JPH1123589A

JPH1123589A - 力検出装置並びにそれを用いた走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH1123589A
Application number: JP9196574A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Nakano; 勝志中野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバーの探針に作用する縦方向の力の
みならず横方向の力も迅速かつ高精度に検出する。【解決手段】力検出装置は、先端側に探針部２を有す
るレバー部３と、該レバー部３を支持する支持体４とを
有するカンチレバー１を備える。支持体４を保持するク
リップ７の上側部材７ａの下面に、振動子１４，１５及
び支持ブロック１６が設けられる。振動子１４がＺ方向
に振動することにより、レバー部３が撓み振動を起こ
し、探針部２が実質的にＺ方向に振動する。振動子１５
がＺ方向に振動することにより、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。レ
バー部３の撓み振動の成分の振動状態及びレバー部３の
ねじれ振動の成分の振動状態が、レーザ光源１７から発
してレバー部３で反射されたレーザ光を受光する４分割
フォトダイオード１８により検出される。

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
微鏡及びこれに用いることができる力検出装置に関する
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レバー部と該レバー部
を支持する支持体とを有するカンチレバーが用いられ
る。そして、原子間力顕微鏡には、いわゆるコンタクト
モードのものやノンコンタクトモードのもの等がある。

【０００３】コンタクトモードの原子間力顕微鏡では、
カンチレバーの探針部を試料表面に接触させ、カンチレ
バーと試料とを試料表面と平行な方向に相対的に移動
（走査）させたときに、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
として検出することにより、試料の表面形状を高分解能
で観察する。カンチレバーの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。

【０００４】一方、ノンコンタクトモードの原子間力顕
微鏡では、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（Y. Martin, C. C. Wil
liams, and H. K. Wickramasinghe, 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。図６（ａ）にその原理を示す。図６（ａ）はカン
チレバーの撓み振動の共振特性を示す図であり、図６
（ａ）中の横軸は周波数、縦軸は振幅を示している。図
６（ａ）中の実線で示す曲線５１は、カンチレバーに外
力が加わらないときのカンチレバーの周波数特性を示し
ており、そのピークの周波数を共振周波数ω₀とする。
この状態から、カンチレバーの探針に引力が作用する
と、カンチレバーの共振周波数ω₀は低い側の周波数
ω₀’にシフトし、カンチレバーの周波数特性は図６
（ａ）中の破線５２で示すようになる。カンチレバーを
共振周波数ω₀付近の周波数ω_Dで撓み振動を起こすよう
に励振した場合、カンチレバーに外力（試料との相互作
用力）が作用しないときにはカンチレバーの振幅はＡ₀
となる。一方、カンチレバーに外力が作用し、カンチレ
バーの共振周波数が周波数ω₀’にシフトしたときに
は、カンチレバーの振幅は大きく変化してＡ₀’とな
る。この現象により、探針に作用する試料との相互作用
力を検出する。

【０００５】そして、ノンコンタクトモードの原子間力
顕微鏡では、カンチレバーを試料に対して試料表面と平
行な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、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、カンチレバーを試料表面と垂直方向に移動させ
ることにより、試料表面の形状を測定する。

【０００６】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。しかしながら、従来の走
査型プローブ顕微鏡では、その構造上、探針と探針の真
下にある試料との相互作用力のみしか検出することがで
きなかったため、垂直に近い側面形状を観察することは
できなかった。

【０００７】この問題を解決するため、探針と真横にあ
る試料表面の凸部又は凹部の側面との相互作用力を検出
し、試料の凸部又は凹部の側面形状を測定する原子間力
顕微鏡の技術が報告されている（Yves Martin and H. K
rmar Wickramasinghe, Appl.Phys. Lett. 64 (19), 9 M
ay 1994, "Method for imaging sidewalls by atomic f
orce microscopy"）。この技術では、従来の非接触によ
る力検出技術（すなわち、従来のノンコンタクトモード
の原理）を応用しており、カンチレバーを共振周波数に
近い周波数で縦方向（試料表面と垂直な方向）に励振し
（すなわち、撓み振動させ）、その状態で、カンチレバ
ーをゆっくりと（すなわち、低周波数で）横方向（試料
表面とに平行な方向）に往復運動させる。この時、探針
のすぐ横に試料表面の凸部又は凹部の側面があれば、探
針に作用する作用力が変化し、カンチレバーの撓み振動
の共振周波数が変化する。すなわち、探針のすぐ横に試
料表面の凸部又は凹部の側面があれば、検出したカンチ
レバーの撓み振動の振幅は、前記横方向のゆっくりした
往復動の周期に従って変調されることになる。この従来
の技術では、この変調を検出することによって、探針と
探針の横にある試料表面の凸部又は凹部の側面との相互
作用力を検出している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の横方向の力検出技術では、横方向のゆっくりした往
復動の周期に従って生ずる、縦方向の振動であるカンチ
レバーの撓み振動の振動状態に対する変調を、横方向に
作用する力として検出していたので、検出感度が低く、
検出のＳＮ比を上げるためには、探針を数回横方向に往
復動させて試料表面の凸部又は凹部の側面に近づけたり
遠ざけたりして、その変化の平均を測定しなければなら
なかった。そのため、測定にかかる時間が１画像当たり
数十分必要であり、測定効率が良くなかった。

