JPH11174066A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料表面の凸部又は凹部の側面等に関して
も、高精度な測定を行う。 【解決手段】 振動子１４によって、プローブ１のカン
チレバー部３が撓み振動を起こし、プローブ１の探針部
２が実質的にＺ方向に振動する。振動子１５によって、
カンチレバー部３がねじれ振動を起こし、探針部２が実
質的にＸ方向に振動する。カンチレバー部３の撓み振動
の成分の振動状態及びカンチレバー部３のねじれ振動の
成分の振動状態が、４分割フォトダイオード１８により
検出される。ＤＳＰ２６は、検出されたプローブ１の撓
み振動及びねじれ振動の振動状態が所定状態となるよう
にプローブ１の移動方向を変え、当該移動方向にプロー
ブ１を移動させるようにＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電駆動部材
１０，１１，８を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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】原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微
鏡では、先端側に探針部を有するカンチレバー部と該レ
バー部を支持する支持体とを有するプローブが用いられ
る。そして、原子間力顕微鏡には、探針先端を試料に接
触させる接触モードのものや、探針を試料に接触させず
に試料と探針との間に作用する相互作用力を検出する非
接触モードのもの等がある。

【０００３】以下、説明の便宜上、試料表面と垂直な方
向をＺ方向とし、試料表面と平行な面内において互いに
直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向とする。

【０００４】接触モードの原子間力顕微鏡では、探針部
を試料表面に接触させ、プローブと試料とをＸ方向及び
Ｙ方向に相対的に移動（走査）させつつ、試料表面の凹
凸により変化する探針部と試料表面との間の相互作用力
をレバー部の撓みとして検出し、検出した撓みに基づい
て、プローブのカンチレバー部の撓みが一定となるよう
に、プローブを試料に対して相対的にＺ方向に移動させ
る。これにより、Ｘ方向及びＹ方向の位置に対するＺ方
向の位置を求め、試料の表面形状を高分解能で観察す
る。なお、プローブのカンチレバー部の撓み検出は、一
般的に、光源としての半導体レーザと、該半導体レーザ
から発してカンチレバー部にて反射された光を受光する
２分割フォトダイオードとを使った光てこ法により行わ
れる。

【０００５】一方、非接触モードの原子間力顕微鏡は、
探針を試料に接触させずに、試料と探針との間に作用す
る力を検出する技術（例えば、次の文献に開示されてい
る：Y. Martin, C. C. Williams, and H. K. Wickramas
inghe, J. Appl. Phys. 61 (10), 15 May 1987）を利用
したものである。この力検出の技術は、探針と試料との
間のファンデルワールス力等による相互作用力の変化に
より、事実上のカンチレバー部の撓み振動の共振周波数
がシフトすることを利用している。すなわち、まずカン
チレバー部を縦方向に共振させ、探針を周期的に試料に
近づけたり遠ざけたりする。すると、試料と探針とに働
くファンデルワールス力等の引力が、探針が試料に近い
ときに強く働き、試料から遠ざかると弱くなる。その引
力の周期的な変化によりカンチレバー部の共振周波数が
変化し、そのためカンチレバー部の共振の振幅も変化す
る。カンチレバー部の振幅は例えば光てこ法とロックイ
ンアンプにより検出でき、結果として試料と探針の相対
距離の変化が検出できる。

【０００６】そして、非接触モードの原子間力顕微鏡で
は、プローブを試料に対してＸ方向及びＹ方向に相対的
に移動（走査）させつつ、前記原理に従って、カンチレ
バーを共振周波数付近の周波数で撓み振動を起こすよう
に励振させ、カンチレバー部の振動状態を前記光てこ法
等により検出し、その振動状態が一定になるように、プ
ローブを試料に対してＺ方向に相対的に移動させること
により、試料表面の形状を測定する。

【０００７】また、探針と試料の相対距離の変化を検出
する別の方法として、主に近接場光学顕微鏡に用いられ
ているシェアフォース検出法がある（"A simple latera
l force sensing technique for near-field micropatt
ern generation", Rev. Sci.Instrum. 64 (12) 3538, 1
993）。この手法について、図１１を参照して説明す
る。図１１は、シェアフォース検出法を示す図である。
図１１において、この手法では、まず、図１１（ａ）に
示すように、近接場光用の光ファイバー１０１を、試料
１００の表面と平行な方向（図１１中のＸ方向）に共振
させる。その振幅１０２を計測するために、レーザー光
源１０３からレーザー光１０４を光ファイバー１０１に
横方向（図１１では厳密には描かれていないが、図１１
中のＹ方向）から照射し、そこで生じる回折光を分割型
フォトダイオード１０５で受光する。光ファイバー１０
１の振動により、回折光のスポットも水平方向に振動す
るため、フォトダイオード１０５の出力信号から当該ス
ポットの振幅を測定することにより、光ファイバー１０
１の振動振幅１０２を測定することができる。ここで、
図１１（ｂ）に示すように、光ファイバー１０１を試料
１００に近づけて行くと、試料１００と光ファイバー１
０１との間にファンデルワールス力等のシェアーフォー
スが働き、光ファイバーにダンピングがかかる。そのた
め、光ファイバー１０１の振動振幅が減少し、試料１０
０と光ファイバー１０１との間の相対距離の変化を検出
することができる。

【０００８】このようなシェアフォース検出法による場
合も、光ファイバー１０１と試料１０１とをＸ方向及び
Ｙ方向に相対的に移動（走査）させつつ、光ファイバー
１０１の振動振幅をレーザー光源１０３及び分割型フォ
トダイオード１０５で検出し、検出した振幅に基づい
て、当該振幅が一定となるように、光ファイバー１０１
を試料に対して相対的にＺ方向に移動させる。これによ
り、Ｘ方向及びＹ方向の位置に対するＺ方向の位置を求
め、試料の表面形状を観察する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、走査型プロ
ーブ顕微鏡が広く使われている工業分野では、例えば半
導体分野においては、試料表面の凸部又は凹部の垂直に
近い側面形状を測定する必要性が増大している。

【００１０】しかしながら、前述した従来の走査型プロ
ーブ顕微鏡では、試料表面の凸部又は凹部の側面形状が
垂直に近くなると、その観察が困難であり、当該側面形
状を精度良く観察することができなかった。その理由
は、従来の走査型プローブ顕微鏡では、前述したよう
に、探針を一定速度で試料表面と水平な方向（Ｘ方向又
はＹ方向）に走査しながら、探針と試料との間の相互作
用が一定になるように探針をＺ方向に移動させており、
試料と探針との間の相対距離の変化を試料表面と垂直な
縦方向（Ｚ方向）にのみフィードバックしていたためで
ある。このようなフィードバック制御の結果、試料表面
の凸部又は凹部の急峻な側壁においてデータ数が少なく
ならざるを得ず、当該側面形状を精度良く観察すること
ができなかったのである。しかも、前述したフィードバ
ック制御の結果、急峻な側壁対し探針がそれを乗り越え
るためには、縦方向（Ｚ方向）に急激に探針を移動させ
ることとなり、そのため、急峻な側壁の角部分で、探針
のフィードバックが不安定になり、探針が試料表面を正
確にトレースできず、この点からも、試料表面を高精度
に観察することができなかったのである。

【００１１】なお、以上説明した事情は、原子間力顕微
鏡に限らず、走査型電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕
微鏡及び走査型磁気力顕微鏡などの他の種々の走査型プ
ローブ顕微鏡用についても、同様である。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、試料表面の凸部又は凹部の側面等に関して
も、データの数を多くすることができるとともに、探針
部を試料表面に対して両者に作用する相互作用に応じて
正確にトレースさせることができ、高精度な測定を行う
ことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目
的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１の態様による走査型プローブ顕微鏡
は、プローブと、プローブと試料表面とを相対的に試料
表面と略垂直な第１の方向及び試料表面と略平行な第２
の方向に移動させるプローブ駆動部と、プローブを励振
するための励振部材と、プローブの振動状態を検出する
検出手段と、検出手段で検出されたプローブの振動状態
が所定の振動状態になるようにプローブの移動方向を変
え、移動方向に前記プローブを移動させるようプローブ
駆動部を制御する制御手段とを備えたものである。

【００１４】この様に、プローブを励振させながら、プ
ローブを試料表面上で移動させたときに、生ずるプロー
ブの振動状態の変化を、プローブの振動状態を検出する
検出手段でもって検出し、プローブの所定の振動状態に
なるようにプローブの移動方向を変えることで、探針の
移動制御を行うようにした。

【００１５】本発明の第２の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第１の態様において、制御手段におい
て、検出手段で検出されたプローブの振動状態とあらか
じめ決められた振動状態とを比較し、新たに決定するプ
ローブの移動方向にするための移動方向の変化量を角度
として算出する移動方向決定手段を備え、移動方向決定
手段で決定された角度に応じて、移動方向を変更するこ
とでプローブ駆動部を制御することとした。

【００１６】この様に制御手段としては、プローブの移
動方向の決定の際に、移動方向の変化量を角度でもって
算出し、算出された角度と今までの移動方向とを加味し
て、新たな移動方向を決定するようにした。

【００１７】また、本発明の第３の態様による走査型プ
ローブ顕微鏡は、前記第１又は第２の態様において、励
振部材は、少なくとも一方向にプローブを振動させる部
材であることとした。この様に少なくとも一方向に励振
させ、その振動方向における振動状態の変化を掴むこと
で、本発明では、プローブの移動方向を決定できる。

【００１８】本発明の第４の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第３の態様において、励振部材について
は、プローブに対して、第１の方向とほぼ平行な方向に
振動する第１のモードの振動を励振させるために支持体
に備えられ、検出手段は、プローブにおける第１のモー
ドの振動を検出する第１の検出器を備え、そして制御手
段については、第１の検出器から得られる信号を基に、
第１のモードの振動成分の振動状態が一定となるよう
に、プローブの移動方向を決定することとした。この様
に試料表面に垂直な方向にプローブを励振させ、試料表
面と垂直な方向での振動成分の変化を検出することで、
プローブの移動方向を決定するようにした。

【００１９】また、本発明の第５の態様による走査型プ
ローブ顕微鏡は、前記第３の態様において、励振部材に
ついては、プローブが捻れる方向に振動する第２のモー
ドの振動を励振させるために支持体に備えられ、検出手
段については、プローブにおける第２のモードの振動を
検出する第２の検出器を備え、制御手段については、第
２の検出器から得られる信号を基に、第２のモードの振
動成分の振動状態が一定となるように、プローブの移動
方向を決定することとした。この様にプローブが捻れる
方向で励振させ、捻れる方向における振動成分を検出
し、その振動状態が一定になるようにすることで、プロ
ーブの移動方向を決定するようにした。

【００２０】本発明の第６の態様による走査型プローブ
顕微鏡では、前記第１又は第２の態様において、励振部
材については、プローブに対して、第１の方向に振動す
る第１のモードの振動を励振させるための第１の励振部
材と、プローブが捻れる方向に振動する第２のモードの
振動を励振させるための第２の励振部材とを備え、検出
手段ついては、プローブでの第１のモードの振動の成分
の振動状態を検出する第１の検出手段と、プローブでの
第２のモードの成分の状態を検出する第２の検出手段と
を備え、制御手段については、第１の方向及び第２の方
向を含む面と平行面内において当該面内の方向でプロー
ブの移動方向を変えて、プローブの振動状態が所定の状
態となるようにプローブ駆動部材を制御することとし
た。この様に、複合させて異なる二つの方向にプローブ
を励振させ、励振させた二つの方向における振動状態を
検出し、それらの振動状態が一定になるようにプローブ
の移動方向が一定になるように、移動方向を決定した。

【００２１】本発明の第７の態様による走査型プローブ
顕微鏡では、前記第６の態様において、制御手段では、
プローブの移動方向に応じて、第１の検出手段から得ら
れる信号と第２の検出手段から得られる信号とのどちら
か一方を選択する選択手段を更に備え、選択手段で選択
された信号からプローブの振動状態が所定の状態になる
ようプローブ駆動部材を制御することとした。この様
に、本発明の第６の形態の構成を有して、更にプローブ
の移動方向に応じて、検出手段から得られる信号を選択
するようにした。

【００２２】また、本発明の第８の態様による走査型プ
ローブ顕微鏡では、前記第７の態様において、制御手段
では、第１の励振部材と第２の励振部材とのどちらか一
方のみが駆動するように選択する励振部材選択手段を備
えた。

【００２３】更に、本発明の第９の態様による走査型プ
ローブ顕微鏡では、前記第８の態様において、選択手段
は、第２の方向に対する前記プローブの移動方向のなす
角度と所定の値とを比較することで、駆動する励振部材
を決定することとした。

【００２４】本発明の第１０の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡では、前記第１乃至第９のいずれかの態様にお
いて、プローブは、先端部に探針を有するレバー部（カ
ンチレバー部）を備え、レバー部を支持する支持体に備
えられたこととした。

【００２５】また、本発明の第１１の態様による走査型
プローブ顕微鏡では、前記第１乃至第９のいずれかの態
様において、プローブは、試料との相互作用を受ける探
針部と、プローブを支持する支持体と探針部との間に設
けられ、探針部と試料との相互作用を検出する検出部と
を具備し、検出部および探針部が実質的に同一軸上に形
成されていることプローブを用いることとした。この様
なプローブであれば、深い溝の側壁の状態も本走査型プ
ローブ顕微鏡で検出することが可能となる。

【００２６】本発明の第１２の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡では、プローブと、プローブと試料表面とを相
対的に試料表面と略垂直な第１の方向及び試料表面と略
平行な第２の方向に移動させるプローブ駆動部と、プロ
ーブと試料との間の相互作用に応じた検出信号を得る検
出手段と、検出手段からの検出信号が所定の状態になる
様にプローブの移動方向を変化させ、かつプローブの移
動方向にプローブを走査させるようプローブ駆動部を制
御する制御手段を備えた。この様にプローブを駆動しな
がら、プローブと試料との相互作用を検出し、検出され
た情報に基づき、プローブの移動方向を決定するように
している。

【００２７】また、本発明の第１３の態様による走査型
プローブ顕微鏡は、前記第１２の態様において、検出手
段については、プローブの変位を検出することでプロー
ブと試料との相互作用を得ることした。

