JPH0712825A

JPH0712825A - 走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法およびプローブ

Info

Publication number: JPH0712825A
Application number: JP5156410A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamazaki; 謙治山▲崎▼; Ban Nakajima; 蕃中島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1995-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】走査型プローブ顕微鏡において、精度が高く
空間分解能の高い像を高速に観察できるようにする。【構成】試料１と探針２ａ間の相対的位置を、ディジ
タルシグナルプロセッサ１１により試料１の面内方向に
変化させながら、試料１表面に垂直な方向に変化させ
る。この時に、レーザー発振器２ｃと光検出器２ｄによ
り試料１と探針２ａ間に働く力を検出し、これが最小と
なるバイアス電圧を、微分回路３ｄと比較器３ｅの合図
で検出する。これにより、試料１表面に電荷が集まって
いない状態での測定を可能にし、不均一性の激しい試料
でもフィードバックループの応答速度の制限を受けるこ
となく精度の高い像を高速に観察できるようにし、ま
た、バイアス電圧の正負に依存して、試料１表面に集ま
る電荷の種類や、電荷の集まり方が異なったりする場合
などでも、正確な電位の測定を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋭く尖らせた探針を試
料表面に接近させ、探針先端と試料表面との距離に依存
する物理量を検出することにより、表面形状の測定や材
料分析などを高い空間分解能で行う走査型プローブ顕微
鏡に関するもののうち、探針先端と試料表面に働く静電
引力等の電磁気的力を検出して試料表面の電子的情報を
高分解能で測定する走査型マックスウェル応力顕微鏡
と、探針先端の試料表面に働く原子間力等の力を検出し
て表面形状を測定する原子間力顕微鏡およびその制御方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡の一種である走査
型マックスウェル応力顕微鏡（以下ＳＭＭと略記する）
は物質の表面電位を高分解能で観察でき、また、原子間
力顕微鏡（以下ＡＦＭと略記する）は物質の表面形状を
原子オーダーの高分解能で観察できるということで注目
されており、以下の原理に基づいている。すなわち、Ａ
ＦＭでは、鋭く尖らせた探針の先端を試料表面から１ｎ
ｍ程度以下の距離に接近させると、試料・探針間に原子
間力やその合成力である接触力等が働く。これらの力は
試料・探針間距離に大きく依存するので、探針をＸＹ方
向にラスタースキャン状に掃引させながらこの力を検出
し、これが一定になるように探針をＺ方向にフィードバ
ック制御することにより、原子オーダーで試料の表面形
状が観察できる。ＡＦＭや走査型トンネル顕微鏡（以下
ＳＴＭと略記する）等の走査型プローブ顕微鏡の構成や
動作については、精密工学会誌第５３巻（１９８７）１
８１１頁から１８４４頁に解説されており、ＡＦＭの原
理や実際の測定方法については固体物理第２７巻（１９
９２）５３１頁から５３９頁に解説されている。

【０００３】ＳＭＭでは、ＡＦＭと同様に試料・探針間
に働く力を検出する機能があるが、探針先端は導電性材
料とし、試料・探針間距離は試料表面の水分などによる
吸着力が働かないように数十ｎｍ程度以上離して測定す
る（一度この吸着力に引き寄せられるとマックスウェル
応力の測定が続けられなくなる為である）。ＳＭＭの例
の一つでは、試料と探針の間に周期的な波形のバイアス
電圧を印加することによって働くマックスウェル応力を
検出するために、このバイアス電圧の周期と同じ周期の
力の成分の信号や２倍周期の力の成分の信号などを取り
出す。これらの信号を走査の信号と関連づけて表示する
ことにより、試料表面の微視的な電位、電荷、分極の様
子を示した像を観察することができる。ＳＭＭの原理や
測定結果等は電子情報通信学会技術研究報告第９２巻
（１９９２）ＯＭＥ９２−３（１３頁から１８頁）（以
下、文献１と略記する）で説明されている。また、静電
引力や静電引力勾配の測定により試料表面の電荷像や電
位像を測定する方法がいくつか報告されているが（第５
３回応用物理学会学術講演会（平成４年秋期）講演予稿
集１６ｐ−ＺＹ−７，８，９（３８３頁から３８４頁）
（１９９２））、静電力がマックスウェル応力の一種で
あるということから、これらもマックスウェル応力顕微
鏡の一種であると言える。これらのマックスウェル応用
顕微鏡の空間分解能は、文献１またはＨ．Ｒｏｈｒｅｒ
ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭｅｔｈｏｄｓ
（Ｋｌｕｗｅｒ，Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ，１９９０）ｐｐ
１−２５によると、２・２^1/2・β・（ｓ＋Ｒ）^1/2・ｓ^1/2 （１）によって大まかに表すことができる。ここで、βは１の
オーダーの数、ｓは試料・探針間の距離、Ｒは探針先端
の曲率半径であり、高い分解能を得るためには試料・探
針間の距離および探針先端の曲率半径が小さな値をとる
ことが重要であることがわかる。

【０００４】また、ＳＴＭやＡＦＭの制御方法の改良と
して、試料・探針間距離をこれらがほとんど接触してい
る状態から離れた状態にまで大きく変化させながら測定
する方法が提案されている（第４０回応用物理学関係連
合講演会（１９９３年春期）講演予稿集３１ａ−Ｍ−
６、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６５巻５２３７頁から５
２３９頁など）。これらの方法では、像データのピクセ
ル間の探針移動を、フィードバック制御を行いながら試
料表面をなぞるように行うのではなく、一旦試料表面か
ら遠ざけて直線的に次のピクセルの位置に移動させた後
フィードバック制御を再開し試料・探針間距離を近づけ
るという制御を行う。これにより、ＳＴＭでは大きな視
野の測定時間が短縮でき、ＡＦＭではこれに加え試料・
探針間に働く水平方向および垂直方向の力を小さくし試
料と針の損傷を防ぐ効果があるとしている。

