JP3453277B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）等の試料からの力を受けて試料表面を測定す
る走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の技術分野に属し、特
に探針を試料から若干離隔させかつ振動させることによ
り、試料表面を測定するノンコンタクトタイプの走査プ
ローブ顕微鏡の技術分野に属するものである。 【０００２】 【従来の技術】探針と試料との間に生じる物理的な力を
測定して試料表面を測定するＳＰＭが、従来から開発さ
れている。図２はこのようなＳＰＭのソフトコンタクト
タイプの一例を模式的に示す図である。図中、１は弾性
を有するカンチレバー、２はカンチレバー１の先端に取
り付けられた探針、３は試料、４ｘはｘ軸方向の試料の
位置を制御するｘ軸圧電走査素子、４ｙはｙ軸方向の試
料の位置を制御するｙ軸圧電走査素子、４ｚはｚ軸方向
（高さ方向）の試料の位置を制御するｚ軸圧電走査素
子、５はレーザー光源、６はミラー、７はフォトディテ
クター（以下、検出器ともいう）、８はＩ／Ｖアンプ、
１０は誤差増幅器、１１は圧電素子駆動電源、１２はス
キャンジェネレータ、１３は中央処理装置（ＣＰＵ）、
１４は画像表示装置である。 【０００３】探針２は試料３と対向して配置され、また
レーザー光源５はカンチレバー１の上方に配置されてい
る。更に、フォトディテクター７は４分割されて形成さ
れたフォトセンサー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄからなり、レ
ーザー光源５から発せられたレーザー光がカンチレバー
１の上面に当たって反射し、ミラー６を介してフォトデ
ィテクター７のフォトセンサー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄに
それぞれ入射するように配置されている。これらのカン
チレバー１、ミラー６およびフォトディテクター７によ
り光てこ光学系が構成されている。そして、フォトセン
サー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄにそれぞれ入射する光量のバ
ランスから受光位置の変化を認識することができるよう
になっている。 【０００４】このような構成をしたＳＰＭにおいては、
まずレーザー光源５からレーザー光をカンチレバー１の
上面に照射し、その反射光を検出器７にミラー６を介し
て入射させる。 【０００５】この状態で、探針２と試料３とを例えば１
ｎｍ以下の距離まで互いに近づけると、探針２の先端原
子と試料３の表面原子との間に、例えば原子間力（引力
・斥力）や磁気力等の物理的な力が作用して、探針２が
上下動し、その結果カンチレバー１が上下方向に撓む。
このカンチレバー１の撓みにより、レーザー光の反射光
が検出器７に入射する位置が変化する。この変化によ
り、各フォトセンサー７ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄに入射する
光量が変化するので、フォトセンサー７ａ,７ｂの各出
力の和（Ａ＋Ｂ）とフォトセンサー７ｃ,７ｄの各出力
の和（Ｃ＋Ｄ）とが異なる。これらのフォトセンサー７
ａ,７ｂ,７ｃ,７ｄの出力が誤差増幅器１０を介して圧
電素子駆動電源１１に送られ、この圧電素子駆動電源１
１はＺ軸圧電素子４ｚに対して、探針２と試料３との間
の距離を一定に保つ（すなわち原子間力を一定に保つ）
ようにフィードバック制御を行う。 【０００６】そして、このような探針２と試料３との間
の距離制御を行いながら探針２または試料３を２次元走
査することにより、試料３の表面の凹凸画像（定力像）
が画像表示装置１４において得られる。 【０００７】更に、このときのカンチレバー１のねじれ
（横方向の動き）によるレーザー反射光の入射位置の変
化で、検出器７の各出力信号（Ａ＋Ｄ）と（Ｂ＋Ｃ）と
が変化する。これらの出力信号の比較により、走査に伴
う試料表面の摩擦力を検出することができる。そして、
この摩擦力の変化を明暗の画像として画像表示装置１４
において表示することにより、摩擦力像が得られる。 【０００８】しかしながら、カンチレバー１および探針
２を試料３表面に近づけて探針２と試料３との間に働く
物理的な力を検出するソフトコンタクトタイプのＳＰＭ
では、スキャン時に探針２が試料表面の凹凸に接触して
しまうため、表面が比較的弱い試料の場合には、この試
料表面が破損してしまうおそれがある。 【０００９】そこで、探針２を試料３から若干離隔して
配置するとともに、カンチレバー１を強制的に振動させ
ることにより探針２を振動させ、物理的な力の変化によ
り変化するこの振動の周波数（振動数）や振幅の変化を
電気的に検出して、試料３から少し離れた位置で比較的
弱い原子間力でも確実に検出することができるノンコン
タクトタイプのＳＰＭが開発されている。 【００１０】図３はこのノンコンタクトタイプのＳＰＭ
の一例を模式的に示し図である。なお、前述のＡＦＭと
同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細
な説明は省略する。図３において、１５はカンチレバー
１の支持部に取り付けられた加振用の圧電素子、１６は
発振電源、１７は検出器７からの出力信号である、発振
電源１６の加振出力信号と同期した振幅変化分の信号を
セレクトする第１のロックインアンプ、１８は交流電
源、１９は交流電源１８からの出力と第１のロックイン
アンプ１７からの検出器７の出力信号とを比較し、共通
の周波数成分の振幅に比例した信号、つまり帯電電荷量
の異なる部分での信号を出力する第２のロックインアン
プである。 【００１１】検出器７の出力信号がＩ／Ｖアンプ８およ
び第１のロックインアンプ１７を介して誤差増幅器１０
に供給されるとともに第２のロックインアンプ１９に供
給されるようになっている。また、発振電源１６の加振
出力信号が圧電素子１５に供給されるとともに第１のロ
ックインアンプ１７に供給されるようになっている。 【００１２】このような構成をしたＳＰＭにおいては、
発振電源１６から発振出力信号が圧電素子１５に供給さ
れることにより、カンチレバー１がそのほぼ固有振動数
程度の周波数で加振される。この状態で、探針２を試料
３に数ｎｍ程度に接近させると、探針２と試料３との間
に発生する物理的な力によりカンチレバー１が撓む。こ
れにより検出器７の出力が変化し、変化した出力信号が
第１のロックインアンプ１７に供給される。第１のロッ
クインアンプ１７は、供給された検出器７の出力信号と
発振器１６からの出力信号とに含まれる周波数成分を比
較して、共通の周波数成分の振幅に比例した信号を出力
し、この出力信号が誤差増幅器１０を介して圧電素子駆
動電源１１に送られる。この圧電素子駆動電源１１はＺ
軸圧電素子４ｚに対して、探針２と試料３との間の距離
を一定に保つフィードバック制御を行う。 【００１３】そして、このような探針２と試料３との間
の距離制御を行いながら探針２または試料３を２次元走
査することにより、試料３の表面の凹凸画像が画像表示
装置１４において得られる。このようにして、図３に示
すＳＰＭは、試料３からの探針２の位置が図２に示すＳ
ＰＭよりも比較的遠い位置からでも、比較的弱い原子間
力を確実に検出可能となる。 【００１４】ところで、図３に示すようなＳＰＭにおい
ては、試料３の表面と探針２との間に働く物理力（また
は量）をカンチレバー１のたわみ量から検出して画像化
することがある。このようなたわみ量から画像化される
物理力（または量）としては、例えば、試料３の表面電
荷量がある。この表面電荷量は、試料３に接近させた探
針２と試料表面との物質が異なるときに、それらの仕事
関数の差によって、試料３の表面に生じる電荷の量であ
る。この電荷を検出する場合には、探針２と試料３との
間に電圧（交流）を印加する必要があるために、探針２
とカンチレバー部分とを導電性にする必要があるが、こ
のためにはカンチレバー１を電気導体で作製するか、あ
るいは既に完成しているカンチレバー１に金属等の電気
導体をコーティングすることが行われている。 【００１５】試料３が一元素からなる場合、まず、カン
チレバー１を固有振動数程度の周波数ｆ１で加振した状
態で探針２と試料３とを接近させ、探針２と試料３との
間を一定の力で保持する。次いで、交流電源１８から、
探針２と試料３との間に、カンチレバー１を加振する周
波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２で交流電圧を印加する。
このとき、試料３表面と探針２先端の電荷は元素の違い
により異なるため、原子間力によって保持されていた探