【００２８】本発明の第１４の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、前記第１２の態様において、制御手段につ
いては、検出手段で検出された信号があらかじめ定めら
れた信号であるか否かを比較し、新たに決定するプロー
ブの移動方向にするための移動方向の変化量を角度とし
て算出する移動方向決定手段を備え、移動方向決定手段
で決定された角度に応じて、移動方向を変更することで
プローブ駆動部を制御することとし、検出手段で検出さ
れた信号と予め定められた信号とを比較し、移動方向の
変更を角度して算出する。そして、算出された角度に応
じて移動方向変更することでプローブと試料との相互作
用が一定になるようにした。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による走査型プロー
ブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。

【００３０】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、図
１乃至図５を参照して説明する。

【００３１】図１は、本実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡を示す概略構成図である。図２（ａ）はその一
部を拡大した概略斜視図、図２（ｂ）は４分割フォトダ
イオード１８の受光部を示す図である。説明の便宜上、
これらの図に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及
びＺ軸を定義する（後述する他の図も同様）。ＸＹ平面
が試料表面と略平行な面、Ｚ方向が試料表面と略垂直な
方向となる。なお、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、原子間力顕微鏡として構成されている。

【００３２】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
は、図１及び図２（ａ）に示すように、先端側に探針部
２を有する薄板状のカンチレバー部３と、該カンチレバ
ー部３を支持する支持体４とを有するプローブ１を備え
ている。探針部２は、カンチレバー部３の先端側に突設
された四角柱状のポスト部５と、底面側部分がポスト部
５の先端に連結された四角錐状の先端部６とから構成さ
れている。本実施の形態では、先端部６の先端の頂点６
ａに向かう全ての稜線が内側に湾曲しており、先端部６
の先端の頂点６ａが極めて先鋭化されている。また、本
実施の形態では、先端部６の底面側部分の４つの角部６
ｂがポスト部５の先端の付近の部分の側方位置よりも側
方に突出している。カンチレバー部３が窒化珪素膜で構
成され、ポスト部５及び先端部６も同じく窒化珪素で構
成されている。前記支持体４は、パイレックスガラス
（商品名）部材と、該パイレックスガラス部材が接合さ
れている箇所の前記窒化珪素膜とから構成されている。

【００３３】このような構成のプローブ１は、例えば、
次のような方法で製造することができる。まず、半導体
製造技術を用いて、型部材を用意する。該型部材は、第
１の部材と第２の部材とが接合されてなる。前記第１の
部材は前記ポスト部５の形状を転写するための転写用貫
通穴を有する。前記第２の部材は前記先端部６の形状を
転写するための四角錐状の転写用凹部であって前記転写
用貫通穴と連通する転写用凹部を有する。前記転写用貫
通穴及び前記転写用凹部は前記転写用貫通穴の一方の開
口のみで外部に開口する空間を形成する。次に、前記転
写用貫通穴を含む前記型部材上の領域に前記カンチレバ
ー部３、前記ポスト部５及び前記先端部６を構成すべき
窒化珪素を成膜させる。その後、成膜された窒化珪素膜
を所定形状にパターニングし、支持体４を構成するパイ
レックスガラス部材を接合する。最後に、前記型部材を
除去する。これにより、前記プローブ１を製造すること
ができる。

【００３４】もっとも、本発明で用いるプローブは、こ
のような構成のプローブ１に限定されるものではない。
例えば、カンチレバー部の先端側に突設した細長い部分
と、前記細長い部分の先端に前記細長い部分の軸方向に
向いて突出した１つの円錐状の突起（スパイク）と、前
記細長い部分の先端付近における周囲表面に前記細長い
部分の軸と垂直な方向に向いて突出した２つの円錐状の
突起（スパイク）とからなる探針を有する、プローブ
（特開平８−２８５８７２号公報参照）であってもよ
い。また、本発明で用いるプローブでは、探針部は、必
ずしも、前記角部６ｂや前記スパイクのような側方突出
部を有していなくてもよい。

【００３５】前記プローブ１の支持体４は、プローブホ
ルダとしてのクリップ７により保持されている。クリッ
プ７の上側部分７ａの上面は、Ｚ方向に伸縮するＺ方向
用圧電駆動部材８の下端（自由端）に固定されている。
Ｚ方向用圧電駆動部材８の上端は、ブロック９に固定さ
れている。Ｘ方向に伸縮するＸ方向用圧電駆動部材１０
の一端（自由端）及びＹ方向に伸縮するＹ方向用圧電駆
動部材１１の一端（自由端）は、それぞれブロック９に
固定されている。圧電駆動部材１０，１１の他端（固定
端）はそれぞれフレーム１２に固定されている。フレー
ム１２は、３つのマイクロメータ１３により支持されて
いる。本実施の形態では、前記圧電駆動部材８，１０，
１１が、プローブ１を試料表面に対して試料表面と略垂
直な第１の方向（Ｚ方向）、試料表面と略平行な第２の
方向（Ｘ方向）及び試料表面と略平行でＹ方向と直交す
るＸ方向に相対的に移動させる移動手段（プローブ駆動
部）を構成している。もっとも、該移動手段の構成はこ
のような構成に限定されないことは勿論である。

【００３６】また、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、プローブ１の探針部２が実質的にＺ方向に振
動するような第１のモードの振動（本実施の形態では、
撓み振動）をプローブ１のカンチレバー部３に発生させ
る第１の励振手段（第１の励振部材）として、圧電素子
からなる第１の振動子１４を備えている。また、本実施
の形態による走査型プローブ顕微鏡は、プローブ１の探
針部２が実質的にＸ方向に振動するような第２のモード
の振動（本実施の形態では、ねじれ振動）をプローブ１
のカンチレバー部３に発生させる第２の励振手段（第２
の励振部材）として、圧電素子からなる第２の振動子１
５を備えている。なお、本発明では、前記第１の励振手
段や前記第２の励振手段は、このような構成に限定され
るものではなく、例えば、カンチレバー部３に形成した
圧電特性又は電歪特性を持った薄膜でもよい。

【００３７】前記振動子１４，１５は、図２（ａ）に示
すように、支持部材としてのボール１６と共にクリップ
７に設けられている。なお、図２（ａ）では、理解を容
易にするため、クリップ７が透明であるかの如く示して
いる。振動子１４，１５は、それぞれＺ方向に伸縮して
振動する。また、振動子１４，１５の各上面及びボール
１６の上部はクリップ７の上側部分７ａの下面に固定さ
れている。なお、本実施の形態では、振動子１４，１５
は、それらの上面の一部がクリップ７の上側部分７ａの
下面から側方にはみ出すように設けられているが、その
ようなはみ出しをなくすようにしてもよい。クリップ７
のバネ力によって、振動子１４，１５及びボール１６の
各下面がプローブ１の支持体４の上面に接触するととも
に、クリップ７の下側部分７ｂの上面がプローブ１の支
持体４の下面に接触し、プローブ１の支持体４が振動子
１４，１５及びボール１６の各下面とクリップ７の下側
部分７ｂの上面との間に挟持されている。振動子１４，
１５及びボール１６は、ＸＹ平面と平行な所定面内にお
いて、ボール１６を直角の頂点とする直角三角形の、そ
れぞれの頂点の位置に配置されている。すなわち、振動
子１４及びボール１６はＹ軸と平行な直線上に配置さ
れ、振動子１４及びボール１６はＸ軸と平行な直線上に
配置されている。

【００３８】次に、前記２つの振動子１４，１５による
プローブ１の励振動作について、説明する。

【００３９】図３（ａ）は、振動子１５を停止させた状
態において振動子１４をＺ方向に振動させたときのプロ
ーブ１のカンチレバー部３の振動の様子を模式的に示し
ている。振動子１４をＺ方向に振動させると、プローブ
１の支持体４はボール１６と振動子１５を結ぶＸ軸と平
行な直線を回転軸として往復回転運動をする。したがっ
て、振動子１４が振動すると、プローブ１の探針部２は
実質的にＺ方向に振動することとなる。この時の励振の
周波数が、カンチレバー部３のＺ方向の１次の撓み振動
の共振周波数に近いと、カンチレバー部３は図３（ａ）
に示すように１次の縦方向撓み振動モードの共振状態と
なる。

【００４０】また、図３（ｂ）は、振動子１４を停止さ
せた状態において振動子１５をＺ方向に振動させたとき
のプローブ１のカンチレバー部３の振動の様子を模式的
に示す。振動子１５をＺ方向に振動させると、プローブ
１の支持体４はボール１６と振動子１４を結ぶＹ軸と平
行な直線を回転軸として往復回転運動をする。したがっ
て、振動子１５が振動すると、プローブ１の探針部２は
実質的にＸ方向に振動することとなる。この時の励振の
周波数が、カンチレバー部３の１次のねじれ振動の共振
周波数に近いと、カンチレバー部３は図３（ｂ）に示す
ように１次のねじれ振動モードの共振状態となる。

【００４１】以上のように、本実施の形態では励振手段
として前記振動子１４，１５が用いられている。もっと
も、本発明では、振動子１４に代えて、カンチレバー部
３に前記撓み振動を引き起こす圧電特性又は電歪特性を
持った薄膜をカンチレバー部３自体に形成しておいても
よい。同様に、振動子１５に代えて、カンチレバー部３
に前記ねじれ振動を引き起こす圧電又は電歪特性を持っ
た薄膜をカンチレバー部３自体に形成しておいてもよ
い。

【００４２】また、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、図１に示すように、前述した各要素の他に、
レーザ光源１７と、４分割フォトディテクタとしての４
分割フォトダイオード１８と、信号処理回路１９と、ロ
ックインアンプ２０，２１と、Ａ／Ｄ変換器２２，２３
と、発振回路２４，２５と、デジタルシグナルプロセッ
サ（ＤＳＰ）２６と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２７と、ＣＲＴ等の表示装置２８と、Ｄ／Ａ変換器２
９，３０，３１と、駆動回路３２とを備えている。

【００４３】前記発振回路２４は、ＤＳＰ２６の制御下
において、前記撓み振動の共振周波数に近い周波数の励
振信号（正弦波信号）を前記振動子１４に与えるととも
に、当該励振信号を参照信号としてロックインアンプ２
０に与える。また、前記発振回路２５は、ＤＳＰ２６の
制御下において、前記ねじれ振動の共振周波数に近い周
波数の励振信号（正弦波信号）を前記振動子１４に与え
るとともに、当該励振信号を参照信号としてロックイン
アンプ２１に与える。

【００４４】前記レーザ光源１７及び４分割フォトダイ
オード１８は、それぞれ位置調整されてブロック９に固
定されている。レーザ光源１７は、図３（ａ）及び図３
（ｂ）に示すように、プローブ１のカンチレバー部３の
上面の先端側の位置にレーザ光４０を照射する。４分割
フォトダイオード１８は、レーザ光源１７から発せられ
てカンチレバー部３にて反射されたレーザ光を受光す
る。該４分割フォトダイオード１８の受光部を図２
（ｂ）に示す。該受光部は、互いに直交するＸ’軸及び
Ｙ’軸をそれぞれ境界線として４つの領域１８ａ，１８
ｂ，１８ｃ，１８ｄに分割されている。カンチレバー部
３が図３（ａ）に示す撓み振動モードの共振状態になる
と、カンチレバー部３の上面で反射されるレーザ光４０
は、軌跡４１のように反射する向きを変える。一方、カ
ンチレバー部３が図３（ｂ）に示すねじれ振動モードの
共振状態になると、カンチレバー部３の上面で反射され
たレーザ光４０は、軌跡４２のように反射する向きを変
える。両軌跡４１，４２の向きは互いに直交している。
軌跡４１が４分割フォトダイオード１８の受光部のＸ’
軸と一致するとともに軌跡４２が４分割フォトダイオー
ド１８の受光部のＹ’軸と一致するように、４分割フォ
トダイオード１８が位置調整されている。したがって、
前記撓み振動と前記ねじれ振動とが別々に行われる場合
のみならず同時に重畳して行われる場合であっても、４
分割フォトダイオード１８の受光部の各領域１８ａ，１
８ｂ，１８ｃ，１８ｄからの出力信号を、後述するよう
にして処理することにより、プローブ１のカンチレバー
部３の撓み振動の成分の振動状態を示す検出信号とカン
チレバー部３のねじれ振動の成分の振動状態を示す検出
信号とを、互いに干渉することなく得ることができる。

【００４５】前記信号処理回路１９は、４分割フォトダ
イオード１８の受光部の各領域１８ａ，１８ｂ，１８
ｃ，１８ｄからの出力信号をそれぞれ増幅する。そし
て、信号処理回路１９は、領域１８ａからの出力信号と
領域１８ｂからの出力信号との和と、領域１８ｃからの
出力信号と領域１８ｄからの出力信号との和との差を示
す第１の信号を出力する。この第１の信号がカンチレバ
ー部３の撓み振動の成分の振動状態を示すことになる。
また、信号処理回路１９は、領域１８ａからの出力信号
と領域１８ｄからの出力信号との和と、領域１８ｂから
の出力信号と領域１８ｃからの出力信号との和との差を
示す第２の信号を出力する。この第２の信号がカンチレ
バー部３の撓み振動の成分の振動状態を示すことにな
る。

【００４６】前記ロックインアンプ２０は、信号処理回
路１９からの前記第１の信号の周波数成分のうち、発振
回路２４から振動子１４に与えられた励振信号の周波数
と同じ周波数成分の振幅に比例したレベルの信号（縦方
向（Ｚ方向）の振動振幅信号）を出力する。この信号
は、Ａ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換されて前記ＤＳ
Ｐ２６に供給される。また、前記ロックインアンプ２１
は、信号処理回路１９からの前記第２の信号の周波数成
分のうち、発振回路２５から振動子１４に与えられた励
振信号の周波数と同じ周波数成分の振幅に比例したレベ
ルの信号（横方向（Ｘ方向）の振動振幅信号）を出力す
る。この信号は、Ａ／Ｄ変換器２３によりＡ／Ｄ変換さ
れて前記ＤＳＰ２６に供給される。このようにして、Ｄ
ＳＰ２６には、Ａ／Ｄ変換器２２から縦方向（Ｚ方向）
の振動の振幅の検出値が、Ａ／Ｄ変換器２３から横方向
（Ｘ方向）の振動振幅の検出値がそれぞれ入力される。

【００４７】以上の説明からわかるように、本実施の形
態では、前記各要素１７，１８，１９，２０，２１が、
プローブ１のカンチレバー部３の撓み振動の成分の振動
状態を検出する検出手段、及び、カンチレバー部３のね
じれ振動の成分の振動状態を検出する検出手段を、構成
している。もっとも、このような各検出手段は、前述し
たような構成に限定されるものではなく、例えば、光干
渉法等による検出手段や、カンチレバー部３に形成した
圧電特性又は電歪特性を持った薄膜などであってもよ
い。

