(57)【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と、
前記プローブと試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、
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て前記変位を表す変位信号を出力する変位検出部と、
前記変位信号の振幅情報を検出して前記振幅情報を含む振幅信号を出力する振幅情報検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差情報を検出して前記位相差情報を含む位相信号を出力する位相差情報検出部を含み、前記振幅信号と前記位相信号の混成信号を生成する混成信号生成部と、
前記混成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おり、
前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の混成比を調整し得るように構成されている、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記混成信号生成部は、前記振幅信号のゲインと前記位相信号のゲインをそれぞれ独立に調整し得るように構成されている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記混成信号生成部は、前記振幅信号のゲインを調整し得る振幅信号ゲイン調整部と、前記位相信号のゲインを調整し得る位相信号ゲイン調整部と、前記振幅信号ゲイン調整部から出力される前記振幅信号と前記位相信号ゲイン調整部から出力される前記位相信号を加算処理する演算部とを有している、請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記位相差情報検出部は、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を備えており、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とし、ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記振幅信号ゲイン調整部のゲインをＧＡ、前記位相信号ゲイン調整部のゲインをＧΦ、前記位相オフセットを（−ψ）としたとき、
前記振幅信号ゲイン調整部は、前記振幅信号として、ＧＡＡを出力し、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、ＧΦＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡ＋ＧΦｃｏｓ（φ０＋φ−ψ））を生成して出力する、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記位相オフセット（−ψ）は（π／２−φ０）であり、すなわちψ＝φ０−π／２であり、したがって、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、−ＧΦＡｓｉｎφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡ−ＧΦｓｉｎφ）を出力する、請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記振幅情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第一の位相オフセットを与える第一の位相調整部を備え、
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第二の位相オフセットを与える第二の位相調整部を備え、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とし、ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記振幅信号ゲイン調整部のゲインをＧＡ、前記位相信号ゲイン調整部のゲインをＧΦ、前記第一の位相オフセットを（−ψ１）、前記第二の位相オフセットを（−ψ２）としたとき、
前記振幅信号ゲイン調整部は、前記振幅信号として、ＧＡＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を出力し、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、ＧΦＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）＋ＧΦｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２））を出力する、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記第一の位相オフセット（−ψ１）は（−φ０）であり、すなわちψ１＝φ０であり、前記第二の位相オフセット（−ψ２）は（π／２−φ０）であり、すなわちψ２＝φ０−π／２であり、したがって、前記振幅信号ゲイン調整部は、前記振幅信号として、ＧＡＡｃｏｓφを出力し、前記位相信号ゲイン調整部は、前記位相信号として、−ＧΦＡｓｉｎφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡｃｏｓφ−ＧΦｓｉｎφ）を出力する、請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記振幅信号ゲイン調整部のゲインＧＡと前記位相信号ゲイン調整部のゲインＧΦのいずれか一方が１である、請求項４〜請求項７のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の一方のゲインを調整し得るように構成されている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記混成信号のゲインを調整し得る混成信号ゲイン調整部をさらに備えている、請求項１〜請求項９のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記振幅情報を表示する第一の情報表示部と、前記位相差情報を表示する第二の情報表示部との少なくとも一つを備えている、請求項１〜請求項１０のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記混成信号生成部は、予め設定された複数の混成比の一つで前記振幅信号と前記位相信号を混成するように構成されている、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の両方をそれぞれ予め設定された複数の第一ゲインと複数の第二ゲインで増幅し、複数の第一ゲインの一つで増幅された振幅信号と複数の第二ゲインの一つで増幅された位相信号を加算処理するように構成されている、請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記混成信号生成部は、
前記振幅信号を予め設定された互いに異なる複数の第一ゲインでそれぞれ増幅する複数の振幅信号増幅部と、
前記位相信号を予め設定された互いに異なる複数の第二ゲインでそれぞれ増幅する複数の位相信号増幅部を備えており、ここで、前記複数の振幅信号増幅部と前記複数の位相信号増幅部はそれぞれ複数のペアを構成しており、さらに、
前記複数のペアの一つを構成する前記振幅信号増幅部の一つと前記位相信号増幅部の一つを選択する選択部と、
前記選択部によって選択された前記振幅信号増幅部の一つから出力される前記振幅信号と前記選択部によって選択された前記位相信号増幅部の一つから出力される前記位相信号を加算処理する一つの演算部とを備えている、請求項１３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
前記混成信号生成部は、
前記振幅信号を予め設定された互いに異なる複数の第一ゲインでそれぞれ増幅する複数の振幅信号増幅部と、
前記位相信号を予め設定された互いに異なる複数の第二ゲインでそれぞれ増幅する複数の位相信号増幅部を備えており、ここで、前記複数の振幅信号増幅部と前記複数の位相信号増幅部はそれぞれ複数のペアを構成しており、さらに、
前記複数のペアをそれぞれ構成する前記複数の振幅信号増幅部から出力される前記振幅信号と前記複数の位相信号増幅部から出力される前記位相信号をそれぞれ加算処理する複数の演算部と、
