(57)【要約】      （修正有）【課題】試料の走査中にモードを切り替えても安定して測定を行うことができる走査型顕微鏡を提供する。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、フィードバック制御部１５と変位量検出部９との間に、タッピングモードが選択された時及びコンタクトモードが選択された時のカンチレバーと試料との距離を一定に保つための参照値を一致させるためのオフセット回路１１と、変位量検出部から出力される信号が第１の信号と第２の信号に分岐される分岐部２７と、第１の信号が通る第１の信号経路２６と、第２の信号が通る第２の信号経路２８と、コンタクトモードが選択された時には第１の信号経路とフィードバック制御部とを接続し、タッピングモードが選択された時には第２の信号経路とフィードバック制御部とを接続するスイッチ１２と、第２の信号経路内に存在する、交流信号を交流信号の振幅に比例する信号に変換するＤＣ変換部１４と、を有する信号変換部２４を有する。【選択図】図１
2016023952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面を走査する探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位量を測定する変位量検出部と、前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つために前記カンチレバーの変位量を基に前記試料の高さを調整するフィードバック制御部とを有し、前記探針を前記試料に接触させて前記試料を走査するコンタクトモードと、前記カンチレバーを振動させて前記試料を走査するタッピングモードと、を切り替えて前記試料の測定を行う走査型プローブ顕微鏡において、
前記フィードバック制御部と前記変位量検出部との間に、
前記タッピングモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値と前記コンタクトモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値を一致させるためのオフセット回路と、
前記変位量検出部から出力される信号が第１の信号と第２の信号に分岐される分岐部と、
前記第１の信号が通る第１の信号経路と、前記第２の信号が通り前記第１の信号経路とは異なる第２の信号経路と、
前記コンタクトモードが選択された時には前記第１の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続し、前記タッピングモードが選択された時には前記第２の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続するスイッチと、
前記第２の信号経路内に存在する、交流信号を前記交流信号の振幅に比例する信号に変換するＤＣ変換部と、を有する信号変換部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】
前記オフセット回路を前記第２の信号経路内に有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記オフセット回路を前記変位量検出部と前記分岐部との間に有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記オフセット回路を前記第１の信号経路内に有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記オフセット回路を前記第１の信号経路および前記第２の信号経路のいずれにも有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記コンタクトモードと前記タッピングモードとの切り替えと前記スイッチの切り替えが同期されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記変位量検出部から出力される信号が電圧であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記タッピングモードが選択された時の前記変位量検出部から出力される信号が交流電圧であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記コンタクトモードが選択された時の前記変位量検出部から出力される信号が直流電圧であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記ＤＣ変換部が、ＲＭＳ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記変位量検出部が光の信号を電気信号に変換することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項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、探針を試料表面で走査することで試料の表面形状や物性情報を観察することが可能な走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、試料の表面形状と同時に物性情報を取得する物性測定が可能である。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡は表面形状と同時に物性情報も取得することができる。