【０００５】さて、従来の走査型プローブ顕微鏡の構成
と動作のうち、文献１に示されているＳＭＭの例を、該
文献に従って、図８を用いて説明する。この従来例を構
成するものとして、８０は試料、８１ａは探針、８１ｂ
は板バネ、８１ｃはレーザー発振器、８１ｄは光検出
器、８１ｅは試料８０をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ駆動するＸ
ＹＺ軸圧電素子、８２ａは正弦波発生器、８２ｂ，８２
ｃはロックインアンプ、８２ｄ，８２ｅはフィードバッ
ク回路、９０ａはＡ／Ｄ変換器、９０ｂ，９０ｃはＤ／
Ａ変換器、９１はディジタルシグナルプロセッサ（以下
ＤＳＰと略記する）、９２は制御用コンピュータであ
る。探針８１ａ、板バネ８１ｂの表面には白金がコート
され、正弦波発生器８２ａと電気的に接続されている。
なお、ＸＹＺ軸圧電素子８１ｅのＸＹ軸方向は試料８０
の面内の座標軸方向を示し、Ｚ軸方向は試料８０に垂直
な方向を示す。また、ＤＳＰ９１は、データ転送機能
と、走査制御機能を内在している。

【０００６】この従来例の動作は以下の通りである。正
弦波発生器８２ａが発生したバイアス電圧が試料８０と
探針８１ａの間に印加された状態で、試料８０に対し探
針８１ａの先端を試料８０の表面から数十ｎｍないし数
百ｎｍ程度に接近させると、マックスウェル応力（ある
いは単純に静電引力と言っても良い）が試料８０・探針
８１ａ間に働く。この力により探針８１ａと一体となっ
ている板バネ８１ｂがたわみ、このたわみ量はレーザー
発振器８１ｃから発振されたレーザー光の進路を変え、
これが光検出器８１ｄにより検出され、試料８０・探針
８１ａ間に働く力の信号（以下これを力信号と呼ぶこと
とする）として出力される。つまり、光検出器８１ｄを
構成する左右２つの光検出部分の各光検出量の差信号
が、板バネ８１ｂのたわみを高感度で検出する。正弦波
発生器８２ａは周波数ωを持つ正弦波のバイアス電圧信
号を出力しており、これによって試料８０と探針８１ａ
の間に働くマックスウェル応力も周期的に変化するが、
この力のうち印加したバイアス電圧の周波数ωと同周波
数ωの成分は試料８０表面の探針８１ａ先端付近の電位
と探針８１ａ間の電位の差に主に依存し、バイアス電圧
のωの周波数の２倍周波数である２ωの成分は試料８０
・探針８１ａ間距離に依存する。そこで、この力に対応
した信号を２つのロックインアンプ８２ｂ，８２ｃに入
力し、順にωおよび２ωの周波数成分を取り出す。これ
により、試料８０・探針８１ａ間の電位差および試料８
０・探針８１ａ間の距離に対応した信号が取り出せる。
距離に対応した信号はロックインアンプ８２ｃからフィ
ードバック回路８２ｄに入力され、該信号が一定の値を
取るようにＸＹＺ軸圧電素子８１ｅのＺ端子にフィード
バックされる。電位差に対応した信号はロックインアン
プ８２ｂからフィードバック回路８２ｅに入力され、該
信号がゼロ（Ｖ）となるように正弦波発生器８２ａに出
力され、正弦波の電圧信号にオフセット電圧として加え
られる。このフィードバック回路８２ｅが出力する電圧
信号は、そのまま試料８０・探針８１ａ間の電圧差を示
しており、Ａ／Ｄ変換器９０ａを介してＤＳＰ９１に入
力される。制御用コンピュータ９２は、ＤＳＰ９１に試
料８０・探針８１ａ間の相対的位置を水平方向にラスタ
ースキャンするための情報を予め出力しており、ラスタ
ースキャンの情報とＤＳＰ９１より入力した試料８０の
電位の情報を関連づけて記憶・表示する。ＤＳＰ９１
は、その走査制御機能により、Ｄ／Ａ変換器９０ｂ，９
０ｃを介して、ラスタースキャンをするための信号をＸ
ＹＺ軸圧電素子８１ｅに出力し、Ａ／Ｄ変換器９０ａか
ら入力された試料８０・探針８１ａ間の電位差の信号を
データ転送機能により制御用コンピュータ９２へ出力す
る。このような動作により、試料８０・探針８１ａ間の
距離を一定に保った状態での試料の微視的な電位分布が
観察できる。

【０００７】上記において、探針と板バネが一体となっ
た部分はプローブと呼ばれるが、図９にこれら従来のＳ
ＭＭで用いられているプローブの構成図を示す。この従
来例を構成するものとして、１００は探針、１０１は板
バネ、１０２はおもて面導電性膜、１０３は裏面レーザ
ー反射膜である。以下便宜的に、プローブの探針１００
がある側の面をおもて面、その反対の面を裏面と呼ぶこ
ととする。探針１００先端を導電性材料とし、かつここ
にバイアス電圧を印加するための電気的導通を取る必要
があるため、プローブおもて面全体にスパッタなどによ
り白金などの金属薄膜を付け、おもて面導電性膜１０２
としている。また、プローブ裏面ではレーザー光を効率
よく反射させるため、金などの金属薄膜をコートし、裏
面レーザー反射膜１０３としている。バイアス電圧はお
もて面の金属薄膜（１０２）に直接印加されるか、ある
いはおもて面・裏面間に導通を取って裏面の金属薄膜
（１０３）に印加される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、試料電位
を測定するために試料・探針間に印加するバイアス電圧
のオフセットをフィードバックの結果により決める方法
では、不均一性の激しい試料についてはフィードバック
ループの応答速度の制限から、精度の高い像が得られな
いという問題がある。つまり、フィードバックのゲイン
を上げすぎると出力信号が発振してしまうため、発振し
ない程度にフィードバックゲインを抑えるが、その結果
フィードバック出力が試料電位の変化に十分追従でき
ず、測定精度がある程度以上上げられないとう問題があ
る。または、フィードバックを十分追従させるために
は、ラスタースキャンの速度を遅くしなければならず、
観察時間が長くなるという問題がある。

【０００９】また、このように、バイアス電圧を一定の
正弦波とし、静電引力（またはマックスウェル応力、以
下同様）のω成分をゼロ（Ｖ）とする方法では、試料が
半導体である場合など、試料・探針間の印加電圧の正負
に依存して、試料表面に集まる電荷の種類が異なったり
電荷の集まり方が異なったりする場合には、電位差の絶
対値が等しくても静電引力が異なる場合があり、正確な
電位が測定できない、という問題がある。

