JP2002062245A - Force microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は表面電位計及び形状測定
器、力顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface electrometer, a shape measuring instrument, and a force microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、走査型力顕微鏡としては、走査型
プローブ顕微鏡セミナーテキスト（セイコー電子工業株
式会社、１９９４年６月）に記載されているものが知ら
れており、図７にその構成を示す。この力顕微鏡は、一
般的にＫＦＭ(Kelvin Force Microscope)と呼ばれるも
ので、試料（測定物）の表面電位分布（表面電位像）と
試料の表面形状（トポ像）を同時かつ独立に測定するこ
とができて表面電位計及び形状測定器として用いること
ができる。導電性カンチレバー１１の先端には導電性探
針１２が取り付けられ、この導電性探針１２は試料１３
に対向配置される。圧電素子１４は交流電源１５から交
流電圧Ｖr・sinωrｔが印加されて導電性カンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。2. Description of the Related Art Conventionally, as a scanning force microscope, the one described in a scanning probe microscope seminar text (Seiko Denshi Kogyo Co., Ltd., June 1994) is known, and FIG. Show. This force microscope is generally called a KFM (Kelvin Force Microscope), which measures the surface potential distribution (surface potential image) of the sample (object to be measured) and the surface shape (topo image) of the sample simultaneously and independently. It can be used as a surface electrometer and a shape measuring instrument. A conductive probe 12 is attached to the tip of the conductive cantilever 11, and the conductive probe 12
Are arranged to face each other. The piezoelectric element 14 receives an AC voltage Vr · sinωrt from an AC power supply 15 and applies a resonance frequency ω of the conductive cantilever 11 to a fixed end of the conductive cantilever 11.
r, the conductive cantilever 11 vibrates at the resonance frequency ωr.
【０００３】また、交流電源１６からのカンチレバー１
１の非共振周波数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電
源１７からの直流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電
圧が試料１３のベースとなる導電性基板１８に印加され
てカンチレバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面
との間に静電引力が発生し、この静電引力によりカンチ
レバー１１に周波数ωの振動が生ずる。このカンチレバ
ー１１の振動はレーザダイオードからなる光源１９と２
分割フォトダイオードからなる受光素子２０により光て
こ法で検出され、つまり、光源１９からカンチレバー１
１にレーザ光が照射されてその反射光が受光素子２０に
より受光されてその反射光が２分割フォトダイオード２
０に照射される位置が検出される。これによりカンチレ
バー１１の振動を検出できる。The cantilever 1 from the AC power supply 16
A voltage obtained by superimposing the AC voltage VAC · sinωt of the non-resonant frequency ω and the DC offset voltage Voff from the DC power supply 17 is applied to the conductive substrate 18 serving as the base of the sample 13, and the tip 12 of the tip of the cantilever 11 An electrostatic attractive force is generated between the cantilever 11 and the surface of the sample 13, and the electrostatic attractive force causes the cantilever 11 to vibrate at a frequency ω. The vibration of the cantilever 11 is caused by light sources 19 and 2 composed of laser diodes.
The light is detected by a light leverage method by a light receiving element 20 composed of a split photodiode, that is, the light source 19 detects the cantilever 1.
1 is irradiated with laser light, its reflected light is received by the light receiving element 20, and the reflected light is divided into two divided photodiodes 2.
The position irradiated to 0 is detected. Thereby, the vibration of the cantilever 11 can be detected.
【０００４】受光素子２０の出力信号は２台のロックイ
ンアンプ２１，２２に入力され、ロックインアンプ２
１，２２はそれぞれ交流電源１５、１６からの交流電圧
Ｖrsinωrｔ、ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動のω成分の振幅Ａωとωr成分の振幅
Ａωrを分離増幅する。電圧フィードバック回路２３は
振幅Ａωの分離増幅を行うロックインアンプ２１の出力
信号により直流電源１７を制御して直流オフセット電圧
Ｖoffを制御し、電圧フィードバック回路２３の直流オ
フセット電圧Ｖoffに対する制御量が試料１３の表面電
位Ｖsの測定結果として出力される。ここに、交流電源
１６から試料１３に印加する交流電圧の周波数はカンチ
レバー１１の共振周波数の１／２以下にしている。The output signal of the light receiving element 20 is input to two lock-in amplifiers 21 and 22,
Reference numerals 1 and 22 denote the light receiving element 2 using the AC voltages Vrsinωrt and VACsinωt from the AC power supplies 15 and 16 as reference signals.
The amplitude Aω of the ω component of the vibration of the cantilever 11 and the amplitude Aωr of the ωr component are separated and amplified by phase-detecting and amplifying the output signal of 0. The voltage feedback circuit 23 controls the DC power supply 17 based on the output signal of the lock-in amplifier 21 that separates and amplifies the amplitude Aω to control the DC offset voltage Voff. Is output as a measurement result of the surface potential Vs. Here, the frequency of the AC voltage applied from the AC power supply 16 to the sample 13 is set to not more than の of the resonance frequency of the cantilever 11.
【０００５】また、Ｚサーボ回路２４は、試料１３をＺ
軸方向に駆動してカンチレバー１１の探針１２と試料１
３との間の距離を可変するＺ軸アクチュエータを有し、
振幅Ａωrを分離増幅するロックインアンプ２２の出力
信号によりＺ軸アクチュエータを制御することで探針１
２と試料１３との間の距離を制御する。スキャナ２５は
試料１３をＺ軸と直角な方向に走査し、Ｚサーボ回路２
４のＺ軸アクチュエータに対する制御量が試料１３の表
面形状（いわゆるトポ像：TOPOGRAPHY）の測定結果とし
て出力される。Further, the Z servo circuit 24 sets the sample 13 to Z
The probe 12 of the cantilever 11 and the sample 1 are driven in the axial direction.
3 having a Z-axis actuator that varies the distance between
By controlling the Z-axis actuator by the output signal of the lock-in amplifier 22 for separating and amplifying the amplitude Aωr, the probe 1
The distance between 2 and the sample 13 is controlled. The scanner 25 scans the sample 13 in a direction perpendicular to the Z axis,
The control amount for the Z-axis actuator 4 is output as a measurement result of the surface shape (so-called top image: TOPOGRAPHY) of the sample 13.
【０００６】次に、図８を用いてこの力顕微鏡の動作原
理を詳しく説明する。カンチレバー１１には、圧電素子
１４によりカンチレバー１１を機械的に加振する力Ｆvi
bと、探針１２に印加される電圧により生ずる静電引力
Ｆesと、試料１３の表面と探針１２との間に働くファン
・デル・ワールス力Ｆvdwという３つの力が働く。カン
チレバー１１はＦvibにより共振振動する。また、Ｆes
は次の(1)式で表わされる。Next, the operating principle of this force microscope will be described in detail with reference to FIG. A force Fvi that mechanically vibrates the cantilever 11 by the piezoelectric element 14 is applied to the cantilever 11.
b, an electrostatic attractive force Fes generated by a voltage applied to the probe 12, and a Van der Waals force Fvdw acting between the surface of the sample 13 and the probe 12. The cantilever 11 resonates and vibrates due to Fvib. Also Fes
Is represented by the following equation (1).
【０００７】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ２・・・(1) ここで、Ｃは探針１２と試料１３のベース１８との間の
静電容量、Ｚは探針１２と試料１３のベース１８との間
の距離であり、Ｖは次の(2)式で表わされる。 Ｖ＝(Ｖs＋Ｖoff)＋ＶACsinωｔ・・・(2) したがって、Ｆesは次の(3)式で表わされる。Fes = − (１ ／) (∂C / ∂Z) V 2 (1) where C is the capacitance between the probe 12 and the base 18 of the sample 13, and Z is This is the distance between the probe 12 and the base 18 of the sample 13, and V is represented by the following equation (2). V = (Vs + Voff) + VACsinωt (2) Therefore, Fes is expressed by the following equation (3).
【０００８】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)［{(Ｖs＋Ｖoff)２＋ＶAC２／２}＋２(Ｖs＋ Ｖoff)ＶACsinωｔ−(ＶAC２／２)cos２ωｔ］・・・(3) また、Ｆvdwは次の(4)式で表わされる。 Ｆvdw＝−Ｈ／Ｚ６・・・(4) ここで、ＨはHamaker定数である。探針１２と試料１３
の表面との間に働く力Ｆは次の(5)式で表わされる。[0008] Fes = - (1/2) (∂C / ∂Z) [{(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2} +2 (Vs + Voff) VACsinωt- (VAC 2/2) cos2ωt] ··· (3) Fvdw is expressed by the following equation (4). Fvdw = −H / Z 6 (4) where H is a Hamaker constant. Probe 12 and sample 13
The force F acting between the surface and the surface is expressed by the following equation (5).
【０００９】Ｆ＝Ｆvdw＋Ｆes・・・(5) カンチレバー１１は、Ｆvibにより共振振動している
が、探針１２と試料１３の表面との間に働く直流成分の
力により共振周波数がずれる。しかし、カンチレバー１
１は、圧電素子１４により周波数ωrで強制振動してい
るので、その振動振幅が上記直流成分の力により小さく
なる。このカンチレバー１１の自由振動時の振動振幅か
らの減少分をΔＡとすると、これは次の(6)式で表わさ
れる。F = Fvdw + Fes (5) The cantilever 11 resonates and vibrates due to Fvib, but the resonance frequency shifts due to the force of the DC component acting between the probe 12 and the surface of the sample 13. But cantilever 1
1 is forcibly vibrated at the frequency ωr by the piezoelectric element 14, and its vibration amplitude is reduced by the DC component force. Assuming that a decrease from the vibration amplitude of the cantilever 11 during free vibration is ΔA, this is represented by the following equation (6).
【００１０】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}(∂Ｆ／∂Ｚ) ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［Ｈ／Ｚ７＋(１/２)(∂２Ｃ／∂Ｚ２){( Ｖs＋Ｖoff)２＋ＶAC２／２}］・・・(6) ここで、Ａ０はカンチレバー１１の自由振動時の振動振
幅、Ｋはカンチレバー１１のバネ定数、Ｑは共振特性の
Ｑ値である。実際の試料１３の表面電位測定はファン・
デル・ワールス力が及ばない距離Ｚで行われるので、Δ
Ａは次の(7)式のようになる。ΔA = − {2A0Q / (K · 3√3)} (∂F / ∂Z) = − {2A0Q / (K · 3√3)} [H / Z 7 + (1/2) (∂ 2 C / ∂Z 2) {( Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] ··· (6) where, A0 is the vibration amplitude at the free oscillation of the cantilever 11, K is a spring constant of the cantilever 11, Q resonant This is the Q value of the characteristic. The actual measurement of the surface potential of the sample 13 is performed using a fan
Since it is performed at a distance Z that cannot be reached by the Del Waals force, Δ
A is expressed by the following equation (7).
【００１１】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［(１／２)(∂２Ｃ/∂Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff )２＋ＶAC２／２}］・・・(7) Ｖs＋Ｖoffは次に述べるように電圧フィードバック回路
２３による帰還制御により０に保たれ、Ａ０、Ｋ、Ｑ、
ＶACは一定である。また、Ｚサーボ回路２４がΔＡが一
定になるようにＺ軸アクチュエータを制御するから、ト
ポ像は(∂２Ｃ／∂Ｚ２)が一定の像を与える。試料１３
の絶縁膜の容量がカンチレバー１１先端の探針１２と試
料１３の表面との間の容量よりも十分に大きければ、ト
ポ像は試料１３の表面形状を示す。[0011] ΔA = - {2A0Q / (K · 3√3)} [(1/2) (∂ 2 C / ∂Z 2) {(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] ··· (7) Vs + Voff Is maintained at 0 by feedback control by the voltage feedback circuit 23 as described below, and A0, K, Q,
VAC is constant. Further, since the Z servo circuit 24 controls the Z-axis actuator so that ΔA becomes constant, the top image gives an image having a constant (∂ 2 C / ∂Z 2 ). Sample 13
If the capacitance of the insulating film is sufficiently larger than the capacitance between the probe 12 at the tip of the cantilever 11 and the surface of the sample 13, the topo image shows the surface shape of the sample 13.
【００１２】一方、カンチレバー１１の振動のω成分の
振幅Ａωは次の(8)で表わされる。 Ａω＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(8) 従って、Ａω＝０となるようにＶoffを制御することに
より(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶoffの値から試料１３の
表面電位Ｖsを測定することができる。このようにして
試料１３の表面電位Ｖsと形状を同時に測定することが
できる。On the other hand, the amplitude Aω of the ω component of the vibration of the cantilever 11 is expressed by the following (8). Aω = − (∂C / ∂Z) (Vs + Voff) VAC (8) Therefore, by controlling Voff so that Aω = 0, the sample can be obtained from the value of Voff regardless of (∂C / ∂Z). Thirteen surface potentials Vs can be measured. Thus, the surface potential Vs and the shape of the sample 13 can be measured simultaneously.
【００１３】また、図９に示すような表面電位計及び形
状測定器としての力顕微鏡が提案されている。この力顕
微鏡では、導電性カンチレバー２６の先端には導電性探
針２７が取り付けられ、この導電性探針２７は試料２８
に対向配置される。交流電源２９からの交流電圧ＶA・s
inωacｔ、交流電源３０からの交流電圧ＶB・sin(ωac
ｔ／２)及び直流電圧Ｖbは加算器３１で加算されてアン
プ３２を介してカンチレバー２６に印加され、カンチレ
バー２６先端の探針２７と試料２８の表面との間に静電
引力Ｆesが働いてカンチレバー２６が振動する。A force microscope as a surface electrometer and a shape measuring instrument as shown in FIG. 9 has been proposed. In this force microscope, a conductive probe 27 is attached to the tip of a conductive cantilever 26, and the conductive probe 27
Are arranged to face each other. AC voltage VA · s from AC power supply 29
inωact, AC voltage VB · sin (ωac
t / 2) and the DC voltage Vb are added by the adder 31 and applied to the cantilever 26 via the amplifier 32, and the electrostatic attraction Fes acts between the probe 27 at the tip of the cantilever 26 and the surface of the sample 28. The cantilever 26 vibrates.
【００１４】このカンチレバー２６の振動はレーザダイ
オードからなる光源３４とフォトダイオードからなる受
光素子３５により光てこ法で検出され、つまり、光源３
４からカンチレバー２６に光が照射されてその反射光が
受光素子３５により受光されてその反射光が２分割フォ
トダイオード２０に照射される位置が検出される。これ
によりカンチレバー１１の振動を検出できる。受光素子
３５の出力信号はプリアンプ３６を介してロックインア
ンプ３７、３８に入力される。探針２７と試料２８の表
面との間の電圧をＶとすると、静電引力Ｆesは次の(9)
式で表わされる。The vibration of the cantilever 26 is detected by an optical lever method by a light source 34 composed of a laser diode and a light receiving element 35 composed of a photodiode.
From 4, light is applied to the cantilever 26, the reflected light is received by the light receiving element 35, and the position where the reflected light is applied to the two-division photodiode 20 is detected. Thereby, the vibration of the cantilever 11 can be detected. The output signal of the light receiving element 35 is input to the lock-in amplifiers 37 and 38 via the preamplifier 36. Assuming that the voltage between the probe 27 and the surface of the sample 28 is V, the electrostatic attractive force Fes is expressed by the following equation (9).
It is represented by the formula.
【００１５】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ２・・・(9) ここで、Ｃは探針２７と試料２８のベースとなる導電性
基板３３との間の静電容量、Ｚは探針２７と試料２８の
ベース３３との間の距離である。試料２８の表面電位を
Ｖsとすると、Ｖは次の(10)式で表わされる。 Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２)・・・(10) したがって、Ｆesは次の(11)式で表わされる。Fes = − (1/2) (∂C / ∂Z) V 2 (9) where C is the static between the probe 27 and the conductive substrate 33 that is the base of the sample 28. The capacitance, Z, is the distance between the probe 27 and the base 33 of the sample 28. Assuming that the surface potential of the sample 28 is Vs, V is represented by the following equation (10). V = Vb−Vs + VAsinωact + VBsin (ωact / 2) (10) Therefore, Fes is expressed by the following equation (11).
【００１６】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ){Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２ )}２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)２＋ＶA２／２＋ＶB２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶB２／２)sin(ωacｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)ＶAsinωacｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶA２／２)sin(２ωacｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛２(Ｖb−Ｖs)ＶBsin(ωacｔ／２)＋ＶAＶBsi n(ωacｔ／２＋π／２)｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛ＶAＶBsin(３ωacｔ／２＋π／２)｝ ・・・(11) ωacをカンチレバー２６の共振周波数ω０とすれば、カ
ンチレバー２６は次の(12)式で表わされるＦesのωac成
分Ｆesωacにより共振する。Fes = − (１ ／) (∂C / ∂Z) {Vb−Vs + VAsinωact + VBsin (ωact / 2)} 2 = − (1/2) (∂C / ∂Z) ｛(Vb−Vs) 2 + VA 2/2 + VB 2 /2} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(VB 2/2) sin (ωact-π / 2) +2 (Vb -Vs) VAsinωact} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(VA 2/2) sin (2ωact-π / 2) - (1/2) (∂C / ∂Z) {2 (Vb-Vs) VBsin (ωact / 2) + VAVBsi n (ωact / 2 + π / 2)｝ − (1/2) (∂C / ∂Z) ｛VAVBsin (3ωact / 2 + π / 2)｝ (11) If ωac is the resonance frequency ω0 of the cantilever 26, then the cantilever 26 resonates with the ωac component Fesωac of Fes expressed by the following equation (12).
【００１７】 Ｆesωac＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsinωacｔ＋(１/４)ＶB２sin(ωac ｔ−π／２)}・・・(12) したがって、Ｆesωacによって生ずるカンチレバー２６
の振動を示すプリアンプ３６の出力信号ｖは次の(13)式
で表わされる。 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ）＋(１／４)ＶB２sin (ωacｔ−π／２＋φ)} ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ１）＋(１/４)ＶB２sin (ωacｔ＋φ２)}・・・(13) ただし、ａは比例定数であり、 φ１＝φ・・・(14) φ２＝−π／２＋φ・・・(15) である。φは力Ｆesωacの位相と、Ｆesωacにより生ず
るカンチレバー２６の共振振動との間の位相差である。Fesωac = − (∂C / ∂Z) ｛(Vb−Vs) VAsinωact + (１) VB 2 sin (ωact−π / 2)} (12) Therefore, the cantilever 26 generated by Fesωac
The output signal v of the preamplifier 36 indicating the above vibration is expressed by the following equation (13). v = −a (∂C / ∂Z) ｛(Vb−Vs) VAsin (ωact + φ) + (1/4) VB 2 sin (ωact−π / 2 + φ)} = − a (∂C / ∂Z) ｛( Vb−Vs) VAsin (ωact + φ1) + (1/4) VB 2 sin (ωact + φ2)} (13) where a is a proportional constant, and φ1 = φ (14) φ2 = −π / 2 + φ (15) φ is the phase difference between the phase of the force Fesωac and the resonance vibration of the cantilever 26 caused by Fesωac.
【００１８】(13)式の括弧の中の第１項は周波数ω０の
第１交流電圧により生ずるカンチレバー２６の振動を表
わし、その位相φ１は交流電源２９からカンチレバー２
６に印加している第１交流電圧の位相を基準にしてい
る。この位相φ１は交流電源２９からロックインアンプ
３７に与えられる参照信号を基準としている。(13)式の
括弧の中の第２項は周波数ω０／２の第２交流電圧によ
り生ずるカンチレバー２６の振動を表わし、その位相φ
２は交流電源３０からカンチレバー２６に印加している
第２交流電圧の位相を基準にしている。この位相φ２は
交流電源３０からロックインアンプ３８に与えられる参
照信号を基準としている。また、第１交流電圧と第２交
流電圧は位相が一致している。ロックインアンプ３７、
３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源２９、３０
からの参照信号により位相φ１、φ２で位相検波して増
幅する。The first term in the parentheses of the equation (13) represents the vibration of the cantilever 26 caused by the first AC voltage having the frequency ω0, and the phase φ1 of the first term is from the AC power supply 29 to the cantilever 2.
6 is based on the phase of the first AC voltage applied. This phase φ1 is based on a reference signal supplied from the AC power supply 29 to the lock-in amplifier 37. The second term in the parentheses in the equation (13) represents the vibration of the cantilever 26 caused by the second AC voltage having the frequency ω0 / 2, and its phase φ
2 is based on the phase of the second AC voltage applied from the AC power supply 30 to the cantilever 26. This phase φ2 is based on a reference signal supplied from the AC power supply 30 to the lock-in amplifier 38. The first AC voltage and the second AC voltage have the same phase. Lock-in amplifier 37,
Reference numeral 38 denotes an AC power supply 29, 30 which outputs an output signal of the preamplifier 36.
, And performs phase detection at the phases φ1 and φ2 for amplification.
【００１９】また、ａsin(ωｔ＋φ)なる交流信号を位
相θでロックインアンプにより位相検波して増幅した時
の出力Ｖは Ｖ＝(Ａ／２){cos(−θ＋ψ)−cos(−θ＋ψ＋π)}・・・(16) となる。ただし、Ａは比例定数である。ここで、(13)式
を(16)式に当てはめると、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ＋φ）−cos(−θ＋ φ＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２｛cos(−θ＋φ−π ／２）−cos(−θ＋φ−π／２＋π)}・・・(17) となる。The output V when the AC signal asin (ωt + φ) is phase-detected and amplified by the lock-in amplifier with the phase θ is V = (A / 2) {cos (−θ + ψ) −cos (−θ + ψ + π) } ... (16) Here, A is a proportionality constant. Here, when equation (13) is applied to equation (16), V = − (A1 / 2) (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) VAΔcos (−θ + φ) −cos (−θ + φ + π) } − (A2 / 2) (∂C / ∂Z) (1/4) VB 2 ｛cos (−θ + φ−π / 2) −cos (−θ + φ−π / 2 + π)} (17) .
【００２０】ここで、ωacをカンチレバー２６の機械的
共振周波数ω０と完全に一致させる（ωac＝ω０とす
る）と、φ＝−π／２である。これを(17)式に代入する
と、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π／２）−cos(− θ−π／２＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２｛cos(−θ −π／２−π／２）−cos(−θ−π／２−π／２＋π)}・・・(18) となる。Here, when ωac is completely matched with the mechanical resonance frequency ω0 of the cantilever 26 (ωac = ω0), φ = −π / 2. By substituting this into equation (17), V = − (A1 / 2) (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) VAΔcos (−θ−π / 2) −cos (−θ−π / 2 + π )}-(A2 / 2) (∂C / ∂Z) (1/4) VB 2 ｛cos (-θ-π / 2-π / 2) -cos (-θ-π / 2-π / 2 + π) } ... (18)
【００２１】位相θ＝θ１＝−π／２でロックインアン
プ３７によりプリアンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれ
ば、ロックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は(18)式に位
相θ＝θ１＝−π／２を代入したものとなる。また、位
相θ＝θ２＝−πでロックインアンプ３８によりプリア
ンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれば、ロックインアン
プ３８の出力信号Ｖ２は(18)式に位相θ＝θ２＝−πを
代入したものとなる。ロックインアンプ３７、３８の出
力信号Ｖ１、Ｖ２は次の(19)、(20)で表わされる。If the output v of the preamplifier 36 is detected and amplified by the lock-in amplifier 37 at the phase θ = θ1 = −π / 2, the output signal V1 of the lock-in amplifier 37 becomes the phase θ = θ1 = − π / 2 is substituted. If the output v of the preamplifier 36 is detected and amplified by the lock-in amplifier 38 at the phase θ = θ2 = −π, the phase signal θ = θ2 = −π is substituted into the equation (18) for the output signal V2 of the lock-in amplifier 38. It will be. Output signals V1 and V2 of the lock-in amplifiers 37 and 38 are represented by the following (19) and (20).
【００２２】 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA・・・(19) Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶB２・・・(20) ここで、Ａ１、Ａ２は比例定数である。以上のように(1
3)式の括弧内の第１項と第２項の振幅をロックインアン
プ３７、３８で分離することができる。ロックインアン
プ３７の出力Ｖ１は積分器３９により積分されて加算器
３１に上記直流電圧Ｖbとして入力されてＶ１が０にな
るようにＶbが制御され、(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶbの
値から試料２６の表面電位が測定できる。[0022] V1 = -A1 (∂C / ∂Z) (Vb-Vs) VA ··· (19) V2 = - (1/4) A2 (∂C / ∂Z) VB 2 ··· (20) Here, A1 and A2 are proportional constants. As above (1
The amplitudes of the first and second terms in the parentheses in the expression 3) can be separated by the lock-in amplifiers 37 and 38. The output V1 of the lock-in amplifier 37 is integrated by the integrator 39, input to the adder 31 as the DC voltage Vb, and Vb is controlled so that V1 becomes zero. The surface potential of the sample 26 can be measured from this value.
【００２３】ロックインアンプ３８の出力Ｖ２は、比較
器４０により基準電圧源４１の基準電圧と比較され、そ
の比較結果が積分器４２により積分される。Ｚ軸アクチ
ュエータ４３は積分器４２の出力信号により試料２８を
駆動し、Ｖ２が一定になるように試料２８と探針２７と
の間の距離が制御される。したがって、トポ像（Ｚ軸ア
クチュエータ４３の制御電圧から得られる像）は(∂Ｃ
／∂Ｚ)が一定の像となる。試料２８の絶縁膜の容量が
探針２７先端と試料２８の表面との間の容量より十分に
大きければ、トポ像は試料２８の表面形状を示す。この
ようにして試料２８の表面電位と表面形状を同時に測定
することができる。The output V2 of the lock-in amplifier 38 is compared with a reference voltage of a reference voltage source 41 by a comparator 40, and the comparison result is integrated by an integrator 42. The Z-axis actuator 43 drives the sample 28 based on the output signal of the integrator 42, and controls the distance between the sample 28 and the probe 27 so that V2 becomes constant. Therefore, the top image (image obtained from the control voltage of the Z-axis actuator 43) is (ΔC
/ ∂Z) is a constant image. If the capacitance of the insulating film of the sample 28 is sufficiently larger than the capacitance between the tip of the probe 27 and the surface of the sample 28, the topo image shows the surface shape of the sample 28. Thus, the surface potential and the surface shape of the sample 28 can be measured simultaneously.
【００２４】また、上記力顕微鏡では、カンチレバーの
振動を検出する方法としてカンチレバーの曲がり傾斜角
度を検出する光てこ法を用いたが、カンチレバーの振動
時の変位を検出する光干渉法、カンチレバー背後に設け
た電極とカンチレバーとの間に流れるトンネル電流を検
出するトンネル電流法、カンチレバー振動時の速度を検
出するヘテロダイン光干渉法などを用いたものもある。
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプローブと
なるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位置）
はカンチレバーの先端に設定されている。In the above-mentioned force microscope, an optical lever method for detecting the bending inclination angle of the cantilever is used as a method for detecting the vibration of the cantilever. Some methods use a tunnel current method for detecting a tunnel current flowing between the provided electrode and the cantilever, and a heterodyne optical interference method for detecting a speed at which the cantilever vibrates.
A position on the cantilever that detects the bending tilt angle, displacement, and speed due to the vibration of the cantilever (that is, a position where a laser beam to be a probe is irradiated or a position where electrodes face each other).
Is set at the tip of the cantilever.
【００２５】[0025]
【発明が解決しようとする課題】上記図７に示す力顕微
鏡では、(7)式において、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ２)と(Ｖ
s＋Ｖoff)の関数になっているが、Ａω＝０となるよう
にＶoffを電圧フィードバック回路２３で制御すること
により、Ｖs＋Ｖoff＝０となり、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ
２)のみの関数となる。これにより、試料１３の表面形
状を測定できるとしているが、実際はＡω＝０とする帰
還には遅れがあり、Ｖs＋Ｖoff＝０が成り立たない時間
がある。したがって、試料１３の表面形状の測定結果に
対する干渉が実際には存在する。In the force microscope shown in FIG. 7, ΔA in equation (7) is (∂ 2 C / ∂Z 2 ) and (V
s + Voff), but by controlling Voff with the voltage feedback circuit 23 so that Aω = 0, Vs + Voff = 0, and ΔA becomes (∂2C / ∂Z
It becomes a function of only 2). It is described that the surface shape of the sample 13 can be measured by this. However, actually, there is a delay in the feedback when Aω = 0, and there is a time when Vs + Voff = 0 does not hold. Therefore, interference with the measurement result of the surface shape of the sample 13 actually exists.
【００２６】しかし、この力顕微鏡の測定対象は、異種
金属間の接触電位差やＬＢ(Langmuri Blodgett)上の表
面電位分布であり、表面電位がせいぜい１００ｍＶ程度
の分布しかない。したがって、帰還の遅れにより、Ｖs
＋Ｖoff＝１００ｍＶであったとしても、(Ｖs＋Ｖoff)
２は０．０１Ｖ２である。一方、ＶACは通常５Ｖ程度で
あるから、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]である。ＶACは
一定であるから、(Ｖs＋Ｖoff)によるΔＡの変動は、
０．１／１２．５＝０．０８％であり、ほとんど問題に
ならない。However, the object to be measured by this force microscope is a contact potential difference between dissimilar metals and a surface potential distribution on LB (Langmuri Blodgett), and the surface potential is at most about 100 mV. Therefore, due to the delay of feedback, Vs
Even if + Voff = 100 mV, (Vs + Voff)
2 is a 0.01V 2. On the other hand, since VAC is usually about 5 V, VAC 2 /2=12.5 [V 2 ]. Since VAC is constant, the variation of ΔA due to (Vs + Voff) is
0.1 / 12.5 = 0.08%, which hardly causes a problem.
【００２７】ところが、この力顕微鏡により、電子写真
装置に用いられる感光体の表面電位分布を測定する場合
は事情が異なる。感光体の表面電位は通常１０００Ｖ程
度であり、感光体の電位分布（測定領域中の表面電位の
範囲）も数百Ｖは存在する。したがって、帰還の遅れに
よる(Ｖs＋Ｖoff)の値も従来の試料の表面電位を測定す
る場合よりも大きくなる。仮に、帰還による遅れで(Ｖs
＋Ｖoff)が１０００Ｖの１／１００の１０Ｖであったと
しよう。However, the situation is different when measuring the surface potential distribution of a photoreceptor used in an electrophotographic apparatus with this force microscope. The surface potential of the photoconductor is usually about 1000 V, and the potential distribution (the range of the surface potential in the measurement region) of the photoconductor is several hundred V. Therefore, the value of (Vs + Voff) due to the delay in feedback becomes larger than in the case where the surface potential of the conventional sample is measured. If the delay due to feedback (Vs
+ Voff) is 10V which is 1/100 of 1000V.
【００２８】この時、(Ｖs＋Ｖoff)２＝１００[Ｖ２]と
なり、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]の８倍になってしま
う。したがって、試料の表面電位の測定結果に対する干
渉が大きく、トポ像の測定結果に対しても無視できない
測定誤差となる。これを解決する手段としては、ＶACを
大きくすることが考えられる。例えば、(Ｖs＋Ｖoff) ２
／（ＶAC２／２）＝０．１％とするためには、ＶAC＝４
４７Ｖにしなければならない。一方、試料の表面電位分
布を少なくとも数十μｍの分解能で測定するためには、
試料１８の表面と探針１３との間の距離を数十μｍ以下
にしなければならない。したがって、交流電源１６から
探針１３に印加する交流電圧が数百Ｖになると、探針１
３と試料１８の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
となる。At this time, (Vs + Voff)2= 100V2]When
VAC2/2=12.5[V2] 8 times
U. Therefore, the results of the measurement of the surface potential of the sample
Interference is large and cannot be ignored even for the measurement results of the topo image
A measurement error results. The solution to this is to use VAC
It is conceivable to increase it. For example, (Vs + Voff) 2
/ (VAC2/2)=0.1%, VAC = 4
It must be 47V. On the other hand, the surface potential of the sample
In order to measure a cloth with a resolution of at least several tens of micrometers,
The distance between the surface of the sample 18 and the probe 13 is several tens μm or less.
Must be. Therefore, from the AC power supply 16
When the AC voltage applied to the probe 13 becomes several hundred volts, the probe 1
Discharge occurs between 3 and the surface of sample 18, making measurement impossible
Becomes
【００２９】以上のように上記力顕微鏡により高電圧な
表面電位分布を測定する場合には今まで無視できた誤差
が大きくなり、大きな問題となる。また、上記力顕微鏡
では、交流電源１６から試料１３に印加する交流電圧の
周波数はカンチレバー１１の共振周波数の１／２以下に
している。従って、カンチレバー１１は交流電源１６か
ら試料１３に交流電圧が印加されても共振振動を生じな
いので、その振動振幅は共振を使用した場合に比べて著
しく小さくて感度が悪い。As described above, when a high-voltage surface potential distribution is measured by the above-mentioned force microscope, an error which can be ignored until now becomes large, causing a serious problem. In the above-mentioned force microscope, the frequency of the AC voltage applied from the AC power supply 16 to the sample 13 is set to be equal to or less than 共振 of the resonance frequency of the cantilever 11. Therefore, the cantilever 11 does not generate resonance vibration even when an AC voltage is applied to the sample 13 from the AC power supply 16, and the vibration amplitude is significantly smaller than that in the case where resonance is used, resulting in poor sensitivity.
【００３０】そこで、交流電源１６から試料１３に印加
する交流電圧の周波数を、カンチレバー１１を圧電素子
１４で機械的に加振して共振させている共振周波数に設
定すると、受光素子２０の出力信号からロックインアン
プ２１，２２でカンチレバー１１の交流電圧による振動
と機械的加振による振動の各成分を分離することができ
ず、試料１３の表面電位と表面形状を独立に測定するこ
とができない。When the frequency of the AC voltage applied from the AC power supply 16 to the sample 13 is set to a resonance frequency at which the cantilever 11 is mechanically vibrated by the piezoelectric element 14 to resonate, the output signal of the light receiving element 20 is changed. Thus, the lock-in amplifiers 21 and 22 cannot separate the components of the vibration of the cantilever 11 due to the AC voltage and the vibration due to the mechanical vibration, so that the surface potential and the surface shape of the sample 13 cannot be measured independently.
【００３１】また、図９に示す上記力顕微鏡では、交流
電源２９から出力される交流電圧の周波数ωacをカンチ
レバー２６の機械的共振周波数ω０と完全に一致させて
いる。したがって、φ＝−π／２となるので、ロックイ
ンアンプ３７により位相θ＝−π／２でプリアンプ３６
の出力信号ｖを位相検波して増幅し、ロックインアンプ
３８により位相θ＝−πでプリアンプ３６の出力信号ｖ
を位相検波して増幅すれば、(13)式の括弧内の第１項と
第２項の振幅を(17)、(18)に示すように分離して得るこ
とができる。ところが、カンチレバー２６の機械的共振
周波数ω０は測定を何回か行っている間に周囲の気温や
湿度、気圧などの影響により少しづつずれてくる。しか
し、交流電源２９から出力される交流電圧の周波数ωac
は、安定しているので、変化しない。したがって、ω０
とωacとは一致しなくなってくる。In the force microscope shown in FIG. 9, the frequency ωac of the AC voltage output from the AC power supply 29 is completely matched with the mechanical resonance frequency ω0 of the cantilever 26. Therefore, since φ = −π / 2, the pre-amplifier 36 with the phase θ = −π / 2 is
The output signal v of the preamplifier 36 is phase-detected and amplified by the lock-in amplifier 38 with the phase θ = −π.
Can be obtained by separating the amplitudes of the first and second terms in parentheses in equation (13) as shown in equations (17) and (18). However, the mechanical resonance frequency ω0 of the cantilever 26 gradually shifts due to the influence of ambient temperature, humidity, atmospheric pressure, and the like during several measurements. However, the frequency ωac of the AC voltage output from the AC power supply 29
Is stable and does not change. Therefore, ω0
And ωac no longer match.
【００３２】また、カンチレバー２６の振動は共振点付
近ではカンチレバー２６の機械的共振周波数のずれに対
する位相の変化が非常に大きい。従って、カンチレバー
２６の共振点のずれにより、φの−π／２からの差が無
視し得ないものとなる。一方、ロックインアンプ３７、
３８において位相検波を行う位相は測定当初に設定した
θ１＝−π／２、θ２＝−πのままである。したがっ
て、(17)、(18)式のように(13)式の括弧内の第１項と第
２項の振幅を分離できなくなる。The vibration of the cantilever 26 has a very large phase change near the resonance point with respect to the deviation of the mechanical resonance frequency of the cantilever 26. Therefore, the difference between φ and −π / 2 cannot be ignored due to the shift of the resonance point of the cantilever 26. On the other hand, the lock-in amplifier 37,
At 38, the phase at which phase detection is performed remains θ1 = −π / 2 and θ2 = −π set at the beginning of the measurement. Therefore, it is impossible to separate the amplitudes of the first and second terms in the parentheses of the expression (13) as in the expressions (17) and (18).
【００３３】例えば、ω０＝ωacが成り立たなくなって
φ=−π／２＋Δφとなったとしよう。この時、Ｖは次
の(21)式で表わされる。 Ｖ＝−(Ａ１/２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π/２＋Δφ)−cos (−θ−π/２＋Δφ＋π)}−(Ａ２/２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(１/４)ＶB２{cos (−θ−π/２＋Δφ−π/２）−cos(−θ−π/２＋Δφ−π/２＋π)} ・・・(21) ここで、θ＝θ１＝−π／２の時のロックインアンプ３
７の出力Ｖ１及びθ＝θ２＝−πの時のロックインアン
プ３８の出力Ｖ２はそれぞれ Ｖ１＝−Ａ１( ∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAcos(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２sin(Δφ)・・・(22) Ｖ２＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２cos(Δφ)・・・(23) となる。For example, it is assumed that ω0 = ωac does not hold and φ = −π / 2 + Δφ. At this time, V is expressed by the following equation (21). V = − (A1 / 2) (∂C / ∂Z) (Vb−Vs) VA ｛cos (−θ−π / 2 + Δφ) −cos (−θ−π / 2 + Δφ + π)} − (A2 / 2) (∂ C / ∂Z) (1/4) VB 2 {cos (−θ−π / 2 + Δφ−π / 2) −cos (−θ−π / 2 + Δφ−π / 2 + π)} (21) Lock-in amplifier 3 when θ = θ1 = −π / 2
7 and the output V2 of the lock-in amplifier 38 when θ = θ2 = −π are as follows: V1 = −A1 (∂C / ∂Z) (Vb−Vs) VAcos (Δφ) −A2 (∂C / ∂ Z) (1/4) VB 2 sin (Δφ) (22) V2 = −A1 (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) VAsin (Δφ) −A2 (ΔC / ΔZ) (1 / 4) VB 2 cos (Δφ) (23)
【００３４】(22)、(23)から分かるように、Δφ≠０で
あるために、(13)式の括弧内の第１項と第２項の振幅は
分離されず、表面電位測定信号であるＶ１には表面形状
を測定するための(13)式の括弧内の第２項の振幅が混入
している。また、表面形状測定信号であるＶ２には表面
電位を測定するための(13)式の括弧内の第１項の振幅が
混入している。すなわち、試料の表面電位が表面形状の
測定結果に混入・干渉し、試料の表面形状が表面電位の
測定結果に混入・干渉する。このようにカンチレバー２
６の共振周波数であるω０が、周囲の気温や湿度、気圧
などの影響によりわずかに変動することにより、試料の
表面電位と表面形状の測定結果が互いに干渉し、無視で
きない誤差となって現われてくる。As can be seen from (22) and (23), since Δφ ≠ 0, the amplitudes of the first and second terms in the parentheses in the equation (13) are not separated, and the amplitude of the surface potential measurement signal is A certain V1 contains the amplitude of the second term in the parentheses of the equation (13) for measuring the surface shape. In addition, the amplitude of the first term in parentheses in Expression (13) for measuring the surface potential is mixed in V2 which is the surface shape measurement signal. That is, the surface potential of the sample mixes and interferes with the measurement result of the surface shape, and the surface shape of the sample mixes and interferes with the measurement result of the surface potential. In this way, cantilever 2
When the ω0, which is the resonance frequency of 6, slightly fluctuates due to the influence of ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, the surface potential of the sample and the measurement result of the surface shape interfere with each other, resulting in a non-negligible error. come.
