(57)【要約】【課題】硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、加振信号に基づいてカンチレバー１２を振動させる加振部１４と、カンチレバー１２の変位を表す変位信号を出力する変位検出部１５と、加振信号と変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部３０と、加振信号と変位信号の位相差と位相オフセットの情報を含む位相信号を生成する位相信号生成部と、位相信号に基づいてプローブ１１と試料１９の間の距離を制御するコントローラ２５を備えている。位相調整部３０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態において存在する初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量を合算して位相オフセットとして位相差に与える。【選択図】図１
2014202629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端にプローブをもつカンチレバーを用いて試料表面の情報を取得する走査型プローブ検鏡法であって、
加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させるステップと、
前記カンチレバーの変位を表す変位信号を得るステップと、
前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与えるステップと、
前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含む第一の位相信号を得るステップと、
前記第一の位相信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御するステップを備えており、
前記位相オフセットを与えるステップは、前記プローブと前記試料が接触していない状態において存在する前記加振信号と前記変位信号の初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量を与えるステップである、走査型プローブ検鏡法。
【請求項２】
前記第一の位相信号を得るステップは、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を得るステップを含んでおり、
前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態において前記第一の位相信号の大きさが最大となる第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量である、請求項１記載の走査型プローブ検鏡法。
【請求項３】
前記第一の位相信号に対して位相が（π／２[ｒａｄ]）遅れた第二の位相信号を得るステップを備えており、
前記第一の位相信号を得るステップは、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を得るステップを含んでおり、
前記第二の位相信号を得るステップは、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの正弦（ｓｉｎ）情報を得るステップを含んでおり、
前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態において前記第一の位相信号の大きさと前記第二の位相信号の大きさがともに０以上となる位相量である、請求項１記載の走査型プローブ検鏡法。
【請求項４】
カンチレバーの自由端に設けられたプローブと試料の相互作用を検出する走査型プローブ顕微鏡であって、
加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、
前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含む第一の位相信号を生成する位相信号生成部と、
前記第一の位相信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する制御部と、を備え、
前記位相調整部は、前記プローブと前記試料が接触していない状態において存在する前記加振信号と前記変位信号の初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量を合算して位相オフセットとして前記位相差に与える、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記第一の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を含んでおり、
前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号の大きさが最大となる第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量である、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記変位信号の振幅値をＡ、前記初期位相差をφ０、前記位相オフセットを（−ψ）とすると、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号はＡｃｏｓ（φ０−ψ）であり、
前記位相オフセット（−ψ）は、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号の大きさが最大となる第一の位相量（−φ０）と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量の合算量である、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記位相調整部は、
前記位相オフセットの情報を入力する入力部と、
前記第一の位相信号を表示する位相表示部と、を有し、