【００１０】また、試料・探針間距離が数十から数百ｎ
ｍと完全に非接触の状態を保って測定するため、試料・
探針間距離をこれ以上小さくできず、空間分解能は数十
ｎｍ程度かもっと悪い状況であり、同時に得ることがで
きる表面形状の像も同様の空間分解能でＡＦＭに比べる
とはるかに劣るという問題がある。

【００１１】また、測定中に試料と探針が一旦接触する
と、試料表面の水分等による吸着力が働き、同様の制御
では測定を継続できないという問題があった。

【００１２】さらに、プローブにおいては、探針おもて
面全体に金属をコートしているため、探針先端以外の金
属部分と試料表面の間に働く静電引力が無視できず、や
はり空間分解能を落とす原因となっていた。

【００１３】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、バイアス電圧の制御や試
料電位の検出、探針の構成および方法を改良することに
より、精度が高く空間分解能の高い像を高速に観察でき
る走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法およびプロ
ーブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、試料を載置する試料台と、先端が導電性
である探針と、前記試料と前記探針間の相対的位置を前
記試料の面内方向に変化させる走査制御部と、前記相対
的位置を前記試料表面に垂直な方向に変化させるフィー
ドバック制御部と、前記試料と前記探針の間にバイアス
電圧を印加するバイアス電圧制御部と、前記試料と前記
探針の間に働く力を検出する検出部を有する走査型プロ
ーブ顕微鏡において、請求項１の発明では、前記試料と
探針の間に働く力が、極小となる前記バイアス電圧を検
出する手段を有する構成とし、請求項３の発明では、前
記フィードバック制御部が、前記試料と前記探針間の前
記試料表面に垂直方向の距離を繰り返し変化させる手段
を有し、前記垂直方向の距離の変化に伴って変化する前
記試料と前記探針間に働く力の最大値を検出する手段を
有する構成とし、請求項５の発明では、上記請求項３の
発明の走査型プローブ顕微鏡において、前記検出部が、
前記試料の表面および前記探針を非導電性液体中に保つ
為の容器を有するか、または前記試料の表面および前記
探針を真空中に保つ為の容器を有する構成としている。

【００１５】また同じく、上記の目的を達成するため、
本発明は、まず、試料と探針の間の相対的位置を前記試
料の面内方向に制御し、次に、前記試料と前記探針の間
にバイアス電圧を印加し、次に、前記試料と前記探針の
間に働く力を検出し、次に、前記検出した出力に基づい
てフィードバック制御により前記試料と前記探針の前記
試料表面に垂直方向の相対的位置を制御する走査型プロ
ーブ顕微鏡の制御方法において、請求項２の発明では、
前記試料と前記探針の間に働く力が、極小となる前記バ
イアス電圧を検出する構成とし、請求項４の発明では、
前記フィードバック制御により、前記試料と前記探針間
の前記試料表面に垂直方向の距離を繰り返し変化させ、
前記試料と前記探針の間に働く力を、前記垂直方向の距
離の関数として検出し、その結果に基づいて、前記試料
と前記探針の間に働く力の最大値を求める構成とし、請
求項６の発明では、請求項４の発明の走査型プローブ顕
微鏡の制御方法において、前記試料の表面および前記探
針を非導電性液体中に保つか、または前記試料の表面お
よび前記探針を真空中に保つ構成としている。

【００１６】さらに同じく、上記の目的を達成するた
め、本発明の請求項７の発明では、探針と、板バネを有
する走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記探
針の本体および前記板バネの本体が非導電性材料で構成
され、前記探針の先端が導電性材料で構成されており、
前記探針先端部に電圧を印加するため、前記探針先端部
に接続されている配線部を有する構成としている。

【００１７】

【作用】請求項１および請求項２の発明の走査型プロー
ブ顕微鏡およびその制御方法では、検出部が検出する試
料・探針間に働く引力が最小となるバイアス電圧を、検
出部もしくはバイアス電圧制御部等が検出することを特
徴としている。これにより、電荷が試料表面に集まって
いない状態での測定を可能にし、不均一性の激しい試料
についてもフィードバックループの応答速度の制限を受
けることなく、精度の高い像を高速に観察することを可
能とし、また、試料が半導体である場合など、試料・探
針間の印加電圧の正負に依存して、試料表面に集まる電
荷の種類が異なったり電荷の集まり方が異なったりする
場合など、電位差の絶対値が等しくても静電引力が異な
るという場合でも、正確な電位の測定を可能としてい
る。

【００１８】また、請求項３および請求項４の発明の走
査型プローブ顕微鏡およびその制御方法では、フィード
バック制御部が、試料・探針間の距離を、試料と探針が
接触している状態から数ｎｍ程度以上離れている状態へ
と変化させることを繰り返し、検出部またはフィードバ
ック制御部が、試料・探針間の距離の変化に伴って変化
する試料・探針間に働く引力の最大値を検出することを
特徴としている。これにより、試料・探針間の距離が非
常に小さい状態での静電引力の測定を可能として、ＳＭ
Ｍ像の空間分解能を高め、同時にＡＦＭの原理による高
分解能での試料形状の像を得る。

【００１９】また、請求項５および請求項６の発明の走
査型プローブ顕微鏡およびその制御方法では、試料の表
面および探針を非導電性液体中か、あるいは真空中に保
つことを特徴としている。これにより、試料と探針が接
触している状態から数ｎｍ程度以上離れている状態へと
変化させる際に、試料・探針間に働く吸着力を抑え、高
い精度のＳＭＭ像を得る。

【００２０】また、請求項７の発明のプローブでは、探
針のうち先端を除くほとんどの部分および、板バネのう
ち裏面を除くほとんどの部分が非導電性材料でできてお
り、探針の先端の導電性部分から板バネ裏面へ細い配線
により電気的導通が取られていることを特徴としてい
る。これにより、静電引力として探針先端とその直下の
試料表面の間に働く力以外の力をほとんどなくして、高
い空間分解で静電引力（又はマックスウェル応力）を検
出する。