【００３５】従来、力顕微鏡では、図１０（ａ）に示す
ように棒１１の片端を固定して棒４４の他端を自由にし
た場合の棒（カンチレバー）４４の横振動を利用し、カ
ンチレバー４４の一次共振させて試料の表面状態（表面
電位や表面形状）を測定している。図１０（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）はカンチレバー４４の一次、二次及び三
次の共振状態における各振動モードを示す。カンチレバ
ー４４の長さを１とした場合、二次及び三次の共振状態
におけるカンチレバー４４の節の位置を図１０（ｃ）、
（ｄ）に示す。Conventionally, in a force microscope, as shown in FIG. 10 (a), one end of a rod 11 is fixed and the other end of the rod 44 is made free, and the lateral vibration of the rod (cantilever) 44 is used to obtain a cantilever. The surface state (surface potential and surface shape) of the sample is measured by performing primary resonance of 44. FIG. 10B,
(C) and (d) show respective vibration modes in the primary, secondary and tertiary resonance states of the cantilever 44. Assuming that the length of the cantilever 44 is 1, the positions of the nodes of the cantilever 44 in the secondary and tertiary resonance states are shown in FIG.
(D).
【００３６】従来、力顕微鏡は一般にカンチレバーの一
次共振を利用して試料の表面状態（表面電位や表面形
状）を測定している。カンチレバーの振動を検出する方
法としては、カンチレバーの曲がり傾斜角度を検出する
光てこ法、カンチレバーの振動時の変位を検出する光干
渉法、カンチレバー背後に設けた電極とカンチレバーと
の間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流法、
カンチレバー振動時の速度を検出するヘテロダイン光干
渉法などがある。Conventionally, a force microscope generally uses the primary resonance of a cantilever to measure the surface state (surface potential or surface shape) of a sample. Methods for detecting cantilever vibration include an optical lever method for detecting the bending inclination angle of the cantilever, an optical interference method for detecting displacement during vibration of the cantilever, and a tunnel current flowing between an electrode provided behind the cantilever and the cantilever. Detecting the tunnel current method,
There is a heterodyne optical interferometry that detects the speed at which the cantilever vibrates.
【００３７】カンチレバーの一次共振を利用する場合、
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
はカンチレバーの先端において最も大きい。したがっ
て、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプロー
ブとなるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位
置）はカンチレバーの先端に設定されている。カンチレ
バーの振動を検出する際の感度やＳ／Ｎ比を考えた場
合、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度が最大となる位置においてこれら曲がり傾斜角度、
変位、速度を検出するのが最も有利である。When utilizing the primary resonance of the cantilever,
The bending inclination angle, displacement and speed due to the vibration of the cantilever are the largest at the tip of the cantilever. Therefore, the bending inclination angle, displacement,
The position on the cantilever for detecting the speed (that is, the position where the laser beam serving as a probe is irradiated or the position where the electrodes face each other) is set at the tip of the cantilever. Considering the sensitivity and S / N ratio when detecting cantilever vibration, the bending tilt angle, displacement,
These bend inclination angles at the position where the speed is maximum,
It is most advantageous to detect displacement and velocity.
【００３８】しかし、上記図９に示す力顕微鏡のように
カンチレバーの高次共振を利用して試料の表面状態（表
面電位や表面形状）を測定する場合には、図１０
（ｃ）、（ｄ）からも分かるように、必ずしもカンチレ
バーの先端において振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度が最大になるものではない。したがって、カンチレ
バーの先端で振動による曲がり傾斜角度、変位、速度を
検出すると、必ずしも感度やＳ／Ｎ比の点で有利な測定
を行っていることにはならない。However, when measuring the surface state (surface potential or surface shape) of the sample using the higher-order resonance of the cantilever as in the force microscope shown in FIG. 9, FIG.
As can be seen from (c) and (d), the bending inclination angle, displacement,
Speed is not the maximum. Therefore, detecting the bending inclination angle, displacement, and speed due to vibration at the tip of the cantilever does not necessarily mean that an advantageous measurement is performed in terms of sensitivity and S / N ratio.
【００３９】また、力顕微鏡において、カンチレバーの
非共振、一次共振、及び高次共振の内の少なくとも２つ
を利用する場合、カンチレバーはそれぞれの振動を重畳
した振動を示す。一方、カンチレバーの振動信号は、通
常ロックインアンプに入力される。ロックインアンプは
入力信号の中から参照信号の周波数成分のみをフィルタ
リングして増幅する狭帯域アンプと考えられる。このロ
ックインアンプは、複数の周波数成分を持つカンチレバ
ー振動信号から測定したい振動周波数成分と同じ周波数
の参照信号が入力され、ロックインアンプにて複数の周
波数成分を持つカンチレバー振動信号から他の周波数成
分を分離して所望の振動周波数成分のみを抽出し増幅す
る。In a force microscope, when at least two of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance of a cantilever are used, the cantilever exhibits vibration in which respective vibrations are superimposed. On the other hand, the vibration signal of the cantilever is usually input to the lock-in amplifier. The lock-in amplifier is considered to be a narrow band amplifier that filters and amplifies only the frequency component of the reference signal from the input signal. In this lock-in amplifier, a reference signal having the same frequency as the vibration frequency component to be measured is input from a cantilever vibration signal having a plurality of frequency components. And only the desired vibration frequency component is extracted and amplified.
【００４０】例えば、カンチレバー振動信号に異なる周
波数を持つ２つの信号があって、これをロックインアン
プにより分離して検出する場合、片方の信号（以下Ａ信
号と呼ぶ）にとって他の信号（以下Ｂ信号と呼ぶ）はノ
イズとなる。したがって、Ａ信号にとってはＢ信号は小
さい程良いのであるが、そのような状態になると、Ｂ信
号にとってノイズとなるＡ信号が非常に多い信号の中か
らＢ信号をフィルタリングして増幅しなければならず、
Ｂ信号の分離・増幅にとって非常に不利になる。このよ
うなことをなくすためには、カンチレバーの振動信号に
おけるＡ信号とＢ信号の振幅がほぼ等しい状態にあるこ
とが必要である。For example, when there are two signals having different frequencies in the cantilever vibration signal and these signals are separated and detected by a lock-in amplifier, one signal (hereinafter referred to as A signal) is used for another signal (hereinafter referred to as B signal). Signal) is noise. Therefore, the smaller the B signal is, the better the A signal is. However, in such a state, it is necessary to filter and amplify the B signal from a signal having a very large amount of the A signal which becomes a noise for the B signal. Without
This is very disadvantageous for the separation and amplification of the B signal. In order to eliminate such a situation, it is necessary that the amplitudes of the A signal and the B signal in the vibration signal of the cantilever are substantially equal.
【００４１】一方、図１０に示すように例えば、一次共
振振動によるカンチレバーの振動による曲がり傾斜角
度、変位、速度が最大になる位置は、必ずしも高次の共
振振動によるカンチレバーの曲がり傾斜角度、変位、速
度が最大になる位置とは限らない。したがって、２つの
周波数の振動振幅ががほぼ等しくならないことが多い。
これらの振動振幅を同程度にするためには、２つの信号
の内、振幅が小さい方の振動を生じさせている力、例え
ば静電引力を大きくするという方法をとればよい。しか
し、静電引力を大きくするためには、カンチレバー先端
の探針と試料の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
になる。したがって、このような方法では、必ずしも異
なる周波数の振動振幅を同程度にすることはできない。On the other hand, as shown in FIG. 10, for example, the position where the bending inclination angle, displacement and speed due to the vibration of the cantilever due to the primary resonance vibration become maximum are not necessarily the bending inclination angle, displacement and displacement of the cantilever due to the higher resonance vibration. It is not always the position where the speed becomes maximum. Therefore, the vibration amplitudes of the two frequencies are often not substantially equal.
In order to make these vibration amplitudes approximately the same, a method of increasing the force that generates the vibration of the smaller of the two signals, for example, the electrostatic attractive force, may be used. However, in order to increase the electrostatic attraction, a discharge occurs between the probe at the tip of the cantilever and the surface of the sample, making measurement impossible. Therefore, with such a method, the vibration amplitudes of different frequencies cannot always be made equal.
【００４２】本発明は、測定結果に対する干渉を除去し
て測定誤差を大幅に減少させることができ、測定を精度
良く安定して行うことができ、感度やＳ／Ｎ比を向上さ
せることができて測定物の表面電位と表面形状を独立に
測定することができ、かつ、異なる周波数の振動振幅の
検出に対する感度やＳ／Ｎ比を向上させることができる
表面電位計及び形状測定器、力顕微鏡を提供することを
目的とする。According to the present invention, it is possible to greatly reduce the measurement error by removing the interference with the measurement result, to perform the measurement accurately and stably, and to improve the sensitivity and the S / N ratio. Potentiometer, shape measuring instrument, and force microscope capable of independently measuring the surface potential and the surface shape of a measurement object, and improving the sensitivity and S / N ratio for detecting vibration amplitudes of different frequencies. The purpose is to provide.
【００４３】[0043]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、測定物に対向配置される探
針を先端部に設けた板バネを該板バネの共振周波数によ
り振動させ、前記探針に働く力により前記板バネの高次
共振振動状態が変化することを光てこ法により検出する
ことで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定
物の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネが高
次共振する時の節に前記光てこ法の光を照射するもので
ある。In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe at a tip portion opposed to an object to be measured is vibrated by the resonance frequency of the leaf spring. Then, the force acting on the probe is detected by detecting the change in the higher-order resonance vibration state of the leaf spring by the force acting on the probe by an optical lever method, and the state of the measurement object is observed. In the force microscope according to the present invention, the light of the optical lever method is applied to a node when the leaf spring resonates at a higher order.
【００４４】請求項２記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの非共振
周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何
れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、
前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が各々変
化することを光てこ法により検出することで前記探針に
働く力を検出し、これにより前記測定物の状態を観察す
る力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動による各
曲がり角が等しくなる前記板バネ上の位置に前記光てこ
法の光を照射するものである。According to a second aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip portion facing a measurement object is provided at any one of a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, and a higher-order resonance frequency of the leaf spring. And vibrating at a plurality of different frequencies,
In a force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations each change by the force acting on the probe by an optical lever method, thereby observing the state of the measurement object. Irradiating the light of the optical leverage method to a position on the leaf spring at which each bending angle due to a plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal.
【００４５】請求項３記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの高次共
振周波数により振動させ、この板バネの振動状態におけ
る変位を測定するための振動変位測定手段により前記板
バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力による振動
状態の変化から前記探針に働く力を検出し、これにより
前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、前記板
バネが高次共振する時の腹を前記振動変位測定手段の測
定点としたものである。According to a third aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip end thereof opposed to an object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring, and the displacement of the leaf spring in the vibration state is reduced. The vibration state of the leaf spring is detected by vibration displacement measuring means for measuring, and the force acting on the probe is detected from a change in the vibration state due to the force acting on the probe, thereby observing the state of the measurement object. In this force microscope, the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means.
【００４６】請求項４記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの非共振
周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何
れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、
前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が各々変
化することを振動変位測定手段により検出することで前
記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態
を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動
の各振幅が等しくなる前記板バネ上の位置を前記振動変
位測定手段の測定点としたものである。According to a fourth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at the tip portion facing the object to be measured is provided at any one of a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, and a higher-order resonance frequency of the leaf spring. And vibrating at a plurality of different frequencies,
A force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe, and thereby observes the state of the measured object. In the above, a position on the leaf spring at which each amplitude of a plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means.
【００４７】請求項５記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの高次共
振周波数により振動させ、振動状態における前記板バネ
の振動速度を測定するための振動速度測定手段により前
記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力による
振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、これに
より前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、前
記板バネが高次共振する時の腹を前記振動速度測定手段
の測定点としたものである。According to a fifth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at the tip end thereof opposed to the object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring, and the vibration speed of the leaf spring in a vibrating state is obtained. The vibration state of the leaf spring is detected by vibration speed measurement means for measuring the force of the probe, and the force acting on the probe is detected from the change in the vibration state due to the force acting on the probe, thereby detecting the state of the measured object. In the force microscope to be observed, an antinode when the leaf spring resonates at a higher order is used as a measurement point of the vibration velocity measuring means.
【００４８】請求項６記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの非共振
周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何
れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、
前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が各々変
化することを振動速度測定手段により検出することで前
記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態
を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動
による各振動速度が等しくなる前記板バネ上の位置を前
記振動速度測定手段の測定点としたものである。According to a sixth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip end thereof opposed to an object to be measured is provided at any one of a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, and a higher-order resonance frequency of the leaf spring. And vibrating at a plurality of different frequencies,
A force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe, and thereby observes the state of the measurement object. In the above, a position on the plate spring at which each of the vibration speeds of the plurality of vibrations of the plate spring becomes equal is set as a measurement point of the vibration speed measuring means.
【００４９】[0049]
【作用】請求項１記載の発明では、板バネの先端部に設
けられた探針が測定物に対向し、板バネはその共振周波
数により振動する。探針に働く力により板バネの高次共
振振動状態が変化することが光てこ法により検出される
ことで探針に働く力が検出され、光てこ法の光は板バネ
が高次共振する時の節に照射される。According to the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring vibrates at its resonance frequency. The change in the higher-order resonance vibration state of the leaf spring due to the force applied to the probe is detected by the optical lever method, and the force applied to the probe is detected. Irradiated at the nodes of time.
【００５０】請求項２記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその非共
振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の
何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動す
る。探針に働く力により複数の振動の状態が各々変化す
ることが光てこ法により検出されることで探針に働く力
が検出され、光てこ法の光は板バネの複数の振動による
各曲がり角が等しくなる板バネ上の位置に照射される。According to the second aspect of the present invention, the probe provided at the distal end of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring has a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order resonant frequency. In addition, they vibrate at a plurality of different frequencies. The force acting on the probe is detected by the optical lever method detecting that a plurality of vibration states change by the force acting on the probe. Are irradiated to the position on the leaf spring at which
【００５１】請求項３記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその高次
共振周波数により振動する。板バネの振動状態における
変位を測定するための振動変位測定手段により板バネの
振動状態が検出され、探針に働く力による振動状態の変
化から探針に働く力が検出され、振動変位測定手段の測
定点は板バネが高次共振する時の腹となる。According to the third aspect of the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring vibrates at its higher-order resonance frequency. A vibration displacement measuring means for measuring a displacement of the leaf spring in a vibration state detects a vibration state of the leaf spring, and a force acting on the probe is detected from a change in the vibration state due to a force acting on the probe, and a vibration displacement measuring means. Is the antinode when the leaf spring undergoes higher order resonance.
【００５２】請求項４記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその非共
振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の
何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動す
る。探針に働く力により複数の振動の状態が各々変化す
ることが振動変位測定手段により検出されることで探針
に働く力が検出され、振動変位測定手段の測定点は板バ
ネの複数の振動の各振幅が等しくなる板バネ上の位置と
なる。According to the fourth aspect of the present invention, the probe provided at the distal end of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring has its non-resonant frequency, primary resonance frequency, or higher-order resonance frequency. In addition, they vibrate at a plurality of different frequencies. The vibration displacement measuring means detects that each of a plurality of vibration states changes due to the force acting on the probe, so that the force acting on the probe is detected. Are located on the leaf spring at which the respective amplitudes become equal.
【００５３】請求項５記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその高次
共振周波数により振動する。振動状態における板バネの
振動速度を測定するための振動速度測定手段により板バ
ネの振動状態が検出され、探針に働く力による振動状態
の変化から探針に働く力が検出され、振動速度測定手段
の測定点は板バネが高次共振する時の腹となる。According to the fifth aspect of the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring vibrates at its higher-order resonance frequency. The vibration state of the leaf spring is detected by the vibration velocity measuring means for measuring the vibration velocity of the leaf spring in the vibration state. The measurement point of the means is an antinode when the leaf spring resonates at a higher order.
【００５４】請求項６記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその非共
振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の
何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動す
る。探針に働く力により複数の振動の状態が各々変化す
ることが振動速度測定手段により検出されることで探針
に働く力が検出され、振動速度測定手段の測定点は板バ
ネの複数の振動による各振動速度が等しくなる板バネ上
の位置となる。According to the sixth aspect of the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring has a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order resonant frequency. In addition, they vibrate at a plurality of different frequencies. The force acting on the probe is detected by the vibration velocity measuring means detecting that each of the plurality of vibration states changes due to the force acting on the probe, and the measurement point of the vibration velocity measuring means is determined by the vibration of the leaf spring. Is a position on the leaf spring where the respective vibration speeds are equal.
【００５５】[0055]
【実施例】図１は本発明の第１実施例を示す。この第１
実施例は、請求項１、２記載の発明の実施例であり、表
面電位計及び形状測定器としての力顕微鏡の例を示す。
第１実施例では、前述した図７に示す力顕微鏡におい
て、交流電源１６からのカンチレバー１１の非共振周波
数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電源１７からの直
流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電圧がカンチレバ
ー１１に印加されて試料１３のベースとなる導電性基板
１８が基準電位の接地点に接続されることによりカンチ
レバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面との間に
静電引力が発生し、この静電引力によりカンチレバー１
１に周波数ωの振動が生ずる。圧電素子１４は絶縁体５
１を介してカンチレバー１１に固定されてカンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. This first
The embodiment is an embodiment of the first and second aspects of the invention, and shows an example of a surface electrometer and a force microscope as a shape measuring instrument.
In the first embodiment, in the force microscope shown in FIG. 7 described above, the voltage obtained by superimposing the AC voltage VAC · sinωt of the non-resonant frequency ω of the cantilever 11 from the AC power supply 16 and the DC offset voltage Voff from the DC power supply 17 is applied. When a conductive substrate 18 which is applied to the cantilever 11 and serves as a base of the sample 13 is connected to a ground point of the reference potential, an electrostatic attraction is generated between the probe 12 at the tip of the cantilever 11 and the surface of the sample 13. Then, the cantilever 1
1 has a vibration of frequency ω. The piezoelectric element 14 is an insulator 5
1, the resonance frequency ω of the conductive cantilever 11 is fixed to the fixed end of the cantilever 11.
r, the conductive cantilever 11 vibrates at the resonance frequency ωr.
【００５６】探針１２と試料１３の表面との電位差を測
定した結果であるロックインアンプ２１の出力信号Ａω
は、自乗器５２により自乗されてＡω２となった後に、
ゲインがαであるアンプ５３により増幅されてαＡω２
となる。このアンプ５３は補正手段として用いられ、α
が補正係数となる。ロックインアンプ２２の出力信号Ａ
ωrは加算器５４によりアンプ５３の出力信号αＡω２
が加算されて(Ａωr＋αＡω２)となり、この(Ａωr＋
αＡω２)がＺサーボ回路２４に入力される。Ｚサーボ
回路２４は加算器５４の出力信号によりＺ軸アクチュエ
ータを制御して探針１２と試料１３の表面との間の距離
を一定に保ち、Ｚサーボ回路２４のＺ軸アクチュエータ
制御量から試料１３の表面形状を測定する。The output signal Aω of the lock-in amplifier 21 as a result of measuring the potential difference between the probe 12 and the surface of the sample 13
After becoming it includes a Aw 2 is squared by squarer 52,
Amplified by the amplifier 53 having a gain of α and αAω 2
Becomes This amplifier 53 is used as correction means, and α
Is a correction coefficient. Output signal A of lock-in amplifier 22
ωr is output from the amplifier 53 by the adder 54 to the output signal αAω 2
There is added (Aωr + αAω 2), and this (Aωr +
αAω 2 ) is input to the Z servo circuit 24. The Z servo circuit 24 controls the Z-axis actuator based on the output signal of the adder 54 to keep the distance between the probe 12 and the surface of the sample 13 constant. Is measured.
【００５７】次に本実施例の動作を説明する。探針１２
の先端と試料１３の表面との間の距離をＺ、探針１２の
先端の曲率半径をＲとすると、Ｚ＜Ｒの場合、探針１２
の先端と試料１３の表面との間の静電容量ＣのＺに関し
ての微係数∂Ｃ／∂Ｚは次の(24)式で表わされる。 (∂Ｃ／∂Ｚ)＝πε０Ｒ／Ｚ・・・(24) これを(8)式に代入すると、ω成分の振幅Ａωは次の(2
5)式で表わされる。Next, the operation of this embodiment will be described. Probe 12
Let Z be the distance between the tip of the probe 13 and the surface of the sample 13 and R be the radius of curvature of the tip of the probe 12, and if Z <R, the probe 12
The differential coefficient ΔC / ΔZ of the capacitance C between the tip of the sample 13 and the surface of the sample 13 with respect to Z is expressed by the following equation (24). (∂C / ∂Z) = πε0R / Z (24) By substituting this into the equation (8), the amplitude Aω of the ω component becomes
It is expressed by equation 5).
【００５８】 Ａω＝(πε０Ｒ／Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(25) したがって、自乗器５２の出力信号Ａω２は次の(26)式
で表わされる。 Ａω２＝(πε０Ｒ)２{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}ＶAC２・・・(26) ここで、π、ε０、Ｒ、ＶACは定数である。したがっ
て、Ａω２はＶs、Ｖoff、Ｚの関数となる。[0058] Aw = Therefore (πε0R / Z) (Vs + Voff) VAC ··· (25), the output signal Aw 2 of squarer 52 is expressed by the following equation (26). Aω 2 = (πε0R) 2 {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } VAC 2 (26) where π, ε0, R, and VAC are constants. Therefore, Aw 2 is Vs, Voff, a function of Z.
【００５９】一方、静電容量ＣのＺに関しての２階の微
係数∂２Ｃ／∂Ｚ２は次の(27)式で表わされる。 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝πε０Ｒ／Ｚ２・・・(27) これにより、ωr成分の振幅減少分であるΔＡは次の(2
8)式で表わされる。 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ/(Ｋ・３√３)}［(１/２)(πε０Ｒ/Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff)２ ＋ＶAC２／２}］ ＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２/Ｚ２}−{Ａ０Ｑπ ε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(28) ここで、Ａ０、Ｑ、Ｋは定数であり、αは次の(29)式の
ように設定する。On the other hand, the second-order differential coefficient ∂ 2 C / ∂Z 2 with respect to Z of the capacitance C is expressed by the following equation (27). ∂ 2 C / ∂Z 2 = πε0R / Z 2 (27) Thus, ΔA, which is the amplitude reduction of the ωr component, is given by the following (2)
It is expressed by equation 8). ΔA = - {2A0Q / (K · 3√3)} [(1/2) (πε0R / Z 2) {(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] = - {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } − {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) (28) where A0, Q and K are constants and α is Set as in the following equation (29).
【００６０】 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{１／(ＶAC２πε０Ｒ)}・・・(29) アンプ５３の出力信号αＡω２は次の(30)式のように設
定する。 αＡω２＝{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}・・・(30) したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号(Ａωr＋α
Ａω２)は次の(31)式で表わされる。Α = {A0Q / (K · 3√3)} {1 / (VAC 2 πε0R)} (29) The output signal αAω2 of the amplifier 53 is set as in the following equation (30). αAω 2 = {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } (30) Therefore, the input signal (Aωr + α) to the Z servo circuit 24
Aω 2 ) is expressed by the following equation (31).
【００６１】 Ａωr＋αＡω２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／ Ｚ２}−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)＋ {Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２} ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・６√３)}(ＶAC２/Ｚ２)・・(31) ここで、Ｚサーボ回路２４への入力信号の自由振動時の
振幅からの減少分を新たにΔＡrとすると、(31)式より
ΔＡrは ΔＡr＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(32) となる。この(32)式においてはＺ以外は全て定数であ
る。Aωr + αAω 2 = A0 + ΔA + αAω 2 = A0− {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } − {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) + {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } = A0− {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) · (31) Assuming that the amount of decrease in the amplitude of the input signal to the Z servo circuit 24 from the free vibration is a new ΔAr, from the equation (31), ΔAr is ΔAr = − {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) (32). In the equation (32), all except Z are constants.
【００６２】したがって、(Ｖs＋Ｖoff)によりΔＡrが
変化することはない。Ｚサーボ回路２４はΔＡrを一定
にするようにＺ軸アクチュエータを制御するから、その
制御量から測定した試料１３の表面形状測定結果は試料
１３の表面電位による誤差を含まない。すなわち、試料
１３の表面電位の表面形状測定結果に対する干渉を消去
することができ、試料１３の表面形状測定結果の誤差を
大幅に減少させることができる。Therefore, ΔAr does not change due to (Vs + Voff). Since the Z servo circuit 24 controls the Z-axis actuator to keep ΔAr constant, the surface shape measurement result of the sample 13 measured from the control amount does not include an error due to the surface potential of the sample 13. That is, interference of the surface potential of the sample 13 with the surface shape measurement result can be eliminated, and errors in the surface shape measurement result of the sample 13 can be greatly reduced.
【００６３】このように、第１実施例は、請求項１記載
の発明の実施例であって、測定物１３に対向配置される
導電性探針１２を先端部に設けたバネとしてのカンチレ
バー１１を、該バネ１１に機械的に結合したアクチュエ
ータとしての圧電素子１４によりバネ１１の機械的共振
周波数で加振してバネに第１振動を生じさせ、導電性探
針１２に交流電圧を印加することにより導電性探針１２
と測定物１３との間に静電引力を生じさせて該静電引力
によりバネに第２振動を生じさせ、第１振動の振幅の減
少から導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離
を測定し、第２振動から測定物１３の表面電位を測定す
る表面電位計及び形状測定器を構成する力顕微鏡におい
て、第２振動状態から、第１振動より測定した導電性探
針１２と測定物１３の表面との間の距離の測定結果を補
正する補正手段としての自乗器５２、アンプ５３及び加
算器５４を備えたので、測定物表面電位の測定物表面形
状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定物
表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることができ
る。As described above, the first embodiment is an embodiment of the first aspect of the present invention, wherein the cantilever 11 serving as a spring is provided with the conductive probe 12 disposed at the tip end thereof facing the object 13 to be measured. Is vibrated at a mechanical resonance frequency of the spring 11 by a piezoelectric element 14 as an actuator mechanically coupled to the spring 11 to generate a first vibration in the spring, and an AC voltage is applied to the conductive probe 12. The conductive probe 12
Between the conductive probe 12 and the surface of the measuring object 13 due to the decrease in the amplitude of the first vibration. In a force microscope constituting a surface voltmeter and a shape measuring instrument for measuring the distance between the two and measuring the surface potential of the measurement object 13 from the second vibration, a conductive probe measured from the first vibration from the second vibration state Since the squaring device 52, the amplifier 53, and the adder 54 are provided as correction means for correcting the measurement result of the distance between the object 12 and the surface of the measurement object 13, the interference of the measurement object surface potential with the measurement object surface shape measurement result is provided. Can be removed, and errors in the measurement result of the surface shape of the workpiece can be greatly reduced.
【００６４】また、第１実施例は、請求項２記載の発明
の実施例であって、請求項１記載の表面電位計及び形状
測定器において、補正手段としての自乗器５２、アンプ
５３及び加算器５４は、第２振動の交流電圧周波数成分
の振幅Ａωの自乗Ａω２と補正係数αの積αＡω２を第
１振動振幅Ａωrに加算することにより導電性探針１２
と測定物１３の表面との間の距離の測定結果を補正する
ので、測定物表面電位の測定物表面形状測定結果に対す
る干渉を除去することができ、測定物表面形状測定結果
の誤差を大幅に減少させることができる。The first embodiment is an embodiment of the second aspect of the present invention. In the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the first aspect, a squarer 52 as a correction means, an amplifier 53 and an adder are provided. The device 54 adds the product αAω2 of the square Aω2 of the amplitude Aω of the AC voltage frequency component of the second vibration and the correction coefficient α to the first vibration amplitude Aωr, thereby
Since the measurement result of the distance between the object and the surface of the object 13 is corrected, interference of the surface potential of the object with the measurement result of the surface shape of the object can be removed, and the error of the measurement result of the object surface shape can be greatly reduced. Can be reduced.
【００６５】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。この第２実施例は、請求項３記載の発明の実施例で
ある。上記第１実施例は、探針１２の先端と試料１３の
表面との間の距離Ｚと、探針１２の先端の曲率半径Ｒと
の関係を図２に示すようにＺ＜Ｒとした。しかし、実際
には、Ｒは測定の空間分解能を上げるために非常に鋭く
加工されており、Ｒ≒１０ｎｍ程度である。したがっ
て、一般的には、Ｚ＜１０ｎｍとして測定を行うことは
ほとんどできず、Ｚ≧Ｒの状態で測定が行われる。Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is an embodiment of the third aspect of the present invention. In the first embodiment, the relationship between the distance Z between the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 and the radius of curvature R of the tip of the probe 12 is Z <R as shown in FIG. However, in reality, R is very sharply processed to increase the spatial resolution of the measurement, and R is about 10 nm. Therefore, in general, measurement can hardly be performed with Z <10 nm, and measurement is performed in a state of Z ≧ R.
【００６６】探針１２の先端を半球、試料１３の表面を
平面としたモデルでは、Ｚ≧Ｒの場合、平行平板のコン
デンサモデルに近似できる。この場合、Ｚのγ乗をＺ＊
＊γと表わし、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝−ａ／Ｚ＊＊γ・・・(33) とすると、γ＝２になる。ここに、上記第１実施例では
γ＝１である。第１実施例ではＺを目標値Ｚ０に保よう
にＺ軸アクチュエータに帰還をかけているが、任意のγ
について、Ｚ０において補償（試料１３の表面電位の距
離測定結果に対する干渉を補償すること：上記補正）が
最適になるようにαを決定することを考える。(33)式か
らＺの(γ＋１)乗をＺ＊＊(γ＋１)と表わすと、 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝−ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)・・・(34) となる。したがって、 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ/(Ｋ・３√３)}[(１／２){ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋ Ｖoff)２＋ＶAC２／２}] ＝−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋Ｖoff)２−{ Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶAC２・・・(35) となる。In a model in which the tip of the probe 12 is a hemisphere and the surface of the sample 13 is a plane, when Z ≧ R, it can be approximated to a parallel plate capacitor model. In this case, the γ power of Z is Z *
* Γ, and ∂C / ∂Z = −a / Z ** γ (33), γ = 2. Here, in the first embodiment, γ = 1. In the first embodiment, feedback is applied to the Z-axis actuator so as to maintain Z at the target value Z0.
For α, it is considered that α is determined so that the compensation in Z0 (compensation for interference with the distance measurement result of the surface potential of the sample 13: the above-described correction) is optimized. (33) a (gamma + 1) square of Z is expressed as Z ** (gamma + 1) from the equation, ∂ 2 C / ∂Z 2 = -aγ / Z ** (γ + 1) becomes.. (34). Therefore, ΔA = - {2A0Q / ( K · 3√3)} [(1/2) {aγ / Z ** (γ + 1)} {(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] = - {A0Q / ( K · 3√3)} {aγ / Z ** (γ + 1)} {(Vs + Voff) 2 − {A0Q / (K · 6√3)} {aγ / Z ** (γ + 1)} VAC 2 ... ( 35)
【００６７】一方、ω成分の振幅Ａωは次の(36)式で表
わされる。 Ａω＝(ａ／Ｚ＊＊γ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(36) ここで、Ｚ０において補償が最適になるようにするに
は、Ｚ０におけるαＡω ２が(35)式の第１項と等しくな
ればよく、 {Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ０＊＊(γ＋１)}(Ｖs＋Ｖoff)２ ＝(αａ２／Ｚ０＊＊２γ)(Ｖs＋Ｖoff)２ＶAC２・・・(37) となる。これから、αは α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ０＊＊(γ−１)}(γ/ａ)(１/ＶAC２)・・・(38) となる。したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号
(Ａωr＋αＡω２)は次の(39)式のようになる。On the other hand, the amplitude Aω of the ω component is expressed by the following equation (36).
Be forgotten. Aω = (a / Z ** γ) (Vs + Voff) VAC (36) Here, it is necessary to optimize the compensation at Z0.
Is αAω at Z0 2Is equal to the first term in equation (35).
{A0Q / (K · 3√3)} {aγ / Z0 ** (γ + 1)} (Vs + Voff)2 = (Αa2 / Z0 ** 2γ) (Vs + Voff)2VAC2... (37) From this, α becomes α = {A0Q / (K · 3√3)} {Z0 ** (γ-1)} (γ / a) (1 / VAC2) ... (38) Therefore, the input signal to the Z servo circuit 24
(Aωr + αAω2) Is as shown in the following equation (39).
【００６８】 Ａωr＋αＡω２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}ａγ／{Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶA C２＋{Ａ０Ｑａγ／(Ｋ・３√３)}(Ｖs＋Ｖoff)２{１／Ｚ＊ ＊２γ}{Ｚ０＊＊(γ−１)}{Ｚ＊＊(γ−１)}・・・(39) (39)式において、第２項はＺのみに依存し、探針１２の
先端と試料１３の表面との間の距離Ｚだけを測定する信
号となる。[0068] Aωr + αAω 2 = A0 + ΔA + αAω 2 = A0- {A0Q / (K · 6√3)} aγ / {Z ** (γ + 1)} VA C 2 + {A0Qaγ / (K · 3√3)} (Vs + Voff) 2 {1 / Z ** 2γ} {Z0 ** (γ-1)} {Z ** (γ-1)} (39) In equation (39), the second term depends only on Z. , A signal for measuring only the distance Z between the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13.
【００６９】一方、(39)式の第３項は(Ｖs＋Ｖoff)とＺ
に依存し、距離測定に対する(Ｖs＋Ｖoff)の干渉成分で
ある。ここで、前述したようにγ＝２とすると、(39)式
の第３項はＺ＜Ｚ０において正になる。すなわち、Ｚ＜
Ｚ０において(Ｖs＋Ｖoff)による干渉を除去するための
補償量が大き過ぎ、実際のＺの測定結果より大きな値を
Ｚサーボ回路２４に与えることとなる。第１実施例では
Ｚサーボ回路２４への入力が大きいほどＺが大きくて探
針１２の先端と試料１３の表面とが離れたことを示す。
Ｚサーボ回路２４はその入力信号を基にＺを小さくする
（探針１２の先端と試料１３の表面とを近づける）よう
に働く。On the other hand, the third term of the equation (39) is (Vs + Voff) and Z
And the interference component of (Vs + Voff) to the distance measurement. Here, if γ = 2 as described above, the third term of the equation (39) becomes positive when Z <Z0. That is, Z <
In Z0, the compensation amount for removing the interference due to (Vs + Voff) is too large, and a value larger than the actual Z measurement result is given to the Z servo circuit 24. In the first embodiment, the larger the input to the Z servo circuit 24 is, the larger Z is, indicating that the tip of the probe 12 is farther from the surface of the sample 13.
The Z servo circuit 24 operates to reduce Z (to bring the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 closer) based on the input signal.
【００７０】したがって、上述したようなＺ＜Ｚ０にお
いて実際のＺの測定結果よりも大きな値をＺサーボ回路
２４に与えることは、探針１２の先端と試料１３の表面
とが近づいている時に両者をさらに近づけるようにＺサ
ーボ回路２４が働くことになり、Ｚの制御が正帰還にな
り、Ｚサーボ回路２４は探針１２の先端と試料１３の表
面とを衝突させるように働くことになる。以上のような
ことを克服するために、本実施例は、上記第１実施例に
おいて、Ｚ＜Ｚ０において最適な補償量が得られるよう
にαを決定したものである。具体的には本実施例は(3)
式の静電引力Ｆesの、(Ｖs＋Ｖoff)＝０における直流の
力 ＦesDC＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(ＶAC２／２)・・・(40) により探針１２の先端が試料１３の表面に吸引される直
前の距離Ｚminにおいて、αを決定する。この場合、(3
9)式の第３項は次の(40-a)式になる。Therefore, when a value larger than the actual measurement result of Z is given to the Z servo circuit 24 when Z <Z0 as described above, when the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 are approaching each other, The Z servo circuit 24 works so as to bring the probe closer, the Z control becomes positive feedback, and the Z servo circuit 24 works so that the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 collide. In order to overcome the above problems, in the present embodiment, in the first embodiment, α is determined so that an optimum compensation amount is obtained when Z <Z0. Specifically, this embodiment is (3)
Expression of electrostatic attraction Fes, (Vs + Voff) = 0 DC force in FesDC = - (1/2) the tip of the (∂C / ∂Z) (VAC 2 /2) probe 12 by ... (40) Is determined at a distance Zmin immediately before is sucked into the surface of the sample 13. In this case, (3
The third term of the equation (9) is the following equation (40-a).
【００７１】 {Ａ０Ｑａγ／(Ｋ・３√３)}(Ｖs＋Ｖoff)２{１／Ｚ＊＊２γ}{Ｚmin＊＊(γ −１)}{Ｚ＊＊(γ−１)}・・・(40-a) (40-a)式の値はＺ＞Ｚminにおいて負になるので、Ｚ軸
アクチュエータの制御が不安定になることはない。ま
た、Ｚ＞Ｚminにおいては探針１２電位への帰還の遅れ
による直流の静電引力Ｆesの増加により、距離帰還の安
定性に関わらず探針１２の先端と試料１３の表面とが衝
突する。したがって、Ｚ＜ＺminにおけるＺの制御の不
安定性による探針１２の先端と試料１３の表面との衝突
は考慮する必要がない。以上のようにＺminにおいてα
を決定することにより、試料１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、探針１２の先端と試料１３
の表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。{A0Qaγ / (K · 3√3)} (Vs + Voff) 2 {1 / Z ** 2γ} {Zmin ** (γ-1)} {Z ** (γ-1)} 40-a) Since the value of the expression (40-a) becomes negative when Z> Zmin, the control of the Z-axis actuator does not become unstable. When Z> Zmin, the tip of the probe 12 collides with the surface of the sample 13 irrespective of the stability of the distance feedback due to an increase in the DC electrostatic attractive force Fes due to a delay in the feedback to the potential of the probe 12. Therefore, it is not necessary to consider the collision between the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 due to the instability of Z control when Z <Zmin. As described above, in Zmin, α
Is determined, the interference of the surface potential of the sample 13 with the surface shape measurement is reduced, and the tip of the probe 12 and the sample 13
The control stability of the distance to the surface can be maintained.
