(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバーのレーザ反射面に照射するレーザとレーザの反射光の位置を検出する光位置検出器と試料を移動させる試料移動手段とカンチレバーを一定周期で所望の振幅量で振動させるレバー加振手段からなり、カンチレバーの探針が試料表面に接触したとき振幅量の減少分を光位置検出器でとらえて、該減少後の振幅量が一定になるように、試料移動手段の上下動作を制御することで、上下動作の操作量から試料表面の凹凸形状情報を測定する第一の操作と、次に針先を第一の操作で得られた凹凸形状から一定距離離しながら、非接触状態での物理作用力情報を検出する第二の操作を行う走査型プローブ顕微鏡において、
前記第一の操作が、Ｑカーブの半値幅となる周波数帯の両外側をカンチレバー加振周波数とし表面凹凸情報を測定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記第二の操作が、前記Ｑカーブの共振点近傍を前記カンチレバー加振周波数とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記第二の操作が、カンチレバーを積極的に振動させずにカンチレバーのたわみ量を検出する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
更に、前記試料表面と前記探針との相互作用によるカンチレバーの振動形態に時間的遅れ（位相）が発生したときの信号をとらえる位相検出器を備え、前記第二の操作が、該位相検出器により位相を検出することで試料表面の物性（磁場、電場、物理作用力）の違いを測定するようにした請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
更に、前記試料表面と前記探針との相互作用によるカンチレバーの振動形態に時間的遅れ（位相）が発生したときの信号をとらえる位相検出器を備え、前記第二の操作が、カンチレバーの振動形態に共振周波数のシフトが発生したときの信号を前記位相検出器によりとらえる機能（手段）により、周波数のシフト量を検出することで試料表面の物性（磁場、電場、物理作用力）の違いを測定するようにした請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
第一の操作と第二の操作が、測定ポイントごとに行っていくようにした請求項１から５のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
第一の操作と第二の操作が、測定ラインごとに行っていくようにした請求項１から５のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
第一の操作と第二の操作が、測定面フレ−ムごとに行っていくようにした請求項１から５のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
大気中で測定するようにした請求項１から８のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
溶液を入れるセルを有し、試料を溶液中に入れ、溶液中で測定するようにした請求項１から８のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
真空容器と排気の手段を有し、真空環境で測定するようにした、請求項１から８のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
一度真空にしてから真空容器をガス置換してガス雰囲気中で測定できるようにした、請求項１から８のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
測定試料を加熱あるいは冷却する機能を有し、加熱あるいは冷却中で測定するようにした請求項９から１２のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
測定試料に磁場を印加する機能を有し、磁場印加中で測定するようにした請求項９から１３のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
