(57)【要約】【課題】本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、高速で正確な原子追跡を実施することを目的としている。【解決手段】カンチレバー上に載置された第１のピエゾ素子２０と、試料の下に配置された第２のピエゾ素子３０と、正弦波と余弦波を発生して前記ピエゾ素子１に印加する発生手段４０と、ピエゾ素子１のｚピエゾにその出力が印加される発振器２と、ピエゾ素子２に、前記探針の前記試料に対する相対的移動のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段８１と、前記カンチレバーの変位を検出する検出手段３１と、該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記ピエゾ素子２のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、前記検出手段３１の出力と前記発生手段４０の出力とを入力し、これら２つの入力信号の位相調節を行なってその結果をＸＹ駆動手段に印加するロックインアンプ３３とを有して構成される。【選択図】図４
2008191062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と、試料上を移動する原子レベルの移動物とを接近させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定となるように、３次元方向にフィードバック制御を行ない、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査型プローブ顕微鏡において、
カンチレバー上に載置された第１のピエゾ素子と、
試料の下に配置された第２のピエゾ素子と、
位相が９０度異なる正弦波と余弦波を発生する交流信号発生手段と、
該交流信号発生手段の出力をそれぞれ前記第１のピエゾ素子のｘピエゾ、ｙピエゾに印加する印加手段と、
前記第１のピエゾ素子のｚピエゾにその出力が印加される発振器と、
前記第２のピエゾ素子のＸピエゾとＹピエゾに２次元走査のための駆動信号、又は前記探針の前記試料に対する相対的移動のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段と、
光てこ方式により前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、
該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記第２のピエゾ素子のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、
前記検出手段の出力と前記交流信号発生手段の出力とを入力し、これら２つの入力信号の位相調節を行なうロックインアンプと、
該ロックインアンプのＸ方向の信号を受けるＸフィードバック回路と、
同じく該ロックインアンプのＹ方向の信号を受けるＹフィードバック回路と、
これらＸフィードバック回路と、Ｙフィードバック回路の出力を前記ＸＹ駆動手段に印加する印加手段と、
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
探針と、試料上を移動する原子レベルの移動物とを接近させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定となるように、３次元方向にフィードバック制御を行ない、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査型プローブ顕微鏡において、
試料の上に配置された第１のピエゾ素子と、
試料の下に配置された第２のピエゾ素子と、
位相が９０度異なる正弦波と余弦波を発生する交流信号発生手段と、
該交流信号発生手段の出力をそれぞれ前記第１のピエゾ素子のｘピエゾ、ｙピエゾに印加する印加手段と、
前記第２のピエゾ素子のＸピエゾとＹピエゾに２次元走査のための駆動信号、又は前記探針の前記試料に対する相対的移動のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段と、
前記探針に流れるトンネル電流を検出する検出手段と、
該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記第２のピエゾ素子のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、
前記検出手段の出力と前記交流信号発生手段の出力とを入力し、これら２つの入力信号の位相調節を行なうロックインアンプと、
該ロックインアンプのＸ方向の信号を受けるＸフィードバック回路と、
同じく該ロックインアンプのＹ方向の信号を受けるＹフィードバック回路と、
これらＸフィードバック回路と、Ｙフィードバック回路の出力を前記ＸＹ駆動手段に印加する印加手段と、
