな
わち、交流印加電圧の周波数を片持ち梁１８の共振周波
数とした時、項は直流的な力なので振動には寄与しな
い。項の力の成分の周波数はω₀ であるため、この力
成分により片持ち梁１８は共振し、振幅は最大値をと
る。項については、周波数が２ω₀ となる。片持ち梁
１８のＱ値は最低でも２０以上はあるため、２ω₀ の周
波数をもつ力による振動の振幅はω₀ のそれに対して数
十分の一以下となる。従って、実質上は、項の力によ
るω₀ の周波数をもつ振動しか現れない。この時の振幅
は、

【００５４】

【数１２】

【００５５】に比例し、位相は交流印加電圧ＶA ｓｉｎ
ω₀ｔに対して、φ＝π／２の位相遅れをもつ振動とな
る。なお、ＶA は交流電圧の振幅であるから定数とする
ことができる。

【００５６】さて、ここで再び図１の構成に戻り、片持
ち梁１８の探針１７にＦ（ｔ）が加わった場合の振動に
ついて考える。今、Ｖｂ＞Ｖｓであった場合、ロックイ
ンアンプ２４は正弦波交流電圧源２９の周波数ω₀ の同
期信号に同期してＶ₀ を増幅するため、その出力Ｖ₁ は
Ｖｂ−Ｖｓに比例した直流電圧となる。従って、Ｖｂ＞
Ｖｓの場合、Ｖｂ−Ｖｓ＞０となるためＶ₁ ＞０とな
る。積分器２５は反転増幅器の機能をもつため、Ｖ₂ の
電位は小さくなっていき、これによりパワーアンプ２８
の出力Ｖ₅ の直流成分Ｖｂも小さくなっていく。そし
て、このような動作は、Ｖｂ＝Ｖｓになるまで続き、Ｖ
ｂ＝Ｖｓで安定する。Ｖｂの値は、Ｖｂ＝ＧＶ₂ の関係
があるため、電圧計２６でＶ₂ を測定することにより得
ることができる。本発明の場合、片持ち梁が共振してい
るため、従来技術よりも小さな静電引力により測定が可
能となり、これにより高感度となる。また、従来技術で
は片持ち梁の共振周波数の１／６〜１／３の周波数で片
持ち梁が振動するのに比べて、本発明では共振周波数で
振動するため、ロックインアンプ２４のローパスフィル
タの時定数を従来技術よりも高くすることができ、これ
により測定の高速化が可能となる。従って、このような
ことから、従来よりも高速にかつ高感度に試料１６の表
面電位を測定することができる。

【００５７】次に、請求項１記載の発明の一実施例を図
６に基づいて説明する。なお、請求項３記載の発明と同
一部分についての説明は省略し、その同一部分について
は同一符号を用いる。

【００５８】ここでは、図６に示すような表面電位計に
おいて、正弦波交流電圧源２９は、片持ち梁１８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交流電
圧を有している。この正弦波交流電圧源２９とパワーア
ンプ２８とは、片持ち梁１８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交流電圧を探針１７に印加
する探針印加制御手段３２を構成している。また、本回
路は、図１で述べたようなロックインアンプ２４からの
帰還回路を備えていない。

【００５９】以下、具体的な動作について説明する。図
６に示すように、ロックインアンプ２４からの出力Ｖ₁
をパワーアンプ２８に帰還をかけず、Ｖｂを常に０Ｖに
した回路状態とする。これにより、探針１７には正弦波
交流電圧源２９から得られた片持ち梁１８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交流電圧（ω
₀)が印加されると、Ｖ₁ は−Ｖｓに比例した値となるた
め、そのＶ₁ の値を電圧計２６により求めることによっ
て、請求項３記載の発明と同様に、高速にかつ高感度に
試料１６の表面電位を測定することができる。

【００６０】次に、請求項４記載の発明の一実施例を図
７に基づいて説明する。なお、請求項１，３記載の発明
と同一部分についての説明は省略し、その同一部分につ
いては同一符号を用いる。

【００６１】図７は、形状測定器の回路構成を示すもの
である。正弦波交流電圧源２９はパワーアンプ３３に接
続され、このパワーアンプ３３は片持ち梁１８に接続さ
れている。正弦波交流電圧源２９は、片持ち梁１８の共
振周波数の２分の１の周波数又はこの周波数とほぼ等し
い周波数の２分の１の周波数の交流電圧を有している。
この場合、正弦波交流電圧源２９とパワーアンプ３３と
は、片持ち梁１８の共振周波数の２分の１の周波数又は
この周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周波数の交
流電圧を探針１７に印加する探針印加制御手段３４を構
成している。また、ロックインアンプ２４には比較器３
５が接続され、この比較器３５は積分器２５と接続さ
れ、この積分器２５はパワーアンプ２８と接続され、こ
のパワーアンプ２８はＺ軸アクチュエータ３６を駆動さ
せる。この場合、比較器３５と、積分器２５と、パワー
アンプ２８とは、距離制御手段３７を構成している。こ
の距離制御手段３７は、交流電圧による探針１７と試料
１６との間の静電引力により生じる片持ち梁１８の振動
の振幅が一定値になるように、Ｚ軸アクチュエータ３６
を用いて試料１６と探針１７との間の距離を制御する。
さらに、積分器２５の出力側には、Ｚ軸アクチュエータ
３６の変位量を測定する変位量測定手段としての電圧計
３８が接続されている。

【００６２】このような構成において、形状測定器の具
体的な動作について述べる。今、正弦波交流電圧源２９
の周波数ωは、片持ち梁１８の共振周波数ω₀ の１／２
の値とする。また、ロックインアンプ２４の参照信号入
力は、参照信号の２倍の周波数に同期して増幅するよう
に２ｆモードになっている。また、探針１７は接地して
いるためＶｂ＝０となる。今、正弦波交流電圧源２９か
らパワーアンプ３３を介して、片持ち梁１８の共振周波
数の２分の１の周波数又はこの周波数とほぼ等しい周波
数の２分の１の周波数の交流電圧を探針１７に印加す
る。（１４）式において、ω＝ω₀ ／２とすると、探針
１７に働く力Ｆ（ｔ）は、