【００４８】前記ＤＳＰ２６は、基本的には、発振回路
２４，２５を介して振動子１４，１５の動作を制御し、
また、Ａ／Ｄ変換器２２，２３からの縦方向及び横方向
の振動の振幅の検出値に基づいて、Ｄ／Ａ変換器２９，
３０，３１及び駆動回路３２を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用
圧電駆動部材１０，１１，８にそれぞれ駆動信号を与
え、プローブ１の試料表面に対する相対的な移動を制御
する。なお、Ｄ／Ａ変換器２９，３０，３１は、ＤＳＰ
２６からのＸ，Ｙ，Ｚ方向の各移動指令値をそれぞれＤ
／Ａ変換し、駆動回路３２はＤ／Ａ変換された各信号を
増幅して各圧電駆動部材１０，１１，８にそれぞれ供給
する。そして、ＤＳＰ２６は、この際に得られた試料表
面の形状を示すデータ（本実施の形態では、後述する順
次得られた探針駆動ベクトル）をＤＳＰ２６内のメモリ
（図示せず）に記憶する。

【００４９】ＤＳＰ２６の前記メモリ内の前記データ
は、パーソナルコンピュータ２７に取り込まれ、表示装
置２８により画像表示される。

【００５０】本実施の形態では、ＤＳＰ２６は、発振回
路２４，２５を介して振動子１４，１５を同時に作動さ
せつつ、各Ｙ方向位置におけるＸＺ平面と平行な各面内
において、当該面内の方向であって、前記縦方向（Ｚ方
向）の振動の振幅及び前記横方向（Ｘ方向）の振動の振
幅が一定となるような方向に、プローブ１が移動するよ
うに、Ａ／Ｄ変換器２２，２３からの縦方向及び横方向
の振動の振幅の検出値に基づいて、Ｄ／Ａ変換器２９，
３０，３１及び駆動回路３２を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用
圧電駆動部材１０，１１，８にそれぞれ駆動信号を与
え、プローブ１の試料表面に対する相対的な移動を制御
する。すなわち、Ａ／Ｄ変換器２２，２３からの縦方向
及び横方向の振動の振幅の検出値は、ＤＳＰ２６により
絶えず探針部２のＸＺ平面と平行な面内における移動方
向にフィードバックされる。

【００５１】ここで、このようなＤＳＰ２６の動作の一
具体例について、図４を参照して説明する。図４は、本
実施の形態におけるＤＳＰ２６の動作の一例を示す概略
フローチャートである。

【００５２】まず、ＤＳＰ２６は、オートチューニング
動作を行う（ステップＳ１）。すなわち、ＤＳＰ２６
は、発振回路２４，２５をそれぞれ同時又は順次に作動
させてその各励振周波数を変化させつつ、Ａ／Ｄ変換器
２２，２３からの信号を得、このデータに基づいて以後
の動作において使用する各励振周波数を自動的に決定す
る。

【００５３】本実施の形態では、以後の動作において
は、ＤＳＰ２６は、この決定した各励振周波数で発振回
路２４，２５を同時に作動させ続ける。

【００５４】次に、ＤＳＰ２６は、予め定めたＹ方向位
置及びＸ方向位置において、探針部２が試料表面から十
分に離れたＺ方向位置からＺ方向に移動して試料に近接
していくように、駆動指令を発生してプローブ１をＺ方
向に移動させていく。そして、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変
換器２２からの縦方向の振動の振幅の検出値が所定の目
標値になったときに、駆動指令を停止し、探針部２の試
料への接近を止める（ステップＳ２）。

【００５５】以上のステップＳ１，Ｓ２がいわば測定の
準備段階である。

【００５６】その後、ＤＳＰ２６は、現時点で得られて
いる最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生
し、当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ１ひいては
探針部２を移動させる（ステップＳ３）。探針駆動ベク
トルは、１ステップの駆動により、現時点の位置から移
動させるべき次の時点の位置までの、ＸＺ平面と平行な
面内における方向と移動距離を示すベクトルである。し
たがって、ステップＳ３では、当該探針駆動ベクトルの
Ｘ成分が示す距離だけ探針部２をＸ方向に移動させると
ともに、当該探針駆動ベクトルのＺ成分が示す距離だけ
探針部２をＺ方向に移動させることとなる。ステップＳ
２からステップＳ３に最初に移行し場合には、未だ後述
するステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６を経ておらずに探針駆動
ベクトルが得られていないので、本実施の形態では、初
期の探針駆動ベクトルとしてＸ成分が所定値でＺ成分が
ゼロのベクトルを用いる。すなわち、最初にステップＳ
３に移行した際には、探針部２をＺ方向に移動させるこ
となく、Ｘ方向に所定距離移動させる。もっとも、初期
の探針駆動ベクトルはこのようなベクトルに限定される
ものではなく、任意のベクトルを採用することができ
る。本実施の形態では、探針駆動ベクトルの長さ（１ス
テップの駆動により移動させる距離）は常に一定とし、
その方向のみを制御することとしている。

【００５７】次に、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変換器２２，
２３から縦方向の振動の振幅及び横方向の振動の振幅の
検出値をそれぞれ取り込み、縦方向の振動の振幅の検出
値とその振幅の所定の目標値との偏差ΔＡｖ、及び、横
方向の振動の振幅の検出値とその振動の所定の目標値と
の偏差ΔＡｈを算出する（ステップＳ４）。

【００５８】その後、ＤＳＰ２６は、ステップＳ４で算
出した偏差ΔＡｖ，ΔＡｈに基づいて、新たな探針駆動
ベクトルを下記の数１及び数２による演算により決定す
る（ステップＳ５）。

【００５９】すなわち、ＤＳＰ２６は、ステップＳ５に
おいて、まず、下記の数１によって、前記偏差ΔＡｖ，
ΔＡｈから、サーボ角（すなわち、プローブ１ひいては
探針部２のＸＺ平面と平行な当該面内の移動方向の補正
量）θを求める。つまり、前記偏差ΔＡｖに所定のゲイ
ン（所定係数）Ｇｖを乗算した値と、前記偏差ΔＡｈに
所定のゲイン（所定係数）Ｇｈを乗算した値との加算値
のアークタンジェントにより求めた角度を、サーボ角θ
とする。

【００６０】

【数１】

【００６１】ＤＳＰ２６は、ステップＳ５において、次
に、下記の数２によって、ベクトルの回転の行列を計算
することにより、現時点で得られている最新の探針駆動
ベクトルを前記サーボ角θだけ回転して新たな探針駆動
ベクトルを求める。

【００６２】

【数２】

【００６３】数２において、現時点ｔ＝ｎにおける探針
駆動ベクトルのＸ成分及びＺ成分をＸｎ，Ｚｎとし、そ
れをθ回転して得る次の時点ｔ＝ｎ＋１の探針駆動ベク
トル（新たに得る探針駆動ベクトル）のＸ成分及びＺ成
分をＸｎ＋１，Ｚｎ＋１とする。ここで、ｎはゼロ以上
の整数とする。

【００６４】ステップＳ５の後に、ＤＳＰ２６は、ステ
ップＳ５で決定された新たな探針駆動ベクトルを、当該
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶する（ステップＳ６）。

【００６５】ステップＳ６が終了すると、ステップＳ３
に戻り、ステップＳ３〜Ｓ６の動作を繰り返す。

【００６６】図４においては省略しているが、ステップ
Ｓ３〜Ｓ６を繰り返すことにより、探針部２がＸ方向の
所定の位置まで到達すると（すなわち、探針がＸ方向の
所定の範囲をトレースすると）、ＤＳＰ２６は、プロー
ブ１をＹ方向に所定距離移動させる移動指令を発生し、
その後、当該Ｙ方向位置におけるＸＺ平面内において、
ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し、これらの動作を繰り返
してＸＹ平面における所定の２次元の範囲について探針
部２を移動させる。これにより、測定が完了する。この
ように、本実施の形態では、各Ｙ方向位置においてステ
ップＳ３〜６を繰り返すが、場合によっては、１つのＹ
方向位置においてのみステップＳ３〜Ｓ６を繰り返すだ
けでもよい。

【００６７】以上の説明からわかるように、ステップＳ
６において順次記憶された探針駆動ベクトルは試料形状
を反映するものであり、Ｙ方向位置と関連付けられてパ
ーソナルコンピュータ２７に取り込まれ、表示装置２８
により画像表示される。

【００６８】次に、図４を参照して説明したＤＳＰ２６
動作に従った探針部２の制御の具体的な様子の一例とそ
の物理的な意味について、図５を参照して説明する。図
５は、本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡におけ
る探針部２の制御の様子を模式的に示す図である。

【００６９】前記ステップＳ１の動作が終了した後、試
料１００から遠く離れた自由空間において、前記手法に
よりプローブ１を縦方向（Ｚ方向）及び横方向（Ｘ方
向）に励振し、以後測定が完了するまでこれらの励振を
継続する。それらの励振による探針部２の縦方向の振動
の振幅及び横方向の振動の振幅を、それぞれ図５中に垂
直の矢印５１及び水平の矢印５２で示す。また、理解を
容易にするため、図５には、前記矢印５１，５２を軸と
した楕円５３も示している。探針部２は自由空間におい
て振動しているため、その縦方向の振幅５１及び横方向
の振幅５２は共に比較的大きい。

【００７０】次に、前記ステップＳ２によって、探針部
２をＺ方向の矢印５４の方向に動かし、探針部２を試料
１００に近づける。すると、探針部２には試料１００か
らのファンデルワールス力が作用し始める。探針部２が
近づく試料１００の箇所がＸＹ平面と略平行であるとす
ると、縦方向の振幅はファンデルワールス力の周期的な
変化によるプローブ１の共振周波数の変化により、横方
向の振幅はファンデルワールス力がシェアーフォースと
して働くためのダンピングにより、それぞれ減少する。
その減少により、縦方向の振幅が予め決められた目標値
となったところで、探針部２の試料１への接近を止め
る。この状態が前記ステップＳ２が終了して試料観察の
準備が整った状態である。このときの縦方向の振幅の目
標値及び横方向の振幅の目標値を、円５５として示す。
なお、図５に示す例では、探針部２の試料１への接近が
終了したとき縦方向の振幅が予め決められた目標値とな
ったものとしている。

【００７１】次に、前記ステップＳ３により、測定開始
時（時点ｔ＝０）において、予め決めておいた長さの水
平方向（Ｘ方向）の探針駆動ベクトル５６の指示する地
点に探針部２を駆動する。この地点に探針部２が移動し
た時点が時点ｔ＝１である。時点ｔ＝１において、探針
部２と試料１００との相対距離は時点ｔ＝０の時と変わ
らないため、縦横振幅共に目標値からの差はない。その
ため、時点ｔ＝１のときの探針部２の縦横方向の振幅を
示す円５７は、時点ｔ＝０のときの円５５と同じ大きさ
である。したがって、前記ステップＳ４，Ｓ５により求
められた新たな探針駆動ベクトルは前記探針駆動ベクト
ル５６と同じになり、この探針駆動ベクトル５６が新た
な探針駆動ベクトルとして前記ステップＳ６によりＤＳ
Ｐ２６内のメモリに記憶される。

【００７２】そして、前記ステップＳ３により、再び探
針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２を駆動す
る。時点ｔ＝２の時より、探針部２と試料１００の表面
の凸部の側壁との間の相対距離が狭くなる。すると、試
料側壁からのファンデルワールス力がカンチレバー部３
のねじれ振動の共振周波数を変化させ、探針部２の横方
向の振動の振幅が減少する。また、前記ファンデルワー
ルス力が探針部２の縦方向の振動に対してもダンピング
をかけるため、縦方向の振動の振幅も多少減少する。そ
のため、時点ｔ＝２において縦方向及び横方向の振動の
振幅がそれぞれ各目標値から小さくなり、時点ｔ＝２の
ときの探針部２の縦横方向の振幅を示す楕円５８は、ｔ
＝０のときの円５５及びｔ＝１のときの円５７より小さ
くなる。そのため、時点ｔ＝２において、前記ステップ
Ｓ４で求めた縦方向の振幅の偏差ΔＡｖ及び横方向の振
幅の偏差はΔＡｈは、ゼロでなくある値をとる。このた
め、時点ｔ＝２において前記ステップＳ５で求めたサー
ボ角θはゼロではなくそれらの偏差ΔＡｖ，ΔＡｈに応
じたある値をとり、時点ｔ＝２において前記ステップＳ
５で求めた探針駆動ベクトル５６は、時点ｔ＝１で求め
られた探針駆動ベクトル５６に対して当該サーボ角θだ
け回転したものとなる。前記ステップＳ５でこの新たに
求められた探針駆動ベクトル５６は、前記ステップＳ６
によりＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【００７３】次に、前記ステップＳ３により、新しく得
られた探針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２
を駆動する。時点ｔ＝３において、依然として探針部２
と試料側壁との相対距離が近いため、試料側壁からのフ
ァンデルワールス力が探針部２の先端に強く作用する。
そのため、探針部２の縦方向の振幅及び横方向の振幅
は、共に各目標値（円５５）より小さい。前記ステップ
Ｓ４によりそれらの偏差ΔＡｖ，ΔＡｈを算出し、前記
ステップＳ５により、それらの偏差ΔＡｖ，ΔＡｈに応
じたサーボ角θを決定し、時点ｔ＝２で求められた探針
駆動ベクトル５６に対して当該サーボ角θだけ回転し
て、時点ｔ＝３における新たな探針駆動ベクトル５６を
決定する。前記ステップＳ５でこの新たに求められた探
針駆動ベクトル５６は、前記ステップＳ６によりＤＳＰ
２６内のメモリに記憶される。

【００７４】次に、前記ステップＳ３により、新しく得
られた探針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２
を駆動する。時点ｔ＝４において、探針部２の先端と試
料側壁との相対距離は増加し、探針部２の先端に強く作
用していたファンデルワールス力は弱くなり、探針部２
の振幅は縦横共に目標値（円２５）より大きくなる。前
記ステップＳ４によりそれらの偏差ΔＡｖ，ΔＡｈを算
出し、前記ステップＳ５により、それらの偏差ΔＡｖ，
ΔＡｈに応じたサーボ角θを決定する。このとき、偏差
ΔＡｖ，ΔＡｈの符号は時点ｔ＝３のときと異なるた
め、サーボ角θはマイナスとなる。前記ステップＳ５に
おいて、サーボ角θは今までのものに対して反対の符号
を有したものなので、今までとは角度変化の方向が反対
に回転させられる。したがって、新たな探針駆動ベクト
ル５６は時計回りに回転する。前記ステップＳ５でこの
新たに求められた探針駆動ベクトル５６は、前記ステッ
プＳ６によりＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【００７５】次に、前記ステップＳ３により、新しく得
られた探針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２
を駆動する。ｔ＝４において新たに得られた探針駆動ベ
クトル５６が前述したように時計回りに回転したもので
あるため、時点ｔ＝５においては、探針部２の先端は再
び試料１００に接近し、探針部２と試料１００との間の
距離はほぼ理想状態となる。理想状態となると、探針部
２の振幅の目標値（円２５）との偏差が少なくなり、探
針駆動ベクトル５６の向きは大きく変化しない。