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
カンチレバー上に載置された第１のピエゾ素子と、
試料の下に配置された第２のピエゾ素子と、
所定の周波数の正弦波を発生する第１の発振器と、
所定の周波数の信号を発生する第２の発振器と、
前記第２のピエゾ素子のＸピエゾとＹピエゾに２次元走査のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段と、
光てこ方式により前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、
該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記第２のピエゾ素子のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、
前記第２の発振器の出力をその一方の入力に受け、その出力が前記第１のピエゾ素子のｚピエゾに入力される加算器と、
前記第１の発振器の出力を共通接点側に受け、その一方の接点が第１のピエゾ素子のｙピエゾに、他方の接点が前記加算器の他方の入力に接続されるスイッチと、
前記検出手段の出力と前記第１の発振器の出力とを入力し、これら２つの入力信号の同期増幅を行なうロックインアンプとを有し、
前記第１の発振器からの信号が前記スイッチと加算器を経て第１のピエゾ素子のｚピエゾに印加される場合に粘弾性ＡＦＭ、前記スイッチの共通接点がｙピエゾに印加される場合に横振動摩擦力顕微鏡として機能するように構成されたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
探針と、試料上を移動する原子レベルの移動物とを接近させ、両者間に働く作用が一定となるように、３次元空間にフィードバック制御を行ない、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査型プローブ顕微鏡において、
カンチレバー上に載置されたピエゾ素子を駆動させることによって前記探針を旋回させるようにしたことを特徴とする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に関し、更に詳しくは表面拡散する個々の原子／分子の動きを測定したり、ドリフトのための測定位置の移動を補正するようにした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、探針と試料とを接近させた状態で探針を試料に対して相対的に走査する際に、探針から試料へ局所的刺激を発生させ、その刺激に対する試料表面からの局所的応答を測定することによって試料の表面を観察する顕微鏡である。ＳＰＭには、その物理量の測定方法の違いから、探針と試料間に流れる電流を検出する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、試料表面と探針との間に働くいろいろな力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、試料表面の磁気分布を測定する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）をはじめ、試料表面の摩擦力、粘性、弾性、電位等を測定する多くの種類の顕微鏡が実用化されている。
【０００３】
従来は、Ｚ方向にフィードバックのもとにＸＹ方向の走査が行われている。ＸＹ方向にフィードバックを用いたものにアトム・トラッキングＳＴＭ（例えば非特許文献１〜非特許文献３参照）がある。最近では、ＡＦＭを使用してアトム・トラッキング技術を取り入れた報告（非特許文献４参照）がある。この文献では、静止物がドリフトのために移動するのを補正している。いずれの報告においても、探針を旋回させるピエゾは別途設けられておらず、１組のＸＹＺピエゾが担当している。
【０００４】
この種の装置としては、探針と試料とを近接させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定になるようにフィードバックをかけながら探針を走査する走査型プローブ顕微鏡において、探針を原子サイズに近い形状で、かつフィードバックが追随しない高速で移動させる手段を設けたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【非特許文献１】“Tracking”tunneling microscopy,D.W.Pohl and R.Moller,Rev.Sci.Instrum.59 840(1988).
【非特許文献２】Direct Measurement of Surface Diffusion Using Atom-Tracking Scanning Tunneling Microscopy,B.S.Swartzentruber,Phys.Rev.Lett.76 459(19996).