【０００４】
特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置では、タッピングモードとコンタクトモードを１０〜２０ｍｓで切り替え、タッピングモードで試料の表面形状に関する情報を取得し、コンタクトモードで試料の導電性に関する情報を取得して、コンタクトモードでは測定困難な試料の導電性の評価を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−８５３２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡装置では，タッピングモードとコンタクトモードの信号の違いにより，タッピングモードに適切な探針と試料の距離の制御を行うと、コンタクトモードでは適切な探針と試料の距離の制御にならず、所望の押しつけ圧を設定していずれの測定モードでも測定することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明では、試料の表面を走査する探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位量を測定する変位量検出部と、前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つために前記カンチレバーの変位量を基に前記試料の高さを調整するフィードバック制御部とを有し、前記探針を前記試料に接触させて前記試料を走査するコンタクトモードと、前記カンチレバーを振動させて前記試料を走査するタッピングモードと、を切り替えて前記試料の測定を行う走査型プローブ顕微鏡において、
前記フィードバック制御部と前記変位量検出部との間に、
前記タッピングモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値と前記コンタクトモードが選択された時の前記カンチレバーと前記試料との距離を一定に保つための参照値を一致させるためのオフセット回路と、
前記変位量検出部から出力される信号が第１の信号と第２の信号に分岐される分岐部と、
前記第１の信号が通る第１の信号経路と、前記第２の信号が通り前記第１の信号経路とは異なる第２の信号経路と、
前記コンタクトモードが選択された時には前記第１の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続し、前記タッピングモードが選択された時には前記第２の信号経路と前記フィードバック制御部とを接続するスイッチと、
前記第２の信号経路内に存在する、交流信号を前記交流信号の振幅に比例する信号に変換するＤＣ変換部と、を有する信号変換部を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の走査型顕微鏡および走査方法を使用すれば，タッピングモードとコンタクトモードのいずれにも適切な探針と試料の押し付け圧を設定することができるようになり，試料の走査中にタッピングモードとコンタクトモードを切り替えても安定して測定を行うことができる。それにより，コンタクトモードで形状評価が困難な試料についても物性評価を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡装置の構成を示す概略図である。
【図２】一般的な走査型プローブ顕微鏡装置の構成を示す概略図である。
【図３】（ａ）比較例で測定したＣＮＴ（カーボンナノチューブ）の表面形状を測定した表面形状像である。（ｂ）比較例で測定したＣＮＴの電流像である。
【図４】実施例における、測定モードの切り替え信号と、フィードバック信号制御ユニット内の各部分からの出力を示す図である。
【図５】（ａ）実施例で測定したＣＮＴ（カーボンナノチューブ）の表面形状を測定した表面形状像である。（ｂ）実施例で測定したＣＮＴの電流像である。
【図６】（ａ）第二の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。（ｂ）第三の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。（ｃ）第四の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態について説明する。