【００６３】

【数１３】

【００６４】のようになる。この場合、請求項３記載の
発明の実施例（ω＝ω₀ ）と同様に、実際の振動に寄与
する力は、（１５）式内の項のみとなる。この項の
力による片持ち梁１８の共振した時の位相は、交流電圧
ＶA ｓｉｎ（ω₀／２）ｔ に対してφ＝πの位相遅れを
もつ。また、振幅は、（ａＶA ²）／（２ｄ²）に比例す
る。これにより、振幅はＶｂ、Ｖｓに依存せず、また、
ａ、ＶA は定数であるため振幅はｄのみに依存する。

【００６５】図７において、片持ち梁１８の振動は光テ
コ法により検出されプリアンプ２３から出力Ｖ₀ として
得られ、その出力Ｖ₀ は振動に比例した交流電圧信号で
あり、正弦波交流電圧源２９の周波数ω₀ ／２の２倍の
周波数ω₀ に同期してロックインアンプ２４によりＶ₀
の振幅に比例した直流電圧Ｖ₁ に変換される。従って、
このＶ₁ の値から探針１７の先端と試料１６の表面との
間の距離ｄを、試料表面電位Ｖｓに依存せず測定するこ
とができる。

【００６６】また、ロックインアンプ２４から得られた
電圧Ｖ₁ は比較器３５により基準値Ｖ₀₁と比較されその
差Ｖ₇ が求められ、Ｖ₇ は積分器２５により積分されて
Ｖ₂となる。このＶ₂ はパワーアンプ２８によりＺ軸ア
クチュエータ３６を制御して距離ｄを変化させることが
できる。これにより、Ｖ₇ が０となるようにＺ軸アクチ
ュエータ３６が動作し、距離ｄは常に一定となる。ま
た、Ｚ軸アクチュエータ３６への入力電圧とアクチュエ
ータの変位の関係が予めわかっていれば、電圧計３８に
よりＶ₂ を測定することにより表面の形状を試料表面電
位Ｖｓに関係なく測定することができる。従って、本実
施例の場合にも、請求項３記載の発明の実施例と同様な
理由から、従来に比べて、高速にかつ高感度に試料１６
の表面形状を測定することができる。

【００６７】次に、請求項２記載の発明の一実施例を図
８に基づいて説明する。なお、請求項１，３，４記載の
発明と同一部分についての説明は省略し、その同一部分
については同一符号を用いる。

【００６８】図８は形状測定器の回路構成を示すもので
あり、ここでは図７に示したようなＺ軸アクチュエータ
３６への帰還回路を備えていない。また、正弦波交流電
圧源２９は、片持ち梁１８の共振周波数の２分の１の周
波数又はこの周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周
波数の交流電圧を有する。この正弦波交流電圧源２９
と、パワーアンプ３３とは、片持ち梁１８の共振周波数
の２分の１の周波数又はこの周波数とほぼ等しい周波数
の２分の１の周波数の交流電圧を探針１７に印加する探
針印加制御手段３９を構成している。

【００６９】以下、具体的な動作について述べる。図８
においては、ロックインアンプ２４の出力Ｖ₁ の値から
帰還をかけていない。このＶ₁ の値は１／ｄ² に比例し
た値となるため、電圧計３８によりそのＶ₁ の値を測定
することにより距離ｄを求めることができ、試料１６の
表面形状を測定することができる。従って、本実施例の
場合にも、従来よりも、高速にかつ高感度に試料１６の
表面形状を測定することができる。

【００７０】次に、請求項８，９，１０記載の発明の一
実施例を図９〜図１１に基づいて説明する。なお、請求
項１〜４記載の発明と同一部分についての説明は省略
し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００７１】図９は、表面電位計及び形状測定器を同一
回路内に備えた構成を示すものである。プリアンプ２３
からの出力Ｖ₀ は、ロックインアンプ４０，４１に送ら
れる。ロックインアンプ４０の後段に接続された回路は
表面電位計の回路構成を示し、ロックインアンプ４１の
後段に接続された回路は形状測定器の回路構成を示す。
そこで、まず、表面電位計の回路構成について述べる。
ロックインアンプ４０から出力された直流電圧Ｖ₁₁は、
電位制御手段としての積分器４２に送られる。この積分
器４２は、第１正弦波交流電圧源４３の第１交流電圧Ｖ
₃₁による探針１７と試料１６との間の静電引力により生
じる片持ち梁１８の振動の振幅が零又は一定値になるよ
うに直流電圧Ｖ₁₁を可変させる。この積分器４２には、
直流電圧Ｖ₁₁の電位を測定する電位測定手段としての電
圧計４４が接続されている。そして、積分器４２からの
出力Ｖ₂₁は、加算器４５の３つの入力端子のうちの一つ
に入力される。また、加算器４５の他の入力端子には、
第１正弦波交流電圧源４３からの第１交流電圧Ｖ₃₁と、
第２正弦波交流電圧源４６からの第２交流電圧Ｖ₃₂とが
入力される。加算器４５からの出力Ｖ₄₁はパワーアンプ
４７に送られ、この出力Ｖ₅₁は片持ち梁１８の探針１７
に印加される。この場合、第１正弦波交流電圧源４３
と、第２正弦波交流電圧源４６と、加算器４５と、パワ
ーアンプ４７とは、探針１７に第１交流電圧Ｖ₃₁と第２
交流電圧Ｖ₃₂とに加えて直流電圧Ｖ₂₁を重畳した電圧を
印加する直流電圧重畳探針印加制御手段４８を構成して
いる。

【００７２】次に、形状測定器の回路構成について述べ
る。ロックインアンプ４１から出力された直流電圧Ｖ₁₂
は比較器４９に送られる。この比較器４９からの出力Ｖ
₆ は積分器５０に送られる。この積分器５０には、Ｚ軸
アクチュエータ３６の変位量を測定する変位量測定手段
としての電圧計５１が接続されている。積分器５０の出
力Ｖ₂₂はパワーアンプ５２に送られ、このパワーアンプ
５２によりＺ軸アクチュエータ３６は駆動される。この
場合、比較器４９と、積分器５０と、パワーアンプ５２
とは、距離制御手段５３を構成している。この距離制御
手段５３は、第２交流電圧Ｖ₃₂による探針１７と試料１
６の間の静電引力により生じる片持ち梁１８の振動の振
幅が一定値になるように、Ｚ軸アクチュエータ３６を用
いて試料１６と探針１７との間の距離を制御する（ここ
までの構成は、請求項８記載の発明に対応する）。