【非特許文献３】T.Sato,S.Kitamura and M.Iwatsuki,J.Vac.Sci.Technol.A 18 960(2000).
【非特許文献４】M.Abe,Y.Sugimoto,O.Custance and S.Morita,Nanotechnology 16 3029(2005).
【特許文献１】特開２０００−１６２２１８号公報（段落０００７〜０００９、図１〜図３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、通常、探針側に取り付けられているピエゾを走査して画像を収集している。そのため、小さな質量が旋回されることになり十分な旋回速度を得ることができていた。しかしながら、カンチレバーを用いた光てこ方式（カンチレバーに光を照射し、その反射光を検出する方式）からなる原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、試料側にＸＹＺのピエゾ素子を設けていることが多い。また、ＡＦＭではさまざまな試料表面を観察したいという希望から可動範囲の大きなピエゾ素子を搭載している場合が多い。そのため、試料側ピエゾ素子で原子追跡を実施した場合には旋回半径の揺らぎを持ち、高速な旋回が実現できないという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、高速で正確な原子追跡を実施することができる走査型プローブ顕微鏡を提供すると共に、粘弾性ＡＦＭ又は横振動摩擦力顕微鏡を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）請求項１記載の発明は、探針と試料上を移動する原子レベルの移動物とを接近させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定となるように、３次元方向にフィードバック制御を行ない、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー上に載置された第１のピエゾ素子と、試料の下に配置された第２のピエゾ素子と、位相が９０度異なる正弦波と余弦波を発生する交流信号発生手段と、該交流信号発生手段の出力をそれぞれ前記第１のピエゾ素子のｘピエゾ、ｙピエゾに印加する印加手段と、前記第１のピエゾ素子のｚピエゾにその出力が印加される発振器と、前記第２のピエゾ素子のＸピエゾとＹピエゾに２次元走査のための駆動信号、又は前記探針の前記試料に対する相対的移動のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段と、光てこ方式により前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記第２のピエゾ素子のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、前記検出手段の出力と前記交流信号発生手段の出力とを入力し、これら２つの入力信号の位相調節を行なうロックインアンプと、該ロックインアンプのＸ方向の信号を受けるＸフィードバック回路と、同じく該ロックインアンプのＹ方向の信号を受けるＹフィードバック回路と、これらＸフィードバック回路と、Ｙフィードバック回路の出力を前記ＸＹ駆動手段に印加する印加手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
（２）請求項２記載の発明は、探針と、試料上を移動する原子レベルの移動物とを接近させ、両者間に流れる電流又は両者間に働く作用が一定となるように、３次元方向にフィードバック制御を行ない、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査型プローブ顕微鏡において、試料の上に配置された第１のピエゾ素子と、試料の下に配置された第２のピエゾ素子と、位相が９０度異なる正弦波と余弦波を発生する交流信号発生手段と、該交流信号発生手段の出力をそれぞれ前記第１のピエゾ素子のｘピエゾ、ｙピエゾに印加する印加手段と、前記第２のピエゾ素子のＸピエゾとＹピエゾに２次元走査のための駆動信号、又は前記探針の前記試料に対する相対的移動のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段と、前記探針に流れるトンネル電流を検出する検出手段と、該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記第２のピエゾ素子のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、前記検出手段の出力と前記交流信号発生手段の出力とを入力し、これら２つの入力信号の位相調節を行なうロックインアンプと、該ロックインアンプのＸ方向の信号を受けるＸフィードバック回路と、同じく該ロックインアンプのＹ方向の信号を受けるＹフィードバック回路と、これらＸフィードバック回路と、Ｙフィードバック回路の出力を前記ＸＹ駆動手段に印加する印加手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
