JPH10319024A - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料表面の凹凸画像と試料表面の電荷分布像と
を同時にかつ明確に得ることができるようにする。 【構成】圧電素子１５によるカンチレバー１の加振状態
で、カンチレバー１からの反射光を検出器７で検出し、
その出力から、ＦＭ検波器２４がカンチレバー１の加振
周波数に依存しない信号を分離し、この信号の低周波数
部分により、誤差増幅器１０がｚ軸圧電素子１１を制御
して探針２と試料３の間の高さ制御を行い、試料３表面
の凹凸像を得る。前記加振周波数より遅くかつ前記高さ
制御の帰還応答周波数より速い印加電圧周波数の交流電
圧を、交流電源１８から探針２と試料３の間に供給し、
試料３表面に生じた電荷により、検出器７は印加電圧周
波数を含む信号を出力し、この信号から、ロックインア
ンプ２６は前記印加電圧周波数に依存する信号を検出
し、この検出信号により試料３の電荷分布像を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）等の試料からの力を受けて試料表面を測定す
る走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の技術分野に属し、特
に探針を試料から若干離隔させかつ振動させることによ
り、試料表面を測定するノンコンタクトタイプの走査プ
ローブ顕微鏡の技術分野に属するものである。

【０００２】

【従来の技術】探針と試料との間に生じる物理的な力を
測定して試料表面を測定するＳＰＭが、従来から開発さ
れている。図２はこのようなＳＰＭのソフトコンタクト
タイプの一例を模式的に示す図である。図中、１は弾性
を有するカンチレバー、２はカンチレバー１の先端に取
り付けられた探針、３は試料、４ｘはｘ軸方向の試料の
位置を制御するｘ軸圧電走査素子、４ｙはｙ軸方向の試
料の位置を制御するｙ軸圧電走査素子、４ｚはｚ軸方向
（高さ方向）の試料の位置を制御するｚ軸圧電走査素
子、５はレーザー光源、６はミラー、７はフォトディテ
クター（以下、検出器ともいう）、８はＩ／Ｖアンプ、
１０は誤差増幅器、１１は圧電素子駆動電源、１２はス
キャンジェネレータ、１３は中央処理装置（ＣＰＵ）、
１４は画像表示装置である。

【０００３】探針２は試料３と対向して配置され、また
レーザー光源５はカンチレバー１の上方に配置されてい
る。更に、フォトディテクター７は４分割されて形成さ
れたフォトセンサー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄからなり、レ
ーザー光源５から発せられたレーザー光がカンチレバー
１の上面に当たって反射し、ミラー６を介してフォトデ
ィテクター７のフォトセンサー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄに
それぞれ入射するように配置されている。これらのカン
チレバー１、ミラー６およびフォトディテクター７によ
り光てこ光学系が構成されている。そして、フォトセン
サー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄにそれぞれ入射する光量のバ
ランスから受光位置の変化を認識することができるよう
になっている。

【０００４】このような構成をしたＳＰＭにおいては、
まずレーザー光源５からレーザー光をカンチレバー１の
上面に照射し、その反射光を検出器７にミラー６を介し
て入射させる。

【０００５】この状態で、探針２と試料３とを例えば１
ｎｍ以下の距離まで互いに近づけると、探針２の先端原
子と試料３の表面原子との間に、例えば原子間力（引力
・斥力）や磁気力等の物理的な力が作用して、探針２が
上下動し、その結果カンチレバー１が上下方向に撓む。
このカンチレバー１の撓みにより、レーザー光の反射光
が検出器７に入射する位置が変化する。この変化によ
り、各フォトセンサー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄに入射する
光量が変化するので、フォトセンサー７ａ,７ｂの各出
力の和（Ａ＋Ｂ）とフォトセンサー７ｃ,７ｄの各出力
の和（Ｃ＋Ｄ）とが異なる。これらのフォトセンサー７
ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄの出力が誤差増幅器１０を介して圧
電素子駆動電源１１に送られ、この圧電素子駆動電源１
１はＺ軸圧電素子４ｚに対して、探針２と試料３との間
の距離を一定に保つ（すなわち原子間力を一定に保つ）
ようにフィードバック制御を行う。