前記複数の演算部からそれぞれ出力される複数の信号の一つを選択する選択部を備えている、請求項１３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記位相差情報検出部は、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を備えており、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とし、ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する振幅信号増幅部のゲインをＧＡ、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する位相信号増幅部のゲインをＧΦ、前記位相オフセットを（−ψ）としたとき、
前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、ＧＡＡを出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、ＧΦＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡ＋ＧΦｃｏｓ（φ０＋φ−ψ））を出力する、請求項１４または請求項１５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記位相オフセット（−ψ）は（π／２−φ０）であり、すなわちψ＝φ０−π／２であり、したがって、前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、ＧＡＡを出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、−ＧΦＡｓｉｎφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡ−ＧΦｓｉｎφ）を出力する、請求項１６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
前記振幅情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第一の位相オフセットを与える第一の位相調整部を備え、
前記位相差情報検出部は、前記加振信号と前記変位信号の位相差に第二の位相オフセットを与える第二の位相調整部を備え、
前記加振信号をＡ０ｓｉｎω０ｔ、前記変位信号をＡｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）とし、ここで、Ａ０は、前記加振信号の振幅、ω０は、前記加振信号の角振動数、ｔは時間、Ａは、前記変位信号の振幅、φ０は、前記プローブと前記試料が接触していない状態で存在する前記変位信号の初期位相差、φは、前記プローブと前記試料が接触したことに起因して発生する前記変位信号の位相シフト量であり、また、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する振幅信号増幅部のゲインをＧＡ、前記混成信号生成部から出力される混成信号に対応する位相信号増幅部のゲインをＧΦ、前記第一の位相オフセットを（−ψ１）、前記第二の位相オフセットを（−ψ２）としたとき、
前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、ＧＡＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、ＧΦＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）＋ＧΦｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２））を出力する、請求項１４または請求項１５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
前記第一の位相オフセット（−ψ１）は（−φ０）であり、すなわちψ１＝φ０であり、前記第二の位相オフセット（−ψ２）は（π／２−φ０）であり、すなわちψ２＝φ０−π／２であり、したがって、前記振幅信号増幅部は、前記振幅信号として、ＧＡＡｃｏｓφを出力し、前記位相信号増幅部は、前記位相信号として、−ＧΦＡｓｉｎφを出力し、前記演算部は、前記混成信号として、Ａ（ＧＡｃｏｓφ−ＧΦｓｉｎφ）を出力する、請求項１８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２０】
前記混成比をＧＡ／ＧΦとしたとき、前記複数の混成比には、１よりも小さい比と、１よりも大きい比が含まれている、請求項１６〜請求項１９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２１】
前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の一方を予め設定された複数のゲインでそれぞれ増幅し、前記複数のゲインの一つで増幅された前記振幅信号と前記位相信号の一方と、前記振幅信号と前記位相信号の他方を加算処理するように構成されている、請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２２】
前記混成信号のゲインを調整し得る混成信号ゲイン調整部をさらに備えている、請求項１２〜請求項２１のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２３】
前記振幅情報を表示する第一の情報表示部と、前記位相差情報を表示する第二の情報表示部の少なくとも一つを備えている、請求項１２〜請求項２２のいずれかひとつに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２４】
走査型プローブ顕微鏡の制御方法であり、
自由端にプローブをもつカンチレバーを加振信号に基づいて振動させる工程と、
試料の表面に沿って前記プローブを走査する工程と、
前記カンチレバーの変位を検出して前記変位を表す変位信号を生成する工程と、
前記変位信号の振幅情報を含む振幅信号を生成する工程と、
前記加振信号と前記変位信号の位相差情報を含む位相信号を生成する工程と、
前記振幅信号と前記位相信号の混成信号を生成する工程と、
前記混成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工程とを有し、
前記混成信号を生成する工程は、前記振幅信号と前記位相信号の混成比を調整し得る、制御方法。
【請求項２５】
前記振幅情報を表示する工程と、前記位相差情報を表示する工程の少なくとも一方をさらに有している、請求項２４に記載の制御方法。
【請求項２６】
前記混成信号を生成する工程は、予め設定された複数の混成比の一つで前記振幅信号と前記位相信号を混成する、請求項２４に記載の制御方法。
【請求項２７】
前記振幅情報を表示する工程と、前記位相差情報を表示する工程の少なくとも一方をさらに有している、請求項２６に記載の制御方法。
【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。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。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。
【０００８】
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を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、自由端にプローブをもつカンチレバーと、前記プローブと試料を三次元的に相対的に移動させる走査部と、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て前記変位を表す変位信号を出力する変位検出部とを備えており、さらに、前記変位信号の振幅情報を検出して前記振幅情報を含む振幅信号を出力する振幅情報検出部と、前記加振信号と前記変位信号の位相差情報を検出して前記位相差情報を含む位相信号を出力する位相差情報検出部を含み、前記振幅信号と前記位相信号の混成信号を生成する混成信号生成部と、前記混成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。前記混成信号生成部は、前記振幅信号と前記位相信号の混成比を調整し得るように構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
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が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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混成信号生成部の構成を示している。
【図３】−Ａｓｉｎφとφの関係を示している。
【図４】第一実施形態における混成信号生成部の変形例を示している。
【図５】第二実施形態における混成信号生成部の構成を示している。
【図６】Ａｃｏｓφとφの関係を示している。