測定試料に電界を印加する機能を有し、電界印加中で測定するようにした請求項９から１３のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバ−のレ−ザ反射面に照射するレ−ザとレ−ザの反射光の位置を検出する光位置検出器と試料を移動させる試料移動手段とカンチレバ−を一定周期で所望の振幅量で振動させるレバ−加振手段からなり、カンチレバ−の探針が試料表面に接触したとき振幅量の減少分を光位置検出器でとらえて、減少した振幅量が一定になるように、試料移動手段の上下動作を制御することで、上下動作の操作量から試料表面の凹凸形状情報を測定する第一の操作と、次に針先を第一の操作で得られた凹凸形状から一定距離離しながら、非接触状態での物理作用力情報を検出する第二の操作を行う走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の走査型プローブ顕微鏡は、先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバ−のレ−ザ反射面に照射するレ−ザとレ−ザの反射光の位置を検出する光位置検出器と試料を移動させる試料移動手段とカンチレバ−を一定周期で所望の振幅量で振動させるレバ−加振手段からなり、カンチレバ−の探針が試料表面に接触したとき振幅量の減少分を光位置検出器でとらえて、減少した振幅量が一定になるように、試料移動手段の上下動作を制御することで、上下動作の操作量から試料表面の凹凸形状情報を測定する第一の操作と、次に、針先を第一の操作で得られた凹凸形状から一定距離離しながら、非接触状態での物理作用力情報を検出する第二の操作を行う走査型プローブ顕微鏡において、第一の操作時に、カンチレバ−の加振周波数と振幅量の依存曲線（Ｑカ−ブ）の共振点近傍をカンチレバ−の加振周波数とすることで、試料表面の凹凸情報が測定する。次に、第二の操作時に、針先を第一の操作で得られた凹凸形状から一定距離 離しながら、非接触状態での物理作用力情報を検出することで試料の物性情報が測定されている。
【０００３】
また、試料表面とカンチレバ−の探針との相互作用で、カンチレバ−の振動形態に時間的遅れ（位相）が発生したときの信号をとらえる位相検出器を有し、カンチレバ−の加振周波数は、表面凹凸情報の測定のときと同じく、Ｑカ−ブの共振点近傍として位相を検出することで試料表面の物性の違いが測定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の走査型プローブ顕微鏡では、第一の操作時にカンチレバ−の加振周波数と振幅量の依存曲線（Ｑカ−ブ）の共振点近傍をレバ−加振周波数としていたため、カンチレバ−は振動しやすく減衰しにくい欠点があった。探針が試料表面との相互作用を受けても減衰しにくく、振幅量の変化分がすぐ一定にならず、試料移動手段の制御が遅れ気味となり、試料移動手段の上下動作の操作量も遅れ気味となり、操作量から得られる表面凹凸情報は、正しく測定できない欠点があった。また、試料移動手段の上下動作の制御速度を速める方法もあるが、振幅量の変化の方向と制御の上下方向が一致しない発振現象が発生してしまう欠点があった。特に真空中測定においては、空気抵抗が無くなるため、カンチレバ−が減衰しにくくなるため、試料との相互作用による変化すべき振幅量にすぐならない。制御がますます遅れ気味になり、表面凹凸情報が測定できない欠点があった。
【０００５】
また第二の操作時には、第一の操作時で得られた表面凹凸情報を基準に針先を一定距離離すが、表面凹凸情報が正確に測定できていないため、針先を一定距離離した状態での試料表面の物性情報を正しく検出できない欠点があった。
【０００６】
そこで、この発明は、第一の操作時に、カンチレバ−の加振周波数と振幅量の依存曲線（Ｑカ−ブ）の半値幅となる周波数帯の両外側をレバ−加振周波数とすることで、カンチレバ−が減衰しにくい加振周波数領域（共振点近傍）から離すことで、 カンチレバ−の探針が試料に接触した後の過渡振動変化の減衰を容易にし、特に空気抵抗の無い真空中での測定を可能とすることを課題とする。