JPH1130619A - 走査プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査プローブ顕微鏡Info
- Publication number
- JPH1130619A JPH1130619A JP9186441A JP18644197A JPH1130619A JP H1130619 A JPH1130619 A JP H1130619A JP 9186441 A JP9186441 A JP 9186441A JP 18644197 A JP18644197 A JP 18644197A JP H1130619 A JPH1130619 A JP H1130619A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sample
- probe
- voltage
- output
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/30—Scanning potential microscopy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/852—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe for detection of specific nanostructure sample or nanostructure-related property
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/868—Scanning probe structure with optical means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/871—Scanning probe structure with environmental regulation means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/873—Tip holder
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】固有振動数の高い探針保持部材を用いても凹凸
画像および表面電位像の各分解能を向上し、探針−試料
間の静電気力が大きくても強電界を生じさせない。 【解決手段】オシレータ１６の参照信号の所定周波数
ω、すなわちチップ２−試料３間に印加する交流電圧の
周波数ωが、カンチレバー１の固有振動数のシフトを一
定に保持するために圧電走査素子４のＺ圧電素子に供給
される電圧フィードバック（Ｚ信号）が十分追従できる
大きさに設定される。これにより、探針−試料間の静電
気力が大きくなった場合には、探針−試料間の距離が大
きくなるため、強電界が生じない。またピーク検出器２
３により、フィルタ１２の出力のうち、チップ２−試料
３間の距離が最小となるピーク値が検出され、かつこの
ピーク値が凹凸像の信号として用いられて、1/2周期の
ノイズが除去される。したがって、凹凸像の分解能がよ
り一層向上する。
画像および表面電位像の各分解能を向上し、探針−試料
間の静電気力が大きくても強電界を生じさせない。 【解決手段】オシレータ１６の参照信号の所定周波数
ω、すなわちチップ２−試料３間に印加する交流電圧の
周波数ωが、カンチレバー１の固有振動数のシフトを一
定に保持するために圧電走査素子４のＺ圧電素子に供給
される電圧フィードバック（Ｚ信号）が十分追従できる
大きさに設定される。これにより、探針−試料間の静電
気力が大きくなった場合には、探針−試料間の距離が大
きくなるため、強電界が生じない。またピーク検出器２
３により、フィルタ１２の出力のうち、チップ２−試料
３間の距離が最小となるピーク値が検出され、かつこの
ピーク値が凹凸像の信号として用いられて、1/2周期の
ノイズが除去される。したがって、凹凸像の分解能がよ
り一層向上する。
Description
【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の凹凸像
を観察するとともに、試料の表面電位像を観察する走査
プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の技術分野に属するものであ
る。
（ＡＦＭ）等の試料からの力を受けて試料表面の凹凸像
を観察するとともに、試料の表面電位像を観察する走査
プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の技術分野に属するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】チップ（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の凹凸像を観察するととも
に、試料表面の電位を観察するＳＰＭが、従来から開発
されている。図３はこのようなＳＰＭの中の、ＫＦＭ
（Kelvin probe microscopy）法によるＡＦＭの一例を
模式的に示す図である。図中、１は金等の金属をコーテ
ィングした導電性でかつ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チップ、３は
試料、４はＸ軸（図３の左右方向）、Ｙ軸（図３の紙面
に直交する方向）、およびＺ軸方向（図３の上下方向）
の試料３の各位置を制御する圧電走査素子（探針−試料
間距離制御手段に相当）、５はカンチレバー１の後端支
持部に取り付けられた加振用の圧電素子（カンチレバー
１とともに加振手段に相当）、６は光源（例 レーザ光
源等）、７はオプチカルディテクター（以下、光検出器
ともいう）、８はプリアンプ、９は発振用の圧電素子５
に加振出力信号を、振幅を調整して供給するオシレー
タ、１０はオシレータ９の加振出力信号が供給され、こ
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
する凹凸像（Topo像）観察用のロックインアンプまたは
ＲＭＳーＤＣ、１１は第１の誤差増幅器、１２はフィル
タ、１３はＺ圧電素子駆動電源（距離制御駆動手段に相
当）、１４は表面電位観察用の第１のロックインアン
プ、１５は表面電位観察用の第２のロックインアンプ、
１６は第１および第２のロックインアンプ１４,１５に
所定周波数ωの交流電圧の参照信号を供給するととも
に、振幅を所定の大きさに調整して出力するオシレータ
（発振器に相当）、１７は０調整すなわち第１のロック
インアンプ１４からの入力が０となる直流電圧Ｖｄｃを
出力するとともに、この直流電圧Ｖｄｃをカンチレバー
１にフィードバックさせるためのフィルタ等を有する第
２の誤差増幅器、１８はオシレータ１６の加振出力信号
と第２の誤差増幅器１７の出力直流電圧Ｖｄｃとを加算
した電位をカンチレバー１に印加する加算器１８であ
る。
理的な力を測定して試料表面の凹凸像を観察するととも
に、試料表面の電位を観察するＳＰＭが、従来から開発
されている。図３はこのようなＳＰＭの中の、ＫＦＭ
（Kelvin probe microscopy）法によるＡＦＭの一例を
模式的に示す図である。図中、１は金等の金属をコーテ
ィングした導電性でかつ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チップ、３は
試料、４はＸ軸（図３の左右方向）、Ｙ軸（図３の紙面
に直交する方向）、およびＺ軸方向（図３の上下方向）
の試料３の各位置を制御する圧電走査素子（探針−試料
間距離制御手段に相当）、５はカンチレバー１の後端支
持部に取り付けられた加振用の圧電素子（カンチレバー
１とともに加振手段に相当）、６は光源（例 レーザ光
源等）、７はオプチカルディテクター（以下、光検出器
ともいう）、８はプリアンプ、９は発振用の圧電素子５
に加振出力信号を、振幅を調整して供給するオシレー
タ、１０はオシレータ９の加振出力信号が供給され、こ
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
する凹凸像（Topo像）観察用のロックインアンプまたは
ＲＭＳーＤＣ、１１は第１の誤差増幅器、１２はフィル
タ、１３はＺ圧電素子駆動電源（距離制御駆動手段に相
当）、１４は表面電位観察用の第１のロックインアン
プ、１５は表面電位観察用の第２のロックインアンプ、
１６は第１および第２のロックインアンプ１４,１５に
所定周波数ωの交流電圧の参照信号を供給するととも
に、振幅を所定の大きさに調整して出力するオシレータ
（発振器に相当）、１７は０調整すなわち第１のロック
インアンプ１４からの入力が０となる直流電圧Ｖｄｃを
出力するとともに、この直流電圧Ｖｄｃをカンチレバー
１にフィードバックさせるためのフィルタ等を有する第
２の誤差増幅器、１８はオシレータ１６の加振出力信号
と第２の誤差増幅器１７の出力直流電圧Ｖｄｃとを加算
した電位をカンチレバー１に印加する加算器１８であ
る。
【０００３】このＡＦＭはチップ２と試料３とが互いに
対向して非接触（Non Contact）で配置されるＮＣーＡ
ＦＭであり、光源６からレーザ光等の光がカンチレバー
１の背面にフォーカスするように照射されるとともにこ
の背面に当たって反射し、その反射光が光検出器７に入
射するようになっており、光源６、カンチレバー１およ
