JPH08101217A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、カンチレバーの振動振幅を一定に保
つつ走査して試料の凹凸像を検出し、且つ試料の局所的
な粘弾性係数に影響されずにトンネル電流やエバネッセ
ント波の距離依存性を求められる走査型プローブ顕微鏡
装置を提供することを目的とする。 【構成】本発明は、励振部によりカンチレバー２上の探
針１を試料３の法線方向に振動させ、試料３と探針１の
間に働く相互作用（原子力、静電気力及び磁気力）によ
って変化するカンチレバー２の振動振幅を、一定に保つ
ことにより、試料１の三次元凹凸を検出しつつ、探針１
を試料３表面をトレースして試料の凹凸像を得る、と同
時に探針１先端部の接触する試料３の局所的な粘弾性係
数に影響されずに、トンネル電流やエバネッセント波の
距離依存性を求める走査型プローブ顕微鏡装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針を試料に近接させ
て走査することにより、試料の微視的な表面情報を得る
走査型プローブ顕微鏡に係り、特に、試料表面の形状と
同時に試料の屈折率分布及び導電性分布等の表面情報を
得ることのできる走査型プローブ顕微鏡に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、走査型プローブ顕微鏡として
は、試料と探針の相互作用力をカンチレバーを用いて検
出する原子力顕微鏡（Atomic Force Microscope ：以
下、ＡＦＭとする）や試料表面もしくは探針先端部に局
在するエバネッセント光を用いて光の回折限界を超える
分解能で試料の屈折率分布を測定する近視野顕微鏡（Ne
ar field microscope ）もしくは、Ｐｈｏｔｏｎ−走査
型トンネル顕微鏡（ＰＳＴＭ）及び走査型トンネル顕微
鏡（Scanning tunneling microscope;ＳＴＭ）などが知
られている。

【０００３】前記ＡＦＭには、２つの代表的な動作があ
る。１つは、例えば特開昭６２−１３０３０２号公報に
記載されるように、試料と探針の間に働く力を一定に保
つことにより、試料表面の凹凸を検出する方式である。

【０００４】もう１つは、例えば、「J.Appl.Phys.Vo１
６１，Ｐ４７２３（１９８７）」に記載されるように、
探針が試料に近接したことにより働く、電場、磁場、フ
ァンデルワールス引力等の力の勾配を受けて、あたかも
カンチレバーのバネ定数が変化したようになることを利
用し、カンチレバーの共振特性の変動を検出して試料の
表面近傍の電場・磁場の分布あるいは試料表面形状を測
定するＡＣモードと呼ばれる方式である。

【０００５】後者のＡＣモードのＡＦＭにおいて、探針
はバネ定数が０．０１から数Ｎ／ｍで、共振周波数が数
ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのカンチレバーの上に形成される。
このカンチレバーは、励振用のアクチュエータに固定さ
れ、微動素子上に支持された試料面すなわちＸＹ平面に
正対するように配置される。探針は試料の走査に応じて
試料表面を走査される。

【０００６】この走査の間、励振用アクチュエータに
は、共振周波数近傍の周波数で試料表面に垂直な方向の
所定の振幅の振動をするような信号が印加される。さら
に試料を支持している電圧素子等で構成された微動素子
はカンチレバーの振動振幅を一定に保つように０．１ｎ
ｍ以下の精度で制御され、試料表面に垂直な方向、すな
わちＺ方向に試料が相対移動される。この結果、探針の
先端は試料、表面形状を反映した曲面上をトレ−スす
る。

【０００７】従って探針先端のＸＹ面上の位置と同時
に、Ｚ方向の位置を圧電体に印加した電圧から求め、記
録することにより試料表面の微細な凹凸を示すＡＦＭ像
が得られる。

【０００８】一方、近視野顕微鏡（Near Field Microsc
ope)は自由空間を伝達するような光でなく微小空間に局
在したエバネッセント光の特性を利用したものである。
実際のＰＳＴＭ測定では測定試料の表面近傍に局在する
エバネッセント光に光ピックアップ（即ち、プロ−ブ）
を走査することで散乱させて通常の伝搬光（即ち、散乱
光）に変換する。この散乱光を検出して散乱強度の地図
を作成することによって光の波長より小さい物体に対す
る解像がなされる。

