(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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内、前記第１交流電圧の周波数とは異なる周波数の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ことを特徴とする表面電位計及び形状測定器。
【請求項２】
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ことを特徴とする表面電位計及び形状測定器。
【請求項３】
請求項１または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ことを特徴とする表面電位計及び形状測定器。
【請求項４】
請求項１または２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ことを特徴とする表面電位計及び形状測定器。
【請求項５】
請求項１または２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ことを特徴とする表面電位計及び形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【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に関する。
【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２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。
【０００３】
また、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１１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。
【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２１，２２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。
【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１３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１２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２４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。
【０００６】
次に、図３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Ｆｖｉｂ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。
【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。
【０００８】
0003592655.tif 000002
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】
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１１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。
【００１０】
0003592655.tif 000003
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、ΔＡは次の（７）式のようになる。
【００１１】
0003592655.tif 000004
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】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
また、図４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・ｓｉｎωａｃｔ、交流電源３０からの交流電圧ＶＢ・ｓｉｎ（ωａｃｔ／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。
【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３４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。
【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。
【００１７】
0003592655.tif 000005
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。
【００１８】
0003592655.tif 000006
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。
0003592655.tif 000007
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。
【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２６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φ２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。
【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、
0003592655.tif 000008
となる。
【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、
0003592655.tif 000009
となる。
【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。
【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（１３）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。
【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。
【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。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
上記図２に示す力顕微鏡では、（７）式において、ΔＡは（∂２Ｃ／∂Ｚ２）と（Ｖｓ＋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／∂Ｚ２）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。
【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。
【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。
【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＝４４７Ｖ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１３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。
【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。
【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。
【００３２】
また、図４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。
【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。
【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。
0003592655.tif 000010
ここで、θ＝θ１＝−π／２の時のロックインアンプ３７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
0003592655.tif 000011
となる。
【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２６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。
【００３６】
従来、力顕微鏡では、図５（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５（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５（ｃ）、（ｄ）に示す。
【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。
【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。
【００３９】
しかし、上記図４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５（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。
【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。
【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。
【００４２】
一方、図５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。
【００４３】
本発明は、測定を精度良く安定して行う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。
【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内、前記第１交流電圧の周波数とは異なる周波数の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ものである。
【００４５】
請求項２記載の発明は、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ものである。
【００４６】
請求項３記載の発明は、請求項１または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ものである。
【００４７】
請求項４記載の発明は、請求項１または２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ものである。
【００４８】
請求項５記載の発明は、請求項１または２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ものである。
【００４９】
【作用】
請求項１記載の発明では、バネの先端部に設けられた導電性探針が測定物に対向し、バネは測定物とバネとの間に作用する静電引力により変形する。このバネの変形により、測定物とバネとの間に作用する静電引力が検出されて測定物の電位と形状の何れか一方或いは両方が測定される。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、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内、前記第１交流電圧の周波数とは異なる周波数の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が電圧印加手段により導電性探針に印加され、表面電位測定手段が第１交流電圧による導電性探針と測定物との間の静電引力により生ずるバネの第１振動の振幅から測定物の電位を測定する。そして、形状測定手段が第２交流電圧による導電性探針と測定物との間の静電引力により生ずるバネの第２振動の振幅から測定物の形状を測定する。
【００５０】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の表面電位計及び形状測定器において、電圧印加手段が導電性探針に第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、電位制御手段が第１交流電圧による導電性探針と測定物との間の静電引力により生ずるバネの第１振動の振幅が零もしくは一定値になるように上記直流電圧を可変し、電位測定手段が上記直流電圧を測定する。距離制御手段は、アクチュエータにより測定物と導電性探針との間の距離を可変し、第２交流電圧による導電性探針と測定物との間の静電引力により生ずるバネの第２振動の振幅が一定値になるようにアクチュエータを制御して測定物と導電性探針との間の距離を制御する。そして、アクチュエータの変位量が変位量測定手段により測定される。
【００５１】
請求項３記載の発明では、請求項１または２記載の表面電位計及び形状測定器において、導電性探針に印加すべき電圧が測定物の導電性基板に印加され、導電性探針の電位は基準電位である。
【００５２】
請求項４記載の発明では、請求項１または２記載の表面電位計及び形状測定器において、電圧印加手段は、交流電圧と直流電圧の内のいずれか１つ或いは第１交流電圧と第２交流電圧と直流電圧の内のいずれか２つを導電性探針に印加し、残りの１つを測定物に印加する。
【００５３】
請求項５記載の発明では、請求項１または２記載の表面電位計及び形状測定器において、電圧印加手段は、第１交流電圧と第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つを導電性探針に印加する。
【００５４】
【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、前述した図４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Ｖωr2sin(ωr2ｔ／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。
【００５５】
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２６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Ｖr2sin(ωr2ｔ／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。Ｖr2sin(ωr2ｔ／２)は、以下、Ｖr2sinωr2ｔ／２と略称する。
【００５６】
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
0003592655.tif 000012
となる。
【００５７】
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。
0003592655.tif 000013
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。
【００５８】
0003592655.tif 000014
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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ωｒ１、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。
【００６１】
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。
【００６２】
0003592655.tif 000015
（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。
【００６３】
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。
【００６４】
このように、第１実施例は、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内、前記第１交流電圧の周波数とは異なる周波数の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。
【００６５】
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、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。
【００６６】
また、請求項３記載の発明の一実施例は、上記第１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１実施例と同様な効果が得られる。
【００６７】
また、請求項４記載の発明の実施例は、上記第１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１実施例と同様な効果が得られる。なお、この実施例では、測定物の導電性基板は接地しない。
【００６８】
また、請求項５記載の発明の実施例は、上記第１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２６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１実施例と同様な効果が得られる。
【００６９】
【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、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内、前記第１交流電圧の周波数とは異なる周波数の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。
【００７０】
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。
【００７１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または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または２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。
【００７２】
請求項４記載の発明によれば、請求項１または２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または２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。
【００７３】
請求項５記載の発明によれば、請求項１または２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１または２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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。
【図２】従来の力顕微鏡の一例を示すブロック図である。
【図３】同力顕微鏡の一部を示すブロック図である。
【図４】従来の力顕微鏡の他の例を示すブロック図である。
【図５】従来の力顕微鏡を説明するための図である。
【符号の説明】
１１，２６      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      加算器
３２      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
【図１】
0003592655.tif 000016
【図２】
0003592655.tif 000017
【図３】
0003592655.tif 000018
【図４】
0003592655.tif 000019
【図５】
0003592655.tif 000020