び光検出器７により光てこ方式のカンチレバー１の変位
の検出系が構成されている。この光てこ方式の変位検出
系はチップ２−試料３間の原子間力によりカンチレバー
１が撓むことによる反射角の変化をカンチレバー１から
離れた位置に置かれた光検出器７上での照射位置の変化
とし、この照射位置の変化からカンチレバー１の撓み量
を検出する方法である。
対向して非接触（Non Contact）で配置されるＮＣーＡ
ＦＭであり、光源６からレーザ光等の光がカンチレバー
１の背面にフォーカスするように照射されるとともにこ
の背面に当たって反射し、その反射光が光検出器７に入
射するようになっており、光源６、カンチレバー１およ
び光検出器７により光てこ方式のカンチレバー１の変位
の検出系が構成されている。この光てこ方式の変位検出
系はチップ２−試料３間の原子間力によりカンチレバー
１が撓むことによる反射角の変化をカンチレバー１から
離れた位置に置かれた光検出器７上での照射位置の変化
とし、この照射位置の変化からカンチレバー１の撓み量
を検出する方法である。
【０００４】このような構成をしたＡＦＭにおいては、
オシレータ９から発振出力信号が圧電素子５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、チップ２を試料
３に数ｎｍ程度に接近させると、チップ２と試料３との
間に発生する物理的な力のこう配によりカンチレバー１
の振動振幅が変化する。これにより光検出器７の出力が
変化し、変化した出力信号がプリアンプ８によって適当
な振幅に増幅されて凹凸像観察用のロックインアンプ１
０に供給される。このロックインアンプ１０は、供給さ
れた光検出器７の出力信号とオシレータ９からの出力信
号とに含まれる周波数成分とを比較して、共通の周波数
成分の振幅に比例した信号を出力し、この出力信号が第
１の誤差増幅器１１に送られる。第１の誤差増幅器１１
はこの出力と参照電圧Ｖにより設定された一定電圧、す
なわち固有振動数とのずれを一定に保つように出力し、
この出力がフィルタ１２を介してＺ圧電素子駆動電源１
３に送られる。このＺ圧電素子駆動電源１３は、圧電走
査素子４に対して、フィルタ１２からの出力信号に基づ
いて試料３のＺ方向の位置を制御するＺ信号を出力し
て、チップ２−試料３間の距離を制御するようにフィー
ドバック制御を行う。
オシレータ９から発振出力信号が圧電素子５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、チップ２を試料
３に数ｎｍ程度に接近させると、チップ２と試料３との
間に発生する物理的な力のこう配によりカンチレバー１
の振動振幅が変化する。これにより光検出器７の出力が
変化し、変化した出力信号がプリアンプ８によって適当
な振幅に増幅されて凹凸像観察用のロックインアンプ１
０に供給される。このロックインアンプ１０は、供給さ
れた光検出器７の出力信号とオシレータ９からの出力信
号とに含まれる周波数成分とを比較して、共通の周波数
成分の振幅に比例した信号を出力し、この出力信号が第
１の誤差増幅器１１に送られる。第１の誤差増幅器１１
はこの出力と参照電圧Ｖにより設定された一定電圧、す
なわち固有振動数とのずれを一定に保つように出力し、
この出力がフィルタ１２を介してＺ圧電素子駆動電源１
３に送られる。このＺ圧電素子駆動電源１３は、圧電走
査素子４に対して、フィルタ１２からの出力信号に基づ
いて試料３のＺ方向の位置を制御するＺ信号を出力し
て、チップ２−試料３間の距離を制御するようにフィー
ドバック制御を行う。
【０００５】ところで、フィルタ１２はこのようなフィ
ードバック回路を安定に動作させるためのものであり、
このフィルタ１２の出力が試料３表面の凹凸像の信号と
なり、この凹凸像の信号が、図示しない画像表示装置に
送られる。そして、このようなチップ２−試料３間の距
離一定制御を行いながらチップ２または試料３を２次元
走査（Ｘ、Ｙ方向）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において得られる。
ードバック回路を安定に動作させるためのものであり、
このフィルタ１２の出力が試料３表面の凹凸像の信号と
なり、この凹凸像の信号が、図示しない画像表示装置に
送られる。そして、このようなチップ２−試料３間の距
離一定制御を行いながらチップ２または試料３を２次元
走査（Ｘ、Ｙ方向）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において得られる。
【０００６】一方、プリアンプ８によって振幅が増幅さ
れた光検出器７の出力は、試料３の表面電位像観察用の
第１のロックインアンプ１４および第２のロックインア
ンプ１５に入力される。また、これらの第１および第２
のロックインアンプ１４,１５には、オシレータ１６か
ら所定周波数ωの交流電圧の参照信号が供給されてい
る。そして、第１のロックインアンプ１４では、この参
照信号の所定周波数ωと同じ周期（すなわちω成分）の
振幅に相当する信号が検出され、また第２のロックイン
アンプ１５では、この参照信号の周波数ωと1/2周期
（すなわち２ω成分）の振幅に相当する信号が検出され
る。
れた光検出器７の出力は、試料３の表面電位像観察用の
第１のロックインアンプ１４および第２のロックインア
ンプ１５に入力される。また、これらの第１および第２
のロックインアンプ１４,１５には、オシレータ１６か
ら所定周波数ωの交流電圧の参照信号が供給されてい
る。そして、第１のロックインアンプ１４では、この参
照信号の所定周波数ωと同じ周期（すなわちω成分）の
振幅に相当する信号が検出され、また第２のロックイン
アンプ１５では、この参照信号の周波数ωと1/2周期
（すなわち２ω成分）の振幅に相当する信号が検出され
る。
【０００７】第１のロックインアンプ１４で検出された
ω成分は第２の誤差増幅器１７に送られ、第２の誤差増
幅器１７は入力されるこのω成分がゼロとなるような直
流電圧（ＤＣ電圧）Ｖｄｃを出力し（すなわち０調整を
行う）、この出力が加算器１８に送られる。また、加算
器１８には、オシレータ１６から参照信号と同じ周波数
ωの交流電圧がオシレータ１６内の振幅調整器によって
振幅が所定の大きさに調整されて供給されている。加算
器１８は、オシレータ１６からの周波数ωの交流電圧と
第２の誤差増幅器１７からの直流電圧Ｖｄｃを加算して
カンチレバー１に印加することにより、電圧がフィード
バックされる。
ω成分は第２の誤差増幅器１７に送られ、第２の誤差増
幅器１７は入力されるこのω成分がゼロとなるような直
流電圧（ＤＣ電圧）Ｖｄｃを出力し（すなわち０調整を
行う）、この出力が加算器１８に送られる。また、加算
器１８には、オシレータ１６から参照信号と同じ周波数
ωの交流電圧がオシレータ１６内の振幅調整器によって
振幅が所定の大きさに調整されて供給されている。加算
器１８は、オシレータ１６からの周波数ωの交流電圧と
第２の誤差増幅器１７からの直流電圧Ｖｄｃを加算して
カンチレバー１に印加することにより、電圧がフィード
バックされる。
【０００８】カンチレバー１への交流電圧の印加によ
り、アース電位である試料３とカンチレバー１先端のチ
ップ２との間に静電気力が働き、カンチレバー１の固有
振動数のシフトが印加される交流電圧の周期で生じる。
このシフトの周期がω成分であり、試料３の表面電位と
チップ２の先端の電位が同じとき、２ω成分だけにな
る。また、カンチレバー１への直流電圧Ｖｄｃのフィー
ドバックにより、試料３の表面電位とチップ２の先端の
電位とが同電位に保たれる。
り、アース電位である試料３とカンチレバー１先端のチ
ップ２との間に静電気力が働き、カンチレバー１の固有
振動数のシフトが印加される交流電圧の周期で生じる。
このシフトの周期がω成分であり、試料３の表面電位と
チップ２の先端の電位が同じとき、２ω成分だけにな
る。また、カンチレバー１への直流電圧Ｖｄｃのフィー
ドバックにより、試料３の表面電位とチップ２の先端の
電位とが同電位に保たれる。
【０００９】ところで、第２の誤差増幅器１７から出力
される直流電圧Ｖｄｃが試料３の表面電位となり、この
直流電圧Ｖｄｃを図示しない画像表示装置に供給するこ
とにより、画像表示装置において試料３の表面電位像が
得られる。
される直流電圧Ｖｄｃが試料３の表面電位となり、この
直流電圧Ｖｄｃを図示しない画像表示装置に供給するこ
とにより、画像表示装置において試料３の表面電位像が
得られる。
【００１０】一方、第２のロックインアンプ１５で検出
された２ω成分の信号には、チップ２−試料３間の容量
に関係した情報が含まれており、表面電位の観察に応じ
てこの信号も画像表示装置に表面電位と同時表示させ
る。
された２ω成分の信号には、チップ２−試料３間の容量
に関係した情報が含まれており、表面電位の観察に応じ
てこの信号も画像表示装置に表面電位と同時表示させ
る。
【００１１】このように、この例のＡＦＭでは、試料３
の表面電位像を観察する手法として、静電気力を直接力
Ｆ、すなわちカンチレバー１の撓みとして検出し、静電
気力が最小となるチップ印加電圧を求めることにより、
チップ表面に対する相対的な試料３の表面電位を得ると
いう、いわゆるＫＦＭ法が用いられている。
の表面電位像を観察する手法として、静電気力を直接力
Ｆ、すなわちカンチレバー１の撓みとして検出し、静電
気力が最小となるチップ印加電圧を求めることにより、
チップ表面に対する相対的な試料３の表面電位を得ると