【００７６】このように順次探針部２の縦横の振幅の偏
差ΔＡｖ，ΔＡｈから、サーボ角θを決定し、探針駆動
ベクトル５６に作用させて行くことにより、試料１００
の表面の凸部又は凹部の側壁部も正確にトレースするこ
とができる。

【００７７】以上説明したように、本実施の形態では、
従来の走査型プローブ顕微鏡と異なり、試料１００と探
針部２との間の相互作用の変化を試料表面と垂直な縦方
向（Ｚ方向）にのみフィードバックするのではなく、試
料１００と探針部２との間の相互作用の変化をＸＺ平面
と平行な面内における探針部２の移動方向にフィードバ
ックしている。このため、本実施の形態によれば、試料
表面の凸部又は凹部の急峻な側壁においてもデータ数を
多くすることができるとともに、急峻な側壁に対し探針
部２がそれを乗り越える場合であっても探針部２のフィ
ードバックを安定させることができて探針部２が試料表
面を正確にトレースできることとなる。したがって、試
料表面の凸部又は凹部の側面等に関しても、高精度な測
定を行うことができる。

【００７８】また、本実施の形態では、探針部２に縦横
両方向の励振を重畳させているので、探針部と試料１０
０との相対的距離の変化を、縦横方向共に瞬時に、高感
度に検出できる。さらに、本実施の形態では、相対距離
の変化による探針部２の振幅の変化が急激に起こったと
しても、その偏差ΔＡｖ，ΔＡｈにゲインＧｖ，Ｇｈを
掛けた項をアークタンジェントでサーボ角θを求めてい
るため、サーボ角θはプラス、マイナス９０°を超える
ことがないように設定している。それは、探針部２が逆
戻りするようなことがなく、探針部２の移動制御を安定
させる上で好ましい。アークタンジェントにより角度の
補正量θを求めると、θが＋−９０゜以下となり、探針
が逆戻りしないという利点があるが、観察対象の表面が
非常に急峻な凹凸をもつ場合、補正量θを＋−１８０゜
にまで広げた方がより試料表面を正確にトレースできる
場合、前記アークタンジェントを使って求めたθに所定
数、この場合１から２の数を掛けると、得られる補正量
θは＋−１８０゜以内となる。

【００７９】なお、本実施の形態では、前述したよう
に、探針駆動ベクトルの長さ（１ステップの駆動により
移動させる距離）は常に一定とし、その方向のみを制御
することとしているが、本発明では、必要に応じて、探
針駆動ベクトルの長さも制御してもよい。この場合、例
えば、前記ステップＳ５において新たな探針駆動ベクト
ルを決定する際に、前記偏差ΔＡｖ，ΔＡｈが大きい場
合には探針駆動ベクトルの長さを短くし、前記偏差ΔＡ
ｖ，ΔＡｈが小さい場合には探針駆動ベクトルの長さを
長くすれば、試料表面の形状変化の大きい箇所ではデー
タ数を多くするとともに形状変化の小さい箇所ではデー
タ数を小さくすることができ、測定の高精度化と測定の
高速化やメモリ容量の低減化との両立を図ることができ
る。また、本実施の形態ではアークタンジェントを使っ
て補正量θを求めたが、偏差にある値を掛けた値をその
まま補正量θとしてもよい。この場合、アークタンジェ
ントを計算する時間が必要なくなり、より高速に探針に
フィードバックをかけることができる。ただし、偏差が
大きいと、補正量θが９０゜以上となり、探針が逆戻り
してしまったり、１８０゜以上となり、フィードバック
が意味を成さなくなってしまう場合が起こり得る。この
場合、偏差が所定の量以上となった場合、所定量以上を
切り捨て、所定量に補正量θをまるめる。

【００８０】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、図
６を参照して説明する。

【００８１】なお、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第１の実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡の一部を変形したものであるので、以下の説明に
おいては、図１乃至図４も参照する。

【００８２】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する
点のみである。

【００８３】本実施の形態では、従来の非接触モードの
原子間力顕微鏡のように、探針部２を縦方向（Ｚ方向）
にのみ振動させる。したがって、本実施の形態では、図
１中のロックインアンプ２１、Ａ／Ｄ変換器２３及び発
振回路２５は不要となり、また、図１中の４分割フォト
ダイオード１８に代えて２分割フォトディテクタを用い
ることができ、図２中の振動子１５に代えて単なる支持
ブロックを用いることができる。

【００８４】本実施の形態では、探針部２を縦方向にの
み振動させることに応じて、ＤＳＰ２６は次のように動
作する。

【００８５】すなわち、本実施の形態では、ＤＳＰ２６
は、発振回路２４を介して振動子１４を作動させつつ、
各Ｙ方向位置におけるＸＺ平面と平行な各面内におい
て、当該面内の方向であって、前記縦方向（Ｚ方向）の
振動の振幅が一定となるような方向に、プローブ１が移
動するように、Ａ／Ｄ変換器２２からの縦方向の振動の
振幅の検出値に基づいて、Ｄ／Ａ変換器２９，３０，３
１及び駆動回路３２を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電駆動
部材１０，１１，８にそれぞれ駆動信号を与え、プロー
ブ１の試料表面に対する相対的な移動を制御する。すな
わち、Ａ／Ｄ変換器２２からの縦方向の振動の振幅の検
出値は、ＤＳＰ２６により絶えず探針部２のＸＺ平面と
平行な面内における移動方向にフィードバックされる。

【００８６】ここで、このようなＤＳＰ２６の動作の一
具体例について、説明する。このＤＳＰ２６の動作の基
本的な流れは、前記第１の実施の形態におけるＤＳＰ２
６の動作の基本的な流れと同様であるので、再び図４を
参照することとする。

【００８７】まず、ＤＳＰ２６は、オートチューニング
動作を行う（ステップＳ１）。すなわち、ＤＳＰ２６
は、発振回路２４を作動させてその励振周波数を変化さ
せつつ、Ａ／Ｄ変換器２２からの信号を得、このデータ
に基づいて以後の動作において使用する励振周波数を自
動的に決定する。

【００８８】本実施の形態では、以後の動作において
は、ＤＳＰ２６は、この決定した励振周波数で発振回路
２４を作動させ続ける。

【００８９】次に、ＤＳＰ２６は、予め定めたＹ方向位
置及びＸ方向位置において、探針部２が試料表面から十
分に離れたＺ方向位置からＺ方向に移動して試料に近接
していくように、駆動指令を発生してプローブ１をＺ方
向に移動させていく。そして、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変
換器２２からの縦方向の振動の振幅の検出値が所定の目
標値になったときに、駆動指令を停止し、探針部２の試
料への接近を止める（ステップＳ２）。

【００９０】以上のステップＳ１，Ｓ２がいわば測定の
準備段階である。

【００９１】その後、ＤＳＰ２６は、現時点で得られて
いる最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生
し、当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ１ひいては
探針部２を移動させる（ステップＳ３）。このステップ
Ｓ３の動作は、前記第１の実施の形態におけるステップ
Ｓ３の動作と同一である。

【００９２】次に、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変換器２２か
ら縦方向の振動の振幅の検出値を取り込み、縦方向の振
動の振幅の検出値とその振幅の所定の目標値との偏差Δ
Ａｖを算出する（ステップＳ４）。

【００９３】その後、ＤＳＰ２６は、ステップＳ４で算
出した偏差ΔＡｖに基づいて、新たな探針駆動ベクトル
を下記の数３及び前述した数２による演算により決定す
る（ステップＳ５）。

【００９４】すなわち、ＤＳＰ２６は、ステップＳ５に
おいて、まず、下記の数３によって、前記偏差ΔＡｖか
ら、サーボ角（すなわち、プローブ１ひいては探針部２
のＸＺ平面と平行な当該面内の移動方向の補正量）θを
求める。つまり、前記偏差ΔＡｖに所定のゲイン（所定
係数）Ｇｖを乗算した値のアークタンジェントにより求
めた角度を、サーボ角θとする。

【００９５】

【数３】

【００９６】ＤＳＰ２６は、ステップＳ５において、次
に、前述した数２によって、ベクトルの回転の行列を計
算することにより、現時点で得られている最新の探針駆
動ベクトルを前記サーボ角θだけ回転して新たな探針駆
動ベクトルを求める。

【００９７】ステップＳ５の後に、ＤＳＰ２６は、ステ
ップＳ５で決定された新たな探針駆動ベクトルを、当該
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶する（ステップＳ６）。

【００９８】ステップＳ６が終了すると、ステップＳ３
に戻り、ステップＳ３〜Ｓ６の動作を繰り返す。

【００９９】図４においては省略しているが、ステップ
Ｓ３〜Ｓ６を繰り返すことにより、探針部２がＸ方向の
所定の位置まで到達すると（すなわち、探針がＸ方向の
所定の範囲をトレースすると）、ＤＳＰ２６は、プロー
ブ１をＹ方向に所定距離移動させる移動指令を発生し、
その後、当該Ｙ方向位置におけるＸＺ平面内において、
ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し、これらの動作を繰り返
してＸＹ平面における所定の２次元の範囲について探針
部２を移動させる。これにより、測定が完了する。この
ように、本実施の形態では、各Ｙ方向位置においてステ
ップＳ３〜６を繰り返すが、場合によっては、１つのＹ
方向位置においてのみステップＳ３〜Ｓ６を繰り返すだ
けでもよい。

【０１００】以上の説明からわかるように、ステップＳ
６において順次記憶された探針駆動ベクトルは試料形状
を反映するものであり、Ｙ方向位置と関連付けられてパ
ーソナルコンピュータ２７に取り込まれ、表示装置２８
により画像表示される。

【０１０１】次に、図４を参照して説明したＤＳＰ２６
動作に従った探針部２の制御の具体的な様子の一例とそ
の物理的な意味について、図６を参照して説明する。図
６は、本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡におけ
る探針部２の制御の様子を模式的に示す図である。

【０１０２】前記ステップＳ１の動作が終了した後、試
料１００から遠く離れた自由空間において、前記手法に
よりプローブ１を縦方向（Ｚ方向）に励振し、以後測定
が完了するまでこの励振を継続する。その励振による探
針部２の縦方向の振動の振幅を、図６中に垂直の矢印５
１で示す。探針部２は自由空間において振動しているた
め、その縦方向の振幅５１は比較的大きい。

【０１０３】次に、前記ステップＳ２によって、探針部
２をＺ方向の矢印５４の方向に動かし、探針部２を試料
１００に近づける。すると、探針部２には試料１００か
らのファンデルワールス力が作用し始める。探針部２が
近づく試料１００の箇所がＸＹ平面と略平行であるとす
ると、縦方向の振幅は、ファンデルワールス力の周期的
な変化によるプローブ１の共振周波数の変化により、減
少する。その減少により、縦方向の振幅が予め決められ
た目標値となったところで、探針部２の試料１００への
接近を止める。この状態が前記ステップＳ２が終了して
試料観察の準備が整った状態である。このときの縦方向
の振幅の目標値を、矢印５５として示す。

【０１０４】次に、前記ステップＳ３により、測定開始
時（時点ｔ＝０）において、予め決めておいた長さの水
平方向（Ｘ方向）の探針駆動ベクトル５６の指示する地
点に探針部２を駆動する。この地点に探針部２が移動し
た時点が時点ｔ＝１である。時点ｔ＝１において、探針
部２と試料１００との相対距離は時点ｔ＝０の時と変わ
らないため、縦方向の振幅は目標値からの差はない。そ
のため、時点ｔ＝１のときの探針部２の縦方向の振幅を
示す矢印５７は、時点ｔ＝０のときの矢印５５と同じ大
きさである。したがって、前記ステップＳ４，Ｓ５によ
り求められた新たな探針駆動ベクトルは前記探針駆動ベ
クトル５６と同じになり、この探針駆動ベクトル５６が
新たな探針駆動ベクトルとして前記ステップＳ６により
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【０１０５】そして、前記ステップＳ３により、再び探
針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２を駆動す
る。時点ｔ＝２において、探針部２と試料１００の表面
の凸部の側壁との間の相対距離が狭くなる。すると、試
料側壁からのファンデルワールス力が探針部２の縦方向
の振動に対してダンピングを与えるため、縦方向の振動
の振幅が減少する。そのため、時点ｔ＝２において縦方
向の振動の振幅が目標値から小さくなり、時点ｔ＝２の
ときの探針部２の縦方向の振幅を示す矢印５８は、ｔ＝
０のときの矢印５５及びｔ＝１のときの矢印５７より小
さくなる。そのため、時点ｔ＝２において、前記ステッ
プＳ４で求めた縦方向の振幅の偏差ΔＡｖは、ゼロでな
くある値をとる。このため、時点ｔ＝２において前記ス
テップＳ５で求めたサーボ角θはゼロではなくその偏差
ΔＡｖに応じたある値をとり、時点ｔ＝２において前記
ステップＳ５で求めた探針駆動ベクトル５６は、時点ｔ
＝１で求められた探針駆動ベクトル５６に対して当該サ
ーボ角θだけ回転したものとなる。前記ステップＳ５で
この新たに求められた探針駆動ベクトル５６は、前記ス
テップＳ６によりＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【０１０６】次に、前記ステップＳ３により、新しく得
られた探針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２
を駆動する。この地点に探針部２が移動した時点が時点
ｔ＝３である。

【０１０７】このように順次探針部２の縦方向の振動の
振幅の偏差ΔＡｖから、サーボ角θを決定し、探針駆動
ベクトル５６に作用させて行くことにより、試料１００
の表面の凸部又は凹部の側壁部も正確にトレースするこ
とができる。

【０１０８】以上説明したように、本実施の形態におい
ても、試料１００と探針部２との間の相互作用の変化を
ＸＺ平面と平行な面内における探針部２の移動方向にフ
ィードバックしている。このため、本実施の形態によっ
ても、試料表面の凸部又は凹部の側面等に関しても、デ
ータの数を多くすることができるとともに、探針部２を
試料表面に対して両者に作用する相互作用に応じて正確
にトレースさせることができ、高精度な測定を行うこと
ができる。