【０００６】そして、このような探針２と試料３との間
の距離制御を行いながら探針２または試料３を２次元走
査することにより、試料３の表面の凹凸画像（定力像）
が画像表示装置１４において得られる。

【０００７】更に、このときのカンチレバー１のねじれ
（横方向の動き）によるレーザー反射光の入射位置の変
化で、検出器７の各出力信号（Ａ＋Ｄ）と（Ｂ＋Ｃ）と
が変化する。これらの出力信号の比較により、走査に伴
う試料表面の摩擦力を検出することができる。そして、
この摩擦力の変化を明暗の画像として画像表示装置１４
において表示することにより、摩擦力像が得られる。

【０００８】しかしながら、カンチレバー１および探針
２を試料３表面に近づけて探針２と試料３との間に働く
物理的な力を検出するソフトコンタクトタイプのＳＰＭ
では、スキャン時に探針２が試料表面の凹凸に接触して
しまうため、表面が比較的弱い試料の場合には、この試
料表面が破損してしまうおそれがある。

【０００９】そこで、探針２を試料３から若干離隔して
配置するとともに、カンチレバー１を強制的に振動させ
ることにより探針２を振動させ、物理的な力の変化によ
り変化するこの振動の周波数（振動数）や振幅の変化を
電気的に検出して、試料３から少し離れた位置で比較的
弱い原子間力でも確実に検出することができるノンコン
タクトタイプのＳＰＭが開発されている。

【００１０】図３はこのノンコンタクトタイプのＳＰＭ
の一例を模式的に示し図である。なお、前述のＡＦＭと
同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細
な説明は省略する。図３において、１５はカンチレバー
１の支持部に取り付けられた加振用の圧電素子、１６は
発振電源、１７は検出器７からの出力信号である、発振
電源１６の加振出力信号と同期した振幅変化分の信号を
セレクトする第１のロックインアンプ、１８は交流電
源、１９は交流電源１８からの出力と第１のロックイン
アンプ１７からの検出器７の出力信号とを比較し、共通
の周波数成分の振幅に比例した信号、つまり帯電電荷量
の異なる部分での信号を出力する第２のロックインアン
プである。

【００１１】検出器７の出力信号がＩ／Ｖアンプ８およ
び第１のロックインアンプ１７を介して誤差増幅器１０
に供給されるとともに第２のロックインアンプ１９に供
給されるようになっている。また、発振電源１６の加振
出力信号が圧電素子１５に供給されるとともに第１のロ
ックインアンプ１７に供給されるようになっている。

【００１２】このような構成をしたＳＰＭにおいては、
発振電源１６から発振出力信号が圧電素子１５に供給さ
れることにより、カンチレバー１がそのほぼ固有振動数
程度の周波数で加振される。この状態で、探針２を試料
３に数ｎｍ程度に接近させると、探針２と試料３との間
に発生する物理的な力によりカンチレバー１が撓む。こ
れにより検出器７の出力が変化し、変化した出力信号が
第１のロックインアンプ１７に供給される。第１のロッ
クインアンプ１７は、供給された検出器７の出力信号と
発振器１６からの出力信号とに含まれる周波数成分を比
較して、共通の周波数成分の振幅に比例した信号を出力
し、この出力信号が誤差増幅器１０を介して圧電素子駆
動電源１１に送られる。この圧電素子駆動電源１１はＺ
軸圧電素子４ｚに対して、探針２と試料３との間の距離
を一定に保つフィードバック制御を行う。

【００１３】そして、このような探針２と試料３との間
の距離制御を行いながら探針２または試料３を２次元走
査することにより、試料３の表面の凹凸画像が画像表示
装置１４において得られる。このようにして、図３に示
すＳＰＭは、試料３からの探針２の位置が図２に示すＳ
ＰＭよりも比較的遠い位置からでも、比較的弱い原子間
力を確実に検出可能となる。