【図７】−Ａｓｉｎφとφの関係を示している。
【図８】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９】第三実施形態における混成信号生成部の構成を示している。
【図１０】第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡の変形例を示している。
【図１１】第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡における情報表示例（ｚ制御信号の画像）を示している。
【図１２】第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡における情報表示例（Ａの画像）を示している。
【図１３】第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡における情報表示例（−Ａｓｉｎφの画像）を示している。
【図１４】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１５】第四実施形態における混成信号生成部の構成例を示している。
【図１６】第四実施形態における混成信号生成部の別の構成例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜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。
【００１４】
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。
【００１５】
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混成信号生成部３０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。混成信号生成部３０は、加振信号を出力するほか、変位検出部１５から出力される変位信号から混成信号を生成し得る。混成信号の詳細については後述する。走査型プローブ顕微鏡はまた、混成信号生成部３０から出力される混成信号のゲインを調整し得る混成信号ゲイン調整部２８を有している。
【００１６】
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。
【００１７】
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、混成信号から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。
【００１８】
混成信号生成部３０の構成を図２に示す。図２に示すように、混成信号生成部３０は、信号発生器３４と振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と振幅信号ゲイン調整部３６と位相信号ゲイン調整部３７と演算部３５から構成されている。
【００１９】
信号発生器３４は、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る加振信号を生成し、これを加振部１４に出力する。信号発生器３４はまた、加振信号に同期した同期信号を位相差情報検出部３２に供給する。この同期信号は、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。
【００２０】
振幅情報検出部３１は、変位検出部１５から出力されるカンチレバー１２の変位信号の振幅情報を検出し、その振幅情報を含む振幅信号を生成して出力する。
【００２１】
振幅信号ゲイン調整部３６は、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号のゲインを調整し得る。振幅信号ゲイン調整部３６は、たとえば、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号をゲインＧＡで増幅して出力する。
【００２２】
位相差情報検出部３２は、変位検出部１５から出力されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器３４から供給される同期信号の位相差情報を検出し、その位相差情報含む位相信号を生成して出力する。同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。
【００２３】
位相差情報検出部３２は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部３３を備えている。位相調整部３３は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部３３は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部３２は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を生成して出力する。位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。
【００２４】
位相信号ゲイン調整部３７は、位相差情報検出部３２から出力される位相信号のゲインを調整し得る。位相信号ゲイン調整部３７は、たとえば、位相差情報検出部３２から出力される位相信号をゲインＧΦで増幅して出力する。
【００２５】
混成信号生成部３０は、振幅信号のゲインと位相信号のゲインをそれぞれ独立に調整し得るように構成されている。
【００２６】
演算部３５は、振幅信号ゲイン調整部３６から出力される振幅信号と位相信号ゲイン調整部３７から出力される位相信号を加算処理し、その結果を混成信号として出力する。ここで、加算処理とは、負の加算処理、いわゆる減算処理も含む。
【００２７】
ここで混成信号生成部３０の信号処理について詳細に説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。Ａとφが、検出の対象である。
【００３１】
位相調整部３３は、信号発生器３４から出力される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３３は、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。位相差情報検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセット（＋ψ）が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【００３２】
好ましくは、位相調整部３３は、同期信号の位相を（φ０−π／２）だけシフトさせる。すなわち、ψ＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【００３３】
図３は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）である。
【００３４】
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）。このため、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、φ＝０の近くで敏感に変化するとともに、振幅の変化に合わせて、φが進むにつれて減少すると好ましい。このような理由から、好ましくは、位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）が−Ａｓｉｎφとなるように、位相オフセットψはψ＝φ０−π／２に設定される。
【００３５】
再び図２を参照して分かるように、振幅情報検出部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。
【００３６】
振幅信号ゲイン調整部３６は、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号ＡをゲインＧＡで増幅し、振幅信号として、ＧＡＡを出力する。
【００３７】
また位相信号ゲイン調整部３７は、位相差情報検出部３２から出力される位相信号（−Ａｓｉｎφ）をゲインＧΦで増幅し、位相信号として、−ＧΦＡｓｉｎφを出力する。
【００３８】
演算部３５は、振幅信号ＧＡＡと位相信号（−ＧΦＡｓｉｎφ）を加算処理し、混成信号として、Ａ（ＧＡ−ＧΦｓｉｎφ）を出力する。
【００３９】