前記位相調整部は、前記入力部によって入力された前記位相オフセットの情報に従って前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項４〜請求項６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含み、前記第一の位相信号に対して位相が（π／２[ｒａｄ]）遅れた第二の位相信号を生成する第二の位相信号生成部を備えており、
前記第一の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を含んでおり、
前記第二の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの正弦（ｓｉｎ）情報を含んでおり、
前記位相オフセットは、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号の大きさと前記第二の位相信号の大きさがともに０以上となる位相量である、請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記変位信号の振幅値をＡ、前記初期位相差をφ０、前記位相オフセットを（−ψ）とすると、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号はＡｃｏｓ（φ０−ψ）であり、
前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第二の位相信号はＡｃｏｓ（φ０−ψ−π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０−ψ）であり、
前記位相オフセット（−ψ）は、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号Ａｃｏｓ（φ０−ψ）の大きさと前記第二の位相信号Ａｓｉｎ（φ０−ψ）の大きさがともに０以上となる位相量、すなわち（φ０−ψ）が（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下となる位相量である、請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記位相調整部は、
前記位相オフセットの情報を入力する入力部と、
前記第一の位相信号を表示する第一の位相表示部と、
前記第二の位相信号を表示する第二の位相表示部と、を有し、
前記位相調整部は、前記入力部によって入力された前記位相オフセットの情報に従って前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項８または請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含み、前記第一の位相信号に対して位相が（π／２[ｒａｄ]）遅れた第二の位相信号を生成する第二の位相信号生成部を備えており、
前記第一の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの余弦（ｃｏｓ）情報を含んでおり、
前記第二の位相信号は、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの正弦（ｓｉｎ）情報を含んでおり、
前記位相調整部は、
（０[ｒａｄ]）以上（π／２[ｒａｄ]）以下の位相量を入力する入力部と、
前記第一の位相信号と前記第二の位相信号に基づいて、前記第一の位相信号の位相値を求めて出力する位相値検出部と、
前記プローブと前記試料が接触していない状態において前記位相量と前記位相値を比較し、前記位相値が前記位相量に一致するような前記位相オフセットを求める位相値制御部と、を有し、
前記位相調整部は、前記位相値制御部で得られた前記位相オフセットを前記位相差に与える、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記変位信号の振幅値をＡ、前記初期位相差をφ０、前記位相オフセットを（−ψ）とすると、前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第一の位相信号はＡｃｏｓ（φ０−ψ）であり、
前記プローブと前記試料が接触していない状態における前記第二の位相信号はＡｃｏｓ（φ０−ψ−π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０−ψ）であり、
前記位相値検出部は、前記第二の位相信号を前記第一の位相信号で除算して｛Ａｓｉｎ（φ０−ψ）｝／｛Ａｃｏｓ（φ０−ψ）｝＝ｔａｎ（φ０−ψ）を求め、ｔａｎ（φ０−ψ）から前記第一の位相信号の位相値（φ０−ψ）を算出し、
前記位相制御部は、前記入力部に入力された（０[ｒａｄ]）以上（π／２[ｒａｄ]）以下の前記位相量と、前記第一の位相信号の位相値（φ０−ψ）が一致するような前記位相オフセット、すなわち（φ０−ψ）が（０[ｒａｄ]）以上（π／２[ｒａｄ]）以下となる前記位相オフセットを求める、請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的プローブを走査しながら試料表面の情報を取得してマッピング表示する走査型顕微鏡の総称である。ＳＰＭには、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などがある。
【０００３】
ＡＦＭは、ＳＰＭの中で最も広く使用されており、機械的プローブをその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的プローブと試料を相対的に走査する走査機構を主要な要素として備えている。その光学式変位センサーには、構成が簡単でありながら検出感度が高いことから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。この光てこ式の光学式変位センサーは、カンチレバー上に直径が数μｍから数十μｍの光束を照射し、カンチレバーの反りの変化に応じた反射光の反射方向の変化を二分割光ディテクタなどによりとらえることにより、カンチレバーの自由端にある機械的プローブの動作を反映した電気信号を出力する。ＡＦＭは、走査機構によって、光学式変位センサーの出力が一定になるように機械的プローブと試料の間の相対距離をＺ方向に制御しながら機械的プローブと試料の間の相対位置をＸＹ方向に走査することにより、試料表面の凹凸の状態をマッピングしてコンピュータのモニター上に表示する。