【０００９】なお、以上説明した事情は、原子間力顕微
鏡における力検出に限らず、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における力検出について
も、同様である。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、カンチレバーの探針に作用する縦方向の力の
みならず横方向の力も迅速かつ高精度に検出することが
できる、走査型プローブ顕微鏡等において用いることが
できる力検出装置を提供することを目的とする。

【００１１】また、本発明は、試料表面の凸部又は凹部
の側面等に関しても迅速かつ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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による力検出装置は、先端側に
探針部を有するレバー部と、該レバー部を支持する支持
体とを有するカンチレバーを備え、前記探針部と試料と
の間に作用する力を検出する力検出装置において、前記
探針部が実質的に試料表面と略垂直な方向に振動するよ
うな第１のモードの振動を、前記レバー部に発生させる
第１の励振手段と、前記探針部が実質的に試料表面と略
平行な方向に振動するような第２のモードの振動を、前
記レバー部に発生させる第２の励振手段と、前記レバー
部の前記第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、前記レバー部の前記第２のモード
の振動の成分の振動状態を検出する第２の検出手段と、
を備えたものである。

【００１３】前記第１の励振手段は、例えば、前記レバ
ー部に前記第１のモードの振動を引き起こすように前記
支持体を振動させる圧電素子等の振動子であってもよい
し、前記レバー部に形成した圧電特性又は電歪特性を持
った薄膜であってもよい。同様に、前記第２の励振手段
は、例えば、前記レバー部に前記第２のモードの振動を
引き起こすように前記支持体を振動させる圧電素子等の
振動子であってもよいし、前記レバー部に形成した圧電
特性又は電歪特性を持った薄膜であってもよい。

【００１４】この第１の態様による力検出装置は、従来
のノンコンタクトモードの原子間力顕微鏡における力検
出装置と同じく縦方向力検出用の第１の励振手段及び第
１の検出手段を有しているのみならず、これと同一原理
に従った横方向力検出用の第２の励振手段及び第２の検
出手段を有している。図６（ａ）を参照して説明した原
理に従って、前記第１の検出手段から探針部が受ける縦
方向の力を示す信号が得られることになる。同様に、前
記第２の検出手段から探針部が受ける横方向の力を示す
信号が得られることになる。したがって、前記第１の態
様によれば、従来のノンコンタクトモードの原子間力顕
微鏡における力検出装置と同じく縦方向の力検出を迅速
かつ高精度に行うことができるのみならず、横方向の力
検出を迅速かつ高精度に行うことができる。前記第１の
態様では、前記第２の励振手段及び第２の検出手段を採
用することにより、縦方向の力検出と同じ手法により横
方向の力を検出することができるので、横方向の力検出
のためにカンチレバーを横方向にゆっくりと往復動させ
るような必要が全くなくなり、迅速かつ高精度な横方向
の力検出を達成することができるのである。

【００１５】なお、前記第１の態様においては、前記第
１のモードの振動の周波数は前記レバー部の前記第１の
モードの共振周波数付近の周波数とし、前記第２のモー
ドの振動の周波数は前記レバー部の前記第２のモードの
共振周波数付近の周波数とすることが、好ましい。

【００１６】本発明の第２の態様による力検出装置は、
前記第１の態様による力検出装置において、前記第１の
励振手段と前記第２の励振手段とを別々に作動させるも
のである。

【００１７】本発明の第３の態様による力検出装置は、
前記第１の態様による力検出装置において、前記第１の
励振手段と前記第２の励振手段とを同時に作動させるも
のである。

【００１８】前記第１の態様では、横方向の力検出のた
めの前記第１のモードの振動と縦方向の力検出のための
前記第２のモードの振動を、前記第２の態様のように別
々にカンチレバーのレバー部に発生させてもよいし、前
記第３の態様のように同時にレバー部に発生させてもよ
い。両モードの振動を同時にレバー部に発生させる場合
には、両者の振動を重畳した振動がカンチレバーのレバ
ー部に発生することになる。

【００１９】本発明の第４の態様による力検出装置は、
前記第１乃至第３のいずれかの態様による力検出装置に
おいて、前記第１のモードの振動が前記レバー部の撓み
振動であり、前記第２のモードの振動が前記レバー部の
ねじれ振動であるものである。

【００２０】カンチレバーのレバー部は通常薄板状に構
成されるので、この第４の態様のように、前記各モード
の振動をそれぞれ撓み振動及びねじれ振動とすることが
好ましい。