（３）請求項３記載の発明は、カンチレバー上に載置された第１のピエゾ素子と、試料の下に配置された第２のピエゾ素子と、所定の周波数の正弦波を発生する第１の発振器と、所定の周波数の信号を発生する第２の発振器と、前記第２のピエゾ素子のＸピエゾとＹピエゾに２次元走査のための駆動信号を出力するＸＹ駆動手段と、光てこ方式により前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、該検出手段の出力と設定値とを比較し、その比較結果に応じて前記第２のピエゾ素子のＺピエゾを駆動するＺ駆動手段と、前記第２の発振器の出力をその一方の入力に受け、その出力が前記第１のピエゾ素子のｚピエゾに入力される加算器と、前記第１の発振器の出力を共通接点側に受け、その一方の接点が第１のピエゾ素子のｙピエゾに、他方の接点が前記加算器の他方の入力に接続されるスイッチと、前記検出手段の出力と前記第１の発振器の出力とを入力し、これら２つの入力信号の同期増幅を行なうロックインアンプとを有し、前記第１の発振器からの信号が前記スイッチと加算器を経て第１のピエゾ素子のｚピエゾに印加される場合に粘弾性ＡＦＭ、前記スイッチの共通接点がｙピエゾに印加される場合に横振動摩擦力顕微鏡として機能するように構成されたことを特徴とする。
【００１０】
（４）請求項４記載の発明は、探針と、試料上を移動する原子レベルの移動物とを接近させ、両者間に働く作用が一定となるように、３次元空間にフィードバック制御を行ない、前記探針を前記移動物の動きに追随して移動させる機能を有する走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー上に載置されたピエゾ素子を駆動させることによって前記探針を旋回させるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
（１）請求項１記載の発明によれば、カンチレバーに第１のピエゾ素子を、試料に第２のピエゾ素子を取り付け、第１のピエゾ素子には小旋回動作を、第２のピエゾにはフィードバック動作をさせることにより、高速で正確な原子追跡を実施することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００１２】
（２）請求項２記載の発明によれば、試料の上に第１のピエゾ素子を、試料に第２のピエゾ素子を取り付け、第１のピエゾには小旋回動作を、第２のピエゾにはフィードバック動作をさせることにより、高速で正確な原子追跡を実施することができる走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。
【００１３】
（３）請求項３記載の発明によれば、スイッチを用いて、第１の発振器からの信号がスイッチと加算器を経て第１のピエゾ素子のｚピエゾに印加される場合に粘弾性ＡＦＭ、第１の発振器からの信号がｙピエゾに印加される場合に横振動摩擦力顕微鏡として機能させることが可能になる。
【００１４】
（４）請求項４記載の発明によれば、探針を旋回させるようにすることにより、探針を移動物の動きに追随して移動させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の基本概念図であり、原子追跡ＳＴＭの原理を説明するための図である。一般に、ＳＴＭは金属探針と導電性の試料間を量子効果によりトンネル電流が流れる距離（１ｎｍ以下）に保持しながら、両者間に数Ｖ以下のバイアス電圧を加えて相対的に２次元走査させ、この時の両者間の距離又はトンネル電流の変化を効果的に検出することで、原子レベルの試料表面の凹凸像を得るものである。
【００１６】
図１の（ａ）において、探針１とある傾斜を持った導電性の試料２との間にバイアス電圧Ｖｂを印加して試料表面を測定する時、探針１と試料２との間には任意のトンネル電流Ｉｔが流れる。トンネル電流Ｉｔを一定にするように、即ち探針１と試料２との間の距離が変化しないようにフィードバックがかけられる。この時、探針１をある半径をもって水平面内で高速に螺旋状に旋回させる。
【００１７】
ここで、フィードバックが追随しない程度に探針１の螺旋回転速度を高速にすれば、試料２の傾斜に伴う探針１と試料表面との距離が変化するので、トンネル電流Ｉｔも変化する。この電流変化を検出して、トンネル電流Ｉｔが増える方向や減る方向、又は一定にする方向に探針１を移動させることが可能となる。
【００１８】
図１（ｂ）は、上述した基本概念を原子追跡に応用した場合を説明するための図である。探針先端１ａを原子層３上で動く動的原子４の大きさと同程度の大きさで旋回させる。動的原子４が探針先端１ａに近づいた時、斜面を登る探針１を動かすようにすれば、動的原子４の上に探針先端１ａが登る方向に探針１が移動する。
【００１９】