【００２１】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の実施例を説
明する。

【００２２】［実施例１］図１は本発明の第１の実施例
を示すＳＭＭの構成図であって、１は試料、２ａは探
針、２ｂは板バネ、２ｃはレーザー発振器、２ｄは光検
出器、２ｅは試料１をＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動するＸＹＺ
軸圧電素子、３ａは正弦波発生器、３ｂはロックインア
ンプ、３ｃはフィードバック回路、３ｄは微分回路、３
ｅは比較器、３ｆはサンプルホールド回路（以下Ｓ／Ｈ
回路と略記する）、１０ａはＡ／Ｄ変換器、１０ｂ，１
０ｃはＤ／Ａ変換器、１１はＤＳＰ、１２は制御用コン
ピュータである。なお、ＸＹＺ軸圧電素子２ｃのＸＹ軸
方向は試料１の面内の座標軸方向を示し、Ｚ軸方向は試
料１に垂直な方向を示す。また、ＤＳＰ１１は、データ
転送機能と、走査制御機能を内在している。

【００２３】上記構成の実施例の動作は次のとおりであ
る。正弦波発生回路３ａから周波数ωの正弦波のバイア
ス電圧が試料１に印加された状態で、試料１と探針２ａ
の先端が数十から数百ｎｍ程度に接近すると、これらの
間に静電引力が働く。この力は板バネ２ｂをたわませ、
このたわみは、レーザー発振器２ｃから発振されたレー
ザーが板バネ２ｂの裏面で反射して、光検出器２ｄに到
達することにより、検出される。結局、光検出器２ｄか
ら試料１・探針２ａ間の力に対応した力信号が、ロック
インアンプ３ｂおよび微分回路３ｄに出力される。この
力信号の周波数２ωの成分は試料１・探針２ａ間の距離
に依存するので、ロックインアンプ３ｂにより２ω成分
が抽出され、この信号が一定になるようにフィードバッ
ク回路３ｃでＸＹＺ軸圧電素子２ｅのＺ端子にフィード
バックされることで、試料１・探針２ａ間距離が一定に
保たれる。力信号は微分回路３ｄで微分され、比較回路
３ｅに出力される。この信号を比較回路３ｅはゼロと比
較し、一致した瞬間にＳ／Ｈ回路３ｆに合図を出力す
る。Ｓ／Ｈ回路３ｆはこの合図を受けた瞬間に正弦波発
生回路３ａから入力したバイアス電圧の値を保持し、Ａ
／Ｄ変換器１０ａを介してＤＳＰ１１に出力する。ＤＳ
Ｐ１１は、予め制御用コンピュータ１２から指示された
方法で、その走査制御機能によりＤ／Ａ変換器１０ｂ，
１０ｃを介してＸＹＺ軸圧電素子２ｅのＸ端子およびＹ
端子に走査信号を出力することによって、試料１を水平
方向にラスタースキャンをしながら、Ａ／Ｄ変換器１０
ａを介してＳ／Ｈ回路３ｆより入力した、力信号の微分
がゼロとなった（つまり力信号が極値をとった）瞬間の
バイアス電圧値を、データ転送機能により制御用コンピ
ュータ１２に転送する。制御用コンピュータ１２はＤＳ
Ｐ１１に指示した走査の情報とＤＳＰ１１より入力した
バイアス電圧値の情報を関連付け、記憶、表示する。ま
た、正弦波発生回路３ａは出力する正弦波が極値を取っ
たときにＳ／Ｈ回路３ｆがバイアス電圧をサンプルホー
ルドしないように、適当なｏｎ／ｏｆｆ信号をＳ／Ｈ回
路３ｆに出力する。

【００２４】次に、（試料表面の静電荷や分極が十分小
さい場合には）力信号が極値を取るバイアス電圧が試料
表面の電位を示していることを、図２（ａ−１），（ａ
−２），（ａ−３），（ｂ）を用いて説明する。図２
（ａ−１），（ａ−２），（ａ−３）は試料が半導体で
ある場合の試料・探針間のバンド図の例であり、図２
（ｂ）はバイアス電圧と静電引力の関係の例を示した図
である。ここで、ｅは電気素量、φ_Mは探針先端の導電
性材料の仕事関数、φ_Sは半導体試料の仕事関数、Ｅ_Fは
フェルミレベル、Ｖは試料に印加するバイアス電圧、＋
−は各電荷を意味する。一般に異なった物質では仕事関
数が異なるため、異なる物質よりなる試料と探針を近づ
けた場合、バイアス電圧Ｖがゼロ（Ｖ）ではなく、（φ
_S−φ_M）の電圧を印加した場合（図２（ａ−１））に試
料・探針間の空間の準位（真空準位）が水平となり、試
料・探針の表面に電荷が集まっていない状態となる（こ
の状態をフラットバンドという）。図２（ａ−２），
（ａ−３）に示したように、バイアス電圧がこの電圧
（φ_S−φ_M）より、大きくても小さくても、試料先端お
よびその直下の試料表面に電荷が集まることにより試料
・探針間に静電引力が働く。静電引力はこれらの状態よ
りバイアス電圧の絶対値が大きくなるにつれて単調に大
きくなるので、バイアス電圧と力信号の関係は図２
（ｂ）のグラフで表した様に下に凸の曲線となる。この
曲線で力信号が最小となる（つまり極値をとる＝微分が
ゼロとなる）バイアス電圧を求めることにより、φ_s−
φ_Mつまり試料・探針間の電位が求められる。また、φ_M
が分かっていればφ_Sを求めることができる。

【００２５】試料１と探針２ａの水平方向の相対的位置
をラスタースキャンさせながら、上記の電位測定の動作
を繰り返すことにより、試料表面の正確な電位分布の像
を観察することができる。

【００２６】このように、試料・探針間に働く引力が、
最小となるバイアス電圧を検出することにより、不均一
性の激しい試料についてもフィードバックループの応答
速度の制限を受けることなく、精度の高い電位像を高速
に観察することが可能となる。また、試料が半導体であ
る場合など、試料・探針間のバイアス電圧の正負に依存
して、試料表面に集まる電荷の種類が異なったり電荷の
集まり方が異なったりする場合など、電位差の絶対値が
等しい際の静電引力が異なる場合でも、正確な電位の測
定が可能となる。

【００２７】本実施例では、バイアス電圧を一定の正弦
波とし、アナログ回路で力信号の微分がゼロとなる瞬間
のバイアス電圧を検出する方法を述べたが、ディジタル
回路を用いて力信号が最小となるバイアス電圧を検出す
る回路構成としたり、全入出力をＤ／Ａ変換器等でディ
ジタル化し力信号が最小となるバイアス電圧を数値的に
求める機能をＤＳＰに持たせたり、アナログ回路でもピ
ークホールド回路などを用いて力信号が最小となるバイ
アス電圧を直接検出したり、バイアス電圧を三角波など
他の波形としたり、最小となるバイアス電圧の値により
バイアス電圧のオフセットをフィードバック制御させた
りしてもよいことは言うまでもない。