【００２１】本発明の第５の態様による力検出装置は、
前記第１乃至第４のいずれかの態様による力検出装置に
おいて、前記第１及び第２の検出手段は、前記第１及び
第２の検出手段で共用された、前記レバー部の一部に光
を照射する光源、及び、前記レバー部からの反射光を受
光する４分割フォトディテクタを有するものである。

【００２２】前記第１及び第２の検出手段の構成として
この第５の態様のような構成を採用すると、当該検出手
段の構成が簡単となり、好ましい。もっとも、前記第１
及び第２の検出手段の構成はこのような構成に限定され
るものではない。例えば、前記第１の検出手段は、光干
渉法等による検出手段であってもよいし、前記レバー部
に形成した圧電特性又は電歪特性を持った薄膜であって
もよい。また、前記第２の検出手段も、光干渉法等によ
る検出手段であってもよいし、前記レバー部に形成した
圧電特性又は電歪特性を持った薄膜であってもよい。

【００２３】本発明の第６の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、先端側に探針部を有するレバー部と該レバー
部を支持する支持体とを有するカンチレバーと、前記カ
ンチレバーを試料表面に対して前記試料表面と略平行な
方向及び前記試料表面と略垂直な方向に相対的に移動さ
せる移動手段と、前記探針部が実質的に前記試料表面と
略垂直な方向に振動するような第１のモードの振動を、
前記レバー部に発生させる第１の励振手段と、前記探針
部が実質的に前記試料表面と略平行な方向に振動するよ
うな第２のモードの振動を、前記レバー部に発生させる
第２の励振手段と、前記レバー部の前記第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
記レバー部の前記第２のモードの振動の成分の振動状態
を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段から
の検出信号及び前記第２の検出手段からの検出信号に基
づいて、前記移動手段を制御して、前記カンチレバーの
前記試料表面に対する相対的な移動を制御する制御手段
と、を備えたものである。

【００２４】この第６の態様による走査型プローブ顕微
鏡では、前記第１乃至第５のいずれかの態様による力検
出装置を備えた構成とされ、前記第１の検出手段からの
検出信号（すなわち、探針部が試料との相互作用により
受ける縦方向の力）及び前記第２の検出手段からの検出
信号（すなわち、探針部が試料との相互作用により受け
る横方向の力）に基づいて、移動手段を制御して、前記
カンチレバーの前記試料表面に対する相対的な移動を制
御する。したがって、前記第６の態様によれば、試料表
面の凸部又は凹部の側面等に関しても迅速かつ高精度な
測定を行うことができる。

【００２５】本発明の第７の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、先端側に探針部を有するレバー部と該レバー
部を支持する支持体とを有するカンチレバーと、前記カ
ンチレバーを試料表面に対して前記試料表面と略平行な
方向及び前記試料表面と略垂直な方向に相対的に移動さ
せる移動手段と、前記探針部が実質的に前記試料表面と
略垂直な方向に振動するような第１のモードの振動を、
前記レバー部に発生させる第１の励振手段と、前記探針
部が実質的に前記試料表面と略平行な方向に振動するよ
うな第２のモードの振動を、前記レバー部に発生させる
第２の励振手段と、前記レバー部の前記第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
記レバー部の前記第２のモードの振動の成分の振動状態
を検出する第２の検出手段と、（ａ）前記カンチレバー
が前記試料表面に対して前記試料表面と略平行な方向に
相対的に移動しつつ、前記第１の検出手段により検出さ
れた成分の振動状態が一定となるように前記カンチレバ
ーが前記試料表面に対して前記試料表面と略垂直な方向
に相対的に移動するように、前記移動手段を制御する第
１の制御モードと、（ｂ）前記カンチレバーが前記試料
表面に対して前記試料表面と略垂直な方向に相対的に移
動しつつ、前記第２の検出手段により検出された成分の
振動状態が一定となるように前記カンチレバーが前記試
料表面に対して前記試料表面と略平行な方向に相対的に
移動するように、前記移動手段を制御する第２の制御モ
ードとを、切り換えて行う制御手段と、を備え、前記第
１の励振手段は少なくとも前記第１の制御モード中には
作動され、前記第２の励振手段は少なくとも前記第２の
制御モード中には作動されるものである。

【００２６】この第７の態様による走査型プローブ顕微
鏡は、前記第６の態様による走査型プローブ顕微鏡の具
体例である。もっとも、前記第６の態様は前記第７の態
様のような走査型プローブ顕微鏡に限定されるものでは
ない。

【００２７】本発明の第８の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第７の態様による走査型プローブ顕微鏡
において、前記制御手段は、前記第１の制御モード中
に、前記カンチレバーの前記試料表面に対する相対的な
前記略垂直な方向の移動の指令量が所定量より大きくな
るときに、前記第２の制御モードに切り換えるととも
に、前記第２の制御モード中に、前記カンチレバーの前
記試料表面に対する相対的な前記略平行な方向の移動指
令量が所定量より大きくなるときに、前記第１の制御モ
ードに切り換えるものである。