いう、いわゆるＫＦＭ法が用いられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述の図３
に示す、直接力Ｆを検出するような従来のＡＦＭでは、
カンチレバー１の撓みの検出を確実に行うようにするた
めには、ばね定数が小さいカンチレバー１を使用しなけ
ればならない。しかしながら、カンチレバー１のばね定
数を小さくすると、カンチレバー１が撓み易くなり、カ
ンチレバー１の先端のチップ２が試料３に接触し吸着さ
れてしまうおそれがある。このため、チップ２−試料３
間の距離をあまり小さくすることはできなく、その結果
試料３の表面電位と同時に観察される凹凸像の分解能を
よくすることができないという問題がある。
に示す、直接力Ｆを検出するような従来のＡＦＭでは、
カンチレバー１の撓みの検出を確実に行うようにするた
めには、ばね定数が小さいカンチレバー１を使用しなけ
ればならない。しかしながら、カンチレバー１のばね定
数を小さくすると、カンチレバー１が撓み易くなり、カ
ンチレバー１の先端のチップ２が試料３に接触し吸着さ
れてしまうおそれがある。このため、チップ２−試料３
間の距離をあまり小さくすることはできなく、その結果
試料３の表面電位と同時に観察される凹凸像の分解能を
よくすることができないという問題がある。
【００１３】しかも、前述のように表面電位の検出のた
めに、チップ２−試料３間に印加している電圧により静
電気力が発生するが、この静電気力は、チップ２−試料
３間の距離を大きくする、換言すればチップ２と試料３
とを互いに遠ざけるようになる。したがって、これによ
っても前述のＫＦＭにおいて表面電位と同時に観察され
る凹凸像の原子像レベルでの観察が可能になるまでには
至っていない。そこで、前述の周波数シフトを大きくし
て、チップ２と試料３とを互いにより近づけると、チッ
プ２−試料３間に強電界が発生し、この強電界により試
料３の表面が破損してしまうおそれがある。
めに、チップ２−試料３間に印加している電圧により静
電気力が発生するが、この静電気力は、チップ２−試料
３間の距離を大きくする、換言すればチップ２と試料３
とを互いに遠ざけるようになる。したがって、これによ
っても前述のＫＦＭにおいて表面電位と同時に観察され
る凹凸像の原子像レベルでの観察が可能になるまでには
至っていない。そこで、前述の周波数シフトを大きくし
て、チップ２と試料３とを互いにより近づけると、チッ
プ２−試料３間に強電界が発生し、この強電界により試
料３の表面が破損してしまうおそれがある。
【００１４】一方、ＮＣーＡＦＭによる、表面電位像と
同時に観察される試料３表面の凹凸像の観察方法におい
ては、近年ばね定数の比較的大きいカンチレバー１を超
高真空下で使用することにより、試料３の原子像観察が
可能となっている。このような原子像観察が可能な状態
で、従来のように直接力Ｆを検出するようにした場合に
は、表面電位の分解能が非常に悪くなってしまうという
問題もある。
同時に観察される試料３表面の凹凸像の観察方法におい
ては、近年ばね定数の比較的大きいカンチレバー１を超
高真空下で使用することにより、試料３の原子像観察が
可能となっている。このような原子像観察が可能な状態
で、従来のように直接力Ｆを検出するようにした場合に
は、表面電位の分解能が非常に悪くなってしまうという
問題もある。
【００１５】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、ばね定数の大きいカンチレ
バーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを用い
て試料表面の凹凸画像の分解能を高くしながら、しかも
試料表面の電位像の分解能を向上させることができ、更
に探針−試料間の電位差が大きくなって静電気力が大き
くなっても、探針−試料間に強電界を生じなくすること
のできる走査プローブ顕微鏡を提供することである。
ものであって、その目的は、ばね定数の大きいカンチレ
バーや固有振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを用い
て試料表面の凹凸画像の分解能を高くしながら、しかも
試料表面の電位像の分解能を向上させることができ、更
に探針−試料間の電位差が大きくなって静電気力が大き
くなっても、探針−試料間に強電界を生じなくすること
のできる走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【００１６】
【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
針と、前記探針を支持しかつこの探針を加振する加振手
段と、この加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で
前記加振手段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振
動周波数の変化をこの変化に対応した電圧に変換する周
波数−電圧変換器と、この周波数−電圧変換器の出力と
前記固有振動数とのずれを一定に保つように出力する第
１の誤差増幅器と、前記探針と前記試料との間の距離を
制御する探針−試料間距離制御手段と、前記探針−試料
間距離制御手段に、前記第１の誤差増幅器の出力に基づ
いて前記加振手段の固有振動数のシフトを一定に保持す
るための電圧をフィードバックする距離制御駆動手段
と、この電圧のフィードバックが追従可能な大きさに設
定された所定周波数の交流電圧の参照信号を出力する発
振器と、前記第１の誤差増幅器の出力からこの発振器の
出力する参照信号と同じ所定周波数成分を検出し出力す
る周波数検出手段と、この周波数検出手段の出力がゼロ
となる直流電圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記発
振器が出力する参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増
幅器が出力する直流電圧とを加算した電圧を探針−試料
間に印加する加算手段とを備え、前記第１の誤差増幅器
の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得ると
ともに、前記第２の誤差増幅器の出力信号に基づいて、
前記試料の表面電位像を得ることを特徴としている。
めに、請求項１の発明は、試料に対向して配置された探
針と、前記探針を支持しかつこの探針を加振する加振手
段と、この加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で
前記加振手段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振
動周波数の変化をこの変化に対応した電圧に変換する周
波数−電圧変換器と、この周波数−電圧変換器の出力と
前記固有振動数とのずれを一定に保つように出力する第
１の誤差増幅器と、前記探針と前記試料との間の距離を
制御する探針−試料間距離制御手段と、前記探針−試料
間距離制御手段に、前記第１の誤差増幅器の出力に基づ
いて前記加振手段の固有振動数のシフトを一定に保持す
るための電圧をフィードバックする距離制御駆動手段
と、この電圧のフィードバックが追従可能な大きさに設
定された所定周波数の交流電圧の参照信号を出力する発
振器と、前記第１の誤差増幅器の出力からこの発振器の
出力する参照信号と同じ所定周波数成分を検出し出力す
る周波数検出手段と、この周波数検出手段の出力がゼロ
となる直流電圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記発
振器が出力する参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増
幅器が出力する直流電圧とを加算した電圧を探針−試料
間に印加する加算手段とを備え、前記第１の誤差増幅器
の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得ると
ともに、前記第２の誤差増幅器の出力信号に基づいて、
前記試料の表面電位像を得ることを特徴としている。
【００１７】また請求項２の発明は、前記第１の誤差増
幅器からの出力のうち、前記探針と前記試料との間の距
離が最小となるピーク値を検出するピーク検出器を備
え、このピーク値検出器の出力信号に基づいて、前記試
料表面の凹凸像を得ることを特徴としている。
幅器からの出力のうち、前記探針と前記試料との間の距
離が最小となるピーク値を検出するピーク検出器を備
え、このピーク値検出器の出力信号に基づいて、前記試
料表面の凹凸像を得ることを特徴としている。
【００１８】
【作用】このような構成をした請求項１の発明の走査プ
ローブ顕微鏡においては、周波数−電圧変換器の出力で
ある力の勾配を用いて試料の表面電位が検出されるよう
になる。したがって、表面電位の検出において、ばね定
数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタ
イプのＳＰＭを使用しても、表面電位像の分解能が良好
になるとともに、ばね定数の大きいカンチレバーや固有
振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用することに
より、表面電位像と同時観察される試料の凹凸像の分解
能が原子レベルまで向上するようになる。
ローブ顕微鏡においては、周波数−電圧変換器の出力で