【００１４】ところで、図３に示すようなＳＰＭにおい
ては、試料３の表面と探針２との間に働く物理力（また
は量）をカンチレバー１のたわみ量から検出して画像化
することがある。このようなたわみ量から画像化される
物理力（または量）としては、例えば、試料３の表面電
荷量がある。この表面電荷量は、試料３に接近させた探
針２と試料表面との物質が異なるときに、それらの仕事
関数の差によって、試料３の表面に生じる電荷の量であ
る。この電荷を検出する場合には、探針２と試料３との
間に電圧（交流）を印加する必要があるために、探針２
とカンチレバー部分とを導電性にする必要があるが、こ
のためにはカンチレバー１を電気導体で作製するか、あ
るいは既に完成しているカンチレバー１に金属等の電気
導体をコーティングすることが行われている。

【００１５】試料３が一元素からなる場合、まず、カン
チレバー１を固有振動数程度の周波数ｆ１で加振した状
態で探針２と試料３とを接近させ、探針２と試料３との
間を一定の力で保持する。次いで、交流電源１８から、
探針２と試料３との間に、カンチレバー１を加振する周
波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２で交流電圧を印加する。
このとき、試料３表面と探針２先端の電荷は元素の違い
により異なるため、原子間力によって保持されていた探
針２と試料３との距離は、帯電電荷量の差によって生ず
る静電気力により変化するようになる。そこで、交流電
源１８の交流電圧に、手動でオフセット電圧電源１８ａ
からオフセット電圧を印加することにより、このような
変化が発生しないようにして３次元走査を行うと、従来
のような試料３表面の凹凸像を得ることができる。

【００１６】また、試料３表面に異なる元素部分が存在
すると、この３次元走査において、探針２がこの異なる
元素部分を走査した際に、探針２は静電気力を受けるよ
うになる。この静電気力により、カンチレバー１の撓み
が変化し、この変化分が検出器７の出力に含まれる。そ
して、この検出器７の出力信号がＩ／Ｖアンプ８および
第１のロックインアンプ１７を介して第２のロックイン
アンプ１９に供給され、第２のロックインアンプ１９で
は入力された検出器７の出力信号と交流電源１８の出力
信号とに含まれる周波数成分が比較され、共通の周波数
成分の振幅に比例した信号、つまり帯電電荷量の異なる
部分での信号が出力される。この信号をＣＰＵ１３を介
して画像表示装置１４に供給することで、帯電電荷の分
布像を得ることができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この図
３に示すようなＳＰＭでは、２つのロックインアンプ１
７,１９が必要となり、コストが高いものとなってい
る。また、試料３の傾斜成分による電荷コントラストの
変化を抑えるために走査速度をきわめて遅くしなければ
凹凸信号と電荷信号との区別ができなくなるが、交流電
源１９のオフセット電圧電源１８ａのオフセット電圧の
調整を手動で行っているため、走査速度をきわめて遅く
することは難しく、凹凸信号と電荷信号とを明確に区別
できない。このため、試料表面の凹凸画像と試料表面の
電荷分布像とを同時にかつ明確に得ることができないと
いう問題がある。

【００１８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、試料表面の凹凸画像と試料
表面の電荷分布像とを同時にかつ明確に得ることのでき
る安価な走査プローブ顕微鏡を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、試料に対向して配置された探
針を有するカンチレバーと、これらのカンチレバーおよ
び探針が前記試料と前記探針との間の物理力によって変
位したとき、前記カンチレバーの変位量を検出する検出
する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡であって、前
記カンチレバーおよび前記探針をそれらの共振周波数近
傍の加振周波数でかつこの加振周波数を維持しながら加
振する加振手段と、前記検出器の出力信号から前記カン
チレバーの加振周波数に依存しない信号を分離検出する
分離検出手段と、前記探針と前記試料との間に、前記カ
ンチレバーの前記共振周波数より遅くかつ高さ制御の帰
還応答周波数より速い周波数の信号で電圧を印加するた
めの交流電圧源と、前記検出器の出力信号から前記交流
電圧源の周波数に依存する信号を分離検出するととも
に、その検出信号を反転増幅する反転増幅手段と、この
反転増幅手段の出力と前記交流電源の出力とを加算する
加算手段とを設け、前記分離検出手段が前記反転増幅手
段を含む帰還回路を形成し、前記反転増幅手段は分離検
出した信号を常にゼロとするように誤差増幅を行うよう
に構成し、前記検出器の出力信号から分離検出された前
記カンチレバーの加振周波数よりも低い周波数成分の信
号に基づいて前記探針と前記試料との間の距離制御を行
うことにより、前記試料表面の凹凸像を得るとともに、
前記検出器の出力信号から前記電源周波数に依存する信
号を分離検出した信号を反転した信号に基づいて、前記
試料の電荷分布画像を得ることを特徴としている。