【０００４】
ＡＦＭでは、カンチレバーを振動させ、その振動特性から試料とプローブの間に働く相互作用を検出する方式（ＡＣモード）を採用することが多い。それは、試料とプローブの間に働く力を通常の方式（コンタクトモードと呼ばれる）に比べて弱く保つことができる利点があるからである。このＡＣモードＡＦＭでは、試料とプローブの間に働く相互作用により生じるカンチレバーの振動すなわち変位の振幅変化や位相変化の一方を検出し、その検出結果に基づいて試料の表面形状を測定している。
【０００５】
特開２００８−２３２９８４号公報は、この種のＡＣモードＡＦＭのひとつを開示している。このＡＣモードＡＦＭは、振幅変化と位相変化の一方を切り換えて検出し得る構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３２９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＡＣモードＡＦＭにおいては、試料とプローブの間に働く相互作用が斥力の領域において振動状態の変化（振幅変化や位相変化）を検出し、それに基づいて画像形成することが多い。カンチレバーの変位の振幅は、試料とプローブの間の斥力が大きくなるにつれて減少する。またカンチレバーの変位の位相は、斥力が大きくなるにつれて進む。
【０００８】
振幅の変化は、硬い試料においては変化率が大きく、柔らかい試料においては変化率が小さい。つまり振幅変化の検出感度は、硬い試料に対しては高く、柔らかい試料に対しては低い。反対に、位相の変化は、硬い試料においては振幅変化に比べて変化率が小さく、柔らかい試料に対しては振幅変化に比べて変化率が高い。つまり位相変化の検出感度は、硬い試料に対しては低く、柔らかい試料に対しては高い。
【０００９】
これまでのＡＣモードＡＦＭは、振幅変化と位相変化のどちらか一方に基づいて斥力を検出しているため、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対しては、硬い部分と柔らかい部分の両方において斥力を高感度に検出することが難しい。これは、測定精度を低下させるだけでなく、制御を不安定にさせる要因にもなる。
【００１０】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定して測定し得る走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、加振信号に基づいて前記カンチレバーを振動させる加振部と、前記カンチレバーの変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差に位相オフセットを与える位相調整部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差と前記位相オフセットの情報を含む第一の位相信号を生成する位相信号生成部と、前記第一の位相信号に基づいて前記プローブと前記試料の間の距離を制御する制御部と、を備えている。前記位相調整部は、前記プローブと前記試料が接触していない状態において存在する前記加振信号と前記変位信号の初期位相差をキャンセルする第一の位相量と、（０[ｒａｄ]）以上かつ（π／２[ｒａｄ]）以下の第二の位相量を合算して位相オフセットとして前記位相差に与える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してもその表面形状を高い精度で安定に測定し得る走査型プローブ顕微鏡および走査型プローブ検鏡法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図２】第一実施形態における位相調整部の構成を示している。
【図３Ａ】Ａｃｏｓ（φ）とＡｃｏｓ（φ＋π／２）のグラフを示している。
【図３Ｂ】Ａｃｏｓ（φ＋π／４）のグラフを示している。
【図４】第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図５】第二実施形態における位相調整部の構成を示している。
【図６】第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図７】第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図８】第四実施形態における位相調整部の構成を示している。
【図９】第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示している。
【図１０】第五実施形態における位相調整部の構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
＜第一実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を図１に示す。図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡は、自由端にプローブ１１をもつカンチレバー１２を有している。このカンチレバー１２は、試料１９に正対するようにホルダ１３に保持され得る。
【００１６】
走査型プローブ顕微鏡はまた、カンチレバー１２の変位を検出し、その変位を表す変位信号を出力する変位検出部１５を有している。変位検出部１５は、光てこ式の光学式変位センサーで構成されており、カンチレバー１２の背面に集束されたレーザ光を照射するレーザ光源１６と、カンチレバー１２の背面から反射されたレーザ光を受ける分割ディテクタ１７と、分割ディテクタ１７の出力からカンチレバー１２の変位信号を生成する演算アンプ１８から構成されている。
【００１７】
走査型プローブ顕微鏡はまた、加振信号に基づいてカンチレバー１２を振動させる加振部１４と、加振部１４に加振信号を供給する信号発生部２８を有している。加振部１４は、たとえば、ホルダ１３に設けられている。加振部１４は、たとえば圧電素子で構成され、カンチレバー１２をその機械的共振周波数近傍の周波数で所定の振幅で振動させ得る。信号発生部２８は、加振信号を出力するほか、加振信号に同期した第一の同期信号を出力する。この第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数で同位相のたとえば方形波信号（ロジック信号）で構成され得る。