【００２８】この場合、アナログ制御を多用した装置
は、全ディジタル制御の装置に比べて、ディジタル制御
部分の汎用性が高く、全体として安価に作製できるとい
う利点があり、全ディジタル制御化しＤＳＰに多くの機
能を持たせた装置では、ソフトウエアを書き換えること
によりＳＴＭなど他の種類の走査型プローブ顕微鏡と制
御部分のハードウエアを共用できたり、ソフトウエアを
工夫することにより慣れない作業者でも簡単に操作でき
る装置としたりすることができるという利点がある。

【００２９】［実施例２］図３は本発明の第２の実施例
を示すプローブの構成図であって、上記第１の実施例の
探針２ａおよび板バネ２ｂの部分に相当する部品であ
り、一般にＳＭＭで用いるためのものである。この実施
例を構成するものとして、３０は探針、３０ａは探針先
端部、３０ｂは探針本体、３１は板バネ本体、３２は配
線部、３３は裏面レーザー反射膜である。探針先端部３
０ａ、配線部３２および、裏面レーザー反射膜３３は導
電性材料で形成されている。

【００３０】この様なプローブは、ＬＳＩプロセス技術
を用いて、非導電性材料で作られている市販のＡＦＭ用
のプローブに、収束イオンビーム装置（またはＦＩＢ）
を用いて探針先端部３０ａおよび配線部３２となる所
に、金属を付着させることにより、作製することができ
る。

【００３１】動作させる際には、プローブを固定する治
具から、配線部３２、裏面レーザー反射膜３３を介して
導通の取れている探針先端部３０ａへ、バイアス電圧を
印加する。その状態で、探針先端部３０ａにマックスウ
ェル応力等の力が働くと、その力に応じて板バネ本体３
１がたわむ。裏面レーザー反射膜３３は、このたわみ量
に応じて照射されているレーザー光の進路を変化させ
る。

【００３２】図４（ａ）は、本発明の第２の実施例であ
るプローブの動作時の電荷分布の例を示す図であって、
図４（ｂ）に示した従来のプローブの動作時の電荷分布
の例を示す図と比較することにより、本発明の特徴を示
すものである。ここで、４０，４０′は試料、４１，４
１′は探針、４２は探針先端部、４３は配線部であり、
＋−は各電荷を意味する。

【００３３】図４（ｂ）の従来のプローブでは探針４
１′全体の表面が導電性材料より成り、試料４０′・探
針４１′間にバイアス電圧が印加されると、探針４１′
先端だけでなく探針４１′表面全体に電荷が集まり、よ
って試料４０′表面にも広い範囲に渡って電荷が分布す
る。その結果、探針４１′先端だけでなく探針４１′全
体と試料４０′の広い範囲の間で静電引力が働くため、
測定される力は試料４０′の広い範囲の情報を重ね合わ
せたものとなる。一方、図４（ａ）に示した本発明の実
施例では、探針先端部４２（および配線部４３）のみが
導電性であるため、試料４０・探針４１間にバイアス電
圧が印加された際に、探針４１の先端のみ（および配線
部４３の一部）に電荷が集まり、よって試料４０表面で
も探針先端部４３付近に電荷がより局在する。その結
果、探針４１先端と電荷が局在した試料４０表面の間で
のみ静電引力が働くため、測定される力は、試料４０の
より狭い範囲の情報しか含まず、ＳＭＭの空間分解能を
向上させることが可能となる。

【００３４】このように、探針の先端を除くほとんどの
探針の部分および、板バネの裏面を除くほとんどの板バ
ネの部分が非導電性材料でできており、探針の先端の導
電性部分から板バネ裏面へ細い配線により電気的導通が
取られていることによって、探針全体に静電引力が働き
試料表面の広い領域の情報をひろうことにより、分解能
が下がってしまうことが防げ、探針先端部とその直下の
試料表面の間に働く力以外の力がほとんどなくなり、高
い空間分解能で静電引力を検出することが可能となる。

【００３５】本実施例では、ＦＩＢを用いて探針先端部
および配線部を形成する例を述べたが、探針や板バネを
作製する際にＬＳＩプロセス技術を用いて探針先端部お
よび配線部を形成し、プローブを作製してもよいことは
言うまでもない。また、本実施例を示した図３では配線
部を板バネの先端方向に伸ばした例を示したが、板バネ
の横方向あるいは根元方向に伸ばしても良いことは言う
までもない。

【００３６】［実施例３］図５は本発明の第３の実施例
を示すＳＭＭの制御方法を実現する装置の構成図であっ
て、５０は試料、５１ａは探針、５１ｂは板バネ、５１
ｃはレーザー発振器、５１ｄは光検出器、５１ｅは試料
５０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動するＸＹＺ軸圧電素子、５
１ｆは試料５０と探針５１ａおよび板バネ５１ｂを水中
に浸す為の容器、６０ａはＡ／Ｄ変換器、６０ｂ〜６０
ｅはＤ／Ａ変換器、６１はＤＳＰ、６２は制御用コンピ
ュータである。なお、ＸＹＺ軸圧電素子５１ｅのＸＹ軸
方向は試料５０の面内の座標軸方向を示し、Ｚ軸方向は
試料５０に垂直な方向を示す。また、ＤＳＰ６１は、デ
ータ収集処理機能と、バイアス電圧制御機能と、走査制
御機能と、フィードバック等Ｚ電圧制御機能とを内在し
ている。本実施例では、ＤＳＰ６１に内在されデータ収
集処理機能を実現している機能手段が、本発明における
試料・探針間に働く力の最大値を求める手段を兼ねてい
る。