針２と試料３との距離は、帯電電荷量の差によって生ず
る静電気力により変化するようになる。そこで、交流電
源１８の交流電圧に、手動でオフセット電圧電源１８ａ
からオフセット電圧を印加することにより、このような
変化が発生しないようにして３次元走査を行うと、従来
のような試料３表面の凹凸像を得ることができる。 【００１６】また、試料３表面に異なる元素部分が存在
すると、この３次元走査において、探針２がこの異なる
元素部分を走査した際に、探針２は静電気力を受けるよ
うになる。この静電気力により、カンチレバー１の撓み
が変化し、この変化分が検出器７の出力に含まれる。そ
して、この検出器７の出力信号がＩ／Ｖアンプ８および
第１のロックインアンプ１７を介して第２のロックイン
アンプ１９に供給され、第２のロックインアンプ１９で
は入力された検出器７の出力信号と交流電源１８の出力
信号とに含まれる周波数成分が比較され、共通の周波数
成分の振幅に比例した信号、つまり帯電電荷量の異なる
部分での信号が出力される。この信号をＣＰＵ１３を介
して画像表示装置１４に供給することで、帯電電荷の分
布像を得ることができる。 【００１７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この図
３に示すようなＳＰＭでは、２つのロックインアンプ１
７,１９が必要となり、コストが高いものとなってい
る。また、試料３の傾斜成分による電荷コントラストの
変化を抑えるために走査速度をきわめて遅くしなければ
凹凸信号と電荷信号との区別ができなくなるが、交流電
源１９のオフセット電圧電源１８ａのオフセット電圧の
調整を手動で行っているため、走査速度をきわめて遅く
することは難しく、凹凸信号と電荷信号とを明確に区別
できない。このため、試料表面の凹凸画像と試料表面の
電荷分布像とを同時にかつ明確に得ることができないと
いう問題がある。 【００１８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、試料表面の凹凸画像と試料
表面の電荷分布像とを同時にかつ明確に得ることのでき
る安価な走査プローブ顕微鏡を提供することである。 【００１９】 【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、試料に対向して配置された探
針を有するカンチレバーと、これらのカンチレバーおよ
び探針が前記試料と前記探針との間の物理力によって変
位したとき、前記カンチレバーの変位量を検出する検出
する検出器とを備えた走査プローブ顕微鏡であって、前
記カンチレバーおよび前記探針をそれらの共振周波数近
傍の加振周波数でかつこの加振周波数を維持しながら加
振する加振手段と、前記検出器の出力信号から前記カン
チレバーの加振周波数に依存しない信号を分離検出する
分離検出手段と、前記探針と前記試料との間に、前記カ
ンチレバーの前記共振周波数より遅くかつ高さ制御の帰
還応答周波数より速い周波数の信号で電圧を印加するた
めの交流電圧源と、前記検出器の出力信号から前記交流
電圧源の周波数に依存する信号を分離検出するととも
に、その検出信号を反転増幅する反転増幅手段と、この
反転増幅手段の出力と前記交流電源の出力とを加算する
加算手段とを設け、前記分離検出手段が前記反転増幅手
段を含む帰還回路を形成し、前記反転増幅手段は分離検
出した信号を常にゼロとするように誤差増幅を行うよう
に構成し、前記検出器の出力信号から分離検出された前
記カンチレバーの加振周波数よりも低い周波数成分の信
号に基づいて前記探針と前記試料との間の距離制御を行
うことにより、前記試料表面の凹凸像を得るとともに、
前記検出器の出力信号から前記電源周波数に依存する信
号を分離検出した信号を反転した信号に基づいて、前記
試料の電荷分布画像を得ることを特徴としている。 【００２０】 【作用】このような構成をした本発明の走査プローブ顕
微鏡においては、加振されたカンチレバーの加振周波数
に依存しない信号が分離して検出されるとともに、その
分離検出された信号に基づいて探針と試料との間の高さ
制御が行われることにより、その距離制御信号に基づい
て試料表面の凹凸像が得られるれ。また、カンチレバー
の加振周波数より遅くかつ試料と探針との間の高さ制御
の帰還応答周波数より速い周波数の交流電圧が、探針と
試料との間に供給されるとともに、検出器の出力信号か
ら探針と試料との間の印加電圧周波数に依存する信号が
分離して検出され、この印加電圧周波数に依存する信号
に基づいて、試料表面の電荷分布像が得られる。これに
より、非接触で、試料表面の凹凸像と電荷分布像を同時
に検出することが可能となる。 【００２１】 【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明にかかる走査プローブ
顕微鏡の実施の形態の一例を模式的に示す図である。な
お、図３に示すＳＰＭと同じ構成要素には同じ符号を付
すことにより、その詳細な説明は省略する。 【００２２】図１に示すように、本例のＳＰＭは、Ｉ／
Ｖアンプ８が位相調整器２１および振幅調整器２３を介
して、カンチレバー１に取り付けられた加振用の圧電素
子１５に接続されている。また、位相調整器２１はＦＭ
検波器（ＰＬＬ）２４を介してロックインアンプ２６に
接続されているとともに、ＦＭ検波器２４およびローパ
スフィルターフィルタ２７を介して誤差増幅器１０に接
続されている。この誤差増幅器１０はフィードバック制
御回路２８を介して、ｚ軸圧電素子４ｚの圧電素子駆動
電源１１に接続されているとともに、ＣＰＵ１３に接続
されている。このＣＰＵ１３は、スキャンジェネレータ
１２、フィードバック制御回路２８および２つの画像表
示装置１４,１４にそれぞれ接続されているとともに、
反転増幅器２９を介してロックインアンプ２６に接続さ
れている。 【００２３】更に、ロックインアンプ２６は反転増幅器
２９を介して加算器３０に接続されているとともに、こ
れらのロックインアンプ２６と加算器３０とは交流電源
１８を介しても互いに接続されている。この加算器３０
はカンチレバー１に接続されている。 【００２４】交流電源１８はカンチレバー１の共振周波
数より遅くかつｚ軸圧電素子４ｚを駆動する帰還回路
（検出器７−ＰＬＬ２４−ローパスフィルターフィルタ
２７−誤差増幅器１０−圧電素子駆動電源１１からなる
帰還回路）の応答周波数より速い周波数の信号の交流電
圧ｆｍを発生するようになっている。この交流電源１８
の周波数ｆｍはローパスフィルタ２７のカットオフ周波
数よりも高い周波数に設定されている。 【００２５】ＰＬＬ２４は、加振用の圧電素子１５の加
振によるカンチレバー１の共振状態で、試料３表面を探
針２に近づけていったとき、探針２が負の力（引力）を
受けて共振周波数が下がることにより、共振周波数に生
じるずれ△ｆを補う信号を発生するようになっている。
すなわち、ＰＬＬ２４は、検出器７からの出力信号から
カンチレバー１の加振周波数に依存しない信号を分離し
て検出するようになっている。 【００２６】ロックインアンプ２６は、ＰＬＬ２４から
の出力信号から、その参照信号である探針２と試料３間
に供給される電圧信号ｆｍと同一の信号を分離し、その
分離した信号が同相の場合その信号を正出力として発生
するとともに、また逆相の信号を負出力として発生し、
更に中立信号を０出力として発生するようになってい
る。反転増幅器２９は、ロックインアンプ２６の出力を
反転して加算器３０およびＣＰＵ１３に供給するように
なっている。 【００２７】加算器３０は、交流電源１８の周波数ｆｍ
の交流電圧と反転増幅器２９の出力とが供給されてい
て、交流電源１８の交流電圧に反転増幅器２９の出力が
オフセット電圧として加算された電圧を探針２と試料３
との間に供給するようになっている。 【００２８】また、ロックインアンプ２６−反転増幅器
２９−加算器３０−圧電素子１５−検出器７−ＰＬＬ２
４−ロックインアンプ２６からなる入力の帰還回路が構
成されており、この帰還回路で、反転増幅器２９はロッ
クインアンプ２６の出力が常に０になるように誤差増幅
を行うようになっている。 【００２９】ローパスフィルタ２７は、ＰＬＬ２４から
の出力信号から、カンチレバー１の加振周波数よりも低
い周波数成分を分離検出してその検出信号を誤差増幅器
１０に出力するようになっている。 【００３０】フィードバック制御回路２８は、１サンプ
リング毎（１画素毎）に探針２と試料３表面との高さに
対するフィードバック制御のオン・オフを行うようにな
っている。その場合、このフィードバック制御回路２８
は試料３表面の帯電電荷状態を検出するとき切断され
て、この探針２と試料３表面との高さを固定した状態に
設定するようになっている。このように、探針２と試料