【００１８】
走査型プローブ顕微鏡はまた、位相調整部３０と位相信号生成部３１を有している。位相調整部３０は、信号発生部２８から供給される第一の同期信号の位相に所定の位相オフセットを与え、第二の同期信号を生成して位相信号生成部３１へ供給する。位相信号生成部３１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と位相調整部３０から供給される第二の同期信号の位相差の情報、言い換えれば、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号の位相差と、位相オフセットの情報を含む位相信号を生成して出力する。この位相信号は位相調整部３０へ供給され、第二の同期信号を生成するための参照信号として用いられる。図２に位相調整部３０の構成を示す。図２に示すように、位相調整部３０は、位相調整器３２と位相調整器３３から構成される。つまり位相調整部３０は２段階の位相調整機能を備えている。
【００１９】
走査型プローブ顕微鏡はまた、試料１９とプローブ１１を三次元的に相対的に移動させる走査部２０を有している。走査部２０は、Ｚスキャナ２１とＸＹスキャナ２２から構成されている。Ｚスキャナ２１はＸＹスキャナ２２上に配置されており、Ｚスキャナ２１上には、図示しない試料台を介して試料１９が載置され得る。Ｚスキャナ２１は、Ｚドライバ２３により駆動され、プローブ１１に対して試料１９をＺ方向に移動させ得る。またＸＹスキャナ２２は、ＸＹドライバ２４により駆動され、プローブ１１に対して試料１９をＸＹ方向に移動させ得る。
【００２０】
走査型プローブ顕微鏡はまた、Ｚドライバ２３とＸＹドライバ２４を制御するコントローラ２５と、試料１９の表面の画像を形成するホストコンピュータ２７を有している。コントローラ２５は、試料１９の表面に沿ってプローブ１１を二次元的に走査するためのＸＹ走査信号と、プローブ１１と試料１９の間の距離を制御するためのＺ制御信号を生成し得る。コントローラ２５は、位相信号からＺ制御信号を生成するＺ制御部２６を有している。ホストコンピュータ２７は、コントローラ２５で生成されるＸＹ走査信号とＺ制御信号を用いて試料１９の表面の画像を形成し得る。
【００２１】
ここで信号の流れについて詳細に説明する。
【００２２】
加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔとおく。ここで、Ａ０は、加振信号の振幅、ω０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ０とすると、２π・ｆ０とほぼ等しい値をもつ。
【００２３】
第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω０）で同位相のたとえば方形波信号とする。
【００２４】
カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。
【００２５】
位相調整部３０は、信号発生部２８から出力される第一の同期信号の位相に位相オフセットψを与える。すなわち、位相調整部３０は、第一の同期信号の位相を（＋ψ）だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット（−ψ）を与えることと等価である。位相信号生成部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）との位相差の情報を含む位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００２６】
位相調整部３０は、位相調整器３２と位相調整器３３により、２段階で位相オフセットψを与える。位相調整器３２が与える位相量をψ１、位相調整器３３が与える位相量をψ２とおくと、ψ＝ψ１＋ψ２となる。
【００２７】
詳しくは、位相調整器３２は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときに、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差φ０をキャンセルする位相量ψ１（＝φ０）を第一の同期信号に与える。このとき、位相信号であるＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）の大きさはＡｃｏｓ（０）＝Ａとなる。言い換えれば、位相調整器３２は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態において、位相信号であるＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）の大きさが最大となるような位相量ψ１＝φ０を第一の同期信号に与える。そして位相調整器３３は、位相調整器３２の出力に、（−π／２[ｒａｄ]）以上（０[ｒａｄ]）以下の位相量を与える。つまりψ２は、（−π／２[ｒａｄ]）≦ψ２≦（０[ｒａｄ]）を満たす所定量である。このとき位相信号生成部３１から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（ψ１＋ψ２）｝＝Ａｃｏｓ（φ−ψ２）となる。ここでψ２は、（−π／２[ｒａｄ]）≦ψ２≦（０[ｒａｄ]）である。
【００２８】
このＡｃｏｓ（φ−ψ２）は、図３Ａに示すグラフＡｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／２）＝−Ａｓｉｎ（φ）とグラフＡｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ）の間に入るグラフとなる。図３Ｂは、図３Ａに示す２つのグラフの中間、すなわちψ２＝−π／４のときのグラフＡｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／４）である。図３Ａのグラフ中のα点はψ２＝０のときのＹ軸とのクロス点であり、β点はψ２＝−π／２のときのＹ軸とのクロス点である。また図３Ｂのγ点はψ２＝−π／４のときのＹ軸とのクロス点である。
【００２９】