【００２８】本発明の第９の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第７の態様による走査型プローブ顕微鏡
において、前記第１の制御モード中及び前記第２の制御
モード中に、前記第１の励振手段と前記第２の励振手段
とが同時に作動され、前記制御手段は、前記第１の制御
モード中に、前記第２の検出手段からの検出信号の変化
量が所定量より大きくなるときに、前記第２の制御モー
ドに切り換えるとともに、前記第２の制御モード中に、
前記第１の検出手段からの検出信号の変化量が所定量よ
り大きくなるときに、前記第１の制御モードに切り換え
るものである。

【００２９】前記第８及び第９の態様はそれぞれ、前記
第７の態様における第１及び第２の制御モード間の切り
換えタイミングの例を示すものである。

【００３０】本発明の第１０の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、前記第６乃至第９のいずれかの態様による
走査型プローブ顕微鏡において、前記第１のモードの振
動が前記レバー部の撓み振動であり、前記第２のモード
の振動が前記レバー部のねじれ振動であるものである。

【００３１】本発明の第１１の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡は、前記第６乃至第１０のいずれかの態様によ
る走査型プローブ顕微鏡において、前記第１及び第２の
検出手段は、前記第１及び第２の検出手段で共用され
た、前記レバー部の一部に光を照射する光源、及び、前
記レバー部からの反射光を受光する４分割フォトディテ
クタを有するものである。

【００３２】前記第１０及び第１１の態様は、前記第４
及び第５の態様にそれぞれ対応するものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態によ
る力検出装置及びこれを用いた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。

【００３４】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分割フォトデ
ィテクタ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。

【００３５】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を有する薄板状のレバー部３と、該レバー部３を支持
する支持体４とを有するカンチレバー１を備えている。
探針部２は、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６ａ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６
ａ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６ｂ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（後述する図５も参照）。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。

【００３６】このような構成のカンチレバー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、前記カンチレバー１を製造する
ことができる。

【００３７】もっとも、本発明で用いるカンチレバー
は、このような構成のカンチレバー１に限定されるもの
ではない。例えば、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、カン
チレバー（特開平８−２８５８７２号公報参照）であっ
てもよい。また、本発明で用いるカンチレバーでは、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。

【００３８】前記カンチレバー１の支持体４は、カンチ
レバー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、カンチレバー１を試料表面に対して
試料表面と略平行な方向及び試料表面と略垂直な方向に
相対的に移動させる移動手段を構成している。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。

【００３９】また、本実施の形態による走査型プローブ
顕微鏡は、カンチレバー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）をカンチレバー１のレバー部３に発生さ
せる第１の励振手段として、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、カンチレバー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）をカンチレバー１のレバー
部３に発生させる第２の励振手段として、圧電素子から
なる第２の振動子１５を備えている。

【００４０】前記振動子１４，１５は、図２（ａ）に示
すように、支持ブロック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（後述
する図３（ａ）及び図４（ａ）も同様）。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及び支持ブロック１６の各上面はクリッ
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及び支持ブロック１６の各下面がカン
チレバー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の上面がカンチレバー１の支持体
４の下面に接触し、カンチレバー１の支持体４が振動子
１４，１５及び支持ブロック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及び支持ブロック１６は、ＸＹ平面と平行な
所定面内において、支持ブロック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及び支持ブロック１６はＹ軸
と平行な直線上に配置され、振動子１４及び支持ブロッ
ク１６はＸ軸と平行な直線上に配置されている。

【００４１】次に、前記２つの振動子１４，１５による
カンチレバー１の励振動作について、説明する。

【００４２】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カン
チレバー１の支持体４とレバー部３の振動の様子を模式
的に示している。図３（ａ）において、振動子１４をＺ
方向に振動させると、カンチレバー１の支持体４は支持
ブロック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１
４が振動すると、カンチレバー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、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、レバー部３は図３（ｂ）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。

【００４３】また、図４（ａ）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
のカンチレバー１の支持体４とレバー部３の振動の様子
を模式的に示す。図４（ａ）において、振動子１５をＺ
方向に振動させると、カンチレバー１の支持体４は支持
ブロック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１
５が振動すると、カンチレバー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、レバー部３の１次のねじれ振動の共振周波数に近い
と、レバー部３は図４（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。

【００４４】振動子１４，１５を同時に振動させると、
レバー部３には、前記撓み振動と前記ねじれ振動とが重
畳した振動が起きる。

【００４５】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、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、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レバー部
３自体に形成しておいてもよい。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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（ｂ）及び図４
（ｂ）に示すように、カンチレバー１のレバー部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
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，１８ｂ，１８ｃ，１
８ｄに分割されている。カンチレバー１が図３（ｂ）に
示す撓み振動モードの共振状態になると、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１が図４
（ｂ）に示すねじれ振動モードの共振状態になると、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４
２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，１８ｂ，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、
カンチレバー１のレバー部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。