さらに、第二の操作時に、第一の操作時に得られた試料表面凹凸情報を基準に針先を試料表面から正確に一定距離離して、試料表面の物性情報を正しく測定することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明では、第一の操作時に、カンチレバ−の加振周波数と振幅量の依存曲線（Ｑカ−ブ）の半値幅となる周波数帯の両外側をレバ−加振周波数とすることで、カンチレバ−が減衰しにくい加振周波数領域（共振点近傍）から離すことで、カンチレバ−の探針が試料に接触した後の過渡振動変化の減衰を容易にし、特に空気抵抗の無い真空中での試料表面凹凸情報の測定を可能とした。さらに、第二の操作時に、第一の操作時に得られた試料表面凹凸情報を基準に針先を試料表面から正確に一定距離離して、試料表面の物性情報を正しく測定することを可能とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、先端に微小な探針を有するカンチレバーとカンチレバーのレーザ反射面に照射するレーザとレーザの反射光の位置を検出する光位置検出器と試料を移動させる試料移動手段とカンチレバーを一定周期で所望の振幅量で振動させるレバー加振手段からなり、カンチレバーの探針が試料表面に接触したとき振幅量の減少分を光位置検出器でとらえて、該減少後の振幅量が一定になるように 試料移動手段の上下動作を制御することで、上下動作の操作量から試料表面の凹凸形状情報を測定する第一の操作と、次に、針先を第一の操作で得られた凹凸形状から一定距離離しながら、非接触状態での物理作用力情報を検出する第二の操作を行う走査型プローブ顕微鏡において、第一の操作時に、カンチレバーの加振周波数と振幅量の依存曲線（Ｑカーブ）の半値幅となる周波数帯の両外側をレバー加振周波数とすることで、カンチレバーが減衰しやすくなり、試料表面の凹凸情報を得ることを可能にした。次に、第二の操作時に、第一の操作時に得られた試料表面凹凸情報を基準に針先を試料表面から正確に一定距離離して、試料表面の物性情報を正しく測定することを可能とした。
【０００９】
【実施例】
実施例について図面を参照して説明すると、図１，２，３は走査型プローブ顕微鏡の測定において 本発明の方式の模式図である。
【００１０】
測定される情報として表面凹凸形状の場合を図１で説明する。探針１を有するカンチレバ−２は、レバ−加振手段３に取り付けられている。レ−ザ反射面４には、レ−ザ５が照射されていて、反射光７は光位置検出器８の位置として検出される。探針１が上下動するように、カンチレバ−２はレバ−加振手段３により振動している。探針１は試料９の表面凹部に接触したときレ−ザ反射光は光位置検出器の位置Ｄに到達する。探針が試料の凹部より離れ振動の上限になったときレ−ザ反射光は光位置検出器の位置Ｂに到達する。探針が試料凹部にあたったり離れたりの振動をしているときは、カンチレバ−の振幅量は、位置Ｄと位置Ｂの差として得られる。次に、試料移動手段１０のスキャン動作１１により、左へ移動させると、探針は試料の凸部上であたったり離れたりする。探針が凸部あたっているときレ−ザ反射光は光位置検出器の位置Ｃへ到達する。探針が凸部から離れ振動の上限になったときレ−ザ反射光は光位置検出器の位置Ｂへ到達する。
【００１１】
探針が試料凸部にあたったり離れたりの振動をしているときは、カンチレバ−の振幅量は、位置Ｃと位置Ｂの差として得られる。光位置検出器へのレ−ザ反射光の到達位置の差を検出すれば試料の凹凸情報を測定することができる。また、光位置検出器へのレ−ザ反射光の到達位置の差が一定になるように、試料移動手段１０の上下動作１２を制御し、上下動作の操作量から試料の凹凸情報としてもよい。探針の試料へのあたりかた（押し付け具合）は小さく一定にしたほうが、探針にも試料表面にもダメ−ジを与えにくいため、通常は後者の方法が取られている。
【００１２】
次に、図２にカンチレバ−が振動しているときの模式図を示す。カンチレバ−２は、レバ−加振手段３取り付けられている。レバ−加振手段３は、圧電素子が用いられていて、圧電素子にある一定電圧が、ある一定周期で印加される。圧電素子は上下方向の振動１３を起こし、カンチレバ−２を振動させる。カンチレバ−はある振幅量Ａで振動する。振幅量Ａは、レバ−加振手段３内の圧電素子への印加電圧と振動周波数に依存する。印加電圧を一定値に決めても、加振させる周波数に大きく依存する。
【００１３】