ある力の勾配を用いて試料の表面電位が検出されるよう
になる。したがって、表面電位の検出において、ばね定
数の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタ
イプのＳＰＭを使用しても、表面電位像の分解能が良好
になるとともに、ばね定数の大きいカンチレバーや固有
振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用することに
より、表面電位像と同時観察される試料の凹凸像の分解
能が原子レベルまで向上するようになる。
【００１９】また、探針−試料間に印加する交流電圧の
周波数が、加振手段の固有振動数のシフトを一定に保持
するための電圧フィードバックが十分追従できる大きさ
に設定される。したがって、探針−試料間の電位差が大
きくなって静電気力が大きくなった場合には、探針−試
料間の距離が大きくなるため、静電気力が大きくなって
も、強電界が生じない。これにより、試料表面が破損す
るようなことはなくなる。
周波数が、加振手段の固有振動数のシフトを一定に保持
するための電圧フィードバックが十分追従できる大きさ
に設定される。したがって、探針−試料間の電位差が大
きくなって静電気力が大きくなった場合には、探針−試
料間の距離が大きくなるため、静電気力が大きくなって
も、強電界が生じない。これにより、試料表面が破損す
るようなことはなくなる。
【００２０】また請求項２の発明においては、第２の誤
差増幅器が、周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電
圧を出力するとともに、この直流電圧が探針−試料間に
印加されるようになっていることから、距離制御駆動手
段から探針−試料間距離制御手段に供給される電圧のフ
ィードバック周期、すなわち第１の誤差増幅器からの凹
凸像信号の周期が発振器の所定周波数の1/2周期となっ
ているが、ピーク検出器により、この第１の誤差増幅器
からの出力のうち、探針と試料との間の距離が最小とな
るピーク値、すなわち静電気力を受けていない時点での
ピーク値が検出される。そして、この検出されたピーク
値が凹凸像の信号として用いられる。このように、1/2
周期の信号を直接凹凸像として用いた場合に、生じる1/
2周期のノイズが除去される。したがって、凹凸像の分
解能がより一層向上する。
差増幅器が、周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電
圧を出力するとともに、この直流電圧が探針−試料間に
印加されるようになっていることから、距離制御駆動手
段から探針−試料間距離制御手段に供給される電圧のフ
ィードバック周期、すなわち第１の誤差増幅器からの凹
凸像信号の周期が発振器の所定周波数の1/2周期となっ
ているが、ピーク検出器により、この第１の誤差増幅器
からの出力のうち、探針と試料との間の距離が最小とな
るピーク値、すなわち静電気力を受けていない時点での
ピーク値が検出される。そして、この検出されたピーク
値が凹凸像の信号として用いられる。このように、1/2
周期の信号を直接凹凸像として用いた場合に、生じる1/
2周期のノイズが除去される。したがって、凹凸像の分
解能がより一層向上する。
【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、ＡＦＭに適用した場合に
ついて模式的に示す図である。なお、図３に示す従来の
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。
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、ＡＦＭに適用した場合に
ついて模式的に示す図である。なお、図３に示す従来の
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。
【００２２】前述の図３に示すＡＦＭにおいては、オシ
レータ９、ロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ１０、
および第２のロックインアンプ１５が設けられている
が、本例のＡＦＭは、図１に示すようにこれらのオシレ
ータ９、ロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ１０、お
よび第２のロックインアンプ１５がそれぞれ削除されて
おり、代わりにプリアンプ８の出力が位相調整器１９に
入力されるとともに、この位相調整器１９の出力が波形
変換器２０に入力されるようになっている。また、波形
変換器２０の出力が振幅調整器を有するアッテネータ２
１（加振駆動手段に相当）および周波数−電圧変換器
（Ｆ／Ｖ変換器：ＰＬＬ）２２に供給されるようになっ
ている。
レータ９、ロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ１０、
および第２のロックインアンプ１５が設けられている
が、本例のＡＦＭは、図１に示すようにこれらのオシレ
ータ９、ロックインアンプまたはＲＭＳーＤＣ１０、お
よび第２のロックインアンプ１５がそれぞれ削除されて
おり、代わりにプリアンプ８の出力が位相調整器１９に
入力されるとともに、この位相調整器１９の出力が波形
変換器２０に入力されるようになっている。また、波形
変換器２０の出力が振幅調整器を有するアッテネータ２
１（加振駆動手段に相当）および周波数−電圧変換器
（Ｆ／Ｖ変換器：ＰＬＬ）２２に供給されるようになっ
ている。
【００２３】アッテネータ２１の出力は、内蔵されてい
る振幅調整器によって振幅が調整されて加振用圧電素子
５に供給されるようになっており、またＦ／Ｖ変換器２
２の出力が、第１の誤差増幅器１１に供給されるように
なっている。更に、フィルタ１２の出力がロックインア
ンプ１４（図３の第１のロックインアンプ１４に相当）
に供給されるようになっている。
る振幅調整器によって振幅が調整されて加振用圧電素子
５に供給されるようになっており、またＦ／Ｖ変換器２
２の出力が、第１の誤差増幅器１１に供給されるように
なっている。更に、フィルタ１２の出力がロックインア
ンプ１４（図３の第１のロックインアンプ１４に相当）
に供給されるようになっている。
【００２４】更に本例においては、前述と同様にフィル
タ１２の出力が試料３の表面の凹凸像の信号となってい
る。しかし、その場合、フィルタ１２の出力信号が参照
周波数ωの1/2周期（２ω成分）となっているため、こ
の信号を直接凹凸像の信号として用いた場合には、この
周期のノイズが現れてしまうので、このノイズを除去す
るためにピーク検出器２３を用いて、チップ２−試料３
間の距離が最小となるピーク値、すなわち静電気力が０
となる点の出力信号を、凹凸像の信号として用いるよう
にしている。
タ１２の出力が試料３の表面の凹凸像の信号となってい
る。しかし、その場合、フィルタ１２の出力信号が参照
周波数ωの1/2周期（２ω成分）となっているため、こ
の信号を直接凹凸像の信号として用いた場合には、この
周期のノイズが現れてしまうので、このノイズを除去す
るためにピーク検出器２３を用いて、チップ２−試料３
間の距離が最小となるピーク値、すなわち静電気力が０
となる点の出力信号を、凹凸像の信号として用いるよう
にしている。
【００２５】また、オシレータ１６の参照信号の所定周
波数ω、すなわち加算器１８からチップ２と試料３との
間に印加される交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）の周波
数は、フィルタ１２の出力信号に基づいて出力されるＺ
圧電素子駆動電源１３から圧電走査素子４のＺ圧電素子
へのＺ圧電素子印加電圧（Ｚ信号）のフィードバックが
十分追従する交流電圧の周波数に設定されている。
波数ω、すなわち加算器１８からチップ２と試料３との
間に印加される交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）の周波
数は、フィルタ１２の出力信号に基づいて出力されるＺ
圧電素子駆動電源１３から圧電走査素子４のＺ圧電素子
へのＺ圧電素子印加電圧（Ｚ信号）のフィードバックが
十分追従する交流電圧の周波数に設定されている。
【００２６】本例のＡＦＭの他の構成は、図３に示す従
来のＡＦＭと同じである。
来のＡＦＭと同じである。
【００２７】このように構成された本例のＡＦＭにおい
ては、図３のＡＦＭと同様に光源６からの光がカンチレ
バー１に当たって反射し、その反射光が光検出器７によ
って検出され、この光検出器７の出力がプリアンプ８に
よって適当な大きさの振幅に増幅される。プリアンプ８
で振幅が増幅された光検出器７の出力は、位相調整器１
９によって発振系（加振用圧電素子５ー光検出器７ープ
リアンプ８ー位相調整器１９ー波形変換器２０ーアッテ
ネータ２１からなる系）が加振用圧電素子５への最大の
正帰還となるようにその位相が調整された後、例えばコ
ンパレータ等の波形変換器２０により電源電圧のような
ある一定の振幅の方形波に変換されて、参照波が形成さ
れる。その場合、この参照波が予期しないカンチレバー
１の振幅の変化に対しても変化しない程度にプリアンプ
８のゲインを調整しておく。
ては、図３のＡＦＭと同様に光源６からの光がカンチレ
バー１に当たって反射し、その反射光が光検出器７によ
って検出され、この光検出器７の出力がプリアンプ８に
よって適当な大きさの振幅に増幅される。プリアンプ８