【０００９】第１の従来例として、例えば本出願人によ
る特願平５−３５０９６１号には、前述したＡＣモード
のＡＦＭとＰＳＴＭの２つのプローブ顕微鏡を組み合わ
せた装置を提案している。

【００１０】図５には、その装置の構成を示す。この装
置において、図示するように自由端表面に探針１０１を
有するカンチレバー１０２と、測定試料１０３が設置可
能であって且つ測定試料１０３の表面近傍にエバネッセ
ント光を発生させるエバネッセント光発生手段（プリズ
ム１０４、レザー光源１０５、光ファイバーケーブル１
０６、コリメーターレンズ１０７、調整機構１０８）
と、カンチレバー１０２を所定の周波数で振動させる励
振手段（Ｚ軸変調信号発生装置１０９、圧電アクチュエ
ータ１１０）と、カンチレバー１０２の自由端裏面にレ
ーザー光を照射し且つ自由端裏面から反射したレーザー
光の位置の変化を検出することによりカンチレバー１０
２の自然の位置からの変化を検出する、変位検出手段
（半導体サーザー１１１、反射面１１２、２分割フォト
ダイオード１１３、差動増幅器１１４）と、この変位検
出手段によって検出された変位信号に基づいて、カンチ
レバー１０２の先端部の探針１０１の振動中心と測定試
料１０３との間の距離を一定に維持させるサーボ手段
（ロックインアンプ１１５、チューブスキャナ１１６、
Ｚサーボ回路１１７）とこのサーボ動作を行いながら探
針１０１を測定試料１０３に対して相対的に走査する走
査手段（ＸＹ走査装置１１８、チューブスキャナ１１
６）と測定試料１０３の表面近傍に発生したエバネッセ
ント光に探針１０１が接することによって発生した散乱
光の強度を検出する光量検出手段１１９と、この光量検
出手段１１９によって検出された光量信号に基づいて、
測定試料１０３の表面の屈折率分布を画像解析する画像
解析手段（光量検出手段１１９、ロックインアンプ１２
０、ローパスフィルタ１２１、画像解析装置１２２）と
を備えている。

【００１１】このような構成により、Ｚ軸変調信号発生
器１０９から出力された励振信号に基づいて、圧電アク
チュエータ１１０はカンチレバー１０２と一体化された
探針１０１を測定試料１０３に対して垂直方向に所定の
周波数ｆで振動させる。

【００１２】このとき半導体レーザーから出た光はカン
チレバー上の反射面１１２に当たって反射し、２分割フ
ォトダイオード１１３上にスッポトを作り、それぞれの
ダイオード上の光量はカンチレバーの振動に応じて変化
する。この２つのフォトダイオードの光電流を変位検出
器１１４で差動増幅すれば得られる信号はカンチレバー
の振動に応じた信号に変換される。ロックインアンプ１
１５は、Ｚ軸変調信号発生器１０９から出力された励振
信号に基づいて前記周波数の励振信号のに同期したカン
チレバーの振動振幅を検出する。

【００１３】ここで、カンチレバー１０２の自由端裏面
背面に形成された反射面１１２は、変位検出手段の半導
体レーザーの光の反射効率を高くし、試料面のエバネッ
セント光への混入を防ぐための金属薄膜である。

【００１４】このカンチレバー１０２の振動振幅は探針
１０１と試料１０３の間の距離変化に応じて作動する。
そこで前記振動振幅を一定に保つようにアクチュエータ
１１６のＺ方向を制御する為に前記振動振幅信号がＺ位
置制御機構１１７に接続され演算制御動作を行う。この
制御により探針１０１の振動中心と試料１０３の表面は
常に一定の間隔に保たれる。これと同時に、ＸＹ走査装
置１１８の接続されたアクチュエータ１１６は試料をＸ
Ｙ方向に走査される。ＸＹ走査信号とＺ方向制御信号は
画像解析装置に取り込まれ試料の凹凸を反映する画像を
構築するために用いられる。