【００１１】
（前提）
初めに、一般的な走査型プローブ顕微鏡（以降の記載においてはＳＰＭと表示することがある）について図２を用いて説明する。なお、試料６の垂直方向をＺ、試料の面内方向をＸ、Ｙとして説明する。
【００１２】
カンチレバー１は、試料６を走査する針である探針２を保持し、試料６の表面に対向するように配置されている。カンチレバー１は、アクチュエータ３を備えたホルダー（不図示）に固定されており、あらかじめ測定モードとして選択された、タッピングモードの信号もしくはコンタクトモードの信号が発振器２５からアクチュエータ３に入力されて探針２が試料６を走査する。
【００１３】
具体的には、あらかじめ測定モードとしてタッピングモードが選択されている場合には、発振器２５から適切な周波数かつ一定の振幅の交流電圧が出力され、出力された交流電圧によりカンチレバーを一定の振幅で振動させて試料６を走査する。一方、あらかじめ測定モードとしてコンタクトモードが選択されている場合には、発振器２５から一定電圧が出力され、一定電圧によりカンチレバーを振動させず接触させて試料６を走査する。
【００１４】
試料６を走査中のカンチレバー１のたわみ量は、レーザーなどの光源４から発生する光をカンチレバー１に照射し、その反射光を光検出部５で検出し、検出した反射光の信号を変位量検出部９に入力して変位量に変換することで計測される。具体的には、光検出部５に４分割フォトダイオードを使用した場合には、フォトダイオードの各チャンネルで検出された光強度を比較して変位量検出部９で変位量に演算することで、カンチレバー１のたわみ量に比例した電気信号を変位量検出部９で出力する。
【００１５】
変位量検出部９が出力した信号は、ＤＣ変換部１４、参照信号発生部１６、フィードバック制御部１５から構成されるＳＰＭ制御ユニット１７に入力されて、探針２と試料６との間の距離が一定になるようにピエゾスキャナ８により試料台７の位置が調整される。
【００１６】
あらかじめ測定モードとしてタッピングモードが選択されている場合には、変位量検出部９からカンチレバー１の振動に起因した交流信号が出力され、変位量検出部９から出力された交流信号はＤＣ変換部１４で交流信号の振幅に比例する振幅信号に変換され、その信号がフィードバック制御部１５に入力される。そして、フィードバック制御部１５に入力された振幅信号と、参照信号発生部１６からフィードバック制御部１５に入力されたあらかじめ設定した参照値と、がフィードバック制御部１５で比較され、入力された振幅信号が参照値と一致するようにピエゾスキャナ８により、試料台７のＺ方向が調整される。なお、ここで記載した参照値とは、カンチレバーと試料との距離を一定に保つための目標値である。
【００１７】
一方、あらかじめ測定モードとしてコンタクトモードが選択されている場合には、変位量検出部９から出力された信号はカンチレバー１のたわみ量に起因した信号（以降の記載においては「たわみ量信号」と記載することがある）が出力される。ＤＣ変換部１４に入力されたたわみ量信号は変換されずたわみ量信号のまま出力されて、フィードバック制御部１５に入力される。そして、フィードバック制御部１５に入力されたたわみ量信号と、参照信号発生部１６からフィードバック制御部１５に入力されたあらかじめ設定した参照値と、がフィードバック制御部１５で比較され、たわみ量信号と参照値が一致するようにピエゾスキャナ８により試料台７のＺ方向が調整される。
【００１８】
探針２を走査させる際、このＺ方向の制御と同時に、探針のＸ、Ｙ方向の走査により、Ｘ、Ｙ方向の位置に関する信号も得られる。これにより、試料６のＸ、Ｙ、Ｚの位置をパソコンなどのＳＰＭ制御コンピュータ１８に取り込むことで、試料６の表面形状に関する情報を得ることもできる。
【００１９】
試料６の物性情報を取得する際には、ＳＰＭ制御コンピュータ１８により物性測定用電気信号発生部１９が制御されて、物性測定用電気信号が試料台７に出力されて試料６に物性測定用電気信号が付与される。そして、試料６に物性測定用電気信号を付与することで発生した物性測定用電気信号に応答する信号が物性信号測定部２０に入力されて、ＳＰＭ制御コンピュータ１８に取り込まれる。例えば、試料６の導電情報を取得する際には、カンチレバー１に導電性のカンチレバーを使用し、物性測定用電気信号発生部１９から試料台７に電圧が印加され、接地したカンチレバー１に流れる電流が物性信号測定部２０で検出される。これにより、試料６の物性情報である導電性に関する情報を取得することができる。
【００２０】
なお、試料６の物性情報を取得する際には、ＸＹ方向への走査と同時に行うことができ、そのような場合には、試料６の形状情報を取得するとともに、試料６の物性情報も取得することができる。
【００２１】
次に、本発明の好適な実施形態である第一の実施形態の走査型顕微鏡について図１を用いて説明する。図１は第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示す概略図である。