で振幅が増幅された光検出器７の出力は、位相調整器１
９によって発振系（加振用圧電素子５ー光検出器７ープ
リアンプ８ー位相調整器１９ー波形変換器２０ーアッテ
ネータ２１からなる系）が加振用圧電素子５への最大の
正帰還となるようにその位相が調整された後、例えばコ
ンパレータ等の波形変換器２０により電源電圧のような
ある一定の振幅の方形波に変換されて、参照波が形成さ
れる。その場合、この参照波が予期しないカンチレバー
１の振幅の変化に対しても変化しない程度にプリアンプ
８のゲインを調整しておく。
【００２８】更に、アッテネータ２１は、この参照波の
抵抗分割等によって、カンチレバー１の振動振幅が適当
な大きさになるように、加振用圧電素子５に印加する電
圧振幅を設定する。以上の発振系により、カンチレバー
１は、その加振振幅が一定に保持された状態でかつカン
チレバー１の固有振動数で発振する。
抵抗分割等によって、カンチレバー１の振動振幅が適当
な大きさになるように、加振用圧電素子５に印加する電
圧振幅を設定する。以上の発振系により、カンチレバー
１は、その加振振幅が一定に保持された状態でかつカン
チレバー１の固有振動数で発振する。
【００２９】一方、波形変換器２０からの参照波は、そ
の周波数の変化がＦ／Ｖ変換器２２によってその変化に
対応した電圧に変換される。このＦ／Ｖ変換器２２の出
力は第１の誤差増幅器１１に供給され、前述の図３のＡ
ＦＭと同様にこの第１の誤差増幅器１１において参照電
圧Ｖにより設定された一定電圧すなわち固有振動数との
ずれを一定に保つようにフィルタ１２およびＺ圧電素子
駆動電源１３を介して、Ｚ信号の形で圧電走査素子４の
Ｚ方向の変位にフィードバックされる。その場合、Ｆ／
Ｖ変換器２２の出力がカンチレバー１の力の勾配（周波
数シフト）Ｆ′となっている。また、フィルタ１２はこ
のフィードバック回路を安定させ、その出力が試料３の
凹凸像の信号となる。
の周波数の変化がＦ／Ｖ変換器２２によってその変化に
対応した電圧に変換される。このＦ／Ｖ変換器２２の出
力は第１の誤差増幅器１１に供給され、前述の図３のＡ
ＦＭと同様にこの第１の誤差増幅器１１において参照電
圧Ｖにより設定された一定電圧すなわち固有振動数との
ずれを一定に保つようにフィルタ１２およびＺ圧電素子
駆動電源１３を介して、Ｚ信号の形で圧電走査素子４の
Ｚ方向の変位にフィードバックされる。その場合、Ｆ／
Ｖ変換器２２の出力がカンチレバー１の力の勾配（周波
数シフト）Ｆ′となっている。また、フィルタ１２はこ
のフィードバック回路を安定させ、その出力が試料３の
凹凸像の信号となる。
【００３０】この凹凸像を観察する部分はＦＭ検出法を
用いたＮＣ−ＡＦＭであり、このフィルタ１２の出力信
号がロックインアンプ１４に入力される。そして、ロッ
クインアンプ１４では、オシレータ１６の参照信号の所
定周波数ωと同じ周期（すなわちω成分）の振幅に相当
する信号が検出される。ロックインアンプ１４で周波数
ω成分の信号が検出されるときは、フィルタ１２の出力
信号の波形は図２（ｂ）あるいは図２（ｄ）で表され
る。以後、前述の図３に示すＡＦＭと同様に、第２の誤
差増幅器１７はロックインアンプ１４で検出されたω成
分がゼロとなるＤＣ電圧Ｖｄｃを出力し、このＤＣ電圧
Ｖｄｃとオシレータ１６からの参照信号の所定周波数ω
と同じ周波数の交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）とが加
算器１８により加算される。この加算された電圧Ｖ（＝
Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ(ωｔ)）が加算器１８から金等
の金属がコーティングされたカンチレバー１を介してチ
ップ２に印加される。このとき、オシレータ１６からの
交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）の振幅はオシレータ１
６内の振幅調整器によって設定され、またこのときのチ
ップ２への印加電圧Ｖの波形は、図２（ａ）で表され
る。
用いたＮＣ−ＡＦＭであり、このフィルタ１２の出力信
号がロックインアンプ１４に入力される。そして、ロッ
クインアンプ１４では、オシレータ１６の参照信号の所
定周波数ωと同じ周期（すなわちω成分）の振幅に相当
する信号が検出される。ロックインアンプ１４で周波数
ω成分の信号が検出されるときは、フィルタ１２の出力
信号の波形は図２（ｂ）あるいは図２（ｄ）で表され
る。以後、前述の図３に示すＡＦＭと同様に、第２の誤
差増幅器１７はロックインアンプ１４で検出されたω成
分がゼロとなるＤＣ電圧Ｖｄｃを出力し、このＤＣ電圧
Ｖｄｃとオシレータ１６からの参照信号の所定周波数ω
と同じ周波数の交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）とが加
算器１８により加算される。この加算された電圧Ｖ（＝
Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ(ωｔ)）が加算器１８から金等
の金属がコーティングされたカンチレバー１を介してチ
ップ２に印加される。このとき、オシレータ１６からの
交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）の振幅はオシレータ１
６内の振幅調整器によって設定され、またこのときのチ
ップ２への印加電圧Ｖの波形は、図２（ａ）で表され
る。
【００３１】更に、これ以後のフィルタ１２から出力さ
れる凹凸像の信号は、第２の誤差増幅器１７によって０
調整がされることから、ロックインアンプ１４の出力が
０となる状態の信号である。ロックインアンプ１４の出
力が０となる状態では、フィルタ１２の出力信号は参照
周波数ωの２倍（２ω成分）の信号となり、図２（ｃ）
で表される。そして、チップ２への印加電圧ＶおよびＺ
信号が最大のとき、チップ２と試料３とが最大に離れ、
チップ２への印加電圧ＶおよびＺ信号が中間の０のと
き、チップ２と試料３とが最も接近するとともに静電気
力が０となる。すなわち、図２（ｃ）において２ω成分
のみのＺ信号は、チップ２と試料３とが最も接近する静
電気力が０のときに最小のピーク値となる。
れる凹凸像の信号は、第２の誤差増幅器１７によって０
調整がされることから、ロックインアンプ１４の出力が
０となる状態の信号である。ロックインアンプ１４の出
力が０となる状態では、フィルタ１２の出力信号は参照
周波数ωの２倍（２ω成分）の信号となり、図２（ｃ）
で表される。そして、チップ２への印加電圧ＶおよびＺ
信号が最大のとき、チップ２と試料３とが最大に離れ、
チップ２への印加電圧ＶおよびＺ信号が中間の０のと
き、チップ２と試料３とが最も接近するとともに静電気
力が０となる。すなわち、図２（ｃ）において２ω成分
のみのＺ信号は、チップ２と試料３とが最も接近する静
電気力が０のときに最小のピーク値となる。
【００３２】カンチレバー１への交流電圧Ｖａｃ・ｓｉ
ｎ（ωｔ）の印加により、アース電位である試料３とカ
ンチレバー１先端のチップ２との間に静電気力が働く。
このとき、前述の図３に示す従来例では、カンチレバー
１の固有振動数のシフトが印加される交流電圧の周期で
生じたが、この例のＡＦＭではこのシフトは生じない。
このように固有振動数のシフトが生じない理由は、Ｚ圧
電素子駆動電源１３からのＺ信号に関係する、フィルタ
１２からＺ圧電素子駆動電源１３に供給される出力信号
が検出されて、この出力信号が試料３の表面電位の検出
に用いられているが、このときチップ１−試料３間に印
加される交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）の周波数を、
圧電走査素子４のＺ圧電素子へのＺ信号のフィードバッ
クが十分追従できる大きさに設定しているからである。
ｎ（ωｔ）の印加により、アース電位である試料３とカ
ンチレバー１先端のチップ２との間に静電気力が働く。
このとき、前述の図３に示す従来例では、カンチレバー
１の固有振動数のシフトが印加される交流電圧の周期で
生じたが、この例のＡＦＭではこのシフトは生じない。
このように固有振動数のシフトが生じない理由は、Ｚ圧
電素子駆動電源１３からのＺ信号に関係する、フィルタ
１２からＺ圧電素子駆動電源１３に供給される出力信号
が検出されて、この出力信号が試料３の表面電位の検出
に用いられているが、このときチップ１−試料３間に印
加される交流電圧Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）の周波数を、
圧電走査素子４のＺ圧電素子へのＺ信号のフィードバッ
クが十分追従できる大きさに設定しているからである。
【００３３】そして、カンチレバー１へＤＣ電圧Ｖｄｃ
が印加されることにより、試料３の表面電位とチップ２
の先端の電位とが同電位に保たれ、このときのＤＣ電圧
Ｖｄｃが試料３の表面電位であり、このＤＣ電圧Ｖｄｃ
により表面電位像が得られる。
が印加されることにより、試料３の表面電位とチップ２
の先端の電位とが同電位に保たれ、このときのＤＣ電圧
Ｖｄｃが試料３の表面電位であり、このＤＣ電圧Ｖｄｃ
により表面電位像が得られる。
【００３４】また、この表面電位の検出と同時に検出さ
れる、フィルタ１２から出力される凹凸像の信号は、第
２の誤差増幅器１７によって０調整がされることから、
ロックインアンプ１４の出力が０となる状態の信号であ
り、このときのＺ圧電素子駆動電源１３からのＺ信号の