図３Ａと図３Ｂのグラフからわかるように、α点の位置では、位相シフト量φの変化に対して一番鈍感（低感度）になる。つまりＡｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ）のときは、プローブ１１と試料１９が接触して発生する位相シフト量φに対して最も鈍感（低感度）になる。またβ点の位置では、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）になる。つまりＡｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／２）＝−Ａｓｉｎ（φ）のときは、プローブ１１と試料１９が接触して発生する位相シフト量φに対して最も敏感（高感度）になる。そしてγ点の位置では、α点とβ点の中間程度、正確にはβ点の約０．７倍の感度になる。つまりＡｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ＋π／４）のときは、プローブ１１と試料１９が接触して発生する位相シフト量φに対して中間程度の感度になる。
【００３０】
ここでＡｃｏｓ（φ−ψ２）は、Ａｃｏｓ（φ−ψ２）＝Ａｃｏｓ（φ）ｃｏｓ（−ψ２）−Ａｓｉｎ（φ）ｓｉｎ（−ψ２）と記述できる。そしてｃｏｓ（−ψ２）とｓｉｎ（−ψ２）は定数として扱える。
【００３１】
この式より、Ａｃｏｓ（φ−ψ２）は、Ａｃｏｓ（φ）と−Ａｓｉｎ（φ）を混成したものとして扱える。そしてｃｏｓ（−ψ２）とｓｉｎ（−ψ２）の定数は、Ａｃｏｓ（φ）と−Ａｓｉｎ（φ）の混成比を決めるものとなる。例えば、ψ２＝０のときは、Ａｃｏｓ（φ）と−Ａｓｉｎ（φ）の混成比は１：０となる。またψ２＝−π／２のときは、Ａｃｏｓ（φ）と−Ａｓｉｎ（φ）の混成比は０：１となる。そしてψ２＝−π／４のときは、Ａｃｏｓ（φ）と−Ａｓｉｎ（φ）の混成比は１：１となる。
【００３２】
測定部分が硬い場合には、カンチレバー１２の変位信号は、位相よりも振幅が大きく変化する。この振幅は、試料１９とプローブ１１の間に作用する斥力が大きくなるにつれて減少する。反対に、測定部分が柔らかい場合には、カンチレバー１２の変位信号は、振幅よりも位相が大きく変化する。この位相は、試料１９とプローブ１１の間に作用する斥力が大きくなるにつれて進む（＋φの方向にシフトする）。
【００３３】
従って、測定部分が硬い場合、すなわち振幅の変化が位相シフト量φよりも大きい場合の信号の変化量は、φの変化が小さい場合はｃｏｓφ≒１とおけることから、Ａｃｏｓφ≒Ａ、すなわちＡｃｏｓφはほぼＡと同じと見なすことができるので、Ａｃｏｓ（φ）は大きく変化するが、−Ａｓｉｎ（φ）の変化は小さい。また測定部分が柔らかい場合には、−Ａｓｉｎ（φ）は大きく変化するが、Ａｃｏｓ（φ）の変化は小さい。
【００３４】
以上より、測定部分が硬い場合には、ψ２＝０となるようにψ２を調整すれば、位相信号であるＡｃｏｓ（φ−ψ２）はＡｃｏｓ（φ）となるので、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を高感度で検出することができる。
【００３５】
また測定部分が柔らかい場合には、ψ２＝−π／２となるようにψ２を調整すれば、位相信号であるＡｃｏｓ（φ−ψ２）は−Ａｓｉｎ（φ）となるので、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を高感度で検出することができる。
【００３６】
さらに測定部分に硬い部分と柔らかい部分が同じくらい存在する場合は、ψ２＝−π／４となるようにψ２を調整すれば、位相信号であるＡｃｏｓ（φ−ψ２）は、（２１／２／２）×｛Ａｃｏｓ（φ）−Ａｓｉｎ（φ）｝となるので、硬い部分と柔らかい部分の両方に対して高感度で試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を検出することができる。
【００３７】
以上のように、本発明の第一実施形態によれば、位相調整部３０により、Ａｃｏｓ（φ）と−Ａｓｉｎ（φ）からなる混成信号を生成でき、さらにそれらの混成比を調整できる。硬い部分が多い試料に対しては、ψ２を０に近づけるとよい。柔らかい部分が多い試料に対しては、ψ２を−π／２に近づけるとよい。硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料に対しては、ψ２を−π／４に近づけるとよい。その結果、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料に対してその表面形状を高精度で測定することができる。また硬い部分と柔らかい部分の混在比がいかなる場合でも、位相調整部３０の調整により高精度な測定が可能となる。
【００３８】
なお、本発明の第一実施形態においては、位相調整部３０の調整動作は、アナログ回路、デジタル回路、ソフトウエアなど、何を用いてもよい。
【００３９】
また、本発明の第一実施形態においては、位相調整を第一の同期信号に対して行ったが、変位信号に対して行っても同様の効果が得られる。この場合は、変位信号に対して与える位相オフセットは（−ψ＝−ψ１−ψ２）となる。
【００４０】
＜第二実施形態＞
図４に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、位相調整部４０の構成が異なるほかは、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、位相調整部４０の構成と作用を説明する。
【００４１】
図５は、位相調整部４０の構成を示している。図５に示すように、位相調整部４０は、位相調整器４１と入力部４２と位相表示部４３から構成されている。
【００４２】
入力部４２は、第一の同期信号に与える位相オフセットの情報を入力するためのものであり、例えば数値入力方式のインターフェースを備えている。位相調整器４１は、入力部４２に入力された情報に対応する位相量を第一の同期信号に与えるものである。位相表示部４３は、位相信号を表示するものであり、たとえば、位相信号の大きさを表示する数値メータである。