振幅信号ゲイン調整部３６によるゲインＧＡと位相信号ゲイン調整部３７によるゲインＧΦは、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を調整するものであり、測定部分の硬さ（柔らかさ）に応じて変更され得る。ゲインＧＡとゲインＧΦの基本状態はともに１、つまり混成比は１：１である。硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が硬い部分が支配的であるなら、振幅信号Ａの比率を大きくする。たとえば、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を３：１にする。たとえば、ゲインＧＡとゲインＧΦをそれぞれ１．５と０．５にする。また、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が柔らかい部分が支配的であるなら、位相信号（−Ａｓｉｎφ）の比率を大きくする。たとえば、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を１：３にする。たとえば、ゲインＧＡとゲインＧΦをそれぞれ０．５と１．５にする。ゲインＧＡとゲインＧΦは、それぞれ０〜２の範囲で調整できることが望ましい。
【００４０】
演算部３５から出力された混成信号は、図１に示すように、混成信号ゲイン調整部２８を介して、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９とプローブ１１の間の距離を制御するＺ制御信号を生成し、これをＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９とプローブ１１の間の距離が制御される。
【００４１】
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ＸＹ走査信号を生成し、これをＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿ってプローブ１１が二次元的に走査する。
【００４２】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【００４３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を混成信号ＧＡＡ−ＧΦＡｓｉｎφとして検出し、それに基づいて試料１９とプローブ１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には振幅信号Ａが大きく変化する。つまり測定部分が硬い場合には振幅信号ＧＡＡが大きく変化する。また測定部分が柔らかい場合には位相信号（−Ａｓｉｎφ）が大きく変化する。つまり測定部分が柔らかい場合には位相信号（−ＧΦＡｓｉｎφ）が大きく変化する。このため、試料１９に硬い部分と柔らかい部分が混在していても、それら両方に対して試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を高感度に検出することができる。さらに、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を調整し得る。測定部分の硬さ（柔らかさ）に応じて、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を調整することによって、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料において、それらがどのように混在していても最適な検出状態を得ることができる。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もその表面形状を高い精度で安定に測定することができる。
【００４４】
［第一実施形態の変形例］
第一実施形態の変形例として、混成信号生成部３０の特殊な使用形態について説明する。この変形例による混成信号生成部を図４に示す。図４の混成信号生成部３０は、図２の混成信号生成部３０と比較して、振幅信号ゲイン調整部３６のゲインが１に固定されている点だけが相違している。
【００４５】
この変形例では、振幅信号ゲイン調整部３６は、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号Ａを増幅せずに、言い換えればゲイン１で増幅し、振幅信号として、Ａを出力する。位相信号ゲイン調整部３７は、位相差情報検出部３２から出力される位相信号（−Ａｓｉｎφ）をゲインＧΦで増幅し、位相信号として、−ＧΦＡｓｉｎφを出力する。演算部３５は、振幅信号Ａと位相信号（−ＧΦＡｓｉｎφ）を加算処理し、混成信号として、Ａ（１−ＧΦｓｉｎφ）を出力する。
【００４６】
この変形例では、振幅信号ゲイン調整部３６のゲインが１に固定されており、混成信号生成部３０は、位相信号ゲイン調整部３７によって位相信号のゲインだけを調整し得る。振幅信号と位相信号の混成比の調整は、位相信号ゲイン調整部３７によって位相信号のゲインを変更することによっておこなわれる。このため、振幅信号や位相信号の混成比の調整をおこないやすいという利点がある。
【００４７】
しかし、その反面、たとえば、測定部分が柔らかく、位相信号ゲイン調整部３７のゲインを極端に大きくした場合、フィードバックループのゲイン（制御ループゲイン）に悪影響を与える可能性がある。そのような場合には、フィードバックループのゲインを混成信号ゲイン調整部２８によって調整（補正）することが望ましい。
【００４８】
振幅信号ゲイン調整部３６のゲインを１に固定することは、回路的には、振幅信号ゲイン調整部３６が振幅信号を増幅することなく通すことと等価である。したがって、混成信号生成部３０は、振幅信号ゲイン調整部３６のゲインを１に固定する代わりに、振幅信号ゲイン調整部３６を省略した構成としてもよい。
【００４９】
ここでは、振幅信号ゲイン調整部３６のゲインを１に固定した変形例を示したが、振幅信号ゲイン調整部３６のゲインを１に固定する代わりに、位相信号ゲイン調整部３７のゲインを１に固定する変形例も可能であり、また、位相信号ゲイン調整部３７を省略した変形例も可能である。この変形例では、振幅信号や位相信号の混成比の調整は、振幅信号ゲイン調整部３６のゲインを変更することによっておこなわれる。この変形例でも、振幅信号や位相信号の混成比の調整をおこないやすいという利点がある。
【００５０】
本実施形態およびその変形例を総合すると、混成信号生成部３０は、振幅信号のゲインと位相信号のゲインの少なくとも一方を調整し得るように構成されていればよい。
【００５１】
＜第二実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号生成部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、本実施形態の混成信号生成部の構成と作用に重点をおいて説明する。
【００５２】
図５は、本実施形態の混成信号生成部４０の構成を示している。図５に示すように、混成信号生成部４０は、信号発生器３４と位相差情報検出部４１と位相差情報検出部３２と振幅信号ゲイン調整部３６と位相信号ゲイン調整部３７と演算部３５から構成されている。
【００５３】
信号発生器３４と位相差情報検出部３２と振幅信号ゲイン調整部３６と位相信号ゲイン調整部３７と演算部３５の詳細は第一実施形態で説明した通りである。
【００５４】
図２と図５を比較して分かるように、混成信号生成部４０は、振幅情報検出部３１に代えて位相差情報検出部４１を備えている点において、第一実施形態の混成信号生成部３０と相違している。言い換えれば、混成信号生成部４０は、第一実施形態の混成信号生成部３０の振幅情報検出部３１を位相差情報検出部４１に置き換えた構成となっている。
【００５５】
信号発生器３４は、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る加振信号を生成し、これを加振部１４に出力する。信号発生器３４はまた、加振信号に同期した同期信号を位相差情報検出部４１と位相差情報検出部３２に出力する。この同期信号は、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。
【００５６】
位相差情報検出部４１は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器３４から供給される同期信号の位相差の情報を含む第一の位相信号を生成して出力する。
【００５７】
位相差情報検出部４１は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部４２を備えている。位相調整部４２は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部４２は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部４１は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を出力する。
【００５８】
位相差情報検出部３２は、変位検出部１５から供給されるカンチレバー１２の変位信号と信号発生器３４から供給される同期信号の位相差の情報を含む第二の位相信号を生成して出力する。
【００５９】