【００２２】
＜第一の実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、変位量検出部９とＳＰＭ制御ユニット１７の間にフィードバック信号制御ユニット１３を有する。なお、図１において、図２と同じ符号を用いているものは同じものを示す。また、図２の走査型プローブ顕微鏡において、図１の走査型プローブ顕微鏡と異なる部分は、フィードバック信号制御ユニット１３を有することであり、それ以外は図１と同じであるため、説明を省略する。
【００２３】
フィードバック信号制御ユニット１３は、ＳＰＭ制御ユニット１７へ入力する信号を制御する信号変換部２４と、カンチレバー１の振動を制御する発振器制御部２２と、試料台７の位置を調整するピエゾスキャナ８を制御する試料台微調整部２３と、信号変換部２４と発振器制御部２２と試料台微調整部２３の動作を制御するフィードバック信号制御ユニット内制御部２１と、から構成される。信号変換部２４は、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０と、オフセット回路１１と、スイッチ１２と、から構成される。
【００２４】
フィードバック信号制御ユニット内制御部２１は、スイッチ１２、発振器制御部２２、試料台微調整部２３の制御を行うことができる制御部である。フィードバック信号制御ユニット内制御部２１は例えばＰＣである。フィードバック信号制御ユニット内制御部２１がＰＣであることにより、測定モードの切り替えを簡易に行うことができる。
【００２５】
フィードバック信号制御ユニット内制御部２１からの指示に従い、タッピングモードが選択された時は、発振器制御部２２から適切な周波数かつ一定の振幅の交流電圧が出力され、探針２が一定の振幅で振動する。一方、フィードバック信号制御ユニット内制御部２１からの指示に従い、コンタクトモードが選択された時は、発振器制御部２２から一定の電圧が出力されて探針２の振動を停止させ、探針２を試料６に接触させて測定を行う。すなわち、フィードバック信号制御ユニット内制御部２１から指示される走査型プローブ顕微鏡の測定モードの切り替えに同期させて、カンチレバー１を振動させたり、停止させたりする。
【００２６】
試料台微調整部２３は、フィードバック信号制御ユニット内制御部２１からの指示に従い、タッピングモード時とコンタクトモード時で異なる電圧を出力し、ピエゾスキャナ８に信号として入力する。試料台微調整部２３からピエゾスキャナ８に入力される信号は、ＳＰＭ制御ユニット１７によって設定されたピエゾスキャナ８のＺ方向の位置から、タッピングモードからコンタクトモードもしくはその逆への変更によって生じるピエゾスキャナ８に入力される電圧差に対応する移動量分、ピエゾスキャナ８のＺ方向の位置を調整するためのものである。これは、タッピングモードとコンタクトモードで異なる電圧がピエゾスキャナ８に入力されることにより、タッピングモードとコンタクトモードで試料台７の高さが変わることによるものである。探針２と試料６との間の距離は、タッピングモード時の方がコンタクトモードの時よりも長くする必要があるため、タッピングモードが選択された時にはコンタクトモードが選択された時よりも試料台７が下降するよう試料台微調整部２３によりピエゾスキャナ８が制御される。これを、測定モード切り替え（すなわちタッピングモードからコンタクトモードへの切り替えもしくはその逆）と同期させて行うことで、測定モード切り替え時にフィードバック制御部１５によって調整するＺ方向の量が減少するため、ＳＰＭ制御ユニット１７でＺを調整する時間を短縮できる。
【００２７】
変位量検出部９から信号変換部２４に入力された信号は、第１の信号と第２の信号に分割される分岐部２７で第１の信号と第２の信号の２つに分割される。なお、通常、変位量検出部９から出力される信号は電圧であるため、第１の信号と第２の信号は同じ信号値となる。
【００２８】
そして、第１の信号は、第１の信号経路２６を通り、スイッチ１２に直接到達する。
【００２９】
一方、第２の信号は、交流信号を直流信号に変換するＤＣ変換部であるＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０に入力される。ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０に入力された第２の信号は、交流信号の振幅に比例した振幅信号に変換される。したがって、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０に入力された第２の信号が交流電圧である場合、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０から出力される信号は直流電圧となる。
【００３０】
そして、振幅信号は、オフセット回路１１に入力され、後述する信号オフセットをかけられて出力され、スイッチ１２に到達する。