３表面との高さを固定した状態で帯電電荷状態を検出す
ることにより、帯電電荷状態がより正確に検出できるよ
うになる。 【００３１】本例のＳＰＭの他の構成は、図３に示すＳ
ＰＭで第１のロックインアンプ１７、第２のロックイン
アンプ１９およびオフセット電圧用電源１８ａを除い
て、同じである。 【００３２】このように構成された本例のＳＰＭにおい
ては、試料３の観察にあたって、まず光学系のアライメ
ントを行う。つまり、レーザー光源５からレーザー光を
カンチレバー１に照射し、そのカンチレバー１からの反
射光が検出器７の中心に位置するように調整する。カン
チレバー１からの反射光はミラー６を介して検出器７に
入射するが、このときカンチレバー１は熱振動等により
自分自身の固有振動数で振動しているため、検出器７に
入射するレーザー光は検出器７の受光面においても周期
的に入射位置が変化するようになり、したがって検出器
７の検出信号自体は変調されている。この検出信号がＩ
／Ｖアンプ８を介して位相調整器２１に入力され、この
位相調整器２１の出力が振幅調整器２３を介して圧電素
子１５に正帰還されることにより共振ループが形成され
ており、この圧電素子１５により、カンチレバー１は常
に自励発振を持続している。このため、カンチレバー１
およびその先端の探針２は熱振動等による振幅よりも大
きな振幅で振動を継続する共振状態となり、そのときの
共振周波数は、カンチレバー１および探針２の共振周波
数近傍の基本周波数ｆ０となる。 【００３３】この共振状態でｚ軸圧電素子４ｚを駆動し
て試料３表面を探針２に近づけていくと、探針２が負の
力を受けるようになるので、共振周波数が下がる。すな
わち、共振周波数にずれ△ｆが生じる。そして、ＰＬＬ
２４はそのずれ△ｆを補う信号を発生し、このＰＬＬ２
４の出力信号△ｆの低周波数成分がローパスフィルタ２
７を介して誤差増幅器１０に供給される。誤差増幅器１
０は、このＰＬＬ２４からの出力信号の低周波数成分と
予め設定されているフォースグラディエント−検出器出
力電圧換算値である参照信号Ｒｅｆとを比較してそれら
の間の誤差を検出し、その誤差を補う信号を圧電素子駆
動電源１１に供給する。 【００３４】これにより、圧電素子駆動電源１１が誤差
増幅器１０からの出力信号に応じた信号を出力するとと
もに、この圧電素子駆動電源１１の出力電圧により圧電
素子４ｚが伸縮して、探針２と試料３表面との間の高さ
が制御されることにより、ＰＬＬ２４の検出周波数が参
照信号Ｒｅｆに相当する周波数に維持される（フォース
グラディエントが一定）。このようにして、探針２と試
料３表面との距離が変化することによりずれるカンチレ
バー１および探針２の共振周波数が最初の基本共振周波
数ｆ０に戻るようになり、これにより探針２と試料３と
の間の力が一定、すなわち探針２と試料３との間の距離
（高さ）が一定に保たれるようになる。 【００３５】このように、試料３表面の凹凸による、探
針２と試料３との間の原子間力は、カンチレバー１およ
び探針２の電圧変調周波数成分よりも遅い変化であるた
め、ローパスフィルタ２７を介して選択通過させること
により、ｚ軸圧電素子４ｚに対して帰還させることがで
きる。 【００３６】そして、このような制御を行いながら、ｘ
軸およびｙ軸圧電走査素子４ｘ,４ｙにより試料３を二
次元走査し、誤差増幅器１０の出力信号をＣＰＵ１３に
よって処理することにより、試料３表面の凹凸画像（定
力勾配像）が得られ、一方の画像表示装置１４に表示さ
れるようになる。 【００３７】ところで、この制御を行っているときに、
交流電源１８によって、探針２と試料３との間に電圧を
印加すると、探針２と試料３のそれぞれの表面に電荷が
生じる。この表面電荷の量は、探針２と試料３とが同じ
物質であるならば、正負等量となり探針２に力を及ぼさ
ないが、探針２と試料３の材質が異なる場合には探針２
に引力として作用するようになる。 【００３８】例えば、金をコーティングした探針２を用
い、金薄膜などの試料３に他の吸着元素（凸部）が点在
しているとする。この試料３表面の帯電電荷状態を画像
化するために、交流電源１８により前述の周波数ｆｍの
交流電圧を探針２と試料３との間に供給すると、探針２
と試料３のそれぞれの表面に電荷が生じる。このため、
探針２と試料３との間に電圧変調が生じるが、この電圧
変調により探針２に電荷引力を生じ、この電荷引力が力
の勾配（フォースグラディエント）の極性変化として、
検出器７によって検出される。検出器７の出力は前述と
同様にＰＬＬ２４に送られるとともに、ＰＬＬ２４の出
力がロックインアンプ２６に供給される。このとき、ロ
ックインアンプ２６には、その参照信号として探針２と
試料３間に供給される電圧信号ｆｍと同一信号を含む信
号が供給されるようになる。その場合、交流電源１８の
周波数ｆｍがカンチレバー１の共振周波数成分よりも遅
い変化ではあるが、ローパスフィルタ２７のカットオフ
周波数よりも高い周波数に設定されているため、ＰＬＬ
２４からロックインアンプ２６に供給される信号のう
ち、周波数ｆｍの交流電圧信号と同一信号成分は、探針
２と試料３表面との間の高さ制御には直接関与しない。 【００３９】そして、ロックインアンプ２６によって、
ロックインアンプ２６に供給される信号のうち、周波数
ｆｍの交流電圧信号と同一信号成分が分離され、すなわ
ち探針２と試料３との間に作用する２つの力に関する信
号のうち、このような電荷分布における力に関する信号
が分離されて反転増幅器２９に供給される。更にこのに
分離された電荷分布における力に関する信号は反転増幅
器２９からＣＰＵ１３に出力され、この反転増幅器２９
の出力信号がＣＰＵ１３によって処理されて処理明暗画
像化（着色）されることにより、試料３表面の電荷分布
の特異部分の分布画像が得られ、他方の画像表示装置１
４に表示されるようになる。 【００４０】このようにして、本例の走査プローブ顕微
鏡によれば、試料３表面の凹凸画像（定力像）と試料３
表面の電荷分布による画像を同時に得ることができるよ
うになる。 【００４１】なお、前述の例では、光てこ光学系にミラ
ー６を設けるものとしているが、ミラー６を設けずに、
直接カンチレバー１からの反射光が検出器７に入射する
ような光学系とすることもできる。 【００４２】更に、前述の例では、光てこ光学系の場合
について説明しているが、カンチレバー１自身が探針２
と試料３表面との間の力によるカンチレバー１自体の変
位を直接検出することができるようにするとともに、カ
ンチレバー１自体が発振源となる圧電体カンチレバーを
用いることにより、カンチレバー１の変位検出のための
光てこによる検出光学系を省くこともできる。この場合
には、カンチレバー１自体の変位が電圧出力として取り
出せるために、検出器７を省くことができ、この検出器
７以後の回路にカンチレバー１自体の変位による電圧出
力が供給される。 【００４３】更に前述の例では、カンチレバー１の固有
振動数の変化からフォースグラディエントを検出してい
るが、探針部を有する水晶発振器等の他の振動体の固有
振動数の変化を用いてもよい。 【００４４】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の走査プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの共振周
波数より遅くかつ試料と探針との間の高さ制御の帰還応
答周波数より速い周波数の交流電圧を、探針と試料との
間に供給するとともに、検出器の出力信号から探針と試
料との間の印加電圧周波数に依存する信号を分離して検
出し、更にカンチレバーの加振周波数に依存しない信号
を分離して検出するとともに、その加振周波数に依存し
ない信号に基づいて探針と試料との間の距離制御を行う
ことにより、その距離制御信号に基づいて試料表面の凹
凸像を得、更に検出器の出力信号から探針と試料との間
の印加電圧周波数に依存する信号を分離検出するととも
に、この印加電圧周波数に依存する信号に基づいて電荷
分布像を得るようにしているので、非接触で、試料表面
の凹凸像と電荷分布像を同時に検出することができるよ
うになる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic force microscope.
(AFM) to measure the sample surface under the force of the sample
Scanning probe microscope (SPM) technology
The tip is slightly separated from the sample and vibrated
Non-contact type scanning probe for measuring the sample surface
