(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と試料を接近させた状態で探針と試料との相対的位置を変化させ、且つ、探針を備えた振動体をその固有振動数付近で振動させるようにした走査プローブ顕微鏡であって、前記振動体の振幅を切り換えて少なくとも２種類の測定モードでの測定を行うように成した走査プローブ顕微鏡において、前記振動体の振幅を切り換える時に位相の異なった加振信号を振動体に印加するための反転回路又は位相シフト回路を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
各走査ポイント毎に少なくとも２種類の前記測定モードで測定を行うことを特徴とした請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記測定モードが原子間力測定モードと磁気力測定モードであることを特徴とする請求項１又は２記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記振動体の振幅を切り換える時に、前記反転回路又は位相シフト回路により反転した加振信号に基づいて振動体を振動させたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は探針を備えた振動体をその固有振動数付近で振動させるように成した走査プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、且つ探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力或いは磁気力等を測定し、該測定に基づいて原子間力顕微鏡像或いは磁気力顕微鏡像等を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。
【０００３】
前記原子間力或いは磁気力等を測定する方法として、探針と試料とが接近された状態でカンチレバーの固有振動数若しくはその近傍の振動数でカンチレバーを振動させ、その振動数の変位に基づいて原子間力或いは磁気力等を測定する方法がある。
【０００４】
図１はこの様な測定方法を利用した走査プローブ顕微鏡の概略を示している。図１に示した走査プローブ顕微鏡は、カンチレバーの振動の振幅を切り換えて原子間力，磁気力を測定するものである。
【０００５】
図中１は先端に探針２が取り付けられたカンチレバーで、圧電体３により支持されている。４は前記探針２に対向して配置された試料で、 圧電素子から成るスキャナー５上に載置されている。該スキャナーは、Ｚ移動素子６とＸＹ移動素子７とから成り、ベース（図示せず）上に載置されている。前記ＸＹ移動素子７は走査信号発生手段８からの走査信号によりＸＹ方向に移動し、Ｚ移動素子６はＺ移動素子制御手段９からの移動信号に基づいてＺ方向に移動するように成されている。
【０００６】
１０は発振系手段で、前記圧電素子３の電極１１とカンチレバー１間に、前記圧電素子３が前記カンチレバー１の固有振動数で共振するような交流電圧を印加すると共に、前記圧電素子３の振動数を検出する様に成されている。尚、この発振系手段は振幅制御回路を内蔵している。
【０００７】
この発振系手段１０が検出した振動数に基づく周波数信号は、周波数−電圧変換手段１２で電圧に変換されて比較制御手段１３に送られる。該比較制御手段の出力信号は、この装置のフィードバック系回路を安定に動作させるフィルター１４を介して前記Ｚ移動素子制御手段９に送られる。
【０００８】
前記フィルター１４の出力信号は、ＣＰＵの如き制御装置１５にも送られる。該制御装置はこの走査プローブ顕微鏡の中央制御系を成しており、前記走査信号発生手段８に走査指令を送ったり、陰極線管の如き表示手段１６に前記フィルター１４の出力に基づいた原子間力顕微鏡像或いは磁気力顕微鏡像を表示させたり、前記発振系手段１０に制御指令を送ったりするものである。
【０００９】
この様な走査プローブ顕微鏡では、試料４がスキャナ５に上に載置固定された後、Ｚ移動素子制御手段９からのＺ軸（図１で上下方向軸）の高さ調整信号によりスキャナ５のＺ移動素子６が駆動されて、探針２と試料４の間の距離が初期設定距離に設定される。
【００１０】
この状態において、走査信号発生手段８からの走査信号により、スキャナ５のＸＹ移動素子７がそれぞれ駆動されて、試料４がＸ方向（図１の左右方向）及びＹ軸方向（図１で紙面に直交する方向）にそれぞれ移動される。この様な移動により、探針２が試料表面上の所定の範囲を走査することになるが、この走査はデジタル的に行われ、該デジタル的走査における各走査ポイントにおいて、試料と探針間の原子間力の測定と磁気力測定がペアで次の様に行われる。
【００１１】