【００１５】このような動作により、レーザー光源１０
５から光ファイバー１０６を通して導光され、レンズ１
０７で平行光にされたレーザー光は調整機構１０８によ
りプリズム１０４の表面に対して常に全反射条件を満た
す角度で入射させる。このような状態においてはプリズ
ム表面上の測定試料１０３の表面近傍には、下記の数１
の関係を有するエバネッセント光Ｅが発生する。

【００１６】

【数１】 但し、 Ｉ；エバネッセント光強度 ｄ；試料- 探針間距離 γ；減衰係数 とする。

【００１７】

【数２】 但し、 ｎ；試料の屈折率 θ；入射角度 λ；入射光の波長 とする。

【００１８】前述した試料１０３と探針１０１の間隔を
一定に保つような制御により、探針１０１は試料１０３
表面に局在したエバネッセント光を散乱光に変換できる
領域に保たれる。この散乱光は対物レンズ１２３によっ
て光検出器１１９に集光されその光量信号に変換され
る。

【００１９】上記動作において探針１０１は前述したよ
うに励振周波数ｆで振動しており、数１，数２のような
Ｚ方向依存性を持つエバネッセント光を散乱光に変換し
ているため、光検出器の出力である光量信号も同期して
振動することになる。そこで光検出器の出力信号を入力
したロックインアンプ１２０は励振周波数ｆに同期した
エバネッセント光強度の試料探針間の距離依存性を反映
するような信号（ＡＣ成分）を検出する。又光量信号は
ローパスフィルタ１２１にも接続されており、エバネッ
セント光全体の強度（ｄｃ成分）も検出できるようにな
っている。ＡＣ成分はエバネッセント光のＺ方向の距離
の微分値を反映するため、数１のエバネッセント光強度
の依存性式に基づいて、ＡＣ成分をｄｃ成分で除算すれ
ば、数２における減衰係数γの値即ち屈折率ｎを反映す
る信号を求めることができる。このＡＣ成分とｄｃ成分
の２つの光量信号も画像解析装置１２２に入力し演算処
理されて、試料１０３表面の屈折率の分布像を構成する
ことになる。

【００２０】尚、探針１０１及びカンチレバー１０２
は、観察領域の光に対して光学的に透明である部材（例
えば、窒化シリコン）からなっている。ＳＴＭは、１９
８２年にビニッヒ（Ｂｉｎｎｉｇ）、ロ−ラ（Ｒｏｈｒ
ｅｒ）らによってＵＳＰ４，３４３，９９３号において
提案された微細表面形状計測装置であり、導電性試料の
表面形状を原子レベルの分解能で測定できる装置として
知られている。

【００２１】また、第２の従来例として、例えば、本出
願人による特開平４−１８４２０１号公報には、このＳ
ＴＭをＡＣモ−ドのＡＦＭと組み合わせたバリアハイト
測定装置を提案している。

【００２２】図６には、バリアハイト測定装置の構成を
示し、その動作について説明する。このバリアハイト測
定装置において、カンチレバー２０２薄膜状の片持ち梁
追構造でその自由端には導電性材料からなる探針２０１
（もしくは非導電性薄膜をコートしたもの）が、試料２
０３に対向するように支持されている。

【００２３】また、カンチレバー２０２の基端部は、圧
電アクチュエータ２０４に支持されており、圧電アクチ
ュエータ２０４の入力端は、Ｚ軸変調信号発生器２０５
の出力端と接続されている。カンチレバー２０２の背面
には、化学式の変位検出器２０５が設けられ、この変位
検出器２０５の出力端は第１のロックインアンプ２０６
の第１の入力端と接続されている。ロックインアンプ２
０６の第２の入力端には、更にＺ軸変調信号発生器２０
７の出力端が接続されており、また、ロックインアンプ
２０６の出力端は、Ｚ位置制御機構２０８の入力端及び
画像解析装置２０９の入力端と接続されている。

【００２４】一方、試料２０３は３次元方向に微動可能
なＸＹＺ圧電アクチュエータ２１０上に保持されるとと
もに、バイアス電圧発生器２１１に接続されており、ま
たＸＹＺ圧電アクチュエータ２１０のＺ入力端はＺ位置
制御機構２０８の出力端と接続されている。