【００３１】
ここで、本実施形態においては、第１の信号が通る分岐部２７からスイッチ１２までの経路を第１の信号経路２６とし、第２の信号が通る分岐部２７からＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０およびオフセット回路１１を経てスイッチ１２まで到達する経路を第２の信号経路２８とする。図１に示す通り、第２の信号経路２８は第１の信号経路２６とは異なる経路である。
【００３２】
スイッチ１２は、フィードバック制御ユニット内制御部２１からの指示に従い、コンタクトモードが選択されている時は、第１の信号経路２６とＳＰＭ制御ユニット１７とを接続して第１の信号をＳＰＭ制御ユニット１７に出力する。また、フィードバック制御ユニット内制御部２１からの指示に従い、タッピングモードが選択されている時は、第２の信号経路２８とＳＰＭ制御ユニット１７とを接続して、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０およびオフセット回路１１を通った第２の信号をＳＰＭ制御ユニット１７に出力する。
【００３３】
なお、ＳＰＭ制御ユニット１７は、コンタクトモードに設定して使用することで、ＤＣ変換部１４に入力された信号がそのまま出力され、フィードバック信号制御ユニット１５に入力される。
【００３４】
次に、前述したオフセット回路１１でかける信号オフセットについて説明する。なお、変位量検出部９から出力される信号は通常電圧であるため、以下ではＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０に入力される信号からフィードバック制御部１５までに使用される信号を電圧で表記しているが、本発明の制御信号は、その他の信号であっても良い。
【００３５】
変位量検出部９では光検出部５で検出された信号をもとに、カンチレバー１のたわみ量に比例した電圧が出力される。
【００３６】
ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０は変位量検出部９から入力された信号にＡＣ結合を行い、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０に入力された交流電圧信号の最大振幅がａ［ｍＶ］のとき、Ｇ・ａ［ｍＶ］の電圧に変換して出力する。また、オフセット回路１１では入力された電圧に対して適切なオフセット電圧Ｖｏｆｆをかけて出力する。
【００３７】
以降の記載では、カンチレバー１がたわんでいない時のある位置を原点とし、試料２から探針６に向かう方向を正とするｚ軸を用いて、適切なオフセット電圧について説明する。カンチレバー１の位置がｚ＝０の時の変量位検出部９からの出力がｂ［ｍＶ］で、カンチレバー１がＺ方向にたわんだ時のたわみ量と変位量検出部９からの出力電圧を対応付ける比例定数（ＤＩＦ感度）がＳｄ［ｍＶ／ｎｍ］のとき、コンタクトモードで走査する際のカンチレバー１の位置（たわみ量）をｚ＝δ［ｎｍ］に設定すると、コンタクトモード時のＳＰＭ制御ユニット１７に入力される第１の信号の参照値の設定電圧は（δ・Ｓｄ＋ｂ）［ｍＶ］になる。
【００３８】
一方、タッピングモードで走査する際のカンチレバー１の振幅をＡ［ｎｍ］に設定すると、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０およびオフセット回路１１を通った第２の信号の参照値の設定電圧は（Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜−Ｖｏｆｆ）［ｍＶ］になる。したがって、タッピングモードとコンタクトモードの参照値を同一にするための適切な信号オフセットＶｏｆｆは、図１の信号制御部２４の構成に従って、Ｓｄ、Ｇ、Ａ、δ、ｂを変数とする下記式（１）で記載することができる。
Ｖｏｆｆ＝Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜−δ・Ｓｄ−ｂ      （１）
【００３９】
すなわち、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０から出力される電圧からオフセット電圧Ｖｏｆｆ［ｍＶ］だけ下げたときに、タッピングモードとコンタクトモードの参照値が同一になる。
【００４０】
適切な信号オフセットによってタッピングモードとコンタクトモードの参照値を同一とすることにより、走査中に測定モードを切り替えたときにも、探針２と試料６の押し付け圧が一定となるため、連続して安定に測定を行うことができる。
【００４１】
また、走査中にコンタクトモードとタッピングモードを切り替え、タッピングモードで試料６の表面形状情報を取得し、コンタクトモードで試料６の物性値を測定するようにすることで、コンタクトモードで表面形状情報の測定が困難な試料に対しても、表面形状情報を取得するとともに物性情報を取得することができるようになる。