【００７３】また、第２交流電圧Ｖ₃₂により生じる片持
ち梁１８の振動波形の位相から９０°の位相差をもって
位相検波した信号により試料１６の電位を測定する電位
測定手段と、第１交流電圧Ｖ₃₁により生じる片持ち梁１
８の振動波形の位相から９０°の位相差をもって位相検
波した信号により試料１６の形状を測定する形状測定手
段とを設けた（請求項９記載の発明に対応する）。

【００７４】さらに、第２交流電圧Ｖ₃₂により生じる片
持ち梁１８の振動波形と第１交流電圧Ｖ₃₁により生じる
片持ち梁１８の振動波形との位相差が９０°になるよう
に第２交流電圧Ｖ₃₂と第１交流電圧Ｖ₃₁との間の位相差
を決定する位相差決定手段を設けた（請求項１０記載の
発明に対応する）。

【００７５】このような構成において、以下、請求項
８，９，１０記載の発明の具体例を順次説明していく。
まず、請求項８記載の発明に係る、表面電位計及び形状
測定器を構成する本回路の具体的な動作について述べ
る。今、第１正弦波交流電圧源４３は、Ｖ₃₁＝ＶA ｓｉ
ｎω₀ｔ 、第２正弦波交流電圧源４６は、Ｖ₃₂＝ＶB ｓ
ｉｎ（ω₀／２）ｔ の交流電圧を同期して発生する。そ
して、Ｖ₃₁、Ｖ₃₂、Ｖ₂₁は、加算器４５により加算さ
れ、パワーアンプ４７により増幅され、探針１７に印加
される。

【００７６】ここで、探針１７の電位と試料１６の表面
電位との電位差をＶとすると、

【００７７】

【数１４】

【００７８】となる。従って、力Ｆ（ｔ）は、

【００７９】

【数１５】

【００８０】となる。これにより、Ｆ（ｔ）は、

【００８１】

【数１６】

【００８２】ここで、ω₁＝ω₀、ω₂＝ω₀／２とする
と、Ｆ（ｔ）は、

【００８３】

【数１７】

【００８４】となる。この（１９）式で表されるＦ
（ｔ）が片持ち梁１８に加わった場合、前述した場合と
同様に、振動に寄与する項は、項と項である。項
による振動の振幅は１／ｄ² に比例し、項による振動
の振幅は（Ｖｂ−Ｖｓ）／ｄ² に比例する。また、項
による振動の位相差は、Ｖ₃₁＝ＶA ｓｉｎω₀ｔ に対し
て、ψ₁ ＝−（π／２）、項による振動の位相差は、
ψ₂＝−πとなる。そして、片持ち梁１８の振動は、
項による振動波形ｖ₁ 、項による振動波形ｖ₂

【００８５】

【数１８】

【００８６】の和（ｖ₁＋ｖ₂）となる。

【００８７】図１０は、Ｖ₃₁、Ｖ₃₂、Ｖ₅₁、ｖ₁、ｖ₂、
ｖ₁＋ｖ₂の関係を示す。ここで、 ｖ₁＝ｖ₀₁ｓｉｎ（ω₀ｔ−π／２） …（２２） ｖ₂＝ｖ₀₂ｓｉｎ（ω₀ｔ−π） …（２３） ただし、 ｖ₀₁＝ａ₁（Ｖｂ−Ｖｓ）／ｄ² …（２４−１） ｖ₀₂＝ａ₂／ｄ² …（２４−２） Ｖｏ＝ｖ₁＋ｖ₂ ＝ｖ₀₁ｓｉｎ（ω₀ｔ−π／２）＋ｖ₀₂ｓｉｎ（ω₀ｔ−π） …（２５） ロックインアンプ４０，４１は、入力信号を参照信号に
対して任意の位相差をもって同期検波し、これを図示し
ないローパスフィルタにて平滑化し直流信号に変換す
る。例えば、図１１に示すように、入力電圧ｖi 、参照
信号ｖr ｖi ＝ａｓｉｎ（ωｔ＋ψ） …（２６−１） ｖr ＝ｓｉｎωｔ …（２６−２） とすると、θだけの位相をもって同期検波し、積分した
場合の出力Ｖ_out は、

【００８８】

【数１９】

【００８９】で与えられる。この場合、θ＝−ψなら
ば、Ｖｏ＝２ａ／πとなり、Ｖｏはθに対して最大値を
とる。また、θ＋ψ＝π／２ならばＶｏ＝０となる。

【００９０】ここで、再び、図１１、図１２に基づいて
述べる。ロックインアンプ４０は、Ｖｏの同期検波を参
照信号に対してθ₁ ＝π／２で行う。また、ロックイン
アンプ４１はθ₂ ＝πで行う。ロックインアンプ４０の
出力は、（２５）式を（２７）式に適用すると、

【００９１】

【数２０】

【００９２】ここで、θ₁＝π／２だから、

【００９３】

【数２１】

【００９４】となり、項による振動振幅ｖ₀₁＝ａ
₁｛（Ｖｂ−Ｖｓ）／ｄ²｝に比例する直流電圧を得るこ
とができる。

【００９５】一方、ロックインアンプ４１の出力につい
ても同様に、

【００９６】

【数２２】

【００９７】ここで、θ₂ ＝πだから、

【００９８】

【数２３】

【００９９】となり、項による振動振幅ｖ₀₂＝ａ
²（１／ｄ²）に比例する直流電圧を得ることができる。
すなわち、Ｖ₁₁から図１のＶ₁ と同様に試料表面と探針
電位の差Ｖｂ−Ｖｓを、また、Ｖ₁₂から図７のＶ₁ と同
様に距離ｄを同時にかつ独立に検出することができる。
従って、これらＶ₁₁、Ｖ₁₂をもとに、請求項３，４記載
の実施例と同様に、Ｖｂ及びＺ軸アクチュエータ３６へ
帰還をかけることにより、試料表面電位と表面形状を同
時にかつ独立に測定することができる。Ｖ₁₁は、（Ｖｂ
−Ｖｓ）／ｄ² に比例する値となるため、実際はＶｂ−
Ｖｓだけでなくｄにも依存する。しかし、Ｖｂ−Ｖｓ＝
０となるようにＶｂに帰還をかけることにより、Ｖ₂₁よ
りｄに無関係にＶｓを測定することができる。また、本
実施例においても、従来よりも、高速にかつ高感度に表
面電位と表面形状を測定することができる。