変化の周期、すなわちフィルタ１２からの凹凸像の信号
の周期は２ω成分となっている。この信号を直接凹凸像
として用いた場合には、この1/2周期のノイズが現れて
しまうので、このノイズを除去するためにピーク検出器
２３により、チップ２−試料３間の距離が最小となって
静電気力が０となる図２（ｃ）において２ω成分の下側
ピーク値を検出し、これを凹凸像の信号として用いる。
この処理はコンピュータ上で行われる。こうして、凹凸
像の信号から1/2周期のノイズが除去される。
れる、フィルタ１２から出力される凹凸像の信号は、第
２の誤差増幅器１７によって０調整がされることから、
ロックインアンプ１４の出力が０となる状態の信号であ
り、このときのＺ圧電素子駆動電源１３からのＺ信号の
変化の周期、すなわちフィルタ１２からの凹凸像の信号
の周期は２ω成分となっている。この信号を直接凹凸像
として用いた場合には、この1/2周期のノイズが現れて
しまうので、このノイズを除去するためにピーク検出器
２３により、チップ２−試料３間の距離が最小となって
静電気力が０となる図２（ｃ）において２ω成分の下側
ピーク値を検出し、これを凹凸像の信号として用いる。
この処理はコンピュータ上で行われる。こうして、凹凸
像の信号から1/2周期のノイズが除去される。
【００３５】このようにして、本例のＡＦＭによれば、
チップ２−試料３間に印加する交流電圧の周波数を、カ
ンチレバー１の固有振動数のシフトを一定に保持するた
めの電圧フィードバックのＺ信号が十分追従できる大き
さに設定し、表面電位の検出信号としてこのＺ信号に関
連したフィルタ１２の出力信号を用いるようにしている
ので、チップ２−試料３間の電位差が大きくなって静電
気力が大きくなった場合には、チップ２−試料３間の距
離が大きくなる。このため、静電気力が大きくなって
も、強電界が生じない。そして、そのときのチップ２−
試料３間の距離最小点、すなわち静電気力を受けていな
い時点のフィルタ１２の出力信号を凹凸像の信号として
用いているので、表面電位の観察と同時観察される凹凸
像の分解能が通常のＮＣ−ＡＦＭの分解能と同等にな
る。
チップ２−試料３間に印加する交流電圧の周波数を、カ
ンチレバー１の固有振動数のシフトを一定に保持するた
めの電圧フィードバックのＺ信号が十分追従できる大き
さに設定し、表面電位の検出信号としてこのＺ信号に関
連したフィルタ１２の出力信号を用いるようにしている
ので、チップ２−試料３間の電位差が大きくなって静電
気力が大きくなった場合には、チップ２−試料３間の距
離が大きくなる。このため、静電気力が大きくなって
も、強電界が生じない。そして、そのときのチップ２−
試料３間の距離最小点、すなわち静電気力を受けていな
い時点のフィルタ１２の出力信号を凹凸像の信号として
用いているので、表面電位の観察と同時観察される凹凸
像の分解能が通常のＮＣ−ＡＦＭの分解能と同等にな
る。
【００３６】なお、前述の例では、探針２を保持するカ
ンチレバー１を用いているが、本発明はこれに限定され
るものではなく、探針２をクォーツ（水晶発振器）で直
接保持するようなニードルタイプのＡＦＭ等にも適用す
ることができる。
ンチレバー１を用いているが、本発明はこれに限定され
るものではなく、探針２をクォーツ（水晶発振器）で直
接保持するようなニードルタイプのＡＦＭ等にも適用す
ることができる。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１の発明の走査プローブ顕微鏡によれば、周波数−電圧
変換器の出力である力の勾配を用いて試料の表面電位を
検出しているので、表面電位の検出において、ばね定数
の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイ
プのＳＰＭを使用しても、表面電位像の分解能を良好に
できるとともに、ばね定数の大きいカンチレバーや固有
振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用することに
より、表面電位像と同時観察される試料の凹凸像の分解
能を原子レベルまで向上できるようになる。
１の発明の走査プローブ顕微鏡によれば、周波数−電圧
変換器の出力である力の勾配を用いて試料の表面電位を
検出しているので、表面電位の検出において、ばね定数
の大きいカンチレバーや固有振動数の高いニードルタイ
プのＳＰＭを使用しても、表面電位像の分解能を良好に
できるとともに、ばね定数の大きいカンチレバーや固有
振動数の高いニードルタイプのＳＰＭを使用することに
より、表面電位像と同時観察される試料の凹凸像の分解
能を原子レベルまで向上できるようになる。
【００３８】また探針−試料間に印加する交流電圧の周
波数を、加振手段の固有振動数のシフトを一定に保持す
るための電圧フィードバックが十分追従できる大きさに
設定しているので、静電気力が大きくなっても、強電界
を生じることが阻止できる。これにより、試料表面の破
損を確実に防止できる。
波数を、加振手段の固有振動数のシフトを一定に保持す
るための電圧フィードバックが十分追従できる大きさに
設定しているので、静電気力が大きくなっても、強電界
を生じることが阻止できる。これにより、試料表面の破
損を確実に防止できる。
【００３９】また請求項２の発明によれば、ピーク検出
器により、第１の誤差増幅器からの出力のうち、探針と
試料との間の距離が最小となるピーク値を試料の凹凸像
の信号として用いているので、1/2周期の信号によって
生じるノイズを除去することができる。したがって、凹
凸像の分解能をより一層向上できる。
器により、第１の誤差増幅器からの出力のうち、探針と
試料との間の距離が最小となるピーク値を試料の凹凸像
の信号として用いているので、1/2周期の信号によって
生じるノイズを除去することができる。したがって、凹
凸像の分解能をより一層向上できる。
【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。
形態の一例を模式的に示す図である。
【図２】 図１に示す例のチップへの印加電圧およびフ
ィルタの出力信号（Ｚ信号）を示す図である。
ィルタの出力信号（Ｚ信号）を示す図である。
【図３】 従来の走査プローブ顕微鏡の一例で、ＫＦＭ
法による例を模式的に示す図である。
法による例を模式的に示す図である。
１…カンチレバー、２…チップ（探針）、３…試料、４
…圧電走査素子、５…加振用圧電素子、６…光源、７…
オプティカルディテクター（光検出器）、８…プリアン
プ、１１…第１の誤差増幅器、１２…フィルタ、１３…
Ｚ圧電素子駆動電源、１４…第１のロックインアンプ、
１５…第２のロックインアンプ、１６…オシレータ／振
幅調整器、１７…第２の誤差増幅器／フィルタ、１８…
加算器、１９…位相調整器、２０…波形変換器、２１…
アッテネータ、２２…周波数−電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換
器）、２３…ピーク検出器
…圧電走査素子、５…加振用圧電素子、６…光源、７…
オプティカルディテクター（光検出器）、８…プリアン
プ、１１…第１の誤差増幅器、１２…フィルタ、１３…
Ｚ圧電素子駆動電源、１４…第１のロックインアンプ、
１５…第２のロックインアンプ、１６…オシレータ／振
幅調整器、１７…第２の誤差増幅器／フィルタ、１８…
加算器、１９…位相調整器、２０…波形変換器、２１…
アッテネータ、２２…周波数−電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換
器）、２３…ピーク検出器
Claims (2)
- 【請求項１】 試料に対向して配置された探針と、前記
探針を支持しかつこの探針を加振する加振手段と、この
加振手段の固有振動数に等しい共振周波数で前記加振手
段を共振する加振駆動手段と、前記探針の振動周波数の
変化をこの変化に対応した電圧に変換する周波数−電圧
変換器と、この周波数−電圧変換器の出力と前記固有振
動数とのずれを一定に保つように出力する第１の誤差増
幅器と、前記探針と前記試料との間の距離を制御する探
針−試料間距離制御手段と、前記探針−試料間距離制御
手段に、前記第１の誤差増幅器の出力に基づいて前記加
振手段の固有振動数のシフトを一定に保持するための電
圧をフィードバックする距離制御駆動手段と、この電圧
のフィードバックが追従可能な大きさに設定された所定
周波数の交流電圧の参照信号を出力する発振器と、前記
第１の誤差増幅器の出力からこの発振器の出力する参照
信号と同じ所定周波数成分を検出し出力する周波数検出
手段と、この周波数検出手段の出力がゼロとなる直流電
圧を出力する第２の誤差増幅器と、前記発振器が出力す
る参照信号の交流電圧と前記第２の誤差増幅器が出力す
る直流電圧とを加算した電圧を探針−試料間に印加する
加算手段とを備え、 前記第１の誤差増幅器の出力信号に基づいて、前記試料
表面の凹凸像を得るとともに、前記第２の誤差増幅器の
出力信号に基づいて、前記試料の表面電位像を得ること
を特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記第１の誤差増幅器からの出力のう
ち、前記探針と前記試料との間の距離が最小となるピー
ク値を検出するピーク検出器を備え、このピーク値検出
器の出力信号に基づいて、前記試料表面の凹凸像を得る