【００４２】
なお、式（１）のパラメータ、Ｓｄ、Ｇ、Ａ、δ、ｂのうち、Ｓｄ、Ｇおよびｂは装置によって決まる値であり、Ａ、δはタッピングモード、コンタクトモードでのそれぞれの測定が最適になるように測定者が決定する値である。
【００４３】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、スイッチ１２、発振器制御部２２、試料台微調整部２３の切り替えを測定モードの切り替えと同期させているが、本発明の走査型プローブ顕微鏡ではそれぞれの切り替えに適当な遅延時間を設けても良い。
【００４４】
これにより、測定モード切り替え時に探針２を試料６に強く押し付けることを防ぐことができ、探針２のダメージを軽減することができる。例えば、コンタクトモードからタッピングモードに切り替える際、スイッチ１２と試料台微調整部２３の切り替えを行ってから約１ｍｓ後に発振器制御部２２から発振器２５に入力する信号を切り替えるようにする。
【００４５】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、スイッチ１２、発振器制御部２２、試料台微調整部２３の制御を行うフィードバック信号制御ユニット内制御部２１には、ＰＣを使用している。しかしながら、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、フィードバック信号制御ユニット内制御部２１はＰＣに限定されず、例えば、ファンクションジェネレータやマイコンを使用し、周期的に測定モードを切り替える信号を発生させて制御をおこなっても良い。
【００４６】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では交流信号の振幅を振幅信号に変換するＤＣ変換部としてＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０を使用したが、本発明の走査型プローブ顕微鏡では、ロックインアンプなどの振幅に比例した信号に変換できるものであれば他のものを使用してもよい。
【００４７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は試料台微調整部２３を有しているが、タッピングモードとコンタクトモードの間の切り替え時間を短縮する必要がなければ、本発明の走査型プローブ顕微鏡は試料台微調整部２３を有していなくても良い。
【００４８】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡はＳＰＭ制御ユニット１７内にＤＣ変換部１４を有しており、オフセット回路１１を経た第２の信号はスイッチ１２を通った後にＤＣ変換部を通ってフィードバック制御部に入力されているが、本発明の走査型プローブ顕微鏡はＳＰＭ制御ユニット１７内にＤＣ変換部１４を有しておらず、オフセット回路１１を経た第２の信号がフィードバック制御部１５に直接入力される構成でも良い。
【００４９】
＜第二の実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡が第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡と異なる点は、オフセット回路１１が、第１の信号経路２６と第２の信号経路と２７の分岐部２７と、変位量検出部９と、の間に配置されている点である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、変位量検出部９で検出された信号は、オフセット回路１１に入力されてオフセットがかけられた信号に変換された後、その変換された信号が分岐部２７で第１の信号と第２の信号の２つに分割され、第１の信号は第１の信号経路２６を通ってスイッチ１２に直接到達し、第２の信号はＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０で振幅信号に変換された後スイッチ１２に到達する。
【００５１】
ここで、本実施形態においては、第１の信号経路２６は第１の信号が通る分岐部２７からスイッチ１２までの経路であり、第２の信号経路は第２の信号が通る分岐部２７からＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０を経てスイッチ１２までの経路である。
【００５２】
コンタクトモードで走査するときには，第１の信号経路を通るため，参照値の設定電圧は（δ・Ｓｄ＋ｂ−Ｖｏｆｆ）［ｍＶ］になる。一方，タッピングモードで走査するときには，信号がＲＭＳ−ＤＣコンバータにＡＣ結合で入力されるため，参照値の設定電圧は（Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜）［ｍＶ］になる。したがって，本実施形態における適切なオフセット電圧は、式（２）により求めることができる。