【００４３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、まず位相表示部４３に表示される位相信号の大きさをモニターしながら、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときに、位相信号が最大となるような位相量を入力部４２に入力する。すなわち、第一の同期信号の位相を（φ０）だけシフトさせ、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差をキャンセルする位相量を入力部４２に入力する。その状態からさらに、（−π／２[ｒａｄ]）以上（０[ｒａｄ]）以下の位相量を入力部４２に追加する。すなわち入力部４２には、第一実施形態に示した位相量ψ１と位相量ψ２を加算した位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２）と同等の位相量を入力することになる。そして位相調整器４１では、入力部４２に入力された位相量に従って、第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２）を与える。
【００４４】
従って第二実施形態では、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに第二実施形態では、位相信号の大きさをモニターできるので、直感的に位相調整ができる。
【００４５】
＜第三実施形態＞
図６に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡に対して、位相調整部３０が位相調整部５０に置き換えられているとともに、位相信号生成部５１が追加されている点において相違している。そのほかの構成は、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同様である。
【００４６】
位相調整部５０は、信号発生部２８から供給される第一の同期信号の位相に所定の位相オフセットを与え、第二の同期信号を生成して位相信号生成部３１と位相信号生成部５１へ供給する。
【００４７】
位相信号生成部５１は、位相加算部５２を有している。位相加算部５２は、位相調整部５０から供給される第二の同期信号に（π／２[ｒａｄ]）を加算する。
【００４８】
位相信号生成部５１では、変位検出部１５供給されるカンチレバー１２の変位信号と、第二の同期信号に位相量（π／２）を加算したものとの位相差の情報、言い換えれば、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号の位相差と、位相調整部５０で第一の同期信号に与える位相オフセットと、位相加算部５２で第二の同期信号に与える位相量（π／２）のすべての情報を含む第二の位相信号を生成して出力する。この第二の位相信号は、第一の位相信号に対して位相を（π／２）だけ遅らせたものと等価である。
【００４９】
この第二の位相信号は、第一の位相信号とともに位相調整部５０へ供給され、第二の同期信号を生成するための参照信号として用いられる。
【００５０】
ここで信号の流れについて詳細に説明する。
【００５１】
加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔとおく。ここで、Ａ０は、加振信号の振幅、ω０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ０とすると、２π・ｆ０とほぼ等しい値をもつ。
【００５２】
第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω０）で同位相のたとえば方形波信号とする。
【００５３】
カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。
【００５４】
位相調整部５０は、信号発生部２８から出力される第一の同期信号の位相に位相オフセットψを与える。すなわち、位相調整部５０は、第一の同期信号の位相を（＋ψ）だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット（−ψ）を与えることと等価である。
【００５５】
位相信号生成部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）との位相差の情報を含む第一の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００５６】
位相信号生成部５１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と、第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）に位相量（π／２）を加算したものとの位相差の情報を含む第二の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ−π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００５７】
位相調整部５０は、第一の位相信号と第二の位相信号を参照して、所定の位相オフセットを第一の同期信号に与える。
【００５８】
詳しくは、位相調整部５０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときにＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）とＡｓｉｎ（φ０＋φ−ψ）がともに０以上となるような、すなわちＡｃｏｓ（φ０−ψ）とＡｓｉｎ（φ０−ψ）がともに０以上となるような位相オフセットを第一の同期信号に与える。
【００５９】
Ａｃｏｓ（φ０−ψ）とＡｓｉｎ（φ０−ψ）がともに０以上となる（φ０−ψ）の範囲は、（０[ｒａｄ]）≦（φ０−ψ）≦（π／２[ｒａｄ]）である。（φ０−ψ）＝（０[ｒａｄ]）のときは、ψ＝φ０となる。また（φ０−ψ）＝（π／２[ｒａｄ]）のときは、ψ＝φ０−π／２となる。つまり位相調整部５０が与える位相オフセットψは、｛φ０＋（−π／２）｝≦ψ≦｛φ０＋（０）｝となる。これは、第一実施形態で与える位相オフセット（ψ１＋ψ２）と全く等価である。
【００６０】