ことを特徴とする請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9186441A JPH1130619A (ja) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | 走査プローブ顕微鏡 |
| EP98305530A EP0890821A1 (en) | 1997-07-11 | 1998-07-10 | Scanning probe microscope |
| US09/113,956 US6073485A (en) | 1997-07-11 | 1998-07-10 | Scanning microscope for image topography and surface potential |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9186441A JPH1130619A (ja) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | 走査プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1130619A true JPH1130619A (ja) | 1999-02-02 |
Family
ID=16188510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9186441A Withdrawn JPH1130619A (ja) | 1997-07-11 | 1997-07-11 | 走査プローブ顕微鏡 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6073485A (ja) |
| EP (1) | EP0890821A1 (ja) |
| JP (1) | JPH1130619A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003067224A1 (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-14 | Riken | Scanning probe microscope and specimen surface structure measuring method |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10003693A1 (de) * | 2000-01-28 | 2001-08-02 | Zeiss Carl | Abtastsystem mit auslenkbarer Tastspitze |
| US7084661B2 (en) * | 2000-05-24 | 2006-08-01 | Sensorchem International Corporation | Scanning kelvin microprobe system and process for analyzing a surface |
| JP3817466B2 (ja) * | 2000-11-29 | 2006-09-06 | キヤノン株式会社 | 非接触型原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法 |
| JP4510277B2 (ja) * | 2000-12-15 | 2010-07-21 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| US7156965B1 (en) | 2001-11-09 | 2007-01-02 | Veeco Instruments Inc. | Scanning electrochemical potential microscope |
| US6845655B2 (en) * | 2003-03-17 | 2005-01-25 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Heterodyne feedback system for scanning force microscopy and the like |
| US7436753B2 (en) * | 2003-12-17 | 2008-10-14 | Mejia Robert G | Contact probe storage FET sensor |
| JP4502122B2 (ja) * | 2004-11-26 | 2010-07-14 | セイコーインスツル株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡及び走査方法 |
| JP4688643B2 (ja) * | 2005-11-10 | 2011-05-25 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 加振型カンチレバーホルダ及び走査型プローブ顕微鏡 |
| JP5252389B2 (ja) * | 2005-12-20 | 2013-07-31 | 国立大学法人金沢大学 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP4831484B2 (ja) * | 2006-08-30 | 2011-12-07 | セイコーインスツル株式会社 | 電位差検出方法及び走査型プローブ顕微鏡 |
| US7928343B2 (en) * | 2007-12-04 | 2011-04-19 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Microcantilever heater-thermometer with integrated temperature-compensated strain sensor |
| US8719960B2 (en) * | 2008-01-31 | 2014-05-06 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Temperature-dependent nanoscale contact potential measurement technique and device |
| DE112008003880T5 (de) * | 2008-05-27 | 2011-04-14 | Sadik Hafizovic | Vorrichtung zur Lock-In-Verstärkung eines Eingangssignals und Verfahren zur Erzeugung eines Referenzsignals für einen Lock-In-Verstärker |
| US8931950B2 (en) | 2008-08-20 | 2015-01-13 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Device for calorimetric measurement |
| KR101697993B1 (ko) * | 2008-11-13 | 2017-01-19 | 브루커 나노, 인코퍼레이션. | 탐침형 원자 현미경 작동 방법 및 장치 |
| EP2219035A1 (en) * | 2009-02-16 | 2010-08-18 | Institut Curie | Method for automatic adjustment of the applied force and control of the force drift in an Atomic Force Microscope during contact mode imaging. |
| CN101493397B (zh) * | 2009-02-27 | 2010-12-29 | 中山大学 | 一种静电力显微镜及其测量方法 |
| US8387443B2 (en) * | 2009-09-11 | 2013-03-05 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Microcantilever with reduced second harmonic while in contact with a surface and nano scale infrared spectrometer |
| KR101107511B1 (ko) * | 2010-04-02 | 2012-02-06 | 삼성전자주식회사 | 시료 검사장치 및 그 시료 검사방법 |
| US20120047610A1 (en) * | 2010-04-09 | 2012-02-23 | Boise State University | Cantilever-based optical interface force microscope |
| US8533861B2 (en) | 2011-08-15 | 2013-09-10 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Magnetic actuation and thermal cantilevers for temperature and frequency dependent atomic force microscopy |