【００７２】この第２実施例は、請求項３記載の発明の
実施例であって、第１実施例において、導電性探針１２
と測定物１３の表面との間の距離Ｚを一定に制御する際
の目標値よりも導電性探針１２と測定物１３の表面との
間の距離が小さい時に補正が最適に行われるように補正
係数αを定めたので、測定物１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、測定物１２の先端と測定物
１３の表面との間の距離の制御安定性を保ことができ
る。This second embodiment is an embodiment of the third aspect of the present invention, and differs from the first embodiment in that the conductive probe 12
When the distance between the conductive probe 12 and the surface of the object 13 is smaller than the target value when the distance Z between the object and the surface of the object 13 is controlled to be constant, the correction is optimally performed. Since the correction coefficient α is determined, the control stability of the distance between the tip of the measurement object 12 and the surface of the measurement object 13 can be maintained while reducing the interference of the surface potential of the measurement object 13 with the surface shape measurement. it can.
【００７３】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。第２実施例において、試料１３の表面電位の距離測
定結果に対する干渉を補償する補償量がＺに対して過度
であったり過小であったりするのは、Ｚに対して最適な
αの値が変化するからである。本実施例は、この点を改
善したものであり、請求項４記載の発明の実施例であ
る。図３は本実施例を示す。本実施例では、上記第１実
施例において、ロックインアンプ５５が交流電源１６か
らの交流電圧ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動の２ω成分の振幅Ａ2ωを分離増幅す
る。この場合、交流電源１６からロックインアンプ５５
への参照信号の周波数がωであるが、ロックインアンプ
５５はωの参照信号により２ω成分の分離増幅を行うモ
ードで動作する。Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the reason why the compensation amount for compensating the interference with the distance measurement result of the surface potential of the sample 13 is excessive or small with respect to Z is that the optimal value of α with respect to Z changes. Because you do. The present embodiment is an improvement of this point, and is an embodiment of the present invention. FIG. 3 shows this embodiment. In the present embodiment, in the first embodiment, the lock-in amplifier 55 uses the AC voltage VACsinωt from the AC power supply 16 as a reference signal, and
The output signal of 0 is phase-detected and amplified to separate and amplify the amplitude A2ω of the 2ω component of the vibration of the cantilever 11. In this case, the AC power supply 16 supplies the lock-in amplifier 55
Although the frequency of the reference signal to ω is ω, the lock-in amplifier 55 operates in a mode in which the 2ω component is separated and amplified by the reference signal of ω.
【００７４】また、補正係数決定手段５６として、最適
補正係数を決定するためのテーブル又は数式を持つＤＳ
Ｐ(Digital Signal Processor)等が用いられ、この補正
係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出力信号Ａ
2ωから最適な補正係数を決めてアンプ５３のゲインα
をその最適な補正係数に制御する。アンプ５３は、電圧
によりゲインを制御できるプログラマブルゲインアンプ
等を用いる。The correction coefficient determining means 56 has a DS or a table having a table or a formula for determining an optimum correction coefficient.
P (Digital Signal Processor) or the like is used, and the correction coefficient determining means 56 outputs the output signal A of the lock-in amplifier 55.
The optimum correction coefficient is determined from 2ω and the gain α of the amplifier 53 is determined.
Is controlled to the optimum correction coefficient. As the amplifier 53, a programmable gain amplifier whose gain can be controlled by a voltage is used.
【００７５】さて、次に、本実施例の動作を述べる。
(3)式より、静電引力Ｆesには２ω成分が存在し、この
２ω成分による振動振幅Ａ2ωは次の(41)式で表わされ
る。 Ａ2ω＝(１／４)(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(41) ここで、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝ｆ(Ｚ)・・・(42) とすると、 Ａ2ω＝(１／４)ｆ(Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(43) となる。ＶACは定数であるから、Ａ2ωはＺのみに依存
する。従って、Ａ2ωからＺを知ることができる。Next, the operation of this embodiment will be described.
From equation (3), the electrostatic attraction Fes has a 2ω component, and the vibration amplitude A2ω due to this 2ω component is expressed by the following equation (41). A2ω = (1/4) (∂C / ∂Z) VAC 2 cos2ωt (41) Here, assuming that ∂C / ∂Z = f (Z) (42), A2ω = (1/1) 4) f (Z) VAC 2 cos2ωt (43) Since VAC is a constant, A2ω depends only on Z. Therefore, Z can be known from A2ω.
【００７６】一方、任意のＺに対して最適なαは(38)式
のＺ０に代入すればよいので、 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ＊＊(γ−１)}(γ／ａ)(１／ＶAC２)・・・(44) となる。γはあらかじめ実験により求めておく。以上の
ことから、Ａ2ωからＺを測定し、その値から(44)式を
用いて最適な補正係数αを求めることができる。そこ
で、補正係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出
力信号Ａ2ωから(44)式を用いて最適な補正係数を決め
てアンプ５３のゲインαをその最適な補正係数に制御す
る。On the other hand, since the optimum α for an arbitrary Z can be substituted into Z0 of the equation (38), α = {A0Q / (K · 3√3)} {Z ** (γ-1) } (γ / a) (1 / VAC 2 ) (44) γ is determined in advance by an experiment. From the above, it is possible to measure Z from A2ω and determine the optimum correction coefficient α from the value by using the equation (44). Therefore, the correction coefficient determining means 56 determines an optimum correction coefficient from the output signal A2ω of the lock-in amplifier 55 using the equation (44), and controls the gain α of the amplifier 53 to the optimum correction coefficient.
【００７７】また、補正係数決定手段５６は、Ｚに対す
る最適な補正係数αが(44)式により定められないときに
は、実験値から求めた具体的な数値を持つ補正テーブル
を用いてロックインアンプ５５の出力信号Ａ2ωから補
正係数を決めてアンプ５３のゲインαをその補正係数に
制御する。以上の動作により、本実施例は、任意のＺに
対して試料１３の表面電位の表面形状測定への干渉をほ
ぼ完全に除去することができるとともに、探針１２の先
端と試料１３の表面との間の距離の制御安定性を保つこ
とができる。When the optimum correction coefficient α for Z is not determined by the equation (44), the correction coefficient determination means 56 uses the lock-in amplifier 55 using a correction table having specific numerical values obtained from experimental values. And the gain α of the amplifier 53 is controlled to the correction coefficient. According to the above operation, the present embodiment can almost completely eliminate the interference of the surface potential of the sample 13 with the surface shape measurement with respect to an arbitrary Z, and can remove the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 from each other. The control stability of the distance between can be maintained.
【００７８】このように、第３実施例は、請求項４記載
の発明の実施例であって、第１実施例において、導電性
探針１２に交流電圧を印加することにより生ずる第２振
動の交流電圧周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅Ａ
2ωから補正係数αを定める手段５６を備えたので、任
意の導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離Ｚ
に対して測定物１３の表面電位の表面形状測定への干渉
をほぼ完全に除去することができるとともに、探針１２
の先端と測定物１３の表面との間の距離の制御の安定性
を保ことができる。As described above, the third embodiment is an embodiment of the fourth aspect of the present invention. In the first embodiment, the second vibration caused by applying the AC voltage to the conductive probe 12 is different from the first embodiment. Amplitude A of frequency component twice as high as AC voltage frequency component
Since the means 56 for determining the correction coefficient α from 2ω is provided, the distance Z between any conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13 is determined.
In addition, the interference of the surface potential of the measurement object 13 with the surface shape measurement can be almost completely removed, and the probe 12
The stability of the control of the distance between the tip of the object and the surface of the measurement object 13 can be maintained.
【００７９】次に、請求項５記載の発明の各実施例につ
いて説明する。これらの実施例は、は、上記各実施例に
おいて、それぞれカンチレバーを機械的に加振すること
により一次及び高次の共振周波数の何れかの共振周波数
で共振させてその共振周波数とは異なるカンチレバーの
一次及び高次の共振周波数或いはこれら共振周波数の２
分の１以下の周波数の交流電圧を探針１２に印加するす
るようにし、例えば交流電源１５で発生する交流電圧の
周波数ωrをカンチレバー１１の一次共振周波数に設定
し、交流電源１６で発生する交流電圧の周波数ωをカン
チレバー１１の二次共振周波数或いは三次共振周波数ω
r2に設定するようにしたものである。Next, each embodiment of the present invention will be described. In these embodiments, in each of the above embodiments, the cantilever is resonated at any one of the primary and higher-order resonance frequencies by mechanically vibrating the cantilever, and the cantilever is different from the resonance frequency. Primary and higher resonance frequencies or two of these resonance frequencies
An AC voltage having a frequency equal to or less than one-fourth is applied to the probe 12. For example, the frequency ωr of the AC voltage generated by the AC power supply 15 is set to the primary resonance frequency of the cantilever 11, and the AC power generated by the AC power supply 16 is set. The voltage frequency ω is changed to the secondary resonance frequency or the tertiary resonance frequency ω of the cantilever 11.
This is set to r2.
【００８０】これにより、これら実施例では、カンチレ
バー１１の交流電圧による静電引力で生ずる振動は、高
次の共振振動を示すから、従来の力顕微鏡のようにカン
チレバーの非共振振動を用いていた場合よりもはるかに
大きな振幅が得られる。また、ωrとωr2は異なる周波
数であるから、カンチレバー１１の交流電圧による静電
引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分離して
検出することができ、試料１３の表面電位と表面形状と
を独立に測定することができる。Thus, in these embodiments, since the vibration caused by the electrostatic attraction of the cantilever 11 due to the AC voltage shows high-order resonance vibration, the non-resonant vibration of the cantilever is used as in the conventional force microscope. A much larger amplitude is obtained than in the case. Further, since ωr and ωr2 have different frequencies, it is possible to separately detect the vibration caused by the electrostatic attraction due to the AC voltage of the cantilever 11 and the vibration caused by the mechanical vibration, and to detect the surface potential and the surface shape of the sample 13. Can be measured independently.
【００８１】このように、これらの実施例は、請求項５
記載の発明の実施例であって、請求項１，２，３または
４記載の表面電位計及び形状測定器において、アクチュ
エータとしての圧電素子１４により導電性探針１２を機
械的に加振する周波数をバネとしてのカンチレバー１１
の一次及び高次の共振周波数の何れかとし、導電性探針
１２に印加する交流電圧の周波数を導電性探針１２を機
械的に加振する周波数とは異なるバネの一次及び高次の
共振周波数或いはこれら共振周波数の２分の１以下の周
波数としたので、カンチレバー１１の振動振幅を従来よ
りもはるかに大きくすることができて振動信号の処理上
有利になるとともに、カンチレバー１１の交流電圧によ
る静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分
離して検出することができ、試料１３の表面電位と表面
形状とを独立に測定することができる。Thus, these embodiments are described in claim 5.
In the embodiment of the present invention, the frequency at which the conductive probe 12 is mechanically vibrated by the piezoelectric element 14 as an actuator in the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to claim 1, 2, 3, or 4. Cantilever 11 as a spring
And the frequency of the alternating voltage applied to the conductive probe 12 is different from the frequency at which the conductive probe 12 is mechanically vibrated. Since the frequency or a frequency equal to or less than half of these resonance frequencies is used, the vibration amplitude of the cantilever 11 can be made much larger than before, which is advantageous in processing the vibration signal, and the AC voltage of the cantilever 11 Vibration generated by electrostatic attraction and vibration generated by mechanical excitation can be detected separately, and the surface potential and surface shape of the sample 13 can be measured independently.
【００８２】図４は本発明の第４実施例を示す。この第
４実施例は、請求項６、７記載の発明の実施例であり、
前述した図９に示す力顕微鏡とは以下の点が異なる。交
流電源２９はカンチレバー２６の一次及び高次の共振周
波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の何れかの
周波数の第１交流電圧を発生し、交流電源３０はカンチ
レバー２６の一次及び高次の共振周波数又はこの共振周
波数とほぼ等しい周波数の何れかの周波数の２分の１の
周波数を持つ第２交流電圧を発生する。例えば、交流電
源２９は交流電圧Ｖr1sinωr1ｔを発生し、交流電源３
０は交流電圧Ｖωr2sinωr2ｔ／２を発生する。ここ
に、ωr1はカンチレバー２６の第１共振周波数、ωr2は
カンチレバー２６の第２共振周波数とする。FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention. This fourth embodiment is an embodiment of the invention according to claims 6 and 7,
The following points are different from the force microscope shown in FIG. 9 described above. The AC power supply 29 generates a first AC voltage having any one of the primary and higher resonance frequencies of the cantilever 26 or a frequency substantially equal to this resonance frequency, and the AC power supply 30 generates the primary and higher resonance frequencies of the cantilever 26 Alternatively, a second AC voltage having a half frequency of any of the frequencies substantially equal to the resonance frequency is generated. For example, the AC power supply 29 generates an AC voltage Vr1sinωr1t,
0 generates an AC voltage Vωr2sinωr2t / 2. Here, ωr1 is the first resonance frequency of the cantilever 26, and ωr2 is the second resonance frequency of the cantilever 26.
【００８３】ロックインアンプ３７はプリアンプ３６の
出力信号を交流電源２９からの参照信号Ｖr1sinωr1ｔ
により位相検波して増幅することによりカンチレバー２
６の振動のωr1成分の振幅を分離増幅し、ロックインア
ンプ３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源３０か
らの参照信号Ｖr2sinωr2ｔ／２により位相検波して増
幅することによりカンチレバー２６の振動のωr2成分の
振幅を分離増幅する。The lock-in amplifier 37 converts the output signal of the preamplifier 36 into a reference signal Vr1sinωr1t from the AC power supply 29.
Cantilever 2 by phase detection and amplification
6, the amplitude of the ωr1 component of the vibration of 6 is separated and amplified, and the lock-in amplifier 38 performs phase detection on the output signal of the preamplifier 36 by the reference signal Vr2sinωr2t / 2 from the AC power supply 30 and amplifies it, thereby obtaining the ωr2 component of the vibration of the cantilever 26. Are separated and amplified.
【００８４】本実施例において、探針２７の先端と試料
２８の表面との間の電位差Ｖは Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋Ｖr1sinωr1ｔ＋Ｖr2sinωr2ｔ／２・・・(45) となる。したがって、Ｆesは次の(9)式より Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs＋Ｖr1sinωr1ｔ＋Ｖr2sinωr2ｔ／ ２)２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)２＋Ｖr1２／２＋Ｖr2２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖr2２／２)sin(ωr2ｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)Ｖr1sinωr1ｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖr1２／２)sin(ωr1ｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)[２(Ｖb−Ｖs)Ｖr2sinωr2ｔ／２＋Ｖr1Ｖr2 sin{(ωr1−ωr2／２)ｔ＋π／２}] −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛Ｖr1Ｖr2sin(ωr1＋ωr2／２)ｔ＋π／２)｝ ・・・(46) となる。In this embodiment, the potential difference V between the tip of the probe 27 and the surface of the sample 28 is as follows: V = Vb−Vs + Vr1sinωr1t + Vr2sinωr2t / 2 (45) Therefore, Fes is obtained from the following equation (9): Fes = − (1/2) (∂C / ∂Z) (Vb−Vs + Vr1sinωr1t + Vr2sinωr2t / 2) 2 = − (1/2) (∂C / ∂Z) ｛( Vb-Vs) 2 + Vr1 2 /2 + Vr2 2/2} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(Vr2 2/2) sin (ωr2t-π / 2) +2 (Vb -Vs) Vr1sinωr1t} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(Vr1 2/2) sin (ωr1t-π / 2) - (1/2) (∂C / ∂Z) [2 (Vb-Vs) Vr2sinωr2t / 2 + Vr1Vr2 sin {(ωr1−ωr2 / 2) t + π / 2}] − (1/2) ({C / ΔZ) {Vr1Vr2sin (ωr1 + ωr2 / 2) t + π / 2)} (46)
【００８５】ωr1はカンチレバー２６の第１共振周波
数、ωr2はカンチレバー２６の第２共振周波数であるか
ら、カンチレバー２６は次の(47)式で表わされるＦesの
ωr1、ωr2成分Ｆesωrにより共振する。 Ｆesωr＝−(∂Ｃ／∂Ｚ){(Ｖb−Ｖs)Ｖr1sinωr1ｔ＋(１／４)Ｖr2２sin(ωr 2ｔ −π／２)・・・(47) したがって、Ｆesωrによって生ずるカンチレバー２６
の振動を示すプリアンプ３６の出力ｖは次の(48)式で表
わされる。Since ωr1 is the first resonance frequency of the cantilever 26 and ωr2 is the second resonance frequency of the cantilever 26, the cantilever 26 resonates by the ωr1 and ωr2 components Fesωr of Fes expressed by the following equation (47). Fesωr = − (∂C / ∂Z) {(Vb−Vs) Vr1sinωr1t + (1/4) Vr2 2 sin (ωr2t−π / 2) (47) Therefore, the cantilever 26 generated by Fesωr
The output v of the preamplifier 36 showing the vibration of the above is expressed by the following equation (48).
【００８６】 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ){(Ｖb−Ｖs)Ｖr1sin(ωr1ｔ＋φr1)＋(１／４)Ｖr2２si n (ωr2ｔ−π／２＋φr2)・・・(48) ロックインアンプ３７、３８は入力信号の参照信号周波
数と同じ周波数成分のみを増幅する狭帯域アンプと考え
られる。したがって、２位相式のロックインアンプ３８
によりωr2の参照信号でｖを増幅することにより、(48)
式のωr2成分のみをその位相ωr2に無関係に得ることが
できる。V = −a (∂C / ∂Z) {(Vb−Vs) Vr1sin (ωr1t + φr1) + (1/4) Vr2 2 sin (ωr2t−π / 2 + φr2) (48) Lock-in amplifier Numerals 37 and 38 are considered to be narrow-band amplifiers that amplify only the same frequency components as the reference signal frequency of the input signal. Therefore, the two-phase lock-in amplifier 38
By amplifying v with the reference signal of ωr2, (48)
Only the ωr2 component of the equation can be obtained independent of its phase ωr2.
【００８７】このロックインアンプ３８の出力信号Ｖ２
は次の(49)式のようになる。 Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖr2２・・・(49) すなわち、周囲の気温や湿度、気圧などの影響によりω
r1、ωr2がずれ、φr1、φr2が変動しても試料２８の表
面電位が試料２８の表面形状測定結果に混入・干渉する
ことはない。The output signal V2 of the lock-in amplifier 38
Is as shown in the following equation (49). V2 = − (1/4) A2 (∂C / ∂Z) Vr2 2 (49) That is, ω is affected by the influence of ambient temperature, humidity, pressure and the like.
Even if r1 and ωr2 are shifted and φr1 and φr2 fluctuate, the surface potential of the sample 28 does not mix or interfere with the surface shape measurement result of the sample 28.
【００８８】一方、ロックインアンプ３７によりωr1の
参照信号でｖを増幅することにより、(48)式のωr1成分
のみを増幅することができる。この時、ロックインアン
プ３７において、位相θでｖを位相検波増幅すれば、ロ
ックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は次の(49)式のよう
になる。 Ｖ１＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1{cos(−θ＋φr1)−cos(−θ ＋φr1＋π)・・・(50) (50)式にはφr2が含まれていないので、試料２８の表面
電位測定結果はφr2の変動による影響を受けない。θ＝
φr1とすると、Ｖ１は、 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1・・・(51) となり、最大値を示す。On the other hand, by amplifying v with the reference signal of ωr1 by the lock-in amplifier 37, only the ωr1 component of the equation (48) can be amplified. At this time, if the lock-in amplifier 37 performs phase detection amplification of v with the phase θ, the output signal V1 of the lock-in amplifier 37 becomes as in the following equation (49). V1 = − (A1 / 2) (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) Vr1 {cos (−θ + φr1) −cos (−θ + φr1 + π) (50) Expression (50) includes φr2. Therefore, the measurement result of the surface potential of the sample 28 is not affected by the fluctuation of φr2. θ =
Assuming that φr1, V1 is as follows: V1 = −A1 (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) Vr1 (51), indicating the maximum value.
【００８９】ここで、周囲の気温や湿度、気圧などの影
響によりωr1がずれ、φr1が(φr1＋Δφr1)に変動した
とする。また、θはφr1のままであったとすると、この
時のＶ１は Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1cosΔφr1・・・(52) となる。(52)式からφr1の変動により、Ｖ１は最大値か
ら小さくなるが、試料２８の表面形状が試料２８の表面
電位測定結果に混入・干渉することはない。以上のよう
に、第４実施例においては、従来技術のように、カンチ
レバーの共振周波数が周囲の気温や湿度、気圧などの影
響によりわずかに変動することで、試料の表面電位と表
面形状の測定結果が互いに干渉して無視できない誤差と
なって現われてくるようなことが無い。すなわち、カン
チレバーの共振周波数の変動に無関係に安定して試料の
表面電位と表面形状を測定することができる。Here, it is assumed that ωr1 shifts due to the influence of ambient temperature, humidity, pressure and the like, and φr1 changes to (φr1 + Δφr1). If θ remains φr1, V1 at this time becomes V1 = −A1 (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) Vr1cosΔφr1 (52) From equation (52), V1 becomes smaller than the maximum value due to the variation of φr1, but the surface shape of the sample 28 does not mix with or interfere with the surface potential measurement result of the sample 28. As described above, in the fourth embodiment, as in the related art, the resonance frequency of the cantilever slightly fluctuates due to the influence of ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, thereby measuring the surface potential and surface shape of the sample. The results do not interfere with each other and appear as non-negligible errors. That is, the surface potential and the surface shape of the sample can be stably measured irrespective of the fluctuation of the resonance frequency of the cantilever.
【００９０】このように、第４実施例は、請求項６記載
の発明の実施例であって、測定物２８に対向配置される
導電性探針２７を先端部に設けたバネとしての導電性カ
ンチレバー２６を、測定物２８とバネ２６との間に作用
する静電引力により変形させ、バネ２６の変形により測
定物２８とバネ２６との間に作用する静電引力を検出し
て測定物２８の電位と形状の何れか一方或いは両方を測
定するようにした表面電位計及び形状測定器としての力
顕微鏡において、バネ２６の一次及び高次の共振周波数
又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の何れかの周波
数の第１交流電圧と、バネ２６の一次及び高次の共振周
波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の何れかの
周波数の２分の１の周波数を持つ第２交流電圧とを重畳
させた電圧を導電性探針２７に印加する電圧印加手段と
しての交流電源２９、３０と、第１交流電圧による導電
性探針２７と測定物２８との間の静電引力により生ずる
バネ２６の第１振動の振幅から測定物２８の電位を測定
する表面電位測定手段としてのロックインアンプ３７
と、第２交流電圧による導電性探針２７と測定物２８と
の間の静電引力により生ずるバネ２６の第２振動の振幅
から測定物の形状を測定する形状測定手段としてのロッ
クインアンプ３８とを備えたので、バネ２６の共振周波
数の変動に無関係に安定して試料の表面電位と表面形状
を測定することができる。As described above, the fourth embodiment is an embodiment according to the sixth aspect of the present invention, in which the conductive probe 27 provided at the distal end portion of the conductive probe 27 arranged opposite to the object to be measured 28 is used as the spring. The cantilever 26 is deformed by an electrostatic attraction acting between the object 28 and the spring 26, and the electrostatic attraction acting between the object 28 and the spring 26 due to the deformation of the spring 26 is detected to measure the object 28. In a force microscope as a surface voltmeter and a shape measuring instrument configured to measure one or both of the electric potential and the shape of the spring 26, any one of the primary and higher resonance frequencies of the spring 26 or a frequency substantially equal to this resonance frequency is used. And a second AC voltage having a half frequency of any one of the primary and higher resonance frequencies of the spring 26 or a frequency substantially equal to this resonance frequency. Conduct voltage The AC power supplies 29 and 30 as voltage applying means applied to the probe 27 and the amplitude of the first vibration of the spring 26 generated by the electrostatic attraction between the conductive probe 27 and the measurement object 28 by the first AC voltage. Lock-in amplifier 37 as a surface potential measuring means for measuring the potential of the object 28
And a lock-in amplifier 38 as a shape measuring means for measuring the shape of the measured object from the amplitude of the second vibration of the spring 26 generated by the electrostatic attraction between the conductive probe 27 and the measured object 28 by the second AC voltage. The surface potential and the surface shape of the sample can be stably measured irrespective of the fluctuation of the resonance frequency of the spring 26.
【００９１】また、第４実施例は、請求項７記載の発明
の実施例であって、電圧印加手段としての交流電源２
９、３０、加算器３１が導電性探針２７に第１交流電圧
と第２交流電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加し、
かつ、第１交流電圧による導電性探針２７と測定物２８
との間の静電引力により生ずるバネ２６の第１振動の振
幅が零(もしくは一定値)になるように上記直流電圧を可
変する電位制御手段としての積分器３９を含む帰還回路
と、直流電圧を測定する電位測定手段としてのロックイ
ンアンプ３７と、測定物２８と導電性探針２６との間の
距離を可変するアクチュエータとしてのＺ軸アクチュエ
ータ４３を有し第２交流電圧による導電性探針２７と測
定物２８との間の静電引力により生ずるバネ２６の第２
振動の振幅が一定値になるようにアクチュエータ４３を
制御して測定物２８と導電性探針２７との間の距離を制
御する距離制御手段としての帰還回路と、アクチュエー
タ４３の変位量を測定する変位量測定手段としてのロッ
クインアンプ３８とを備えたので、バネ２６の共振周波
数の変動に無関係に安定して試料の表面電位と表面形状
を測定することができる。The fourth embodiment is an embodiment of the invention according to claim 7, wherein the AC power supply 2 as the voltage applying means is provided.
9, 30, the adder 31 applies a voltage obtained by superimposing the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage to the conductive probe 27,
In addition, the conductive probe 27 and the measurement object 28 by the first AC voltage
A feedback circuit including an integrator 39 as a potential control means for varying the DC voltage so that the amplitude of the first vibration of the spring 26 generated by the electrostatic attraction between the DC voltage and the DC voltage becomes zero (or a constant value); And a Z-axis actuator 43 as an actuator for varying the distance between the measured object 28 and the conductive probe 26. The conductive probe is driven by a second AC voltage. Of spring 26 caused by electrostatic attraction between object 27 and object 28
The actuator 43 is controlled so that the amplitude of the vibration becomes a constant value, and a feedback circuit as a distance control means for controlling the distance between the measurement object 28 and the conductive probe 27 and the displacement of the actuator 43 are measured. Since the lock-in amplifier 38 is provided as the displacement measuring means, the surface potential and the surface shape of the sample can be stably measured regardless of the fluctuation of the resonance frequency of the spring 26.
【００９２】また、請求項８記載の発明の一実施例は、
上記第４実施例において、導電性探針２７に印加すべき
電圧を導電性探針２７に印加せずに測定物２８の導電性
基板３３に印加し、導電性探針２７の電位を基準電位と
したものであり、第４実施例と同様な効果が得られる。
また、請求項８記載の発明の他の実施例は、上記第４実
施例以外の各実施例において、それぞれ導電性探針１２
に印加すべき電圧を導電性探針１２に印加せずに測定物
１３の導電性基板１８に印加し、導電性探針１２の電位
を基準電位としたものであり、上記第４実施例以外の各
実施例と同様な効果が得られる。Further, one embodiment of the invention according to claim 8 is as follows.
In the fourth embodiment, the voltage to be applied to the conductive probe 27 is applied to the conductive substrate 33 of the measurement object 28 without applying the voltage to the conductive probe 27, and the potential of the conductive probe 27 is set to the reference potential. Thus, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained.
According to another embodiment of the present invention, a conductive probe 12 is provided in each of the embodiments other than the fourth embodiment.
Is applied to the conductive substrate 18 of the measurement object 13 without applying the voltage to be applied to the conductive probe 12, and the potential of the conductive probe 12 is used as a reference potential, and other than the fourth embodiment. The same effects as those of the embodiments can be obtained.
【００９３】また、請求項９記載の発明の実施例は、上
記第４実施例において、交流電源２９、３０を含む電圧
印加手段により、上記第１交流電圧と上記第２交流電圧
と直流電圧の内のいずれか２つを導電性探針２７に印加
し、残りの１つを測定物２８に印加するようにしたもの
であり、第４実施例と同様な効果が得られる。また、請
求項９記載の発明の他の各実施例は、上記第４実施例以
外の各実施例において、それぞれ電圧印加手段としての
交流電源２９、３０及び直流電源１７により、交流電圧
と直流電圧の内のいずれか１つを導電性探針２７に印加
し、残りの１つを測定物２８に印加するようにしたもの
であり、上記第４実施例以外の各実施例と同様な効果が
得られる。なお、これらの実施例では、測定物の導電性
基板は接地しない。According to the ninth embodiment of the present invention, in the fourth embodiment, the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage are controlled by voltage applying means including AC power supplies 29 and 30. Are applied to the conductive probe 27 and the remaining one is applied to the measurement object 28, and the same effect as in the fourth embodiment can be obtained. According to another embodiment of the present invention, in each of the embodiments other than the above-described fourth embodiment, the AC power supplies 29 and 30 and the DC power supply 17 serving as voltage applying means are used to supply an AC voltage and a DC voltage. Is applied to the conductive probe 27 and the remaining one is applied to the measurement object 28. The same effect as in each of the embodiments other than the fourth embodiment is obtained. can get. In these examples, the conductive substrate of the object to be measured is not grounded.
【００９４】また、請求項１０記載の発明の実施例は、
上記第４実施例において、交流電源２９、３０を含む電
圧印加手段により、上記第１交流電圧と上記第２交流電
圧と上記直流電圧の内のいずれか２つをカンチレバー２
６に印加せずに測定物２８の導電性基板３３に印加し、
残りの１つを導電性探針２７に印加するようにしたもの
であり、第４実施例と同様な効果が得られる。An embodiment of the invention according to claim 10 is
In the fourth embodiment, any two of the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage are applied to the cantilever 2 by voltage applying means including AC power supplies 29 and 30.
6 is applied to the conductive substrate 33 of the measurement object 28 without being applied to
The remaining one is applied to the conductive probe 27, and the same effect as in the fourth embodiment can be obtained.
【００９５】次に、請求項１１記載の発明の実施例につ
いて図５を用いて説明する。力顕微鏡において、光てこ
法は、光源から照射されてカンチレバーの表面で反射さ
れた光スポット位置の動きを光位置検出器や２分割フォ
トダイオードからなる受光素子により測定することでカ
ンチレバーの曲がり（動き）を検出する。ここに、図５
（ａ）に示すようにカンチレバー５７の長さを１とす
る。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the force microscope, the optical lever method is a method of measuring the movement of the position of a light spot irradiated from a light source and reflected on the surface of the cantilever using a light position detector or a light-receiving element including a two-part photodiode to bend the cantilever. ) Is detected. Here, FIG.
The length of the cantilever 57 is set to 1 as shown in FIG.
【００９６】この光てこ法は、カンチレバー５７の静止
状態の位置（図５のｉの位置）からの変位を捉えている
のではなく、カンチレバー５７の変形に伴うカンチレバ
ー５７の傾斜角（表面接線のｉに対する角度）を測定し
ている。従って、この傾斜角が最も大きい所に光源から
の光スポットを当てれば、その光スポットの位置の動き
が大きくなり、大きな感度を得ることができる。カンチ
レバー５７の一次共振を利用した場合は、図５（ａ）に
示すようにカンチレバー５７の先端がｉからの変位及び
傾斜角の両方について最大であるので、光源からの光ス
ポツトをカンチレバー５７の先端に照射すれば最大の感
度が得られる。This optical lever method does not capture the displacement of the cantilever 57 from the resting position (position i in FIG. 5), but uses the inclination angle of the cantilever 57 (the tangent of the surface tangent) accompanying the deformation of the cantilever 57. (angle with respect to i). Therefore, if a light spot from the light source is applied to a place where the inclination angle is the largest, the movement of the position of the light spot becomes large, and a large sensitivity can be obtained. When the primary resonance of the cantilever 57 is used, as shown in FIG. 5 (a), the tip of the cantilever 57 is maximum in both the displacement from i and the inclination angle. Irradiation at the maximum sensitivity can be obtained.
【００９７】しかし、高次共振を利用する場合は、光源
からの光スポツトをカンチレバー５７の先端に照射して
も最大の感度は得られない。カンチレバー５７の二次共
振を利用する場合は、図５（ｃ）のａにおいてカンチレ
バー５７の傾斜は最大となる。従って、ここに光源から
の光スポツトを照射することにより最大の感度を得るこ
とができる。However, when high-order resonance is used, the maximum sensitivity cannot be obtained even if the light spot from the light source is applied to the tip of the cantilever 57. When the secondary resonance of the cantilever 57 is used, the inclination of the cantilever 57 becomes maximum in FIG. 5C. Therefore, the maximum sensitivity can be obtained by irradiating the light spot from the light source here.
【００９８】また、カンチレバー５７の三次共振を利用
する場合は、図５（ｄ）のｂ、ｃにおいてカンチレバー
５７の傾斜は最大となるから、ここに光源からの光スポ
ツトを照射することにより最大の感度を得ることができ
る。一般に、図５のａ、ｂ、ｃの点はカンチレバー５７
の節という。このように、高次共振状態のカンチレバー
５７の節に光源からの光スポツトを照射することにより
最大の感度を得ることができる。When the tertiary resonance of the cantilever 57 is used, the inclination of the cantilever 57 becomes maximum in FIGS. 5B and 5C. Sensitivity can be obtained. Generally, points a, b, and c in FIG.
Is called a section. As described above, the maximum sensitivity can be obtained by irradiating the node of the cantilever 57 in the higher-order resonance state with the light spot from the light source.
【００９９】そこで、請求項１１記載の発明の各実施例
は、上記各実施例において、それぞれカンチレバー１
１、２６が高次共振する時の節に光源１９、３４からの
光スポツトを照射して光てこ法でカンチレバーの振動を
検出するようにしたものであり、最大の感度を得ること
ができてカンチレバーの複数の振動の信号の振幅をカン
チレバーの最適な加振条件を変えることなく最大にする
ことができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させることができ
て信号処理上有利になる。Therefore, each embodiment of the invention according to claim 11 differs from the above embodiments in that the cantilever 1
Light spots from the light sources 19 and 34 are illuminated at the nodes where the first and second higher resonances occur, and the vibration of the cantilever is detected by the optical lever method, so that the maximum sensitivity can be obtained. The amplitude of the signals of the plurality of vibrations of the cantilever can be maximized without changing the optimum vibration conditions of the cantilever, and the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１００】次に、請求項１２記載の発明の実施例につ
いて図５を用いて説明する。請求項１２記載の発明は、
力顕微鏡において、試料の状態を測定するための最適な
状態で２つ以上の周波数でカンチレバーを振動させる場
合に適用される。例えば、カンチレバーに一次共振と二
次共振を生じさせて測定を行う場合を考える。前述のよ
うにカンチレバーの振動を捉えた信号の内、一次共振の
振幅（信号の大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方
が、それぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しか
し、これを実現するためにカンチレバーの加振条件を変
えることは放電等の問題で安易に行えない。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The invention according to claim 12 is
In a force microscope, the present invention is applied to a case where a cantilever is vibrated at two or more frequencies in an optimal state for measuring a state of a sample. For example, consider a case where measurement is performed by causing primary resonance and secondary resonance in a cantilever. As described above, among the signals obtained by capturing the vibration of the cantilever, the one in which the amplitude of the primary resonance (the magnitude of the signal) is substantially equal to the amplitude of the secondary resonance is not disadvantageous in terms of the respective S / N ratios. However, it is not easy to change the vibration condition of the cantilever to realize this, due to a problem such as electric discharge.
【０１０１】そこで、請求項１２記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記実施例において、所望のカンチレバー加振条件で一次
共振によるカンチレバーの傾斜と二次共振によるンチレ
バーの傾斜とがほぼ等しくなる位置に光源からの光スポ
ツトを照射し、カンチレバーの振動を光てこ法で測定す
るようにしたものである。これにより、カンチレバーの
振動信号における一次共振と二次共振の振幅（信号の大
きさ）をほぼ等しくすることができる。このため、最適
なカンチレバー加振条件のままで、カンチレバーの一次
共振と二次共振の振動信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で
不利にならないように分離することができる。Therefore, according to an embodiment of the present invention, the cantilever is oscillated by the primary resonance and the secondary resonance. The light spot from the light source is radiated to a position where the inclination of the cantilever becomes almost equal to the cantilever, and the vibration of the cantilever is measured by the optical lever method. Thus, the amplitude (signal magnitude) of the primary resonance and the secondary resonance in the vibration signal of the cantilever can be made substantially equal. For this reason, it is possible to separate the vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the cantilever so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the optimum cantilever vibration condition.
【０１０２】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１２記載の発明を
適用することができる。In this embodiment, the vibration generated in the cantilever is set to the primary resonance and the secondary resonance. However, the present invention is not limited to the primary resonance and the secondary resonance. The number of vibration states generated in the cantilever (for example, if primary resonance, secondary resonance, and non-resonance vibrations are generated, the number of vibration states is three) is two.
The present invention is not limited to this, and the invention described in claim 12 can be applied to the case where the number of vibration states generated in the cantilever is three or more.
【０１０３】したがって、請求項１２記載の発明の各実
施例は、試料に対向配置される探針を先端部に設けた板
バネとしてのカンチレバーを該カンチレバーの非共振周
波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何れ
かで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、上
記探針に働く力により上記複数の振動の状態が各々変化
することを光てこ法により検出することで探針に働く力
を検出し、これにより試料の状態を観察する上記各実施
例等の力顕微鏡において、カンチレバーの複数の振動に
よる各曲がり角が等しくなるカンチレバー上の位置に光
てこ法で光源からの光を照射してカンチレバーの振動を
検出するようにしており、最適なカンチレバー加振条件
のままで、カンチレバーの複数の振動の信号をそれぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離することが
できる。Therefore, in each embodiment of the present invention, a cantilever as a leaf spring having a probe provided at the tip end thereof opposed to the sample is provided with a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order frequency of the cantilever. Vibration at any one of the resonance frequencies and at a plurality of different frequencies, and the force acting on the probe by detecting by the optical leverage that the state of the plurality of vibrations changes by the force acting on the probe. In the force microscope of each of the above-described embodiments and the like for observing the state of the sample by irradiating light from a light source by a light lever method to a position on the cantilever where each bending angle by a plurality of vibrations of the cantilever becomes equal. The vibration of the cantilever is detected, and the signal of the plural vibrations of the cantilever is obtained at the point of the S / N ratio under the optimum cantilever vibration condition. It can be separated so as not to profit.