先ず、圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に、発振系手段１０の発生する交流電圧が印加される。この交流電圧は、前記した様に、カンチレバー１の固有振動数にほぼ対応した振動数を有し、且つ、探針２と試料４間に原子間力が働く領域（仮に、原子間力測定用振幅と称す）内に前記探針２が入るように該探針を振動させる振幅にコントロールされている。この振幅の制御は前記制御装置１５の指令に基づいて作動する発振系手段１０内に設けられた振幅制御回路（図示せず）によって行われる。図３の（ａ）は前記圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加される交流電圧の波形を示す。
【００１２】
この際、試料表面の凹凸によって試料４と探針２間の距離が変化すると、試料４と探針２間に働く原子間力は変化し、該原子間力が伝わる圧電素子３の振動数が変化する。
【００１３】
この圧電素子３の振動数は前記発振系手段１０で検出されており、該発振系手段は検出した周波数信号を周波数−電圧変換手段１２に送る。該周波数−電圧変換手段１２は送られて来る周波数信号を対応する電圧信号に変換して比較制御手段１３に送る。
【００１４】
該比較制御手段は送られて来る電圧信号と予め与えられている参照信号とを比較し、その差が０になるように制御信号、即ち、前記圧電素子３を前記カンチレバー１の固有振動数で振動させるための制御信号を前記フィルター１４を介して前記Ｚ移動素子制御手段１９に送る。該Ｚ移動素子制御手段１９は送られて来た制御信号に基づいてＺ移動素子６をＺ方向に移動させる。
【００１５】
同時に、前記制御信号は制御装置１５のメモリ（図示せず）に記憶される。
【００１６】
次に、圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加される交流電圧の振幅を、探針２と試料４間に原子間力が及ばず、磁気力だけが働く領域内に前記探針２が入るように該探針を振動させる（試料と探針間の距離が原子間力測定時より大きくなるように振幅を小さくする）振幅（仮に、磁気力測定用振幅と称す）にコントロールする。図３の（ｂ）は前記圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加される交流電圧の波形を示す。この状態で前記原子間力の測定の時と同じようにして試料と探針間の磁気力が測定される。
【００１７】
そして、次のポイントにおいても、同じように、原子間力の測定と磁気力測定が行われる。
【００１８】
この様にして、所定の試料領域の各走査ポイントにおいて、原子間力の測定と磁気力測定を行う。これらの測定したデータは全て制御装置１５のメモリ（図示せず）に記憶される。そして、制御装置１５の指令により、メモリ（図示せず）から読み出した信号に基づいて、表示装置１６に原子間力顕微鏡像若しくは磁気力顕微鏡像が表示される。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
さて、前記走査プローブ顕微鏡において、原子間力測定から磁気力測定に移る時、前記した様に、圧電素子３を挟んでいる電極１１，カンチレバー１間に印加される交流電圧の振幅を、磁気力測定用振幅にコントロールする。この様な原子間力測定用振幅から磁気力測定用振幅への振幅の切り換えは、各走査ポイント毎に原子間力測定と磁気力測定を行わねばならないので、通常、数μｓｅｃ〜数１０ｍｓｅｃの極めて短時間に行う必要がある。
【００２０】
しかし、圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加される交流電圧の振幅を変化させても、カンチレバー１の先端部（探針が取り付けられている部分）は、慣性力により直ぐには追従出来ない。特に、固有振動数の大きいカンチレバーを使用している場合や、真空中でカンチレバーを使用している場合等ではその傾向が強い。
【００２１】
その為、前記ポイント毎の原子間力測定と磁気力測定に支障を来していた。
【００２２】
本発明は、この様な問題を解決する新規な走査プローブ顕微鏡を提供することを目的としたものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
発明に基づく走査プローブ顕微鏡は、探針と試料を接近させた状態で試料と探針との相対的位置を変化させ、且つ、探針を備えた振動体をその固有振動数付近で振動させるようにした走査プローブ顕微鏡であって、前記振動体の振幅を切り換えて少なくとも２種類の測定モードでの測定を行うように成した走査プローブ顕微鏡において、前記振動体の振幅を切り換える時に位相の異なった加振信号を振動体に印加するための反転回路又は位相シフト回路を備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明に基づく走査プローブ顕微鏡は、振動体の振幅を切り換える時に反転した加振信号に基づいて振動体を振動させたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