| US8914911B2 (en) | 2011-08-15 | 2014-12-16 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Magnetic actuation and thermal cantilevers for temperature and frequency dependent atomic force microscopy |
| EP2864798B1 (en) * | 2012-06-22 | 2021-11-03 | Bruker Nano, Inc. | Method and apparatus of electrical property measurement using an afm operating in peak force tapping mode |
| US9395388B2 (en) * | 2012-09-14 | 2016-07-19 | The University Of North Carolina At Chapel Hill | Methods, systems, and computer readable media for dual resonance frequency enhanced electrostatic force microscopy |
| CN102981023A (zh) * | 2012-11-21 | 2013-03-20 | 哈尔滨理工大学 | 一种静电力显微镜测量表面电势的方法 |
| US10072927B2 (en) | 2016-01-07 | 2018-09-11 | Rarecyte, Inc. | Detecting a substrate |
| US9395387B1 (en) * | 2015-06-19 | 2016-07-19 | Shimadzu Corporation | Scanning probe microscope |
| US10055521B2 (en) * | 2016-04-15 | 2018-08-21 | International Business Machines Corporation | Fly-height interaction simulation |
| WO2018209099A1 (en) * | 2017-05-10 | 2018-11-15 | Cornell University | Atomic force microscopy apparatus, methods, and applications |
| CN110146370B (zh) * | 2019-05-30 | 2020-08-25 | 中国科学技术大学 | 一种微小力的加载测量装置和方法 |
| CN114076834B (zh) * | 2020-08-14 | 2023-07-25 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种具有时间和空间分辨的电化学势测量装置及方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2915554B2 (ja) * | 1990-11-19 | 1999-07-05 | オリンパス光学工業株式会社 | バリアハイト測定装置 |
| EP0551814B1 (en) * | 1992-01-10 | 1997-04-02 | Hitachi, Ltd. | Surface observing apparatus and method |
| US5267471A (en) * | 1992-04-30 | 1993-12-07 | Ibm Corporation | Double cantilever sensor for atomic force microscope |
| US5519212A (en) * | 1992-08-07 | 1996-05-21 | Digital Instruments, Incorporated | Tapping atomic force microscope with phase or frequency detection |
| US5440121A (en) * | 1993-12-28 | 1995-08-08 | Seiko Instruments Inc. | Scanning probe microscope |
| JP3229914B2 (ja) * | 1994-12-12 | 2001-11-19 | 日本電子株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP3497913B2 (ja) * | 1995-03-10 | 2004-02-16 | 日立建機株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 |
| JPH09120593A (ja) * | 1995-08-23 | 1997-05-06 | Sony Corp | 記録再生装置 |
-
1997
- 1997-07-11 JP JP9186441A patent/JPH1130619A/ja not_active Withdrawn
-
1998
- 1998-07-10 US US09/113,956 patent/US6073485A/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-07-10 EP EP98305530A patent/EP0890821A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003067224A1 (en) * | 2002-02-05 | 2003-08-14 | Riken | Scanning probe microscope and specimen surface structure measuring method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6073485A (en) | 2000-06-13 |
| EP0890821A1 (en) | 1999-01-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH1130619A (ja) | 走査プローブ顕微鏡 | |
| JP3925991B2 (ja) | 走査プローブ顕微鏡 | |
| US7703314B2 (en) | Probe position control system and method | |
| Qin et al. | Calibrating a tuning fork for use as a scanning probe microscope force sensor | |
| US20060261264A1 (en) | Feedback influenced increased-quality-factor scanning probe microscope | |
| JP4496350B2 (ja) | 原子間力顕微鏡 | |
| JPH11160333A (ja) | 走査プローブ顕微鏡 | |
| JP4851375B2 (ja) | 位相フィードバックａｆｍの制御方法及び位相フィードバックａｆｍ | |
| EP0862046A1 (en) | Scanning probe microscope | |
| JP4474556B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| JP4913242B2 (ja) | ダイナミックモードａｆｍ装置 | |
| JP2003042931A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| US6006595A (en) | Device for vibrating cantilever | |
| JP4146251B2 (ja) | 試料表面観察装置 | |
| US9977049B2 (en) | Scanning probe microscope and control method thereof | |
| JP3935350B2 (ja) | 距離制御方法およびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 | |
| JP3453277B2 (ja) | 走査プローブ顕微鏡 | |
| JP3484429B2 (ja) | 力顕微鏡 | |
| JP3216093B2 (ja) | 走査形プローブ顕微鏡 | |
| JP5904751B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡およびその位相調整方法 | |
| KR20240023166A (ko) | 실시간 드리프트 보정을 사용한 afm 이미징 | |
| JP2004132711A (ja) | プローブの制御装置、該プローブの制御装置を有する近接場光学顕微鏡 | |
| JPH11160329A (ja) | プローブ位置制御装置および近接場光学顕微鏡 | |
| JPH09292400A (ja) | 原子間力顕微鏡 | |
| JPH09304407A (ja) | 原子間力顕微鏡 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20041005 |