【００４９】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。

【００５０】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（撓み
振幅信号）を出力する。この信号は、後述するようにカ
ンチレバー１の探針部２に作用するＺ方向の力を示す検
出信号であり、Ａ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換され
て前記ＤＳＰ２６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を出力する。この信号は、後述する
ようにカンチレバー１の探針部２に作用するＸ方向の力
を示す検出信号（ねじれ振幅信号）であり、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。

【００５１】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、
カンチレバー１のレバー部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、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。なお、本実施の形態では、これらの要素１７，１
８，１９，２０，２１と、カンチレバー１と、前記振動
子１４，１５及び発振回路２４，２５とが、探針部２と
試料との間に作用する力を検出する力検出装置を構成し
ている。

【００５２】ここで、本実施の形態による走査型プロー
ブ顕微鏡が採用している、この力検出装置自体の動作に
ついて、説明する。

【００５３】まず、探針部２に作用する縦方向（Ｚ方
向）の力の検出について、図５（ａ）及び図６（ａ）を
参照して説明する。図５（ａ）は、レバー部３に撓み振
動が生じている場合において、−Ｙ方向に見たカンチレ
バー１と、探針部２の軌跡６１とを模式的に示す概略図
である。図６（ａ）はカンチレバー１のレバー部３の撓
み振動の共振特性を示す図であり、図６（ａ）中の横軸
は周波数、縦軸は振幅を示している。図６（ａ）中の実
線で示す曲線５１は、探針部２に外力が作用しないとき
の周波数特性を示しており、外力が作用しない時のレバ
ー部３の撓み振動の共振周波数をω₀とする。図５
（ａ）では、振動子１４をＺ方向に共振周波数ω₀付近
の周波数ω_Dで振動させて、レバー部３にＺ方向の撓み
の共振振動を起こしている。そのため、探針部２の軌跡
６１は、Ｚ方向となる。その時のカンチレバー１の共振
の振幅はＡ₀である。ここで、探針部２を試料７０上を
走査させると、探針部２と探針部２の真下にある試料部
分７０ａとの間の相対距離の変化により、探針部２に作
用する力が変化する。図６（ａ）に示すように、その力
の変化により、撓み振動の共振周波数がω₀からω₀’に
シフトし、レバー部３の撓み振動の周波数特性は図６
（ａ）中の破線５２で示すようになる。このシフトによ
り、レバー部３の撓み共振の振幅がＡ₀からＡ₀’に変化
し、これに応じて前記ロックインアンプ２０からの出力
信号が変化する。このため、ロックインアンプ２０から
の出力信号の変化から、探針部２に作用するＺ方向の力
の変化を検出することができ、その結果、探針部２とそ
の真下にある試料部分７０ａとの間の相対距離の変化を
測定することができる。

【００５４】次に、探針部２に作用する横方向（本例で
は、Ｘ方向）の力の検出について、図５（ｂ）及び図６
（ｂ）を参照して説明する。図５（ｂ）は、レバー部３
にねじれ振動が生じている場合において、−Ｙ方向に見
たカンチレバー１と、探針部２の軌跡６２とを示す概略
図である。図６（ｂ）はカンチレバー１のレバー部３の
ねじれ振動の共振特性を示す図であり、図６（ｂ）中の
横軸は周波数、縦軸は振幅を示している。図６（ｂ）中
の実線で示す曲線５３は、探針部２に外力が作用しない
ときの周波数特性を示しており、外力が作用しない時の
レバー部３のねじれ振動の共振周波数をω₁とする。こ
の共振周波数ω₁は、一般的に、前記共振周波数ω₀より
高い。図５（ｂ）では振動子１５をＺ方向に共振周波数
ω₁付近の周波数ω_dで振動させている。これにより、カ
ンチレバー１の支持体４の軌跡は、矢印６３で示すよう
な往復回転運動となり、レバー部３にねじれ共振を起こ
している。そのため、探針部２の軌跡６２は、Ｘ方向と
なる。その時のカンチレバー１の共振の振幅はＡ₁であ
る。ここで、探針部２を試料７０上を走査させると、探
針部２と探針部２の真横にある試料部分７０ｂとの間の
相対距離の変化により、探針部２に作用する力が変化す
る。図６（ｂ）に示すように、その力の変化により、ね
じれ振動の共振周波数がω₁からω₁’にシフトし、レバ
ー部３のねじれ振動の周波数特性は図６（ｂ）中の破線
５４で示すようになる。このシフトにより、レバー部３
のねじれ共振の振幅がＡ₁からＡ₁’に変化し、これに応
じて前記ロックインアンプ２１からの出力信号が変化す
る。このため、ロックインアンプ２１の出力信号の変化
から、探針部２に作用するＸ方向の力の変化を検出する
ことができ、その結果、探針部２とその真横にある試料
部分（試料表面の凸部又は凹部の側面）７０ｂとの間の
相対距離の変化を測定することができる。