【０１０９】また、本実施の形態では、探針部を縦方向
のみに励振しているが、試料１００の側壁からのファン
デルワールス力によるダンピングも検出できるため、試
料１００の底面との相対距離のみならず、側壁との相対
距離も検出することができる。さらに、本実施の形態に
おいても、検出された振幅の変化からは、やはりアーク
タンジェントによりサーボ角θが決められているため、
探針が逆戻りするようなことがなく、探針部２の移動制
御を安定させる上で好ましい。

【０１１０】なお、本実施の形態においても、探針駆動
ベクトルの長さ（１ステップの駆動により移動させる距
離）は常に一定とし、その方向のみを制御することとし
ているが、必要に応じて、探針駆動ベクトルの長さも制
御してもよい。

【０１１１】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、図
７を参照して説明する。

【０１１２】なお、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第１の実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡の一部を変形したものであるので、以下の説明に
おいては、図１乃至図４も参照する。

【０１１３】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する
点のみである。

【０１１４】本実施の形態では、探針部２を横方向（Ｘ
方向）にのみ振動させる。したがって、本実施の形態で
は、図１中のロックインアンプ２０、Ａ／Ｄ変換器２２
及び発振回路２４は不要となり、また、図１中の４分割
フォトダイオード１８に代えて２分割フォトディテクタ
を用いることができ、図２中の振動子１４に代えて単な
る支持ブロックを用いることができる。

【０１１５】本実施の形態では、探針部２を横方向にの
み振動させることに応じて、ＤＳＰ２６は次のように動
作する。

【０１１６】すなわち、本実施の形態では、ＤＳＰ２６
は、発振回路２５を介して振動子１５を作動させつつ、
各Ｙ方向位置におけるＸＺ平面と平行な各面内におい
て、当該面内の方向であって、前記横方向（Ｘ方向）の
振動の振幅が一定となるような方向に、プローブ１が移
動するように、Ａ／Ｄ変換器２３からの横方向の振動の
振幅の検出値に基づいて、Ｄ／Ａ変換器２９，３０，３
１及び駆動回路３２を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電駆動
部材１０，１１，８にそれぞれ駆動信号を与え、プロー
ブ１の試料表面に対する相対的な移動を制御する。すな
わち、Ａ／Ｄ変換器２３からの横方向の振動の振幅の検
出値は、ＤＳＰ２６により絶えず探針部２のＸＺ平面と
平行な面内における移動方向にフィードバックされる。

【０１１７】ここで、このようなＤＳＰ２６の動作の一
具体例について、説明する。このＤＳＰ２６の動作の基
本的な流れは、前記第１の実施の形態におけるＤＳＰ２
６の動作の基本的な流れと同様であるので、再び図４を
参照することとする。

【０１１８】まず、ＤＳＰ２６は、オートチューニング
動作を行う（ステップＳ１）。すなわち、ＤＳＰ２６
は、発振回路２５を作動させてその励振周波数を変化さ
せつつ、Ａ／Ｄ変換器２３からの信号を得、このデータ
に基づいて以後の動作において使用する励振周波数を自
動的に決定する。

【０１１９】本実施の形態では、以後の動作において
は、ＤＳＰ２６は、この決定した励振周波数で発振回路
２５を作動させ続ける。

【０１２０】次に、ＤＳＰ２６は、予め定めたＹ方向位
置及びＸ方向位置において、探針部２が試料表面から十
分に離れたＺ方向位置からＺ方向に移動して試料に近接
していくように、駆動指令を発生してプローブ１をＺ方
向に移動させていく。そして、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変
換器２３からの横方向の振動の振幅の検出値が所定の目
標値になったときに、駆動指令を停止し、探針部２の試
料への接近を止める（ステップＳ２）。

【０１２１】以上のステップＳ１，Ｓ２がいわば測定の
準備段階である。

【０１２２】その後、ＤＳＰ２６は、現時点で得られて
いる最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生
し、当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ１ひいては
探針部２を移動させる（ステップＳ３）。このステップ
Ｓ３の動作は、前記第１の実施の形態におけるステップ
Ｓ３の動作と同一である。

【０１２３】次に、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変換器２３か
ら横方向の振動の振幅の検出値を取り込み、横方向の振
動の振幅の検出値とその振幅の所定の目標値との偏差Δ
Ａｈを算出する（ステップＳ４）。

【０１２４】その後、ＤＳＰ２６は、ステップＳ４で算
出した偏差ΔＡｈに基づいて、新たな探針駆動ベクトル
を下記の数４及び前述した数２による演算により決定す
る（ステップＳ５）。

【０１２５】すなわち、ＤＳＰ２６は、ステップＳ５に
おいて、まず、下記の数４によって、前記偏差ΔＡｈか
ら、サーボ角（すなわち、プローブ１ひいては探針部２
のＸＺ平面と平行な当該面内の移動方向の補正量）θを
求める。つまり、前記偏差ΔＡｈに所定のゲイン（所定
係数）Ｇｈを乗算した値のアークタンジェントにより求
めた角度を、サーボ角θとする。

【０１２６】

【数４】

【０１２７】ＤＳＰ２６は、ステップＳ５において、次
に、前述した数２によって、ベクトルの回転の行列を計
算することにより、現時点で得られている最新の探針駆
動ベクトルを前記サーボ角θだけ回転して新たな探針駆
動ベクトルを求める。

【０１２８】ステップＳ５の後に、ＤＳＰ２６は、ステ
ップＳ５で決定された新たな探針駆動ベクトルを、当該
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶する（ステップＳ６）。

【０１２９】ステップＳ６が終了すると、ステップＳ３
に戻り、ステップＳ３〜Ｓ６の動作を繰り返す。

【０１３０】図４においては省略しているが、ステップ
Ｓ３〜Ｓ６を繰り返すことにより、探針部２がＸ方向の
所定の位置まで到達すると（すなわち、探針がＸ方向の
所定の範囲をトレースすると）、ＤＳＰ２６は、プロー
ブ１をＹ方向に所定距離移動させる移動指令を発生し、
その後、当該Ｙ方向位置におけるＸＺ平面内において、
ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し、これらの動作を繰り返
してＸＹ平面における所定の２次元の範囲について探針
部２を移動させる。これにより、測定が完了する。この
ように、本実施の形態では、各Ｙ方向位置においてステ
ップＳ３〜６を繰り返すが、場合によっては、１つのＹ
方向位置においてのみステップＳ３〜Ｓ６を繰り返すだ
けでもよい。

【０１３１】以上の説明からわかるように、ステップＳ
６において順次記憶された探針駆動ベクトルは試料形状
を反映するものであり、Ｙ方向位置と関連付けられてパ
ーソナルコンピュータ２７に取り込まれ、表示装置２８
により画像表示される。

【０１３２】次に、図４を参照して説明したＤＳＰ２６
動作に従った探針部２の制御の具体的な様子の一例とそ
の物理的な意味について、図７を参照して説明する。図
７は、本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡におけ
る探針部２の制御の様子を模式的に示す図である。

【０１３３】前記ステップＳ１の動作が終了した後、試
料１００から遠く離れた自由空間において、前記手法に
よりプローブ１を横方向（Ｘ方向）に励振し、以後測定
が完了するまでこの励振を継続する。その励振による探
針部２の横方向の振動の振幅を、図７中に水平の矢印５
２で示す。探針部２は自由空間において振動しているた
め、その縦方向の振幅５２は比較的大きい。

【０１３４】次に、前記ステップＳ２によって、探針部
２をＺ方向の矢印５４の方向に動かし、探針部２を試料
１００に近づける。すると、探針部２には試料１００か
らのファンデルワールス力が作用し始める。探針部２が
近づく試料１００の箇所がＸＹ平面と略平行であるとす
ると、横方向の振幅は、ファンデルワールス力がシェア
ーフォースとして働くためのダンピングにより、減少す
る。その減少により、横方向の振幅が予め決められた目
標値となったところで、探針部２の試料１００への接近
を止める。この状態が前記ステップＳ２が終了して試料
観察の準備が整った状態である。このときの横方向の振
幅の目標値を、矢印５５として示す。

【０１３５】次に、前記ステップＳ３により、測定開始
時（時点ｔ＝０）において、予め決めておいた長さの水
平方向（Ｘ方向）の探針駆動ベクトル５６の指示する地
点に探針部２を移動する。この地点に探針部２が移動し
た時点が時点ｔ＝１である。時点ｔ＝１において、探針
部２と試料１００との相対距離は時点ｔ＝０の時と変わ
らないため、横方向の振幅は目標値からの差はない。そ
のため、時点ｔ＝１のときの探針部２の横方向の振幅を
示す矢印５７は、時点ｔ＝０のときの矢印５５と同じ大
きさである。したがって、前記ステップＳ４，Ｓ５によ
り求められた新たな探針駆動ベクトルは前記探針駆動ベ
クトル５６と同じになり、この探針駆動ベクトル５６が
新たな探針駆動ベクトルとして前記ステップＳ６により
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【０１３６】そして、前記ステップＳ３により、再び探
針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２を駆動す
る。時点ｔ＝２において、探針部２と試料１００の表面
の凸部の側壁との間の相対距離が狭くなる。すると、試
料側壁からのファンデルワールス力が横方向の振動して
いる探針部２に周期的に作用するため、カンチレバー部
３のねじれ共振周波数が変化し、横方向の振動の振幅が
減少する。そのため、時点ｔ＝２において横方向の振動
の振幅が目標値から小さくなり、時点ｔ＝２のときの探
針部２の横方向の振幅を示す矢印５８は、ｔ＝０のとき
の矢印５５及びｔ＝１のときの矢印５７より小さくな
る。そのため、時点ｔ＝２において、前記ステップＳ４
で求めた横方向の振幅の偏差ΔＡｈは、ゼロでなくある
値をとる。このため、時点ｔ＝２において前記ステップ
Ｓ５で求めたサーボ角θはゼロではなくその偏差ΔＡｈ
に応じたある値をとり、時点ｔ＝２において前記ステッ
プＳ５で求めた探針駆動ベクトル５６は、時点ｔ＝１で
求められた探針駆動ベクトル５６に対して当該サーボ角
θだけ回転したものとなる。前記ステップＳ５でこの新
たに求められた探針駆動ベクトル５６は、前記ステップ
Ｓ６によりＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【０１３７】次に、前記ステップＳ３により、新しく得
られた探針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２
を駆動する。この地点に探針部２が移動した時点が時点
ｔ＝３である。

【０１３８】このように順次探針部２の横方向の振動の
振幅の偏差ΔＡｈから、サーボ角θを決定し、探針駆動
ベクトル５６に作用させて行くことにより、試料１００
の表面の凸部又は凹部の側壁部も正確にトレースするこ
とができる。

【０１３９】以上説明したように、本実施の形態におい
ても、試料１００と探針部２との間の相互作用の変化を
ＸＺ平面と平行な面内における探針部２の移動方向にフ
ィードバックしている。このため、本実施の形態によっ
ても、試料表面の凸部又は凹部の側面等に関しても、デ
ータの数を多くすることができるとともに、探針部２を
試料表面に対して両者に作用する相互作用に応じて正確
にトレースさせることができ、高精度な測定を行うこと
ができる。

【０１４０】また、本実施の形態では、探針部を横方向
のみに励振しているが、試料１００の側壁からのファン
デルワールス力によるダンピングも検出できるため、試
料１００の側壁との相対距離のみならず、底面との相対
距離も検出することができる。さらに、本実施の形態に
おいても、検出された振幅の変化からは、やはりアーク
タンジェントによりサーボ角θが決められているため、
探針が逆戻りするようなことがなく、探針部２の移動制
御を安定させる上で好ましい。

【０１４１】なお、本実施の形態においても、探針駆動
ベクトルの長さ（１ステップの駆動により移動させる距
離）は常に一定とし、その方向のみを制御することとし
ているが、必要に応じて、探針駆動ベクトルの長さも制
御してもよい。

【０１４２】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、図
８及び図９を参照して説明する。

【０１４３】なお、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第１の実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡の一部を変形したものであるので、以下の説明に
おいては、図１乃至図３も参照する。

【０１４４】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
が前記第１の実施の形態と異なる所は、以下に説明する
点のみである。

【０１４５】本実施の形態では、探針部２に励起する縦
方向の励振と横方向の励振とを、同時には行わず、探針
部２と試料との相対関係により使い分ける。

【０１４６】このため、本実施の形態では、ＤＳＰ２６
は、第１の制御モードと第２の制御モードとを切り替え
て行う。

【０１４７】ＤＳＰ２６は、前記第１の制御モードで
は、発振回路２４を介して振動子１４を作動させるとと
もに発振回路２５を介して振動子１５の作動を停止させ
つつ、各Ｙ方向位置におけるＸＺ平面と平行な各面内に
おいて、当該面内の方向であって、前記縦方向（Ｚ方
向）の振動の振幅が一定となるような方向に、プローブ
１が移動するように、Ａ／Ｄ変換器２２からの縦方向の
振動の振幅の検出値に基づいて、Ｄ／Ａ変換器２９，３
０，３１及び駆動回路３２を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧
電駆動部材１０，１１，８にそれぞれ駆動信号を与え、
プローブ１の試料表面に対する相対的な移動を制御す
る。すなわち、第１の制御モードでは、Ａ／Ｄ変換器２
２からの縦方向の振動の振幅の検出値は、ＤＳＰ２６に
より絶えず探針部２のＸＺ平面と平行な面内における移
動方向にフィードバックされる。

【０１４８】一方、ＤＳＰ２６は、前記第２の制御モー
ドでは、発振回路２４を介して振動子１４の作動を停止
させるとともに発振回路２５を介して振動子１５を作動
させつつ、当該面内において、当該面内の方向であっ
て、前記横方向（Ｘ方向）の振動の振幅が一定となるよ
うな方向に、プローブ１が移動するように、Ａ／Ｄ変換
器２３からの横方向の振動の振幅の検出値に基づいて、
Ｄ／Ａ変換器２９，３０，３１及び駆動回路３２を介し
てＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電駆動部材１０，１１，８にそれ
ぞれ駆動信号を与え、プローブ１の試料表面に対する相
対的な移動を制御する。すなわち、第２の制御モードで
は、Ａ／Ｄ変換器２３からの縦方向の振動の振幅の検出
値は、ＤＳＰ２６により絶えず探針部２のＸＺ平面と平
行な面内における移動方向にフィードバックされる。