【０１００】次に、請求項９記載の発明である位相差電
位測定手段及び位相差形状測定手段の具体例について述
べる。ここでは、ｖ₁ とｖ₂ の位相差がπ／２でない時
にＶ₁₁にｖ₀₂が、Ｖ₁₂にｖ₀₁が混入しないことを目的と
する。その一例として、 ｖ₁＝ｖ₀₁ｓｉｎ（ω₀ｔ＋φ₁） …（３１） ｖ₂＝ｖ₀₂ｓｉｎ（ω₀ｔ＋φ₂） …（３２） とし、｜φ₁−φ₂｜≠π／２とする。ここで、Ｖ₁₁を求
めると、

【０１０１】

【数２４】

【０１０２】となる。ここで、θ₁＝−φ₂−（π／
２）、すなわち、ロックインアンプ４０の位相検波の位
相θ₁ をｖ₂ の位相とπ／２（９０°）だけずらすこと
により、Ｖ₁₁は、

【０１０３】

【数２５】

【０１０４】となり、これによりｖ₀₂の混入を防ぐこと
ができる。ただし、ｖ₀₁に対する感度は｜φ₁−φ₂ ｜
＝π／２の場合よりも低下する。

【０１０５】また、これと同様に、Ｖ₁₂ についても同
様にしてｖ₀₁の混入を防ぐことができる。従って、本実
施例の場合にも、従来よりも、高速にかつ高感度に試料
１６の表面電位と表面形状を互いに干渉なく測定するこ
とができる。

【０１０６】次に、請求項１０記載の発明である位相差
決定手段の具体例について述べる。ここでは、第１交流
電圧Ｖ₃₁と第２交流電圧Ｖ₃₂の位相差が図１０に示すよ
うに０の場合でも、ｖ₁ とｖ₂ の位相差がπ／２になら
ない場合に、Ｖ₃₁とＶ₃₂との間の位相差を調整すること
により、Ｖ₃₁、Ｖ₃₂に各々生じるｖ₁ とｖ₂ との間の位
相差をπ／２に設定し、これによりＶ₁₁、Ｖ₁₂各々にｖ
₀₂、ｖ₀₁が混入せず、かつ、各々ｖ₀₁、ｖ₀₂に対して最
大感度をもつようにしたものである。従って、本実施例
においても、従来よりも、表面電位と表面形状を、高速
にかつ高感度に、しかも、互いに干渉なくかつ最大の感
度をもって測定することができる。

【０１０７】次に、請求項５，６，７記載の発明の一実
施例を図９に基づいて説明する。なお、請求項１〜４、
８〜１０記載の発明と同一部分についての説明は省略
し、その同一部分については同一符号を用いる。

【０１０８】請求項５〜７記載の発明は、請求項８〜１
０記載の発明と関連している。そこで、まず、請求項５
記載の発明について述べる。本請求項５の発明は、片持
ち梁１８の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい
周波数の第１交流電圧Ｖ₃₁と片持ち梁１８の共振周波数
の２分の１の周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周
波数の２分の１の周波数の第２交流電圧Ｖ₃₂とを重畳さ
せた電圧を探針１７に印加する探針印加制御手段を設
け、第１交流電圧Ｖ₃₁による探針１７と試料１６との間
の静電引力により生じる片持ち梁１８の振動の振幅から
試料１６の電位を測定する表面電位測定手段を設け、第
２交流電圧Ｖ₃₂による探針１７と試料１６との間の静電
引力により生じる片持ち梁１８の振動の振幅から試料１
６の形状を測定する形状測定手段を設けたことに特徴が
ある。

【０１０９】具体的には、請求項８記載の発明を示す図
９の回路においては、探針１７に第１交流電圧Ｖ₃₁と第
２交流電圧Ｖ₃₂とに加えてさらに直流電圧Ｖ₂₁を重畳し
た電圧を印加したが、ここでは、その直流電圧Ｖ₂₁によ
る印加はなく第１交流電圧Ｖ₃₁と第２交流電圧Ｖ₃₂のみ
を探針１７に印加するようにしたものである。これによ
り、従来よりも高速にかつ高感度に試料１６の表面電位
と表面形状とを同時にかつ独立して測定することができ
る。

【０１１０】次に、請求項６記載の発明について述べ
る。本請求項６の発明は、前記請求項５記載の発明で述
べた表面電位測定手段の具体的な内部構成手段を示すも
のである。すなわち、第１交流電圧Ｖ₃₁による探針１７
と試料１６との間の静電引力により生じる片持ち梁１８
の振動の振幅が零又は一定値になるように直流電圧Ｖ₂₁
を可変させる電位制御手段と、直流電圧Ｖ₂₁の電位を測
定する電位測定手段とを設けたものである。また、ここ
では、直流電圧重畳探針印加制御手段として、探針１７
に第１交流電圧Ｖ₃₁と第２交流電圧Ｖ₃₂とに加えて直流
電圧Ｖ₂₁を重畳した電圧を印加するようにした。

【０１１１】具体的には、電位制御手段とは請求項８記
載の発明（図９参照）で述べた積分器４２に相当し、ま
た、電位測定手段とは請求項８記載の発明（図９参照）
で述べた電圧計４４に相当する。さらに、直流電圧重畳
探針印加制御手段とは、請求項８記載の発明（図９参
照）で述べた第１正弦波交流電圧源４３と第２正弦波交
流電圧源４６と加算器４５とパワーアンプ４７とからな
る直流電圧重畳探針印加制御手段４８に相当する。これ
により、従来よりも高速にかつ高感度に試料１６の表面
電位と表面形状とを同時にかつ独立して測定することが
できる。

【０１１２】次に、請求項７記載の発明について述べ
る。本請求項７の発明は、前記請求項５記載の発明で述
べた形状測定手段の具体的な内部構成手段を示すもので
ある。すなわち、第２交流電圧Ｖ₃₂による探針１７と試
料１６との間の静電引力により生じる片持ち梁１８の振
動の振幅が一定値になるように試料１６と探針１７との
間の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御手
段と、そのアクチュエータの変位量を測定する変位量測
定手段とを設けたものである。