【０１０４】次に、請求項１３記載の発明の実施例につ
いて図６を用いて説明する。光干渉法及びトンネル電流
を検出するトンネル電流法では、力顕微鏡において、カ
ンチレバーの静止状態の位置（図６のｉの位置）からの
変位を捉えている。従って、この変位が最も大きい所に
光源からの光スポツトを照射し、或いはトンネル電流を
検出するための電極を設ければ、大きな感度を得ること
ができる。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the optical interferometry and the tunneling current method for detecting a tunneling current, a force microscope captures a displacement of the cantilever from a stationary position (position i in FIG. 6). Therefore, a large sensitivity can be obtained by irradiating a light spot from the light source to the place where the displacement is greatest, or by providing an electrode for detecting a tunnel current.
【０１０５】カンチレバーの一次共振を利用した場合
は、図６（ａ）に示すようにカンチレバー５８の先端が
ｉからの変位が最大であるので、変位検出手段によりカ
ンチレバー５８の先端の変位を検出すれば最大の感度が
得られる。しかし、高次共振を利用する場合は、変位検
出手段による変位検出位置をカンチレバー５８の先端に
しても最大の感度は得られない。カンチレバー５８の二
次共振を利用する場合は、図６（ｃ）のｄにおいてカン
チレバー５８の変位は最大となる。従って、ここの変位
を変位検出手段で検出することにより最大の感度を得る
ことができる。When the primary resonance of the cantilever is used, the displacement of the tip of the cantilever 58 is detected by the displacement detecting means since the tip of the cantilever 58 has the largest displacement from i as shown in FIG. Maximum sensitivity. However, when using higher-order resonance, the maximum sensitivity cannot be obtained even if the displacement detection position by the displacement detection means is set at the tip of the cantilever 58. When the secondary resonance of the cantilever 58 is used, the displacement of the cantilever 58 becomes maximum at d in FIG. 6C. Therefore, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the displacement here by the displacement detecting means.
【０１０６】また、カンチレバー５８の三次共振を利用
する場合は、図６（ｄ）のｅ、ｆにおいてカンチレバー
５８の変位は最大となるから、ここの変位を変位検出手
段で検出することにより最大の感度を得ることができ
る。一般に、図６のｄ、ｅ、ｆの点はカンチレバー５８
の腹という。このように、高次共振状態のカンチレバー
５８の腹の変位を変位検出手段で検出することにより最
大の感度を得ることができる。そこで、請求項１３記載
の発明の各実施例は、上記各実施例において、それぞれ
カンチレバー１１、２６が高次共振する時の腹の位置の
変位を光干渉法やトンネル電流法により変位検出手段で
検出するようにしたものであり、最大の感度を得ること
ができる。When the tertiary resonance of the cantilever 58 is used, the displacement of the cantilever 58 becomes maximum at e and f in FIG. 6 (d). Sensitivity can be obtained. Generally, the points d, e, and f in FIG.
It is called belly. As described above, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the displacement of the antinode of the cantilever 58 in the higher-order resonance state by the displacement detecting means. Therefore, in each embodiment of the present invention, the displacement of the antinode when the cantilevers 11 and 26 resonate at a higher order is detected by a displacement detecting means by an optical interference method or a tunnel current method. It is designed to detect, so that the maximum sensitivity can be obtained.
【０１０７】このように、請求項１３記載の発明の実施
例は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２
７を先端部に設けた板バネを該板バネとしてのカンチレ
バー１１，２６の高次共振周波数により振動させ、この
板バネ１１，２６の振動状態における変位を測定するた
めの振動変位測定手段により板バネ１１，２６の振動状
態を検出し、探針１２，２７に働く力による振動状態の
変化から探針１２，２７に働く力を検出し、これにより
測定物１３，２８の状態を観察する力顕微鏡において、
板バネ１１，２６が高次共振する時の腹を振動変位測定
手段の測定点としたので、カンチレバーの複数の振動の
信号の振幅をカンチレバーの最適な加振条件を変えるこ
となく最大にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上
させることができて信号処理上有利になる。As described above, the embodiment of the present invention according to the thirteenth aspect is such that the probes 12, 2 opposed to the measuring objects 13, 28 are arranged.
7 is vibrated at a higher order resonance frequency of the cantilevers 11 and 26 as the leaf springs, and the leaf springs are measured by vibration displacement measuring means for measuring the displacement of the leaf springs 11 and 26 in the vibration state. The vibrating state of the springs 11 and 26 is detected, the force acting on the probes 12 and 27 is detected from the change in the vibrating state due to the force acting on the probes 12 and 27, and the force for observing the state of the objects 13 and 28 is thereby detected. In a microscope,
Since the antinodes of the leaf springs 11 and 26 at the time of higher order resonance are used as the measurement points of the vibration displacement measuring means, the amplitudes of the signals of the plurality of vibrations of the cantilever are maximized without changing the optimum excitation conditions of the cantilever. And the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１０８】次に、請求項１４記載の発明の実施例につ
いて説明する。請求項１４記載の発明は、力顕微鏡にお
いて、試料の状態を測定するための最適な条件で２つ以
上の周波数でカンチレバーを振動させる場合に適用され
る。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共振を生じ
させて測定を行う場合を考える。前述のようにカンチレ
バーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅（信号の
大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、それぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、これを実現
するためにカンチレバーの加振条件を変えることは放電
等の問題で安易に行えない。Next, an embodiment of the present invention will be described. The invention according to claim 14 is applied to a case where the cantilever is vibrated at two or more frequencies under the optimum condition for measuring the state of the sample in the force microscope. For example, consider a case where measurement is performed by causing primary resonance and secondary resonance in a cantilever. As described above, among the signals obtained by capturing the vibration of the cantilever, the one in which the amplitude of the primary resonance (the magnitude of the signal) is substantially equal to the amplitude of the secondary resonance is not disadvantageous in terms of the respective S / N ratios. However, it is not easy to change the vibration condition of the cantilever to realize this, due to a problem such as electric discharge.
【０１０９】そこで、請求項１４記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記実施例において、所望のカンチレバー加振条件で一次
共振によるカンチレバーの静止状態の位置（図６のｉの
位置）と二次共振によるカンチレバーの静止状態の位置
とがほぼ等しくなる位置に光源からの光スポツトを照射
し、或いはトンネル電流を検出するための電極を設け、
カンチレバーの振動振幅を測定するようにしたものであ
る。これにより、カンチレバーの振動信号における一次
共振と二次共振の振幅（信号の大きさ）をほぼ等しくす
ることができる。このため、最適なカンチレバー加振条
件のままで、カンチレバーの一次共振と二次共振の振動
信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように
分離することができる。Therefore, according to an embodiment of the present invention, the cantilever is vibrated by the primary resonance and the secondary resonance. An electrode for irradiating a light spot from a light source or detecting a tunnel current is provided at a position where the position of the cantilever at rest due to the secondary resonance is substantially equal to the position (i in FIG. 6).
It measures the vibration amplitude of the cantilever. Thus, the amplitude (signal magnitude) of the primary resonance and the secondary resonance in the vibration signal of the cantilever can be made substantially equal. For this reason, it is possible to separate the vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the cantilever so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the optimum cantilever vibration condition.
【０１１０】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１４記載の発明を
適用することができる。In this embodiment, the vibrations generated in the cantilever are the primary resonance and the secondary resonance. However, the vibration of the cantilever may be any combination of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance and vibrations having different frequencies. However, the present invention is not limited to the primary resonance and the secondary resonance. The number of vibration states generated in the cantilever (for example, if primary resonance, secondary resonance, and non-resonance vibrations are generated, the number of vibration states is three) is two.
The present invention is not limited to this, and the invention described in claim 14 can be applied to the case where the number of vibration states generated in the cantilever is three or more.
【０１１１】したがって、請求項１４記載の発明の各実
施例は、測定物に対向配置される探針を先端部に設けた
板バネとしてのカンチレバーを該板バネの非共振周波数
或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何れか
で、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、探針
に働く力により前記複数の振動の状態が各々変化するこ
とを光干渉法やトンネル電流法により振動変位測定手段
により検出することにより探針に働く力を検出し、これ
により測定物の状態を観察する上記各実施例等の力顕微
鏡において、板バネの複数の振動の各振幅が等しくなる
板バネ上の位置を上振動変位測定手段の測定点としてお
り、最適なカンチレバー加振条件のままで、カンチレバ
ーの複数の振動の信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利
にならないように分離することができる。Therefore, in each embodiment of the present invention, a cantilever as a leaf spring provided with a probe disposed at the tip portion facing the object to be measured is provided with a non-resonant frequency or a primary resonance frequency of the leaf spring. Vibration displacement measuring means by vibrating at any of the higher-order resonance frequencies and at a plurality of frequencies different from each other, and changing the states of the plurality of vibrations by a force applied to a probe by an optical interference method or a tunnel current method. In the force microscope of each of the above-described embodiments, etc., which detects the force acting on the probe by detecting the force of the probe, thereby observing the state of the object to be measured, the position on the leaf spring at which each amplitude of the plurality of vibrations of the leaf spring is equal Are the measurement points of the upper vibration displacement measuring means, and the signals of the plurality of vibrations of the cantilever are divided so as not to be disadvantageous in terms of the S / N ratio under the optimum cantilever vibration conditions. It can be.
【０１１２】次に、請求項１５記載の発明の実施例につ
いて図６を用いて明する。ヘテロダイン光干渉法では、
力顕微鏡において、カンチレバーの表面の速度を速度検
出手段により測定する。従って、この速度が最も大きい
所に光源からの光スポツトを照射すれば、大きな感度を
得ることができる。カンチレバーの一次共振を利用した
場合は、カンチレバー５８の先端において速度が最大で
あるので、速度検出手段によりカンチレバー５８の先端
の速度を検出すれば最大の感度が得られる。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In heterodyne optical interferometry,
In a force microscope, the speed of the surface of the cantilever is measured by a speed detecting means. Therefore, by irradiating a light spot from the light source to a place where the speed is the highest, a large sensitivity can be obtained. When the primary resonance of the cantilever is used, the speed is maximum at the tip of the cantilever 58. Therefore, if the speed of the tip of the cantilever 58 is detected by the speed detecting means, the maximum sensitivity can be obtained.
【０１１３】しかし、高次共振を利用する場合は、カン
チレバー５８の先端の速度を検出しても最大の感度は得
られない。カンチレバー５８の二次共振を利用する場合
は、図６（ｃ）のｄにおいてカンチレバー５８の速度は
最大となる。従って、ここの速度を速度検出手段で検出
することにより最大の感度を得ることができる。また、
カンチレバー５８の三次共振を利用する場合は、図６
（ｄ）のｅ、ｆにおいてカンチレバー５８の速度は最大
となるから、ここの速度を速度検出手段で検出すること
により最大の感度を得ることができる。However, when high-order resonance is used, the maximum sensitivity cannot be obtained even if the speed of the tip of the cantilever 58 is detected. When the secondary resonance of the cantilever 58 is used, the speed of the cantilever 58 becomes maximum in d of FIG. 6C. Therefore, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the speed here by the speed detecting means. Also,
In the case where the tertiary resonance of the cantilever 58 is used, FIG.
Since the speed of the cantilever 58 becomes the maximum in (e) and (f) of FIG.
【０１１４】一般に、図６のｄ、ｅ、ｆの点はカンチレ
バー５８の腹という。このように、高次共振状態のカン
チレバー５８の腹の速度を速度検出手段で検出すること
により最大の感度を得ることができる。そこで、請求項
１５記載の発明の各実施例は、上記各実施例において、
それぞれカンチレバー１１、２６が高次共振する時の腹
の位置の速度をヘテロダイン光干渉法により速度検出手
段で検出するようにしたものであり、最大の感度を得る
ことができる。In general, points d, e, and f in FIG. Thus, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the speed of the antinode of the cantilever 58 in the higher-order resonance state by the speed detecting means. Therefore, each embodiment of the invention described in claim 15 is different from the above embodiments in that
The speed of the antinode position when the cantilevers 11 and 26 resonate at a higher order is detected by the speed detecting means by heterodyne optical interferometry, and the maximum sensitivity can be obtained.
【０１１５】このように、請求項１５記載の発明の実施
例は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２
７を先端部に設けた板バネとしてのカンチレバー１１，
２６を該板バネ１１，２６の高次共振周波数により振動
させ、振動状態における板バネ１１，２６の振動速度を
測定するための振動速度測定手段により板バネ１１，２
６の振動状態を検出し、探針１２，２７に働く力による
振動状態の変化から探針１２，２７に働く力を検出し、
これにより測定物１３，２８の状態を観察する力顕微鏡
において、板バネ１１，２６が高次共振する時の腹を上
記振動速度測定手段の測定点としたので、カンチレバー
の振動を表わす信号の振幅をカンチレバーの最適な加振
条件を変えることなく最大にすることができ、振動信号
のＳ／Ｎを向上させることができて信号処理上有利にな
る。As described above, according to the embodiment of the present invention, the probes 12, 2 opposed to the objects 13, 28 are arranged.
7, a cantilever 11 as a leaf spring provided at the tip end,
26 is vibrated at a higher order resonance frequency of the leaf springs 11 and 26, and the leaf springs 11 and 26 are measured by vibration speed measuring means for measuring the vibration speed of the leaf springs 11 and 26 in the vibrating state.
6, the force acting on the probes 12, 27 is detected from the change in the vibration state due to the force acting on the probes 12, 27,
Thus, in the force microscope for observing the state of the measurement objects 13 and 28, the antinode when the leaf springs 11 and 26 resonate at a higher order is set as the measurement point of the vibration velocity measuring means. Can be maximized without changing the optimum excitation condition of the cantilever, and the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１１６】次に、請求項１６記載の発明の実施例につ
いて説明する。請求項１６記載の発明は、力顕微鏡にお
いて、試料の状態を測定するための最適な条件で２つ以
上の周波数でカンチレバーを振動させる場合に適用され
る。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共振を生じ
させて測定を行う場合を考える。前述のようにカンチレ
バーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅（信号の
大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、それぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、これを実現
するためにカンチレバーの加振条件を変えることは放電
等の問題で安易に行えない。Next, an embodiment of the present invention will be described. The invention according to claim 16 is applied to a case where a cantilever is vibrated at two or more frequencies under optimal conditions for measuring a state of a sample in a force microscope. For example, consider a case where measurement is performed by causing primary resonance and secondary resonance in a cantilever. As described above, among the signals obtained by capturing the vibration of the cantilever, the one in which the amplitude of the primary resonance (the magnitude of the signal) is substantially equal to the amplitude of the secondary resonance is not disadvantageous in terms of the respective S / N ratios. However, it is not easy to change the vibration condition of the cantilever to realize this, due to a problem such as electric discharge.
【０１１７】そこで、請求項１６記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記実施例において、所望のカンチレバー加振条件で一次
共振によるカンチレバーの速度と二次共振によるカンチ
レバーの速度とがほぼ等しくなる位置に光源からの光ス
ポツトを照射し、ヘテロダイン光干渉法によりカンチレ
バーの振動速度を測定してカンチレバーの振動を検出す
るようにしたものである。これにより、カンチレバーの
振動信号における一次共振と二次共振の振幅（信号の大
きさ）をほぼ等しくすることができる。このため、最適
なカンチレバー加振条件のままで、カンチレバーの一次
共振と二次共振の振動信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で
不利にならないように分離することができる。Therefore, according to an embodiment of the present invention, in the above-described embodiment in which the cantilever is vibrated by the primary resonance and the secondary resonance, the speed of the cantilever due to the primary resonance and the secondary resonance under a desired cantilever vibration condition are set. A light spot from a light source is irradiated to a position where the speed of the cantilever becomes substantially equal to the speed of the cantilever, and the vibration speed of the cantilever is measured by heterodyne light interference method to detect the vibration of the cantilever. Thus, the amplitude (signal magnitude) of the primary resonance and the secondary resonance in the vibration signal of the cantilever can be made substantially equal. For this reason, it is possible to separate the vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the cantilever so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the optimum cantilever vibration condition.
【０１１８】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１６記載の発明を
適用することができる。In this embodiment, the vibrations generated in the cantilever are the primary resonance and the secondary resonance. However, the vibration of the cantilever may be any combination of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance, and vibrations having different frequencies. However, the present invention is not limited to the primary resonance and the secondary resonance. The number of vibration states generated in the cantilever (for example, if primary resonance, secondary resonance, and non-resonance vibrations are generated, the number of vibration states is three) is two.
The present invention is not limited to this, and the invention described in claim 16 can be applied to the case where the number of vibration states generated in the cantilever is three or more.
【０１１９】したがって、請求項１６記載の発明の各実
施例は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，
２７を先端部に設けた板バネとしてのカンチレバー１
１，２６を該板バネ１１，２６の非共振周波数或いは一
次共振周波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、
互いに異なる複数の周波数で振動させ、探針１２，２７
に働く力により複数の振動の状態が各々変化することを
ヘテロダイン光干渉法により振動速度測定手段で検出す
ることにより探針１２，２７に働く力を検出し、これに
より測定物１３，２８の状態を観察する上記実施例等の
力顕微鏡において、板バネ１１，２６の複数の振動によ
る各振動速度が等しくなる板バネ１１，２６上の位置を
上記振動速度測定手段の測定点としており、最適なカン
チレバー加振条件のままで、カンチレバーの複数の振動
の信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないよう
に分離することができる。Therefore, each embodiment of the invention according to the sixteenth aspect of the present invention provides the probe 12,
Cantilever 1 as leaf spring provided with 27 at the tip
1, 26 at the non-resonant frequency, the primary resonant frequency, or the higher-order resonant frequency of the leaf springs 11, 26, and
By vibrating at a plurality of different frequencies, the probes 12, 27
The force acting on the probes 12, 27 is detected by detecting the change of each of the plurality of vibrations by the force acting on the probe 12 and 27 by the vibration velocity measuring means by the heterodyne optical interferometry, and thereby the state of the measured object 13, 28 In the force microscope according to the above-described embodiment and the like, the positions on the leaf springs 11 and 26 where the respective vibration speeds due to the plurality of vibrations of the leaf springs 11 and 26 become equal are measured points of the vibration speed measuring means, and the optimum Under the cantilever vibration condition, signals of a plurality of vibrations of the cantilever can be separated so as not to be disadvantageous in terms of their S / N ratios.
【０１２０】[0120]
【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、測定物に対向配置される導電性探針を先端部に設け
たバネを、該バネに機械的に結合したアクチュエータに
より前記バネの機械的共振周波数で加振して前記バネに
第１振動を生じさせ、前記導電性探針に交流電圧を印加
することにより前記導電性探針と前記測定物との間に静
電引力を生じさせて該静電引力により前記バネに第２振
動を生じさせ、前記第１振動の振幅の減少から前記導電
性探針と前記測定物の表面との間の距離を測定し、前記
第２振動から前記測定物の表面電位を測定する表面電位
計及び形状測定器において、前記第２振動状態から、前
記第１振動より測定した前記導電性探針と前記測定物の
表面との間の距離の測定結果を補正する補正手段を備え
たので、測定物表面電位の測定物表面形状測定結果に対
する干渉を除去することができ、測定物表面形状測定結
果の誤差を大幅に減少させることができる。As described above, according to the first aspect of the present invention, the spring provided at the distal end with the conductive probe opposed to the object to be measured is provided by the actuator mechanically coupled to the spring. A first vibration is generated in the spring by vibrating at a mechanical resonance frequency of the spring, and an AC voltage is applied between the conductive probe and the object by applying an AC voltage to the conductive probe. To generate a second vibration in the spring due to the electrostatic attraction, measure the distance between the conductive probe and the surface of the measurement object from the decrease in the amplitude of the first vibration, In a surface potentiometer and a shape measuring instrument for measuring a surface potential of the object from two vibrations, a position between the conductive probe measured from the first vibration and the surface of the object from the second vibration state. A correction means is provided to correct the distance measurement result. Can eliminate interference with workpiece surface shape measurement result of the potential, the error of the measurement object surface shape measurement result can be reduced greatly.
【０１２１】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記補正手段
は、前記第２振動の前記交流電圧周波数成分の振幅の自
乗と補正係数の積を前記第１振動振幅に加算することに
より前記導電性探針と前記測定物の表面との間の距離の
測定結果を補正するので、測定物表面電位の測定物表面
形状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定
物表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることがで
きる。According to the second aspect of the present invention, in the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the first aspect, the correction means includes a square of an amplitude of the AC voltage frequency component of the second vibration and a correction coefficient. By adding the product to the first vibration amplitude to correct the measurement result of the distance between the conductive probe and the surface of the measurement object, interference of the measurement object surface potential with the measurement result of the measurement object surface shape is reduced. It can be removed, and the error of the measurement result of the workpiece surface shape can be greatly reduced.
【０１２２】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記導電性探
針と前記測定物の表面との間の距離を一定に制御する際
の目標値よりも前記導電性探針と前記測定物の表面との
間の距離が小さい時に前記補正が最適に行われるように
前記補正係数を定めたので、測定物の表面電位の表面形
状測定への干渉を低減しつつ、測定物の先端と測定物の
表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。According to the third aspect of the present invention, in the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the second aspect, the distance between the conductive probe and the surface of the measurement object is controlled to be constant. Since the correction coefficient is determined so that the correction is optimally performed when the distance between the conductive probe and the surface of the measurement object is smaller than the target value, the surface shape measurement of the surface potential of the measurement object is performed. The control stability of the distance between the tip of the object and the surface of the object can be maintained while reducing the interference of the object.
【０１２３】請求項４記載の発明によれば、請求項２記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記導電性探
針に交流電圧を印加することにより生ずる第２振動の前
記交流電圧周波数成分の２倍の周波数の成分の振幅から
前記補正係数を定める手段を備えたので、任意の導電性
探針と測定物の表面との間の距離に対して測定物の表面
電位の表面形状測定への干渉をほぼ完全に除去すること
ができるとともに、探針の先端と測定物の表面との間の
距離の制御の安定性を保つことができる。According to a fourth aspect of the present invention, in the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the second aspect, the AC voltage frequency component of the second vibration generated by applying an AC voltage to the conductive probe is provided. Means for determining the correction coefficient from the amplitude of a component having a frequency twice as large as that of the surface potential measurement of the surface potential of the object with respect to the distance between any conductive probe and the surface of the object. Can be almost completely eliminated, and the stability of the control of the distance between the tip of the probe and the surface of the measurement object can be maintained.
【０１２４】請求項５記載の発明によれば、請求項１，
２，３または４記載の表面電位計及び形状測定器におい
て、前記アクチュエータにより前記導電性探針を機械的
に加振する周波数を前記バネの一次及び高次の共振周波
数の何れかとし、前記導電性探針に印加する交流電圧の
周波数を前記導電性探針を機械的に加振する周波数とは
異なる前記バネの一次及び高次の共振周波数或いはこれ
ら共振周波数の２分の１以下の周波数としたので、バネ
の振動振幅を従来よりもはるかに大きくすることができ
て振動信号の処理上有利になるとともに、バネの交流電
圧による静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動
とを分離して検出することができ、測定物の表面電位と
表面形状とを独立に測定することができる。According to the invention set forth in claim 5, claim 1,
5. The surface potentiometer and the shape measuring instrument according to 2, 3, or 4, wherein a frequency at which the actuator mechanically vibrates the conductive probe is any of a primary and a higher-order resonance frequency of the spring. The frequency of the AC voltage applied to the conductive probe is different from the frequency at which the conductive probe is mechanically vibrated, and the primary and higher resonance frequencies of the spring or a frequency equal to or less than half of these resonance frequencies. As a result, the vibration amplitude of the spring can be made much larger than before, which is advantageous in processing vibration signals, and vibration generated by electrostatic attraction due to the AC voltage of the spring is separated from vibration caused by mechanical vibration. And the surface potential and the surface shape of the measurement object can be measured independently.
【０１２５】請求項６記載の発明によれば、測定物に対
向配置される導電性探針を先端部に設けたバネを、前記
測定物と前記バネとの間に作用する静電引力により変形
させ、該バネの変形により前記測定物と前記バネとの間
に作用する静電引力を検出して前記測定物の電位と形状
の何れか一方或いは両方を測定するようにした表面電位
計及び形状測定器において、前記バネの一次及び高次の
共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数の何
れかの周波数の第１交流電圧と、前記バネの一次及び高
次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数
の何れかの周波数の２分の１の周波数を持つ第２交流電
圧とを重畳させた電圧を前記導電性探針に印加する電圧
印加手段と、前記第１交流電圧による前記導電性探針と
前記測定物との間の静電引力により生ずる前記バネの第
１振動の振幅から前記測定物の電位を測定する表面電位
測定手段と、前記第２交流電圧による前記導電性探針と
前記測定物との間の静電引力により生ずる前記バネの第
２振動の振幅から前記測定物の形状を測定する形状測定
手段とを備えたので、バネの共振周波数の変動に無関係
に安定して試料の表面電位と表面形状を測定することが
できる。According to the sixth aspect of the present invention, the spring provided at the distal end with the conductive probe disposed opposite to the object to be measured is deformed by the electrostatic attraction acting between the object to be measured and the spring. A surface voltmeter and a shape for detecting one or both of the potential and the shape of the measured object by detecting an electrostatic attractive force acting between the measured object and the spring due to the deformation of the spring; In the measuring device, a first AC voltage having any one of the primary and high-order resonance frequencies of the spring or a frequency substantially equal to the resonance frequency, and a primary and high-order resonance frequency of the spring or substantially equal to the resonance frequency. Voltage applying means for applying, to the conductive probe, a voltage obtained by superimposing a second AC voltage having a half of one of the equal frequencies on the conductive probe; Between the needle and the object Surface potential measuring means for measuring the potential of the object from the amplitude of the first vibration of the spring caused by electrostatic attraction, and electrostatic attraction between the conductive probe and the object by the second AC voltage And the shape measuring means for measuring the shape of the object to be measured from the amplitude of the second vibration of the spring caused by the above, so that the surface potential and the surface shape of the sample can be stably measured irrespective of the fluctuation of the resonance frequency of the spring. be able to.
【０１２６】請求項７記載の発明によれば、請求項６記
載の表面電位計及び形状測定器において、前記電圧印加
手段が前記導電性探針に前記第１交流電圧と前記第２交
流電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加し、かつ、前
記第１交流電圧による前記導電性探針と前記測定物との
間の静電引力により生ずる前記バネの第１振動の振幅が
零もしくは一定値になるように前記直流電圧を可変する
電位制御手段と、前記直流電圧を測定する電位測定手段
と、前記測定物と前記導電性探針との間の距離を可変す
るアクチュエータを有し前記第２交流電圧による前記導
電性探針と前記測定物との間の静電引力により生ずる前
記バネの第２振動の振幅が一定値になるように前記アク
チュエータを制御して前記測定物と前記導電性探針との
間の距離を制御する距離制御手段と、前記アクチュエー
タの変位量を測定する変位量測定手段とを備えたので、
バネの共振周波数の変動に無関係に安定して試料の表面
電位と表面形状を測定することができる。According to the seventh aspect of the present invention, in the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the sixth aspect, the voltage applying means applies the first AC voltage and the second AC voltage to the conductive probe. A voltage obtained by superimposing a DC voltage is applied, and an amplitude of a first vibration of the spring caused by an electrostatic attraction between the conductive probe and the object to be measured by the first AC voltage is zero or a constant value. A potential control means for varying the DC voltage so as to obtain a potential, a potential measurement means for measuring the DC voltage, and an actuator for varying a distance between the measured object and the conductive probe. The actuator is controlled so that the amplitude of the second vibration of the spring generated by the electrostatic attraction between the conductive probe and the measurement object by the AC voltage becomes a constant value, and the measurement object and the conductivity probe are controlled. Control the distance between the needle A distance control unit, since a displacement measuring means for measuring a displacement amount of the actuator,
The surface potential and the surface shape of the sample can be stably measured irrespective of the fluctuation of the resonance frequency of the spring.
【０１２７】請求項８記載の発明によれば、請求項１，
２，３，４，５，６または７記載の表面電位計及び形状
測定器において、前記導電性探針に印加すべき電圧を測
定物の導電性基板に印加し、前記導電性探針の電位を基
準電位としたので、請求項１，２，３，４，５，６また
は７記載の表面電位計及び形状測定器と同様な効果が得
られる。According to the invention described in claim 8, according to claim 1,
8. The surface voltmeter and the shape measuring instrument according to 2, 3, 4, 5, 6, or 7, wherein a voltage to be applied to the conductive probe is applied to a conductive substrate of an object to be measured, and a potential of the conductive probe is measured. Is set as the reference potential, the same effects as those of the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the first, second, third, fourth, fifth, sixth or seventh aspect can be obtained.
【０１２８】請求項９記載の発明によれば、請求項１，
２，３，４，５，６または７記載の表面電位計及び形状
測定器において、交流電圧と直流電圧の内のいずれか１
つ或いは前記第１交流電圧と前記第２交流電圧と直流電
圧の内のいずれか２つを前記導電性探針に印加し、残り
の１つを前記測定物に印加する電圧印加手段を有するの
で、請求項１，２，３，４，５，６または７記載の表面
電位計及び形状測定器と同様な効果が得られる。According to the ninth aspect of the present invention, the first and the second aspects of the present invention are described below.
In the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to 2, 3, 4, 5, 6, or 7, any one of an AC voltage and a DC voltage is used.
Or voltage applying means for applying any two of the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage to the conductive probe and applying the remaining one to the measurement object. The same effects as those of the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to the first, second, third, fourth, fifth, sixth or seventh aspect are obtained.
【０１２９】請求項１０記載の発明によれば、請求項６
または７記載の表面電位計及び形状測定器において、前
記第１交流電圧と前記第２交流電圧と直流電圧の内のい
ずれか２つを測定物の導電性基板に印加し、残りの１つ
を前記導電性探針に印加する電圧印加手段を有するの
で、請求項６または７記載の表面電位計及び形状測定器
と同様な効果が得られる。According to the tenth aspect, the sixth aspect is provided.
Or in the surface potentiometer and the shape measuring instrument according to 7, wherein any two of the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage are applied to the conductive substrate of the object to be measured, and the remaining one is applied. Since the apparatus has the voltage applying means for applying the voltage to the conductive probe, the same effects as those of the surface voltmeter and the shape measuring instrument according to claim 6 or 7 can be obtained.
【０１３０】請求項１１記載の発明によれば、測定物に
対向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネ
の共振周波数により振動させ、前記探針に働く力により
前記板バネの高次共振振動状態が変化することを光てこ
法により検出することで前記探針に働く力を検出し、こ
れにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡におい
て、前記板バネが高次共振する時の節に前記光てこ法の
光を照射するので、板バネの複数の振動の信号の振幅を
板バネの最適な加振条件を変えることなく最大にするこ
とができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させることができて
信号処理上有利になる。According to the eleventh aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe arranged at the tip end thereof opposed to the object to be measured is vibrated by the resonance frequency of the leaf spring, and the force acting on the probe causes the plate spring to vibrate. In a force microscope that detects a force acting on the probe by detecting that a higher-order resonance vibration state of a spring changes by an optical lever method, thereby observing a state of the object to be measured, the leaf spring has a higher order. Since the node at the time of resonance is irradiated with the light of the optical leverage method, the amplitude of a plurality of vibration signals of the leaf spring can be maximized without changing the optimal excitation condition of the leaf spring, and the vibration signal S / N can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１３１】請求項１２記載の発明によれば、測定物に
対向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネ
の非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周
波数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振
動させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態
が各々変化することを光てこ法により検出することで前
記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態
を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動
による各曲がり角が等しくなる前記板バネ上の位置に前
記光てこ法の光を照射するので、最適な板バネ加振条件
のままで、板バネの一次共振と二次共振の振動信号をそ
れぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離する
ことができる。According to the twelfth aspect of the present invention, the leaf spring provided with the probe disposed at the tip end facing the object to be measured can be set at any one of the non-resonant frequency, the primary resonance frequency, and the higher-order resonance frequency of the leaf spring. And, and vibrated at a plurality of different frequencies from each other, to detect the force acting on the probe by detecting by optical leverage that the state of the plurality of vibrations respectively change by the force acting on the probe, Accordingly, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, light of the optical leverage method is applied to a position on the leaf spring at which each bending angle due to the plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal. The vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the leaf spring can be separated under the vibration condition so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios.
【０１３２】請求項１３記載の発明によれば、測定物に
対向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネ
の高次共振周波数により振動させ、この板バネの振動状
態における変位を測定するための振動変位測定手段によ
り前記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力に
よる振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、こ
れにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡におい
て、前記板バネが高次共振する時の腹を前記振動変位測
定手段の測定点としたので、板バネの複数の振動の信号
の振幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最大
にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させること
ができて信号処理上有利になる。According to the thirteenth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at the tip end facing the object to be measured is caused to vibrate at a higher order resonance frequency of the leaf spring, and the vibration of the leaf spring in the vibration state of the leaf spring The vibration state of the leaf spring is detected by vibration displacement measuring means for measuring displacement, and the force acting on the probe is detected from the change in the vibration state due to the force acting on the probe, whereby the state of the measurement object is detected. In the force microscope for observing the above, since the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as the measurement point of the vibration displacement measuring means, the amplitude of a plurality of vibration signals of the leaf spring is adjusted to the optimal excitation condition of the leaf spring. Can be maximized without changing, and the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１３３】請求項１４記載の発明によれば、測定物に
対向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネ
の非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周
波数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振
動させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態
が各々変化することを振動変位測定手段により検出する
ことで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定
物の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複
数の振動の各振幅が等しくなる前記板バネ上の位置を前
記振動変位測定手段の測定点としたので、最適な板バネ
加振条件のままで、板バネの複数の振動の信号をそれぞ
れのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離すること
ができる。According to the fourteenth aspect of the present invention, the leaf spring provided with the probe disposed at the tip end facing the object to be measured can be set at any one of the non-resonant frequency, the primary resonant frequency, and the higher-order resonant frequency of the leaf spring. And, vibrating at a plurality of different frequencies from each other, the force acting on the probe is detected by detecting by the vibration displacement measuring means that the state of the plurality of vibrations is changed by the force acting on the probe. Therefore, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, a position on the leaf spring at which the amplitudes of the plurality of vibrations of the leaf spring are equal is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means. The signals of the plurality of vibrations of the leaf spring can be separated so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the spring excitation conditions.
【０１３４】請求項１５記載の発明によれば、測定物に
対向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネ
の高次共振周波数により振動させ、振動状態における前
記板バネの振動速度を測定するための振動速度測定手段
により前記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く
力による振動状態の変化から前記探針に働く力を検出
し、これにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡に
おいて、前記板バネが高次共振する時の腹を前記振動速
度測定手段の測定点としたので、板バネの振動を表わす
信号の振幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく
最大にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させる
ことができて信号処理上有利になる。According to the fifteenth aspect of the present invention, a leaf spring having a probe disposed at the tip end thereof opposed to an object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring, and the leaf spring in a vibrating state is vibrated. The vibration state of the leaf spring is detected by vibration velocity measuring means for measuring the vibration velocity, and the force acting on the probe is detected from a change in the vibration state due to the force acting on the probe, thereby detecting the force of the measurement object. In the force microscope for observing the state, since the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as the measurement point of the vibration velocity measuring means, the amplitude of the signal representing the vibration of the leaf spring is adjusted to the optimum excitation condition of the leaf spring. Can be maximized without changing, and the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１３５】請求項１６記載の発明によれば、測定物に
対向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネ
の非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周
波数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振
動させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態
が各々変化することを振動速度測定手段により検出する
ことで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定
物の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複
数の振動による各振動速度が等しくなる前記板バネ上の
位置を前記振動速度測定手段の測定点としたので、最適
な板バネ加振条件のままで、板バネの複数の振動の信号
をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離
することができる。According to the sixteenth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at the tip end facing the object to be measured can be provided with any one of the non-resonant frequency, primary resonance frequency, and higher-order resonance frequency of the leaf spring. And, by vibrating at a plurality of different frequencies from each other, the force acting on the probe is detected by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe by the vibration velocity measuring means. Therefore, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, a position on the leaf spring at which each of the vibration speeds of the plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal is set as a measurement point of the vibration speed measuring means. The signals of the plurality of vibrations of the leaf spring can be separated under the conditions of the leaf spring excitation so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios.
【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２実施例の一部を拡大して示す概略
図である。FIG. 2 is an enlarged schematic view showing a part of a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第３実施例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第４実施例を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
【図５】請求項１１記載の発明の実施例等を説明するた
めの図である。FIG. 5 is a view for explaining an embodiment of the invention described in claim 11;
【図６】請求項１３記載の発明の実施例等を説明するた
めの図である。FIG. 6 is a diagram for explaining an embodiment of the invention described in claim 13;
【図７】従来の力顕微鏡の一例を示すブロック図であ
る。FIG. 7 is a block diagram showing an example of a conventional force microscope.
【図８】同力顕微鏡の一部を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram showing a part of the same force microscope.
【図９】従来の力顕微鏡の他の例を示すブロック図であ
る。FIG. 9 is a block diagram showing another example of a conventional force microscope.
【図１０】従来の力顕微鏡を説明するための図である。FIG. 10 is a view for explaining a conventional force microscope.