It belongs to the technical field of lobe microscope. 2. Description of the Related Art The physical force generated between a probe and a sample is known.
SPM, which measures the surface of a sample by measuring it, has been developed
Have been. Figure 2 shows such an SPM soft contact
It is a figure which shows an example of a type typically. In the figure, 1 is elastic
Cantilever 2 has a tip at the tip of cantilever 1
The attached probe, 3 is the sample, 4x is the sample in the x-axis direction.
An x-axis piezoelectric scanning element for controlling the position, 4y is a test in the y-axis direction.
Y-axis piezoelectric scanning element to control the position of the sample, 4z is the z-axis direction
A z-axis piezoelectric scanning element that controls the position of the sample (in the height direction)
5 is a laser light source, 6 is a mirror, 7 is a photo detector
(Hereinafter also referred to as a detector), 8 is an I / V amplifier,
10 is an error amplifier, 11 is a piezoelectric element drive power supply, and 12 is a switch.
A can generator 13, a central processing unit (CPU),
Reference numeral 14 denotes an image display device. [0003] The probe 2 is arranged to face the sample 3 and
The laser light source 5 is disposed above the cantilever 1
You. Further, the photodetector 7 is formed by being divided into four parts.
Photo sensors 7a, 7b, 7c, 7d
Laser light emitted from the laser light source 5 is a cantilever
1 and is reflected by the upper surface of
To the photo sensors 7a, 7b, 7c, 7d of the detector 7
Each is arranged to be incident. These cans
By the chiller 1, the mirror 6 and the photodetector 7.
A light lever optical system is configured. And Photosen
The amount of light incident on each of the circuits 7a, 7b, 7c, 7d
A change in the light receiving position can be recognized from the lance
It has become. In the SPM having such a configuration,
First, the laser light from the laser light source 5 is applied to the cantilever 1.
The upper surface is irradiated, and the reflected light is transmitted to the detector 7 via the mirror 6.
Incident. In this state, the probe 2 and the sample 3 are
When approaching each other to a distance of less than nm, the tip
For example, an atomic force (attractive force)
・ A physical force such as a repulsive force or a magnetic force acts to cause the probe 2 to move.
It moves up and down, and as a result, the cantilever 1 bends in the up and down direction.
Due to the bending of the cantilever 1, the reflected light of the laser light
Is incident on the detector 7. Due to this change
And enters each of the photo sensors 7a, 7b, 7c, 7d.
Since the light amount changes, each output of the photo sensors 7a and 7b
Sum of force (A + B) and each output of photo sensors 7c and 7d
Is different from (C + D). These photo sensors 7
The outputs of a, 7b, 7c, and 7d are compressed through the error amplifier 10.
The piezoelectric element driving power supply 1
1 is between the probe 2 and the sample 3 with respect to the Z-axis piezoelectric element 4z.
Constant distance (ie, keep the atomic force constant)
The feedback control is performed as follows. Then, between such a probe 2 and a sample 3
The probe 2 or sample 3 two-dimensionally while controlling the distance
By examining the surface, the unevenness image of the surface of the sample 3 (constant force image)
Is obtained in the image display device 14. Further, the torsion of the cantilever 1 at this time.
(Lateral movement) changes in the incident position of the laser reflected light
, The output signals (A + D) and (B + C) of the detector 7 are
Changes. By comparing these output signals,
The frictional force of the sample surface can be detected. And
The change in the frictional force is converted into a light and dark image by the image display device 14.