【０１１３】具体的には、距離制御手段とは、請求項８
記載の発明（図９参照）で述べた比較器４９と積分器５
０とパワーアンプ５２とからなる距離制御手段５３に相
当する。また、変位量測定手段とは、請求項８記載の発
明（図９参照）で述べた電圧計５１に相当する。これに
より、従来よりも、高速にかつ高感度に試料１６の表面
電位と表面形状とを同時にかつ独立して測定することが
できる。

【０１１４】次に、請求項１１記載の発明の一実施例に
ついて説明する。なお、請求項１〜１０記載の発明と同
一部分についての説明は省略し、その同一部分について
は同一符号を用いる。

【０１１５】ここでは、前述した請求項５〜１０記載の
発明である表面電位計及び形状測定器において、探針１
７に第１交流電圧Ｖ₃₁と第２交流電圧Ｖ₃₂を交互に印加
し、第１交流電圧Ｖ₃₁が印加されているときに試料１６
の電位を測定し、第２交流電圧Ｖ₃₂が印加されていると
きに試料１の形状を測定する電位形状測定選択手段を設
けたことに特徴がある。具体的には、図９に示す回路に
おいて、第１正弦波交流電圧源４３の第１交流電圧Ｖ₃₁
と第２正弦波交流電圧源４６の第２交流電圧Ｖ₃₂とを時
間的に交互に選択して発生させることにより、試料１６
の表面電位と表面形状とを交互に測定するようにした。
これにより、従来よりも、高速にかつ高感度に試料１６
の表面電位と表面形状とを同時にかつ独立して測定する
ことができる。

【０１１６】次に、請求項１２〜１４記載の発明の一実
施例を図１２に基づいて説明する。なお、請求項１〜１
１記載の発明と同一部分についての説明は省略し、その
同一部分については同一符号を用いる。

【０１１７】ここでは、探針１７に印加する電圧を試料
１６の導電性基板としての試料台１５に印加し、その探
針１７の電位を基準電位とした（請求項１２記載の発明
に対応する）。また、第１交流電圧Ｖ₃₁と第２交流電圧
Ｖ₃₂と直流電圧Ｖ₂₁のうち、いずれか２つを探針１７に
印加し、残りの１つを試料台１５に印加する電圧印加制
御手段を設けた（請求項１３記載の発明に対応する）。
さらに、第１交流電圧Ｖ₃₁と第２交流電圧Ｖ₃₂と直流電
圧Ｖ₂₁のうち、いずれか２つを試料台１５に印加し、残
りの１つを探針１７に印加する電圧印加制御手段を設け
た（請求項１４記載の発明に対応する）。

【０１１８】そこで、以下、請求項１２，１３記載の発
明である基準電位設定手段、電圧印加制御手段の具体例
について述べる。図１２において、加算器４５には、第
１正弦波交流電圧源４３の第１交流電圧Ｖ₃₁と第２正弦
波交流電圧源４６の第２交流電圧Ｖ₃₂との２つの電圧が
印加されている。また、積分器４２の出力Ｖ₂₁は反転パ
ワーアンプ５４に送られ、この反転パワーアンプ５４の
出力は−Ｖｂとされ試料台１５と接続されている。この
場合、反転パワーアンプ５４が基準電位設定手段、電圧
印加制御手段を構成している。

【０１１９】以下、具体的な動作を図１２に基づいて述
べる。一般に、試料１６（以下、ここでは膜と呼ぶ）と
しては、試料台１５（以下、ここでは基板と呼ぶ）上に
絶縁膜や光半導体の膜が積層されたものが多い。これま
での各回路（図１，７，８，９参照）では、基板１５が
基準電位とされたＧＮＤに接地されていた。本回路で
は、基板１５がＧＮＤではなく、探針１７に帰還されて
いた直流電圧Ｖ₂₁を反転パワーアンプ５４にて反転した
電圧−Ｖｂを印加する。また、基板１５と膜１６との間
の表面電位差（膜厚にかかる電圧）をＶｓとする。これ
により、試料表面とＧＮＤ間の電位差はＶｓ−Ｖｂとな
る。一方、探針１７に加わる電圧Ｖｔは、第１交流電圧
Ｖ₃₁と第２交流電圧Ｖ₃₂による電圧のみが印加されるた
め、 Ｖｔ＝ＶA ｓｉｎω₁ｔ＋ＶB ｓｉｎω₂ｔ となる。従って、試料表面を基準とした探針１７の先端
間の電位差Ｖは、 Ｖ＝ＶA ｓｉｎω₁ｔ＋ＶB ｓｉｎω₂ｔ−（Ｖｓ−Ｖｂ） …（３５） となり、（１６）式と同様になる。従って、本実施例に
おいても、従来よりも高速にかつ高感度に膜１６の表面
電位と表面形状とを同時にかつ独立して測定することが
できる。

【０１２０】なお、基板１５に印加する電圧は、Ｖｂの
みならず、ＶA ｓｉｎω₁ｔ、ＶBｓｉｎω₂ｔさらには
これらを組み合わせたものでも同様の動作を行うことが
できる。また、上述した例は、第１交流電圧Ｖ₃₁と第２
交流電圧Ｖ₃₂と直流電圧Ｖ₂₁のうち、いずれか２つを探
針１７に印加し、残りの１つを基板１５に印加したが、
これに限るものではなく、いずれか２つを基板１５に印
加し、残りの１つを探針１７に印加するようにしてもよ
い。

【０１２１】次に、請求項１５記載の発明の一実施例を
図１３に基づいて説明する。なお、請求項１〜１４記載
の発明と同一部分についての説明は省略し、その同一部
分については同一符号を用いる。

【０１２２】ここでは、第２交流電圧Ｖ₃₂の周波数を片
持ち梁１８の共振周波数の２倍の周波数又はこの共振周
波数とほぼ等しい周波数の２倍の周波数に設定したもの
である。以下、具体的に説明する。図１３に示す回路に
おいて、第２正弦波交流電圧源４６の周波数を片持ち梁
１８の共振周波数ω₀ の２倍である２ω₀ に設定する。
ここで、探針１７に働く力Ｆ（ｔ）は（１８）式におい
て、ω₁＝ω₀、ω₂＝２ω₀とした場合であることから、