【０１４９】そして、ＤＳＰ２６は、プローブ１ひいて
は探針部２の移動指令方向がＸ方向に対してなす角度の
絶対値が所定角度（本実施の形態では、４５゜）より小
さくなる場合には前記第１の制御モードを行い、プロー
ブ１ひいては探針部２の移動指令方向がＸ方向に対して
なす角度の絶対値が所定角度（本実施の形態では、４５
゜）より大きくなる場合には前記第２の制御モードを行
う。

【０１５０】ここで、このようなＤＳＰ２６の動作の一
具体例について、図８を参照して説明する。図８は、本
実施の形態におけるＤＳＰ２６の動作の一例を示す概略
フローチャートである。

【０１５１】まず、ＤＳＰ２６は、オートチューニング
動作を行う（ステップＳ１１）。すなわち、ＤＳＰ２６
は、発振回路２４，２５をそれぞれ同時又は順次に作動
させてその各励振周波数を変化させつつ、Ａ／Ｄ変換器
２２，２３からの信号を得、このデータに基づいて以後
の動作において使用する各励振周波数を自動的に決定す
る。

【０１５２】次に、ＤＳＰ２６は、発振回路２４（した
がって、振動子１４）を作動させるとともに発振回路２
５（したがって、振動子１５）の作動を停止させつつ、
予め定めたＹ方向位置及びＸ方向位置において、探針部
２が試料表面から十分に離れたＺ方向位置からＺ方向に
移動して試料に近接していくように、駆動指令を発生し
てプローブ１をＺ方向に移動させていく。そして、ＤＳ
Ｐ２６は、Ａ／Ｄ変換器２２からの縦方向の振動の振幅
の検出値が所定の目標値になったときに、駆動指令を停
止し、探針部２の試料への接近を止める（ステップＳ１
２）。

【０１５３】以上のステップＳ１１，Ｓ１２がいわば測
定の準備段階である。

【０１５４】その後、ＤＳＰ２６は、発振回路２４を作
動させるとともに発振回路２５の作動を停止させる（ス
テップＳ１３）。ステップＳ１３以後は、後述するステ
ップＳ１９に至るまで、発振回路２４を作動させるとと
もに発振回路２５の作動を停止させる状態が継続され
る。

【０１５５】次に、ＤＳＰ２６は、現時点で得られてい
る最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生し、
当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ１ひいては探針
部２を移動させる（ステップＳ１４）。このステップＳ
１４の動作は、前記第１の実施の形態におけるステップ
Ｓ３の動作と同一である。

【０１５６】次に、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変換器２２か
ら縦方向の振動の振幅の検出値を取り込み、縦方向の振
動の振幅の検出値とその振幅の所定の目標値との偏差Δ
Ａｖを算出する（ステップＳ１５）。

【０１５７】その後、ＤＳＰ２６は、ステップＳ４で算
出した偏差ΔＡｖに基づいて、新たな探針駆動ベクトル
を前述した数３及び前述した数２による演算により決定
する（ステップＳ１６）。

【０１５８】すなわち、ＤＳＰ２６は、ステップＳ１６
において、まず、前述した数３によって、前記偏差ΔＡ
ｖから、サーボ角（すなわち、プローブ１ひいては探針
部２のＸＺ平面と平行な当該面内の移動方向の補正量）
θを求める。つまり、前記偏差ΔＡｖに所定のゲイン
（所定係数）Ｇｖを乗算した値のアークタンジェントに
より求めた角度を、サーボ角θとする。

【０１５９】ＤＳＰ２６は、ステップＳ１６において、
次に、前述した数２によって、ベクトルの回転の行列を
計算することにより、現時点で得られている最新の探針
駆動ベクトルを前記サーボ角θだけ回転して新たな探針
駆動ベクトルを求める。

【０１６０】ステップＳ１６の後に、ＤＳＰ２６は、ス
テップＳで決定された新たな探針駆動ベクトルを、当該
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶する（ステップＳ６）。

【０１６１】次いで、ＤＳＰ２６は、ステップＳ１６で
決定された探針駆動ベクトルによって定まる駆動指令方
向がＸ方向となす角度θ’が４５゜以下であるか否かを
判定する（ステップＳ１８）。４５゜以下であれば、ス
テップＳ１３に戻り、ステップＳ１３〜ステップＳ１８
の動作を繰り返す。

【０１６２】ステップＳ１８において４５゜以下ではな
い（すなわち、４５゜より大きい）と判定されると、ス
テップＳ１９へ移行する。

【０１６３】ステップＳ１９において、ＤＳＰ２６は、
発振回路２４の作動を停止させるとともに発振回路２５
を作動させる。ステップＳ１９以後は、後述する前記ス
テップＳ１３に至るまで、発振回路２４の作動を停止さ
せるとともに発振回路２５を作動させる状態が継続され
る。

【０１６４】その後、ＤＳＰ２６は、現時点で得られて
いる最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生
し、当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ１ひいては
探針部２を移動させる（ステップＳ２０）。このステッ
プＳ２０の動作は、前記第１の実施の形態におけるステ
ップＳ３の動作と同一である。

【０１６５】次に、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変換器２３か
ら横方向の振動の振幅の検出値を取り込み、横方向の振
動の振幅の検出値とその振幅の所定の目標値との偏差Δ
Ａｈを算出する（ステップＳ２１）。

【０１６６】その後、ＤＳＰ２６は、ステップＳ２１で
算出した偏差ΔＡｈに基づいて、新たな探針駆動ベクト
ルを前述した数４及び前述した数２による演算により決
定する（ステップＳ２２）。

【０１６７】すなわち、ＤＳＰ２６は、ステップＳ２２
において、まず、前述した数４によって、前記偏差ΔＡ
ｈから、サーボ角（すなわち、プローブ１ひいては探針
部２のＸＺ平面と平行な当該面内の移動方向の補正量）
θを求める。つまり、前記偏差ΔＡｈに所定のゲイン
（所定係数）Ｇｈを乗算した値のアークタンジェントに
より求めた角度を、サーボ角θとする。

【０１６８】ＤＳＰ２６は、ステップＳ２２において、
次に、前述した数２によって、ベクトルの回転の行列を
計算することにより、現時点で得られている最新の探針
駆動ベクトルを前記サーボ角θだけ回転して新たな探針
駆動ベクトルを求める。

【０１６９】ステップＳ２２の後に、ＤＳＰ２６は、ス
テップＳ２２で決定された新たな探針駆動ベクトルを、
当該ＤＳＰ２６内のメモリに記憶する（ステップＳ２
３）。

【０１７０】次いで、ＤＳＰ２６は、ステップＳ２２で
決定された探針駆動ベクトルによって定まる駆動指令方
向がＸ方向となす角度θ’が４５゜以下であるか否かを
判定する（ステップＳ２４）。４５゜以下であれば、ス
テップＳ１９に戻り、ステップＳ１９〜ステップＳ２４
の動作を繰り返す。

【０１７１】ステップＳ１８において４５゜以下ではな
い（すなわち、４５゜より大きい）と判定されると、ス
テップＳ１３へ戻り、ステップＳ１３〜ステップＳ２４
の動作を繰り返す。

【０１７２】図４においては省略しているが、ステップ
Ｓ１３〜Ｓ２４を繰り返すことにより、探針部２がＸ方
向の所定の位置まで到達すると（すなわち、探針がＸ方
向の所定の範囲をトレースすると）、ＤＳＰ２６は、プ
ローブ１をＹ方向に所定距離移動させる移動指令を発生
し、その後、当該Ｙ方向位置におけるＸＺ平面内におい
て、ステップＳ１３〜Ｓ２４を繰り返し、これらの動作
を繰り返してＸＹ平面における所定の２次元の範囲につ
いて探針部２を移動させる。これにより、測定が完了す
る。このように、本実施の形態では、各Ｙ方向位置にお
いてステップＳ１３〜２４を繰り返すが、場合によって
は、１つのＹ方向位置においてのみステップＳ１３〜Ｓ
２４を繰り返すだけでもよい。

【０１７３】なお、ステップＳ１３〜Ｓ１７が前述した
第１の制御モードに相当し、ステップＳ１９〜ステップ
Ｓ２３が前述した第２の制御モードに相当している。

【０１７４】以上の説明からわかるように、ステップＳ
１７，Ｓ２３において順次記憶された探針駆動ベクトル
は試料形状を反映するものであり、Ｙ方向位置と関連付
けられてパーソナルコンピュータ２７に取り込まれ、表
示装置２８により画像表示される。

【０１７５】次に、図８を参照して説明したＤＳＰ２６
動作に従った探針部２の制御の具体的な様子の一例とそ
の物理的な意味について、図９を参照して説明する。図
９は、本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡におけ
るプローブ１の移動制御の様子を模式的に示す図であ
る。

【０１７６】前記ステップＳ１１の動作が終了した後、
試料観察の準備段階においては、探針部２は試料１００
から高さ方向（Ｚ方向）に遠く離れていると仮定され
る。つまり、試料１００は探針部２の下方向に位置する
と仮定される。そこで、前記ステップＳ１２において、
探針部２と試料１００の存在する方向と平行な方向の振
動である縦方向の振動を探針部２に励起する。この時の
探針部２の振幅を図９中に矢印５１で示す。探針部２は
自由空間において振動しているため、その縦方向の振幅
５１は比較的大きい。

【０１７７】次に、前記ステップＳ１２によって、探針
部２を矢印５４の方向に動かし、探針部２を試料１００
に近づける。すると、探針部２には試料１００からのフ
ァンデルワールス力が作用し始める。縦方向の振幅は、
ファンデルワールス力の主基的な変化によるプローブ１
の共振周波数の変換により、減少する。その減少によ
り、縦方向の振幅が予め決められた目標値となったとこ
ろで、探針部２の試料１００への接近を止める。この状
態が前記ステップＳ１２が終了して試料観察の準備が整
った状態である。このときの縦方向の振幅の目標値を、
矢印５５として示す。

【０１７８】次に、前記ステップ１３により、探針部２
を縦方向に振動させるとともに横方向には振動させない
状態が継続される。

【０１７９】次に、前記ステップＳ１４により、測定開
始時（時点ｔ＝０）において、予め決めておいた長さの
水平方向（Ｘ方向）の探針駆動ベクトル５６の指示する
地点に探針部２を駆動する。この地点に探針部２が移動
した時点が時点ｔ＝１である。時点ｔ＝１において、探
針部２と試料１００との相対距離は時点ｔ＝０の時と変
わらないため、縦方向の振幅は目標値からの差はない。
そのため、時点ｔ＝１のときの探針部２の縦方向の振幅
を示す矢印５７は、時点ｔ＝０のときの矢印５５と同じ
大きさである。したがって、前記ステップＳ１５，Ｓ１
６により求められた新たな探針駆動ベクトルは前記探針
駆動ベクトル５６と同じになり、この探針駆動ベクトル
５６が新たな探針駆動ベクトルとして前記ステップＳ１
７によりＤＳＰ２６内のメモリに記憶される。

【０１８０】次に、前記ステップＳ１８によりステップ
Ｓ１６で決定された探針駆動ベクトル２６によって定ま
る駆動指令方向がＸ方向となす角度θ’が４５゜以下で
あるか否かを判定するが、時点ｔ＝１の場合には当該角
度θ’が０゜であるので、前記ステップＳ１３戻る。

【０１８１】そして、前記ステップＳ１３により、再び
探針駆動ベクトル５６の指示する地点に探針部２を駆動
する。時点ｔ＝２において、探針部２と試料１００の表
面の凸部の側壁との間の相対距離が狭くなる。すると、
試料側壁からのファンデルワールス力が探針部２の縦方
向の振動に対してダンピングを与えるため、縦方向の振
動の振幅が減少する。そのため、時点ｔ＝２において縦
方向の振動の振幅が目標値から小さくなり、時点ｔ＝２
のときの探針部２の縦方向の振幅を示す矢印５８は、ｔ
＝０のときの矢印５５及びｔ＝１のときの矢印５７より
小さくなる。そのため、時点ｔ＝２において、前記ステ
ップＳ１４で求めた縦方向の振幅の偏差ΔＡｖは、ゼロ
でなくある値をとる。このため、時点ｔ＝２において前
記ステップＳ５で求めたサーボ角θはゼロではなくその
偏差ΔＡｖに応じたある値をとり、時点ｔ＝２において
前記ステップＳ１６で求めた探針駆動ベクトル５６は、
時点ｔ＝１で求められた探針駆動ベクトル５６に対して
当該サーボ角θだけ回転したものとなる。前記ステップ
Ｓ１６でこの新たに求められた探針駆動ベクトル５６
は、前記ステップＳ１７によりＤＳＰ２６内のメモリに
記憶される。

【０１８２】次に、時点ｔ＝２において前記ステップＳ
１８によりステップＳ１６で決定された探針駆動ベクト
ル２６によって定まる駆動指令方向がＸ方向となす角度
θ’が４５゜以下であるか否かを判定する。４５゜以下
ではない場合、すなわち、時点ｔ＝２において得られた
探針駆動ベクトル２６の方向がＸ方向から４５゜以上回
転された場合、探針部２は試料１００の底面より試料１
００の側面に接近していると考えられる。そこで、この
場合、前記ステップＳ１９により、探針部２を縦方向に
振動させないとともに横方向には振動させる状態とし、
この状態を継続する。次いで、前記ステップＳ２０によ
り、新しく得られた探針駆動ベクトル５６の指示する地
点に探針部２を駆動する。この地点に探針部２が移動し
た時点が時点ｔ＝３である。以後、前述したのと同様の
サーボ動作を繰り返す。

【０１８３】図９に示す例では、時点ｔ＝７において再
び探針駆動ベクトルの向きが水平方向から４５°以下と
なっている。そのため、次の時点ｔ＝８においては、探
針部２は横方向の振動から再び縦方向の振動に切り替え
られている。

【０１８４】以上説明したように、本実施の形態におい
ても、試料１００と探針部２との間の相互作用の変化を
ＸＺ平面と平行な面内における探針部２の移動方向にフ
ィードバックしている。このため、本実施の形態によっ
ても、試料表面の凸部又は凹部の側面等に関しても、デ
ータの数を多くすることができるとともに、探針部２を
試料表面に対して両者に作用する相互作用に応じて正確
にトレースさせることができ、高精度な測定を行うこと
ができる。