, A frictional force image is obtained. However, the cantilever 1 and the probe
Work between probe 2 and sample 3 by bringing 2 closer to the surface of sample 3
Soft contact type SPM that detects physical force
Then, when scanning, the probe 2 comes into contact with
For samples with relatively weak surfaces,
The material surface may be damaged. Therefore, the probe 2 is slightly separated from the sample 3.
And forcibly vibrate the cantilever 1
Causes the probe 2 to vibrate, causing a change in physical force.
Changes in the frequency (frequency) and amplitude of this vibration
Electrically detected, relatively at a position slightly away from sample 3
Non-controller that can reliably detect even weak interatomic forces
Tact-type SPMs have been developed. FIG. 3 shows this non-contact type SPM.
It is a figure which shows an example of 1 typically. In addition, the above-mentioned AFM and
The same components are given the same reference numerals,
Detailed description is omitted. In FIG. 3, 15 is a cantilever.
The piezoelectric element for vibration attached to the support portion of 1, 16 is
An oscillation power supply 17 is an output signal from the detector 7.
The signal of the amplitude change synchronized with the excitation output signal of the power supply 16
The first lock-in amplifier to be selected, 18
Source 19 is the output from AC power supply 18 and the first lock-in.
Compare the output signal of the detector 7 from the amplifier 17 and
Signal proportional to the amplitude of the frequency component of
Lock-in amplifier that outputs signals at different parts of
It is. The output signal of the detector 7 is an I / V amplifier 8 and
And the error amplifier 10 via the first lock-in amplifier 17.
And supplied to the second lock-in amplifier 19.
Is to be paid. In addition, the oscillation power supply 16
The output signal is supplied to the piezoelectric element 15 and the first
The power supply is supplied to the lock-in amplifier 17. In the SPM having such a configuration,
An oscillation output signal is supplied from the oscillation power supply 16 to the piezoelectric element 15.
The cantilever 1 has its natural frequency
It is excited at a frequency of the order. In this state, the probe 2 is
When the probe 3 approaches several nm, the distance between the probe 2 and the sample 3 becomes
The cantilever 1 bends due to the physical force generated at the time. This
As a result, the output of the detector 7 changes, and the changed output signal
The signal is supplied to the first lock-in amplifier 17. The first lock
The quin amplifier 17 is connected to the supplied output signal of the detector 7 and
The frequency component included in the output signal from the oscillator 16 is
Output a signal proportional to the amplitude of the common frequency component
This output signal is supplied to the piezoelectric element drive via the error amplifier 10.
It is sent to the dynamic power supply 11. This piezoelectric element drive power supply 11 is Z
Distance between probe 2 and sample 3 with respect to axial piezoelectric element 4z
Is performed to keep the constant. And, between such a probe 2 and a sample 3
The probe 2 or sample 3 two-dimensionally while controlling the distance
By inspecting, the unevenness image of the surface of the sample 3 is displayed as an image.
Obtained in device 14. Thus, as shown in FIG.
The position of the probe 2 from the sample 3 is SPM shown in FIG.
Even between weaker atoms, even from a position farther than PM
Force can be reliably detected. By the way, as shown in FIG.
The physical force acting between the surface of the sample 3 and the probe 2 (and
Is detected from the amount of deflection of the cantilever 1 and imaged.
Sometimes. It is imaged from such a deflection amount
As the physical force (or amount), for example,
There is a load. The amount of this surface charge was measured using a probe approaching sample 3.
When the materials of the needle 2 and the sample surface are different,
The amount of charge generated on the surface of the sample 3 due to the difference between the functions.
You. When detecting this charge, the probe 2 and the sample 3
Since a voltage (AC) needs to be applied between the
And the cantilever must be electrically conductive.
For this purpose, the cantilever 1 is made of an electric conductor, or
Rui or the already completed cantilever 1 with electricity such as metal
Coating of conductors has been performed. When the sample 3 is composed of one element, first,
Chile 1 vibrated at a frequency f1 about the natural frequency
The probe 2 and the sample 3 approach each other in a state, and the probe 2 and the sample 3
The gap is maintained with a constant force. Next, from the AC power supply 18,
Between the probe 2 and the sample 3, the circumference for exciting the cantilever 1
An AC voltage is applied at a frequency f2 lower than the wave number f1.
At this time, the charges on the surface of the sample 3 and the tip of the probe 2
Search that was held by the atomic force.
The distance between the needle 2 and the sample 3 is not generated due to the difference in the amount of charge.
Changes due to static electricity. Therefore,
The offset voltage power supply 18a is manually
By applying an offset voltage from
Performing three-dimensional scanning with no change
An uneven image of the surface of the sample 3 as described above can be obtained. Also, different element portions exist on the surface of the sample 3.
Then, in this three-dimensional scanning, the probe 2
When scanning the element part, the probe 2 receives electrostatic force.
Swell. The deflection of the cantilever 1 due to this electrostatic force
Change, and this change is included in the output of the detector 7. So
Then, the output signal of the detector 7 is output to the I / V amplifier 8 and
Second lock-in via the first lock-in amplifier 17
The second lock-in amplifier 19
Is the output signal of the detector 7 and the output of the AC power supply 18
The frequency components included in the signal and the common frequency are compared.
The signal is proportional to the component amplitude, that is, the charge amount is different
The signal at the portion is output. This signal is transmitted through the CPU 13
And supplies it to the image display device 14 so that the charge
Cloth images can be obtained. [0017] However, FIG.
In the SPM shown in FIG. 3, two lock-in amplifiers 1
7 and 19 are required, and the cost is high.
You. Further, the charge contrast due to the tilt component of the sample 3 is reduced.
Scanning speed must be very slow to suppress changes
Although it is not possible to distinguish between the uneven signal and the charge signal,
Offset voltage of the source 19
Scanning speed is extremely slow due to manual adjustment
Difficult to perform, clearly distinguishing bump signal and charge signal
Can not. For this reason, the unevenness image of the sample surface and the sample surface
If the charge distribution image cannot be obtained simultaneously and clearly
There is a problem. The present invention has been made in view of such circumstances.
The purpose is to create an image of the sample surface
Simultaneously and clearly obtain the surface charge distribution image
To provide an inexpensive scanning probe microscope. Means for Solving the Problems The above-mentioned problems have been solved.
For this purpose, the invention of claim 1 provides a probe arranged opposite to a sample.
Cantilevers with needles and these cantilevers and
And the tip changes due to the physical force between the sample and the tip.
When detecting the displacement of the cantilever
A scanning probe microscope with a detector
Move the cantilever and the probe near their resonant frequency.
The excitation frequency at the side and while maintaining this excitation frequency
Vibration means for vibrating, and the can from the output signal of the detector.
Separate detection of signals independent of the excitation frequency of the chiller
Separation detecting means, and the probe between the probe and the sample.
The result of height control that is slower than the resonance frequency of the
Voltage with a signal faster than the return response frequency.
AC voltage source and the AC signal from the output signal of the detector.
It can separate and detect signals depending on the frequency of the voltage source.
Inverting amplification means for inverting and amplifying the detection signal,
Add the output of the inverting amplifier and the output of the AC power supply
An adding means, wherein the separation detecting means includes the inverting amplification means.