図３に、本発明の第一の操作時において、レバ−の加振周波数領域を従来との違いとして示す。縦軸はカンチレバ−の振幅量Ａで、横軸はレバ−の加振周波数である。加振周波数ｆを低周波より増加させていくと、ある周波数のところで、カンチレバ−の振幅量Ａは最大値Ａｍａｘとなる。さらに加振周波数ｆを増加させると、振幅量Ａは小さくなっていく。どの周波数で最大になるかは、カンチレバ−の材質、長さ、厚み、幅で決まる。図に示すような、振幅量Ａの加振周波数の依存曲線をＱカ−ブという。Ｑカ−ブのピ−クが共振点１４となる。共振点のときの加振周波数を共振周波数という。共振周波数前後の近傍でレバ−を加振させれば、振動しやすく、減衰しにくい特性となる。共振する周波数近傍（共振点１４近傍）で加振させれば、カンチレバ−は同一印加電圧でも振幅量Ａが大きくなり、振動しやすく、逆に減衰しにくい。探針が試料から作用を受けても、減衰しにくいため、変化すべき振幅量にすぐならない。振動しやすい点を優先させて、 従来からカンチレバ−の加振周波数は共振点近傍とされてきた。
【００１４】
共振点１４の高さ（振幅量）をＡｍａｘとし、Ａｍａｘの１／２となる高さのＱカ−ブ上の点の周波数をｆ１とｆ２とすると、ｆ１からｆ２の間を半値幅の周波数帯とする。半値幅の周波数帯のなかでは、共振点１４に近いほどレバ−は振動しやすく、減衰しにくい特性となる。本発明では、第一の操作時に、レバ−の加振周波数を半値幅の周波数帯の両外側とした。半値幅の周波数帯の両外側ではレバ−は振動しにくく、減衰しやすい特性となる。レバ−の減衰しやすい加振周波数の領域とすることで、試料の凹凸形状に応じて、レバ−の振幅量は変化があっても減衰しやすく一定値になりやすく、試料移動手段の上下動作の操作量をすぐ決めることができ、試料表面の凹凸に応じて、試料移動手段の上下動作を追従できるため、上下動作の操作量から得られる情報は試料表面の凹凸形状となる。正しい試料表面の凹凸情報が測定可能となる。
【００１５】
図４に、カンチレバ−の振幅量が一定になるように、真空中で試料の凹凸形状を測定するとき、カンチレバ−の振動量と試料表面との関係を模式図で示す。探針が試料表面にあたっていないとき、カンチレバ−は振幅量Ａ０で振動している。試料移動手段１０のスキャン動作１１により試料が左方向へ移動してくると、探針が試料の凸面２１にあたりカンチレバ−の振幅量が Ａ１になったとする。Ａ１はＡ０よりも小さくなる。この時点から、説明上制御を始めるとする。
【００１６】
スキャンしながら、カンチレバ−の振幅量がＡ１と一定になるように、試料移動手段１０の上下動作１２を制御する。上下動作の操作量から試料表面の凹凸形状を測定するのは前述のとうりである。スキャン動作が進んで、試料がさらに左へ移動し探針が凸部２１の右角よりさらに右にきた瞬間、凸部と同一の高さの面が急になくなるため、カンチレバ−の振幅量はＡ１から変化することになるが、レバ−が減衰しにくいためすぐには安定しない。このとき振幅量がすぐ一定になれば、試料移動手段の上下動作の操作量を決めることができ、振幅量がＡ１となるまで、試料移動手段により試料を探針に近づければ上下動作の操作量から凸部の高さを決めることができる。しかし、探針が凸部の右角から外れると、探針のあたるものが急に無くなり、カンチレバ−は別の振幅量で振れ始める。しかし、カンチレバ−の周囲に空気抵抗が無いため、減衰しにくいことで、振幅量がすぐ一定に決まらない。実際の振幅量は、ある時間経過後に、探針が試料表面の凹部にあたりだし、Ａ２に落ち着いて一定値になる。一定値になったＡ２と目標値であるＡ１とを比較し、振幅Ａ２がＡ１と同じになるように、試料移動手段の上下動作の操作量がはじめて決まることになる。しかし、実際には、試料移動手段の上下動作の操作量を決める制御は常時行なっているため、振幅量がＡ２になっていく途中の情報で操作量が決まることになる。つまり、探針が試料表面にあたっていないのに、上下動作の操作量が決まることになる。カンチレバ−の過渡的な振幅量から測定される試料表面凹凸情報は試料表面本来の形状でなく、カンチレバ−の減衰のしにくさがはいってしまうことになる。たとえば、試料の凹凸の段差立ち下がり部、立ち上がり部では、カンチレバ−の振幅量は、減衰のしにくさから試料表面の凹凸に追従できず、過渡的に遅れる形で上下動作の操作量が決まるため、測定される（得られる）凹凸情報は、図５に示すように、試料の凹凸情報と測定される凹凸情報に違いが出ることになる。真空中においても、本発明では、第一の操作時に、図３に示すように、カンチレバ−の加振周波数をＱカ−ブの半値幅の周波数帯の両外側とすることで、カンチレバ−の振動が減衰しやすくなり、特に真空中では、カンチレバ−の周囲の空気が無くなるため、カンチレバ−が振動する際空気抵抗を受けず、 大気中よりもさらに振動しやすく、一度振動し始めたら減衰しにくくなる。カンチレバ−の加振周波数をＱカ−ブの半値幅の周波数帯の両外側とすることで、大気中と同じく、正しい試料表面の凹凸情報が測定可能となる。