つまり、硬い部分が多い試料に対しては、Ａｓｉｎ（φ０−ψ）を０に近づけるように、たとえばψ＝φ０となるように、ψを調整するとよい。柔らかい部分が多い試料に対しては、Ａｃｏｓ（φ０−ψ）を０に近づけるように、たとえばψ＝φ０−π／２となるように、ψを調整するとよい。硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料に対しては、たとえばＡｃｏｓ（φ０−ψ）とＡｓｉｎ（φ０−ψ）が等しくなるように、すなわちψ＝φ０−π／４となるように、ψを調整するとよい。
【００６１】
従って、本発明の第三実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
さらに第三実施形態では、第一実施形態で用いられた二段階調整が必要なく、容易に位相調整が可能になる。
【００６３】
＜第四実施形態＞
図７に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、位相調整部６０の構成が異なるほかは、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、位相調整部６０の構成と作用を説明する。
【００６４】
図８は、位相調整部６０の構成を示している。図８に示すように、位相調整部６０は、位相調整器６１と入力部６２と位相表示部６３と位相表示部６４から構成されている。
【００６５】
入力部６２は、第一の同期信号に与える位相オフセットの情報を入力するためのものであり、例えば数値入力方式のインターフェースを備えている。位相調整器６１は、入力部６２に入力された情報に対応する位相量を第一の同期信号に与えるものである。位相表示部６３は、第一の位相信号の大きさを表示する数値メータである。また位相表示部６４は、第二の位相信号を表示するものであり、第二の位相信号の大きさを表示する数値メータである。
【００６６】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、位相表示部６３に表示される第一の位相信号の大きさと、位相表示部６４に表示される第二の位相信号の大きさをモニターしながら、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときに、第一の位相信号と第二の位相信号がそれぞれ０以上となるような位相量を入力部６２に入力する。すなわち入力部６２には、第一実施形態に示した位相量ψ１と位相量ψ２を加算した位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２）と同等の位相量を入力することになる。そして位相調整器６１では、入力部６２に入力された位相量に従って、第一の同期信号に（ψ＝ψ１＋ψ２）と同等の位相オフセットを与える。
【００６７】
詳しくは、硬い部分が多い試料のために、第一の位相信号の大きさが最大に、第二の位相信号の大きさが０に調整されるときは、位相調整部６０は第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２＝φ０）を与える。また、柔らかい部分が多い試料のために、第一の位相信号の大きさが０に、第二の位相信号の大きさが最大に調整されるときは、位相調整部６０は第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２＝φ０−π／２）を与える。さらに、硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料のために、第一の位相信号の大きさと第二の位相信号の大きさが等しく調整されるときは、位相調整部６０は第一の同期信号に位相オフセット（ψ＝ψ１＋ψ２＝φ０−π／４）を与える。
【００６８】
従って第四実施形態では、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
さらに第四実施形態では、第一の位相信号の大きさと第二の位相信号の大きさをそれぞれモニターできるので、第三実施形態よりも直感的に位相調整ができる。また、熱ドリフトなどに起因する第一の位相信号と第二の位相信号の変動にも容易に対応できる。
【００７０】
＜第五実施形態＞
図９に示す本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、位相調整部７０の構成が異なるほかは、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と同じである。したがって、ここでは、位相調整部７０の構成と作用を説明する。
【００７１】
図１０は、位相調整部７０の構成を示している。図１０に示すように、位相調整部７０は、位相調整器７１と位相値検出部７２と入力部７３と位相制御部７４から構成されている。そして位相値検出部７２は、除算部７２Ａと位相値算出部７２Ｂを備えている。
【００７２】
除算部７２Ａには第一の位相信号と第二の位相信号が供給され、そこで（第二の位相信号／第一の位相信号）を算出する。そして位相値算出部７２Ｂは、除算部７２Ａで算出された（第二の位相信号／第一の位相信号）の位相値を算出する。例えば第一の位相信号と第二の位相信号がそれぞれＡｃｏｓ（θ１）とＡｓｉｎ（θ１）であるとすると、除算部７２Ａでは（第二の位相信号／第一の位相信号）、すなわちｔａｎ（θ１）を算出する。そして位相値算出部７２Ｂでは、（第二の位相信号／第一の位相信号）であるｔａｎ（θ１）の位相値、すなわち（θ１）を算出する。従って位相値検出部７２は、第一の位相信号の位相値を求め得る。
【００７３】
入力部７３は、プローブ１１と試料１９が接触していないときの第一の位相信号の位相値が所望となるよう第一の同期信号に与える位相オフセットを指示するものである。入力部７３には、所定の位相量を、例えば数値入力方式のインターフェースにより入力される。
【００７４】
位相制御部７４は、プローブ１１と試料１９が接触していないときにおいて、位相値検出部７２で求めた第一の位相信号の位相値と、入力部７３に入力された位相量とを比較し、それらが一致するような位相オフセットを求めるものである。
【００７５】
位相調整器７１は、位相制御部７４で求めた位相オフセットを第一の同期信号に与えるものである。
【００７６】
ここで信号の流れについて詳細に説明する。
【００７７】
加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔとおく。ここで、Ａ０は、加振信号の振幅、ω０は、加振信号の角振動数、ｔは時間である。ω０は、カンチレバー１２の共振周波数をｆ０とすると、２π・ｆ０とほぼ等しい値をもつ。