【００２５】また、導電性の探針２０１は電流電圧変換
器２１３の入力端に電気的に接続されており、電流電圧
変換器２１３の出力信号は、第２のロックインアンプ２
１２の第１の入力端及び画像解析装置２０９に接続され
ており、ロックインアンプ２１２の第２の入力端にはＺ
軸変調信号発生器２０７の出力端が接続され、ロックイ
ンアンプ２１２の出力端は画像解析装置２０９の入力端
に接続されている。

【００２６】このような構成により、試料２０３の凹凸
を反映する画像は第１の従来例で述べた方法と同様の動
作で求められる。一方、試料にはバイアス電圧がバイア
ス電圧発生器２１１によって印加されており、導電性の
試料表面２０３と０電位である導電性の探針２０１の間
隔が数ｎｍ程度になると、試料と探針の間には数３のよ
うな依存性を持ったトンネル電流が流れることになる。

【００２７】

【数３】 但し、 Ｊ：トンネル電流 ｄ：試料探針間距離 φ：バリアハイト とする。

【００２８】前記した、試料２０３と探針２０１の間隔
を一定に保つ制御により探針２０１は試料２０３表面か
らトンネル電流Ｊが流れる領域に保たれる。このトンネ
ル電流は電気的に接続されている電流電圧変換器２１３
によって、電圧信号に変換されている。

【００２９】上記動作において探針２０１は前従来例で
述べたように所定の励振周波数ｆで振動しており、トン
ネル電流Ｊが数３のような試料探針間距離依存性を持つ
ため、トンネル電流信号も同期して振動する事になる。
そこで電流電圧変換器２１３の出力信号を入力したロッ
クインアンプ２１２はＺ軸変調信号の励振周波数ｆに位
相も含めて同期したトンネル電流信号Ｊの試料探針間距
離依存性を示す信号（ＡＣ成分）に変換する。又電流電
圧変換器の出力端も直接画像解析装置２０９に接続され
ており、全電流値（ｄｃ成分）も検出できるようになっ
ている。ＡＣ成分はトンネル電流のＺ方向の距離の微分
値を反映するため、数３のトンネル電流の試料探針間距
離依存性式を考慮すると、ＡＣ成分をｄｃ成分で除算す
れば、数３におけるバリアハイトφの平方根に当たる値
を求めることになる。この値とＸＹ走査装置２１４から
の信号とを元に画像解析装置２０９では試料２０３表面
のバリアハイトの分布像を構成することになる。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述した第１，
第２の従来例のような多機能型の走査型プローブ顕微鏡
においては、ＡＣモードのＡＦＭを用いて試料の凹凸を
測定し、同時に試料のバリアハイトや屈折率等の物性値
を高感度に測定するために、探針を周波数ｆで振動させ
て試料探針間の距離に変調を加え、更に試料または探針
に励起電圧あるいは励起光を加えることにより、試料近
傍で発生した試料探針間の距離に強い依存性を示すトン
ネル電流あるいはエバネッセント波を、探針を近接させ
て電気信号に変換し、この電気信号から探針を振動させ
る為の励振信号を参照信号とするロックイン検出を行っ
ていた。

【００３１】ところが、励振信号の位相と実際の試料と
探針の間の距離変動の位相は、試料表面の粘弾性係数に
よって変動する。この変動により位相検出感度の高いロ
ックインアンプを用いたトンネル電流やエバネッセント
波の信号強度は位相変動の影響を受け、実際の物性値の
変動のみならず試料の硬さの変動の影響が重畳された信
号になってしまう。

【００３２】そこで本発明は、カンチレバーの振動振幅
を一定に保つつ走査して試料の凹凸像を検出し、且つ試
料の局所的な粘弾性係数に影響されずにトンネル電流や
エバネッセント波の距離依存性を求められる走査型プロ
ーブ顕微鏡装置を提供することを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、片持ち梁追構造を成し、その自由端に探針
を有するカンチレバーと、所定の測定試料を把持し、該
測定試料表面に前記探針が近接保持されたときに、カン
チレバーの変位量を検出する手段と、前記変位量に基づ
き前記測定試料と前記探針の間隔を一定条件下に保つ制
御手段と、前記測定試料と前記探針の間隔に依存する物
理量を探針を通じて検出する手段と、前記物理量の試料
探針間距離依存性を得るために前記探針部を振動させる
手段と、前記物理量の検出信号をロックインアンプ入力
し、参照信号として前記カンチレバーの変位量信号を用
いて、該物理量の試料探針間距離依存性が得られるよう
に前記試料上を走査を行う手段と、前記走査により得ら
れた情報と走査信号に基づき物理量を算出する、若しく
は画像化する画像解析装置とで構成される走査型プロー
ブ顕微鏡を提供する。