【００５５】前述した縦方向の力の検出と横方向の力の
検出を同時に行うこともできる。図５（ｃ）では、２つ
の振動子１４，１５を同時に振動させることにより、レ
バー部３に前記撓み共振と前記ねじれ共振を同時に発生
させている。図５（ｃ）は、レバー部３に撓み振動及び
ねじれ振動が同時に生じている場合において、−Ｙ方向
に見たカンチレバー１と、探針部２の軌跡６４とを示す
概略図である。一般にレバー部３の撓み振動の共振周波
数はねじれ振動の共振周波数に比べて低いため、実際の
探針１の軌跡６４は図５（ｃ）に示すように例えば
「８」の字のようになる。このように２つの共振モード
を重畳させても、それぞれの共振モードはお互いに干渉
することはなく、それぞれの振幅は４分割フォトダイオ
ード１５により別々に検出することができる。ここで、
探針部２を試料７０上を走査させると、探針部２とその
真下にある試料部分７０ａとの間の相対距離の変化と、
探針部２の真横にある試料部分７０ｂとの間の相対距離
の変化とにより、探針１に作用する力が変化する。その
力の変化により、図６に示すように撓み振動の共振周波
数とねじれ振動の共振周波数がそれぞれの割合でシフト
する。これらシフトにより、レバー部３の撓み共振の振
幅とねじれ共振の振幅が変化し、ロックインアンプ２
０，２１からの出力信号がそれぞれ変化する。このた
め、ロックインアンプ２０，２１からの出力信号の変化
から、探針部２に作用する縦方向の力の変化と横方向の
力の変化をそれぞれ検出することができ、その結果、探
針部２とその真下にある試料部分７０ａとの間の相対距
離の変化と、探針部２とその横にある試料部分７０ｂと
の間の相対距離の変化を、同時に測定することができ
る。

【００５６】前述した探針部２に作用する縦方向の力の
検出では、当該縦方向の力が変化するとレバー部３の撓
み振動の共振周波数のシフトが瞬時に起こるため、縦方
向の力の検出を迅速に行うことができる。同様に、前述
した探針部２に作用する横方向の力の検出では、当該横
方向の力が変化するとレバー部３のねじれ振動の共振周
波数のシフトが瞬時に起こるため、従来難しかった横方
向の力の検出を迅速に行うことができる。また、共振を
使った力検出は、力が微妙に変化しただけでもレバー部
の撓み共振の振幅及びねじれ共振の振幅が大きく変化す
るため、探針部２に作用する縦方向からの力のみなら
ず、従来不可能だった探針部２に作用する横方向からの
力も、高精度に検出することができる。

【００５７】再び図１を参照すると、本実施の形態によ
る走査型プローブ顕微鏡では、前記ＤＳＰ２６は、次の
動作を行う。ＤＳＰ２６は、予め、オートチューニング
動作を行う。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設定する。

【００５８】そして、ＤＳＰ２６は、発振回路２４，２
５を同時又は別々に作動させ、Ａ／Ｄ変換器２２，２３
からの信号に基づいて、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、カンチレ
バー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、ＤＳＰ２６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。

【００５９】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。ＤＳＰ２６は、第１の制御
モードと第２の制御モードとを切り換えて行う。前記第
１の制御モードでは、ＤＳＰ２６は、発振回路２４，２
５のうち少なくとも発振回路２４を作動させておく。ま
た、前記第１の制御モードでは、ＤＳＰ２６は、Ｘ，Ｙ
方向の移動指令値をそれぞれ出力してカンチレバー１を
ＸＹ平面と平行な方向（試料表面と略平行な方向）に移
動（走査）させつつ、Ａ／Ｄ変換器２２からの値（レバ
ー部３の撓み振動の振幅に相当）に基づいて、この値が
一定となるように（すなわち、撓み振動の成分の振動状
態が一定となるように）Ｚ方向の移動指令値を出力して
カンチレバー１をＺ方向に移動させる。これにより、前
記第１の制御モードでは、カンチレバー１がＸ，Ｙ方向
に走査されつつ、カンチレバー１がＺ方向の移動に関し
てレバー部３の撓み振動の振幅によるフィードバック制
御が達成される。