【００３７】ＤＳＰ６１は、予め制御用コンピュータ６
２より指示された方法で、Ｄ／Ａ変換器６０ｂ〜６０ｄ
を介して、バイアス電圧制御機能により探針５１ａにバ
イアス電圧の信号を出力すると同時に、走査制御機能に
よりＸＹＺ軸圧電素子５１ｅのＸ端子およびＹ端子に走
査信号を出力する。また、予め制御用コンピュータ６２
より指示された方法で、Ａ／Ｄ変換器６０ａを介してデ
ータ収集処理機能により光検出器５１ｄから力信号を入
力し、フィードバックの計算を実行した結果などをＤ／
Ａ変換器６０ｅを介してフィードバック等Ｚ電圧制御機
能によりＸＹＺ軸圧電素子のＺ端子に出力する。試料５
０・探針５１ａ間に働く力が力信号に変換される動作は
第１の実施例の説明中に述べたものと同じである。ただ
し、容器５１ｆは純水で満たされ、試料５０、探針５１
ａおよび板バネ５１ｂは純水に浸してある。

【００３８】次に、試料・探針間距離と試料・探針間に
働く力の関係がＳＭＭやＡＦＭでどのように測定される
かについて、説明する。図６（ａ）は試料・探針間距離
ｓと試料・探針間に働く力Ｆの関係の例を示す図であ
り、図６（ｂ）は試料位置をＺ方向に駆動するＺ印加電
圧Ｚと試料・探針間に働く力Ｆの信号の関係の例を示す
図である。図６（ａ）の関係と板バネのバネ定数が分か
っていれば、図６（ｂ）の関係は一義的に求めることが
できる。

【００３９】図６（ａ）に示すように、試料・探針間距
離ｓ（以下ｓと略記する）が非常に小さい（接触してい
る）際には、試料・探針間に働く力Ｆ（以下Ｆと略記す
る）は斥力の原子間力の合算により大きな斥力となり、
これはｓが小さくなるにつれて急激に大きくなる。ｓが
多少大きい際には、試料・探針間に働く引力の原子間力
や、静電引力あるいは試料表面にある水分や炭化水素物
の層の吸着力が働きＦは引力となる。この引力はｓが大
きくなるにつれ徐々に小さくなる（以下この曲線をｓ−
Ｆ曲線と呼ぶ）。図６（ａ）に示した（イ）、（ロ）
は、バネ定数［力／距離］の傾きを持ち、ｓ−Ｆ曲線に
接する直線であり、図６（ｂ）で示した測定系の通過す
る経路をｓ−Ｆ平面上に記したものである。実際の測定
系では、板バネのたわみ量の制御ができないので、図６
（ｂ）に示したようにＺ印加電圧Ｚ（以下Ｚと略記す
る、試料のＺ方向の変位距離に直接対応する）とＦの関
係を測定する。このＺ−Ｆの関係はＺの増加時と減少時
で異なった経路を取りヒステリシスを示す。図６（ａ）
および（ｂ）に示した（１）〜（６）の記号は各々対応
している。まず、Ｚが十分大きい時点（１）から徐々に
Ｚを小さくしていくと、Ｆとしては引力が徐々に大きく
なっていくが、（２）に達すると一挙に板バネがたわみ
探針は試料に引き付けられ（３）の位置に移動する。更
に、Ｚを小さくするとＦは引力から斥力領域に入り、
（４）の時点ではｓはほとんど変化せず図６（ｂ）のＺ
−Ｆ平面上では直線を描く。ここでＺを増加の方向へ反
転させると再び引力領域に戻っていくが、今度は（５）
の位置まで引きつけあい、（５）から（６）へ一挙に離
れ、（１）に戻る。

【００４０】この様に、Ｚを変化させてＦとの関係を測
定することで、ｓ−Ｆ曲線の情報が得られるが、特徴的
でありかつ測定が容易なパラメータは、Ｚ−Ｆ曲線にお
けるＦの最大値Ｆ_Mである。Ｆ_Mは図６（ａ）に示した様
に、大きな引力領域のｓ−Ｆ曲線とバネ定数の傾きの直
線との接点の値である。試料・探針間に働く引力のう
ち、原子間力はｓが非常に小さい時しか働かず、また静
電引力に比べてかなり小さいので、Ｆ_Mとは余り関係し
ない。実際の測定では、特に大気中の測定では試料表面
にある水分や炭化水素物の層の吸着力が、Ｆ_Mに大きく
影響を与える。この吸着力と静電引力を加えた力の増減
を、Ｆ_Mは反映する。吸着力がバイアス電圧や測定履歴
に関係しなければ、Ｆ_Mのバイアス電圧依存性は静電引
力のバイアス電圧依存性を反映する。

【００４１】試料や探針の材質にも依るが、実際には水
分などによる吸着力は測定履歴や物理的ゆらぎにより変
化することが多いので、大気中での測定は難しい場合が
多い。しかし、この吸着力は試料表面および探針全体を
水中または油中に浸した場合、または真空中で清浄な表
面が保たれている場合は、大気中に比べ非常に小さくな
ることはよく知られている。よって、この様な環境下で
測定することにより、Ｆ_Mは静電引力を良い精度で反映
し、高い精度のＳＭＭ観察が可能となる。また、水中で
測定する場合、電流が流れないよう絶縁性の良い純水を
用いるのが適当である。

【００４２】ところで、Ｆ_Mの値は、図６（ａ）に示し
たｓ₀の様に１〜２ｎｍ程度の非常に小さいｓでの値で
あり、ＳＭＭの空間分解能を大まかに示す式（１）から
ＳＭＭの空間分解能を高めることに利用できることが分
かる。

【００４３】図７は本発明の第３の実施例を示すＳＭＭ
の制御方法を示すフローチャート図であって、ＤＳＰ６
１が行う走査制御、フィードバック制御、データ収集お
よびデータ処理の方法について説明するものである。こ
こでＦは力信号の値、ＺはＺ印加電圧信号の値、Ｖはバ
イアス電圧信号の値、ΔＺはＺ印加電圧信号の変化分、
ΔＺ₁はΔＺを変化させる際の最大値、Ｚ（Ｆ，Ｆｓ）
はＦからＺを求めるフィードバック関数、Ｖａはフィー
ドバック制御をする際のバイアス電圧信号の値、Ｖ₀，
Ｖ₁はバイアス電圧を変化させる際の順に最小値および
最大値、Ｎ_Vはバイアス電圧を変化させるサンプル数、
Ｆｓは力信号が一定の値となる様に制御する際に試料を
Ｚ方向にフィードバック制御する設定基準値であり、力
信号がＦｓのときには試料と探針が接触している状態と
なる力の値である。