１１，２６，５７，５８ カンチレバー １２，２７ 導電性探針 １３，２８ 試料 １４ 圧電素子 １５，１６，２９，３０ 交流電源 １７ 直流電源 １８，３３ 導電性基板 １９，３４ 光源 ２０，３５ 受光素子 ２１，２２，３７，３８，５５ ロックインアンプ ２３ 電圧フィードバック回路 ２４ Ｚサーボ回路 ２５ スキャナ ３１，５４ 加算器 ３２，５３ アンプ ３６ プリアンプ ３９，４２ 積分器 ４１ 基準電圧源 ４３ Ｚ軸アクチュエータ ５１ 絶縁体 ５２ 自乗器 ５５ 補正係数決定手段 11, 26, 57, 58 Cantilever 12, 27 Conductive probe 13, 28 Sample 14 Piezoelectric element 15, 16, 29, 30 AC power supply 17 DC power supply 18, 33 Conductive substrate 19, 34 Light source 20, 35 Light receiving element 21 , 22, 37, 38, 55 Lock-in amplifier 23 Voltage feedback circuit 24 Z servo circuit 25 Scanner 31, 54 Adder 32, 53 Amplifier 36 Preamplifier 39, 42 Integrator 41 Reference voltage source 43 Z-axis actuator 51 Insulator 52 Square Unit 55 Correction coefficient determination means
─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成１３年６月１４日（２００１．６．１
４）[Submission date] June 14, 2001 (2001.6.1)
4)
【手続補正１】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【書類名】 明細書[Document Name] Statement
【発明の名称】 力顕微鏡 [Title of the Invention] Force microscope
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は力顕微鏡に関する。The present invention relates to a force microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、走査型力顕微鏡としては、走査型
プローブ顕微鏡セミナーテキスト（セイコー電子工業株
式会社、１９９４年６月）に記載されているものが知ら
れており、図７にその構成を示す。この力顕微鏡は、一
般的にＫＦＭ(Kelvin Force Microscope)と呼ばれるも
ので、試料（測定物）の表面電位分布（表面電位像）と
試料の表面形状（トポ像）を同時かつ独立に測定するこ
とができて表面電位計及び形状測定器として用いること
ができる。導電性カンチレバー１１の先端には導電性探
針１２が取り付けられ、この導電性探針１２は試料１３
に対向配置される。圧電素子１４は交流電源１５から交
流電圧Ｖr・sinωrｔが印加されて導電性カンチレバー
１１の固定端に導電性カンチレバー１１の共振周波数ω
rの振動を与え、導電性カンチレバー１１が共振周波数
ωrで振動する。2. Description of the Related Art Conventionally, as a scanning force microscope, the one described in a scanning probe microscope seminar text (Seiko Denshi Kogyo Co., Ltd., June 1994) is known, and FIG. Show. This force microscope is generally called a KFM (Kelvin Force Microscope), which measures the surface potential distribution (surface potential image) of the sample (object to be measured) and the surface shape (topo image) of the sample simultaneously and independently. It can be used as a surface electrometer and a shape measuring instrument. A conductive probe 12 is attached to the tip of the conductive cantilever 11, and the conductive probe 12
Are arranged to face each other. The piezoelectric element 14 receives an AC voltage Vr · sinωrt from an AC power supply 15 and applies a resonance frequency ω of the conductive cantilever 11 to a fixed end of the conductive cantilever 11.
r, the conductive cantilever 11 vibrates at the resonance frequency ωr.
【０００３】また、交流電源１６からのカンチレバー１
１の非共振周波数ωの交流電圧ＶAC・sinωｔと直流電
源１７からの直流オフセット電圧Ｖoffとを重畳した電
圧が試料１３のベースとなる導電性基板１８に印加され
てカンチレバー１１の先端の探針１２と試料１３の表面
との間に静電引力が発生し、この静電引力によりカンチ
レバー１１に周波数ωの振動が生ずる。このカンチレバ
ー１１の振動はレーザダイオードからなる光源１９と２
分割フォトダイオードからなる受光素子２０により光て
こ法で検出され、つまり、光源１９からカンチレバー１
１にレーザ光が照射されてその反射光が受光素子２０に
より受光されてその反射光が２分割フォトダイオード２
０に照射される位置が検出される。これによりカンチレ
バー１１の振動を検出できる。The cantilever 1 from the AC power supply 16
A voltage obtained by superimposing the AC voltage VAC · sinωt of the non-resonant frequency ω and the DC offset voltage Voff from the DC power supply 17 is applied to the conductive substrate 18 serving as the base of the sample 13, and the tip 12 of the tip of the cantilever 11 An electrostatic attractive force is generated between the cantilever 11 and the surface of the sample 13, and the electrostatic attractive force causes the cantilever 11 to vibrate at a frequency ω. The vibration of the cantilever 11 is caused by light sources 19 and 2 composed of laser diodes.
The light is detected by a light leverage method by a light receiving element 20 composed of a split photodiode, that is, the light source 19 detects the cantilever 1.
1 is irradiated with laser light, its reflected light is received by the light receiving element 20, and the reflected light is divided into two divided photodiodes 2.
The position irradiated to 0 is detected. Thereby, the vibration of the cantilever 11 can be detected.
【０００４】受光素子２０の出力信号は２台のロックイ
ンアンプ２１，２２に入力され、ロックインアンプ２
１，２２はそれぞれ交流電源１５、１６からの交流電圧
Ｖrsinωrｔ、ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２
０の出力信号を位相検波して増幅することによりカンチ
レバー１１の振動のω成分の振幅Ａωとωr成分の振幅
Ａωrを分離増幅する。電圧フィードバック回路２３は
振幅Ａωの分離増幅を行うロックインアンプ２１の出力
信号により直流電源１７を制御して直流オフセット電圧
Ｖoffを制御し、電圧フィードバック回路２３の直流オ
フセット電圧Ｖoffに対する制御量が試料１３の表面電
位Ｖsの測定結果として出力される。ここに、交流電源
１６から試料１３に印加する交流電圧の周波数はカンチ
レバー１１の共振周波数の１／２以下にしている。The output signal of the light receiving element 20 is input to two lock-in amplifiers 21 and 22,
Reference numerals 1 and 22 denote the light receiving element 2 using the AC voltages Vrsinωrt and VACsinωt from the AC power supplies 15 and 16 as reference signals.
The amplitude Aω of the ω component of the vibration of the cantilever 11 and the amplitude Aωr of the ωr component are separated and amplified by phase-detecting and amplifying the output signal of 0. The voltage feedback circuit 23 controls the DC power supply 17 based on the output signal of the lock-in amplifier 21 that separates and amplifies the amplitude Aω to control the DC offset voltage Voff. Is output as a measurement result of the surface potential Vs. Here, the frequency of the AC voltage applied from the AC power supply 16 to the sample 13 is set to not more than の of the resonance frequency of the cantilever 11.
【０００５】また、Ｚサーボ回路２４は、試料１３をＺ
軸方向に駆動してカンチレバー１１の探針１２と試料１
３との間の距離を可変するＺ軸アクチュエータを有し、
振幅Ａωrを分離増幅するロックインアンプ２２の出力
信号によりＺ軸アクチュエータを制御することで探針１
２と試料１３との間の距離を制御する。スキャナ２５は
試料１３をＺ軸と直角な方向に走査し、Ｚサーボ回路２
４のＺ軸アクチュエータに対する制御量が試料１３の表
面形状（いわゆるトポ像：TOPOGRAPHY）の測定結果とし
て出力される。Further, the Z servo circuit 24 sets the sample 13 to Z
The probe 12 of the cantilever 11 and the sample 1 are driven in the axial direction.
3 having a Z-axis actuator that varies the distance between
By controlling the Z-axis actuator by the output signal of the lock-in amplifier 22 for separating and amplifying the amplitude Aωr, the probe 1
The distance between 2 and the sample 13 is controlled. The scanner 25 scans the sample 13 in a direction perpendicular to the Z axis,
The control amount for the Z-axis actuator 4 is output as a measurement result of the surface shape (so-called top image: TOPOGRAPHY) of the sample 13.
【０００６】次に、図８を用いてこの力顕微鏡の動作原
理を詳しく説明する。カンチレバー１１には、圧電素子
１４によりカンチレバー１１を機械的に加振する力Ｆvi
bと、探針１２に印加される電圧により生ずる静電引力
Ｆesと、試料１３の表面と探針１２との間に働くファン
・デル・ワールス力Ｆvdwという３つの力が働く。カン
チレバー１１はＦvibにより共振振動する。また、Ｆes
は次の(1)式で表わされる。Next, the operating principle of this force microscope will be described in detail with reference to FIG. A force Fvi that mechanically vibrates the cantilever 11 by the piezoelectric element 14 is applied to the cantilever 11.
b, an electrostatic attractive force Fes generated by a voltage applied to the probe 12, and a Van der Waals force Fvdw acting between the surface of the sample 13 and the probe 12. The cantilever 11 resonates and vibrates due to Fvib. Also Fes
Is represented by the following equation (1).
【０００７】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ２・・・(1) ここで、Ｃは探針１２と試料１３のベース１８との間の
静電容量、Ｚは探針１２と試料１３のベース１８との間
の距離であり、Ｖは次の(2)式で表わされる。Fes = − (１ ／) (∂C / ∂Z) V 2 (1) where C is the capacitance between the probe 12 and the base 18 of the sample 13, and Z is This is the distance between the probe 12 and the base 18 of the sample 13, and V is represented by the following equation (2).
【０００８】 Ｖ＝(Ｖs＋Ｖoff)＋ＶACsinωｔ・・・(2) したがって、Ｆesは次の(3)式で表わされる。V = (Vs + Voff) + VACsinωt (2) Therefore, Fes is expressed by the following equation (3).
【０００９】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)［{(Ｖs＋Ｖoff)２＋ＶAC２／２}＋２(Ｖs＋ Ｖoff)ＶACsinωｔ−(ＶAC２／２)cos２ωｔ］・・・(3) また、Ｆvdwは次の(4)式で表わされる。 Ｆvdw＝−Ｈ／Ｚ６・・・(4) ここで、ＨはHamaker定数である。探針１２と試料１３
の表面との間に働く力Ｆは次の(5)式で表わされる。[0009] Fes = - (1/2) (∂C / ∂Z) [{(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2} +2 (Vs + Voff) VACsinωt- (VAC 2/2) cos2ωt] ··· (3) Fvdw is expressed by the following equation (4). Fvdw = −H / Z 6 (4) where H is a Hamaker constant. Probe 12 and sample 13
The force F acting between the surface and the surface is expressed by the following equation (5).
【００１０】Ｆ＝Ｆvdw＋Ｆes・・・(5) カンチレバー１１は、Ｆvibにより共振振動している
が、探針１２と試料１３の表面との間に働く直流成分の
力により共振周波数がずれる。しかし、カンチレバー１
１は、圧電素子１４により周波数ωrで強制振動してい
るので、その振動振幅が上記直流成分の力により小さく
なる。このカンチレバー１１の自由振動時の振動振幅か
らの減少分をΔＡとすると、これは次の(6)式で表わさ
れる。F = Fvdw + Fes (5) The cantilever 11 resonates and vibrates due to Fvib, but the resonance frequency is shifted by the force of the DC component acting between the probe 12 and the surface of the sample 13. But cantilever 1
1 is forcibly vibrated at the frequency ωr by the piezoelectric element 14, and its vibration amplitude is reduced by the DC component force. Assuming that a decrease from the vibration amplitude of the cantilever 11 during free vibration is ΔA, this is represented by the following equation (6).
【００１１】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}(∂Ｆ／∂Ｚ) ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［Ｈ／Ｚ７＋(１/２)(∂２Ｃ／∂Ｚ２){( Ｖs＋Ｖoff)２＋ＶAC２／２}］・・・(6) ここで、Ａ０はカンチレバー１１の自由振動時の振動振
幅、Ｋはカンチレバー１１のバネ定数、Ｑは共振特性の
Ｑ値である。実際の試料１３の表面電位測定はファン・
デル・ワールス力が及ばない距離Ｚで行われるので、Δ
Ａは次の(7)式のようになる。ΔA = − {2A0Q / (K · 3√3)} (∂F / ∂Z) = − {2A0Q / (K · 3√3)} [H / Z 7 + (1/2) (∂ 2 C / ∂Z 2) {( Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] ··· (6) where, A0 is the vibration amplitude at the free oscillation of the cantilever 11, K is a spring constant of the cantilever 11, Q resonant This is the Q value of the characteristic. The actual measurement of the surface potential of the sample 13 is performed using a fan
Since it is performed at a distance Z that cannot be reached by the Del Waals force, Δ
A is expressed by the following equation (7).
【００１２】 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}［(１／２)(∂２Ｃ/∂Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff )２＋ＶAC２／２}］・・・(7) Ｖs＋Ｖoffは次に述べるように電圧フィードバック回路
２３による帰還制御により０に保たれ、Ａ０、Ｋ、Ｑ、
ＶACは一定である。また、Ｚサーボ回路２４がΔＡが一
定になるようにＺ軸アクチュエータを制御するから、ト
ポ像は(∂２Ｃ／∂Ｚ２)が一定の像を与える。試料１３
の絶縁膜の容量がカンチレバー１１先端の探針１２と試
料１３の表面との間の容量よりも十分に大きければ、ト
ポ像は試料１３の表面形状を示す。[0012] ΔA = - {2A0Q / (K · 3√3)} [(1/2) (∂ 2 C / ∂Z 2) {(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] ··· (7) Vs + Voff Is maintained at 0 by feedback control by the voltage feedback circuit 23 as described below, and A0, K, Q,
VAC is constant. Further, since the Z servo circuit 24 controls the Z-axis actuator so that ΔA becomes constant, the top image gives an image having a constant (∂ 2 C / ∂Z 2 ). Sample 13
If the capacitance of the insulating film is sufficiently larger than the capacitance between the probe 12 at the tip of the cantilever 11 and the surface of the sample 13, the topo image shows the surface shape of the sample 13.
【００１３】一方、カンチレバー１１の振動のω成分の
振幅Ａωは次の(8)で表わされる。 Ａω＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(8) 従って、Ａω＝０となるようにＶoffを制御することに
より(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶoffの値から試料１３の
表面電位Ｖsを測定することができる。このようにして
試料１３の表面電位Ｖsと形状を同時に測定することが
できる。On the other hand, the amplitude Aω of the ω component of the vibration of the cantilever 11 is expressed by the following (8). Aω = − (∂C / ∂Z) (Vs + Voff) VAC (8) Therefore, by controlling Voff so that Aω = 0, the sample can be obtained from the value of Voff regardless of (∂C / ∂Z). Thirteen surface potentials Vs can be measured. Thus, the surface potential Vs and the shape of the sample 13 can be measured simultaneously.
【００１４】また、図９に示すような表面電位計及び形
状測定器としての力顕微鏡が提案されている。この力顕
微鏡では、導電性カンチレバー２６の先端には導電性探
針２７が取り付けられ、この導電性探針２７は試料２８
に対向配置される。交流電源２９からの交流電圧ＶA・s
inωacｔ、交流電源３０からの交流電圧ＶB・sin(ωac
ｔ／２)及び直流電圧Ｖbは加算器３１で加算されてアン
プ３２を介してカンチレバー２６に印加され、カンチレ
バー２６先端の探針２７と試料２８の表面との間に静電
引力Ｆesが働いてカンチレバー２６が振動する。Further, a force microscope as a surface electrometer and a shape measuring instrument as shown in FIG. 9 has been proposed. In this force microscope, a conductive probe 27 is attached to the tip of a conductive cantilever 26, and the conductive probe 27
Are arranged to face each other. AC voltage VA · s from AC power supply 29
inωact, AC voltage VB · sin (ωac
t / 2) and the DC voltage Vb are added by the adder 31 and applied to the cantilever 26 via the amplifier 32, and the electrostatic attraction Fes acts between the probe 27 at the tip of the cantilever 26 and the surface of the sample 28. The cantilever 26 vibrates.
【００１５】このカンチレバー２６の振動はレーザダイ
オードからなる光源３４とフォトダイオードからなる受
光素子３５により光てこ法で検出され、つまり、光源３
４からカンチレバー２６に光が照射されてその反射光が
受光素子３５により受光されてその反射光が２分割フォ
トダイオード２０に照射される位置が検出される。これ
によりカンチレバー１１の振動を検出できる。受光素子
３５の出力信号はプリアンプ３６を介してロックインア
ンプ３７、３８に入力される。探針２７と試料２８の表
面との間の電圧をＶとすると、静電引力Ｆesは次の(9)
式で表わされる。The vibration of the cantilever 26 is detected by an optical lever method by a light source 34 composed of a laser diode and a light receiving element 35 composed of a photodiode.
From 4, light is applied to the cantilever 26, the reflected light is received by the light receiving element 35, and the position where the reflected light is applied to the two-division photodiode 20 is detected. Thereby, the vibration of the cantilever 11 can be detected. The output signal of the light receiving element 35 is input to the lock-in amplifiers 37 and 38 via the preamplifier 36. Assuming that the voltage between the probe 27 and the surface of the sample 28 is V, the electrostatic attractive force Fes is expressed by the following equation (9).
It is represented by the formula.
【００１６】Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖ２・・・(9) ここで、Ｃは探針２７と試料２８のベースとなる導電性
基板３３との間の静電容量、Ｚは探針２７と試料２８の
ベース３３との間の距離である。試料２８の表面電位を
Ｖsとすると、Ｖは次の(10)式で表わされる。 Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２)・・・(10) したがって、Ｆesは次の(11)式で表わされる。Fes = − (1/2) (∂C / ∂Z) V 2 (9) where C is the static capacitance between the probe 27 and the conductive substrate 33 serving as the base of the sample 28. The capacitance, Z, is the distance between the probe 27 and the base 33 of the sample 28. Assuming that the surface potential of the sample 28 is Vs, V is represented by the following equation (10). V = Vb−Vs + VAsinωact + VBsin (ωact / 2) (10) Therefore, Fes is expressed by the following equation (11).
【００１７】 Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ){Ｖb−Ｖs＋ＶAsinωacｔ＋ＶBsin(ωacｔ／２ )}２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)２＋ＶA２／２＋ＶB２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶB２／２)sin(ωacｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)ＶAsinωacｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(ＶA２／２)sin(２ωacｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛２(Ｖb−Ｖs)ＶBsin(ωacｔ／２)＋ＶAＶBsi n(ωacｔ／２＋π／２)｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛ＶAＶBsin(３ωacｔ／２＋π／２)｝ ・・・(11) ωacをカンチレバー２６の共振周波数ω０とすれば、カ
ンチレバー２６は次の(12)式で表わされるＦesのωac成
分Ｆesωacにより共振する。Fes = − (１ ／) (∂C / ∂Z) {Vb−Vs + VAsinωact + VBsin (ωact / 2)} 2 = − (1/2) (∂C / ∂Z) ｛(Vb−Vs) 2 + VA 2/2 + VB 2 /2} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(VB 2/2) sin (ωact-π / 2) +2 (Vb -Vs) VAsinωact} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(VA 2/2) sin (2ωact-π / 2) - (1/2) (∂C / ∂Z) {2 (Vb-Vs) VBsin (ωact / 2) + VAVBsi n (ωact / 2 + π / 2)｝ − (1/2) (∂C / ∂Z) ｛VAVBsin (3ωact / 2 + π / 2)｝ (11) If ωac is the resonance frequency ω0 of the cantilever 26, then the cantilever 26 resonates with the ωac component Fesωac of Fes expressed by the following equation (12).
【００１８】 Ｆesωac＝−(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsinωacｔ＋(１/４)ＶB２sin(ωac ｔ−π／２)}・・・(12) したがって、Ｆesωacによって生ずるカンチレバー２６
の振動を示すプリアンプ３６の出力信号ｖは次の(13)式
で表わされる。 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ）＋(１／４)ＶB２sin (ωacｔ−π／２＋φ)} ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(ωacｔ＋φ１）＋(１/４)ＶB２sin (ωacｔ＋φ２)}・・・(13) ただし、ａは比例定数であり、 φ１＝φ・・・(14) φ２＝−π／２＋φ・・・(15) である。φは力Ｆesωacの位相と、Ｆesωacにより生ず
るカンチレバー２６の共振振動との間の位相差である。Fesωac = − (∂C / ∂Z) ｛(Vb−Vs) VAsinωact + (1/4) VB 2 sin (ωact−π / 2)} (12) Therefore, the cantilever 26 generated by Fesωac
The output signal v of the preamplifier 36 indicating the above vibration is expressed by the following equation (13). v = −a (∂C / ∂Z) ｛(Vb−Vs) VAsin (ωact + φ) + (1/4) VB 2 sin (ωact−π / 2 + φ)} = − a (∂C / ∂Z) ｛( Vb−Vs) VAsin (ωact + φ1) + (1/4) VB 2 sin (ωact + φ2)} (13) where a is a proportional constant, and φ1 = φ (14) φ2 = −π / 2 + φ (15) φ is the phase difference between the phase of the force Fesωac and the resonance vibration of the cantilever 26 caused by Fesωac.
【００１９】(13)式の括弧の中の第１項は周波数ω０の
第１交流電圧により生ずるカンチレバー２６の振動を表
わし、その位相φ１は交流電源２９からカンチレバー２
６に印加している第１交流電圧の位相を基準にしてい
る。この位相φ１は交流電源２９からロックインアンプ
３７に与えられる参照信号を基準としている。(13)式の
括弧の中の第２項は周波数ω０／２の第２交流電圧によ
り生ずるカンチレバー２６の振動を表わし、その位相φ
２は交流電源３０からカンチレバー２６に印加している
第２交流電圧の位相を基準にしている。この位相φ２は
交流電源３０からロックインアンプ３８に与えられる参
照信号を基準としている。また、第１交流電圧と第２交
流電圧は位相が一致している。ロックインアンプ３７、
３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源２９、３０
からの参照信号により位相φ１、φ２で位相検波して増
幅する。The first term in the parentheses of the equation (13) represents the vibration of the cantilever 26 caused by the first AC voltage having the frequency ω0, and the phase φ1 of the vibration is from the AC power supply 29 to the cantilever 2.
6 is based on the phase of the first AC voltage applied. This phase φ1 is based on a reference signal supplied from the AC power supply 29 to the lock-in amplifier 37. The second term in the parentheses in the equation (13) represents the vibration of the cantilever 26 caused by the second AC voltage having the frequency ω0 / 2, and its phase φ
2 is based on the phase of the second AC voltage applied from the AC power supply 30 to the cantilever 26. This phase φ2 is based on a reference signal supplied from the AC power supply 30 to the lock-in amplifier 38. The first AC voltage and the second AC voltage have the same phase. Lock-in amplifier 37,
Reference numeral 38 denotes an AC power supply 29, 30 which outputs an output signal of the preamplifier 36.
, And performs phase detection at the phases φ1 and φ2 for amplification.
【００２０】また、ａsin(ωｔ＋φ)なる交流信号を位
相θでロックインアンプにより位相検波して増幅した時
の出力Ｖは Ｖ＝(Ａ／２){cos(−θ＋ψ)−cos(−θ＋ψ＋π)}・・・(16) となる。ただし、Ａは比例定数である。ここで、(13)式
を(16)式に当てはめると、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ＋φ）−cos(−θ＋ φ＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２｛cos(−θ＋φ−π ／２）−cos(−θ＋φ−π／２＋π)}・・・(17) となる。The output V when the AC signal asin (ωt + φ) is phase-detected and amplified by the lock-in amplifier with the phase θ is V = (A / 2) {cos (−θ + ψ) −cos (−θ + ψ + π) } ... (16) Here, A is a proportionality constant. Here, when equation (13) is applied to equation (16), V = − (A1 / 2) (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) VAΔcos (−θ + φ) −cos (−θ + φ + π) } − (A2 / 2) (∂C / ∂Z) (1/4) VB 2 ｛cos (−θ + φ−π / 2) −cos (−θ + φ−π / 2 + π)} (17) .
【００２１】ここで、ωacをカンチレバー２６の機械的
共振周波数ω０と完全に一致させる（ωac＝ω０とす
る）と、φ＝−π／２である。これを(17)式に代入する
と、 Ｖ＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π／２）−cos(− θ−π／２＋π)}−(Ａ２／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２｛cos(−θ −π／２−π／２）−cos(−θ−π／２−π／２＋π)}・・・(18) となる。Here, when ωac is completely matched with the mechanical resonance frequency ω0 of the cantilever 26 (ωac = ω0), φ = −π / 2. By substituting this into equation (17), V = − (A1 / 2) (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) VAΔcos (−θ−π / 2) −cos (−θ−π / 2 + π )}-(A2 / 2) (∂C / ∂Z) (1/4) VB 2 ｛cos (-θ-π / 2-π / 2) -cos (-θ-π / 2-π / 2 + π) } ... (18)
【００２２】位相θ＝θ１＝−π／２でロックインアン
プ３７によりプリアンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれ
ば、ロックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は(18)式に位
相θ＝θ１＝−π／２を代入したものとなる。また、位
相θ＝θ２＝−πでロックインアンプ３８によりプリア
ンプ３６の出力ｖを検波・増幅すれば、ロックインアン
プ３８の出力信号Ｖ２は(18)式に位相θ＝θ２＝−πを
代入したものとなる。ロックインアンプ３７、３８の出
力信号Ｖ１、Ｖ２は次の(19)、(20)で表わされる。If the output v of the preamplifier 36 is detected and amplified by the lock-in amplifier 37 at the phase θ = θ1 = −π / 2, the output signal V1 of the lock-in amplifier 37 becomes the phase θ = θ1 = − π / 2 is substituted. If the output v of the preamplifier 36 is detected and amplified by the lock-in amplifier 38 at the phase θ = θ2 = −π, the phase signal θ = θ2 = −π is substituted into the equation (18) for the output signal V2 of the lock-in amplifier 38. It will be. Output signals V1 and V2 of the lock-in amplifiers 37 and 38 are represented by the following (19) and (20).
【００２３】 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA・・・(19) Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶB２・・・(20) ここで、Ａ１、Ａ２は比例定数である。以上のように(1
3)式の括弧内の第１項と第２項の振幅をロックインアン
プ３７、３８で分離することができる。ロックインアン
プ３７の出力Ｖ１は積分器３９により積分されて加算器
３１に上記直流電圧Ｖbとして入力されてＶ１が０にな
るようにＶbが制御され、(∂Ｃ／∂Ｚ)に関係なくＶbの
値から試料２６の表面電位が測定できる。[0023] V1 = -A1 (∂C / ∂Z) (Vb-Vs) VA ··· (19) V2 = - (1/4) A2 (∂C / ∂Z) VB 2 ··· (20) Here, A1 and A2 are proportional constants. As above (1
The amplitudes of the first and second terms in the parentheses in the expression 3) can be separated by the lock-in amplifiers 37 and 38. The output V1 of the lock-in amplifier 37 is integrated by the integrator 39, input to the adder 31 as the DC voltage Vb, and Vb is controlled so that V1 becomes zero. The surface potential of the sample 26 can be measured from this value.
【００２４】ロックインアンプ３８の出力Ｖ２は、比較
器４０により基準電圧源４１の基準電圧と比較され、そ
の比較結果が積分器４２により積分される。Ｚ軸アクチ
ュエータ４３は積分器４２の出力信号により試料２８を
駆動し、Ｖ２が一定になるように試料２８と探針２７と
の間の距離が制御される。したがって、トポ像（Ｚ軸ア
クチュエータ４３の制御電圧から得られる像）は(∂Ｃ
／∂Ｚ)が一定の像となる。試料２８の絶縁膜の容量が
探針２７先端と試料２８の表面との間の容量より十分に
大きければ、トポ像は試料２８の表面形状を示す。この
ようにして試料２８の表面電位と表面形状を同時に測定
することができる。The output V2 of the lock-in amplifier 38 is compared with the reference voltage of the reference voltage source 41 by the comparator 40, and the comparison result is integrated by the integrator 42. The Z-axis actuator 43 drives the sample 28 based on the output signal of the integrator 42, and controls the distance between the sample 28 and the probe 27 so that V2 becomes constant. Therefore, the top image (image obtained from the control voltage of the Z-axis actuator 43) is (ΔC
/ ∂Z) is a constant image. If the capacitance of the insulating film of the sample 28 is sufficiently larger than the capacitance between the tip of the probe 27 and the surface of the sample 28, the topo image shows the surface shape of the sample 28. Thus, the surface potential and the surface shape of the sample 28 can be measured simultaneously.
【００２５】また、上記力顕微鏡では、カンチレバーの
振動を検出する方法としてカンチレバーの曲がり傾斜角
度を検出する光てこ法を用いたが、カンチレバーの振動
時の変位を検出する光干渉法、カンチレバー背後に設け
た電極とカンチレバーとの間に流れるトンネル電流を検
出するトンネル電流法、カンチレバー振動時の速度を検
出するヘテロダイン光干渉法などを用いたものもある。
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプローブと
なるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位置）
はカンチレバーの先端に設定されている。In the above-mentioned force microscope, an optical lever method for detecting the bending inclination angle of the cantilever is used as a method for detecting the vibration of the cantilever. Some methods use a tunnel current method for detecting a tunnel current flowing between the provided electrode and the cantilever, and a heterodyne optical interference method for detecting a speed at which the cantilever vibrates.
A position on the cantilever that detects the bending tilt angle, displacement, and speed due to the vibration of the cantilever (that is, a position where a laser beam to be a probe is irradiated or a position where electrodes face each other).
Is set at the tip of the cantilever.
【００２６】[0026]
【発明が解決しようとする課題】上記図７に示す力顕微
鏡では、(7)式において、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ２)と(Ｖ
s＋Ｖoff)の関数になっているが、Ａω＝０となるよう
にＶoffを電圧フィードバック回路２３で制御すること
により、Ｖs＋Ｖoff＝０となり、ΔＡは(∂２Ｃ／∂Ｚ
２)のみの関数となる。これにより、試料１３の表面形
状を測定できるとしているが、実際はＡω＝０とする帰
還には遅れがあり、Ｖs＋Ｖoff＝０が成り立たない時間
がある。したがって、試料１３の表面形状の測定結果に
対する干渉が実際には存在する。In the force microscope shown in FIG. 7, ΔA in equation (7) is (∂ 2 C / ∂Z 2 ) and (V
s + Voff), but by controlling Voff with the voltage feedback circuit 23 so that Aω = 0, Vs + Voff = 0, and ΔA becomes (∂2C / ∂Z
It becomes a function of only 2). It is described that the surface shape of the sample 13 can be measured by this. However, actually, there is a delay in the feedback when Aω = 0, and there is a time when Vs + Voff = 0 does not hold. Therefore, interference with the measurement result of the surface shape of the sample 13 actually exists.
【００２７】しかし、この力顕微鏡の測定対象は、異種
金属間の接触電位差やＬＢ(Langmuri Blodgett)上の表
面電位分布であり、表面電位がせいぜい１００ｍＶ程度
の分布しかない。したがって、帰還の遅れにより、Ｖs
＋Ｖoff＝１００ｍＶであったとしても、(Ｖs＋Ｖoff)
２は０．０１Ｖ２である。一方、ＶACは通常５Ｖ程度で
あるから、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]である。ＶACは
一定であるから、(Ｖs＋Ｖoff)によるΔＡの変動は、
０．１／１２．５＝０．０８％であり、ほとんど問題に
ならない。However, the object to be measured by this force microscope is a contact potential difference between dissimilar metals and a surface potential distribution on a LB (Langmuri Blodgett), and the surface potential is at most about 100 mV. Therefore, due to the delay of feedback, Vs
Even if + Voff = 100 mV, (Vs + Voff)
2 is a 0.01V 2. On the other hand, since VAC is usually about 5 V, VAC 2 /2=12.5 [V 2 ]. Since VAC is constant, the variation of ΔA due to (Vs + Voff) is
0.1 / 12.5 = 0.08%, which hardly causes a problem.
【００２８】ところが、この力顕微鏡により、電子写真
装置に用いられる感光体の表面電位分布を測定する場合
は事情が異なる。感光体の表面電位は通常１０００Ｖ程
度であり、感光体の電位分布（測定領域中の表面電位の
範囲）も数百Ｖは存在する。したがって、帰還の遅れに
よる(Ｖs＋Ｖoff)の値も従来の試料の表面電位を測定す
る場合よりも大きくなる。仮に、帰還による遅れで(Ｖs
＋Ｖoff)が１０００Ｖの１／１００の１０Ｖであったと
しよう。However, the situation is different when measuring the surface potential distribution of a photoreceptor used in an electrophotographic apparatus with this force microscope. The surface potential of the photoconductor is usually about 1000 V, and the potential distribution (the range of the surface potential in the measurement region) of the photoconductor is several hundred V. Therefore, the value of (Vs + Voff) due to the delay in feedback becomes larger than in the case where the surface potential of the conventional sample is measured. If the delay due to feedback (Vs
+ Voff) is 10V which is 1/100 of 1000V.
【００２９】この時、(Ｖs＋Ｖoff)２＝１００[Ｖ２]と
なり、ＶAC２／２＝１２．５[Ｖ２]の８倍になってしま
う。したがって、試料の表面電位の測定結果に対する干
渉が大きく、トポ像の測定結果に対しても無視できない
測定誤差となる。これを解決する手段としては、ＶACを
大きくすることが考えられる。例えば、(Ｖs＋Ｖoff) ２
／（ＶAC２／２）＝０．１％とするためには、ＶAC＝４
４７Ｖにしなければならない。一方、試料の表面電位分
布を少なくとも数十μｍの分解能で測定するためには、
試料１８の表面と探針１３との間の距離を数十μｍ以下
にしなければならない。したがって、交流電源１６から
探針１３に印加する交流電圧が数百Ｖになると、探針１
３と試料１８の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
となる。At this time, (Vs + Voff)2= 100V2]When
VAC2/2=12.5[V2] 8 times
U. Therefore, the results of the measurement of the surface potential of the sample
Interference is large and cannot be ignored even for the measurement results of the topo image
A measurement error results. The solution to this is to use VAC
It is conceivable to increase it. For example, (Vs + Voff) 2
/ (VAC2/2)=0.1%, VAC = 4
It must be 47V. On the other hand, the surface potential of the sample
In order to measure a cloth with a resolution of at least several tens of micrometers,
The distance between the surface of the sample 18 and the probe 13 is several tens μm or less.
Must be. Therefore, from the AC power supply 16
When the AC voltage applied to the probe 13 becomes several hundred volts, the probe 1
Discharge occurs between 3 and the surface of sample 18, making measurement impossible
Becomes
【００３０】以上のように上記力顕微鏡により高電圧な
表面電位分布を測定する場合には今まで無視できた誤差
が大きくなり、大きな問題となる。また、上記力顕微鏡
では、交流電源１６から試料１３に印加する交流電圧の
周波数はカンチレバー１１の共振周波数の１／２以下に
している。従って、カンチレバー１１は交流電源１６か
ら試料１３に交流電圧が印加されても共振振動を生じな
いので、その振動振幅は共振を使用した場合に比べて著
しく小さくて感度が悪い。As described above, when a high-voltage surface potential distribution is measured by the above-mentioned force microscope, an error that can be ignored until now becomes large, which is a serious problem. In the above-mentioned force microscope, the frequency of the AC voltage applied from the AC power supply 16 to the sample 13 is set to be equal to or less than 共振 of the resonance frequency of the cantilever 11. Therefore, the cantilever 11 does not generate resonance vibration even when an AC voltage is applied to the sample 13 from the AC power supply 16, and the vibration amplitude is significantly smaller than that in the case where resonance is used, resulting in poor sensitivity.
【００３１】そこで、交流電源１６から試料１３に印加
する交流電圧の周波数を、カンチレバー１１を圧電素子
１４で機械的に加振して共振させている共振周波数に設
定すると、受光素子２０の出力信号からロックインアン
プ２１，２２でカンチレバー１１の交流電圧による振動
と機械的加振による振動の各成分を分離することができ
ず、試料１３の表面電位と表面形状を独立に測定するこ
とができない。When the frequency of the AC voltage applied from the AC power supply 16 to the sample 13 is set to a resonance frequency at which the cantilever 11 is mechanically vibrated by the piezoelectric element 14 to resonate, the output signal of the light receiving element 20 Therefore, the lock-in amplifiers 21 and 22 cannot separate the components of the vibration of the cantilever 11 due to the AC voltage and the vibration due to the mechanical vibration, and cannot measure the surface potential and the surface shape of the sample 13 independently.
【００３２】また、図９に示す上記力顕微鏡では、交流
電源２９から出力される交流電圧の周波数ωacをカンチ
レバー２６の機械的共振周波数ω０と完全に一致させて
いる。したがって、φ＝−π／２となるので、ロックイ
ンアンプ３７により位相θ＝−π／２でプリアンプ３６
の出力信号ｖを位相検波して増幅し、ロックインアンプ
３８により位相θ＝−πでプリアンプ３６の出力信号ｖ
を位相検波して増幅すれば、(13)式の括弧内の第１項と
第２項の振幅を(17)、(18)に示すように分離して得るこ
とができる。ところが、カンチレバー２６の機械的共振
周波数ω０は測定を何回か行っている間に周囲の気温や
湿度、気圧などの影響により少しづつずれてくる。しか
し、交流電源２９から出力される交流電圧の周波数ωac
は、安定しているので、変化しない。したがって、ω０
とωacとは一致しなくなってくる。In the force microscope shown in FIG. 9, the frequency ωac of the AC voltage output from the AC power supply 29 is completely matched with the mechanical resonance frequency ω0 of the cantilever 26. Therefore, since φ = −π / 2, the pre-amplifier 36 with the phase θ = −π / 2 is
The output signal v of the preamplifier 36 is phase-detected and amplified by the lock-in amplifier 38 with the phase θ = −π.
Can be obtained by separating the amplitudes of the first and second terms in parentheses in equation (13) as shown in equations (17) and (18). However, the mechanical resonance frequency ω0 of the cantilever 26 gradually shifts due to the influence of ambient temperature, humidity, atmospheric pressure, and the like during several measurements. However, the frequency ωac of the AC voltage output from the AC power supply 29
Is stable and does not change. Therefore, ω0
And ωac no longer match.
【００３３】また、カンチレバー２６の振動は共振点付
近ではカンチレバー２６の機械的共振周波数のずれに対
する位相の変化が非常に大きい。従って、カンチレバー
２６の共振点のずれにより、φの−π／２からの差が無
視し得ないものとなる。一方、ロックインアンプ３７、
３８において位相検波を行う位相は測定当初に設定した
θ１＝−π／２、θ２＝−πのままである。したがっ
て、(17)、(18)式のように(13)式の括弧内の第１項と第
２項の振幅を分離できなくなる。The vibration of the cantilever 26 has a very large phase change in the vicinity of the resonance point with respect to the deviation of the mechanical resonance frequency of the cantilever 26. Therefore, the difference between φ and −π / 2 cannot be ignored due to the shift of the resonance point of the cantilever 26. On the other hand, the lock-in amplifier 37,
At 38, the phase at which phase detection is performed remains θ1 = −π / 2 and θ2 = −π set at the beginning of the measurement. Therefore, it is impossible to separate the amplitudes of the first and second terms in the parentheses of the expression (13) as in the expressions (17) and (18).