この位置制御信号を垂直方向の探針微動機構にフィードバックすれば、動的原子４と探針先端１ａの距離を一定にするように探針１を追随させることができる。動的原子４の軌跡４ａに沿って探針先端１ａも軌跡４ｂを描く。また、位置制御信号から動的原子４の存在位置を決定することができる。原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）についても同様な動きが実施できる。
（実施の形態１）
図２はピエゾ素子の概略図である。１１はｘ方向の、１２はｙ方向の、１３はｚ方向のピエゾ素子であり、その両側を絶縁体１６により挟まれた積層型となっている。ピエゾ素子としては、例えば圧電セラミックが用いられる。１４，１５はピエゾ素子の上下に設けられた保護電極である。１７〜１９はそれぞれのピエゾ素子１１〜１３に取り付けられた、信号電圧を印加するための配線である。ピエゾ素子の両側の表面はＡｇコートされているため、半田付けなどを用いて容易に外部から配線をつなぐことができる。ピエゾ素子１１〜１３と、絶縁体１６とは、例えばアラルダイトを用いて接着される。
【００２０】
図３はＡＦＭのためにカンチレバーを取り付けた場合の配置を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１は探針、２１は該探針１が取り付けられたカンチレバー、２２はカンチレバー２１が取り付けられたカンチレバー母材である。
【００２１】
図４はＡＦＭで行われる原子追跡に使用する電気回路の構成例を示す図である。図２〜図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０はカンチレバー母材２２の上に載置された第１のピエゾ素子（探針側ピエゾ素子）で、図２に示す構成を持つものである。２は試料、３０は該試料２の下に配置された第２のピエゾ素子（試料側ピエゾ素子）である。探針側ピエゾ素子２０が小さな旋回動作を行なうのに対し、試料側ピエゾ素子３０は水平方向を移動する従来のスキャン動作を行なう。探針側ピエゾ素子２０はｘ，ｙ，ｚ方向の３次元移動を行なうのに対し、試料側ピエゾ素子３０はＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元移動を行なう。
【００２２】
４０は位相がそれぞれ９０度異なる正弦波と余弦波を出力する交流信号発生回路である。該交流信号発生回路４０において、４１は余弦波（ｃｏｓ波）を発生する第１の発振器（発振器１）、４２は発振器１の出力を受けて、位相が９０度異なる正弦波（ｓｉｎ波）を発生する移相器である。これら発振器１の出力である余弦波と、移相器４２の出力である正弦波はそれぞれ探針側ピエゾ素子２０のｘピエゾとｙピエゾに入力されている。
【００２３】
３１は光てこ方式により、カンチレバー２１に入射された光ビームの反射光を受ける検出器である。５１は該検出器３１の出力を電気信号に変換する変換器、５２は該変換器５１の出力を受けて所定の設定値と比較する比較器、３２は該比較器５２の出力を受けて試料側ピエゾ素子３０のＺピエゾを駆動するＺ駆動回路である。
【００２４】
５３は所定の周波数の信号を出力する第２の発振器（発振器２）であり、その出力は探針側ピエゾ素子２０のｚピエゾに印加されるようになっている。変換器５１，比較器５２及び発振器２とでＳＰＭ制御系５０を構成している。なお、図に示す回路がＦＭモード（詳細後述）の場合に、比較器５２の出力で発振器２の出力を制御するようになっている。
【００２５】
３３は、その一方の入力に前記変換器５１の出力（Ｓｉｇ）を、他方の入力に前記発振器１の出力（Ｒｅｆ）を受けて位相調節を行なうロックインアンプである。６０は該ロックインアンプ３３の出力であるＡｃｏｓθ（ＤＣ）を受けて試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾに印加されるＸフィードバック信号を作成するＸフィードバック回路、７０はロックインアンプ３３の出力であるＡｓｉｎθ（ＤＣ）を受けて試料側ピエゾ素子３０のＹピエゾに印加されるＹフィードバック信号を作成するＹフィードバック回路である。
【００２６】
Ｘフィードバック回路６０は、ロックインアンプ３３のＡｃｏｓθ出力を受けるアンプ６１と、該アンプ６１の出力を受けてＸフィードバック信号として出力するローパスフィルタ（ＬＰＦ）６２と、アンプ６１の入出力間に接続されるゲインＧのフィードバック回路６３から構成されている。Ｙフィードバック回路７０は、ロックインアンプ３３のＡｓｉｎθ出力を受けるアンプ７１と、該アンプ７１の出力を受けてＹフィードバック信号として出力するローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２と、アンプ７１の入出力間に接続されるゲインＧのフィードバック回路７３から構成されている。これらＸフィードバック回路６０の出力はローパスフィルタ６２から取り出され、Ｙフィードバック回路７０の出力はローパスフィルタ７２から取り出される。