【００３４】

【作用】このように構成された走査型プローブ顕微鏡装
置により、カンチレバーは振動手段によって特定周波数
でＺ方向に振動されながら試料表面を走査する。このと
きカンチレバーの変位はカンチレバー変位検出手段によ
って検出される。カンチレバーは、その探針先端と試料
表面の間に働く力に応じて振動中心位置や振動振幅が変
化する。一方、探針−試料間には励起光あるいはバイア
ス電圧が印加され、この間に発生するエバネッセント光
あるいは流れるトンネル電流がエバネッセント光検出手
段あるいはトンネル電流検出手段により光量信号あるい
は電流信号として検出される。

【００３５】そして、カンチレバー変位検出手段によっ
て検出されるカンチレバー変位信号の振動振幅が常に一
定となるように試料−探針間距離がサーボ制御される。
このサーボ信号は走査手段からの走査信号とともに画像
解析手段に入力され試料の表面凹凸像を再構成する。ま
た、エバネッセント光量信号あるいはトンネル電流信号
はロックインアンプに入力され変位検出手段により得ら
れた試料探針間距離の変動を参照信号として距離微分に
比例する信号に変換される。この微分信号は微分する前
の信号と走査信号とともに画像解析手段に入力され、屈
折率分布像あるいはバリアハイト像が算出される。

【００３６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１には、本発明による第１実施例として
ＰＳＴＭとＡＣモードのＡＦＭを組み合わせた走査型プ
ローブ顕微鏡装置の構成を示し、説明する。

【００３７】本実施例は、従来用いた試料の凹凸を測定
するための振幅検出部中のロックインアンプを変調信号
とカンチレバーの振動の位相差によって振幅信号が変動
しない振幅検出器に置き換えていることが特徴であり、
更には光量信号の振幅を検出するためのロックインアン
プの参照信号の入力端が変位検出器になっていることが
特徴である。

【００３８】この走査型プローブ顕微鏡装置は、薄膜状
の片持ち梁追構造でその自由端には導電性材料からなる
探針１が設けられたカンチレバー２と、測定試料３が設
置可能であって且つ測定試料３の表面近傍にエバネッセ
ント光を発生させる、プリズム４，レーザー光線５，光
ファイバーケーブル６，コリメーターレンズ７及び調整
機構８からなるエバネッセント光発生部と、カンチレバ
ー２を所定の周波数で振動させる、Ｚ軸変調信号発生装
置９及び圧電アクチュエータ１０からなる励振部と、カ
ンチレバー２の自由端裏面にレーザー光を照射し且つ自
由端裏面から反射したレーザー光の位置の変化を検出す
ることによりカンチレバー２の自然の位置からの変化を
検出する、半導体レーザー１１，反射面１２，２分割フ
ォトダイオード１３及び差動増幅器１４からなる変位検
出部と、この変位検出部によって検出された変位信号に
基づいて、カンチレバー２の先端部の探針１の振動中心
と測定試料３の間の距離を一定に維持させる、振幅検出
器１５，チューブスキャナ１６及びＺ位置制御機構１７
からなるサーボ部と、このサーボ動作を行いながら探針
１を測定試料３に対して相対的に走査する、ＸＹ走査装
置１８及びチューブスキャナ１６からなる走査部と、測
定試料３の表面近傍に発生したエバネッセント光に探針
１が接することによって発生した散乱光の強度を検出す
る光量検出部１９と、この光量検出部１９によって検出
された光量信号に基づいて、測定試料３の表面の屈折率
分布を画像解析する、光量検出部１９，ロックインアン
プ２０，ローパスフィルタ２１及び画像解析装置２２か
らなる画像解析部とで構成されている。

【００３９】次に図２を参照して本実施例の走査型プロ
ーブ顕微鏡装置の動作ついて説明する。ここで試料３は
図２（ａ）のように、ガラス基板上のＢからＣの間に半
透明の有機膜が島状に付着している場合を考える。