【００３４】例えば、ω０＝ωacが成り立たなくなって
φ=−π／２＋Δφとなったとしよう。この時、Ｖは次
の(21)式で表わされる。 Ｖ＝−(Ａ１/２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶA｛cos(−θ−π/２＋Δφ)−cos (−θ−π/２＋Δφ＋π)}−(Ａ２/２)(∂Ｃ/∂Ｚ)(１/４)ＶB２{cos (−θ−π/２＋Δφ−π/２）−cos(−θ−π/２＋Δφ−π/２＋π)} ・・・(21) ここで、θ＝θ１＝−π／２の時のロックインアンプ３
７の出力Ｖ１及びθ＝θ２＝−πの時のロックインアン
プ３８の出力Ｖ２はそれぞれ Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAcos(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２sin(Δφ)・・・(22) Ｖ２＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)ＶAsin(Δφ) −Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)(１／４)ＶB２cos(Δφ)・・・(23) となる。For example, suppose that ω0 = ωac does not hold and φ = −π / 2 + Δφ. At this time, V is expressed by the following equation (21). V = − (A1 / 2) (∂C / ∂Z) (Vb−Vs) VA ｛cos (−θ−π / 2 + Δφ) −cos (−θ−π / 2 + Δφ + π)} − (A2 / 2) (∂ C / ∂Z) (1/4) VB 2 {cos (−θ−π / 2 + Δφ−π / 2) −cos (−θ−π / 2 + Δφ−π / 2 + π)} (21) Lock-in amplifier 3 when θ = θ1 = −π / 2
7 and the output V2 of the lock-in amplifier 38 when θ = θ2 = −π are as follows: V1 = −A1 (∂C / ∂Z) (Vb−Vs) VAcos (Δφ) −A2 (∂C / ∂ Z) (1/4) VB 2 sin (Δφ) (22) V2 = −A1 (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) VAsin (Δφ) −A2 (ΔC / ΔZ) (1 / 4) VB 2 cos (Δφ) (23)
【００３５】(22)、(23)から分かるように、Δφ≠０で
あるために、(13)式の括弧内の第１項と第２項の振幅は
分離されず、表面電位測定信号であるＶ１には表面形状
を測定するための(13)式の括弧内の第２項の振幅が混入
している。また、表面形状測定信号であるＶ２には表面
電位を測定するための(13)式の括弧内の第１項の振幅が
混入している。すなわち、試料の表面電位が表面形状の
測定結果に混入・干渉し、試料の表面形状が表面電位の
測定結果に混入・干渉する。このようにカンチレバー２
６の共振周波数であるω０が、周囲の気温や湿度、気圧
などの影響によりわずかに変動することにより、試料の
表面電位と表面形状の測定結果が互いに干渉し、無視で
きない誤差となって現われてくる。As can be seen from (22) and (23), since Δφ ≠ 0, the amplitudes of the first and second terms in the parentheses in the equation (13) are not separated, and the amplitudes of the first and second terms in the surface potential measurement signal are not obtained. A certain V1 contains the amplitude of the second term in parentheses in the expression (13) for measuring the surface shape. In addition, the amplitude of the first term in parentheses in Expression (13) for measuring the surface potential is mixed in V2 which is the surface shape measurement signal. That is, the surface potential of the sample mixes and interferes with the measurement result of the surface shape, and the surface shape of the sample mixes and interferes with the measurement result of the surface potential. In this way, cantilever 2
When the ω0, which is the resonance frequency of 6, slightly fluctuates due to the influence of ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, the surface potential of the sample and the measurement result of the surface shape interfere with each other, resulting in a non-negligible error. come.
【００３６】従来、力顕微鏡では、図１０（ａ）に示す
ように棒１１の片端を固定して棒４４の他端を自由にし
た場合の棒（カンチレバー）４４の横振動を利用し、カ
ンチレバー４４の一次共振させて試料の表面状態（表面
電位や表面形状）を測定している。図１０（ｂ)、
（ｃ）、(ｄ）はカンチレバー４４の一次、二次及び三
次の共振状態における各振動モードを示す。カンチレバ
ー４４の長さを１とした場合、二次及び三次の共振状態
におけるカンチレバー４４の節の位置を図１０（ｃ）、
（ｄ）に示す。Conventionally, in a force microscope, as shown in FIG. 10A, one end of the rod 11 is fixed and the other end of the rod 44 is made free, and the lateral vibration of the rod (cantilever) 44 is used to make use of the cantilever. The surface state (surface potential and surface shape) of the sample is measured by performing primary resonance of 44. FIG. 10 (b),
(C) and (d) show each vibration mode in the primary, secondary and tertiary resonance states of the cantilever 44. Assuming that the length of the cantilever 44 is 1, the positions of the nodes of the cantilever 44 in the secondary and tertiary resonance states are shown in FIG.
(D).
【００３７】従来、力顕微鏡は一般にカンチレバーの一
次共振を利用して試料の表面状態（表面電位や表面形
状）を測定している。カンチレバーの振動を検出する方
法としては、カンチレバーの曲がり傾斜角度を検出する
光てこ法、カンチレバーの振動時の変位を検出する光干
渉法、カンチレバー背後に設けた電極とカンチレバーと
の間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流法、
カンチレバー振動時の速度を検出するヘテロダイン光干
渉法などがある。Conventionally, a force microscope generally uses the primary resonance of a cantilever to measure the surface state (surface potential and surface shape) of a sample. Methods for detecting cantilever vibration include an optical lever method for detecting the bending inclination angle of the cantilever, an optical interference method for detecting displacement during vibration of the cantilever, and a tunnel current flowing between an electrode provided behind the cantilever and the cantilever. Detecting the tunnel current method,
There is a heterodyne optical interferometry that detects the speed at which the cantilever vibrates.
【００３８】カンチレバーの一次共振を利用する場合、
カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、速度
はカンチレバーの先端において最も大きい。したがっ
て、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度を検出するカンチレバー上の位置（すなわちプロー
ブとなるレーザ光を照射する位置や電極を対向させる位
置）はカンチレバーの先端に設定されている。カンチレ
バーの振動を検出する際の感度やＳ／Ｎ比を考えた場
合、カンチレバーの振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度が最大となる位置においてこれら曲がり傾斜角度、
変位、速度を検出するのが最も有利である。When utilizing the primary resonance of the cantilever,
The bending inclination angle, displacement and speed due to the vibration of the cantilever are the largest at the tip of the cantilever. Therefore, the bending inclination angle, displacement,
The position on the cantilever for detecting the speed (that is, the position where the laser beam serving as a probe is irradiated or the position where the electrodes face each other) is set at the tip of the cantilever. Considering the sensitivity and S / N ratio when detecting cantilever vibration, the bending tilt angle, displacement,
These bend inclination angles at the position where the speed is maximum,
It is most advantageous to detect displacement and velocity.
【００３９】しかし、上記図９に示す力顕微鏡のように
カンチレバーの高次共振を利用して試料の表面状態（表
面電位や表面形状）を測定する場合には、図１０
（ｃ）、（ｄ）からも分かるように、必ずしもカンチレ
バーの先端において振動による曲がり傾斜角度、変位、
速度が最大になるものではない。したがって、カンチレ
バーの先端で振動による曲がり傾斜角度、変位、速度を
検出すると、必ずしも感度やＳ／Ｎ比の点で有利な測定
を行っていることにはならない。However, when measuring the surface state (surface potential or surface shape) of the sample using the higher-order resonance of the cantilever as in the force microscope shown in FIG. 9, FIG.
As can be seen from (c) and (d), the bending inclination angle, displacement,
Speed is not the maximum. Therefore, detecting the bending inclination angle, displacement, and speed due to vibration at the tip of the cantilever does not necessarily mean that an advantageous measurement is performed in terms of sensitivity and S / N ratio.
【００４０】また、力顕微鏡において、カンチレバーの
非共振、一次共振、及び高次共振の内の少なくとも２つ
を利用する場合、カンチレバーはそれぞれの振動を重畳
した振動を示す。一方、カンチレバーの振動信号は、通
常ロックインアンプに入力される。ロックインアンプは
入力信号の中から参照信号の周波数成分のみをフィルタ
リングして増幅する狭帯域アンプと考えられる。このロ
ックインアンプは、複数の周波数成分を持つカンチレバ
ー振動信号から測定したい振動周波数成分と同じ周波数
の参照信号が入力され、ロックインアンプにて複数の周
波数成分を持つカンチレバー振動信号から他の周波数成
分を分離して所望の振動周波数成分のみを抽出し増幅す
る。In a force microscope, when at least two of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance of a cantilever are used, the cantilever exhibits vibration in which respective vibrations are superimposed. On the other hand, the vibration signal of the cantilever is usually input to the lock-in amplifier. The lock-in amplifier is considered to be a narrow band amplifier that filters and amplifies only the frequency component of the reference signal from the input signal. In this lock-in amplifier, a reference signal having the same frequency as the vibration frequency component to be measured is input from a cantilever vibration signal having a plurality of frequency components. And only the desired vibration frequency component is extracted and amplified.
【００４１】例えば、カンチレバー振動信号に異なる周
波数を持つ２つの信号があって、これをロックインアン
プにより分離して検出する場合、片方の信号（以下Ａ信
号と呼ぶ）にとって他の信号（以下Ｂ信号と呼ぶ）はノ
イズとなる。したがって、Ａ信号にとってはＢ信号は小
さい程良いのであるが、そのような状態になると、Ｂ信
号にとってノイズとなるＡ信号が非常に多い信号の中か
らＢ信号をフィルタリングして増幅しなければならず、
Ｂ信号の分離・増幅にとって非常に不利になる。このよ
うなことをなくすためには、カンチレバーの振動信号に
おけるＡ信号とＢ信号の振幅がほぼ等しい状態にあるこ
とが必要である。For example, when there are two signals having different frequencies in the cantilever vibration signal, and these signals are separated and detected by a lock-in amplifier, one signal (hereinafter referred to as A signal) is used for another signal (hereinafter referred to as B signal). Signal) is noise. Therefore, the smaller the B signal is, the better the A signal is. However, in such a state, it is necessary to filter and amplify the B signal from a signal having a very large amount of the A signal which becomes a noise for the B signal. Without
This is very disadvantageous for the separation and amplification of the B signal. In order to eliminate such a situation, it is necessary that the amplitudes of the A signal and the B signal in the vibration signal of the cantilever are substantially equal.
【００４２】一方、図１０に示すように例えば、一次共
振振動によるカンチレバーの振動による曲がり傾斜角
度、変位、速度が最大になる位置は、必ずしも高次の共
振振動によるカンチレバーの曲がり傾斜角度、変位、速
度が最大になる位置とは限らない。したがって、２つの
周波数の振動振幅ががほぼ等しくならないことが多い。
これらの振動振幅を同程度にするためには、２つの信号
の内、振幅が小さい方の振動を生じさせている力、例え
ば静電引力を大きくするという方法をとればよい。しか
し、静電引力を大きくするためには、カンチレバー先端
の探針と試料の表面との間で放電が生じ、測定が不可能
になる。したがって、このような方法では、必ずしも異
なる周波数の振動振幅を同程度にすることはできない。On the other hand, as shown in FIG. 10, for example, the position where the bending inclination angle, displacement and speed due to the vibration of the cantilever due to the primary resonance vibration become maximum are not necessarily the bending inclination angle, displacement and displacement of the cantilever due to the higher resonance vibration. It is not always the position where the speed becomes maximum. Therefore, the vibration amplitudes of the two frequencies are often not substantially equal.
In order to make these vibration amplitudes approximately the same, a method of increasing the force that generates the vibration of the smaller of the two signals, for example, the electrostatic attractive force, may be used. However, in order to increase the electrostatic attraction, a discharge occurs between the probe at the tip of the cantilever and the surface of the sample, making measurement impossible. Therefore, with such a method, the vibration amplitudes of different frequencies cannot always be made equal.
【００４３】本発明は、感度やＳ／Ｎ比を向上させるこ
とができて測定物の表面電位と表面形状を独立に測定す
ることができ、かつ、異なる周波数の振動振幅の検出に
対する感度やＳ／Ｎ比を向上させることができる力顕微
鏡を提供することを目的とする。According to the present invention, the sensitivity and the S / N ratio can be improved so that the surface potential and the surface shape of the measured object can be measured independently. An object of the present invention is to provide a force microscope capable of improving the / N ratio.
【００４４】[0044]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、測定物に対向配置される探
針を先端部に設けた板バネを該板バネの共振周波数によ
り振動させ、前記探針に働く力により前記板バネの高次
共振振動状態が変化することを光てこ法により検出する
ことで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定
物の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネが高
次共振する時の節に前記光てこ法の光を照射するもので
ある。In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe at a tip portion opposed to an object to be measured is vibrated by the resonance frequency of the leaf spring. Then, the force acting on the probe is detected by detecting the change in the higher-order resonance vibration state of the leaf spring by the force acting on the probe by an optical lever method, and the state of the measurement object is observed. In the force microscope according to the present invention, the light of the optical lever method is applied to a node when the leaf spring resonates at a higher order.
【００４５】請求項２記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの非共振
周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何
れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、
前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が各々変
化することを光てこ法により検出することで前記探針に
働く力を検出し、これにより前記測定物の状態を観察す
る力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動による各
曲がり角が等しくなる前記板バネ上の位置に前記光てこ
法の光を照射するものである。According to a second aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip end thereof opposed to an object to be measured is provided at any one of a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, and a higher-order resonance frequency of the leaf spring. And vibrating at a plurality of different frequencies,
In a force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations each change by the force acting on the probe by an optical lever method, thereby observing the state of the measurement object. Irradiating the light of the optical leverage method to a position on the leaf spring at which each bending angle due to a plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal.
【００４６】請求項３記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの高次共
振周波数により振動させ、この板バネの振動状態におけ
る変位を測定するための振動変位測定手段により前記板
バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力による振動
状態の変化から前記探針に働く力を検出し、これにより
前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、前記板
バネが高次共振する時の腹を前記振動変位測定手段の測
定点としたものである。According to a third aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe arranged at the tip portion facing the object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring, and the displacement of the leaf spring in the vibration state is reduced. The vibration state of the leaf spring is detected by vibration displacement measuring means for measuring, and the force acting on the probe is detected from a change in the vibration state due to the force acting on the probe, thereby observing the state of the measurement object. In this force microscope, the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means.
【００４７】請求項４記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの非共振
周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何
れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、
前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が各々変
化することを振動変位測定手段により検出することで前
記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態
を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動
の各振幅が等しくなる前記板バネ上の位置を前記振動変
位測定手段の測定点としたものである。According to a fourth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip end thereof opposed to an object to be measured is provided at any one of a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, and a higher-order resonance frequency of the leaf spring. And vibrating at a plurality of different frequencies,
A force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe, and thereby observes the state of the measured object. In the above, a position on the leaf spring at which each amplitude of a plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means.
【００４８】請求項５記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの高次共
振周波数により振動させ、振動状態における前記板バネ
の振動速度を測定するための振動速度測定手段により前
記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力による
振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、これに
より前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、前
記板バネが高次共振する時の腹を前記振動速度測定手段
の測定点としたものである。According to a fifth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip end thereof opposed to an object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring, and the vibration speed of the leaf spring in a vibrating state is obtained. The vibration state of the leaf spring is detected by vibration speed measurement means for measuring the force applied to the probe from a change in the vibration state caused by the force applied to the probe, thereby detecting the state of the measured object. In the force microscope to be observed, the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as a measurement point of the vibration velocity measuring means.
【００４９】請求項６記載の発明は、測定物に対向配置
される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの非共振
周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何
れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、
前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が各々変
化することを振動速度測定手段により検出することで前
記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態
を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動
による各振動速度が等しくなる前記板バネ上の位置を前
記振動速度測定手段の測定点としたものである。According to a sixth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at a tip end thereof opposed to an object to be measured is provided at any one of a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, and a higher-order resonance frequency of the leaf spring. And vibrating at a plurality of different frequencies,
A force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe, and thereby observes the state of the measurement object. In the above, a position on the plate spring at which each of the vibration speeds of the plurality of vibrations of the plate spring becomes equal is set as a measurement point of the vibration speed measuring means.
【００５０】[0050]
【作用】請求項１記載の発明では、板バネの先端部に設
けられた探針が測定物に対向し、板バネはその共振周波
数により振動する。探針に働く力により板バネの高次共
振振動状態が変化することが光てこ法により検出される
ことで探針に働く力が検出され、光てこ法の光は板バネ
が高次共振する時の節に照射される。According to the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring vibrates at its resonance frequency. The change in the higher-order resonance vibration state of the leaf spring due to the force applied to the probe is detected by the optical lever method, and the force applied to the probe is detected. Irradiated at the nodes of time.
【００５１】請求項２記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその非共
振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の
何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動す
る。探針に働く力により複数の振動の状態が各々変化す
ることが光てこ法により検出されることで探針に働く力
が検出され、光てこ法の光は板バネの複数の振動による
各曲がり角が等しくなる板バネ上の位置に照射される。According to the second aspect of the present invention, the probe provided at the distal end of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring has its non-resonant frequency, primary resonance frequency, or higher-order resonance frequency. In addition, they vibrate at a plurality of different frequencies. The force acting on the probe is detected by the optical lever method detecting that a plurality of vibration states change by the force acting on the probe. Are irradiated to the position on the leaf spring at which
【００５２】請求項３記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその高次
共振周波数により振動する。板バネの振動状態における
変位を測定するための振動変位測定手段により板バネの
振動状態が検出され、探針に働く力による振動状態の変
化から探針に働く力が検出され、振動変位測定手段の測
定点は板バネが高次共振する時の腹となる。According to the third aspect of the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring vibrates at its higher-order resonance frequency. A vibration displacement measuring means for measuring a displacement of the leaf spring in a vibration state detects a vibration state of the leaf spring, and a force acting on the probe is detected from a change in the vibration state due to a force acting on the probe, and a vibration displacement measuring means. Is the antinode when the leaf spring undergoes higher order resonance.
【００５３】請求項４記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその非共
振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の
何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動す
る。探針に働く力により複数の振動の状態が各々変化す
ることが振動変位測定手段により検出されることで探針
に働く力が検出され、振動変位測定手段の測定点は板バ
ネの複数の振動の各振幅が等しくなる板バネ上の位置と
なる。According to the fourth aspect of the present invention, the probe provided at the distal end of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring has a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order resonant frequency. In addition, they vibrate at a plurality of different frequencies. The vibration displacement measuring means detects that each of a plurality of vibration states changes due to the force acting on the probe, so that the force acting on the probe is detected. Are located on the leaf spring at which the respective amplitudes become equal.
【００５４】請求項５記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその高次
共振周波数により振動する。振動状態における板バネの
振動速度を測定するための振動速度測定手段により板バ
ネの振動状態が検出され、探針に働く力による振動状態
の変化から探針に働く力が検出され、振動速度測定手段
の測定点は板バネが高次共振する時の腹となる。According to the fifth aspect of the present invention, the probe provided at the tip of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring vibrates at its higher-order resonance frequency. The vibration state of the leaf spring is detected by the vibration velocity measuring means for measuring the vibration velocity of the leaf spring in the vibration state. The measurement point of the means is an antinode when the leaf spring resonates at a higher order.
【００５５】請求項６記載の発明では、板バネの先端部
に設けられた探針が測定物に対向し、板バネはその非共
振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の
何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動す
る。探針に働く力により複数の振動の状態が各々変化す
ることが振動速度測定手段により検出されることで探針
に働く力が検出され、振動速度測定手段の測定点は板バ
ネの複数の振動による各振動速度が等しくなる板バネ上
の位置となる。According to the sixth aspect of the present invention, the probe provided at the distal end of the leaf spring faces the object to be measured, and the leaf spring has a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order resonant frequency. In addition, they vibrate at a plurality of different frequencies. The force acting on the probe is detected by the vibration velocity measuring means detecting that each of the plurality of vibration states changes due to the force acting on the probe, and the measurement point of the vibration velocity measuring means is determined by the vibration of the leaf spring. Is a position on the leaf spring where the respective vibration speeds are equal.
【００５６】[0056]
【実施例】図１は本発明の実施例の前提となる力顕微鏡
を示す。この力顕微鏡は、表面電位計及び形状測定
器としての力顕微鏡の例を示す。力顕微鏡では、前述
した図７に示す力顕微鏡において、交流電源１６からの
カンチレバー１１の非共振周波数ωの交流電圧ＶAC・si
nωｔと直流電源１７からの直流オフセット電圧Ｖoffと
を重畳した電圧がカンチレバー１１に印加されて試料１
３のベースとなる導電性基板１８が基準電位の接地点に
接続されることによりカンチレバー１１の先端の探針１
２と試料１３の表面との間に静電引力が発生し、この静
電引力によりカンチレバー１１に周波数ωの振動が生ず
る。圧電素子１４は絶縁体５１を介してカンチレバー１
１に固定されてカンチレバー１１の固定端に導電性カン
チレバー１１の共振周波数ωrの振動を与え、導電性カ
ンチレバー１１が共振周波数ωrで振動する。FIG. 1 shows a force microscope which is a premise of an embodiment of the present invention. This force microscope shows an example of a force microscope as a surface electrometer and a shape measuring instrument. In the force microscope, in the force microscope shown in FIG. 7 described above, the AC voltage VAC · si of the non-resonant frequency ω of the cantilever 11 from the AC power supply 16 is used.
A voltage obtained by superimposing nωt and a DC offset voltage Voff from the DC power supply 17 is applied to the cantilever 11 so that the sample 1
The probe 1 at the tip of the cantilever 11 is connected to the conductive substrate 18 serving as the base of
An electrostatic attractive force is generated between the sample 2 and the surface of the sample 13, and the electrostatic attractive force causes the cantilever 11 to vibrate at a frequency ω. The piezoelectric element 14 is connected to the cantilever 1 via an insulator 51.
1, the vibration of the resonance frequency ωr of the conductive cantilever 11 is applied to the fixed end of the cantilever 11, and the conductive cantilever 11 vibrates at the resonance frequency ωr.
【００５７】探針１２と試料１３の表面との電位差を測
定した結果であるロックインアンプ２１の出力信号Ａω
は、自乗器５２により自乗されてＡω２となった後に、
ゲインがαであるアンプ５３により増幅されてαＡω２
となる。このアンプ５３は補正手段として用いられ、α
が補正係数となる。ロックインアンプ２２の出力信号Ａ
ωrは加算器５４によりアンプ５３の出力信号αＡω２
が加算されて(Ａωr＋αＡω２)となり、この(Ａωr＋
αＡω２)がＺサーボ回路２４に入力される。Ｚサーボ
回路２４は加算器５４の出力信号によりＺ軸アクチュエ
ータを制御して探針１２と試料１３の表面との間の距離
を一定に保ち、Ｚサーボ回路２４のＺ軸アクチュエータ
制御量から試料１３の表面形状を測定する。The output signal Aω of the lock-in amplifier 21 as a result of measuring the potential difference between the probe 12 and the surface of the sample 13
After becoming it includes a Aw 2 is squared by squarer 52,
Amplified by the amplifier 53 having a gain of α and αAω 2
Becomes This amplifier 53 is used as correction means, and α
Is a correction coefficient. Output signal A of lock-in amplifier 22
ωr is output from the amplifier 53 by the adder 54 to the output signal αAω 2
There is added (Aωr + αAω 2), and this (Aωr +
αAω 2 ) is input to the Z servo circuit 24. The Z servo circuit 24 controls the Z-axis actuator based on the output signal of the adder 54 to keep the distance between the probe 12 and the surface of the sample 13 constant. Is measured.
【００５８】次に力顕微鏡の動作を説明する。探針１
２の先端と試料１３の表面との間の距離をＺ、探針１２
の先端の曲率半径をＲとすると、Ｚ＜Ｒの場合、探針１
２の先端と試料１３の表面との間の静電容量ＣのＺに関
しての微係数∂Ｃ／∂Ｚは次の(24)式で表わされる。 (∂Ｃ／∂Ｚ)＝πε０Ｒ／Ｚ・・・(24) これを(8)式に代入すると、ω成分の振幅Ａωは次の(2
5)式で表わされる。Next, the operation of the force microscope will be described. Tip 1
The distance between the tip of the sample 2 and the surface of the sample 13 is Z,
Letting the radius of curvature of the tip of R be R, if Z <R, the probe 1
The differential coefficient ΔC / ΔZ of the capacitance C between the tip of No. 2 and the surface of the sample 13 with respect to Z is expressed by the following equation (24). (∂C / ∂Z) = πε0R / Z (24) By substituting this into the equation (8), the amplitude Aω of the ω component becomes
It is expressed by equation 5).
【００５９】 Ａω＝(πε０Ｒ／Ｚ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(25) したがって、自乗器５２の出力信号Ａω２は次の(26)式
で表わされる。 Ａω２＝(πε０Ｒ)２{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}ＶAC２・・・(26) ここで、π、ε０、Ｒ、ＶACは定数である。したがっ
て、Ａω２はＶs、Ｖoff、Ｚの関数となる。Aω = (πε0R / Z) (Vs + Voff) VAC (25) Therefore, the output signal Aω 2 of the squarer 52 is expressed by the following equation (26). Aω 2 = (πε0R) 2 {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } VAC 2 (26) where π, ε0, R, and VAC are constants. Therefore, Aw 2 is Vs, Voff, a function of Z.
【００６０】一方、静電容量ＣのＺに関しての２階の微
係数∂２Ｃ／∂Ｚ２は次の(27)式で表わされる。 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝πε０Ｒ／Ｚ２・・・(27) これにより、ωr成分の振幅減少分であるΔＡは次の(2
8)式で表わされる。 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ/(Ｋ・３√３)}［(１/２)(πε０Ｒ/Ｚ２){(Ｖs＋Ｖoff)２ ＋ＶAC２／２}］ ＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２/Ｚ２}−{Ａ０Ｑπ ε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(28) ここで、Ａ０、Ｑ、Ｋは定数であり、αは次の(29)式の
ように設定する。On the other hand, the second-order differential coefficient ∂ 2 C / ２Z 2 with respect to Z of the capacitance C is expressed by the following equation (27). ∂ 2 C / ∂Z 2 = πε0R / Z 2 (27) Thus, ΔA, which is the amplitude reduction of the ωr component, is given by the following (2)
It is expressed by equation 8). ΔA = - {2A0Q / (K · 3√3)} [(1/2) (πε0R / Z 2) {(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] = - {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } − {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) (28) where A0, Q and K are constants and α is Set as in the following equation (29).
【００６１】 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{１／(ＶAC２πε０Ｒ)}・・・(29) アンプ５３の出力信号αＡω２は次の(30)式のように設
定する。 αＡω２＝{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２}・・・(30) したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号(Ａωr＋α
Ａω２)は次の(31)式で表わされる。Α = {A0Q / (K · 3√3)} {1 / (VAC 2 πε0R)} (29) The output signal αAω2 of the amplifier 53 is set as in the following equation (30). αAω 2 = {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } (30) Therefore, the input signal (Aωr + α) to the Z servo circuit 24
Aω 2 ) is expressed by the following equation (31).
【００６２】 Ａωr＋αＡω２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／ Ｚ２}−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)＋ {Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・３√３)}{(Ｖs＋Ｖoff)２／Ｚ２} ＝Ａ０−{Ａ０Ｑπε０Ｒ/(Ｋ・６√３)}(ＶAC２/Ｚ２)・・(31) ここで、Ｚサーボ回路２４への入力信号の自由振動時の
振幅からの減少分を新たにΔＡrとすると、(31)式より
ΔＡrは ΔＡr＝−{Ａ０Ｑπε０Ｒ／(Ｋ・６√３)}(ＶAC２／Ｚ２)・・・(32) となる。この(32)式においてはＺ以外は全て定数であ
る。[0062] Aωr + αAω 2 = A0 + ΔA + αAω 2 = A0- {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2} - {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2) + {A0Qπε0R / (K · 3√3)} {(Vs + Voff) 2 / Z 2 } = A0− {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) · (31) Assuming that the amount of decrease in the amplitude of the input signal to the Z servo circuit 24 from the free vibration is a new ΔAr, from the equation (31), ΔAr is ΔAr = − {A0Qπε0R / (K · 6√3)} (VAC 2 / Z 2 ) (32). In the equation (32), all except Z are constants.
【００６３】したがって、(Ｖs＋Ｖoff)によりΔＡrが
変化することはない。Ｚサーボ回路２４はΔＡrを一定
にするようにＺ軸アクチュエータを制御するから、その
制御量から測定した試料１３の表面形状測定結果は試料
１３の表面電位による誤差を含まない。すなわち、試料
１３の表面電位の表面形状測定結果に対する干渉を消去
することができ、試料１３の表面形状測定結果の誤差を
大幅に減少させることができる。Therefore, ΔAr does not change due to (Vs + Voff). Since the Z servo circuit 24 controls the Z-axis actuator to keep ΔAr constant, the surface shape measurement result of the sample 13 measured from the control amount does not include an error due to the surface potential of the sample 13. That is, interference of the surface potential of the sample 13 with the surface shape measurement result can be eliminated, and errors in the surface shape measurement result of the sample 13 can be greatly reduced.
【００６４】このように、力顕微鏡は、測定物１３に
対向配置される導電性探針１２を先端部に設けたバネと
してのカンチレバー１１を、該バネ１１に機械的に結合
したアクチュエータとしての圧電素子１４によりバネ１
１の機械的共振周波数で加振してバネに第１振動を生じ
させ、導電性探針１２に交流電圧を印加することにより
導電性探針１２と測定物１３との間に静電引力を生じさ
せて該静電引力によりバネに第２振動を生じさせ、第１
振動の振幅の減少から導電性探針１２と測定物１３の表
面との間の距離を測定し、第２振動から測定物１３の表
面電位を測定する表面電位計及び形状測定器を構成する
力顕微鏡において、第２振動状態から、第１振動より測
定した導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離
の測定結果を補正する補正手段としての自乗器５２、ア
ンプ５３及び加算器５４を備えたので、測定物表面電位
の測定物表面形状測定結果に対する干渉を除去すること
ができ、測定物表面形状測定結果の誤差を大幅に減少さ
せることができる。As described above, in the force microscope, the cantilever 11 serving as a spring having the conductive probe 12 provided at the distal end thereof opposed to the object 13 to be measured is a piezoelectric actuator serving as an actuator mechanically coupled to the spring 11. Spring 1 by element 14
A first vibration is generated in the spring by vibrating at a mechanical resonance frequency of 1 and an AC voltage is applied to the conductive probe 12 to generate an electrostatic attraction between the conductive probe 12 and the object 13. And a second vibration is generated in the spring by the electrostatic attraction.
A force constituting a surface voltmeter and a shape measuring instrument for measuring the distance between the conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13 from the decrease in the amplitude of the vibration, and measuring the surface potential of the measurement object 13 from the second vibration. In the microscope, the squarer 52, the amplifier 53, and the adder as correction means for correcting the measurement result of the distance between the conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13 measured from the first vibration from the second vibration state. With the provision of 54, interference of the surface potential of the workpiece with the measurement result of the surface shape of the workpiece can be removed, and errors in the measurement results of the surface shape of the workpiece can be greatly reduced.
【００６５】また、力顕微鏡は、補正手段としての自
乗器５２、アンプ５３及び加算器５４は、第２振動の交
流電圧周波数成分の振幅Ａωの自乗Ａω２と補正係数α
の積αＡω２を第１振動振幅Ａωrに加算することによ
り導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離の測
定結果を補正するので、測定物表面電位の測定物表面形
状測定結果に対する干渉を除去することができ、測定物
表面形状測定結果の誤差を大幅に減少させることができ
る。In the force microscope, the squarer 52 as a correction means, the amplifier 53, and the adder 54 include the square Aω2 of the amplitude Aω of the AC voltage frequency component of the second vibration and the correction coefficient α.
Is added to the first vibration amplitude Aωr to correct the measurement result of the distance between the conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13. Therefore, the surface potential of the measurement object relative to the measurement result of the surface shape of the measurement object Interference can be removed, and errors in the measurement result of the surface shape of the workpiece can be greatly reduced.
【００６６】次に、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡について説明する。上記力顕微鏡は、探針１
２の先端と試料１３の表面との間の距離Ｚと、探針１２
の先端の曲率半径Ｒとの関係を図２に示すようにＺ＜Ｒ
とした。しかし、実際には、Ｒは測定の空間分解能を上
げるために非常に鋭く加工されており、Ｒ≒１０ｎｍ程
度である。したがって、一般的には、Ｚ＜１０ｎｍとし
て測定を行うことはほとんどできず、Ｚ≧Ｒの状態で測
定が行われる。Next, another force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention will be described. The force microscope includes a probe 1
2 and the distance between the tip of the sample 13 and the probe 12
As shown in FIG. 2, the relationship between the curvature radius R at the tip of
And However, in reality, R is very sharply processed to increase the spatial resolution of the measurement, and R is about 10 nm. Therefore, in general, measurement can hardly be performed with Z <10 nm, and measurement is performed in a state of Z ≧ R.
【００６７】探針１２の先端を半球、試料１３の表面を
平面としたモデルでは、Ｚ≧Ｒの場合、平行平板のコン
デンサモデルに近似できる。この場合、Ｚのγ乗をＺ＊
＊γと表わし、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝−ａ／Ｚ＊＊γ・・・(33) とすると、γ＝２になる。ここに、上記力顕微鏡では
γ＝１である。力顕微鏡ではＺを目標値Ｚ０に保よう
にＺ軸アクチュエータに帰還をかけているが、任意のγ
について、Ｚ０において補償（試料１３の表面電位の距
離測定結果に対する干渉を補償すること：上記補正）が
最適になるようにαを決定することを考える。(33)式か
らＺの(γ＋１)乗をＺ＊＊(γ＋１)と表わすと、 ∂２Ｃ／∂Ｚ２＝−ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)・・・(34) となる。したがって、 ΔＡ＝−{２Ａ０Ｑ/(Ｋ・３√３)}[(１／２){ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋ Ｖoff)２＋ＶAC２／２}] ＝−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}{(Ｖs＋Ｖoff)２−{ Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}{ａγ／Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶAC２・・・(35) となる。In a model in which the tip of the probe 12 is a hemisphere and the surface of the sample 13 is a plane, when Z ≧ R, it can be approximated to a parallel plate capacitor model. In this case, the γ power of Z is Z *
* Γ, and ∂C / ∂Z = −a / Z ** γ (33), γ = 2. Here, γ = 1 in the above-mentioned force microscope. In the force microscope, feedback is applied to the Z-axis actuator so as to maintain Z at the target value Z0.
For α, it is considered that α is determined so that the compensation in Z0 (compensation for interference with the distance measurement result of the surface potential of the sample 13: the above-described correction) is optimized. (33) a (gamma + 1) square of Z is expressed as Z ** (gamma + 1) from the equation, ∂ 2 C / ∂Z 2 = -aγ / Z ** (γ + 1) becomes.. (34). Therefore, ΔA = - {2A0Q / ( K · 3√3)} [(1/2) {aγ / Z ** (γ + 1)} {(Vs + Voff) 2 + VAC 2/2}] = - {A0Q / ( K · 3√3)} {aγ / Z ** (γ + 1)} {(Vs + Voff) 2 − {A0Q / (K · 6√3)} {aγ / Z ** (γ + 1)} VAC 2 ... ( 35)
【００６８】一方、ω成分の振幅Ａωは次の(36)式で表
わされる。 Ａω＝(ａ／Ｚ＊＊γ)(Ｖs＋Ｖoff)ＶAC・・・(36) ここで、Ｚ０において補償が最適になるようにするに
は、Ｚ０におけるαＡω ２が(35)式の第１項と等しくな
ればよく、 {Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{ａγ／Ｚ０＊＊(γ＋１)}(Ｖs＋Ｖoff)２ ＝(αａ２／Ｚ０＊＊２γ)(Ｖs＋Ｖoff)２ＶAC２・・・(37) となる。これから、αは α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ０＊＊(γ−１)}(γ/ａ)(１/ＶAC２)・・・(38) となる。したがって、Ｚサーボ回路２４への入力信号
(Ａωr＋αＡω２)は次の(39)式のようになる。On the other hand, the amplitude Aω of the ω component is expressed by the following equation (36).
Be forgotten. Aω = (a / Z ** γ) (Vs + Voff) VAC (36) Here, it is necessary to optimize the compensation at Z0.
Is αAω at Z0 2Is equal to the first term in equation (35).
{A0Q / (K · 3√3)} {aγ / Z0 ** (γ + 1)} (Vs + Voff)2 = (Αa2 / Z0 ** 2γ) (Vs + Voff)2VAC2... (37) From this, α becomes α = {A0Q / (K · 3√3)} {Z0 ** (γ-1)} (γ / a) (1 / VAC2) ... (38) Therefore, the input signal to the Z servo circuit 24
(Aωr + αAω2) Is as shown in the following equation (39).
【００６９】 Ａωr＋αＡω２＝Ａ０＋ΔＡ＋αＡω２ ＝Ａ０−{Ａ０Ｑ／(Ｋ・６√３)}ａγ／{Ｚ＊＊(γ＋１)}ＶA C２＋{Ａ０Ｑａγ／(Ｋ・３√３)}(Ｖs＋Ｖoff)２{１／Ｚ＊ ＊２γ}{Ｚ０＊＊(γ−１)}{Ｚ＊＊(γ−１)}・・・(39) (39)式において、第２項はＺのみに依存し、探針１２の
先端と試料１３の表面との間の距離Ｚだけを測定する信
号となる。[0069] Aωr + αAω 2 = A0 + ΔA + αAω 2 = A0- {A0Q / (K · 6√3)} aγ / {Z ** (γ + 1)} VA C 2 + {A0Qaγ / (K · 3√3)} (Vs + Voff) 2 {1 / Z * 2γ} {Z0 ** (γ-1)} {Z ** (γ-1)} (39) In the equation (39), the second term depends only on Z. , A signal for measuring only the distance Z between the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13.
【００７０】一方、(39)式の第３項は(Ｖs＋Ｖoff)とＺ
に依存し、距離測定に対する(Ｖs＋Ｖoff)の干渉成分で
ある。ここで、前述したようにγ＝２とすると、(39)式
の第３項はＺ＜Ｚ０において正になる。すなわち、Ｚ＜
Ｚ０において(Ｖs＋Ｖoff)による干渉を除去するための
補償量が大き過ぎ、実際のＺの測定結果より大きな値を
Ｚサーボ回路２４に与えることとなる。力顕微鏡では
Ｚサーボ回路２４への入力が大きいほどＺが大きくて探
針１２の先端と試料１３の表面とが離れたことを示す。
Ｚサーボ回路２４はその入力信号を基にＺを小さくする
（探針１２の先端と試料１３の表面とを近づける）よう
に働く。On the other hand, the third term of the equation (39) is (Vs + Voff) and Z
And the interference component of (Vs + Voff) to the distance measurement. Here, if γ = 2 as described above, the third term of the equation (39) becomes positive when Z <Z0. That is, Z <
In Z0, the compensation amount for removing the interference due to (Vs + Voff) is too large, and a value larger than the actual Z measurement result is given to the Z servo circuit 24. In the force microscope, as the input to the Z servo circuit 24 increases, Z increases, indicating that the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 are separated.
The Z servo circuit 24 operates to reduce Z (to bring the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 closer) based on the input signal.