【００２０】

【作用】このような構成をした本発明の走査プローブ顕
微鏡においては、加振されたカンチレバーの加振周波数
に依存しない信号が分離して検出されるとともに、その
分離検出された信号に基づいて探針と試料との間の高さ
制御が行われることにより、その距離制御信号に基づい
て試料表面の凹凸像が得られるれ。また、カンチレバー
の加振周波数より遅くかつ試料と探針との間の高さ制御
の帰還応答周波数より速い周波数の交流電圧が、探針と
試料との間に供給されるとともに、検出器の出力信号か
ら探針と試料との間の印加電圧周波数に依存する信号が
分離して検出され、この印加電圧周波数に依存する信号
に基づいて、試料表面の電荷分布像が得られる。これに
より、非接触で、試料表面の凹凸像と電荷分布像を同時
に検出することが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明にかかる走査プローブ
顕微鏡の実施の形態の一例を模式的に示す図である。な
お、図３に示すＳＰＭと同じ構成要素には同じ符号を付
すことにより、その詳細な説明は省略する。

【００２２】図１に示すように、本例のＳＰＭは、Ｉ／
Ｖアンプ８が位相調整器２１および振幅調整器２３を介
して、カンチレバー１に取り付けられた加振用の圧電素
子１５に接続されている。また、位相調整器２１はＦＭ
検波器（ＰＬＬ）２４を介してロックインアンプ２６に
接続されているとともに、ＦＭ検波器２４およびローパ
スフィルターフィルタ２７を介して誤差増幅器１０に接
続されている。この誤差増幅器１０はフィードバック制
御回路２８を介して、ｚ軸圧電素子４ｚの圧電素子駆動
電源１１に接続されているとともに、ＣＰＵ１３に接続
されている。このＣＰＵ１３は、スキャンジェネレータ
１２、フィードバック制御回路２８および２つの画像表
示装置１４,１４にそれぞれ接続されているとともに、
反転増幅器２９を介してロックインアンプ２６に接続さ
れている。

【００２３】更に、ロックインアンプ２６は反転増幅器
２９を介して加算器３０に接続されているとともに、こ
れらのロックインアンプ２６と加算器３０とは交流電源
１８を介しても互いに接続されている。この加算器３０
はカンチレバー１に接続されている。

【００２４】交流電源１８はカンチレバー１の共振周波
数より遅くかつｚ軸圧電素子４ｚを駆動する帰還回路
（検出器７−ＰＬＬ２４−ローパスフィルターフィルタ
２７−誤差増幅器１０−圧電素子駆動電源１１からなる
帰還回路）の応答周波数より速い周波数の信号の交流電
圧ｆｍを発生するようになっている。この交流電源１８
の周波数ｆｍはローパスフィルタ２７のカットオフ周波
数よりも高い周波数に設定されている。

【００２５】ＰＬＬ２４は、加振用の圧電素子１５の加
振によるカンチレバー１の共振状態で、試料３表面を探
針２に近づけていったとき、探針２が負の力（引力）を
受けて共振周波数が下がることにより、共振周波数に生
じるずれ△ｆを補う信号を発生するようになっている。
すなわち、ＰＬＬ２４は、検出器７からの出力信号から
カンチレバー１の加振周波数に依存しない信号を分離し
て検出するようになっている。

【００２６】ロックインアンプ２６は、ＰＬＬ２４から
の出力信号から、その参照信号である探針２と試料３間
に供給される電圧信号ｆｍと同一の信号を分離し、その
分離した信号が同相の場合その信号を正出力として発生
するとともに、また逆相の信号を負出力として発生し、
更に中立信号を０出力として発生するようになってい
る。反転増幅器２９は、ロックインアンプ２６の出力を
反転して加算器３０およびＣＰＵ１３に供給するように
なっている。