【０１８５】そして、前述したように、本実施の形態で
は、探針駆動ベクトルの方向（すなわち、探針部２の移
動指令方向）が４５゜以下の場合（すなわち、探針部２
が試料表面の底面等に接近している場合）には、探針部
２に縦方向の振動のみを励起して縦方向の振動の振幅値
を探針部２の移動方向にフィードバックし、探針駆動ベ
クトルの方向（すなわち、探針部２の移動指令方向）が
４５゜以下の場合（すなわち、探針部２が試料表面の側
面等に接近している場合）には、探針部２に横方向の振
動のみを励起して横方向の振動の振幅値を探針部２の移
動方向にフィードバックしている。したがって、本実施
の形態では、試料表面の凸部又は凹部の底面であっても
側面であっても、従来の非接触モードの原子間力顕微鏡
と同様の相互作用の検出を行うことになり、探針部２が
試料１００のごく狭い領域との相互作用のみを検出する
ことになり、従来の非接触モードの原子間力顕微鏡に匹
敵する高い面分解能を得ることができる。

【０１８６】さらに、本実施の形態においても、検出さ
れた振幅の変化からは、やはりアークタンジェントによ
りサーボ角θが決められているため、探針が逆戻りする
ようなことがなく、探針部２の移動制御を安定させる上
で好ましい。

【０１８７】なお、本実施の形態においても、探針駆動
ベクトルの長さ（１ステップの駆動により移動させる距
離）は常に一定とし、その方向のみを制御することとし
ているが、必要に応じて、探針駆動ベクトルの長さも制
御してもよい。

【０１８８】（第５の実施の形態）次に、本発明の第５
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について、説
明する。

【０１８９】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
は、前記第４の態様による走査型プローブ顕微鏡を変形
したものであり、以下の点のみが異なる。

【０１９０】すなわち、ＤＳＰ２６の動作において、図
８中のステップＳ１３，Ｓ１９が取り除かれ、ステップ
Ｓ１４〜Ｓ１８，Ｓ２０〜Ｓ２４においても（すなわ
ち、前記第１及び第２の制御モードのいずれにおいて
も）、常に、発振回路２４，２５を同時に作動させて探
針部２に縦方向の振動と横方向の振動とを重畳させたも
のである。

【０１９１】本実施の形態によっても、前記第４の実施
の形態と同じ利点が得られる。

【０１９２】なお、本実施の形態では、探針部の縦方向
の振動の振動方向と横方向の振動の振動方向とが完全に
直交していれば、縦方向の振動と横方向の振動とのクロ
ストークの影響は生じないはずであるが、実際には両振
動方向を完全に直交させることは困難であることから、
本実施の形態においてはこのクロストークの影響を受け
ることになる。これに対し、前記第４の実施の形態で
は、各制御モードにおいては探針部２を当該制御モード
において必要な方向にのみ振動させているので、そのよ
うなクロストークの影響が全くなくなる。

【０１９３】（第６の実施の形態）最後に、本発明の第
６の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡において、
図１０を参照して説明する。

【０１９４】図１０は、本実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡を示す概略構成図である。図１０において、
図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
し、その重複した説明は省略する。

【０１９５】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
が前記第１の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡と
異なる所は、以下の点のみである。

【０１９６】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
は、いわゆる接触モードの原子間力顕微鏡として構成さ
れている。

【０１９７】本実施の形態では、図１中のロックインア
ンプ２０，２１、Ａ／Ｄ変換器２２及び発振回路２４，
２５が取り除かれ、Ａ／Ｄ変換器２２から光てこ法によ
るプローブ１の撓み量に相当する値が得られ、これがＤ
ＳＰ２６に供給されるように構成されている。すなわ
ち、本実施の形態では、レーザ光源１７、４分割フォト
ダイオード（２分割フォトダイオードでもよい）１８、
信号処理回路１９及びＡ／Ｄ変換器２２が、いわゆる光
てこ法によりカンチレバー部３の撓みを検出する撓み検
出手段を構成している。もっとも、撓み検出手段はこの
ような構成に限定されるものではなく、光干渉法等によ
るものであってもよい。また、プローブ１としては、シ
リコンレバー等として市販されているもの（カンチレバ
ー部３の先端側領域にピラミッド型の探針部２を有する
もの）が用いられている。図２中の振動子１４，１５及
びボール１６が取り除かれ、プローブ１の支持体４は単
にクリップにより保持されている。

【０１９８】本実施の形態では、ＤＳＰ２６は、各Ｙ方
向位置におけるＸＺ平面と平行な各面内において、当該
面内の方向であって、プローブ１のカンチレバー部３の
撓みが一定となるような方向に、プローブ１が移動する
ように、Ａ／Ｄ変換器２２からのカンチレバー部３の撓
みの検出値に基づいて、Ｄ／Ａ変換器２９，３０，３１
及び駆動回路３２を介してＸ，Ｙ，Ｚ方向用圧電駆動部
材１０，１１，８にそれぞれ駆動信号を与え、プローブ
１の試料表面に対する相対的な移動を制御する。すなわ
ち、Ａ／Ｄ変換器２２からのカンチレバー部３の撓みの
検出値は、ＤＳＰ２６により絶えず探針部２のＸＺ平面
と平行な面内における移動方向にフィードバックされ
る。

【０１９９】ここで、このようなＤＳＰ２６の動作の一
具体例について、説明する。このＤＳＰ２６の動作の基
本的な流れは、前記第１の実施の形態におけるＤＳＰ２
６の動作の基本的な流れと同様であるので、再び図４を
参照することとする。ただし、図４中のステップＳ１に
対応するステップはない。

【０２００】まず、ＤＳＰ２６は、予め定めたＹ方向位
置及びＸ方向位置において、探針部２が試料表面から十
分に離れたＺ方向位置からＺ方向に移動して試料に近接
していくように、駆動指令を発生してプローブ１をＺ方
向に移動させていく。そして、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変
換器２２からのプローブ１のカンチレバー部３の撓みの
検出値が所定の目標値になったときに、駆動指令を停止
し、探針部２の試料への接近を止める（ステップＳ
２）。このステップＳ２がいわば測定の準備段階であ
る。

【０２０１】その後、ＤＳＰ２６は、現時点で得られて
いる最新の探針駆動ベクトルに従った駆動指令を発生
し、当該探針駆動ベクトルに従ってプローブ１ひいては
探針部２を移動させる（ステップＳ３）。このステップ
Ｓ３の動作は、前記第１の実施の形態におけるステップ
Ｓ３の動作と同一である。

【０２０２】次に、ＤＳＰ２６は、Ａ／Ｄ変換器２２か
らカンチレバー部３の撓みの検出値を取り込み、撓みの
検出値とその所定の目標値との偏差ΔＡｔを算出する
（ステップＳ４）。

【０２０３】その後、ＤＳＰ２６は、ステップＳ４で算
出した偏差ΔＡｔに基づいて、新たな探針駆動ベクトル
を前述した数３と同様の式と前述した数２による演算に
より決定する（ステップＳ５）。

【０２０４】すなわち、ＤＳＰ２６は、ステップＳ５に
おいて、まず、前記偏差ΔＡｔから、サーボ角（すなわ
ち、プローブ１ひいては探針部２のＸＺ平面と平行な当
該面内の移動方向の補正量）θを求める。つまり、前記
偏差ΔＡｖに所定のゲイン（所定係数）Ｇｔを乗算した
値のアークタンジェントにより求めた角度を、サーボ角
θとする。

【０２０５】ＤＳＰ２６は、ステップＳ５において、次
に、前述した数２によって、ベクトルの回転の行列を計
算することにより、現時点で得られている最新の探針駆
動ベクトルを前記サーボ角θだけ回転して新たな探針駆
動ベクトルを求める。

【０２０６】ステップＳ５の後に、ＤＳＰ２６は、ステ
ップＳ５で決定された新たな探針駆動ベクトルを、当該
ＤＳＰ２６内のメモリに記憶する（ステップＳ６）。

【０２０７】ステップＳ６が終了すると、ステップＳ３
に戻り、ステップＳ３〜Ｓ６の動作を繰り返す。

【０２０８】図４においては省略しているが、ステップ
Ｓ３〜Ｓ６を繰り返すことにより、探針部２がＸ方向の
所定の位置まで到達すると（すなわち、探針がＸ方向の
所定の範囲をトレースすると）、ＤＳＰ２６は、プロー
ブ１をＹ方向に所定距離移動させる移動指令を発生し、
その後、当該Ｙ方向位置におけるＸＺ平面内において、
ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し、これらの動作を繰り返
してＸＹ平面における所定の２次元の範囲について探針
部２を移動させる。これにより、測定が完了する。この
ように、本実施の形態では、各Ｙ方向位置においてステ
ップＳ３〜６を繰り返すが、場合によっては、１つのＹ
方向位置においてのみステップＳ３〜Ｓ６を繰り返すだ
けでもよい。

【０２０９】以上の説明からわかるように、ステップＳ
６において順次記憶された探針駆動ベクトルは試料形状
を反映するものであり、Ｙ方向位置と関連付けられてパ
ーソナルコンピュータ２７に取り込まれ、表示装置２８
により画像表示される。

【０２１０】本実施の形態においても、試料１００と探
針部２との間の相互作用の変化をＸＺ平面と平行な面内
における探針部２の移動方向にフィードバックしてい
る。このため、本実施の形態によっても、試料表面の凸
部又は凹部の側面等に関しても、データの数を多くする
ことができるとともに、探針部２を試料表面に対して両
者に作用する相互作用に応じて正確にトレースさせるこ
とができ、高精度な測定を行うことができる。

【０２１１】（第７の実施の形態）次に、本発明の第７
の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡について説明
する。

【０２１２】図１２は、これまでの実施の形態で用いた
プローブ１とは異なる形状を有するプローブ１０１と、
試料１００の表面とで生ずる相互作用を検出する方法を
示す概念斜視図である。

【０２１３】まず、図１２を用いてこの第７の実施の形
態で用いたプローブ１０１の構成について説明する。プ
ローブ１０１は、反射面を有するミラー部２０１と、探
針部２０２と、ねじれ部２０３とを備えている。そし
て、探針部２０２先端は少し曲がっており、試料１００
の表面にほぼ垂直に切り立った側壁がある場合にも、そ
の側壁と探針部２０２先端との相互作用が検出しやすく
なるようにしている。

【０２１４】なお、このプローブ１０１の変位は、ミラ
ー部２０１に光を照射し、ミラー部２０１を反射して光
をポジションセンサーダイオードや分割フォトディテク
ターで受光し、その光スポットの位置を検出すること
で、得られる。

【０２１５】ところで、プローブ１０１は、ねじれ部２
０３を介し、図示していない支持部に固定される。そし
て、このプローブ１０１は図１２（ａ）（ｂ）に示すね
じれ方向２０７に加振させて用いる。なお、加振させる
ときの回転軸は、軸２０９を中心に回転させる。

【０２１６】なお、図１２（ａ）は、プローブ１０１の
探針部２０２の先端が、他の物体と相互作用を受けてお
らず、プローブ１０１がねじれ共振状態であるときの様
子を示している。図１２（ｂ）は、プローブ１０１の探
針部２０２の先端が、試料１００と相互作用を受けた時
の状態を示している。なお、図１２（ａ）および（ｂ）
の矢印２０８は、探針部２０２の先端の軌跡を示してお
り、軸２０９は、プローブ１０１がねじれ共振にあると
きのプローブ１０１の回転軸を示している。

【０２１７】この様にプローブ１０１は加振を受けてい
るため、プローブ１０１の一番細い部分であるねじれ部
２０３が捻れながら、左右に回転する。そのため、ねじ
れ部２０４より先にあるミラー部２０１と探針部２０２
はねじれ共振の状態になり、軸２０９を中心に周期的に
左右に回転する。この状態を図１２（ａ）に示す。この
様に、プローブ１０１がねじれ共振にある状態で、探針
部２０２の先端が試料１００等からの相互作用を受ける
と、例えば試料からのファンデルワールス力などの力を
探針部２０２の先端が矢印２０４が示す方向に受ける
と、探針先端がその方向に引き寄せられる。この状態を
図１２（ｂ）に示す。そうすると、ミラー部２０１と探
針部２０２が回転軸２０９から外れるため、軸周りの慣
性モーメントが急激に増大する。慣性モーメントが増大
すると、ねじれ方向の共振周波数低くなるため、プロー
ブ１０１自体のねじれ共振状態から外れ、ミラー部２０
１が軸２０９を中心に振られる角度範囲は小さくなる。
なお、以降、ミラー部２０１の振られる角度量をねじれ
方向の振幅と言う。このミラー部２０１の振幅の減少を
検出することにより、探針部２０２の先端と試料１００
に存在する側壁との距離の変化を検出することができ
る。

【０２１８】また、プローブ１０１が試料底面に近づい
たときは、試料底面と探針先端との間にダンピングが働
き、同じくプローブ１０１のねじれ共振の振幅が減少す
る。そのことにより、探針２０２の先端と試料底面との
距離の変化も検出することができる。

【０２１９】次に、図１３を用いて本第７の実施の形態
による走査型プローブ顕微鏡の全体系を説明する。図１
３は、本実施の形態の走査型プローブ顕微鏡の構成斜視
図である。なお、以下、本発明の第１の実施の形態で挙
げたものと同一図番のものは同一部材なので、ここでの
説明は省略する。

【０２２０】ところで、この走査型プローブ顕微鏡は、
本発明の第１の実施の形態とプローブ１０１とそのプロ
ーブ１０１を支持する支持体２１１、クリップ２１２、
及び振動子２１３以外は、同じ部材からなっている。プ
ローブ１０１は支持体２１１に連続して形成されてお
り、その支持体２１１は、クリップ２１２によりＺ方向
用圧電駆動部材８の自由端側に保持されている。Ｚ方向
用圧電駆動部材８の他端には、ブロック９に固定されて
いる。また、Ｘ方向用圧電駆動部材１０、Ｙ方向用圧電
駆動部材１１の一端は、共にブロック９に固定されてい
る。Ｘ方向用圧電駆動部材１０、Ｙ方向用圧電駆動部材
１１の他端は、それぞれフレーム１２に固定されてい
て、このフレーム１２は３つのマイクロメータ１３によ
り支えられている。

【０２２１】また、プローブ１０１のミラー部２０１の
変位を検出するために、ブロック９に固定された発光部
材である半導体レーザ１７と４分割フォトディテクター
１８が備えられており、かつプローブ１０１の支持体２
１１に固定されたミラー４７を備えている。半導体レー
ザ１７から放射された光は、支持体２１１からアームを
介して固定されたミラー４７で反射されることで、ミラ
ー部２０１に照射される。そして、ミラー部２０１を反
射した光は、再びミラー４７を反射して、４分割フォト
ディテクター１８に入射する。そして、この４分割フォ
トディテクター１８で入射した光スポットの位置の変化
を検出することで、ミラー部２０１の反射面の角度の変
位量を検出する。このミラー２０１の反射面の角度の変
位量がプローブ１０１のねじれ方向の振幅となる。