位相差情報検出部３２は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相を調整し得る位相調整部３３を備えている。位相調整部３３は、信号発生器３４から供給される同期信号の位相に所望の位相オフセットを与え得る。したがって、位相調整部３３は、変位信号と同期信号の位相差に所望の位相オフセットを与え得る。位相差情報検出部３２は、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差の情報を含む位相信号を出力する。
【００６０】
ここで、同期信号と加振信号は周波数と位相が同じであるので、変位信号と同期信号の位相差は、変位信号と加振信号の位相差と等価である。また、位相オフセットが与えられた同期信号と変位信号との位相差は、変位信号と同期信号の位相差に位相オフセットを与えたものと等価である。
【００６１】
振幅信号ゲイン調整部３６は、位相差情報検出部４１から出力される位相信号を増幅率ＧＡで増幅し、その結果を第一の位相信号として出力する。
【００６２】
位相信号ゲイン調整部３７は、位相差情報検出部３２から出力される位相信号を増幅率Ｇφで増幅し、その結果を第二の位相信号として出力する。
【００６３】
演算部３５は、振幅信号ゲイン調整部３６から供給される第一の位相信号と位相信号ゲイン調整部３７から供給される第二の位相信号を加算処理し、これを混成信号として出力する。
【００６４】
ここで混成信号生成部４０の信号処理について詳細に説明する。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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が接触していないときの変位信号の位相の初期値、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シフト量である。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。Ａとφが、検出の対象である。
【００６８】
位相調整部４２は、信号発生器３４から出力される同期信号の位相に位相オフセット（＋ψ１）を与える。すなわち、位相調整部４２は、同期信号の位相を（＋ψ１）だけシフトさせる。位相差情報検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセット（＋ψ１）が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ１）を生成して出力する。
【００６９】
好ましくは、位相調整部４２は、同期信号の位相を（＋φ０）だけシフトさせる。すなわち、ψ１＝φ０である。この場合、位相差情報検出部４１から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ（φ０＋φ−φ０）＝Ａｃｏｓφとなる。
【００７０】
位相調整部３３は、信号発生器３４から出力される同期信号の位相に位相オフセット（＋ψ２）を与える。すなわち、位相調整部３３は、同期信号の位相を（＋ψ２）だけシフトさせる。位相差情報検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセット（＋ψ２）が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ２）を生成して出力する。
【００７１】
好ましくは、位相調整部３３は、同期信号の位相を（φ０−π／２）だけシフトさせる。すなわち、ψ２＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【００７２】
図６は、Ａｃｏｓφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、Ａｃｏｓφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番鈍感（低感度）である。
【００７３】
図７は、−Ａｓｉｎφとφの関係を示したグラフである。このグラフから分かるように、−Ａｓｉｎφは、φ＝０において、位相シフト量φの変化に対して一番敏感（高感度）であり、０から位相が進むにつれて減少する。つまり、位相信号（−Ａｓｉｎφ）は、振幅信号の変化の方向と同様に、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力が大きくなるにつれて減少する。
【００７４】
振幅信号ゲイン調整部３６は、位相差情報検出部４１から出力される位相信号ＡｃｏｓφをゲインＧＡで増幅し、第一の位相信号として、ＧＡＡｃｏｓφを出力する。
【００７５】
位相信号ゲイン調整部３７は、位相差情報検出部３２から出力される位相信号（−Ａｓｉｎφ）をゲインＧφで増幅し、第二の位相信号として、−ＧφＡｓｉｎφを出力する。
【００７６】
演算部３５は、第一の位相信号ＧＡＡｃｏｓφと第二の位相信号（−ＧφＡｓｉｎφ）を加算処理し、混成信号として、Ａ（ＧＡｃｏｓφ−Ｇφｓｉｎφ）を出力する。
【００７７】
振幅信号ゲイン調整部３６によるゲインＧＡと位相信号ゲイン調整部３７によるゲインＧφは、それぞれ、第一の位相信号Ａｃｏｓφと第二の位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を調整するものであり、測定部分の硬さ（柔らかさ）に応じて変更し得る。ゲインＧＡとゲインＧφの基本状態はともに１であり、つまり混成比は１：１である。
【００７８】
こうすることで、測定対象が硬い場合、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、Ａｃｏｓφ＞−Ａｓｉｎφとなり、Ａｃｏｓφの信号が支配的に働く。またφの変化が小さい場合はｃｏｓφ≒１とおけることから、Ａｃｏｓφ≒Ａ、すなわち位相信号Ａｃｏｓφはほぼ振幅信号Ａと同じと見なすことができる。
【００７９】
また、測定対象が柔らかい場合、すなわち振幅の変化よりも位相シフト量φが大きい場合の信号の変化量は、−Ａｓｉｎφ＞Ａｃｏｓφとなり、−Ａｓｉｎφの信号が支配的に働く。このときφの変化が大きいので、Ａｃｏｓφの変化も第一実施形態（Ａだけの場合）よりも大きくなる。
【００８０】
さらに硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が硬い部分が支配的であるなら、第一の位相信号Ａｃｏｓφの比率を大きくする。たとえば、第一の位相信号Ａｃｏｓφと第二の位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を３：１にする。すなわちゲインＧＡとゲインＧφをそれぞれ１．５と０．５する。また、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が柔らかい部分が支配的であるなら、第二の位相信号（−Ａｓｉｎφ）の比率を大きくする。たとえば、第一の位相信号Ａｃｏｓφと第二の位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を１：３にする。すなわちゲインＧＡとゲインＧφをそれぞれ０．５と１．５する。ゲインＧＡとゲインＧφは、それぞれ０〜２の範囲で調整できることが望ましい。
【００８１】
演算部３５から出力された混成信号は、図１に示すように、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９とプローブ１１の間の距離を制御するＺ制御信号を生成し、これをＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９とプローブ１１の間の距離が制御される。
【００８２】
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ＸＹ走査信号を生成し、これをＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿ってプローブ１１が二次元的に走査する。
【００８３】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【００８４】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を混成信号Ａ（ＧＡｃｏｓφ−Ｇφｓｉｎφ）として検出し、それに基づいて試料１９とプローブ１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には、ＡｃｏｓφはほぼＡと見なせるので、第一の位相信号ＧＡＡｃｏｓφが大きく変化する。その結果、硬い部分については、第一実施形態と同程度の感度で試料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。また測定部分が柔らかい場合には、第二の位相信号（−ＧφＡｓｉｎφ）が大きく変化するとともに第一の位相信号ＧＡＡｃｏｓφも変化する。その結果、柔らかい部分については、第一実施形態よりも高感度で試料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。さらに測定部分の硬さ（柔らかさ）に応じて、第一の位相信号Ａｃｏｓφと第二の位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を調整できる。そうすることで、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料において、それらがどのように混在していても最適な検出状態を得ることができる。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もその表面形状を高い精度で安定に測定することができる。