【００２７】加算器３０は、交流電源１８の周波数ｆｍ
の交流電圧と反転増幅器２９の出力とが供給されてい
て、交流電源１８の交流電圧に反転増幅器２９の出力が
オフセット電圧として加算された電圧を探針２と試料３
との間に供給するようになっている。

【００２８】また、ロックインアンプ２６−反転増幅器
２９−加算器３０−圧電素子１５−検出器７−ＰＬＬ２
４−ロックインアンプ２６からなる入力の帰還回路が構
成されており、この帰還回路で、反転増幅器２９はロッ
クインアンプ２６の出力が常に０になるように誤差増幅
を行うようになっている。

【００２９】ローパスフィルタ２７は、ＰＬＬ２４から
の出力信号から、カンチレバー１の加振周波数よりも低
い周波数成分を分離検出してその検出信号を誤差増幅器
１０に出力するようになっている。

【００３０】フィードバック制御回路２８は、１サンプ
リング毎（１画素毎）に探針２と試料３表面との高さに
対するフィードバック制御のオン・オフを行うようにな
っている。その場合、このフィードバック制御回路２８
は試料３表面の帯電電荷状態を検出するとき切断され
て、この探針２と試料３表面との高さを固定した状態に
設定するようになっている。このように、探針２と試料
３表面との高さを固定した状態で帯電電荷状態を検出す
ることにより、帯電電荷状態がより正確に検出できるよ
うになる。

【００３１】本例のＳＰＭの他の構成は、図３に示すＳ
ＰＭで第１のロックインアンプ１７、第２のロックイン
アンプ１９およびオフセット電圧用電源１８ａを除い
て、同じである。

【００３２】このように構成された本例のＳＰＭにおい
ては、試料３の観察にあたって、まず光学系のアライメ
ントを行う。つまり、レーザー光源５からレーザー光を
カンチレバー１に照射し、そのカンチレバー１からの反
射光が検出器７の中心に位置するように調整する。カン
チレバー１からの反射光はミラー６を介して検出器７に
入射するが、このときカンチレバー１は熱振動等により
自分自身の固有振動数で振動しているため、検出器７に
入射するレーザー光は検出器７の受光面においても周期
的に入射位置が変化するようになり、したがって検出器
７の検出信号自体は変調されている。この検出信号がＩ
／Ｖアンプ８を介して位相調整器２１に入力され、この
位相調整器２１の出力が振幅調整器２３を介して圧電素
子１５に正帰還されることにより共振ループが形成され
ており、この圧電素子１５により、カンチレバー１は常
に自励発振を持続している。このため、カンチレバー１
およびその先端の探針２は熱振動等による振幅よりも大
きな振幅で振動を継続する共振状態となり、そのときの
共振周波数は、カンチレバー１および探針２の共振周波
数近傍の基本周波数ｆ０となる。

【００３３】この共振状態でｚ軸圧電素子４ｚを駆動し
て試料３表面を探針２に近づけていくと、探針２が負の
力を受けるようになるので、共振周波数が下がる。すな
わち、共振周波数にずれ△ｆが生じる。そして、ＰＬＬ
２４はそのずれ△ｆを補う信号を発生し、このＰＬＬ２
４の出力信号△ｆの低周波数成分がローパスフィルタ２
７を介して誤差増幅器１０に供給される。誤差増幅器１
０は、このＰＬＬ２４からの出力信号の低周波数成分と
予め設定されているフォースグラディエント−検出器出
力電圧換算値である参照信号Ｒｅｆとを比較してそれら
の間の誤差を検出し、その誤差を補う信号を圧電素子駆
動電源１１に供給する。

【００３４】これにより、圧電素子駆動電源１１が誤差
増幅器１０からの出力信号に応じた信号を出力するとと
もに、この圧電素子駆動電源１１の出力電圧により圧電
素子４ｚが伸縮して、探針２と試料３表面との間の高さ
が制御されることにより、ＰＬＬ２４の検出周波数が参
照信号Ｒｅｆに相当する周波数に維持される（フォース
グラディエントが一定）。このようにして、探針２と試
料３表面との距離が変化することによりずれるカンチレ
バー１および探針２の共振周波数が最初の基本共振周波
数ｆ０に戻るようになり、これにより探針２と試料３と
の間の力が一定、すなわち探針２と試料３との間の距離
（高さ）が一定に保たれるようになる。