Forming a feedback circuit including a stage, wherein the inverting and amplifying means separates and detects
Perform error amplification so that the output signal is always zero.
Before being detected separately from the output signal of the detector.
Signal of frequency components lower than the excitation frequency of the cantilever
Control the distance between the probe and the sample based on the
By obtaining a concavo-convex image of the sample surface,
A signal dependent on the power supply frequency from the output signal of the detector.
Based on the signal obtained by inverting the signal obtained by separating and detecting the signal,
It is characterized in that a charge distribution image of a sample is obtained. The scanning probe microscope of the present invention having the above-described structure is
In a microscope, the excitation frequency of the excited cantilever
Signal that is not dependent on
Height between tip and sample based on separated detected signal
When the control is performed, based on the distance control signal
As a result, an uneven image of the sample surface can be obtained. Also, cantilever
Control below sample excitation frequency and between sample and probe
AC voltage with a frequency higher than the feedback response frequency of
Supplied between the sample and the output signal of the detector.
Signal that depends on the applied voltage frequency between the probe and the sample
A signal that is detected separately and depends on this applied voltage frequency
, A charge distribution image of the sample surface is obtained. to this
More non-contact, the unevenness image of the sample surface and the charge distribution image simultaneously
Can be detected. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Form will be described. FIG. 1 shows a scanning probe according to the present invention.
It is a figure which shows an example of embodiment of a microscope typically. What
The same components as those of the SPM shown in FIG.
Accordingly, a detailed description thereof will be omitted. As shown in FIG. 1, the SPM of the present embodiment has an I / O
V amplifier 8 is connected via a phase adjuster 21 and an amplitude adjuster 23
And the piezoelectric element for vibration attached to the cantilever 1
Child 15. In addition, the phase adjuster 21
Lock-in amplifier 26 via detector (PLL) 24
Connected to the FM detector 24 and
Connected to the error amplifier 10 via the
Has been continued. This error amplifier 10 has a feedback system.
The piezoelectric element driving of the z-axis piezoelectric element 4z via the control circuit 28
Connected to power supply 11 and to CPU 13
Have been. This CPU 13 is a scan generator
12. Feedback control circuit 28 and two image tables
Display devices 14 and 14, respectively.
Connected to the lock-in amplifier 26 via the inverting amplifier 29
Have been. Further, the lock-in amplifier 26 is an inverting amplifier.
29, and is connected to the adder 30.
The lock-in amplifier 26 and the adder 30 are AC power
They are also connected to each other via the connection 18. This adder 30
Is connected to the cantilever 1. The AC power supply 18 has a resonance frequency of the cantilever 1.
Feedback circuit slower than number and driving z-axis piezoelectric element 4z
(Detector 7-PLL24-Low Pass Filter Filter
27-error amplifier 10-piezoelectric element drive power supply 11
Feedback circuit)
A pressure fm is generated. This AC power supply 18
Is the cutoff frequency of the low-pass filter 27
The frequency is set higher than the number. The PLL 24 applies a vibration to the piezoelectric element 15 for vibration.
Searching for the surface of sample 3 with resonance of cantilever 1 due to vibration
When approaching the needle 2, the probe 2 generates a negative force (attraction).
As a result, the resonance frequency decreases,
A signal for compensating the deviation Δf is generated.
That is, the PLL 24 calculates the output signal from the detector 7
Separates signals independent of the excitation frequency of cantilever 1
And detect it. The lock-in amplifier 26 is connected to the PLL 24
Between the probe 2 and the sample 3 as the reference signal
To separate the same signal as the voltage signal fm supplied to the
If the separated signals are in phase, generate that signal as a positive output
At the same time, and generates a signal of opposite phase as a negative output,
Furthermore, a neutral signal is generated as 0 output.
You. The inverting amplifier 29 outputs the output of the lock-in amplifier 26.
So that it is inverted and supplied to the adder 30 and the CPU 13
Has become. The adder 30 calculates the frequency fm of the AC power supply 18.
And the output of the inverting amplifier 29 are supplied.
Therefore, the output of the inverting amplifier 29 is changed to the AC voltage of the AC power supply 18.
The voltage added as the offset voltage is applied to the probe 2 and the sample 3
Between the supply. Also, a lock-in amplifier 26-an inverting amplifier
29-adder 30-piezoelectric element 15-detector 7-PLL2
4- The input feedback circuit composed of the lock-in amplifier 26 is
In this feedback circuit, the inverting amplifier 29 is locked.
Error amplification so that the output of the quin amplifier 26 is always 0
It is supposed to do. The low-pass filter 27 is supplied from the PLL 24
Lower than the excitation frequency of cantilever 1
Error component is separated and detected by the error amplifier.
10 is output. The feedback control circuit 28 includes one sump.
The height of the probe 2 and the surface of the sample 3 for each ring (for each pixel)
On / off of feedback control for
ing. In that case, the feedback control circuit 28
Is cut off when detecting the charged state of the surface of sample 3
In this state, the height between the probe 2 and the surface of the sample 3 is fixed.
To be set. Thus, the probe 2 and the sample
3 Detect the charge state with the height fixed to the surface
By doing so, the charged state can be detected more accurately.
Swell. Another configuration of the SPM of this embodiment is similar to that of the SPM shown in FIG.
PM locks first lock-in amplifier 17 and second lock-in
Excluding amplifier 19 and offset voltage power supply 18a
And the same. In the SPM of the present embodiment thus configured,
When observing Sample 3, first align the optical system.
Do In other words, the laser light from the laser light source 5
Irradiates the cantilever 1 and returns from the cantilever 1
Adjust so that the emitted light is located at the center of the detector 7. Can
The reflected light from the chiller 1 is transmitted to the detector 7 via the mirror 6
At this time, the cantilever 1 is moved by thermal vibration or the like.
Since it vibrates at its own natural frequency, the detector 7
The incident laser light is also periodic on the light receiving surface of the detector 7
The incident position changes, and thus the detector
The detection signal 7 itself is modulated. This detection signal is I
/ V amplifier 8 to the phase adjuster 21,
The output of the phase adjuster 21 is applied to the piezoelectric element via the amplitude adjuster 23.
The positive feedback to the element 15 forms a resonance loop.
The cantilever 1 is always operated by the piezoelectric element 15.
The self-excited oscillation continues. For this reason, cantilever 1
And the tip 2 of the tip is larger than the amplitude due to thermal vibration or the like.
At the resonance state where vibration continues at a large amplitude.
The resonance frequency is the resonance frequency of the cantilever 1 and the probe 2
The basic frequency f0 near the number is obtained. In this resonance state, the z-axis piezoelectric element 4z is driven.
When the surface of the sample 3 approaches the probe 2, the probe 2
Because it receives a force, the resonance frequency decreases. sand
That is, a shift Δf occurs in the resonance frequency. And PLL
24 generates a signal that compensates for the deviation Δf,
4 is a low-pass filter 2
7 is supplied to the error amplifier 10. Error amplifier 1
0 is the low frequency component of the output signal from the PLL 24 and
Preset force gradient-detector output
Compare with the reference signal Ref
Error is detected, and a signal that compensates for the error is supplied to the piezoelectric element drive.
The power is supplied to the dynamic power supply 11. As a result, the piezoelectric element driving power supply 11 has an error.