【００４０】図２（ａ）上の波線はカンチレバーの振動
の軌跡を模式的に示したものである。横軸はＸ方向であ
り、その他のグラフはそれぞれ試料をＸ方向に走査した
ときの信号の変化を示すグラフになっている。図２
（ｂ）はカンチレバーを励振するために用いるＺ軸変調
信号発生器９から出力されている励振信号Ｖｍｏｄであ
る。信号の立ち上がりの０点に波線を引き、位相の状況
がわかりやすいように示している。

【００４１】図２（ｃ）は、励振信号ｃｍｏｄとカンチ
レバーの変位信号の位相差を示したものである。Ｂ点と
Ｃ点の間は試料が有機薄膜であり試料探針間の相互作用
を考慮する際に試料の粘弾性特性がカンチレバー振動の
位相を遅らせるようになるため、ＢとＣの間では位相差
は通常のφから△φだけ遅れることになる。

【００４２】図２（ｄ）には光検出器１９の出力信号が
示されているが、ＢとＣの間で全体光量（ｄｃ成分）が
減少し、カンチレバーの振動に同期した光量変動を示す
（ＡＣ成分）。ここでＡＣ成分はエバネッセント光の試
料探針間距離に関する微分に比例する信号になる。この
ときのＡＣ成分を図２（ｅ）に実線で示した。ところが
従来例のようにロックインアンプ２０の参照信号として
Ｚ軸変調信号発生器９を用いた場合には、試料探針間距
離の変動との位相変動がＢとＣの間であるために実際の
ＡＣ成分よりも小さな値（図２の波線）になってしま
う。そこでロックインアンプ２０の参照信号として変位
検出器１９信号を用いる。

【００４３】以上のように、第１実施例によれば、変位
検出器の出力信号は実際の試料探針間距離の変動量を反
映するため、変位検出器の出力信号をロックインアンプ
２０の参照信号として用いることにより、試料の粘弾性
係数の影響を受けていないネバエッセント光のＺ方向依
存性がロックインアンプ２０の出力信号として得られ
る。

【００４４】次に図３には本発明による第２実施例とし
て、ＰＳＴＭとＡＣモードのＡＦＭを組み合わせた走査
型プローブ顕微鏡装置の構成を示し説明する。本実施例
は、従来では試料の凹凸を測定するための振幅検出部の
中のロックインアンプを変調信号とカンチレバーの振動
の位相差によって振幅信号が変動しない振幅検出器に置
き変えていることが特徴であり、さらに、トンネル電流
の振幅を検出するためのロックインアンプの参照信号の
入力端が変位検出器になっていることが特徴である。

【００４５】この走査型プローブ顕微鏡装置は、薄膜状
の片持ち梁追構造でその自由端には導電性材料からなる
探針３１（もしくは非導電性薄膜をコートしたもの）
が、試料３３に対向するように支持されているカンチレ
バー３２と、測定試料３３が設置可能であって且つ測定
試料３３にバイアス電圧を印加する、バイアス電圧発生
器４１からなるバイアス電圧印加部と、カンチレバー３
２を所定の周波数で振動させる、Ｚ軸変調信号発生装置
３７及び圧電アクチュエータ３４からなる励振部と、カ
ンチレバー３２の自由端裏面にレーザー光を照射し且つ
自由端裏面から反射したレーザー光の位置の変化を検出
することによりカンチレバー３２の自然の位置からの変
化を検出する変位検出器３５と、この変位検出器３５に
よって検出された変位信号に基づいて、カンチレバー３
２の先端部の探針３１の振動中心と測定試料３３との間
の距離を一定に維持させる、振幅検出器４５，チューブ
スキャナ４０及びＺ位置制御機構３７からなるサーボ部
と、このサーボ動作を行いながら探針３１を測定試料３
３に対して相対的に走査する、ＸＹ走査装置４４及びチ
ューブスキャナ４０からなる走査部と、測定試料３３の
表面近傍に近接した探針３１に流れたトンネル電流を検
出する電流電圧変換器４３からなる電流検出部と、この
電流検出部によって検出された電流信号に基づいて、測
定試料３３の表面の導電性分布を画像解析する、電流電
圧変換器４３，ロックインアンプ４２及び画像解析装置
３９からなる画像解析部とで構成される。