Ｖｏｆｆ＝δ・Ｓｄ＋ｂ−Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜      （２）
【００５３】
＜第三の実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡が第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡と異なる点は、第１の信号経路２６内にオフセット回路１１が配置されている点である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
【００５４】
図６（ｂ）に示すように、変位量検出部９で検出された信号は、分岐部２７で第１の信号と第２の信号の２つに分割され、第１の信号が、２６に示す第１の信号経路内に存在するオフセット回路１１でオフセットがかけられた信号に変換されたのちにスイッチ１２に到達し、第２の信号が２８に示す第２の信号経路内でＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０により振幅信号に変換された後スイッチ１２に到達する。
【００５５】
コンタクトモードで走査するときには，第１の信号経路を通るため，参照値の設定電圧は（δ・Ｓｄ＋ｂ−Ｖｏｆｆ）［ｍＶ］になる。一方，タッピングモードで走査するときには，信号がＲＭＳ−ＤＣコンバータにＡＣ結合で入力されるため，参照値の設定電圧は（Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜）［ｍＶ］になる。したがって，本実施形態における適切なオフセット電圧は、第二の実施形態と同様に式（２）により求めることができる。
Ｖｏｆｆ＝δ・Ｓｄ＋ｂ−Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜      （２）
【００５６】
＜第四の実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡が第一の実施形態の走査型プローブ顕微鏡と異なる点は、第２の信号経路２８に加えて、第１の信号経路２６内にもオフセット回路（第一のオフセット回路）２９が配置されている点である。それ以外は第一の実施形態と同じである。
【００５７】
図６（ｃ）に示すように、変位量検出部９で検出された信号は、分岐部２７で第１の信号と第２の信号の２つに分割され、第１の信号が第１の信号経路２６内に存在する第１のオフセット回路２９でオフセットがかけられた信号に変換されてスイッチ１２に到達する。そして、第２の信号が第２の経路２８内でＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０により振幅信号に変換された後、第２のオフセット回路３０に入力されて第２のオフセットがかけられた信号となり、スイッチ１２に到達する。
【００５８】
第１のオフセット回路のオフセット電圧（第１のオフセット電圧）をＶ１ｏｆｆ、第２のオフセット回路のオフセット電圧（第２のオフセット電圧）をＶ２ｏｆｆとすると、コンタクトモードで走査するときには，第１の信号経路を通るため，参照値の設定電圧は（δ・Ｓｄ＋ｂ−Ｖ１ｏｆｆ）［ｍＶ］になる。一方，タッピングモードで走査するときには，信号がＲＭＳ−ＤＣコンバータにＡＣ結合で入力されるため，参照値の設定電圧は（Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜−Ｖ２ｏｆｆ）［ｍＶ］になる。したがって，本実施形態の時の適切なオフセット電圧は、Ｖ１ｏｆｆおよびＶ２ｏｆｆのうちの一方をある値に設定することで，他方を式（３）により算出し，第１のオフセット電圧および第２のオフセット電圧を求めることができる。
Ｖ１ｏｆｆ−Ｖ２ｏｆｆ＝δ・Ｓｄ＋ｂ−Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜      （３）
【００５９】
以下に、本発明の実施例を示す。
【００６０】
（実施例）
図１に記載する走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の測定を行った。
【００６１】
試料６には、Ｓｉ基板上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をスピンコートしたものを使用した。物性値の測定は、試料台７に０．５Ｖの電圧を印加して、電流像を取得することで行った。カンチレバー１には、Ｒｈコートの導電性カンチレバーを使用した。
【００６２】
フィードバック信号制御ユニット１３を使用して測定を行ったときの結果について説明する。スイッチ１２、発振器制御部２２、ステージ微調整部２３の制御は、フィードバック信号制御ユニット内制御部２１からタッピングモードの時にはＬの論理信号を出力し、コンタクトモードの時にはＨの論理信号を出力することで行った。タッピングモードとコンタクトモードの切り替えは２６ｍｓごとに行った。