【００７８】
第一の同期信号は、加振信号と同一の周波数（すなわち角振動数ω０）で同位相のたとえば方形波信号とする。
【００７９】
カンチレバー１２の変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とおく。ここで、Ａは、変位信号の振幅、φ０は、プローブ１１と試料１９が接触していない状態で存在する変位信号の初期位相差、φは、プローブ１１と試料１９が接触したことに起因して発生する変位信号の位相差である。以下では、この位相差を、便宜上、位相シフト量と呼ぶ。プローブ１１と試料１９が接触していないとき、φは０である。
【００８０】
位相調整部７０は、信号発生部２８から出力される第一の同期信号の位相に位相オフセットψを与える。すなわち、位相調整部７０は、第一の同期信号の位相を（＋ψ）だけシフトさせる。これは、カンチレバー１２の変位信号と第一の同期信号（つまり加振信号）の位相差に、位相オフセット（−ψ）を与えることと等価である。
【００８１】
位相信号生成部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）との位相差の情報を含む第一の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００８２】
位相信号生成部５１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と、第二の同期信号（つまり位相オフセットψが与えられた第一の同期信号）に位相量（π／２）を加算したものとの位相差の情報を含む第二の位相信号、すなわちＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ−π／２）＝Ａｓｉｎ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００８３】
位相調整部７０では、まず除算部７２Ａが（第二の位相信号／第一の位相信号）、すなわちＡｓｉｎ（φ０＋φ−ψ）／Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）＝ｔａｎ（φ０＋φ−ψ）を算出する。そして位相値算出部７２Ｂでは、ｔａｎ（φ０＋φ−ψ）の位相値、すなわち（φ０＋φ−ψ）を算出する。すなわち位相値検出部７２では、（φ０＋φ−ψ）を算出する。算出した位相値（φ０＋φ−ψ）は位相制御部７４に供給される。一方、入力部７３には、位相量ψ３が入力される。ここでψ３は、（０[ｒａｄ]）≦ψ３≦（π／２[ｒａｄ]）である。入力された位相量ψ３は、位相制御部７４に供給される。位相制御部７４では、プローブ１１と試料１９が接触していないとき、すなわちφ＝０のときの（φ０＋φ−ψ）＝（φ０−ψ）とψ３を比較し、それらが一致するような位相オフセットψを求める。求められた位相オフセットψは、φ０−ψ＝ψ３より、ψ＝φ０−ψ３となる。そして位相調整器７１は、位相制御部７４で求めた位相オフセットψ＝φ０−ψ３を第一の同期信号に与える。
【００８４】
従って、プローブ１１と試料１９が接触していない状態、すなわちφ＝０のときの第一の位相信号と第二の位相信号は、それぞれＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）＝Ａｃｏｓ（ψ３）、Ａｓｉｎ（φ０＋φ−ψ）＝Ａｓｉｎ（ψ３）となる。ここでψ３は、（０[ｒａｄ]）≦ψ３≦（π／２[ｒａｄ]）であるので、本実施形態で与える位相オフセットψは、第一実施形態や第三実施形態で与える位相オフセットと全く等価となる。
【００８５】
つまり、硬い部分が多い試料に対しては、たとえばＡｓｉｎ（ψ３）＝０、すなわちψ３＝０となるように、ψ３を調整するとよい。柔らかい部分が多い試料に対しては、たとえばＡｃｏｓ（ψ３）＝０、すなわちψ３＝π／２となるように、ψ３を調整するとよい。硬い部分と柔らかい部分が同程度に存在する試料に対しては、たとえばＡｃｏｓ（ψ３）とＡｓｉｎ（ψ３）が等しくなるように、すなわちψ３＝π／４となるように、ψ３を調整するとよい。
【００８６】
従って、本発明の第五実施形態によれば、第一実施形態および第三実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
さらに第五実施形態では、第一実施形態で用いられた二段階調整が必要なく、容易に位相調整が可能になる。
【００８８】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含み得る。また本発明は、実施形態で説明された構成に関連する装置や実施形態で説明された動作に関連する方法を含み得る。
【符号の説明】
【００８９】
１１…プローブ、１２…カンチレバー、１３…ホルダ、１４…加振部、１５…変位検出部、１６…レーザ光源、１７…分割ディテクタ、１８…演算アンプ、１９…試料、２０…走査部、２１…Ｚスキャナ、２２…ＸＹスキャナ、２３…Ｚドライバ、２４…ＸＹドライバ、２５…コントローラ、２６…Ｚ制御部、２７…ホストコンピュータ、２８…信号発生部、３０…位相調整部、３１…位相信号生成部、３２…位相調整器、３３…位相調整器、４０…位相調整部、４１…位相調整器、４２…入力部、４３…位相表示部、５０…位相調整部、５１…位相信号生成部、５２…位相加算部、６０…位相調整部、６１…位相調整器、６２…入力部、６３…位相表示部、６４…位相表示部、７０…位相調整部、７１…位相調整器、７２…位相値検出部、７２Ａ…除算部、７２Ｂ…位相値算出部、７３…入力部、７４…位相制御部。
【図１】
2014202629.tif 000003
【図２】
2014202629.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014202629.tif 000009
【図７】
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【図８】
2014202629.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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