【００４６】図４を参照して、第２実施例の走査型プロ
ーブ顕微鏡装置の動作について説明する。ここで、試料
３３は図４（ａ）のようにシリコン基板のＢからＣの間
に導電性有機膜が島状に付着している場合を考える。

【００４７】図４（ａ）上の波線は、カンチレバーの振
動の軌跡を模式的に示したものである。横軸はＸ方向で
あり、その他のグラフはそれぞれ試料をＸ方向に走査し
たときの信号の変化を示すグラフになっている。

【００４８】図４（ｂ）はカンチレバーを励振するため
に用いるＺ軸変調信号発生器３７から出力されている励
振信号Ｖｍｏｄである。信号の立ち上がりの０点に波線
を引き、位相の状況がわかりやすいように示している。

【００４９】図４（ｃ）は励振信号Ｖｍｏｄとカンチレ
バーの変位信号の位相差を示したものである。Ｂ点とＣ
点の間は試料が有機薄膜であり試料探針間の相互作用を
考慮する際に試料の粘弾性特性がカンチレバー振動の位
相を遅らせるようになるため、ＢとＣの間では位相差は
通常のφから△φだけ遅れることになる。

【００５０】図４（ｄ）には電流電圧変換器４３の出力
信号が示されているがＢとＣの間で全体光量（ｄｃ成
分）が減少し、カンチレバーの振動に同期した電流変動
を示す（ＡＣ成分）。ここで、ＡＣ成分はトンネル電流
の試料探針間距離に関する微分に比例する信号になる。
このときのＡＣ成分を図４（ｅ）に実線で示した。とこ
ろが従来例のようにロックインアンプ４２の参照信号と
してＺ軸変調信号発生器３７を用いた場合には、試料探
針間距離の変動との位相変動がＢとＣの間であるために
実際のＡＣ成分よりも小さな値（図４の波線）になって
しまう。そこで、ロックインアンプ４２の参照信号とし
て変位検出器３５の信号を用いる。

【００５１】以上説明したように第２実施例によれば、
変位検出器の出力信号は、実際の試料探針間距離の変動
量を反映するため、変位検出器の出力信号をロックイン
アンプ４２の参照信号として用いることにより、試料の
粘弾性係数の影響を受けていないトンネル電流のＺ方向
依存性がロックインアンプ４２の出力信号として得られ
る。

【００５２】なお、本発明の上記実施態様によれば、以
下如き構成が得られる。 （１）片持ち梁追構造を成し、その自由端に探針を有す
るカンチレバーと、所定の測定試料を把持し、該測定試
料表面に前記探針が近接保持されたときに、カンチレバ
ーの変位量を検出する手段と、前記変位量に基づき前記
測定試料と前記探針の間隔を一定条件下に保つ制御手段
と、前記測定試料と前記探針の間隔に依存する物理量を
探針を通じて検出する手段と、前記物理量の試料探針間
距離依存性を得るために前記探針部を振動させる手段
と、前記物理量の検出信号をロックインアンプ入力し、
参照信号として前記カンチレバーの変位量信号を用い
て、該物理量の試料探針間距離依存性が得られるように
前記試料上を走査を行う手段と、前記走査により得られ
た情報と走査信号に基づき物理量を算出する、若しくは
画像化する画像解析装置とを具備することを特徴とする
走査型プローブ顕微鏡。

【００５３】（２） 測定対象となる物理量が測定試料
の表面近傍に局在する光に関わるものである（１）記載
の走査型プローブ顕微鏡。 （３） 測定対象となる物理量が測定試料と探針の間に
流れる電流に関わるものである（１）記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。

【００５４】（４） 測定対象となる物理量が測定試料
の表面近傍に局在するエバネッセント光に関わるもので
ある（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。 （５） 試料と探針の間隔を一定条件下に保つ制御手段
が、カンチレバーの変位量の振幅を一定に保つ方式の
（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。