【００１７】
次に、第二の操作時には、第一の操作時に得られた表面凹凸情報を基準に、針先を試料表面から一定の距離離す。また、カンチレバ−の加振周波数は共振点近傍に切り替える。
【００１８】
図６に、レバ−加振手段の印加電圧波形と光位置検出器で検出される光位置出力信号の時間的関係を示す。探針と試料表面が相互作用を受けなければ、印加電圧波形と光位置出力波形は時間的な遅れが無く同一となる。探針と試料表面は、静電気力、磁気力などにより時間的に遅れた応答をすることになる。探針が試料表面から離れる方向の印加電圧をＶ１とし、探針が試料表面に近づく方向の印加電圧を−Ｖ１とする。また、探針が試料表面に近づく方向の光位置出力信号をＷ１とし、探針が試料表面から離れる方向の光位置出力信号をＷ２とする。探針と試料表面に前述の相互作用により、印加電圧波形がＶ１になっても、光位置出力信号は時間Ｔ秒後にＷ２になる。つまり、試料表面に物性による作用力があると探針が試料表面から離れる方向のときに時間的遅れ（位相）が発生する。
【００１９】
このとき、遅れ時間Ｔの大小を検出することで、試料表面の物性の大小を比較することができる。針先が試料表面から非接触のときは、位相を測定する際にレバ−加振周波数をＱカ−ブの半値幅となる周波数帯の両側とすると試料表面の物性の影響を受けても、レバ−の振動は減衰しやすくなり共振しにくいため、高分解能測定が犠牲になる。
【００２０】
そこで、第一の操作時には針先が試料表面に対して接触するため、カンチレバ−の加振周波数をＱカ−ブの半値幅の周波数帯の両外側とすることで、カンチレバ−の振動が減衰しやすくなり、正確な表面凹凸情報を得て、第二の操作時には針先が試料表面に対して非接触となるため、カンチレバ−の加振周波数をＱカ−ブの共振点近傍と切り替えることで共振しやすくし、試料表面の物性情報を感度よく測定することができる。
【００２１】
試料表面の物性情報としては、磁場、電場、物理作用力などがある。例えば、カンチレバ−の探針に磁性コ−トをしておけば、第二の操作時に試料表面の磁場分布に応じて、磁性コ−トされた探針は引力、斥力を受け、位相の違いとして検出される。測定したい領域について位相信号をマッピングしていけば、試料表面の磁場分布を測定できる磁気力顕微鏡となる。
【００２２】
また、カンチレバ−の探針に導電性コ−トをしておけば、第二の操作時に試料表面の電位分布に応じて、導電性コ−トされた探針は静電誘導現象により引力を受け、試料表面の電位の大きいところほど大きく引力を浮け、位相の違いとして検出される。測定したい領域について位相信号をマッピングしていけば、試料表面の電位分布を測定できる電位力顕微鏡となる。
【００２３】
また、カンチレバ−の探針に樹脂コ−トあるいは高分子の球などを装着しておけば、第二の操作時に試料表面の電位分布に応じて、樹脂コ−トあるいは高分子の球などを装着された探針は、樹脂コ−トあるいは高分子の球の材質で決まる帯電を持つため、試料表面の場所ごとに引力、斥力を受ける。試料表面のプラス、マイナスに応じて、探針は引力あるいは斥力を位相の違いとして検出される。測定したい領域について位相信号をマッピングしていけば、 試料表面の電位分布を測定できる電位力顕微鏡となる。
【００２４】
また、カンチレバ−の探針に導電性コ−ト、樹脂コ−トなどに拘わらず、第二の操作時に、探針と試料表面とが離れた状態での非接触な相互物理作用力（ファンデルワ−ルス力など）は位相の違いとして検出される。測定したい領域について位相信号をマッピングしていけば、試料表面の非接触相互物理作用力分布を測定できる物理作用力顕微鏡となる。
【００２５】
図７に、位相信号から共振点の周波数シフトを得る手順を示す。位相信号を得る方法は図６と同じである。位相信号から共振周波数のシフト分を求めてもよい。 第二の操作時に、共振周波数のシフト分をマッピングしていけば、前述と同じく 磁気力顕微鏡、電位力顕微鏡、物理作用力顕微鏡となるのはいうまでもない。
【００２６】