【００４４】ＤＳＰ６１は、まず走査範囲、フィードバ
ック関数、バイアス電圧およびＺ印加電圧の変化分等の
データを制御用コンピュータ６２から入力し、初期値と
して、走査範囲の開始点に対応する走査信号、バイアス
電圧信号Ｖａを出力し、Ｚ印加電圧信号の変化分ΔＺを
ゼロとする。次に、フィードバック制御として、力信号
Ｆを入力し、ＦがＦｓに一致する様にフィードバック関
数Ｚ（Ｆ，Ｆｓ）で求めた値をＺ印加電圧信号として出
力する。力信号ＦがＦｓに十分近づくまでこのフィード
バック制御を繰り返す。次に、このときのＺをＺ’と
し、ＤＳＰ６１はバイアス電圧Ｖ＝Ｖ₀を出力する。Δ
ＺをゼロからΔＺ₁まで変化させてＺ＝Ｚ’＋ΔＺの値
をＺ印加電圧信号として出力しながら、力信号Ｆを入力
する。このとき、Ｚ＝Ｚ’＋ΔＺ₁のＺ印加電圧では、
試料・探針間距離は数ｎｍ程度以上離れるようにΔＺ₁
の値を定める（ここで、試料・探針間には静電引力など
の引力が働くためΔＺ₁は数ｎｍではなく（最大引力）
／（板バネのバネ定数）程度以上としなければならな
い）。次に、入力した、これらの力信号Ｆの列｛Ｆ｝の
うち最大（引力方向で数値が大きくなるものとする）の
値をＦ_M（Ｖ₀）として記憶する。このような、Ｚを変化
させながら最大のＦ_M（Ｖ）を記憶する動作を、バイア
ス電圧信号をＶ₀からＶ₁まで（Ｖ₁−Ｖ₀）／（Ｎ_V−
１）ずつ変化させながら繰り返す。次に、記憶されたＮ
_V個のＦ_M（Ｖ）が最小となるＶ_mを求め、このＶ_mおよび
Ｚ’の値を制御用コンピュータ６２に出力する。以上
の、フィードバック制御、ΔＺを変化させながらのＦの
入力およびＦ_M（Ｖ）とＶ_mの算出と出力を、Ｘ，Ｙの走
査を進めながら繰り返すことにより、Ｖ_mのデータから
ＳＭＭ像が得られ、Ｚ’のデータからＡＦＭ像が得られ
る。

【００４５】このように、試料・探針間の距離を、試料
と探針が接触している状態から数ｎｍ程度以上離れてい
る状態へと変化させることを繰り返し、試料・探針間の
距離の変化に伴って変化する試料・探針間に働く引力の
最大値を検出することにより、ｓが非常に小さい状態で
の静電引力の測定が可能となり、ＳＭＭ像の空間分解能
を高めることができ、同時にＡＦＭの原理による高分解
能の試料形状の像を得ることができる。また、試料の表
面および探針を非導電性液体中に保つことにより、試料
と探針が接触している状態から数ｎｍ程度以上離れてい
る状態へと変化させる際に、試料・探針間に働く吸着力
を抑えることができ、高い精度のＳＭＭ像を得ることが
できる。また、この様に全ての入出力をディジタル化し
コンピュータで一括して制御し、ソフトウェアを工夫す
ることにより、慣れない作業者でも簡単に操作できる装
置とすることができるという利点が得られる。

【００４６】本実施例では、ＤＳＰでＶ_mの算出を測定
と同時に行い、Ｖ_mのみを表示する方法を述べたが、Ｄ
ＳＰが入力した力信号Ｆを全てまたはＦ_M（Ｖ）の信号
列を制御用コンピュータに転送し、データ収集後に制御
用コンピュータがＶ_mの算出と表示を行ったり、Ｆデー
タから求められるＶ_m以外のパラメータを算出・表示し
たりしてもよいことは言うまでもない。たとえば、Ｆ_M
（Ｖ）のＶ_mを中心とした対称性から、半導体試料表面
に集まる電荷の種類の違いや電荷の集まり方の違いによ
り、半導体の不純物種類（ｐ型、ｎ型）を測定したり、
半導体の不純物濃度は仕事関数と直接対応しているの
で、探針の仕事関数が分かっていれば電位分布を測定す
ることにより半導体の不純物濃度分布を観察したりする
ことが可能である。

【００４７】また、本実施例では、ＦがＦｓに十分近づ
くまで繰り返しフィードバック制御を行う例を述べた
が、Ｘ，Ｙの各点で１度だけフィードバック制御を行っ
てもよいことは言うまでもない。

【００４８】なお、以上に挙げた本発明の実施例は、本
発明により考え得る実施例の極一部であり、ＳＭＭ、Ａ
ＦＭに関する既存の方法や上に挙げた実施例中に述べた
方法の組み合わせにより、本発明は多数の実施態様を取
り得るものである。

【００４９】具体的な組み合わせの方法は、観察する試
料や目的に応じて最適なものを選択するべきであるが、
適切な組み合わせにより同様の効果が得られるものであ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
請求項１および請求項２の発明の走査型プローブ顕微鏡
およびその制御方法によれば、試料・探針間に働く引力
が、最小となるバイアス電圧を検出することにより、精
度の高い電位像を高速に観察することが可能となり、ま
た、試料が半導体である場合など、試料・探針間のバイ
アス電圧の正負に依存して、電位差の絶対値が等しい際
の静電引力（またはマックスウェル応力）が異なる場合
でも、正確な電位の測定が可能となる。

【００５１】また、本発明の請求項３および請求項４の
発明の走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法によれ
ば、試料・探針間の距離を、試料と探針が接触している
状態から数ｎｍ程度以上離れている状態へと変化させる
ことを繰り返し、試料・探針間の距離の変化に伴って変
化する試料・探針間に働く引力の最大値を検出すること
により、試料・探針間の距離が非常に小さい状態での静
電引力（またはマックスウェル応力）の測定が可能とな
り、ＳＭＭ像の空間分解能を高めることができ、同時に
ＡＦＭの原理による高分解能の試料形状の像を得ること
ができる。

【００５２】また、本発明の請求項５および請求項６の
走査型プローブ顕微鏡およびその制御方法によれば、試
料の表面および探針を非導電性液体中に保つことによ
り、試料と探針が接触している状態から数ｎｍ程度以上
離れている状態へと変化させる際に、試料・探針間に働
く吸着力を抑えることができ、高い精度のＳＭＭ像を得
ることができる。