【００６０】また、前記第２の制御モードでは、ＤＳＰ
２６は、Ｚ方向の移動指令値を出力してカンチレバー１
をＺ方向に移動（走査）させつつ、Ａ／Ｄ変換器２３か
らの値（レバー部３のねじれ振動の振幅に相当）に基づ
いて、この値が一定となるように（すなわち、ねじれ振
動の成分の振動状態が一定となるように）Ｘ方向の移動
指令値を出力してカンチレバー１をＸ方向に移動させ
る。これにより、前記第２の制御モードでは、カンチレ
バー１がＺ方向に走査されつつ、カンチレバー１がＸ方
向の移動に関してレバー部３の撓み振動の振幅によるフ
ィードバック制御が達成される。なお、第２の制御モー
ドでは、当該モードの開始時におけるＹ方向の移動指令
値をそのまま保ってカンチレバー１のＹ方向位置を一定
にしておけばよい。もっとも、第２の制御モードにおい
て、カンチレバー１をＹ方向にも走査することも可能で
ある。

【００６１】前記第１の制御モードと前記第２の制御モ
ードとの切り換えは、例えば、次のようにして行われ
る。すなわち、ＤＳＰ２６は、前記第１の制御モード中
に、カンチレバー１のＺ方向の移動指令量（例えば、フ
ィードバック制御における偏差量に相当）が所定量より
大きくなるときに、前記第２の制御モードに切り換え
る。また、ＤＳＰ２６は、前記第２の制御モード中に、
カンチレバー１のＸ方向の移動指令量（例えば、フィー
ドバック制御における偏差量に相当）が所定量より大き
くなるときに、前記第１の制御モードに切り換える。

【００６２】また、前記第１の制御モードと前記第２の
制御モードとの切り換えは、例えば、次のようにして行
ってもよい。すなわち、ＤＳＰ２６は、前記第１の制御
モード中及び前記第２の制御モード中には、発振回路２
４，２５を同時に作動させる。そして、ＤＳＰ２６は、
前記第１の制御モード中に、Ａ／Ｄ変換器２３からの値
（レバー部３のねじれ振動の振幅に相当）の変化量が所
定量より大きくなるときに、前記第２の制御モードに切
り換える。また、ＤＳＰ２６は、前記第２の制御モード
中に、Ａ／Ｄ変換器２２からの値（レバー部３の撓み振
動の振幅に相当）の変化量が所定量より大きくなるとき
に、前記第１の制御モードに切り換える。

【００６３】以上説明したＤＳＰ２６の動作によって、
図５中の試料部分７０ａのようなＸＹ平面に近い部分で
あっても試料部分７０ｂのようなＸＹ平面に対して垂直
に近い部分であっても、探針部２の振動の中心は当該試
料部分に対して所定の距離を保つことになる。ＤＳＰ２
６から出力されるＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動指令値はそれぞ
れ試料形状を示す。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の移動指令値は、試
料形状データとし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。

【００６４】本実施の形態による走査型プローブ顕微鏡
によれば、前述した力検出装置が採用され、ＤＳＰ２６
により前述した制御が行われるので、試料表面の凸部又
は凹部の側面等に関しても迅速かつ高精度な形状測定を
行うことができる。

【００６５】以上、本発明の一実施の形態について説明
したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものでは
ない。

【００６６】前述した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、例えば、探針
部２の先端に金属膜等の導電膜や磁性膜を形成すれば、
走査型トンネル顕微鏡、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に適用することができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
カンチレバーの探針に作用する縦方向の力のみならず横
方向の力も迅速かつ高精度に検出することができる、走
査型プローブ顕微鏡等において用いることができる力検
出装置を提供することができる。

【００６８】また、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迅速かつ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がで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一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】一方の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、カンチレバーの支持体の振動の様子を
示す概略斜視図、図３（ｂ）はカンチレバーのレバー部
のねじれ振動の様子を示す概念斜視図である。

【図４】他方の振動子を振動させたときの様子を模式的
に示す概略斜視図である。

【図５】レバー部に各振動が生じている場合において−
Ｙ方向に見たカンチレバーと探針部の軌跡とを模式的に
示す概略図であり、図５（ａ）は一方の振動子を振動さ
せたときの様子、図５（ｂ）は他方の振動子を振動させ
たときの様子、図５（ｃ）は両方の振動子を振動させた
ときの様子を示す。

【図６】カンチレバーのレバー部の共振特性を示す図で
あり、図６（ａ）はレバー部の撓み振動の共振特性を示
す図、図６（ｂ）はレバー部のねじれ振動の共振特性を
示す図である。