【００７１】したがって、上述したようなＺ＜Ｚ０にお
いて実際のＺの測定結果よりも大きな値をＺサーボ回路
２４に与えることは、探針１２の先端と試料１３の表面
とが近づいている時に両者をさらに近づけるようにＺサ
ーボ回路２４が働くことになり、Ｚの制御が正帰還にな
り、Ｚサーボ回路２４は探針１２の先端と試料１３の表
面とを衝突させるように働くことになる。以上のような
ことを克服するために、力顕微鏡は、上記力顕微鏡
において、Ｚ＜Ｚ０において最適な補償量が得られるよ
うにαを決定したものである。具体的には力顕微鏡は
(3)式の静電引力Ｆesの、(Ｖs＋Ｖoff)＝０における直
流の力 ＦesDC＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(ＶAC２／２)・・・(40) により探針１２の先端が試料１３の表面に吸引される直
前の距離Ｚminにおいて、αを決定する。この場合、(3
9)式の第３項は次の(40-a)式になる。Therefore, when a value larger than the actual measurement result of Z is given to the Z servo circuit 24 when Z <Z0 as described above, when the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 are approaching each other, The Z servo circuit 24 works so as to bring the probe closer, the Z control becomes positive feedback, and the Z servo circuit 24 works so that the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 collide. In order to overcome the above-mentioned problems, the force microscope determines α so that an optimum compensation amount is obtained when Z <Z0 in the above-mentioned force microscope. Specifically, a force microscope
(3) of the electrostatic attractive force Fes, (Vs + Voff) = 0 DC force in FesDC = - (1/2) (∂C / ∂Z) (VAC 2/2) probes by ... (40) Α is determined at a distance Zmin immediately before the tip of the sample 12 is sucked into the surface of the sample 13. In this case, (3
The third term of the equation (9) is the following equation (40-a).
【００７２】 {Ａ０Ｑａγ／(Ｋ・３√３)}(Ｖs＋Ｖoff)２{１／Ｚ＊＊２γ}{Ｚmin＊＊(γ −１)}{Ｚ＊＊(γ−１)}・・・(40-a) (40-a)式の値はＺ＞Ｚminにおいて負になるので、Ｚ軸
アクチュエータの制御が不安定になることはない。ま
た、Ｚ＞Ｚminにおいては探針１２電位への帰還の遅れ
による直流の静電引力Ｆesの増加により、距離帰還の安
定性に関わらず探針１２の先端と試料１３の表面とが衝
突する。したがって、Ｚ＜ＺminにおけるＺの制御の不
安定性による探針１２の先端と試料１３の表面との衝突
は考慮する必要がない。以上のようにＺminにおいてα
を決定することにより、試料１３の表面電位の表面形状
測定への干渉を低減しつつ、探針１２の先端と試料１３
の表面との間の距離の制御安定性を保ことができる。{A0Qaγ / (K · 3√3)} (Vs + Voff) 2 {1 / Z ** 2γ} {Zmin ** (γ-1)} {Z ** (γ-1)} 40-a) Since the value of the expression (40-a) becomes negative when Z> Zmin, the control of the Z-axis actuator does not become unstable. When Z> Zmin, the tip of the probe 12 collides with the surface of the sample 13 irrespective of the stability of the distance feedback due to an increase in the DC electrostatic attractive force Fes due to a delay in the feedback to the potential of the probe 12. Therefore, it is not necessary to consider the collision between the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 due to the instability of Z control when Z <Zmin. As described above, in Zmin, α
Is determined, the interference of the surface potential of the sample 13 with the surface shape measurement is reduced, and the tip of the probe 12 and the sample 13
The control stability of the distance to the surface can be maintained.
【００７３】この力顕微鏡は、力顕微鏡において、
導電性探針１２と測定物１３の表面との間の距離Ｚを一
定に制御する際の目標値よりも導電性探針１２と測定物
１３の表面との間の距離が小さい時に補正が最適に行わ
れるように補正係数αを定めたので、測定物１３の表面
電位の表面形状測定への干渉を低減しつつ、測定物１２
の先端と測定物１３の表面との間の距離の制御安定性を
保ことができる。This force microscope is different from the force microscope in that
Correction is optimal when the distance between the conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13 is smaller than the target value when the distance Z between the conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13 is controlled to be constant. The correction coefficient α is determined so that the interference between the surface potential of the measurement object 13 and the surface shape measurement is reduced while the correction coefficient α is determined.
The control stability of the distance between the tip of the object and the surface of the measurement object 13 can be maintained.
【００７４】次に、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡について説明する。力顕微鏡において、試料
１３の表面電位の距離測定結果に対する干渉を補償する
補償量がＺに対して過度であったり過小であったりする
のは、Ｚに対して最適なαの値が変化するからである。
力顕微鏡は、この点を改善したものである。図３は力
顕微鏡を示す。力顕微鏡では、上記力顕微鏡にお
いて、ロックインアンプ５５が交流電源１６からの交流
電圧ＶACsinωｔを参照信号として受光素子２０の出力
信号を位相検波して増幅することによりカンチレバー１
１の振動の２ω成分の振幅Ａ2ωを分離増幅する。この
場合、交流電源１６からロックインアンプ５５への参照
信号の周波数がωであるが、ロックインアンプ５５はω
の参照信号により２ω成分の分離増幅を行うモードで動
作する。Next, another force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention will be described. In the force microscope, the amount of compensation for compensating for interference with the distance measurement result of the surface potential of the sample 13 is excessively small or small with respect to Z because the optimum value of α with respect to Z changes. It is.
The force microscope improves on this point. FIG. 3 shows a force microscope. In the force microscope, in the above-mentioned force microscope, the lock-in amplifier 55 performs phase detection on the output signal of the light receiving element 20 using the AC voltage VACsinωt from the AC power supply 16 as a reference signal, and amplifies the cantilever 1.
The amplitude A2ω of the 2ω component of the first vibration is separated and amplified. In this case, the frequency of the reference signal from the AC power supply 16 to the lock-in amplifier 55 is ω, but the lock-in amplifier 55
Operate in a mode in which the 2ω component is separated and amplified by the reference signal.
【００７５】また、補正係数決定手段５６として、最適
補正係数を決定するためのテーブル又は数式を持つＤＳ
Ｐ(Digital Signal Processor)等が用いられ、この補正
係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出力信号Ａ
2ωから最適な補正係数を決めてアンプ５３のゲインα
をその最適な補正係数に制御する。アンプ５３は、電圧
によりゲインを制御できるプログラマブルゲインアンプ
等を用いる。As the correction coefficient determining means 56, a DS having a table or a formula for determining the optimum correction coefficient is used.
P (Digital Signal Processor) or the like is used, and the correction coefficient determining means 56 outputs the output signal A of the lock-in amplifier 55.
The optimum correction coefficient is determined from 2ω and the gain α of the amplifier 53 is determined.
Is controlled to the optimum correction coefficient. As the amplifier 53, a programmable gain amplifier whose gain can be controlled by a voltage is used.
【００７６】さて、次に、力顕微鏡の動作を述べる。
(3)式より、静電引力Ｆesには２ω成分が存在し、この
２ω成分による振動振幅Ａ2ωは次の(41)式で表わされ
る。 Ａ2ω＝(１／４)(∂Ｃ／∂Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(41) ここで、 ∂Ｃ／∂Ｚ＝ｆ(Ｚ)・・・(42) とすると、 Ａ2ω＝(１／４)ｆ(Ｚ)ＶAC２cos２ωｔ・・・(43) となる。ＶACは定数であるから、Ａ2ωはＺのみに依存
する。従って、Ａ2ωからＺを知ることができる。Next, the operation of the force microscope will be described.
From equation (3), the electrostatic attraction Fes has a 2ω component, and the vibration amplitude A2ω due to this 2ω component is expressed by the following equation (41). A2ω = (1/4) (∂C / ∂Z) VAC 2 cos2ωt (41) Here, assuming that ∂C / ∂Z = f (Z) (42), A2ω = (1/1) 4) f (Z) VAC 2 cos2ωt (43) Since VAC is a constant, A2ω depends only on Z. Therefore, Z can be known from A2ω.
【００７７】一方、任意のＺに対して最適なαは(38)式
のＺ０に代入すればよいので、 α＝{Ａ０Ｑ／(Ｋ・３√３)}{Ｚ＊＊(γ−１)}(γ／ａ)(１／ＶAC２)・・・(44) となる。γはあらかじめ実験により求めておく。以上の
ことから、Ａ2ωからＺを測定し、その値から(44)式を
用いて最適な補正係数αを求めることができる。そこ
で、補正係数決定手段５６はロックインアンプ５５の出
力信号Ａ2ωから(44)式を用いて最適な補正係数を決め
てアンプ５３のゲインαをその最適な補正係数に制御す
る。On the other hand, the optimum α for an arbitrary Z may be substituted into Z0 in the equation (38), so that α = {A0Q / (K · 3√3)} {Z ** (γ−1) } (γ / a) (1 / VAC 2 ) (44) γ is determined in advance by an experiment. From the above, it is possible to measure Z from A2ω and determine the optimum correction coefficient α from the value by using the equation (44). Therefore, the correction coefficient determining means 56 determines an optimum correction coefficient from the output signal A2ω of the lock-in amplifier 55 using the equation (44), and controls the gain α of the amplifier 53 to the optimum correction coefficient.
【００７８】また、補正係数決定手段５６は、Ｚに対す
る最適な補正係数αが(44)式により定められないときに
は、実験値から求めた具体的な数値を持つ補正テーブル
を用いてロックインアンプ５５の出力信号Ａ2ωから補
正係数を決めてアンプ５３のゲインαをその補正係数に
制御する。以上の動作により、本実施例は、任意のＺに
対して試料１３の表面電位の表面形状測定への干渉をほ
ぼ完全に除去することができるとともに、探針１２の先
端と試料１３の表面との間の距離の制御安定性を保つこ
とができる。When the optimum correction coefficient α for Z is not determined by the equation (44), the correction coefficient determination means 56 uses the correction table having specific numerical values obtained from experimental values to use the lock-in amplifier 55. And the gain α of the amplifier 53 is controlled to the correction coefficient. According to the above operation, the present embodiment can almost completely eliminate the interference of the surface potential of the sample 13 with the surface shape measurement with respect to an arbitrary Z, and can remove the tip of the probe 12 and the surface of the sample 13 from each other. The control stability of the distance between can be maintained.
【００７９】このように、力顕微鏡は、力顕微鏡に
おいて、導電性探針１２に交流電圧を印加することによ
り生ずる第２振動の交流電圧周波数成分の２倍の周波数
の成分の振幅Ａ2ωから補正係数αを定める手段５６を
備えたので、任意の導電性探針１２と測定物１３の表面
との間の距離Ｚに対して測定物１３の表面電位の表面形
状測定への干渉をほぼ完全に除去することができるとと
もに、探針１２の先端と測定物１３の表面との間の距離
の制御の安定性を保ことができる。As described above, in the force microscope, in the force microscope, the correction coefficient is obtained from the amplitude A2ω of a component having a frequency twice as high as the AC voltage frequency component of the second vibration generated by applying the AC voltage to the conductive probe 12. Since the means 56 for determining α is provided, interference with the surface shape measurement of the surface potential of the measurement object 13 is almost completely removed with respect to the distance Z between any conductive probe 12 and the surface of the measurement object 13. And the stability of the control of the distance between the tip of the probe 12 and the surface of the measurement object 13 can be maintained.
【００８０】次に、本発明の実施例の前提となる各力顕
微鏡について説明する。この力顕微鏡は、上記各力
顕微鏡〜において、それぞれカンチレバーを機械的
に加振することにより一次及び高次の共振周波数の何れ
かの共振周波数で共振させてその共振周波数とは異なる
カンチレバーの一次及び高次の共振周波数或いはこれら
共振周波数の２分の１以下の周波数の交流電圧を探針１
２に印加するするようにし、例えば交流電源１５で発生
する交流電圧の周波数ωrをカンチレバー１１の一次共
振周波数に設定し、交流電源１６で発生する交流電圧の
周波数ωをカンチレバー１１の二次共振周波数或いは三
次共振周波数ωr2に設定するようにしたものである。Next, each force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention will be described. In this force microscope, in each of the above-mentioned force microscopes, the cantilever is mechanically vibrated to resonate at any one of the primary and higher-order resonance frequencies, and the primary and cantilever different from the resonance frequency are used. A high-order resonance frequency or an AC voltage having a frequency equal to or less than half of these resonance frequencies is
For example, the frequency ωr of the AC voltage generated by the AC power supply 15 is set to the primary resonance frequency of the cantilever 11, and the frequency ω of the AC voltage generated by the AC power supply 16 is set to the secondary resonance frequency of the cantilever 11. Alternatively, the tertiary resonance frequency ωr2 is set.
【００８１】これにより、これら力顕微鏡では、カン
チレバー１１の交流電圧による静電引力で生ずる振動
は、高次の共振振動を示すから、従来の力顕微鏡のよう
にカンチレバーの非共振振動を用いていた場合よりもは
るかに大きな振幅が得られる。また、ωrとωr2は異な
る周波数であるから、カンチレバー１１の交流電圧によ
る静電引力で生ずる振動と機械的加振による振動とを分
離して検出することができ、試料１３の表面電位と表面
形状とを独立に測定することができる。Thus, in these force microscopes, the vibration generated by the electrostatic attraction due to the AC voltage of the cantilever 11 shows a high-order resonance vibration. Therefore, the non-resonant vibration of the cantilever is used as in the conventional force microscope. A much larger amplitude is obtained than in the case. Further, since ωr and ωr2 have different frequencies, it is possible to separately detect the vibration caused by the electrostatic attraction due to the AC voltage of the cantilever 11 and the vibration caused by the mechanical vibration, and to detect the surface potential and the surface shape of the sample 13. Can be measured independently.
【００８２】このように、これらの力顕微鏡は、力顕
微鏡、またはにおいて、アクチュエータとしての
圧電素子１４により導電性探針１２を機械的に加振する
周波数をバネとしてのカンチレバー１１の一次及び高次
の共振周波数の何れかとし、導電性探針１２に印加する
交流電圧の周波数を導電性探針１２を機械的に加振する
周波数とは異なるバネの一次及び高次の共振周波数或い
はこれら共振周波数の２分の１以下の周波数としたの
で、カンチレバー１１の振動振幅を従来よりもはるかに
大きくすることができて振動信号の処理上有利になると
ともに、カンチレバー１１の交流電圧による静電引力で
生ずる振動と機械的加振による振動とを分離して検出す
ることができ、試料１３の表面電位と表面形状とを独立
に測定することができる。As described above, these force microscopes are different from the force microscope in that the frequency at which the conductive probe 12 is mechanically vibrated by the piezoelectric element 14 as an actuator is determined by the primary and higher order of the cantilever 11 as a spring. , And the frequency of the AC voltage applied to the conductive probe 12 is different from the frequency at which the conductive probe 12 is mechanically vibrated. , The vibration amplitude of the cantilever 11 can be made much larger than in the prior art, which is advantageous in processing vibration signals, and is generated by electrostatic attraction due to the AC voltage of the cantilever 11. Vibration and vibration caused by mechanical excitation can be detected separately, and the surface potential and surface shape of the sample 13 can be measured independently.
【００８３】図４は本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡を示す。この力顕微鏡は、前述した図９に示
す力顕微鏡とは以下の点が異なる。交流電源２９はカン
チレバー２６の一次及び高次の共振周波数又はこの共振
周波数とほぼ等しい周波数の何れかの周波数の第１交流
電圧を発生し、交流電源３０はカンチレバー２６の一次
及び高次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい
周波数の何れかの周波数の２分の１の周波数を持つ第２
交流電圧を発生する。例えば、交流電源２９は交流電圧
Ｖr1sinωr1ｔを発生し、交流電源３０は交流電圧Ｖωr
2sinωr2ｔ／２を発生する。ここに、ωr1はカンチレバ
ー２６の第１共振周波数、ωr2はカンチレバー２６の第
２共振周波数とする。FIG. 4 shows another force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention. This force microscope differs from the force microscope shown in FIG. 9 in the following points. The AC power supply 29 generates a first AC voltage having any of the primary and higher resonance frequencies of the cantilever 26 or a frequency substantially equal to this resonance frequency, and the AC power supply 30 generates the primary and higher resonance frequencies of the cantilever 26. Or a second frequency having half the frequency of any of the frequencies substantially equal to the resonance frequency.
Generates AC voltage. For example, the AC power supply 29 generates an AC voltage Vr1sinωr1t, and the AC power supply 30 generates an AC voltage Vωr
2sinωr2t / 2 is generated. Here, ωr1 is the first resonance frequency of the cantilever 26, and ωr2 is the second resonance frequency of the cantilever 26.
【００８４】ロックインアンプ３７はプリアンプ３６の
出力信号を交流電源２９からの参照信号Ｖr1sinωr1ｔ
により位相検波して増幅することによりカンチレバー２
６の振動のωr1成分の振幅を分離増幅し、ロックインア
ンプ３８はプリアンプ３６の出力信号を交流電源３０か
らの参照信号Ｖr2sinωr2ｔ／２により位相検波して増
幅することによりカンチレバー２６の振動のωr2成分の
振幅を分離増幅する。The lock-in amplifier 37 converts the output signal of the preamplifier 36 into a reference signal Vr1sinωr1t from the AC power supply 29.
Cantilever 2 by phase detection and amplification
6, the amplitude of the ωr1 component of the vibration of 6 is separated and amplified, and the lock-in amplifier 38 performs phase detection on the output signal of the preamplifier 36 by the reference signal Vr2sinωr2t / 2 from the AC power supply 30 and amplifies it, thereby obtaining the ωr2 component of the vibration of the cantilever 26. Are separated and amplified.
【００８５】本力顕微鏡において、探針２７の先端と
試料２８の表面との間の電位差Ｖは Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋Ｖr1sinωr1ｔ＋Ｖr2sinωr2ｔ／２・・・(45) となる。したがって、Ｆesは次の(9)式より Ｆes＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs＋Ｖr1sinωr1ｔ＋Ｖr2sinωr2ｔ／ ２)２ ＝−(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖb−Ｖs)２＋Ｖr1２／２＋Ｖr2２／２｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖr2２／２)sin(ωr2ｔ−π／２)＋２(Ｖb −Ｖs)Ｖr1sinωr1ｔ｝ −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛(Ｖr1２／２)sin(ωr1ｔ−π／２) −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)[２(Ｖb−Ｖs)Ｖr2sinωr2ｔ／２＋Ｖr1Ｖr2 sin{(ωr1−ωr2／２)ｔ＋π／２}] −(１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)｛Ｖr1Ｖr2sin(ωr1＋ωr2／２)ｔ＋π／２)｝ ・・・(46) となる。In this force microscope, the potential difference V between the tip of the probe 27 and the surface of the sample 28 is as follows: V = Vb−Vs + Vr1sinωr1t + Vr2sinωr2t / 2 (45) Therefore, Fes is obtained from the following equation (9): Fes = − (1/2) (∂C / ∂Z) (Vb−Vs + Vr1sinωr1t + Vr2sinωr2t / 2) 2 = − (1/2) (∂C / ∂Z) ｛( Vb-Vs) 2 + Vr1 2 /2 + Vr2 2/2} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(Vr2 2/2) sin (ωr2t-π / 2) +2 (Vb -Vs) Vr1sinωr1t} - (1/2) (∂C / ∂Z) {(Vr1 2/2) sin (ωr1t-π / 2) - (1/2) (∂C / ∂Z) [2 (Vb-Vs) Vr2sinωr2t / 2 + Vr1Vr2 sin {(ωr1−ωr2 / 2) t + π / 2}] − (1/2) ({C / ΔZ) {Vr1Vr2sin (ωr1 + ωr2 / 2) t + π / 2)} (46)
【００８６】ωr1はカンチレバー２６の第１共振周波
数、ωr2はカンチレバー２６の第２共振周波数であるか
ら、カンチレバー２６は次の(47)式で表わされるＦesの
ωr1、ωr2成分Ｆesωrにより共振する。 Ｆesωr＝−(∂Ｃ／∂Ｚ){(Ｖb−Ｖs)Ｖr1sinωr1ｔ＋(１／４)Ｖr2２sin(ωr 2ｔ−π／２)・・・(47) したがって、Ｆesωrによって生ずるカンチレバー２６
の振動を示すプリアンプ３６の出力ｖは次の(48)式で表
わされる。Since ωr1 is the first resonance frequency of the cantilever 26 and ωr2 is the second resonance frequency of the cantilever 26, the cantilever 26 resonates with the ωr1 and ωr2 components Fesωr of Fes expressed by the following equation (47). Fesωr = − (∂C / ∂Z) {(Vb−Vs) Vr1sinωr1t + (1/4) Vr2 2 sin (ωr2t−π / 2) (47) Therefore, the cantilever 26 generated by Fesωr
The output v of the preamplifier 36 showing the vibration of the above is expressed by the following equation (48).
【００８７】 ｖ＝−ａ(∂Ｃ／∂Ｚ){(Ｖb−Ｖs)Ｖr1sin(ωr1ｔ＋φr1)＋(１/４)Ｖr2２sin (ωr2ｔ−π／２＋φr2)・・・(48) ロックインアンプ３７、３８は入力信号の参照信号周波
数と同じ周波数成分のみを増幅する狭帯域アンプと考え
られる。したがって、２位相式のロックインアンプ３８
によりωr2の参照信号でｖを増幅することにより、(48)
式のωr2成分のみをその位相ωr2に無関係に得ることが
できる。V = −a (∂C / ∂Z) {(Vb−Vs) Vr1sin (ωr1t + φr1) + (1/4) Vr2 2 sin (ωr2t−π / 2 + φr2) (48) Lock-in amplifier 37 , 38 are considered to be narrow-band amplifiers that amplify only the same frequency components as the reference signal frequency of the input signal. Therefore, the two-phase lock-in amplifier 38
By amplifying v with the reference signal of ωr2, (48)
Only the ωr2 component of the equation can be obtained independent of its phase ωr2.
【００８８】このロックインアンプ３８の出力信号Ｖ２
は次の(49)式のようになる。 Ｖ２＝−(１／４)Ａ２(∂Ｃ／∂Ｚ)Ｖr2２・・・(49) すなわち、周囲の気温や湿度、気圧などの影響によりω
r1、ωr2がずれ、φr1、φr2が変動しても試料２８の表
面電位が試料２８の表面形状測定結果に混入・干渉する
ことはない。The output signal V2 of the lock-in amplifier 38
Is as shown in the following equation (49). V2 = − (1/4) A2 (∂C / ∂Z) Vr2 2 (49) That is, ω is affected by the influence of ambient temperature, humidity, pressure and the like.
Even if r1 and ωr2 are shifted and φr1 and φr2 fluctuate, the surface potential of the sample 28 does not mix or interfere with the surface shape measurement result of the sample 28.
【００８９】一方、ロックインアンプ３７によりωr1の
参照信号でｖを増幅することにより、(48)式のωr1成分
のみを増幅することができる。この時、ロックインアン
プ３７において、位相θでｖを位相検波増幅すれば、ロ
ックインアンプ３７の出力信号Ｖ１は次の(49)式のよう
になる。 Ｖ１＝−(Ａ１／２)(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1{cos(−θ＋φr1)−cos(−θ ＋φr1＋π)・・・(50) (50)式にはφr2が含まれていないので、試料２８の表面
電位測定結果はφr2の変動による影響を受けない。θ＝
φr1とすると、Ｖ１は、 Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1・・・(51) となり、最大値を示す。On the other hand, by amplifying v with the reference signal of ωr1 by the lock-in amplifier 37, only the ωr1 component of the equation (48) can be amplified. At this time, if the lock-in amplifier 37 performs phase detection amplification of v with the phase θ, the output signal V1 of the lock-in amplifier 37 becomes as in the following equation (49). V1 = − (A1 / 2) (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) Vr1 {cos (−θ + φr1) −cos (−θ + φr1 + π) (50) Expression (50) includes φr2. Therefore, the measurement result of the surface potential of the sample 28 is not affected by the fluctuation of φr2. θ =
Assuming that φr1, V1 is as follows: V1 = −A1 (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) Vr1 (51), indicating the maximum value.
【００９０】ここで、周囲の気温や湿度、気圧などの影
響によりωr1がずれ、φr1が(φr1＋Δφr1)に変動した
とする。また、θはφr1のままであったとすると、この
時のＶ１は Ｖ１＝−Ａ１(∂Ｃ／∂Ｚ)(Ｖb−Ｖs)Ｖr1cosΔφr1・・・(52) となる。(52)式からφr1の変動により、Ｖ１は最大値か
ら小さくなるが、試料２８の表面形状が試料２８の表面
電位測定結果に混入・干渉することはない。以上のよう
に、力顕微鏡においては、従来技術のように、カンチ
レバーの共振周波数が周囲の気温や湿度、気圧などの影
響によりわずかに変動することで、試料の表面電位と表
面形状の測定結果が互いに干渉して無視できない誤差と
なって現われてくるようなことが無い。すなわち、カン
チレバーの共振周波数の変動に無関係に安定して試料の
表面電位と表面形状を測定することができる。Here, it is assumed that ωr1 shifts due to the influence of ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, and φr1 changes to (φr1 + Δφr1). If θ remains φr1, V1 at this time becomes V1 = −A1 (ΔC / ΔZ) (Vb−Vs) Vr1cosΔφr1 (52) From equation (52), V1 becomes smaller than the maximum value due to the variation of φr1, but the surface shape of the sample 28 does not mix with or interfere with the surface potential measurement result of the sample 28. As described above, in the force microscope, the resonance frequency of the cantilever slightly fluctuates due to the influence of ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, as in the conventional technology, and the measurement results of the surface potential and surface shape of the sample are reduced. There is no such thing as interference that cannot be ignored and appears as a non-negligible error. That is, the surface potential and the surface shape of the sample can be stably measured irrespective of the fluctuation of the resonance frequency of the cantilever.
【００９１】このように、力顕微鏡は、測定物２８に
対向配置される導電性探針２７を先端部に設けたバネと
しての導電性カンチレバー２６を、測定物２８とバネ２
６との間に作用する静電引力により変形させ、バネ２６
の変形により測定物２８とバネ２６との間に作用する静
電引力を検出して測定物２８の電位と形状の何れか一方
或いは両方を測定するようにした表面電位計及び形状測
定器としての力顕微鏡において、バネ２６の一次及び高
次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周波数
の何れかの周波数の第１交流電圧と、バネ２６の一次及
び高次の共振周波数又はこの共振周波数とほぼ等しい周
波数の何れかの周波数の２分の１の周波数を持つ第２交
流電圧とを重畳させた電圧を導電性探針２７に印加する
電圧印加手段としての交流電源２９、３０と、第１交流
電圧による導電性探針２７と測定物２８との間の静電引
力により生ずるバネ２６の第１振動の振幅から測定物２
８の電位を測定する表面電位測定手段としてのロックイ
ンアンプ３７と、第２交流電圧による導電性探針２７と
測定物２８との間の静電引力により生ずるバネ２６の第
２振動の振幅から測定物の形状を測定する形状測定手段
としてのロックインアンプ３８とを備えたので、バネ２
６の共振周波数の変動に無関係に安定して試料の表面電
位と表面形状を測定することができる。As described above, the force microscope uses the conductive cantilever 26 as a spring provided with the conductive probe 27 disposed at the tip end facing the measured object 28 as a spring.
6 is deformed by electrostatic attraction acting between the
As a surface voltmeter and a shape measuring device which detect an electrostatic attractive force acting between the object to be measured 28 and the spring 26 due to deformation of the object and measure one or both of the potential and the shape of the object to be measured 28 In the force microscope, the first AC voltage having any one of the primary and high-order resonance frequencies of the spring 26 or a frequency substantially equal to the resonance frequency, and the primary and high-order resonance frequencies of the spring 26 or substantially equal to the resonance frequency. AC power supplies 29 and 30 as voltage applying means for applying to the conductive probe 27 a voltage obtained by superimposing a voltage obtained by superimposing a second AC voltage having a half of one of the same frequencies on the first AC voltage; From the amplitude of the first vibration of the spring 26 caused by the electrostatic attraction between the conductive probe 27 and the object 28 due to the voltage, the object 2
8 from the amplitude of the second vibration of the spring 26 generated by the electrostatic attraction between the conductive probe 27 and the measuring object 28 by the second AC voltage. Since the lock-in amplifier 38 as a shape measuring means for measuring the shape of the measured object is provided, the spring 2
6, the surface potential and the surface shape of the sample can be measured stably irrespective of the fluctuation of the resonance frequency.
【００９２】また、力顕微鏡は、電圧印加手段として
の交流電源２９、３０、加算器３１が導電性探針２７に
第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧とを重畳した電
圧を印加し、かつ、第１交流電圧による導電性探針２７
と測定物２８との間の静電引力により生ずるバネ２６の
第１振動の振幅が零(もしくは一定値)になるように上記
直流電圧を可変する電位制御手段としての積分器３９を
含む帰還回路と、直流電圧を測定する電位測定手段とし
てのロックインアンプ３７と、測定物２８と導電性探針
２６との間の距離を可変するアクチュエータとしてのＺ
軸アクチュエータ４３を有し第２交流電圧による導電性
探針２７と測定物２８との間の静電引力により生ずるバ
ネ２６の第２振動の振幅が一定値になるようにアクチュ
エータ４３を制御して測定物２８と導電性探針２７との
間の距離を制御する距離制御手段としての帰還回路と、
アクチュエータ４３の変位量を測定する変位量測定手段
としてのロックインアンプ３８とを備えたので、バネ２
６の共振周波数の変動に無関係に安定して試料の表面電
位と表面形状を測定することができる。In the force microscope, AC power supplies 29 and 30 as voltage applying means and an adder 31 apply a voltage obtained by superimposing a first AC voltage, a second AC voltage and a DC voltage to the conductive probe 27. And the conductive probe 27 by the first AC voltage
Feedback circuit including an integrator 39 as potential control means for varying the DC voltage so that the amplitude of the first vibration of the spring 26 generated by the electrostatic attraction between the object and the object 28 becomes zero (or a constant value). A lock-in amplifier 37 as a potential measuring means for measuring a DC voltage; and a Z as an actuator for varying the distance between the object 28 and the conductive probe 26.
The actuator 43 is controlled such that the amplitude of the second vibration of the spring 26 generated by the electrostatic attraction between the conductive probe 27 and the measurement object 28 by the second AC voltage has a constant value. A feedback circuit as distance control means for controlling the distance between the measurement object 28 and the conductive probe 27;
Since the lock-in amplifier 38 is provided as displacement measuring means for measuring the displacement of the actuator 43, the spring 2
6, the surface potential and the surface shape of the sample can be measured stably irrespective of the fluctuation of the resonance frequency.
【００９３】また、本発明の実施例の前提となる力顕微
鏡は、上記力顕微鏡において、導電性探針２７に印
加すべき電圧を導電性探針２７に印加せずに測定物２８
の導電性基板３３に印加し、導電性探針２７の電位を基
準電位としたものであり、力顕微鏡と同様な効果が得
られる。また、本発明の実施例の前提となる他の力顕微
鏡は、上記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜におい
て、それぞれ導電性探針１２に印加すべき電圧を導電性
探針１２に印加せずに測定物１３の導電性基板１８に印
加し、導電性探針１２の電位を基準電位としたものであ
り、上記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜と同様な効
果が得られる。The force microscope which is the premise of the embodiment of the present invention is the same as the above-mentioned force microscope, except that the voltage to be applied to the conductive probe 27 is not applied to the conductive probe 27 but the object to be measured 28
Is applied to the conductive substrate 33, and the potential of the conductive probe 27 is set as the reference potential, and the same effect as that of the force microscope can be obtained. Another force microscope that is a premise of the embodiment of the present invention is that each of the force microscopes other than the force microscope described above does not apply a voltage to be applied to the conductive probe 12 to the conductive probe 12 without applying the voltage to the conductive probe 12. The potential is applied to the conductive substrate 18 of the measurement object 13 and the potential of the conductive probe 12 is set as a reference potential, and the same effects as those of the force microscopes other than the above-mentioned force microscope can be obtained.
【００９４】また、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡は、上記力顕微鏡において、交流電源２９、
３０を含む電圧印加手段により、上記第１交流電圧と上
記第２交流電圧と直流電圧の内のいずれか２つを導電性
探針２７に印加し、残りの１つを測定物２８に印加する
ようにしたものであり、第４実施例と同様な効果が得ら
れる。また、本発明の実施例の前提となる他の各力顕微
鏡は、上記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜、、
において、それぞれ電圧印加手段としての交流電源２
９、３０及び直流電源１７により、交流電圧と直流電圧
の内のいずれか１つを導電性探針２７に印加し、残りの
１つを測定物２８に印加するようにしたものであり、上
記力顕微鏡以外の各力顕微鏡〜、、と同様な
効果が得られる。なお、これらの力顕微鏡では、測定物
の導電性基板は接地しない。Further, another force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention is the above-mentioned force microscope, in which an AC power supply 29,
The voltage applying means including 30 applies any two of the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage to the conductive probe 27 and applies the remaining one to the measurement object 28. Thus, the same effect as that of the fourth embodiment can be obtained. Further, other force microscopes as a premise of the embodiment of the present invention, each force microscope other than the above force microscope ~ ,,
, An AC power supply 2 as a voltage applying means.
9, 30 and the DC power supply 17, one of the AC voltage and the DC voltage is applied to the conductive probe 27, and the other is applied to the measurement object 28. The same effects as those of the force microscopes other than the force microscope can be obtained. In these force microscopes, the conductive substrate of the object to be measured is not grounded.
【００９５】また、本発明の実施例の前提となる他の力
顕微鏡10は、上記力顕微鏡において、交流電源２９、
３０を含む電圧印加手段により、上記第１交流電圧と上
記第２交流電圧と上記直流電圧の内のいずれか２つをカ
ンチレバー２６に印加せずに測定物２８の導電性基板３
３に印加し、残りの１つを導電性探針２７に印加するよ
うにしたものであり、力顕微鏡と同様な効果が得られ
る。Further, another force microscope 10 which is a premise of the embodiment of the present invention is different from the above-mentioned force microscope in that an AC power supply 29,
The voltage applying means including the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage are not applied to the cantilever 26 without applying any two of the first AC voltage, the second AC voltage, and the DC voltage.
3 and the remaining one is applied to the conductive probe 27, and the same effect as in the force microscope can be obtained.
【００９６】次に、請求項１記載の発明の実施例につい
て図５を用いて説明する。力顕微鏡において、光てこ法
は、光源から照射されてカンチレバーの表面で反射され
た光スポット位置の動きを光位置検出器や２分割フォト
ダイオードからなる受光素子により測定することでカン
チレバーの曲がり（動き）を検出する。ここに、図５
（ａ）に示すようにカンチレバー５７の長さを１とす
る。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the force microscope, the optical lever method is a method of measuring the movement of the position of a light spot irradiated from a light source and reflected on the surface of the cantilever using a light position detector or a light-receiving element including a two-part photodiode to bend the cantilever. ) Is detected. Here, FIG.
The length of the cantilever 57 is set to 1 as shown in FIG.
【００９７】この光てこ法は、カンチレバー５７の静止
状態の位置（図５のｉの位置）からの変位を捉えている
のではなく、カンチレバー５７の変形に伴うカンチレバ
ー５７の傾斜角（表面接線のｉに対する角度）を測定し
ている。従って、この傾斜角が最も大きい所に光源から
の光スポットを当てれば、その光スポットの位置の動き
が大きくなり、大きな感度を得ることができる。カンチ
レバー５７の一次共振を利用した場合は、図５（ａ）に
示すようにカンチレバー５７の先端がｉからの変位及び
傾斜角の両方について最大であるので、光源からの光ス
ポツトをカンチレバー５７の先端に照射すれば最大の感
度が得られる。This optical lever method does not capture the displacement of the cantilever 57 from the position in the stationary state (position i in FIG. 5), but the inclination angle of the cantilever 57 due to the deformation of the cantilever 57 (the tangent of the surface tangent). (angle with respect to i). Therefore, if a light spot from the light source is applied to a place where the inclination angle is the largest, the movement of the position of the light spot becomes large, and a large sensitivity can be obtained. When the primary resonance of the cantilever 57 is used, as shown in FIG. 5 (a), the tip of the cantilever 57 is maximum in both the displacement from i and the inclination angle. Irradiation at the maximum sensitivity can be obtained.
【００９８】しかし、高次共振を利用する場合は、光源
からの光スポツトをカンチレバー５７の先端に照射して
も最大の感度は得られない。カンチレバー５７の二次共
振を利用する場合は、図５（ｃ）のａにおいてカンチレ
バー５７の傾斜は最大となる。従って、ここに光源から
の光スポツトを照射することにより最大の感度を得るこ
とができる。However, when high-order resonance is used, the maximum sensitivity cannot be obtained even if the light spot from the light source is irradiated on the tip of the cantilever 57. When the secondary resonance of the cantilever 57 is used, the inclination of the cantilever 57 becomes maximum in FIG. 5C. Therefore, the maximum sensitivity can be obtained by irradiating the light spot from the light source here.
【００９９】また、カンチレバー５７の三次共振を利用
する場合は、図５（ｄ）のｂ、ｃにおいてカンチレバー
５７の傾斜は最大となるから、ここに光源からの光スポ
ツトを照射することにより最大の感度を得ることができ
る。一般に、図５のａ、ｂ、ｃの点はカンチレバー５７
の節という。このように、高次共振状態のカンチレバー
５７の節に光源からの光スポツトを照射することにより
最大の感度を得ることができる。When the tertiary resonance of the cantilever 57 is used, the inclination of the cantilever 57 becomes maximum in FIGS. 5 (b) and 5 (c). Sensitivity can be obtained. Generally, points a, b, and c in FIG.
Is called a section. As described above, the maximum sensitivity can be obtained by irradiating the node of the cantilever 57 in the higher-order resonance state with the light spot from the light source.
【０１００】そこで、請求項１記載の発明の各実施例
は、上記各力顕微鏡〜10において、それぞれカンチレ
バー１１、２６が高次共振する時の節に光源１９、３４
からの光スポツトを照射して光てこ法でカンチレバーの
振動を検出するようにしたものであり、最大の感度を得
ることができてカンチレバーの複数の振動の信号の振幅
をカンチレバーの最適な加振条件を変えることなく最大
にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させること
ができて信号処理上有利になる。Therefore, in each of the embodiments of the present invention, in each of the above-mentioned force microscopes 10, the light sources 19 and 34 are added at the nodes when the cantilevers 11 and 26 resonate at a higher order.
It is designed to detect the vibration of the cantilever by the optical lever method by irradiating the light spot from the cantilever, so that the maximum sensitivity can be obtained and the amplitude of the signal of the multiple vibrations of the cantilever is optimized for the vibration of the cantilever This can be maximized without changing the conditions, and the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１０１】次に、請求項２記載の発明の実施例につい
て図５を用いて説明する。請求項２記載の発明は、力顕
微鏡において、試料の状態を測定するための最適な状態
で２つ以上の周波数でカンチレバーを振動させる場合に
適用される。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共
振を生じさせて測定を行う場合を考える。前述のように
カンチレバーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅
（信号の大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、
それぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、こ
れを実現するためにカンチレバーの加振条件を変えるこ
とは放電等の問題で安易に行えない。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The invention according to claim 2 is applied to a case where a cantilever is vibrated at two or more frequencies in an optimal state for measuring a state of a sample in a force microscope. For example, consider a case where measurement is performed by causing primary resonance and secondary resonance in a cantilever. Among the signals obtained by capturing the vibration of the cantilever as described above, the one where the amplitude of the primary resonance (the magnitude of the signal) and the amplitude of the secondary resonance are almost equal,
There is no disadvantage in terms of the respective S / N ratios. However, it is not easy to change the vibration condition of the cantilever to realize this, due to a problem such as electric discharge.