【００６３】
フィードバック信号制御ユニット１３のオフセット回路１１の電圧は次の手順で設定した。装置に取り付けたカンチレバー１のＤＩＦ感度は７［ｍＶ／ｎｍ］であり、試料と探針を十分離したときの変位量検出部９からの出力が０［ｍＶ］、ＲＭＳ−ＤＣコンバータが交流を直流に変換する係数Ｇ＝０．７であった。タッピングモードで測定する際の最大振幅は８２［ｎｍ］でおこない、コンタクトモードで測定する際のカンチレバーのたわみ量は１４［ｎｍ］でおこなった。したがって、オフセット回路１１のオフセット電圧は式（１）に従い３０３．８ｍＶに設定した。
Ｖｏｆｆ＝Ｇ・Ａ・｜Ｓｄ｜−δ・Ｓｄ−ｂ      （１）
【００６４】
以上の条件で測定を行ったときの、モード切り替え時の論理信号とフィードバック制御ユニット１３の各出力を図４に示す。
【００６５】
図４（１）はフィードバック信号制御ユニット内制御部２１が出力する論理信号であり、値が低い時（Ｌ）がタッピングモード、高い時（Ｈ）がコンタクトモードに対応する。その切り替えと同期して、発振器制御部２２とステージ微調整部２３からの出力はそれぞれ図４（２）、（３）のようになる。すなわち、タッピングモードのときはアクチュエータ３に交流電圧を印加し、カンチレバー１を一定周期で振動させた。一方、コンタクトモードのときは、アクチュエータ３をアースに接続することで、カンチレバー１の振動を停止させた。また、安定に走査できるときの高さは、タッピングモードのほうがコンタクトモードよりも約１００ｎｍ高かったので、コンタクトモードのときにピエゾスキャナを１００ｎｍ持ち上げるようにステージ微調整部２３からピエゾスキャナ８に電圧を入力した。また、変位量検出部９から入力された信号は、タッピングモードのときはＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０とオフセット回路１１を通した信号を出力し、コンタクトモードのときは入力信号をそのまま出力するように制御した。
【００６６】
その結果、フィードバック信号制御ユニット１３からＳＰＭ制御ユニット１７に入力される信号は図４（４）のようになり、タッピングモードとコンタクトモードを切り替えても、切り替え後１０ｍｓ程度たつと安定した電圧に達しており、測定モードの切り替えを行っても安定して測定が行えた。
【００６７】
この方法で、測定した形状像と電流像を図５に示す。取得した画像には、タッピングモードとコンタクトモードを切り替えたことによる周期ノイズが入るため、ローパスフィルタで処理した画像を示している。
【００６８】
図５に示すように、本実施例では、形状像、電流像ともに正確な測定が可能であった。
【００６９】
（比較例）
本比較例では、図２に記載する走査型プローブ顕微鏡を用いて実施例と同じ試料の測定を行った。すなわち、実施例１のフィードバック信号制御ユニットがない走査型プローブ顕微鏡を用いて試料の測定を行った。
【００７０】
カンチレバー１には、Ｒｈコートの導電性カンチレバーを使用した。走査型プローブ顕微鏡の測定モードにはコンタクトモードを使用し、試料台７に０．５Ｖの電圧を印加することで電流像を取得した。
【００７１】
装置に取り付けたカンチレバーのＤＩＦ感度は７［ｍＶ／ｎｍ］、試料と探針を十分離したときの変位量検出部９からの出力が０［ｍＶ］であった。コンタクトモードで測定する際のカンチレバーのたわみ量を１４［ｎｍ］に設定して測定したときの、形状像と電流像を図３に示す。図３に示すように、本比較例ではコンタクトモードでの電流像の測定が困難であった。
【符号の説明】
【００７２】
１  カンチレバー
２  探針
３  アクチュエータ
４  光源
５  光検出部
６  試料
７  試料台
８  ピエゾスキャナ
９  変位量検出部
１０  ＲＭＳ−ＤＣコンバータ
１１  オフセット回路
１２  スイッチ
１３  フィードバック信号制御ユニット
１４  ＤＣ変換部
１５  フィードバック制御部
１６  参照信号発生部
１７  ＳＰＭ制御ユニット
１８  ＳＰＭ制御コンピュータ
１９  物性測定用電気信号発生部
２０  物性信号測定部
２１  フィードバック信号制御ユニット内制御部
２２  発振器制御部
２３  試料台微調整部
２４  信号変換部
２５  発振器
２６  第１の信号経路
２７  分岐部
２８  第２の信号経路
２９  第１のオフセット回路
３０  第２のオフセット回路
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図３】
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【図５】
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