To output a signal corresponding to the output signal from the amplifier 10
In addition, the output voltage of the piezoelectric element driving power supply 11
The height between the probe 2 and the surface of the sample 3 when the element 4z expands and contracts.
Is controlled, the detection frequency of the PLL 24 is referred to.
Is maintained at a frequency corresponding to the illumination signal Ref (force
Gradient is constant). Thus, the probe 2 and the test
Cantilever deviates due to the change in the distance from the surface of the material 3
The resonance frequency of bar 1 and probe 2 is the first basic resonance frequency
It returns to the number f0.
Is constant, that is, the distance between the probe 2 and the sample 3
(Height) is kept constant. As described above, the search for unevenness on the surface of the sample 3 is performed.
The atomic force between the needle 2 and the sample 3 is
And the change is slower than the voltage modulation frequency component of the probe 2.
To be selectively passed through the low-pass filter 27
As a result, feedback can be made to the z-axis piezoelectric element 4z.
Wear. Then, while performing such control, x
The sample 3 is controlled by the two-axis and y-axis piezoelectric scanning elements 4x and 4y.
Dimensional scan and output signal of error amplifier 10 to CPU 13
Therefore, by performing the processing, the unevenness image (constant) of the surface of the sample 3 is obtained.
Force gradient image) is displayed on one image display device 14.
Will be able to By the way, when performing this control,
A voltage is applied between the probe 2 and the sample 3 by the AC power supply 18.
When the voltage is applied, electric charges are applied to the surfaces of the probe 2 and the sample 3 respectively.
Occurs. The amount of this surface charge is the same for probe 2 and sample 3.
If it is a substance, it becomes positive and negative equivalent and exerts force on the probe 2.
However, if the materials of the probe 2 and the sample 3 are different, the probe 2
To act as an attractive force. For example, using a probe 2 coated with gold
Other adsorbed elements (projections) are scattered on sample 3 such as gold thin film
Suppose you are. The charged state of the surface of this sample 3 is imaged.
In order to make the frequency fm
When an AC voltage is supplied between the probe 2 and the sample 3, the probe 2
And a charge is generated on each surface of the sample 3. For this reason,
Voltage modulation occurs between the probe 2 and the sample 3, and this voltage
The modulation generates a charge attractive force on the probe 2, and the charge attractive force
The change in polarity of the gradient (force gradient)
Detected by detector 7. The output of the detector 7 is as described above.
Similarly, the signal is sent to the PLL 24 and the output of the PLL 24 is output.
Power is supplied to the lock-in amplifier 26. At this time,
The probe 2 is connected to the lock-in amplifier 26 as a reference signal.
A signal including the same signal as the voltage signal fm supplied between the samples 3
No. will be supplied. In that case, the AC power supply 18
The frequency fm is slower than the resonance frequency component of the cantilever 1
Although it is a change, the cutoff of the low-pass filter 27
Since the frequency is set higher than the frequency, the PLL
24 to the lock-in amplifier 26.
The same signal component as the AC voltage signal of frequency fm is
It is not directly involved in controlling the height between surface 2 and sample 3. Then, by the lock-in amplifier 26,
Of the signals supplied to the lock-in amplifier 26, the frequency
fm AC voltage signal and the same signal component are separated.
The signal on the two forces acting between the probe 2 and the sample 3
Signal about the force in such a charge distribution
Are supplied to the inverting amplifier 29. In addition
Inverted amplification of the signal for forces in the separated charge distribution
Output from the inverting amplifier 29 to the CPU 13
Output signal is processed by the CPU 13 and processed
Charge distribution on the surface of the sample 3 by being imaged (colored)
Is obtained, and the other image display device 1
4 will be displayed. As described above, the scanning probe microscope of this embodiment
According to the mirror, the unevenness image (constant force image) of the surface of the sample 3 and the sample 3
Images from the surface charge distribution can be obtained at the same time.
Swell. In the above-mentioned example, the optical lever optical system has a mirror.
-6, but without the mirror 6,
Light reflected directly from the cantilever 1 enters the detector 7
Such an optical system can also be used. Further, in the above-described example, in the case of the optical lever optical system,
Is described, but the cantilever 1 itself is the probe 2
Of the cantilever 1 itself due to the force between the sample and the surface of the sample 3
Position can be detected directly,
Piezoelectric cantilever, whose cantilever 1 itself is an oscillation source
By using it, the displacement of the cantilever 1 can be detected.
The detection optical system using the optical lever can be omitted. in this case
The displacement of the cantilever 1 itself is taken as the voltage output.
The detector 7 can be dispensed with so that the
Voltage output due to displacement of cantilever 1 itself in circuit after 7
Power is supplied. Further, in the above-described example, the specific
Force gradients are detected from changes in frequency.
However, the characteristics of other vibrators such as crystal oscillators with a probe
Changes in frequency may be used. As is apparent from the above description, the present invention
According to the scanning probe microscope of
Feedback response of height control between the sample and the tip that is slower than the wave number
AC voltage with a frequency higher than the response frequency
Between the probe and the probe from the output signal of the detector.
Signal that depends on the applied voltage frequency between
Output, and a signal independent of the excitation frequency of the cantilever
Is detected separately and depends on its excitation frequency.
Distance control between tip and sample based on missing signal
Thus, the concave of the sample surface is determined based on the distance control signal.
A convex image is obtained, and the distance between the probe and the sample is determined from the output signal of the detector.
Signal that depends on the applied voltage frequency
The charge based on the signal that depends on this applied voltage frequency
A non-contact sample surface is obtained because a distribution image is obtained.
And the charge distribution image can be detected at the same time.
Swell.

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明にかかる走査プローブ顕微鏡の実施の
形態の一例を模式的に示す図である。 【図２】 従来の走査プローブ顕微鏡の一例を模式的に
示す図である。 【図３】 従来の走査プローブ顕微鏡の他の例を模式的
に示す図である。 【符号の説明】 １…カンチレバー、２…探針、３…試料、４ｘ…ｘ軸圧
電走査素子、４ｙ…ｙ軸圧電走査素子、４ｚ…ｚ軸圧電
走査素子、５…レーザー光源、６…ミラー、７…フォト
ディテクター（検出器）、８…Ｉ／Ｖアンプ、１０…誤
差増幅器、１１…圧電素子駆動電源、１２…スキャンジ
ェネレータ、１３…中央処理装置（ＣＰＵ）、１４…画
像表示装置、１５…圧電素子、１６…発振電源、２１…
位相調整器、２３…振幅調整器、２４…ＦＭ検波器（Ｐ
ＬＬ）、２６…ロックインアンプ、２７…ローパスフィ
ルターフィルタ、２８…フィードバック制御回路、２９
…反転増幅器、３０…加算器BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an example of a conventional scanning probe microscope. FIG. 3 is a diagram schematically showing another example of a conventional scanning probe microscope. [Description of Signs] 1 ... cantilever, 2 ... probe, 3 ... sample, 4x ... x-axis piezoelectric scanning element, 4y ... y-axis piezoelectric scanning element, 4z ... z-axis piezoelectric scanning element, 5 ... laser light source, 6 ... mirror , 7: Photodetector (detector), 8: I / V amplifier, 10: Error amplifier, 11: Piezoelectric element drive power supply, 12: Scan generator, 13: Central processing unit (CPU), 14: Image display device, 15 ... Piezoelectric element, 16 ... Oscillation power supply, 21 ...