また、第二の操作時にカンチレバ−を振動させなくてもよい。振動させないときは、第二の操作時に、カンチレバ−は試料表面の物性により非接触の拘束力（静電気力、磁気力など）を受け、カンチレバ−のレ−ザ反射面はたわむ。試料表面から引力を受けると針先は試料面に近づき、反力を受けると試料表面から離れようとする。たわみ量を光ヘッドで検出すれば、試料表面の物性情報を測定することもできる。
【００２７】
第一の操作と第二の操作は、測定したい領域内においてポイントごとに行ってもよい。ある点において、第一の操作をしてすぐ第二の操作をする。針先と試料の位置を相対的にずらして、隣のポイントにおいて同じく第一の操作と第二の操作をする。同様に繰り返していくことで、測定したい領域内の表面凹凸情報と試料表面物性情報が得られる。
【００２８】
第一の操作と第二の操作は、測定したい領域内においてラインごとに行ってもよい。あるラインにおいて、第一の操作をして測定ラインでの表面凹凸情報を測定し記憶する。次に、記憶された表面凹凸情報を基準に針先が試料表面から一定距離離して、同一ライン上で第二の操作をする。針先と試料の位置を相対的にずらして、隣のラインにおいて同じく第一の操作と第二の操作をする。同様に繰り返していくことで、測定したい領域内の表面凹凸情報と試料表面物性情報が得られる。
【００２９】
第一の操作と第二の操作は、測定したい領域内においてフレ−ムごとに行ってもよい。測定したい領域（フレ−ム）をすべて第一の操作をする。このケ−スでは、試料表面凹凸情報を２次元デ−タとして記憶する。次に記憶された２次元ｈの表面凹凸情報を基準に、針先を試料表面から一定距離離して、第二の操作をする。
【００３０】
また、第一の操作で最初に測定したい領域内のフレ−ムを測定し表面凹凸形状を得て、次に試料移動手段により探針を測定したいポイントに移動させて、そのポイントにおいてのみ第二の操作に入り表面物性情報を測定してもよい。さらにポイントにおいての第二の操作時に表面物性情報を得るとき試料に磁場あるいは電界を印加させてもよい。なお磁場、電界など印加する強さを変化させて第二の操作時で得られる表面物性情報の変化を測定してもよい。
【００３１】
次に、図８に真空中での実施例を示す。レ−ザ発生器６１からのレ−ザ５はウインドウ６２を透過して真空容器６３内へ導入される。真空容器とウインドウは気密性が確保されていて、真空容器は真空排気手段６４により真空状態が達成される。真空容器内にはカンチレバ−２とレバ−加振手段３と試料９と試料を加熱あるいは冷却あるいは室温のまま載せる試料台６５が設置されている。試料台は試料台移動手段６９によりスキャン動作および上下動作が可能となっている。ウインドウを介し真空容器内に導入されたレ−ザは、カンチレバ−２のレ−ザ反射面に照射され、レ−ザの反射光７はウインドウを介し真空容器外に設置された光位置検出器８へ到達する。光位置検出器の位置により、カンチレバ−の振幅量が得られる。第一の操作において 探針が試料表面にあたることで振幅量が減少するが、減少した振幅量を維持するように試料移動手段のスキャン動作に応じて上下動作により操作量を決めれば試料凹凸情報を得ることができる。この際、レバ−加振動周波数をＱカ−ブの半値幅の周波数帯の両外側とすることで、レバ−が減衰しやすくなり、試料凹凸に追随しやすくなり、試料の凹凸形状情報を測定することができる。また、第二の操作において、レバ−加振手段３への印加電圧波形と光位置検出器８の出力信号を測定することで、探針が離れる方向のときの時間遅れ（位相）を得ることができ、時間遅れの大小は試料表面の物性値の大小になるため、物性分布を測定することができる。
【００３２】
また、測定は真空中だけではなく、真空排気手段により真空にした後、真空容器にガス導入６８して大気圧下で測定してもよい。さらに、ガス置換する際に、湿度を含ませたガスを導入して測定してもよい。また、真空排気せず、真空容器内へガスあるいは湿度を含めたガスを常時流し続けて１気圧状態で測定してもよい。
【００３３】
また、試料を溶液の入れることのできるセル内にセットして、試料移動手段上に置き溶液中で測定してもよい。
【００３４】
また、 試料表面に垂直あるいは水平あるいは任意の角度の磁場、電界などを印加して測定してもよい。磁場あるいは電界を印加する手段は、試料の近く周囲でも、真空容器の外に配置してもよい。例えば磁場を印加する場合には、試料近傍にコイルを設置し、コイルに電流を流すことで電流の大きさで印加磁場の強さを変化させてもよい。また永久磁石を用いて試料との距離を変化させることで印加磁場の強さを変化させてもよい。次に例えば電界を印加する場合には、試料近傍にコイルを設置し、コイルに電流を流すことで電流の大きさで印加電界の強さを変化させてもよい。また試料近傍に板状の電極面を設置し、電極に電圧を印加し 印加する電圧の強さを変化させることで試料への電界を変化させてもよい。