【０１２３】

【数２６】

【０１２４】となる。この（３６）式において、片持ち
梁１８の振動に寄与する力は項と項であり、各々の
項により生じる振動振幅は、項では（ａ／ｄ²）（Ｖ
ｂ−Ｖｓ）ＶA に、項では（ａ／ｄ²）（ＶA ＶB ）
に比例する。そして、ａ、ＶA、ＶB は定数と考えられ
るため、請求項５〜１４記載の発明と同様にして、項
による振動から試料表面の電位を、項による振動から
試料表面形状を同時にかつ独立して測定することができ
る。

【０１２５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、測定物に対向配
置された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記
測定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力によ
り前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により
前記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出
して前記測定物の表面電位を測定するようにした表面電
位計において、前記片持ち梁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交流電圧を前記導電性探針
に印加する探針印加制御手段を設けたので、測定物の表
面電位を従来よりも高速にかつ高感度に測定することが
できるものである。

【０１２６】請求項２記載の発明は、測定物に対向配置
された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記測
定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力により
前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により前
記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出し
て前記測定物の形状を測定するようにした形状測定器に
おいて、前記片持ち梁の共振周波数の２分の１の周波数
又はこの周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周波数
の交流電圧を前記導電性探針に印加する探針印加制御手
段を設けたので、測定物の表面形状を従来よりも高速に
かつ高感度に測定することができるものである。

【０１２７】請求項３記載の発明は、測定物に対向配置
された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記測
定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力により
前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により前
記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出し
て前記測定物の表面電位を測定するようにした表面電位
計において、前記片持ち梁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交流電圧に直流電圧を重畳さ
せた電圧を前記導電性探針に印加する直流電圧重畳探針
印加制御手段を設け、前記交流電圧による前記導電性探
針と前記測定物の間の静電引力により生じる前記片持ち
梁の振動の振幅が零又は一定値になるように前記直流電
圧を可変させる直流電位制御手段を設け、前記直流電圧
の電位を測定する直流電位測定手段を設けたので、測定
物の表面電位を従来よりも高速にかつ高感度に測定する
ことができるものである。

【０１２８】請求項４記載の発明は、測定物に対向配置
された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記測
定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力により
前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により前
記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出し
て前記測定物の形状を測定するようにした形状測定器に
おいて、前記片持ち梁の共振周波数の２分の１の周波数
又はこの周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周波数
の交流電圧を前記導電性探針に印加する探針印加制御手
段を設け、前記交流電圧による前記探針と前記測定物の
間の静電引力により生じる前記片持ち梁の振動の振幅が
一定値になるように前記測定物と前記導電性探針との間
の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御手段
を設け、前記アクチュエータの変位量を測定する変位量
測定手段を設けたので、測定物の表面形状を従来よりも
高速にかつ高感度に測定することができるものである。

【０１２９】請求項５記載の発明は、測定物に対向配置
された導電性探針を片持ち梁の先端に保持させ、前記測
定物と前記導電性探針との間に作用する静電引力により
前記片持ち梁を変形させ、この片持ち梁の変形により前
記測定物と前記探針との間に作用する静電引力を検出し
て前記測定物の電位又は形状を測定するようにした表面
電位計又は形状測定器において、前記片持ち梁の共振周
波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の第１交流
電圧と前記片持ち梁の共振周波数の２分の１の周波数又
はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の２分の１の周波
数の第２交流電圧とを重畳させた電圧を前記導電性探針
に印加する探針印加制御手段を設け、前記第１交流電圧
による前記導電性探針と前記測定物の間の静電引力によ
り生じる前記片持ち梁の振動の振幅から前記測定物の電
位を測定する表面電位測定手段を設け、前記第２交流電
圧による前記導電性探針と前記測定物の間の静電引力に
より生じる前記片持ち梁の振動の振幅から前記測定物の
形状を測定する形状測定手段を設けたので、測定物の表
面電位と表面形状を従来よりも高速にかつ高感度に、し
かも、同時にかつ独立に測定することができるものであ
る。

【０１３０】請求項６記載の発明は、請求項５記載の発
明においては、導電性探針に第１交流電圧と第２交流電
圧とに加えて直流電圧を重畳した電圧を印加する直流電
圧重畳探針印加制御手段と、前記第１交流電圧による前
記導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
前記片持ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように
前記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記直流電
圧の電位を測定する電位測定手段とを有するようにした
ので、測定物の表面電位と表面形状を従来よりも高速に
かつ高感度に、しかも、同時にかつ独立に測定すること
ができるものである。

【０１３１】請求項７記載の発明は、請求項５記載の発
明において、第２交流電圧による導電性探針と前記測定
物の間の静電引力により生じる片持ち梁の振動の振幅が
一定値になるように前記測定物と前記導電性探針との間
の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御手段
と、前記アクチュエータの変位量を測定する変位量測定
手段とを有するようにしたので、測定物の表面電位と表
面形状を従来よりも高速にかつ高感度に、しかも、同時
にかつ独立に測定することができるものである。

【０１３２】請求項８記載の発明は、請求項５記載の発
明において、導電性探針に第１交流電圧と第２交流電圧
とに加えて直流電圧を重畳した電圧を印加する直流電圧
重畳探針印加制御手段と、前記第１交流電圧による前記
導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる前
記片持ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように前
記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記直流電圧
の電位を測定する電位測定手段と、第２交流電圧による
導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる片
持ち梁の振動の振幅が一定値になるように前記測定物と
前記導電性探針との間の距離を制御するアクチュエータ
を備えた距離制御手段と、前記アクチュエータの変位量
を測定する変位量測定手段とを有するようにしたので、
測定物の表面電位と表面形状を従来よりも高速にかつ高
感度に、しかも、同時にかつ独立に測定することができ
るものである。

【０１３３】請求項９記載の発明は、請求項５，６，７
又は８記載の発明において、第２交流電圧により生じる
片持ち梁の振動波形の位相から９０°の位相差をもって
位相検波した信号により測定物の電位を測定する電位測
定手段と、第１交流電圧により生じる前記片持ち梁の振
動波形の位相から９０°の位相差をもって位相検波した
信号により前記測定物の形状を測定する形状測定手段と
を有するようにしたので、測定物の表面電位と表面形状
を従来よりも高速にかつ高感度に、しかも、互いに干渉
なく測定することができるものである。