【００２７】
８１は前記Ｘフィードバック回路６０の出力とＹフィードバック回路７０の出力とを受けて試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾ及びＹピエゾを駆動するＸＹ駆動回路である。該ＸＹ駆動回路８１は、スイッチＳＷ１を介して試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾとＹピエゾに入力されている。８２はＸＹ走査信号を発生するＸＹ走査回路で、その出力はスイッチＳＷ２を介して試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾとＹピエゾに入力されている。本発明の原子追跡モードの場合には、スイッチＳＷ１がオンになり、ＳＷ２がオフになっている。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２８】
本発明で新しく付加された電気回路部分は、主にロックインアンプ３３と、ＸとＹのフィードバック回路６０，７０である。先ず、発振器１によってｃｏｓ波形を作り、探針側ピエゾ素子２０のｘピエゾに入力する。一方、そのｃｏｓ波形から位相を９０度進める移相器４２を用いてｓｉｎ波形を作り、探針側ピエゾ素子２０のｙピエゾに入力する。この２つの波形によって探針１を旋回させる。この時の、旋回の直径は、発振器１の出力電圧で決定する。光てこで使用されるレーザのビーム形は数μｍなので、分子スケールで旋回させたとしても光の行路は変化しないため、通常の光てこ検出を行なうことができる。
【００２９】
検出器３１で検出した信号は、変換器５１で測定モードによって目的の信号に変えられる。ＡＭ（振幅変調）モードでは振幅値（ＲＭＳ：実効値）に、ＦＭ（周波数変調）モードでは周波数値（ＦＭＤ）である。これら信号は、続く比較器５２で設定値と比較される。比較結果に基づく差信号は、試料側ピエゾ素子３０のＺフィードバック信号として使用される。どちらの測定モードであっても、発振器２によって使用しているカンチレバー２１の固有振動数で加振させる。ここで、ＦＭモードの場合には、比較器５２の出力を発振器２に入力し、周波数シフトによって変化する自励発振の周波数をｚピエゾに印加する。また、比較器５２の出力はＺ駆動回路３２に入り、試料側ピエゾ素子３０のＺピエゾを駆動する。この結果、探針１と試料２間の距離は一定に保たれる。
【００３０】
更に、変換器５１の出力Ｓｉｇはロックインアンプ３３の一方の入力端子に入力され、発振器１の出力Ｒｅｆはロックインアンプ３３の他方の入力端子に入力される。これら、入力信号ＳｉｇとＲｅｆは同期位相増幅に使用される。ロックインアンプ３３において位相が調節された後、直流成分としてＤＣ出力されるＡｃｏｓθ（Ａは振幅）とＡｓｉｎθ成分の信号をそれぞれＸフィードバック回路６０とＹフィードバック回路７０に入力し、フィードバック信号を得る。
【００３１】
そして、Ｘフィードバック回路６０の出力とＹフィードバック回路７０の出力とはＸＹ駆動回路８１に入り、ＸＹ駆動回路８１により、試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾとＹピエゾに印加される。若し、Ｘフィードバック信号とＹフィードバック信号とが０であれば、探針１は動かないが、信号が０でなけけば０が達成されるまでフィードバックが働き、ＸとＹの方向へ試料２を移動させる信号を出力する。
【００３２】
この際に、生じたＸとＹの移動量（ＤＣ）が原子の拡散の軌跡となる。この移動量は、ＳＰＭ制御系のＸＹ駆動回路８１に入力され、制御系自身が持つＸ，Ｙ圧電素子駆動の電圧に加算されて試料２の動きが制御される。以上のフィードバック回路によって、連続的に探針１が移動物を追跡することになる。この場合において、移動させる方向として、傾斜を登る方向に指定しているため、山頂（最大高さを持った移動物の真上）まで移動して静止することになる。
【００３３】
次に、原子追跡モードの動作について説明する。旋回信号として発振器１からの波形を探針側ｘピエゾに印加し、移相器４２によって９０度位相を進めた波形を探針側ｙピエゾに入力する。なお、ＡＦＭを実施する場合には、探針側ｚピエゾはカンチレバー２１を固有振動数で加振する。この時、検出器３１からの信号は、測定モード毎に対応する信号に変換され（ＡＭモードでは振幅値、ＦＭモードでは周波数値）、比較器５２で設定値と比較される。その結果は、試料側ピエゾ素子のＺピエゾを駆動するために用いられる。
【００３４】
変換された信号は、ロックインアンプ３３に信号Ｓｉｇとして入力される。発振器１からの参照信号Ｒｅｆと位相を合わせた後、Ａｃｏｓθ信号をＸフィードバック回路６０へ、ＡｓｉｎθをＹフィードバック回路７０に入力する。これら、フィードバック回路６０，７０では、アンプ６１，７１で増幅された後、ローパスフィルタ６２，７２を経由してフィードバック信号となり、ＸＹ駆動回路８１に入り、得られた移動量の信号は、試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾとＹピエゾに印加され、原子追跡が行われる。