Phase adjuster, 23: Amplitude adjuster, 24: FM detector (P
LL), 26: lock-in amplifier, 27: low-pass filter filter, 28: feedback control circuit, 29
... Inverting amplifier, 30 ... Adder

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−288990（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−239329（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26614（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201373（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−48224（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−223520（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−133709（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−312873（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−258069（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−273428（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−120593（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−58193（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平８−30708（ＪＰ，Ｂ２) Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ Ｋｉｔａｍｕｒ ａ， Ｋａｔｓｕｙｕｋｉ Ｓｕｚｕｋ ｉ ａｎｄ Ｍａｓａｓｈｉ Ｉｗａｔ ｓｕｋｉ，”Ｓｉ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｏ ｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｂｙ Ｕｌｔｒ ａｈｉｇｈ−Ｖａｃｕｕｍ Ｎｏｎｃｏ ｎｔａｃｔ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”，ＪＥＯＬ Ｎｅｗｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｏｐｔ Ｉｎｓｔｒｕｍ，日本，ＪＥＯＬ Ｌｔ ｄ．，1996年 ８月30日，第32巻、第１ 号，ｐ．42−49 Ｊ． Ｍ． Ｒ． Ｗｅａｖｅｒ ａ ｎｄ Ｄａｖｉｄ Ｗ． Ａｂｒａｈａ ｍ，”Ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒ ｏｓｃｏｐｙ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔ ｒｙ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃ ｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ Ｂ，米国，Ａｍｅｒｉｃ ａｎ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｏｃｉｅｔｙ, 1991年 ５月，第９巻、第３号，ｐ. 1559−1561 Ａｌｂｅｒｔ Ｋ． Ｈｅｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，”Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎ ｓｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｏｐ ａｎｔ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｉｎ ｓ ｉｌｉｃｏｎ ｕｓｉｎｇ ｓｃａｎｎ ｉｎｇ Ｋｅｌｖｉｎ ｐｒｏｂｅ ｍ ｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，米国，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔ ｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ, 1995年 ３月 １日，第77巻、第５号, ｐ．1888−1896 Ｍ． Ｎｏｎｎｅｎｍａｃｈｅｒ， Ｍ． Ｐ． Ｏ’Ｂｏｙｌｅ， ａｎｄ Ｈ． Ｋ． Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎ ｇｈｅ ，”Ｋｅｌｖｉｎ ｐｒｏｂｅ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐ ｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，米国，Ａｍｅｒｉｃ ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈ ｙｓｉｃｓ，1991年 ６月24日，第58 巻、第25号，ｐ．2921−2923 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)Continuation of front page (56) References JP-A-9-288990 (JP, A) JP-A-10-239329 (JP, A) JP-A-5-26614 (JP, A) JP-A-6-201373 (JP) JP-A-10-48224 (JP, A) JP-A-5-223520 (JP, A) JP-A-5-133709 (JP, A) JP-A-5-312873 (JP, A) JP-A-6-273428 (JP, A) JP-A-9-120593 (JP, A) JP-B-7-58193 (JP, B2) JP-B-8-30708 (JP, A) B2) Shin-ichi Kitamura, Katsushiki Suzuki and Masashi Iwat suki, "Si Surface Observation by Ultra Economy Non-Acousto Non Economy Non-Acousto Non Economy Non Economy Non Economy Non Economy Non Economy Non Economy. pt Instrum, Japan, JEOL Lt d. , August 30, 1996, Volume 32, Issue 1, p. 42-49J. M. R. Weaver and David W.W. Abraham, "High Resolution Atomic Force Microscopy Potentiometry", Journal of Vacuum Science, Vol. 1991, Vol. K. Henning et al. , "Two-dimension sionic surface dopant profiling in silicon using scanning Kelvin probe microscopy", Journal of the United States, July 1, 1995, January, January, Applied Physics, USA. , p. 1888-1896 M.P. Nonnnemacher, M .; P. O'Boyle, and H. K. Wickramasin ghe, "Kelvin probe force microscopy", Applied Physics Letters, USA, America, Institute of Physics, June 24, 1991, Vol. 2921-2923 (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 JICST file (JOIS)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 試料に対向して配置された探針を有する
カンチレバーと、これらのカンチレバーおよび探針が前
記試料と前記探針との間の物理力によって変位したと
き、前記カンチレバーの変位量を検出する検出する検出
器とを備えた走査プローブ顕微鏡であって、 前記カンチレバーおよび前記探針をそれらの共振周波数
近傍の加振周波数でかつこの加振周波数を維持しながら
加振する加振手段と、前記検出器の出力信号から前記カ
ンチレバーの加振周波数に依存しない信号を分離検出す
る分離検出手段と、前記探針と前記試料との間に、前記
カンチレバーの前記共振周波数より遅くかつ高さ制御の
帰還応答周波数より速い周波数の信号で電圧を印加する
ための交流電圧源と、前記検出器の出力信号から前記交
流電圧源の周波数に依存する信号を分離検出するととも
に、その検出信号を反転増幅する反転増幅手段と、この
反転増幅手段の出力と前記交流電源の出力とを加算する
加算手段とを設け、 前記分離検出手段は前記反転増幅手段を含む帰還回路を
形成し、前記反転増幅手段は分離検出した信号を常にゼ
ロとするように誤差増幅を行うように構成し、前記検出
器の出力信号から分離検出された前記カンチレバーの加
振周波数よりも低い周波数成分の信号に基づいて前記探
針と前記試料との間の距離制御を行うことにより、前記
試料表面の凹凸像を得るとともに、前記検出器の出力信
号から前記電源周波数に依存する信号を分離検出した信
号を反転した信号に基づいて、前記試料の電荷分布画像
を得ることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。(57) [Claim 1] A cantilever having a probe arranged opposite to a sample, and the cantilever and the probe are displaced by a physical force between the sample and the probe. And a detector for detecting the amount of displacement of the cantilever, wherein the cantilever and the probe are maintained at an excitation frequency near their resonance frequency and the excitation frequency is maintained. Vibrating means while vibrating, separation detecting means for separating and detecting a signal independent of the vibration frequency of the cantilever from the output signal of the detector, and between the probe and the sample, An AC voltage source for applying a voltage with a signal having a frequency lower than the resonance frequency and higher than a feedback response frequency of height control, and the AC voltage source based on an output signal of the detector. And an inverting amplifying means for inverting and amplifying the detection signal, and an adding means for adding the output of the inverting amplifying means and the output of the AC power supply, and the separation detecting means. Forms a feedback circuit including the inverting amplification means, the inversion amplification means is configured to perform error amplification so that the separated and detected signal is always zero, and the separated and detected signal is output from the detector. By performing distance control between the probe and the sample based on a signal of a frequency component lower than the excitation frequency of the cantilever, an uneven image of the sample surface is obtained, and the output signal of the detector is A scanning probe microscope, wherein a charge distribution image of the sample is obtained based on a signal obtained by inverting a signal obtained by separating and detecting a signal dependent on a power supply frequency.