【０１３４】請求項１０記載の発明は、請求項９記載の
発明において、第２交流電圧により生じる片持ち梁の振
動波形と第１交流電圧により生じる前記片持ち梁の振動
波形との位相差が９０°になるように第２交流電圧と第
１交流電圧の間の位相差を決定する位相差決定手段を有
するようにしたので、測定物の表面電位と表面形状を従
来よりも高速にかつ高感度に、しかも、互いに干渉な
く、最大の感度をもって測定することができるものであ
る。

【０１３５】請求項１１記載の発明は、請求項５，６，
７，８，９又は１０記載の発明において、導電性探針に
第１交流電圧と第２交流電圧を交互に印加し、前記第１
交流電圧が印加されているときに測定物の電位を測定
し、第２交流電圧が印加されているときに前記測定物の
形状を測定する電位形状測定選択手段を有するようにし
たので、測定物の表面電位と表面形状を従来よりも高速
にかつ高感度に、しかも、同時にかつ独立に測定するこ
とができるものである。

【０１３６】請求項１２記載の発明は、請求項１，２，
３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の発明
において、導電性探針に印加する電圧を測定物の導電性
基板に印加し、その導電性探針の電位を基準電位とした
ので、測定物の表面電位と表面形状を従来よりも高速に
かつ高感度に、しかも、同時にかつ独立に測定すること
ができるものである。

【０１３７】請求項１３記載の発明は、請求項１，２，
３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の発明
において、第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧のう
ち、いずれか２つを導電性探針に印加し、残りの１個を
測定物の導電性基板に印加する電圧印加制御手段を有す
るようにしたので、測定物の表面電位と表面形状を従来
よりも高速にかつ高感度に、しかも、同時にかつ独立に
測定することができるものである。

【０１３８】請求項１４記載の発明は、請求項１，２，
３，４，５，６，７，８，９，１０又は１１記載の発明
において、第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧のう
ち、いずれか２つを測定物の導電性基板に印加し、残り
の１個を導電性探針に印加する電圧印加制御手段を有す
るようにしたので、測定物の表面電位と表面形状を従来
よりも高速にかつ高感度に、しかも、同時にかつ独立に
測定することができるものである。

【０１３９】請求項１５記載の発明は、請求項５，６，
７，８，９，１０，１１，１２，１３又は１４記載の発
明において、第２交流電圧の周波数を片持ち梁の共振周
波数の２倍の周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周
波数の２倍の周波数に設定したので、測定物の表面電位
と表面形状を従来よりも高速にかつ高感度に、しかも、
同時にかつ独立に測定することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項３記載の発明の一実施例である表面電位
計の構成を示す回路図である。

【図２】試料表面に近接した探針先端部の様子を示す模
式図である。

【図３】振動を近似して示す模式図である。

【図４】振幅倍率曲線を示す特性図である。

【図５】位相遅れ曲線を示す特性図である。

【図６】請求項１記載の発明の一実施例である表面電位
計の構成を示す回路図である。

【図７】請求項４記載の発明の一実施例である形状測定
器の構成を示す回路図である。

【図８】請求項２記載の発明の一実施例である形状測定
器の構成を示す回路図である。

【図９】請求項５〜１１記載の発明の一実施例である表
面電位計及び形状測定器の構成を示す回路図である。

【図１０】波形図である。

【図１１】波形図である。

【図１２】請求項１２〜１４記載の発明の一実施例であ
る表面電位計及び形状測定器の構成を示す回路図であ
る。

【図１３】請求項１５記載の発明の一実施例である表面
電位計及び形状測定器の構成を示す回路図である。

【図１４】従来の表面電位計及び形状測定器の構成を示
す回路図である。

【符号の説明】

１５ 導電性基板 １６ 測定物 １７ 導電性探針 １８ 片持ち梁 ２５ 直流電位制御手段 ２６ 直流電位測定手段 ３０ 直流電圧重畳探針印加制御手段 ３２ 探針印加制御手段 ３４ 探針印加制御手段 ３６ アクチュエータ ３７ 距離制御手段 ３８ 変位量測定手段 ４２ 電位制御手段 ４３ 電位測定手段 ４８ 直流電圧重畳探針印加制御手段 ５１ 変位量測定手段 ５３ 距離制御手段