【０１０２】そこで、請求項２記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記力顕微鏡〜10、請求項１記載の発明の実施例におい
て、所望のカンチレバー加振条件で一次共振によるカン
チレバーの傾斜と二次共振によるンチレバーの傾斜とが
ほぼ等しくなる位置に光源からの光スポツトを照射し、
カンチレバーの振動を光てこ法で測定するようにしたも
のである。これにより、カンチレバーの振動信号におけ
る一次共振と二次共振の振幅（信号の大きさ）をほぼ等
しくすることができる。このため、最適なカンチレバー
加振条件のままで、カンチレバーの一次共振と二次共振
の振動信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならない
ように分離することができる。Therefore, one embodiment of the present invention according to claim 2 is the above-mentioned force microscope in which the cantilever is vibrated by primary resonance and secondary resonance, and in the embodiment of the invention according to claim 1, a desired cantilever vibration is provided. Irradiate the light spot from the light source to a position where the inclination of the cantilever due to the primary resonance and the inclination of the cantilever due to the secondary resonance are almost equal under the conditions,
The vibration of the cantilever is measured by the optical lever method. Thus, the amplitude (signal magnitude) of the primary resonance and the secondary resonance in the vibration signal of the cantilever can be made substantially equal. For this reason, it is possible to separate the vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the cantilever so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the optimum cantilever vibration condition.
【０１０３】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１２記載の発明を
適用することができる。In this embodiment, the vibration generated in the cantilever is set to the primary resonance and the secondary resonance. However, the vibration of the cantilever may be any combination of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance. However, the present invention is not limited to the primary resonance and the secondary resonance. The number of vibration states generated in the cantilever (for example, if primary resonance, secondary resonance, and non-resonance vibrations are generated, the number of vibration states is three) is two.
The present invention is not limited to this, and the invention described in claim 12 can be applied to the case where the number of vibration states generated in the cantilever is three or more.
【０１０４】したがって、請求項２記載の発明の各実施
例は、試料に対向配置される探針を先端部に設けた板バ
ネとしてのカンチレバーを該カンチレバーの非共振周波
数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何れか
で、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、上記
探針に働く力により上記複数の振動の状態が各々変化す
ることを光てこ法により検出することで探針に働く力を
検出し、これにより試料の状態を観察する上記各実施例
等の力顕微鏡において、カンチレバーの複数の振動によ
る各曲がり角が等しくなるカンチレバー上の位置に光て
こ法で光源からの光を照射してカンチレバーの振動を検
出するようにしており、最適なカンチレバー加振条件の
ままで、カンチレバーの複数の振動の信号をそれぞれの
Ｓ／Ｎ比の点で不利にならないように分離することがで
きる。Therefore, in each of the embodiments of the present invention, the cantilever as a leaf spring having the probe disposed at the distal end thereof opposed to the sample is provided with a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order cantilever. Vibration at any one of the resonance frequencies, and at a plurality of different frequencies, the force acting on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe by the optical lever method In the force microscope of each of the above-described embodiments and the like for observing the state of the sample by irradiating light from the light source by a light lever method to a position on the cantilever where each bending angle by a plurality of vibrations of the cantilever becomes equal. The vibration of the cantilever is detected, and signals of a plurality of vibrations of the cantilever are not detected in terms of the S / N ratio under the optimum cantilever vibration condition. It can be separated so as not to.
【０１０５】次に、請求項３記載の発明の実施例につい
て図６を用いて説明する。光干渉法及びトンネル電流を
検出するトンネル電流法では、力顕微鏡において、カン
チレバーの静止状態の位置（図６のｉの位置）からの変
位を捉えている。従って、この変位が最も大きい所に光
源からの光スポツトを照射し、或いはトンネル電流を検
出するための電極を設ければ、大きな感度を得ることが
できる。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the optical interferometry and the tunneling current method for detecting a tunneling current, a force microscope captures a displacement of the cantilever from a stationary position (position i in FIG. 6). Therefore, a large sensitivity can be obtained by irradiating a light spot from the light source to the place where the displacement is greatest, or by providing an electrode for detecting a tunnel current.
【０１０６】カンチレバーの一次共振を利用した場合
は、図６（ａ）に示すようにカンチレバー５８の先端が
ｉからの変位が最大であるので、変位検出手段によりカ
ンチレバー５８の先端の変位を検出すれば最大の感度が
得られる。しかし、高次共振を利用する場合は、変位検
出手段による変位検出位置をカンチレバー５８の先端に
しても最大の感度は得られない。カンチレバー５８の二
次共振を利用する場合は、図６（ｃ）のｄにおいてカン
チレバー５８の変位は最大となる。従って、ここの変位
を変位検出手段で検出することにより最大の感度を得る
ことができる。When the primary resonance of the cantilever is used, the displacement of the tip of the cantilever 58 is detected by the displacement detecting means because the tip of the cantilever 58 has the largest displacement from i as shown in FIG. Maximum sensitivity. However, when using higher-order resonance, the maximum sensitivity cannot be obtained even if the displacement detection position by the displacement detection means is set at the tip of the cantilever 58. When the secondary resonance of the cantilever 58 is used, the displacement of the cantilever 58 becomes maximum at d in FIG. 6C. Therefore, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the displacement here by the displacement detecting means.
【０１０７】また、カンチレバー５８の三次共振を利用
する場合は、図６（ｄ）のｅ、ｆにおいてカンチレバー
５８の変位は最大となるから、ここの変位を変位検出手
段で検出することにより最大の感度を得ることができ
る。一般に、図６のｄ、ｅ、ｆの点はカンチレバー５８
の腹という。このように、高次共振状態のカンチレバー
５８の腹の変位を変位検出手段で検出することにより最
大の感度を得ることができる。そこで、請求項３記載の
発明の各実施例は、上記力顕微鏡〜10、及び各実施例
において、それぞれカンチレバー１１、２６が高次共振
する時の腹の位置の変位を光干渉法やトンネル電流法に
より変位検出手段で検出するようにしたものであり、最
大の感度を得ることができる。When the tertiary resonance of the cantilever 58 is used, the displacement of the cantilever 58 is maximized at e and f in FIG. 6D, so that the displacement is detected by the displacement detecting means. Sensitivity can be obtained. Generally, the points d, e, and f in FIG.
It is called belly. As described above, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the displacement of the antinode of the cantilever 58 in the higher-order resonance state by the displacement detecting means. Therefore, in each embodiment of the invention according to claim 3, the displacement of the antinode position when the cantilevers 11 and 26 resonate higher-order in each of the force microscopes to 10 and each embodiment is determined by an optical interference method or a tunnel current. In this method, the displacement is detected by the displacement detecting means, and the maximum sensitivity can be obtained.
【０１０８】このように、請求項３記載の発明の実施例
は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２７
を先端部に設けた板バネを該板バネとしてのカンチレバ
ー１１，２６の高次共振周波数により振動させ、この板
バネ１１，２６の振動状態における変位を測定するため
の振動変位測定手段により板バネ１１，２６の振動状態
を検出し、探針１２，２７に働く力による振動状態の変
化から探針１２，２７に働く力を検出し、これにより測
定物１３，２８の状態を観察する力顕微鏡において、板
バネ１１，２６が高次共振する時の腹を振動変位測定手
段の測定点としたので、カンチレバーの複数の振動の信
号の振幅をカンチレバーの最適な加振条件を変えること
なく最大にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上さ
せることができて信号処理上有利になる。As described above, according to the embodiment of the third aspect of the present invention, the probes 12 and 27 arranged to face the measurement objects 13 and 28, respectively.
Is vibrated by the higher-order resonance frequency of the cantilever 11, 26 as the leaf spring, and the leaf spring is measured by vibration displacement measuring means for measuring the displacement of the leaf spring 11, 26 in the vibration state. A force microscope for detecting the vibration states of the probes 11 and 26 and detecting the forces acting on the probes 12 and 27 from changes in the vibration states due to the forces acting on the probes 12 and 27, thereby observing the states of the objects 13 and 28. In the above, since the antinode when the leaf springs 11 and 26 resonate at a higher order is used as the measurement point of the vibration displacement measuring means, the amplitude of a plurality of vibration signals of the cantilever can be maximized without changing the optimum excitation condition of the cantilever. And the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１０９】次に、請求項４記載の発明の実施例につい
て説明する。請求項４記載の発明は、力顕微鏡におい
て、試料の状態を測定するための最適な条件で２つ以上
の周波数でカンチレバーを振動させる場合に適用され
る。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共振を生じ
させて測定を行う場合を考える。前述のようにカンチレ
バーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅（信号の
大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、それぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、これを実現
するためにカンチレバーの加振条件を変えることは放電
等の問題で安易に行えない。Next, an embodiment of the present invention will be described. The invention according to claim 4 is applied to a case where a cantilever is vibrated at two or more frequencies under optimal conditions for measuring a state of a sample in a force microscope. For example, consider a case where measurement is performed by causing primary resonance and secondary resonance in a cantilever. As described above, among the signals obtained by capturing the vibration of the cantilever, the one in which the amplitude of the primary resonance (the magnitude of the signal) is substantially equal to the amplitude of the secondary resonance is not disadvantageous in terms of the respective S / N ratios. However, it is not easy to change the vibration condition of the cantilever to realize this, due to a problem such as electric discharge.
【０１１０】そこで、請求項４記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記力顕微鏡〜10、各実施例において、所望のカンチレ
バー加振条件で一次共振によるカンチレバーの静止状態
の位置（図６のｉの位置）と二次共振によるカンチレバ
ーの静止状態の位置とがほぼ等しくなる位置に光源から
の光スポツトを照射し、或いはトンネル電流を検出する
ための電極を設け、カンチレバーの振動振幅を測定する
ようにしたものである。これにより、カンチレバーの振
動信号における一次共振と二次共振の振幅（信号の大き
さ）をほぼ等しくすることができる。このため、最適な
カンチレバー加振条件のままで、カンチレバーの一次共
振と二次共振の振動信号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不
利にならないように分離することができる。Therefore, one embodiment of the present invention according to claim 4 is the above-mentioned force microscope in which the cantilever is vibrated by primary resonance and secondary resonance. In each of the embodiments, the cantilever by primary resonance under a desired cantilever vibration condition is used. An electrode for irradiating a light spot from a light source to a position where the position of the cantilever due to the secondary resonance is substantially equal to the position of the cantilever due to the secondary resonance (position i in FIG. 6), or the electrode for detecting the tunnel current. In this case, the vibration amplitude of the cantilever is measured. Thus, the amplitude (signal magnitude) of the primary resonance and the secondary resonance in the vibration signal of the cantilever can be made substantially equal. For this reason, it is possible to separate the vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the cantilever so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the optimum cantilever vibration condition.
【０１１１】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項１４記載の発明を
適用することができる。In this embodiment, the vibrations generated in the cantilever are primary resonance and secondary resonance. However, the vibration of the cantilever may be any combination of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance, and vibrations having different frequencies. However, the present invention is not limited to the primary resonance and the secondary resonance. The number of vibration states generated in the cantilever (for example, if primary resonance, secondary resonance, and non-resonance vibrations are generated, the number of vibration states is three) is two.
The present invention is not limited to this, and the invention described in claim 14 can be applied to the case where the number of vibration states generated in the cantilever is three or more.
【０１１２】したがって、請求項４記載の発明の各実施
例は、測定物に対向配置される探針を先端部に設けた板
バネとしてのカンチレバーを該板バネの非共振周波数或
いは一次共振周波数或いは高次共振周波数の何れかで、
かつ、互いに異なる複数の周波数で振動させ、探針に働
く力により前記複数の振動の状態が各々変化することを
光干渉法やトンネル電流法により振動変位測定手段によ
り検出することにより探針に働く力を検出し、これによ
り測定物の状態を観察する上記力顕微鏡〜10、各実施
例等の力顕微鏡において、板バネの複数の振動の各振幅
が等しくなる板バネ上の位置を上振動変位測定手段の測
定点としており、最適なカンチレバー加振条件のまま
で、カンチレバーの複数の振動の信号をそれぞれのＳ／
Ｎ比の点で不利にならないように分離することができ
る。Therefore, in each of the embodiments of the present invention, the cantilever as a leaf spring having a probe provided at the tip end thereof opposed to the object to be measured is provided with a non-resonant frequency or a primary resonance frequency of the leaf spring. At any of the higher resonance frequencies,
Further, the probe is vibrated at a plurality of different frequencies from each other, and acts on the probe by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by a force acting on the probe by a vibration displacement measuring means by an optical interference method or a tunnel current method. In the force microscopes to detect the force and thereby observe the state of the object to be measured, in the force microscopes of Examples 10 to 10, the positions on the leaf spring where the respective amplitudes of the plurality of vibrations of the leaf spring are equal are determined by the upward vibration displacement. It is a measuring point of the measuring means, and signals of a plurality of vibrations of the cantilever are converted into S / S signals under the optimum cantilever vibration conditions.
It can be separated so as not to be disadvantageous in terms of N ratio.
【０１１３】次に、請求項５記載の発明の実施例につい
て図６を用いて明する。ヘテロダイン光干渉法では、力
顕微鏡において、カンチレバーの表面の速度を速度検出
手段により測定する。従って、この速度が最も大きい所
に光源からの光スポツトを照射すれば、大きな感度を得
ることができる。カンチレバーの一次共振を利用した場
合は、カンチレバー５８の先端において速度が最大であ
るので、速度検出手段によりカンチレバー５８の先端の
速度を検出すれば最大の感度が得られる。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the heterodyne optical interferometry, the speed of the surface of the cantilever is measured by a speed detecting means in a force microscope. Therefore, by irradiating a light spot from the light source to a place where the speed is the highest, a large sensitivity can be obtained. When the primary resonance of the cantilever is used, the speed is maximum at the tip of the cantilever 58. Therefore, if the speed of the tip of the cantilever 58 is detected by the speed detecting means, the maximum sensitivity can be obtained.
【０１１４】しかし、高次共振を利用する場合は、カン
チレバー５８の先端の速度を検出しても最大の感度は得
られない。カンチレバー５８の二次共振を利用する場合
は、図６（ｃ）のｄにおいてカンチレバー５８の速度は
最大となる。従って、ここの速度を速度検出手段で検出
することにより最大の感度を得ることができる。また、
カンチレバー５８の三次共振を利用する場合は、図６
（ｄ）のｅ、ｆにおいてカンチレバー５８の速度は最大
となるから、ここの速度を速度検出手段で検出すること
により最大の感度を得ることができる。However, when high-order resonance is used, the maximum sensitivity cannot be obtained even if the speed of the tip of the cantilever 58 is detected. When the secondary resonance of the cantilever 58 is used, the speed of the cantilever 58 becomes maximum in d of FIG. 6C. Therefore, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the speed here by the speed detecting means. Also,
In the case where the tertiary resonance of the cantilever 58 is used, FIG.
Since the speed of the cantilever 58 becomes the maximum in (e) and (f) of FIG.
【０１１５】一般に、図６のｄ、ｅ、ｆの点はカンチレ
バー５８の腹という。このように、高次共振状態のカン
チレバー５８の腹の速度を速度検出手段で検出すること
により最大の感度を得ることができる。そこで、請求項
１５記載の発明の各実施例は、上記力顕微鏡〜10、各
実施例において、それぞれカンチレバー１１、２６が高
次共振する時の腹の位置の速度をヘテロダイン光干渉法
により速度検出手段で検出するようにしたものであり、
最大の感度を得ることができる。In general, points d, e, and f in FIG. Thus, the maximum sensitivity can be obtained by detecting the speed of the antinode of the cantilever 58 in the higher-order resonance state by the speed detecting means. Therefore, in each of the embodiments of the invention described in claim 15, in each of the force microscopes to 10 and the embodiments, the speed of the antinode position when the cantilevers 11 and 26 resonate higher-order is detected by heterodyne optical interferometry. Is to detect by means,
Maximum sensitivity can be obtained.
【０１１６】このように、請求項５記載の発明の実施例
は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２７
を先端部に設けた板バネとしてのカンチレバー１１，２
６を該板バネ１１，２６の高次共振周波数により振動さ
せ、振動状態における板バネ１１，２６の振動速度を測
定するための振動速度測定手段により板バネ１１，２６
の振動状態を検出し、探針１２，２７に働く力による振
動状態の変化から探針１２，２７に働く力を検出し、こ
れにより測定物１３，２８の状態を観察する力顕微鏡に
おいて、板バネ１１，２６が高次共振する時の腹を上記
振動速度測定手段の測定点としたので、カンチレバーの
振動を表わす信号の振幅をカンチレバーの最適な加振条
件を変えることなく最大にすることができ、振動信号の
Ｓ／Ｎを向上させることができて信号処理上有利にな
る。As described above, according to the fifth embodiment of the present invention, the probes 12, 27 opposed to the objects 13, 28 are arranged.
Cantilevers 11 and 12 as leaf springs provided with
6 is vibrated by the higher-order resonance frequency of the leaf springs 11 and 26, and the vibration speed measuring means for measuring the vibration speed of the leaf springs 11 and 26 in the vibrating state.
In a force microscope that detects the vibration state of the probe 12 and 27 and detects the force applied to the probes 12 and 27 from the change in the vibration state due to the force applied to the probes 12 and 27, thereby observing the state of the objects 13 and 28, Since the antinode when the springs 11 and 26 resonate at a higher order is set as the measurement point of the vibration velocity measuring means, the amplitude of the signal representing the vibration of the cantilever can be maximized without changing the optimal vibration condition of the cantilever. As a result, the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１１７】次に、請求項６記載の発明の実施例につい
て説明する。請求項６記載の発明は、力顕微鏡におい
て、試料の状態を測定するための最適な条件で２つ以上
の周波数でカンチレバーを振動させる場合に適用され
る。例えば、カンチレバーに一次共振と二次共振を生じ
させて測定を行う場合を考える。前述のようにカンチレ
バーの振動を捉えた信号の内、一次共振の振幅（信号の
大きさ）と二次共振の振幅がほぼ等しい方が、それぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならない。しかし、これを実現
するためにカンチレバーの加振条件を変えることは放電
等の問題で安易に行えない。Next, an embodiment of the present invention will be described. The invention according to claim 6 is applied to a case where a cantilever is vibrated at two or more frequencies under optimal conditions for measuring a state of a sample in a force microscope. For example, consider a case where measurement is performed by causing primary resonance and secondary resonance in a cantilever. As described above, among the signals obtained by capturing the vibration of the cantilever, the one in which the amplitude of the primary resonance (the magnitude of the signal) is substantially equal to the amplitude of the secondary resonance is not disadvantageous in terms of the respective S / N ratios. However, it is not easy to change the vibration condition of the cantilever to realize this, due to a problem such as electric discharge.
【０１１８】そこで、請求項６記載の発明の一実施例
は、カンチレバーを一次共振と二次共振で振動させる上
記力顕微鏡〜10、実施例において、所望のカンチレバ
ー加振条件で一次共振によるカンチレバーの速度と二次
共振によるカンチレバーの速度とがほぼ等しくなる位置
に光源からの光スポツトを照射し、ヘテロダイン光干渉
法によりカンチレバーの振動速度を測定してカンチレバ
ーの振動を検出するようにしたものである。これによ
り、カンチレバーの振動信号における一次共振と二次共
振の振幅（信号の大きさ）をほぼ等しくすることができ
る。このため、最適なカンチレバー加振条件のままで、
カンチレバーの一次共振と二次共振の振動信号をそれぞ
れのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離すること
ができる。Therefore, an embodiment of the invention according to claim 6 is the above-mentioned force microscope in which the cantilever is vibrated by primary resonance and secondary resonance, and in the embodiment, the cantilever is driven by primary resonance under desired cantilever vibration conditions. A light spot from a light source is irradiated to a position where the speed and the speed of the cantilever due to the secondary resonance are almost equal, and the vibration speed of the cantilever is measured by heterodyne optical interferometry to detect the vibration of the cantilever. . Thus, the amplitude (signal magnitude) of the primary resonance and the secondary resonance in the vibration signal of the cantilever can be made substantially equal. For this reason, under the optimal cantilever vibration condition,
The vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the cantilever can be separated so as not to be disadvantageous in terms of their S / N ratios.
【０１１９】なお、この実施例では、カンチレバーに生
ずる振動を一次共振と二次共振にしたが、カンチレバー
の振動は、非共振、一次共振、高次共振の内、周波数の
異なる振動の組み合わせであればよいので、一次共振と
二次共振に限定されるものではない。また、カンチレバ
ーに生ずる振動状態の数（例えば一次共振と二次共振と
非共振の振動が生じていたら振動状態の数は３つ）は２
つに限定されるものではなく、カンチレバーに生ずる振
動状態の数３つ以上の場合にも請求項６記載の発明を適
用することができる。In this embodiment, the vibrations generated in the cantilever are the primary resonance and the secondary resonance. However, the vibration of the cantilever may be any combination of non-resonance, primary resonance, and higher-order resonance, and vibrations having different frequencies. However, the present invention is not limited to the primary resonance and the secondary resonance. The number of vibration states generated in the cantilever (for example, if primary resonance, secondary resonance, and non-resonance vibrations are generated, the number of vibration states is three) is two.
The present invention is not limited to this, and the invention described in claim 6 can be applied to the case where the number of vibration states generated in the cantilever is three or more.
【０１２０】したがって、請求項６記載の発明の各実施
例は、測定物１３，２８に対向配置される探針１２，２
７を先端部に設けた板バネとしてのカンチレバー１１，
２６を該板バネ１１，２６の非共振周波数或いは一次共
振周波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互い
に異なる複数の周波数で振動させ、探針１２，２７に働
く力により複数の振動の状態が各々変化することをヘテ
ロダイン光干渉法により振動速度測定手段で検出するこ
とにより探針１２，２７に働く力を検出し、これにより
測定物１３，２８の状態を観察する上記実施例等の力顕
微鏡において、板バネ１１，２６の複数の振動による各
振動速度が等しくなる板バネ１１，２６上の位置を上記
振動速度測定手段の測定点としており、最適なカンチレ
バー加振条件のままで、カンチレバーの複数の振動の信
号をそれぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分
離することができる。Therefore, each embodiment of the invention according to the sixth aspect of the present invention can be applied to the probes 12 and 2 arranged to face the measurement objects 13 and 28.
7, a cantilever 11 as a leaf spring provided at the tip end,
26 is vibrated at a non-resonant frequency, a primary resonant frequency, or a higher-order resonant frequency of the leaf springs 11 and 26 and at a plurality of different frequencies, and a plurality of vibrations are generated by forces acting on the probes 12 and 27. The force acting on the probes 12, 27 is detected by detecting that the state changes by the vibration velocity measuring means by the heterodyne optical interferometry, and the state of the measurement object 13, 28 is observed by using the method. In the force microscope, the positions on the leaf springs 11 and 26 at which the respective vibration velocities due to the plurality of vibrations of the leaf springs 11 and 26 become equal are measured points of the above-mentioned vibration velocity measuring means. The signals of the plurality of vibrations of the cantilever can be separated so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios.
【０１２１】[0121]
【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、測定物に対向配置される探針を先端部に設けた板バ
ネを該板バネの共振周波数により振動させ、前記探針に
働く力により前記板バネの高次共振振動状態が変化する
ことを光てこ法により検出することで前記探針に働く力
を検出し、これにより前記測定物の状態を観察する力顕
微鏡において、前記板バネが高次共振する時の節に前記
光てこ法の光を照射するので、板バネの複数の振動の信
号の振幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最
大にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させるこ
とができて信号処理上有利になる。As described above, according to the first aspect of the present invention, the leaf spring provided at the distal end with the probe arranged opposite to the object to be measured is vibrated by the resonance frequency of the leaf spring, and A force microscope that detects the force acting on the probe by detecting that the higher-order resonance vibration state of the leaf spring changes due to the force acting on the probe by the optical lever method, thereby observing the state of the measurement object, Since the light of the optical lever method is applied to the node when the leaf spring resonates at a higher order, the amplitude of the signal of the plurality of vibrations of the leaf spring is maximized without changing the optimal excitation condition of the leaf spring. And the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１２２】請求項２記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波
数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動
させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が
各々変化することを光てこ法により検出することで前記
探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態を
観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数の振動に
よる各曲がり角が等しくなる前記板バネ上の位置に前記
光てこ法の光を照射するので、最適な板バネ加振条件の
ままで、板バネの一次共振と二次共振の振動信号をそれ
ぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離するこ
とができる。According to the second aspect of the present invention, the leaf spring provided with the probe disposed at the tip portion facing the object to be measured is provided with any one of the non-resonant frequency, the primary resonant frequency and the higher-order resonant frequency of the leaf spring. And, and vibrated at a plurality of different frequencies from each other, to detect the force acting on the probe by detecting by optical leverage that the state of the plurality of vibrations respectively change by the force acting on the probe, Accordingly, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, light of the optical leverage method is applied to a position on the leaf spring at which each bending angle due to the plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal. The vibration signals of the primary resonance and the secondary resonance of the leaf spring can be separated under the vibration condition so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios.
【０１２３】請求項３記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
高次共振周波数により振動させ、この板バネの振動状態
における変位を測定するための振動変位測定手段により
前記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力によ
る振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、これ
により前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、
前記板バネが高次共振する時の腹を前記振動変位測定手
段の測定点としたので、板バネの複数の振動の信号の振
幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最大にす
ることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させることがで
きて信号処理上有利になる。According to the third aspect of the present invention, the leaf spring provided with the probe arranged at the tip end facing the object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring. The vibration state of the leaf spring is detected by vibration displacement measuring means for measuring displacement, and the force acting on the probe is detected from the change in the vibration state due to the force acting on the probe, whereby the state of the measurement object is detected. In a force microscope to observe
Since the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as the measurement point of the vibration displacement measuring means, the amplitude of a plurality of vibration signals of the leaf spring is maximized without changing the optimal excitation condition of the leaf spring. It is possible to improve the S / N of the vibration signal, which is advantageous in signal processing.
【０１２４】請求項４記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波
数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動
させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が
各々変化することを振動変位測定手段により検出するこ
とで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物
の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数
の振動の各振幅が等しくなる前記板バネ上の位置を前記
振動変位測定手段の測定点としたので、最適な板バネ加
振条件のままで、板バネの複数の振動の信号をそれぞれ
のＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離することが
できる。According to the fourth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at the tip end thereof opposed to the object to be measured can be set at any one of the non-resonant frequency, the primary resonance frequency, and the higher-order resonance frequency of the leaf spring. And, vibrating at a plurality of different frequencies from each other, the force acting on the probe is detected by detecting by the vibration displacement measuring means that the state of the plurality of vibrations is changed by the force acting on the probe. Therefore, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, a position on the leaf spring at which the amplitudes of the plurality of vibrations of the leaf spring are equal is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means. The signals of the plurality of vibrations of the leaf spring can be separated so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios under the spring excitation conditions.
【０１２５】請求項５記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
高次共振周波数により振動させ、振動状態における前記
板バネの振動速度を測定するための振動速度測定手段に
より前記板バネの振動状態を検出し、前記探針に働く力
による振動状態の変化から前記探針に働く力を検出し、
これにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡におい
て、前記板バネが高次共振する時の腹を前記振動速度測
定手段の測定点としたので、板バネの振動を表わす信号
の振幅を板バネの最適な加振条件を変えることなく最大
にすることができ、振動信号のＳ／Ｎを向上させること
ができて信号処理上有利になる。According to the fifth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe arranged at the tip end facing the object to be measured is vibrated at a higher resonance frequency of the leaf spring, and the leaf spring in a vibrating state is vibrated. Detecting the vibration state of the leaf spring by vibration velocity measuring means for measuring the vibration velocity, detecting the force acting on the probe from a change in the vibration state due to the force acting on the probe,
Accordingly, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, since the antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as the measurement point of the vibration speed measuring means, the amplitude of the signal representing the vibration of the leaf spring is determined by the leaf spring. Can be maximized without changing the optimal vibration conditions, and the S / N of the vibration signal can be improved, which is advantageous in signal processing.
【０１２６】請求項６記載の発明によれば、測定物に対
向配置される探針を先端部に設けた板バネを該板バネの
非共振周波数或いは一次共振周波数或いは高次共振周波
数の何れかで、かつ、互いに異なる複数の周波数で振動
させ、前記探針に働く力により前記複数の振動の状態が
各々変化することを振動速度測定手段により検出するこ
とで前記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物
の状態を観察する力顕微鏡において、前記板バネの複数
の振動による各振動速度が等しくなる前記板バネ上の位
置を前記振動速度測定手段の測定点としたので、最適な
板バネ加振条件のままで、板バネの複数の振動の信号を
それぞれのＳ／Ｎ比の点で不利にならないように分離す
ることができる。According to the sixth aspect of the present invention, a leaf spring provided with a probe disposed at the tip end opposed to the object to be measured is provided at any one of the non-resonant frequency, the primary resonance frequency and the higher-order resonance frequency of the leaf spring. And, by vibrating at a plurality of different frequencies from each other, the force acting on the probe is detected by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe by the vibration velocity measuring means. Therefore, in the force microscope for observing the state of the object to be measured, a position on the leaf spring at which each of the vibration speeds of the plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal is set as a measurement point of the vibration speed measuring means. The signals of the plurality of vibrations of the leaf spring can be separated under the conditions of the leaf spring excitation so as not to be disadvantageous in terms of the respective S / N ratios.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡を示す
ブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a force microscope which is a premise of an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡の一部
を拡大して示す概略図である。FIG. 2 is an enlarged schematic view showing a part of a force microscope on which the embodiment of the present invention is based.
【図３】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡を示す
ブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施例の前提となる力顕微鏡を示す
ブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a force microscope which is a premise of the embodiment of the present invention.
【図５】請求項１記載の発明の実施例等を説明するため
の図である。FIG. 5 is a diagram for explaining an embodiment of the invention described in claim 1 ;
【図６】請求項３記載の発明の実施例等を説明するため
の図である。FIG. 6 is a diagram for explaining an embodiment of the invention described in claim 3 ;
【図７】従来の力顕微鏡の一例を示すブロック図であ
る。FIG. 7 is a block diagram showing an example of a conventional force microscope.
【図８】同力顕微鏡の一部を示すブロック図である。FIG. 8 is a block diagram showing a part of the same force microscope.
【図９】従来の力顕微鏡の他の例を示すブロック図であ
る。FIG. 9 is a block diagram showing another example of a conventional force microscope.
【図１０】従来の力顕微鏡を説明するための図である。FIG. 10 is a view for explaining a conventional force microscope.
【符号の説明】 １１，２６，５７，５８ カンチレバー １２，２７ 導電性探針 １３，２８ 試料 １４ 圧電素子 １５，１６，２９，３０ 交流電源 １７ 直流電源 １８，３３ 導電性基板 １９，３４ 光源 ２０，３５ 受光素子 ２１，２２，３７，３８，５５ ロックインアンプ ２３ 電圧フィードバック回路 ２４ Ｚサーボ回路 ２５ スキャナ ３１，５４ 加算器 ３２，５３ アンプ ３６ プリアンプ ３９，４２ 積分器 ４１ 基準電圧源 ４３ Ｚ軸アクチュエータ ５１ 絶縁体 ５２ 自乗器 ５５ 補正係数決定手段[Description of Signs] 11, 26, 57, 58 Cantilever 12, 27 Conductive probe 13, 28 Sample 14 Piezoelectric element 15, 16, 29, 30 AC power supply 17 DC power supply 18, 33 Conductive substrate 19, 34 Light source 20 , 35 light receiving element 21, 22, 37, 38, 55 lock-in amplifier 23 voltage feedback circuit 24 Z servo circuit 25 scanner 31, 54 adder 32, 53 amplifier 36 preamplifier 39, 42 integrator 41 reference voltage source 43 Z axis actuator Reference Signs List 51 insulator 52 squarer 55 correction coefficient determining means
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA04 AA43 CA08 CA40 CB02 CB16 DA02 DB05 DD02 EA16 EB15 HA04 JA01 JA04 KA01 KA10 LA04 LA11 LA13 LA22 LA24 2F069 AA04 AA60 DD19 DD20 DD30 EE02 EE23 GG04 GG06 GG07 GG19 GG62 HH04 HH30 JJ07 JJ14 NN02 NN06 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference) 2F063 AA04 AA43 CA08 CA40 CB02 CB16 DA02 DB05 DD02 EA16 EB15 HA04 JA01 JA04 KA01 KA10 LA04 LA11 LA13 LA22 LA24 2F069 AA04 AA60 DD19 DD20 DD30 EE02 EE23 GG04 GG19 GG04 GG19 GG19 GG04 JJ14 NN02 NN06
Claims (6)
けた板バネを該板バネの共振周波数により振動させ、前
記探針に働く力により前記板バネの高次共振振動状態が
変化することを光てこ法により検出することで前記探針
に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態を観察
する力顕微鏡において、前記板バネが高次共振する時の
節に前記光てこ法の光を照射することを特徴とする力顕
微鏡。1. A leaf spring having a probe at its tip provided with a probe arranged opposite to an object to be measured is vibrated by a resonance frequency of the leaf spring, and a high-order resonance vibration state of the leaf spring is changed by a force applied to the probe. In a force microscope for detecting the force acting on the probe by detecting the change by an optical lever method, and observing the state of the object to be measured, the light is applied to a node when the leaf spring undergoes higher-order resonance. A force microscope characterized by irradiating with the leverage light.
けた板バネを該板バネの非共振周波数或いは一次共振周
波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互いに異
なる複数の周波数で振動させ、前記探針に働く力により
前記複数の振動の状態が各々変化することを光てこ法に
より検出することで前記探針に働く力を検出し、これに
より前記測定物の状態を観察する力顕微鏡において、前
記板バネの複数の振動による各曲がり角が等しくなる前
記板バネ上の位置に前記光てこ法の光を照射することを
特徴とする力顕微鏡。2. A leaf spring provided with a probe at a tip end thereof opposed to a measurement object at a non-resonant frequency, a primary resonance frequency, or a higher-order resonance frequency of the leaf spring, and a plurality of different springs. Vibration at a frequency, the force acting on the probe is detected by detecting that the states of the plurality of vibrations are respectively changed by the force acting on the probe by an optical lever method, and thereby the state of the measurement object is detected. A force microscope for observing a force microscope, wherein a position on the leaf spring at which each bending angle due to a plurality of vibrations of the leaf spring becomes equal is irradiated with the light leverage light.
けた板バネを該板バネの高次共振周波数により振動さ
せ、この板バネの振動状態における変位を測定するため
の振動変位測定手段により前記板バネの振動状態を検出
し、前記探針に働く力による振動状態の変化から前記探
針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態を観
察する力顕微鏡において、前記板バネが高次共振する時
の腹を前記振動変位測定手段の測定点としたことを特徴
とする力顕微鏡。3. A vibration spring for vibrating a leaf spring provided at a tip thereof with a probe arranged opposite to an object to be measured by a higher resonance frequency of the leaf spring, and measuring a displacement of the leaf spring in a vibration state. A force microscope that detects a vibration state of the leaf spring by a measuring unit, detects a force applied to the probe from a change in a vibration state due to a force applied to the probe, and thereby observes a state of the measured object, A force microscope wherein an antinode when a leaf spring resonates at a higher order is set as a measurement point of the vibration displacement measuring means.
けた板バネを該板バネの非共振周波数或いは一次共振周
波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互いに異
なる複数の周波数で振動させ、前記探針に働く力により
前記複数の振動の状態が各々変化することを振動変位測
定手段により検出することで前記探針に働く力を検出
し、これにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡に
おいて、前記板バネの複数の振動の各振幅が等しくなる
前記板バネ上の位置を前記振動変位測定手段の測定点と
したことを特徴とする力顕微鏡。4. A leaf spring provided with a probe at a tip end thereof opposed to a measured object at a non-resonant frequency, a primary resonance frequency or a higher-order resonance frequency of the leaf spring, and a plurality of different springs. Vibration at a frequency, the force acting on the probe is detected by detecting that the states of the plurality of vibrations respectively change by the force acting on the probe, and the force acting on the probe is detected. 3. A force microscope according to claim 1, wherein a position on said leaf spring at which each amplitude of a plurality of vibrations of said leaf spring is equal is set as a measurement point of said vibration displacement measuring means.
けた板バネを該板バネの高次共振周波数により振動さ
せ、振動状態における前記板バネの振動速度を測定する
ための振動速度測定手段により前記板バネの振動状態を
検出し、前記探針に働く力による振動状態の変化から前
記探針に働く力を検出し、これにより前記測定物の状態
を観察する力顕微鏡において、前記板バネが高次共振す
る時の腹を前記振動速度測定手段の測定点としたことを
特徴とする力顕微鏡。5. A vibration for measuring a vibration speed of the leaf spring in a vibrating state by vibrating a leaf spring having a probe arranged at a tip end thereof opposed to a measurement object at a higher order resonance frequency of the leaf spring. In a force microscope for detecting the vibration state of the leaf spring by a speed measuring means, detecting the force acting on the probe from a change in the vibration state due to the force acting on the probe, and thereby observing the state of the measurement object, A force microscope wherein an antinode when the leaf spring resonates at a higher order is set as a measurement point of the vibration velocity measuring means.
けた板バネを該板バネの非共振周波数或いは一次共振周
波数或いは高次共振周波数の何れかで、かつ、互いに異
なる複数の周波数で振動させ、前記探針に働く力により
前記複数の振動の状態が各々変化することを振動速度測
定手段により検出することで前記探針に働く力を検出
し、これにより前記測定物の状態を観察する力顕微鏡に
おいて、前記板バネの複数の振動による各振動速度が等
しくなる前記板バネ上の位置を前記振動速度測定手段の
測定点としたことを特徴とする力顕微鏡。6. A leaf spring provided with a probe at a tip end thereof opposed to a measured object at a non-resonant frequency, a primary resonance frequency or a higher-order resonance frequency of the leaf spring, and a plurality of different springs. By vibrating at a frequency, the force acting on the probe is detected by detecting by the vibration speed measuring means that the state of the plurality of vibrations changes by the force acting on the probe, whereby the state of the object to be measured is detected. 3. A force microscope according to claim 1, wherein a position on the leaf spring at which each of the vibration speeds of the plurality of vibrations of the leaf spring is equal is set as a measurement point of the vibration speed measuring means.
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| JP3484429B2 (en) | 2004-01-06 |
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