【００３５】このように、試料３表面の凹凸による、探
針２と試料３との間の原子間力は、カンチレバー１およ
び探針２の電圧変調周波数成分よりも遅い変化であるた
め、ローパスフィルタ２７を介して選択通過させること
により、ｚ軸圧電素子４ｚに対して帰還させることがで
きる。

【００３６】そして、このような制御を行いながら、ｘ
軸およびｙ軸圧電走査素子４ｘ,４ｙにより試料３を二
次元走査し、誤差増幅器１０の出力信号をＣＰＵ１３に
よって処理することにより、試料３表面の凹凸画像（定
力勾配像）が得られ、一方の画像表示装置１４に表示さ
れるようになる。

【００３７】ところで、この制御を行っているときに、
交流電源１８によって、探針２と試料３との間に電圧を
印加すると、探針２と試料３のそれぞれの表面に電荷が
生じる。この表面電荷の量は、探針２と試料３とが同じ
物質であるならば、正負等量となり探針２に力を及ぼさ
ないが、探針２と試料３の材質が異なる場合には探針２
に引力として作用するようになる。

【００３８】例えば、金をコーティングした探針２を用
い、金薄膜などの試料３に他の吸着元素（凸部）が点在
しているとする。この試料３表面の帯電電荷状態を画像
化するために、交流電源１８により前述の周波数ｆｍの
交流電圧を探針２と試料３との間に供給すると、探針２
と試料３のそれぞれの表面に電荷が生じる。このため、
探針２と試料３との間に電圧変調が生じるが、この電圧
変調により探針２に電荷引力を生じ、この電荷引力が力
の勾配（フォースグラディエント）の極性変化として、
検出器７によって検出される。検出器７の出力は前述と
同様にＰＬＬ２４に送られるとともに、ＰＬＬ２４の出
力がロックインアンプ２６に供給される。このとき、ロ
ックインアンプ２６には、その参照信号として探針２と
試料３間に供給される電圧信号ｆｍと同一信号を含む信
号が供給されるようになる。その場合、交流電源１８の
周波数ｆｍがカンチレバー１の共振周波数成分よりも遅
い変化ではあるが、ローパスフィルタ２７のカットオフ
周波数よりも高い周波数に設定されているため、ＰＬＬ
２４からロックインアンプ２６に供給される信号のう
ち、周波数ｆｍの交流電圧信号と同一信号成分は、探針
２と試料３表面との間の高さ制御には直接関与しない。

【００３９】そして、ロックインアンプ２６によって、
ロックインアンプ２６に供給される信号のうち、周波数
ｆｍの交流電圧信号と同一信号成分が分離され、すなわ
ち探針２と試料３との間に作用する２つの力に関する信
号のうち、このような電荷分布における力に関する信号
が分離されて反転増幅器２９に供給される。更にこのに
分離された電荷分布における力に関する信号は反転増幅
器２９からＣＰＵ１３に出力され、この反転増幅器２９
の出力信号がＣＰＵ１３によって処理されて処理明暗画
像化（着色）されることにより、試料３表面の電荷分布
の特異部分の分布画像が得られ、他方の画像表示装置１
４に表示されるようになる。

【００４０】このようにして、本例の走査プローブ顕微
鏡によれば、試料３表面の凹凸画像（定力像）と試料３
表面の電荷分布による画像を同時に得ることができるよ
うになる。

【００４１】なお、前述の例では、光てこ光学系にミラ
ー６を設けるものとしているが、ミラー６を設けずに、
直接カンチレバー１からの反射光が検出器７に入射する
ような光学系とすることもできる。