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定物に対向配置された導電性探針を片
   持ち梁の先端に保持させ、前記測定物と前記導電性探針
   との間に作用する静電引力により前記片持ち梁を変形さ
   せ、この片持ち梁の変形により前記測定物と前記探針と
   の間に作用する静電引力を検出して前記測定物の表面電
   位を測定するようにした表面電位計において、前記片持
   ち梁の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波
   数の交流電圧を前記導電性探針に印加する探針印加制御
   手段を設けたことを特徴とする表面電位計。
2. 【請求項２】 測定物に対向配置された導電性探針を片
   持ち梁の先端に保持させ、前記測定物と前記導電性探針
   との間に作用する静電引力により前記片持ち梁を変形さ
   せ、この片持ち梁の変形により前記測定物と前記探針と
   の間に作用する静電引力を検出して前記測定物の形状を
   測定するようにした形状測定器において、前記片持ち梁
   の共振周波数の２分の１の周波数又はこの周波数とほぼ
   等しい周波数の２分の１の周波数の交流電圧を前記導電
   性探針に印加する探針印加制御手段を設けたことを特徴
   とする形状測定器。
3. 【請求項３】 測定物に対向配置された導電性探針を片
   持ち梁の先端に保持させ、前記測定物と前記導電性探針
   との間に作用する静電引力により前記片持ち梁を変形さ
   せ、この片持ち梁の変形により前記測定物と前記探針と
   の間に作用する静電引力を検出して前記測定物の表面電
   位を測定するようにした表面電位計において、前記片持
   ち梁の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波
   数の交流電圧に直流電圧を重畳させた電圧を前記導電性
   探針に印加する直流電圧重畳探針印加制御手段を設け、
   前記交流電圧による前記導電性探針と前記測定物の間の
   静電引力により生じる前記片持ち梁の振動の振幅が零又
   は一定値になるように前記直流電圧を可変させる直流電
   位制御手段を設け、前記直流電圧の電位を測定する直流
   電位測定手段を設けたことを特徴とする表面電位計。
4. 【請求項４】 測定物に対向配置された導電性探針を片
   持ち梁の先端に保持させ、前記測定物と前記導電性探針
   との間に作用する静電引力により前記片持ち梁を変形さ
   せ、この片持ち梁の変形により前記測定物と前記探針と
   の間に作用する静電引力を検出して前記測定物の形状を
   測定するようにした形状測定器において、前記片持ち梁
   の共振周波数の２分の１の周波数又はこの周波数とほぼ
   等しい周波数の２分の１の周波数の交流電圧を前記導電
   性探針に印加する探針印加制御手段を設け、前記交流電
   圧による前記探針と前記測定物の間の静電引力により生
   じる前記片持ち梁の振動の振幅が一定値になるように前
   記測定物と前記導電性探針との間の距離を制御するアク
   チュエータを備えた距離制御手段を設け、前記アクチュ
   エータの変位量を測定する変位量測定手段を設けたこと
   を特徴とする形状測定器。
5. 【請求項５】 測定物に対向配置された導電性探針を片
   持ち梁の先端に保持させ、前記測定物と前記導電性探針
   との間に作用する静電引力により前記片持ち梁を変形さ
   せ、この片持ち梁の変形により前記測定物と前記探針と
   の間に作用する静電引力を検出して前記測定物の電位又
   は形状を測定するようにした表面電位計又は形状測定器
   において、前記片持ち梁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第１交流電圧と前記片持ち梁の
   共振周波数の２分の１の周波数又はこの共振周波数とほ
   ぼ等しい周波数の２分の１の周波数の第２交流電圧とを
   重畳させた電圧を前記導電性探針に印加する探針印加制
   御手段を設け、前記第１交流電圧による前記導電性探針
   と前記測定物の間の静電引力により生じる前記片持ち梁
   の振動の振幅から前記測定物の電位を測定する表面電位
   測定手段を設け、前記第２交流電圧による前記導電性探
   針と前記測定物の間の静電引力により生じる前記片持ち
   梁の振動の振幅から前記測定物の形状を測定する形状測
   定手段を設けたことを特徴とする表面電位計及び形状測
   定器。
6. 【請求項６】 導電性探針に第１交流電圧と第２交流電
   圧とに加えて直流電圧を重畳した電圧を印加する直流電
   圧重畳探針印加制御手段と、前記第１交流電圧による前
   記導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
   前記片持ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように
   前記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記直流電
   圧の電位を測定する電位測定手段とを有することを特徴
   とする請求項５記載の表面電位計及び形状測定器。
7. 【請求項７】 第２交流電圧による導電性探針と前記測
   定物の間の静電引力により生じる片持ち梁の振動の振幅
   が一定値になるように前記測定物と前記導電性探針との
   間の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御手
   段と、前記アクチュエータの変位量を測定する変位量測
   定手段とを有することを特徴とする請求項５記載の表面
   電位計及び形状測定器。
8. 【請求項８】 導電性探針に第１交流電圧と第２交流電
   圧とに加えて直流電圧を重畳した電圧を印加する直流電
   圧重畳探針印加制御手段と、前記第１交流電圧による前
   記導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
   前記片持ち梁の振動の振幅が零又は一定値になるように
   前記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記直流電
   圧の電位を測定する電位測定手段と、第２交流電圧によ
   る導電性探針と前記測定物の間の静電引力により生じる
   片持ち梁の振動の振幅が一定値になるように前記測定物
   と前記導電性探針との間の距離を制御するアクチュエー
   タを備えた距離制御手段と、前記アクチュエータの変位
   量を測定する変位量測定手段とを有することを特徴とす
   る請求項５記載の表面電位計及び形状測定器。
9. 【請求項９】 第２交流電圧により生じる片持ち梁の振
   動波形の位相から９０°の位相差をもって位相検波した
   信号により測定物の電位を測定する電位測定手段と、第
   １交流電圧により生じる前記片持ち梁の振動波形の位相
   から９０°の位相差をもって位相検波した信号により前
   記測定物の形状を測定する形状測定手段とを有すること
   を特徴とする請求項５，６，７又は８記載の表面電位計
   及び形状測定器。
10. 【請求項１０】 第２交流電圧により生じる片持ち梁の
    振動波形と第１交流電圧により生じる前記片持ち梁の振
    動波形との位相差が９０°になるように第２交流電圧と
    第１交流電圧の間の位相差を決定する位相差決定手段を
    有することを特徴とする請求項９記載の表面電位計及び
    形状測定器。
11. 【請求項１１】 導電性探針に第１交流電圧と第２交流
    電圧を交互に印加し、前記第１交流電圧が印加されてい
    るときに測定物の電位を測定し、第２交流電圧が印加さ
    れているときに前記測定物の形状を測定する電位形状測
    定選択手段を有することを特徴とする請求項５，６，
    ７，８，９又は１０記載の表面電位計及び形状測定器。
12. 【請求項１２】 導電性探針に印加する電圧を測定物の
    導電性基板に印加し、その導電性探針の電位を基準電位
    としたことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，
    ６，７，８，９，１０又は１１記載の表面電位計及び形
    状測定器。
13. 【請求項１３】 第１交流電圧と第２交流電圧と直流電
    圧のうち、いずれか２つを導電性探針に印加し、残りの
    １つを測定物の導電性基板に印加する電圧印加制御手段
    を有することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，
    ６，７，８，９，１０又は１１記載の表面電位計及び形
    状測定器。
14. 【請求項１４】 第１交流電圧と第２交流電圧と直流電
    圧のうち、いずれか２つを測定物の導電性基板に印加
    し、残りの１つを導電性探針に印加する電圧印加制御手
    段を有することを特徴とする請求項１，２，３，４，
    ５，６，７，８，９，１０又は１１記載の表面電位計及
    び形状測定器。
15. 【請求項１５】 第２交流電圧の周波数を片持ち梁の共
    振周波数の２倍の周波数又はこの共振周波数とほぼ等し
    い周波数の２倍の周波数に設定したことを特徴とする請
    求項５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３又は
    １４記載の表面電位計及び形状測定器。