【００３５】
以上、原子追跡モードの場合について説明したが、通常のＳＰＭとして用いる場合には、スイッチＳＷ１をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにすればよい。この時、試料２はＸピエゾとＹピエゾにより２次元走査され、試料２の像が得られる。
（実施の形態２）
次に、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の動作について説明する。図５はＳＴＭのために金属探針を取り付けた場合の配置を示す図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０はピエゾ素子、７はピエゾ素子２０を保持する保持金具、６は該保持金具７に取り付けられた金属探針である。該探針６の材料としては、例えばタングステンＷや、白金Ｐｔ−Ｉｒが用いられる。
【００３６】
図６は本発明のＳＴＭの構成例を示す図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。ＳＰＭ制御系５０において、５５は試料２と探針６間に流れる電流（トンネル電流）を検出する検出器、５２は該検出器５５の出力を設定値と比較する比較器である。該比較器５２の出力は、Ｚ駆動回路３２を介して試料側ピエゾ素子３０のＺピエゾに印加されている。図に示すＳＴＭと図４に示すＡＦＭとの構成上の差異は、探針側ピエゾ素子２０が保持金具７に載置され、カンチレバーがなく、探針が金属探針６に変わった点と、ＳＰＭ制御系５０がトンネル電流検出用の構成に変わった点である。その他の構成は、図４に示す構成と同じである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００３７】
原子追跡モードの場合には、スイッチＳＷ１がオンに、スイッチＳＷ２がオフになっている。旋回信号として、発振器１からのｃｏｓ信号が探針側ピエゾ素子２０のｘピエゾに印加される。一方、このｃｏｓ信号を移相器４２により９０度進ませてｓｉｎ信号に変換する。このｓｉｎ信号は探針側ピエゾ素子２０のｙピエゾに印加される。この結果、探針６は原子レベルの旋回運動をすることになる。一方、試料２には検出器５５からバイアス電圧Ｖｂが印加される。
【００３８】
検出器５５は、探針６から流れるトンネル電流を検出する。この検出信号は、ロックインアンプ３３の一方の入力にトンネル電流信号Ｓｉｇとして入力される。また、検出器５５の出力は、比較器５２に入り、設定値と比較される。この比較結果は、Ｚ駆動回路３２に入り、該Ｚ駆動回路３２は試料側ピエゾ素子３０のＺピエゾを駆動する。この結果、探針６と試料２間の距離は一定に保たれることになる。
【００３９】
一方、発振器１の出力はＲｅｆとしてロックインアンプ３３に入力されている。該ロックインアンプ３３は、信号ＳｉｇとＲｅｆとを受けて、位相調整される。この時、ロックインアンプ３３から出力されるＡｃｏｓθ（ＤＣ）はＸフィードバック回路６０に入力され、Ａｓｉｎθ（ＤＣ）はＹフィードバック回路７０に入力される。Ｘフィードバック回路６０は、入力されたＡｃｏｓθ（ＤＣ）をアンプ６１で増幅した後、ローパスフィルタ６２を経てＸＹ駆動回路８１に入力させる。また、Ｙフィードバック回路７０は入力されたＡｓｉｎθ（ＤＣ）をアンプ７１で増幅した後、ローパスフィルタ７２を経てＸＹ駆動回路８１に入力させる。
【００４０】
これらＸＹ駆動回路８１の出力は、試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾとＹピエゾを駆動する。この結果、図に示す回路は、原子追跡を行なうことになる。この原子追跡の動作は、図４に示す場合と同様である。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態１と２によれば、カンチレバーに第１のピエゾ素子を、試料に第２のピエゾ素子を取り付け、第１のピエゾ素子には小旋回動作を、第２のピエゾにはフィードバック動作をさせることにより、高速で正確な原子追跡を実施することができる。
（実施の形態３）
図７は本発明を粘弾性ＡＦＭと横振動摩擦力顕微鏡として使用する場合の構成例を示す図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、３１は光てこ方式によりカンチレバー２１からの光変位信号を検出する検出器である。該検出器３１は変換器５１に入り、電気信号となる。ＳＰＭ制御系５０は、この変換器５１と、該変換器５１の出力を所定の設定値と比較する比較器５２と、一定周波数の信号を出力する第２の発振器（発振器２）から構成されている。
【００４２】