【符号の説明】

１カンチレバー２探針部３レバー部４支持体７クリップ８Ｚ方向用圧電駆動部材９ブロック１０Ｘ方向用圧電駆動部材１１Ｙ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振動子１６支持ブロック１７レーザ光源１８４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２２，２３Ａ／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２９，３０，３１Ｄ／Ａ変換器３２駆動回路７０試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端側に探針部を有するレバー部と、該
レバー部を支持する支持体とを有するカンチレバーを備
え、前記探針部と試料との間に作用する力を検出する力
検出装置において、前記探針部が実質的に試料表面と略垂直な方向に振動す
るような第１のモードの振動を、前記レバー部に発生さ
せる第１の励振手段と、前記探針部が実質的に試料表面と略平行な方向に振動す
るような第２のモードの振動を、前記レバー部に発生さ
せる第２の励振手段と、前記レバー部の前記第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、前記レバー部の前記第２のモードの振動の成分の振動状
態を検出する第２の検出手段と、を備えたことを特徴とする力検出装置。
【請求項２】前記第１の励振手段と前記第２の励振手
段とを別々に作動させることを特徴とする請求項１記載
の力検出装置。
【請求項３】前記第１の励振手段と前記第２の励振手
段とを同時に作動させることを特徴とする請求項１記載
の力検出装置。
【請求項４】前記第１のモードの振動が前記レバー部
の撓み振動であり、前記第２のモードの振動が前記レバ
ー部のねじれ振動であることを特徴とする請求項１乃至
３のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項５】前記第１及び第２の検出手段は、前記第
１及び第２の検出手段で共用された、前記レバー部の一
部に光を照射する光源、及び、前記レバー部からの反射
光を受光する４分割フォトディテクタを有することを特
徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の力検出装
置。
【請求項６】先端側に探針部を有するレバー部と、該
レバー部を支持する支持体とを有するカンチレバーと、前記カンチレバーを試料表面に対して前記試料表面と略
平行な方向及び前記試料表面と略垂直な方向に相対的に
移動させる移動手段と、前記探針部が実質的に前記試料表面と略垂直な方向に振
動するような第１のモードの振動を、前記レバー部に発
生させる第１の励振手段と、前記探針部が実質的に前記試料表面と略平行な方向に振
動するような第２のモードの振動を、前記レバー部に発
生させる第２の励振手段と、前記レバー部の前記第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、前記レバー部の前記第２のモードの振動の成分の振動状
態を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段からの検出信号及び前記第２の検出
手段からの検出信号に基づいて、前記移動手段を制御し
て、前記カンチレバーの前記試料表面に対する相対的な
移動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。
【請求項７】先端側に探針部を有するレバー部と、該
レバー部を支持する支持体とを有するカンチレバーと、前記カンチレバーを試料表面に対して前記試料表面と略
平行な方向及び前記試料表面と略垂直な方向に相対的に
移動させる移動手段と、前記探針部が実質的に前記試料表面と略垂直な方向に振
動するような第１のモードの振動を、前記レバー部に発
生させる第１の励振手段と、前記探針部が実質的に前記試料表面と略平行な方向に振
動するような第２のモードの振動を、前記レバー部に発
生させる第２の励振手段と、前記レバー部の前記第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、前記レバー部の前記第２のモードの振動の成分の振動状
態を検出する第２の検出手段と、（ａ）前記カンチレバーが前記試料表面に対して前記試
料表面と略平行な方向に相対的に移動しつつ、前記第１
の検出手段により検出された成分の振動状態が一定とな
るように前記カンチレバーが前記試料表面に対して前記
試料表面と略垂直な方向に相対的に移動するように、前
記移動手段を制御する第１の制御モードと、（ｂ）前記
カンチレバーが前記試料表面に対して前記試料表面と略
垂直な方向に相対的に移動しつつ、前記第２の検出手段
により検出された成分の振動状態が一定となるように前
記カンチレバーが前記試料表面に対して前記試料表面と
略平行な方向に相対的に移動するように、前記移動手段
を制御する第２の制御モードとを、切り換えて行う制御
手段と、を備え、前記第１の励振手段は少なくとも前記第１の制御モード
中には作動され、前記第２の励振手段は少なくとも前記
第２の制御モード中には作動されることを特徴とする走
査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】前記制御手段は、前記第１の制御モード
中に、前記カンチレバーの前記試料表面に対する相対的
な前記略垂直な方向の移動の指令量が所定量より大きく
なるときに、前記第２の制御モードに切り換えるととも
に、前記第２の制御モード中に、前記カンチレバーの前
記試料表面に対する相対的な前記略平行な方向の移動指
令量が所定量より大きくなるときに、前記第１の制御モ
ードに切り換える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。
【請求項９】前記第１の制御モード中及び前記第２の
制御モード中に、前記第１の励振手段と前記第２の励振
手段とが同時に作動され、前記制御手段は、前記第１の制御モード中に、前記第２
の検出手段からの検出信号の変化量が所定量より大きく
なるときに、前記第２の制御モードに切り換えるととも
に、前記第２の制御モード中に、前記第１の検出手段か
らの検出信号の変化量が所定量より大きくなるときに、
前記第１の制御モードに切り換える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。
【請求項１０】前記第１のモードの振動が前記レバー
部の撓み振動であり、前記第２のモードの振動が前記レ
バー部のねじれ振動であることを特徴とする請求項６乃
至９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】前記第１及び第２の検出手段は、前記
第１及び第２の検出手段で共用された、前記レバー部の
一部に光を照射する光源、及び、前記レバー部からの反
射光を受光する４分割フォトディテクタを有することを
特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の走査型
プローブ顕微鏡。