【００５３】さらに、本発明の請求項７の発明のプロー
ブによれば、探針の先端を除くほとんどの探針の部分お
よび、板バネの裏面を除くほとんどの板バネの部分が非
導電性材料でできており、探針の先端の導電性部分から
板バネ裏面へ細い配線により電気的導通が取られている
ことによって、探針全体に静電引力（またはマックスウ
ェル応力）が働き試料表面の広い領域の情報をひろうこ
とにより分解能が下がってしまうことが防げ、探針先端
部とその直下の試料表面の間に働く力以外の力がほとん
どなくなり、高い空間分解能で静電引力（マックスウェ
ル応力）を検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の実施例を示すＳＭＭの構成図

【図２】（ａ−１），（ａ−２），（ａ−３）は上記第
１の実施例の動作を説明するための、試料が半導体であ
る場合の試料・探針間のバンド図の例、（ｂ）は上記第
１の実施例の動作を説明するための、バイアス電圧と静
電引力の関係の例を示した図

【図３】本発明第２の実施例を示すプローブの構成図

【図４】（ａ）は上記第２の実施例の動作時の電荷分布
の例を示す図、（ｂ）はプローブの従来例の動作時の電
荷分布の例を示す図

【図５】本発明第３の実施例を示すＳＭＭの制御方法を
実現する装置の構成図

【図６】（ａ）は本発明第３の実施例を説明するため
の、試料・探針距離と試料・探針間に働く力の関係の例
を示す図、（ｂ）は本発明の実施例を説明するための、
試料位置をＺ方向に駆動するＺ印加電圧と試料・探針間
に働く力の信号の関係の例を示す図

【図７】本発明の第３の実施例を示すＳＭＭの制御方法
を示すフローチャート図

【図８】従来の走査型プローブ顕微鏡のうち、文献１に
示されているＳＭＭの構成例を示す図

【図９】従来の走査型プローブ顕微鏡に用いられている
プローブの構成図

【符号の説明】

１…試料２ａ…探針２ｂ…板バネ２ｃ…レーザー発振器２ｄ…光検出器２ｅ…ＸＹＺ軸圧電素子３ａ…正弦波発生器３ｂ…ロックインアンプ３ｃ…フィードバック回路３ｄ…微分回路３ｃ…比較器３ｆ…Ｓ／Ｈ回路１０ａ…Ａ／Ｄ変換器１０ｂ，１０ｃ…Ｄ／Ａ変換器１１…ＤＳＰ１２…制御用コンピュータ３０…探針３０ａ…探針先端部３０ｂ…探針本体３１…板バネ本体３２…配線部３３…裏面レーザー反射膜４０…試料４１…探針４２…探針先端部４３…配線部５０…試料５１ａ…探針５１ｂ…板バネ５１ｃ…レーザー発振器５１ｄ…光検出器５１ｅ…ＸＹＺ軸圧電素子５１ｆ…容器６０ａ…Ａ／Ｄ変換器６０ｂ〜６０ｅ…Ｄ／Ａ変換器６１…ＤＳＰ６２…制御用コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を載置する試料台と、先端が導電性
である探針と、前記試料と前記探針間の相対的位置を前
記試料の面内方向に変化させる走査制御部と、前記相対
的位置を前記試料表面に垂直な方向に変化させるフィー
ドバック制御部と、前記試料と前記探針の間にバイアス
電圧を印加するバイアス電圧制御部と、前記試料と前記
探針の間に働く力を検出する検出部を有する走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記試料と探針の間に働く力が、極小となる前記バイア
ス電圧を検出する手段を有することを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。
【請求項２】まず、試料と探針の間の相対的位置を前
記試料の面内方向に制御し、次に、前記試料と前記探針
の間にバイアス電圧を印加し、次に、前記試料と前記探
針の間に働く力を検出し、次に、前記検出した出力に基
づいてフィードバック制御により前記試料と前記探針の
前記試料表面に垂直方向の相対的位置を制御する走査型
プローブ顕微鏡の制御方法において、前記試料と前記探針の間に働く力が、極小となる前記バ
イアス電圧を検出することを特徴とする走査型プローブ
顕微鏡の制御方法。
【請求項３】試料を載置する試料台と、先端が導電性
である探針と、前記試料と前記探針間の相対的位置を前
記試料の面内方向に変化させる走査制御部と、前記相対
的位置を前記試料表面に垂直な方向に変化させるフィー
ドバック制御部と、前記試料と前記探針の間にバイアス
電圧を印加するバイアス電圧制御部と、前記試料と前記
探針の間に働く力を検出する検出部を有する走査型プロ
ーブ顕微鏡において、前記フィードバック制御部が、前記試料と前記探針間の
前記試料表面に垂直方向の距離を繰り返し変化させる手
段を有し、前記垂直方向の距離の変化に伴って変化する前記試料と
前記探針間に働く力の最大値を検出する手段を有するこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】まず、試料と探針の間の相対的位置を前
記試料の面内方向に制御し、次に、前記試料と前記探針
の間にバイアス電圧を印加し、次に、前記試料と前記探
針の間に働く力を検出し、次に、前記検出した出力に基
づいてフィードバック制御により前記試料と前記探針の
前記試料表面に垂直方向の相対的位置を制御する走査型
プローブ顕微鏡の制御方法において、前記フィードバック制御により、前記試料と前記探針間
の前記試料表面に垂直方向の距離を繰り返し変化させ、前記試料と前記探針の間に働く力を、前記垂直方向の距
離の関数として検出し、その結果に基づいて、前記試料
と前記探針の間に働く力の最大値を求めることを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡の制御方法。
【請求項５】請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡に
おいて、前記検出部が、前記試料の表面および前記探針を非導電
性液体中に保つ為の容器を有するか、または前記試料の
表面および前記探針を真空中に保つ為の容器を有するこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡の
制御方法において、前記試料の表面および前記探針を非導電性液体中に保つ
か、または前記試料の表面および前記探針を真空中に保
つことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の制御方法。
【請求項７】探針と、板バネを有する走査型プローブ
顕微鏡のプローブにおいて、前記探針の本体および前記板バネの本体が非導電性材料
で構成され、前記探針の先端が導電性材料で構成されて
おり、前記探針先端部に電圧を印加するため、前記探針
先端部に接続されている配線部を有していることを特徴
とするプローブ。