【００８５】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡でも、図４で示した第一実施形態の変形例と同様の変形が可能である。
【００８６】
＜第三実施形態＞
図８は、本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において、図１に示した第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図１に示した第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡との違いは、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号生成部３０に代えて混成信号生成部５０を備えており、振幅表示部５１と位相表示部５２をさらに備えている点である。
【００８７】
図９は本実施形態の混成信号生成部５０の構成を示している。図９において、図２に示した混成信号生成部３０の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図９に示すように、混成信号生成部５０は、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号Ａと位相差情報検出部３２から出力される位相信号（−Ａｓｉｎφ）を混成信号生成部５０の外にそれぞれ出力するように構成されている。
【００８８】
混成信号生成部５０から出力される振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）は、それぞれ、振幅表示部５１と位相表示部５２に供給される。振幅表示部５１は、変位信号の振幅の情報を含む情報を表示する機能を有し、また位相表示部５２は、変位信号の位相差の情報を含む情報を表示する機能を有している。つまり本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）がモニタできる構成になっている。その結果、試料の測定部分の硬さ（柔らかさ）の状態が判断しやすく、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比の調整を容易におこなえる。
【００８９】
振幅表示部５１と位相表示部５２は、数値メータでもよいが、画像を表示できる画像モニタが望ましい。また、図８に示すように振幅表示部５１と位相表示部５２を個別に設けずに、図１０に示すように、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）をコントローラ６０に取り込み、ホストコンピュータ６１に画像表示する構成としてもよい。
【００９０】
図１１と１２と１３は、それぞれ、Ｚ制御信号と振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）を画像表示した例を示している。図１１は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡で得られた試料１９の表面形状を示す画像である。濃いグレーの領域は高さが低く、白い領域が突出した形状になっている。以下の説明では、白い領域をと凸部と呼ぶ。図１２は、図１１の画像取得と同時に得られた振幅信号Ａのプロット画像である。また図１３は、図１１の画像取得と同時に得られた位相信号（−Ａｓｉｎφ）のプロット画像である。
【００９１】
図１２の振幅信号Ａのプロット画像は、試料の凸部が高く表示されている。これは、振幅信号Ａの信号レベルが凸部で大きくなる現象を表している。一方、図１３の位相信号（−Ａｓｉｎφ）のプロット画像は、試料の凸部が低く表示されている。これは、位相信号（−Ａｓｉｎφ）の信号レベルが凸部で小さくなる現象を表している。
【００９２】
振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）は共に、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。試料１９が硬い場合には、振幅信号Ａの方が位相信号（−Ａｓｉｎφ）よりも感度が高くなる。つまり振幅信号Ａの方が位相信号（−Ａｓｉｎφ）よりも減少率が大きくなる。また試料１９が柔らかい場合には、位相信号（−Ａｓｉｎφ）の方が振幅信号Ａよりも感度が高くなる。つまり位相信号（−Ａｓｉｎφ）の方が振幅信号Ａよりも減少率が大きくなる。このことから、振幅信号Ａの信号レベルが減少する領域は試料が硬く、また位相信号（−Ａｓｉｎφ）の信号レベルが減少する領域は試料が柔らかいことがわかる。したがって、図１１の試料１９の表面形状の画像においては、凸部が、濃いグレーの領域と比較して柔らかいと判断できる。
【００９３】
このように、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）を表示し、モニタすることで、試料の測定部分の硬さ（柔らかさ）の状態が判断しやすなり、その結果、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比の調整を容易におこなえる。
【００９４】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、振幅信号と位相信号を加算処理した混成信号を一定に保つよう制御しているので、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）のどちらか一方が減少すれば、もう一方は増えることになる。したがって、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）のどちらか一方を表示するだけでも同様の効果を得ることができる。
【００９５】
＜第四実施形態＞
図１４は、本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１４において、図１に示した第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、混成信号生成部３０に代えて別の混成信号生成部７０を備えている点において、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と相違している。
【００９６】
［混成信号生成部７０の構成例１］
図１５は、本実施形態の混成信号生成部７０の一つの構成例を示している。図１５において、図２に示した混成信号生成部３０の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００９７】
図１５に示すように、混成信号生成部７０は、振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と信号発生器３４と複数たとえば三つの振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと複数たとえば三つの位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂと選択部７４と演算部３５を備えている。
【００９８】
振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と信号発生器３４と演算部３５の詳細は第一実施形態で説明したとおりである。
【００９９】
振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａは、それぞれ、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号をゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３で増幅して出力する。ゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３は、予め設定された互いに異なる固定値である。
【０１００】