【００４２】更に、前述の例では、光てこ光学系の場合
について説明しているが、カンチレバー１自身が探針２
と試料３表面との間の力によるカンチレバー１自体の変
位を直接検出することができるようにするとともに、カ
ンチレバー１自体が発振源となる圧電体カンチレバーを
用いることにより、カンチレバー１の変位検出のための
光てこによる検出光学系を省くこともできる。この場合
には、カンチレバー１自体の変位が電圧出力として取り
出せるために、検出器７を省くことができ、この検出器
７以後の回路にカンチレバー１自体の変位による電圧出
力が供給される。

【００４３】更に前述の例では、カンチレバー１の固有
振動数の変化からフォースグラディエントを検出してい
るが、探針部を有する水晶発振器等の他の振動体の固有
振動数の変化を用いてもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の走査プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの共振周
波数より遅くかつ試料と探針との間の高さ制御の帰還応
答周波数より速い周波数の交流電圧を、探針と試料との
間に供給するとともに、検出器の出力信号から探針と試
料との間の印加電圧周波数に依存する信号を分離して検
出し、更にカンチレバーの加振周波数に依存しない信号
を分離して検出するとともに、その加振周波数に依存し
ない信号に基づいて探針と試料との間の距離制御を行う
ことにより、その距離制御信号に基づいて試料表面の凹
凸像を得、更に検出器の出力信号から探針と試料との間
の印加電圧周波数に依存する信号を分離検出するととも
に、この印加電圧周波数に依存する信号に基づいて電荷
分布像を得るようにしているので、非接触で、試料表面
の凹凸像と電荷分布像を同時に検出することができるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる走査プローブ顕微鏡の実施の
形態の一例を模式的に示す図である。

【図２】 従来の走査プローブ顕微鏡の一例を模式的に
示す図である。

【図３】 従来の走査プローブ顕微鏡の他の例を模式的
に示す図である。

【符号の説明】

１…カンチレバー、２…探針、３…試料、４ｘ…ｘ軸圧
電走査素子、４ｙ…ｙ軸圧電走査素子、４ｚ…ｚ軸圧電
走査素子、５…レーザー光源、６…ミラー、７…フォト
ディテクター（検出器）、８…Ｉ／Ｖアンプ、１０…誤
差増幅器、１１…圧電素子駆動電源、１２…スキャンジ
ェネレータ、１３…中央処理装置（ＣＰＵ）、１４…画
像表示装置、１５…圧電素子、１６…発振電源、２１…
位相調整器、２３…振幅調整器、２４…ＦＭ検波器（Ｐ
ＬＬ）、２６…ロックインアンプ、２７…ローパスフィ
ルターフィルタ、２８…フィードバック制御回路、２９
…反転増幅器、３０…加算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対向して配置された探針を有する
   カンチレバーと、これらのカンチレバーおよび探針が前
   記試料と前記探針との間の物理力によって変位したと
   き、前記カンチレバーの変位量を検出する検出する検出
   器とを備えた走査プローブ顕微鏡であって、 前記カンチレバーおよび前記探針をそれらの共振周波数
   近傍の加振周波数でかつこの加振周波数を維持しながら
   加振する加振手段と、前記検出器の出力信号から前記カ
   ンチレバーの加振周波数に依存しない信号を分離検出す
   る分離検出手段と、前記探針と前記試料との間に、前記
   カンチレバーの前記共振周波数より遅くかつ高さ制御の
   帰還応答周波数より速い周波数の信号で電圧を印加する
   ための交流電圧源と、前記検出器の出力信号から前記交
   流電圧源の周波数に依存する信号を分離検出するととも
   に、その検出信号を反転増幅する反転増幅手段と、この
   反転増幅手段の出力と前記交流電源の出力とを加算する
   加算手段とを設け、 前記分離検出手段は前記反転増幅手段を含む帰還回路を
   形成し、前記反転増幅手段は分離検出した信号を常にゼ
   ロとするように誤差増幅を行うように構成し、前記検出
   器の出力信号から分離検出された前記カンチレバーの加
   振周波数よりも低い周波数成分の信号に基づいて前記探
   針と前記試料との間の距離制御を行うことにより、前記
   試料表面の凹凸像を得るとともに、前記検出器の出力信
   号から前記電源周波数に依存する信号を分離検出した信
   号を反転した信号に基づいて、前記試料の電荷分布画像
   を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。