比較器５２の出力はＺ駆動回路３２に入り、該Ｚ駆動回路３２の出力は、試料側ピエゾ素子３０のＺピエゾに印加され、探針１と試料２間を一定距離に維持するフィードバック制御を行なうことになる。３５は探針側ピエゾ素子２０のｚピエゾにその出力が印加される加算器である。
【００４３】
ＳＷ３はその共通接点が発振器１に接続され、一方のａ接点が加算器３５に、他方のｂ接点が探針側ピエゾ素子２０のｙピエゾに接続されるスイッチである。スイッチＳＷ３の共通接点がａ接点側に接続された場合には、発振器２の出力と発振器１の出力を加算されたものがｚピエゾに印加され、共通接点がｂ接点側に接続された場合には、発振器１の出力がｙピエゾに印加されることになる。
【００４４】
ロックインアンプ３３には、前記変換器５１の出力Ｓｉｇと発振器１の出力Ｒｅｆとが入力されている。そして、該ロックインアンプ３３はこれら入力の同期増幅を行ない、Ａｃｏｓθ（ＤＣ）と、Ａｓｉｎθ（ＤＣ）とを出力する。また、ＸＹ走査回路８２は試料側ピエゾ素子３０のＸピエゾとＹピエゾに入力され、試料側ピエゾ素子３０の２次元スキャンを行なう。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００４５】
粘弾性ＡＦＭの場合、スイッチＳＷ３の共通接点はａ接点側に接続される。この結果、発振器１と発振器２の出力が加算器３５で加算されたものが、探針側ピエゾ素子２０のｚピエゾに印加される。一方、変換器５１の出力Ｓｉｇ、発振器１の出力Ｒｅｆとがロックインアンプ３３に入っている。該ロックインアンプ３３はＳｉｇとＲｅｆの同期増幅を行なう。そして得られるＡｃｏｓθ（又は振幅）が弾性像であり、Ａｓｉｎθ（又は位相）が粘性像となる。
【００４６】
横振動摩擦力顕微鏡の場合、スイッチＳＷ３の共通接点はｂ接点に接続される。この結果、発振器１の出力が探針側ピエゾ素子２０のｙピエゾに印加されることになる。一方、変換器５１の出力Ｓｉｇと発振器１の出力Ｒｅｆとがロックインアンプ３３に入り、同期増幅される。この結果、得られるＡｃｏｓθ（又は振幅）が横振動摩擦力像となる。
【００４７】
この実施の形態によれば、スイッチを用いて、第１の発振器からの信号がスイッチと加算器を経て第１のピエゾ素子のｚピエゾに印加される場合に粘弾性ＡＦＭ、第１の発振器からの信号がｙピエゾに印加される場合に横振動摩擦力顕微鏡として機能させることが可能になる。
【００４８】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
１）原子追跡ＳＰＭによって原子／分子等が表面拡散する軌跡を測定したり、ドリフトを補正しながら各種測定を実施することができる。
２）試料側とは別に、探針側ＸＹＺの積層型ピエゾ素子を配置して、探針を面内で旋回できるようになったので、精度がよく高速な旋回を行なうことができる。
３）粘弾性ＡＦＭや横振動摩擦力顕微鏡においても、探針側ピエゾ素子の使用によって安定で高周波数振動を与えることができるようになり、速い測定を実施することができる。
４）光てこ方式の検出であっても、探針側ピエゾの移動量が小さいので、カンチレバーのレーザ位置はほとんどずれないので、正常な測定を行なうことができ、探針側ピエゾだけをスキャナとして用いることによって高分解能画像観察を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】原子追跡ＳＴＭの原理を説明するための図である。
【図２】ピエゾ素子の概略図である。
【図３】ＡＦＭのためにカンチレバーを取り付けた場合の配置を示す図である。
【図４】ＡＦＭで行われる原子追跡に使用する電気回路の構成例を示す図である。
【図５】ＳＴＭのために金属探針を取り付けた場合の配置を示す図である。
【図６】本発明のＳＴＭの構成例を示す図である。
【図７】本発明を粘弾性と横信号摩擦力顕微鏡として使用する場合の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    探針
２    試料
２０  探針側ピエゾ素子
２１  カンチレバー
２２  カンチレバー母材
３０  ピエゾ素子
３１  検出器
３２  Ｚ駆動回路
３３  ロックインアンプ
４０  交流信号発生回路
４１  第１の発振器
４２  移相器
５０  ＳＰＭ制御系
５１  変換器
５２  比較器
５３  第２の発振器
６０  Ｘフィードバック回路
６１  アンプ
６２  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
６３  フィードバック回路
７０  Ｙフィードバック回路
７１  アンプ
７２  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７３  フィードバック回路
８１  ＸＹ駆動回路
８２  ＸＹ走査回路
ＳＷ１  スイッチ
ＳＷ２  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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