【００５５】（６） 前記カンチレバーの変位量の振幅
を一定に保つ方式が変位量の振動の振幅の実効値を検出
する回路からなるの（５）記載の走査型プローブ顕微
鏡。 （７） 前記物理量が光であり、所定の測定試料をセッ
ト可能であって且つ前記測定試料の表面近傍にエバネッ
セント光を発生させるエバネッセント光発光手段と、前
記測定試料の表面近傍に発生した前記エバネッセント光
に前記探針が接することによって発生した散乱光の強度
を検出する検出手段と、この光検出手段によって検出さ
れた信号に基づいて、前記測定試料の表面の屈折率分布
を画像解析する画像解析手段とを備えることを特徴とす
る（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。

【００５６】（８） 前記物理量を検出するために、測
定試料と探針の間に所定のバイアス電圧を印加するバイ
アス電圧印加手段と、試料表面近傍に探針が制御されて
いる状態で試料と探針の間に流れる電流を検出する検出
手段を持つ（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、励
振部によりカンチレバー上の探針を試料の法線方向に振
動させ、試料と探針の間に働く相互作用（原子力、静電
気力及び磁気力）によって変化するカンチレバーの振動
振幅を、一定に保つことにより、試料の三次元凹凸を検
出できるＡＦＭを用いて、探針を試料表面をトレースし
て試料の凹凸像を得る、と同時に探針先端部の接触する
試料の局所的な粘弾性係数に影響されずに、トンネル電
流やエバネッセント波の距離依存性を求めることが出来
る走査型プローブ顕微鏡装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例としてＰＳＴＭとＡＣ
モードのＡＦＭを組み合わせた走査型プローブ顕微鏡装
置の構成を示す図である。

【図２】第１実施例の動作を説明するための各検出，動
作信号を示す図である。

【図３】本発明による第２実施例として、ＰＳＴＭとＡ
ＣモードのＡＦＭを組み合わせた走査型プローブ顕微鏡
装置の構成を示す図である。

【図４】第２実施例の動作を説明するための各検出，動
作信号を示す図である。

【図５】従来のＡＣモードのＡＦＭとＰＳＴＭの２つの
プローブ顕微鏡を組み合わせた装置の構成を示す図であ
る。

【図６】従来のバリアハイト測定装置の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…探針（磁性探針）、２…カンチレバー、３…測定試
料（試料）、４…プリズム、５…レーザー光線、６…光
ファイバーケーブル、７…コリメーターレンズ、８…調
整機構、９…Ｚ軸変調信号発生装置、１０…圧電アクチ
ュエータ、１１…半導体レーザー、１２…反射面、１３
…２分割フォトダイオード、１４…差動増幅器、１５…
振幅検出器、１６…チューブスキャナ、１７…Ｚ位置制
御機構、１８…ＸＹ走査装置、１９…光量検出部、２０
…ロックインアンプ、２１…ローパスフィルタ、２２…
画像解析装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片持ち梁追構造を成し、その自由端に探
   針を有するカンチレバーと、 所定の測定試料を把持し、該測定試料表面に前記探針が
   近接保持されたときに、カンチレバーの変位量を検出す
   る手段と、 前記変位量に基づき前記測定試料と前記探針の間隔を一
   定条件下に保つ制御手段と、 前記測定試料と前記探針の間隔に依存する物理量を探針
   を通じて検出する手段と、 前記物理量の試料探針間距離依存性を得るために前記探
   針部を振動させる手段と、 前記物理量の検出信号をロックインアンプ入力し、参照
   信号として前記カンチレバーの変位量信号を用いて、該
   物理量の試料探針間距離依存性が得られるように前記試
   料上を走査を行う手段と、 前記走査により得られた情報と走査信号に基づき物理量
   を算出する、若しくは画像化する画像解析装置と、を具
   備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記物理量が光であり、所定の測定試料
   をセット可能であって且つ前記測定試料の表面近傍にエ
   バネッセント光を発生させるエバネッセント光発光手段
   と、 前記測定試料の表面近傍に発生した前記エバネッセント
   光に前記探針が接することによって発生した散乱光の強
   度を検出する検出手段と、 この光検出手段によって検出された信号に基づいて、前
   記測定試料の表面の屈折率分布を画像解析する画像解析
   手段と、を備えることを特徴とする請求項１記載の走査
   型プローブ顕微鏡。