位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂは、それぞれ、位相差情報検出部３２から出力される位相信号をゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３で増幅して出力する。ゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３は、予め設定された互いに異なる固定値である。
【０１０１】
三つの振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと三つの位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂは、それぞれ、三つのペアを構成している。
【０１０２】
選択部７４は、コントローラ２５から入力される選択信号にしたがって、ペアを構成する振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａの一つと位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂの一つを選択するように構成されている。その結果、選択部７４は、振幅信号増幅部７１Ａによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部７１Ｂによって増幅された位相信号、振幅信号増幅部７２Ａによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部７２Ｂによって増幅された位相信号、振幅信号増幅部７３Ａによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部７３Ｂによって増幅された位相信号のいずれかをいちどきに出力する。
【０１０３】
演算部３５は、選択部７４から出力される振幅信号と位相信号を加算処理し、その結果を混成信号として出力する。言い換えれば、演算部３５は、選択部７４によって選択された振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａの一つから出力される振幅信号と、選択部７４によって選択された位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂの一つから出力される位相信号を加算処理する。
【０１０４】
混成信号生成部７０は、演算部３５から出力される信号を混成信号として出力する。
【０１０５】
［混成信号生成部７０の構成例２］
図１６は、本実施形態の混成信号生成部７０の別の構成例を示している。図１６において、図２に示した混成信号生成部３０の部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【０１０６】
図１６に示すように、混成信号生成部７０は、振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と信号発生器３４と複数たとえば三つの振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと複数たとえば三つの位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂと複数たとえば三つの演算部７５，７６，７７と選択部７８を備えている。
【０１０７】
振幅情報検出部３１と位相差情報検出部３２と信号発生器３４の詳細は第一実施形態で説明したとおりである。
【０１０８】
振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａは、それぞれ、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号をゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３で増幅して出力する。ゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３は、予め設定された互いに異なる固定値である。
【０１０９】
位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂは、それぞれ、位相差情報検出部３２から出力される位相信号をゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３で増幅して出力する。ゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３は、予め設定された互いに異なる固定値である。
【０１１０】
さらに、ゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３とゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３の比ＧＡ１／Ｇφ１，ＧＡ２／Ｇφ２，ＧＡ３／Ｇφ３は、一つが１よりも小さく、別の一つが１よりも大きく設定されている。
【０１１１】
三つの振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと三つの位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂは、それぞれ、三つのペアを構成している。
【０１１２】
演算部７５は、振幅信号増幅部７１Ａによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部７１Ｂによって増幅された位相信号を加算処理して出力する。演算部７６は、振幅信号増幅部７２Ａによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部７２Ｂによって増幅された位相信号を加算処理して出力する。演算部７７は、振幅信号増幅部７３Ａによって増幅された振幅信号と位相信号増幅部７３Ｂによって増幅された位相信号を加算処理して出力する。
【０１１３】
選択部７８は、コントローラ２５から入力される選択信号にしたがって、演算部７５，７６，７７からそれぞれ出力される複数の信号の一つを選択して出力する。
【０１１４】
混成信号生成部７０は、選択部７８から出力される信号を混成信号として出力する。
【０１１５】
図１５の構成例と図１６の構成例のいずれにおいても、混成信号生成部７０は、振幅信号と位相信号の両方をそれぞれ予め設定されたゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３とゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３で増幅し、ゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３の一つで増幅された振幅信号とゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３の一つで増幅された位相信号を加算処理するように構成されている。
【０１１６】
［混成信号生成部７０の信号処理］
混成信号生成部７０の信号処理の詳細は混成信号生成部３０の信号処理と同様である。以下、簡単に説明する。
【０１１７】
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。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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
位相調整部３３は、信号発生器３４から出力される同期信号の位相に位相オフセット（＋ψ）を与える。位相差情報検出部３２は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）と位相オフセット（＋ψ）が与えられた同期信号との位相差の情報を含む位相信号Ａｃｏｓ（φ０＋φ−ψ）を生成して出力する。
【０１２０】
好ましくは、位相調整部３３は、同期信号の位相を（φ０−π／２）だけシフトさせる。すなわち、ψ＝φ０−π／２である。この場合、位相差情報検出部３２から出力される位相信号は、Ａｃｏｓ｛φ０＋φ−（φ０−π／２）｝＝−Ａｓｉｎφとなる。
【０１２１】
振幅情報検出部３１は、カンチレバー１２の変位信号Ａｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０＋φ）の振幅Ａを検出し、その振幅を表す振幅信号Ａを出力する。
【０１２２】
振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａは、それぞれ、振幅情報検出部３１から出力される振幅信号をゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３で増幅し、振幅信号として、ＧＡ１Ａ，ＧＡ２Ａ，ＧＡ３Ａを出力する。
【０１２３】