【００３５】
第一の操作において、レバ−加振周波数を、レバ−の振幅量と加振周波数の依存曲線（Ｑカ−ブ）の半値幅となる周波数帯の両外側とすることで、レバ−の減衰をしやすくし、大気中のみならず真空中、ガス中、溶液中においも、試料の凹凸に追随させ、試料表面凹凸情報を正確に測定できる。また、第二の操作時には、第一で得られた表面凹凸情報を基準にすることができ、針先を試料表面から一定距離離した状態の物性情報を測定できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３７】
先端に微小な探針を有するカンチレバーと、該カンチレバ−のレ−ザ反射面に照射するレ−ザと、該レ−ザの反射光の位置を検出する光位置検出器と、試料を移動させる試料移動手段と、カンチレバ−を一定周期で所望の振幅量で振動させるレバ−加振手段とからなり、カンチレバ−の探針が試料表面に接触したとき振幅量の減少分を光位置検出器でとらえて、減少した振幅量が一定になるように、試料移動手段の上下動作を制御することで、上下動作の操作量から試料表面の凹凸形状情報を測定する第一の操作と、次に針先を第一の操作で得られた凹凸形状から一定距離離しながら、非接触状態での物理作用力情報を検出する第二の操作を行う走査型プローブ顕微鏡において、第一の操作時に、カンチレバ−の加振周波数と振幅量の依存曲線（Ｑカ−ブ）の半値幅となる周波数帯の両外側をレバ−加振周波数とすることで、カンチレバ−が減衰しやすくなり、試料表面の凹凸情報を正確に得ることを可能にした。次に、第二の操作時に、第一の操作時に得られた試料表面凹凸情報を基準に針先を試料表面から正確に一定距離離して、試料表面の物性情報を正しく測定することを可能にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査型プロ−ブ顕微鏡で表面凹凸分布を測定するときの方式の模式図。
【図２】カンチレバ−の振動を説明する模式図。
【図３】カンチレバ−の振幅量と加振周波数の依存曲線と本発明の加振周波数領域の説明図。
【図４】走査型プロ−ブ顕微鏡で表面凹凸分布を測定するときの、探針と試料表面の関係を示す説明図。
【図５】走査型プロ−ブ顕微鏡で表面凹凸分布を測定するときの、カンチレバ−が減衰しにくいときの測定される凹凸情報の説明図。
【図６】走査型プロ−ブ顕微鏡で物性分布を測定する際、探針の試料表面から離れる時間的遅れ（位相）を示す説明図。
【図７】走査型プロ−ブ顕微鏡で物性分布を測定する際、探針の試料表面から離れる時間的遅れ（位相）から共振周波数のシフト量を求める説明図。
【図８】走査型プロ−ブ顕微鏡で試料表面凹凸情報および物性分布を測定する際の実施例を示す模式図。
【符号の説明】
１  探針
２  カンチレバ−
３  レバ−加振手段
４  レ−ザ反射面
５  レ−ザ
７  反射光
８  光位置検出器
９  試料
１０ 試料移動手段
１１ スキャン動作
１２ 上下動作
１３  振動
１４ 共振点
２１ 試料凸部
６１ レ−ザ発生器
６２ ウインドウ
６３ 真空容器
６４ 真空排気手段
６５ 試料台
６６ レ−ザ移動手段
６７ 光位置検出器移動手段
６８ ガス導入
６９ 試料台移動手段
Ｂ，Ｃ，Ｄ              レ−ザ反射光の光位置検出器への到達する位置
Ａ、Ａ０、Ａ１、Ａ２    カンチレバ−の振幅
Ａｍａｘ                Ｑカ−ブの共振点の振幅量
ｆ１、ｆ２              Ｑカ−ブの共振点振幅量の半分となる周波数
Ｖ１，−Ｖ１            レバ−加振手段への印加電圧
Ｗ１、Ｗ２              光位置検出器での光位置出力信号
【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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【図８】
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