【０２２２】なお、半導体レーザ１７の発光や、４分割
フォトダイオード１８からの出力は、フレーム１２に備
えている電気回路により処理されている。なお、この電
気回路は、図１に示されているブロック図と同じ構成を
有している。

【０２２３】なお、プローブ１０１にねじれ共振を励起
させるために、クリップ２１２の一方の面に振動子２１
３が設けられている。この振動子２１３とクリップの構
成は、図２（ａ）に示す機構と同等なもので、図２
（ａ）中の振動子１５の位置に振動子２１３が配置さ
れ、図２（ａ）中の振動子１４の位置及びボール１６の
位置にそれぞれ支持部材としてのボールが備えられてい
る。

【０２２４】次に、このプローブ１０１を用いて試料１
００の表面をトレースするアルゴリズム説明する。図１
４は本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡のプロー
ブ１０１のねじれ方向の振幅の大きさの状態を模式的に
表した図である。プローブ１０１のねじれ方向の振幅の
大きさは、矢印の長さに応じて大きいことを意味してい
る。

【０２２５】ところで、本実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡は、図４に示すフローチャートにしたがっ
て、探針駆動が行われる。

【０２２６】要するに、本実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡は、第１の実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡と比較して、プローブの励振方法およびプローブ
の変位検出こそは異なるが、基本的なフローは一緒であ
る。

【０２２７】基本的にはプローブ１０１を共振状態に励
振しておき（図４のＳ１）、プローブ１０１の振動状態
が所定の値になるまで探針部２０２を試料表面へ近接さ
せ（図４のＳ２）、与えられた探針駆動ベクトルに応じ
てプローブ１０１を移動させて（図４のＳ３）、プロー
ブ１０１の振動状態の変化を検出し（図４のＳ４）、プ
ローブ１０１の振動状態の変化から新たに探針駆動ベク
トルを決定し（図４のＳ５）、新たに決定された探針駆
動ベクトルをメモリーにストアーする（図４のＳ６）。
そして、再び、図４のＳ３に戻り、新たに決定された探
針駆動ベクトルでプローブ１０１を移動させて、また、
同様に探針駆動ベクトルを決定する。

【０２２８】次に図１４を用いて実際の探針駆動ベクト
ルの決定について説明する。まず最初に、試料１００か
ら遠い位置でプローブ１０１にねじれ共振を起こさせ
る。そして、予め決めておいたねじれ方向の振幅になる
まで、プローブ１０１の探針部２０２を近接させる。こ
の様にして、試料表面にプローブ１０１の近接が終了し
た時のプローブ１０１のねじれ方向の振幅の大きさを、
図１４中の測定開始時刻ｔ＝０が記載された位置にある
矢印の長さで示している。なお、この時刻ｔ＝０におけ
るプローブ１０１のねじれ方向の振幅の大きさを目標値
として扱う。これは、本発明の第１の実施の形態と同じ
である。

【０２２９】そして、最初は、予め決まった探針移動ベ
クトルでプローブ１０１を移動させる。なお、時刻ｔ＝
１は、本第１の実施の形態と同じなので説明を省略す
る。そして、時刻ｔ＝２になると探針部２０２と試料１
００との距離が短くなる。特に試料表面に形成された凸
部の側壁との距離が短くなる。したがって、試料側壁と
探針部２０２との相互作用（例えば、この場合は、ファ
ンデルワールス力による作用）が働き、プローブ１０１
のねじれ方向の振幅が減少する。そのときのねじれ方向
の振幅が目標値とどれだけ変化しているかを電気回路に
よって求められる。なお、目標値と各時点におけるねじ
れ方向の振幅との偏差をΔＡｒとすると、電気回路内で
は、例えば下記の数５でもって、新たに探針駆動ベクト
ルの方向を決定する。

【０２３０】

【数５】

【０２３１】なお、数５におけるゲインＧｒとは、本発
明の第１の実施の形態のゲインＧｖおよびゲインＧｈと
同じ目的で用いる係数であるので、ここでの詳細な説明
は省略する。

【０２３２】この様にして、各時点において、探針駆動
ベクトルが順次決定される。

【０２３３】なお、後の電気回路内での動作は、本発明
の各実施の形態と基本的なところは同じなので、詳細な
説明は省略する。

【０２３４】この様に本発明では、プローブの形状が異
なろうとも、ある基準の状態に対して変化分を求めて、
その変化分を基に、探針の移動方向の決定することは何
ら変わりない。

【０２３５】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。

【０２３６】例えば、アークタンジェントにより角度の
補正量θを求めると、θが＋−９０゜以下となり、探針
が逆戻りしないという利点があるが、観察対象の表面が
非常に急峻な凹凸をもつ場合、補正量θを＋−１８０゜
にまで広げた方がより試料表面を正確にトレースできる
場合、前記アークタンジェントを使って求めたθに所定
数、この場合１から２の数を掛けると、得られる補正量
θは＋−１８０゜以内となる。さらに、前述した数１、
数３、数４及び数５におけるゲインＧｖ、Ｇｈ、Ｇｒ
は、単純に偏差に係数を掛ける比例制御であったが、こ
こに周波数成分を考慮した微分項や積分項を付け足し
て、ＰＤＩ制御等としてもよい。また、前述した実施の
形態ではアークタンジェントを使って補正量θを求めた
が、偏差にある値を掛けた値をそのまま補正量θとして
もよい。この場合、アークタンジェントを計算する時間
が必要なくなり、より高速に探針にフィードバックをか
けることができる。ただし、偏差が大きいと、補正量θ
が９０゜以上となり、探針が逆戻りしてしまったり、１
８０゜以上となり、フィードバックが意味を成さなくな
ってしまう場合が起こり得る。この場合、偏差が所定の
量以上となった場合、所定量以上を切り捨て、所定量に
補正量θをまるめる。

【０２３７】なお、前述した各実施の形態は本発明を原
子間力顕微鏡に適用した例であったが、本発明は、走査
型電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕微鏡、走査型磁気
力顕微鏡及び走査型トンネル顕微鏡などの他の種々の走
査型プローブ顕微鏡用についても適用することができ
る。

【０２３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料表面の凸部又は凹部の側面等に関しても、データの
数を多くすることができるとともに、探針部を試料表面
に対して両者に作用する相互作用に応じて正確にトレー
スさせることができ、高精度な測定を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡を示す概略構成図である。

【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡の一部を示す
図であり、図２（ａ）はその要部拡大斜視図、図２
（ｂ）は４分割フォトダイオードの受光部を示す図であ
る。

【図３】振動子を振動させたときの様子を模式的に示す
図であり、図３（ａ）はプローブのカンチレバー部の撓
み振動の様子を示す概念斜視図、図３（ｂ）はプローブ
のカンチレバー部のねじれ振動の様子を示す概念斜視図
である。

【図４】本発明の第１の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡におけるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳ
Ｐ）の動作を示す概略フローチャートである。

【図５】本発明の第１の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡における探針部の制御の様子を模式的に示す図
である。

【図６】本発明の第２の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡における探針部の制御の様子を模式的に示す図
である。

【図７】本発明の第３の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡における探針部の制御の様子を模式的に示す図
である。

【図８】本発明の第４の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡におけるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳ
Ｐ）の動作を示す概略フローチャートである。

【図９】本発明の第４の実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡における探針部の制御の様子を模式的に示す図
である。

【図１０】本発明の第６の実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡を示す概略構成図である。

【図１１】シェアーフォース検出法を模式的に示す図で
あり、図１１（ａ）はファイバーが試料から遠い状態、
図１１（ｂ）はファイバーが試料に接近した状態を示
す。

【図１２】本発明の第７の実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡において用いられるプローブのねじれ振動の
様子を示す概念斜視図であり、図１２（ａ）は探針部先
端が相互作用を受けていない状態を示す図、図１２
（ｂ）は探針部先端が相互作用を受けている状態を示す
図である。

【図１３】本発明の第７の実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡を示す概略構成図である。

【図１４】本発明の第７の実施の形態による走査型プロ
ーブ顕微鏡における探針部の制御の様子を模式的に示す
図である。

【符号の説明】

１，１０１ プローブ ２，２０２ 探針部 ３ カンチレバー部 ４ 支持体 ７ クリップ ８ Ｚ方向用圧電駆動部材 ９ ブロック １０ Ｘ方向用圧電駆動部材 １１ Ｙ方向用圧電駆動部材 １２ フレーム １３ マイクロメーター １４，１５，２１３ 振動子 １６ ボール １７ レーザ光源 １８ ４分割フォトダイオード １９ 信号処理回路 ２０，２１ ロックインアンプ ２２，２３ Ａ／Ｄ変換器 ２４，２５ 発振回路 ２６ デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ） ２７ パーソナルコンピュータ（ＰＣ） ２８ 表示装置 ２９，３０，３１ Ｄ／Ａ変換器 ３２ 駆動回路 １００ 試料 ２０１ ミラー部 ２０３ ねじれ部 ２０８ 探針部の軌跡 ２０９ 回転軸 ２１１ 支持体 ２１２ クリップ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブと、 前記プローブと試料表面とを相対的に前記試料表面と略
   垂直な第１の方向及び前記試料表面と略平行な第２の方
   向に移動させるプローブ駆動部と、 前記プローブを励振するための励振部材と、 前記プローブの振動状態を検出する検出手段と、 前記検出手段で検出されたプローブの振動状態が所定の
   振動状態になるように前記プローブの移動方向を変え、
   前記移動方向に前記プローブを移動させるよう前記プロ
   ーブ駆動部を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記検出手段で検出さ
   れたプローブの振動状態とあらかじめ決められた振動状
   態とを比較し、新たに決定する前記プローブの移動方向
   にするための前記移動方向の変化量を角度として算出す
   る移動方向決定手段を備え、前記移動方向決定手段で決
   定された角度に応じて、前記移動方向を変更することで
   前記プローブ駆動部を制御す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。
3. 【請求項３】 前記励振部材は、少なくとも一方向に前
   記プローブを振動させる部材であ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。
4. 【請求項４】 前記励振部材は、前記プローブに対し
   て、前記第１の方向とほぼ平行な方向に振動する第１の
   モードの振動を励振させるために前記支持体に備えら
   れ、 前記検出手段は、前記プローブにおける前記第１のモー
   ドの振動を検出する第１の検出器を備え、 前記制御手段は、前記第１の検出器から得られる信号を
   基に、前記第１のモードの振動成分の振動状態が一定と
   なるように、前記プローブの移動方向を決定することを
   特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記励振部材は、前記プローブが捻れる
   方向に振動する第２のモードの振動を励振させるために
   前記支持体に備えられ、 前記検出手段は、前記プローブにおける前記第２のモー
   ドの振動を検出する第２の検出器を備え、 前記制御手段は、前記第２の検出器から得られる信号を
   基に、前記第２のモードの振動成分の振動状態が一定と
   なるように、前記プローブの移動方向を決定することを
   特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記励振部材は、前記プローブに対し
   て、前記第１の方向に振動する第１のモードの振動を励
   振させるための第１の励振部材と、前記プローブが捻れ
   る方向に振動する第２のモードの振動を励振させるため
   の第２の励振部材とを備え、 前記検出手段は、前記プローブでの前記第１のモードの
   振動の成分の振動状態を検出する第１の検出手段と、前
   記プローブでの前記第２のモードの成分の状態を検出す
   る第２の検出手段とを備え、 前記制御手段は、前記第１の方向及び前記第２の方向を
   含む面と平行面内において当該面内の方向で前記プロー
   ブの移動方向を変えて、前記プローブの振動状態が所定
   の状態となるように前記プローブ駆動部材を制御するこ
   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。
7. 【請求項７】 前記制御手段は、前記プローブの移動方
   向に応じて、前記第１の検出手段から得られる信号と前
   記第２の検出手段から得られる信号とのどちらか一方を
   選択する選択手段を更に備え、前記選択手段で選択され
   た信号から前記プローブの振動状態が所定の状態になる
   ようプローブ駆動部材を制御することを特徴とする請求
   項６記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記制御手段は、前記第１の励振部材と
   前記第２の励振部材とのどちらか一方のみが駆動するよ
   うに選択する励振部材選択手段を備えたことを特徴とす
   る請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記選択手段は、前記第２の方向に対す
   る前記プローブの移動方向のなす角度と所定の値とを比
   較することで、駆動する励振部材を決定することを特徴
   とする請求項８記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 【請求項１０】 前記プローブは、先端部に探針を有す
    るレバー部を備え、前記レバー部を支持する支持体に備
    えられたことを特徴とする請求項１乃至９項のうちいづ
    れか一項記載の走査型プローブ顕微鏡。
11. 【請求項１１】 前記プローブは、前記試料との相互作
    用を受ける探針部と、前記プローブを支持する支持体と
    前記探針部との間に設けられ、前記探針部と試料との相
    互作用を検出する検出部とを具備し、前記検出部および
    前記探針部が実質的に同一軸上に形成されていることを
    特徴とする請求項１乃至９項のうちいづれか一項記載の
    走査型プローブ顕微鏡。
12. 【請求項１２】 プローブと、 前記プローブと試料表面とを相対的に前記試料表面と略
    垂直な第１の方向及び前記試料表面と略平行な第２の方
    向に移動させるプローブ駆動部と、 前記プローブと前記試料との間の相互作用に応じた検出
    信号を得る検出手段と、 前記検出手段からの検出信号が所定の状態になる様に前
    記プローブの移動方向を変化させ、かつ前記プローブの
    移動方向に前記プローブを走査させるよう前記プローブ
    駆動部を制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
13. 【請求項１３】 前記検出手段は、前記プローブの変位
    を検出することを特徴とする請求項１２記載の走査型プ
    ローブ顕微鏡。
14. 【請求項１４】 前記制御手段は、前記検出手段で検出
    された信号があらかじめ定められた信号であるか否かを
    比較し、新たに決定する前記プローブの移動方向にする
    ための前記移動方向の変化量を角度として算出する移動
    方向決定手段を備え、前記移動方向決定手段で決定され
    た角度に応じて、前記移動方向を変更することで前記プ
    ローブ駆動部を制御することを特徴とする請求項１２記
    載の走査型プローブ顕微鏡。