位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂは、それぞれ、位相差情報検出部３２から出力される位相信号をゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３で増幅し、位相信号として、−Ｇφ１Ａｓｉｎφ，−Ｇφ２Ａｓｉｎφ，−Ｇφ３Ａｓｉｎφを出力する。
【０１２４】
振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３ＡのゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３と位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂの位相信号をゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３は、それぞれ、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の三つの混成比を定めている。さらに、混成比をＧＡ１／Ｇφ１，ＧＡ２／Ｇφ２，ＧＡ３／Ｇφ３をしたとき、混成比の一つは１よりも小さく、別の一つは１よりも大きい。
【０１２５】
混成信号生成部７０は、選択部７４と演算部３５によって、または、演算部７５，７６，７７と選択部７８によって、Ａ（ＧＡ１−Ｇφ１ｓｉｎφ），Ａ（ＧＡ２−Ｇφ２ｓｉｎφ），Ａ（ＧＡ３−Ｇφ３ｓｉｎφ）のいずれかひとつを混成信号として出力する。言い換えれば、混成信号生成部７０は、予め設定された三つの混成比の一つで振幅信号と位相信号を混成するように構成されている。
【０１２６】
振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比は、測定部分の硬さ（柔らかさ）に応じて選択される。言い換えれば、混成信号生成部７０から出力される混成信号が切り替えられる。硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が硬い部分が支配的であるなら、振幅信号Ａの比率の大きい混成比で振幅信号と位相信号を混成させる選択信号を混成信号生成部７０に送る。また、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料の測定部分が柔らかい部分が支配的であるなら、位相信号（−Ａｓｉｎφ）の比率の大きい混成比で振幅信号と位相信号を混成させる選択信号を混成信号生成部７０に送る。
【０１２７】
混成信号生成部７０から出力された混成信号は、図１４に示すように、混成信号ゲイン調整部２８を介して、コントローラ２５内のＺ制御部２６に供給される。Ｚ制御部２６は、混成信号を一定に保つように試料１９とプローブ１１の間の距離を制御するＺ制御信号をＺドライバ２３に供給する。Ｚドライバ２３は、供給されるＺ制御信号にしたがってＺスキャナ２１を制御する。その結果、混成信号を一定に保つように試料１９とプローブ１１の間の距離が制御される。
【０１２８】
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ＸＹ走査信号をＸＹドライバ２４に供給する。ＸＹドライバ２４は、供給されるＸＹ走査信号にしたがってＸＹスキャナ２２を制御する。その結果、試料１９の表面に沿ってプローブ１１が二次元的に走査する。
【０１２９】
コントローラ２５はまた、ＸＹ走査信号とＺ制御信号をホストコンピュータ２７に供給する。ホストコンピュータ２７は、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、その画像を表示したり、その画像のデータを保存したりする。
【０１３０】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡においては、試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を混成信号Ａ（ＧＡ−ＧΦｓｉｎφ）として検出し、それに基づいて試料１９とプローブ１１の間の距離を制御する。測定部分が硬い場合には振幅信号Ａが大きく変化する。つまり測定部分が硬い場合には振幅信号ＧＡＡが大きく変化する。また測定部分が柔らかい場合には位相信号（−Ａｓｉｎφ）が大きく変化する。つまり測定部分が柔らかい場合には位相信号（−ＧΦＡｓｉｎφ）が大きく変化する。このため、試料１９に硬い部分と柔らかい部分が混在していても、それら両方に対して試料１９とプローブ１１の間に働く斥力を高感度に検出することができる。さらに、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を、予め設定された複数の混成比の間で変更し得る。測定部分の硬さ（柔らかさ）に応じて、振幅信号Ａと位相信号（−Ａｓｉｎφ）の混成比を変更することによって、硬い部分と柔らかい部分が混在する試料において、それらがどのように混在していても最適な検出状態を得ることができる。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もその表面形状を高い精度で安定に測定することができる。
【０１３１】
これまでの説明では、混成信号生成部７０は、振幅信号と位相信号の両方をそれぞれ予め設定されたゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３とゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３で増幅し、ゲインＧＡ１，ＧＡ２，ＧＡ３の一つで増幅された振幅信号とゲインＧφ１，Ｇφ２，Ｇφ３の一つで増幅された位相信号を加算処理するように構成されているが、図４で示した第一実施形態の変形例と同様の変形が可能である。すなわち、振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂのいずれか一方のゲインを１に固定する変形や、振幅信号増幅部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと位相信号増幅部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂのいずれか一方を省略する変形も可能である。言い換えれば、混成信号生成部７０は、振幅信号と位相信号の一方を予め設定された複数のゲインでそれぞれ増幅し、これらのゲインの一つで増幅された振幅信号と位相信号の一方と、振幅信号と位相信号の他方を加算処理するように構成されてもよい。このような変形においては、必要に応じて、フィードバックループのゲインを混成信号ゲイン調整部２８によって調整（補正）するとよい。
【０１３２】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態と同様に、混成信号生成部７０から出力される振幅信号を表示する振幅表示部と、混成信号生成部７０から出力される位相信号を表示する位相表示部を備えるように変形されてもよい。
【０１３３】
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】
【０１３４】
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…混成信号ゲイン調整部、３０…混成信号生成部、３１…振幅情報検出部、３２…位相差情報検出部、３３…位相調整部、３４…信号発生器、３５…演算部、３６…振幅信号ゲイン調整部、３７…位相信号ゲイン調整部、４０…混成信号生成部、４１…位相差情報検出部、４２…位相調整部、５０…混成信号生成部、５１…振幅表示部、５２…位相表示部、６０…コントローラ、６１…ホストコンピュータ、７０…混成信号生成部、７１Ａ…振幅信号増幅部、７１Ｂ…位相信号増幅部、７２Ａ…振幅信号増幅部、７２Ｂ…位相信号増幅部、７３Ａ…振幅信号増幅部、７３Ｂ…位相信号増幅部、７４…選択部、７５…演算部、７６…演算部、７７…演算部、７８…選択部。
【図１】
0005948134.tif 000002
【図２】
0005948134.tif 000003
【図３】
0005948134.tif 000004
【図４】
0005948134.tif 000005
【図５】
0005948134.tif 000006
【図６】
0005948134.tif 000007
【図７】
0005948134.tif 000008
【図８】
0005948134.tif 000009
【図９】
0005948134.tif 000010
【図１０】
0005948134.tif 000011
【図１１】
0005948134.tif 000012
【図１２】
0005948134.tif 000013
【図１３】
0005948134.tif 000014
【図１４】
0005948134.tif 000015
【図１５】
0005948134.tif 000016
【図１６】
0005948134.tif 000017