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。
【００２６】
図２は本発明の走査プロープ顕微鏡の一例を示したものである。図中前記図１で使用された番号と同一番号の付されたものは同一構成要素を示す。
【００２７】
図２に示す様に、発振系手段１０と電極１１との間には、２つのスイッチング回路２０Ａ，２０Ｂが設けられており、これらのスイッチング回路は制御装置１５の指令により連動してスイッチングを行う。前記スイッチング回路２０Ｂと発振系手段１０の間には反転回路２１が設けられている。
【００２８】
この様な構成の走査プローブ顕微鏡の動作を次に説明する。
【００２９】
走査信号発生手段８からの走査信号により、スキャナ５のＸＹ移動素子７がそれぞれ駆動されて、試料４がＸ方向（図１の左右方向）及びＹ軸方向（図１で紙面に直交する方向）にそれぞれ移動される。この移動により、探針２が試料４上の所定の範囲をデジタル的に走査することになる。
【００３０】
このデジタル的走査の各走査ポイントにおいて、探針，試料間の原子間力と磁気力が順次測定される。
【００３１】
即ち、各走査ポイントにおいて、次の動作が連続して行われる。
【００３２】
先ず、制御装置１５の指令により、スイッチング回路２０ＡのスイッチＳＷAがオンの状態、スイッチング回路２０ＢのスイッチＳＷBがオフの状態になる。そして、発振系手段１０からの交流電圧がスイッチング回路２０Ａを介して圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加される。この交流電圧は、図４の（ａ）に示す様に、カンチレバー１の固有振動数にほぼ対応した振動数を有し、且つ、原子間力測定用振幅にコントロールされている。
【００３３】
この際、この圧電素子３の振動数が前記発振系手段１０で検出され、周波数信号を周波数−電圧変換手段１２に送られる。該周波数−電圧変換手段１２は送られて来た周波数信号を対応する電圧信号に変換して比較制御手段１３に送る。
【００３４】
該比較制御手段は送られて来た電圧信号と予め与えられている参照信号とを比較し、その差が０になるように制御信号、即ち、前記圧電素子３を前記カンチレバー１の固有振動数で振動させるための制御信号を前記フィルター１４を介して前記Ｚ移動素子制御手段１９に送る。該Ｚ移動素子制御手段１９は送られて来た制御信号に基づいてＺ移動素子６をＺ方向に移動させる。同時に、前記制御信号は制御装置１５のメモリ（図示せず）に記憶される。
【００３５】
次に、制御装置１５の指令により、スイッチング回路２０ＡのスイッチＳＷＡがオフの状態となり、スイッチング回路２０ＢのスイッチＳＷＢがオンの状態になる。そして、発振系手段１０からの交流電圧が反転回路２１とスイッチング回路２０Ｂを介して圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加される。前記発振系手段からの交流電圧は、カンチレバー１の固有振動数にほぼ対応した振動数を有し、且つ、磁気力測定用振幅にコントロールされている。この様な交流電圧が前記反転回路２１で反転されるので、図４の（ｂ）に示す如き波形の交流電圧が圧電素子３の電極１１、カンチレバー１間に印加されることになる。従って、前記原子間力測定時に、図４の（ａ）に示す様な交流電圧に基づいて振動していたカンチレバー１は極めて短時間に振幅減衰して、所定の振幅（図４の（ｂ）に示す交流電圧の振幅に対応した振幅）になる。
【００３６】
この状態で前記原子間力の測定の時と同じようにして試料と探針間の磁気力が測定される。即ち、この際の圧電素子３の振動数が前記発振系手段１０で検出され、周波数信号を周波数−電圧変換手段１２に送られる。該周波数−電圧変換手段１２は送られて来た周波数信号を対応する電圧信号に変換して比較制御手段１３に送る。
【００３７】
該比較制御手段は送られて来た電圧信号と予め与えられている参照信号とを比較し、その差が０になるように制御信号、即ち、前記圧電素子３を前記カンチレバー１の固有振動数で振動させるための制御信号を前記フィルター１４を介して前記Ｚ移動素子制御手段１９に送る。該Ｚ移動素子制御手段１９は送られて来た制御信号に基づいてＺ移動素子６をＺ方向に移動させる。同時に、前記制御信号は制御装置１５のメモリ（図示せず）に記憶される。
【００３８】
この様にして、試料上の所定の走査領域内の各走査ポイントにおいて、原子間力の測定と磁気力測定が行なわれる。
【００３９】
尚、前記実施例では、発振系手段１０と電極１１の間に反転回路２１を設け、磁気力を測定する時に、原子間力測定時に印加されていた交流電圧を反転して電極１１とカンチレバー１間に印加する様に成した。即ち、交流電圧の位相を１８０゜シフトして電極１１とカンチレバー１間に印加する様に成したが、要は、原子間力測定から磁気力測定に移る時に、カンチレバー１先端部の振動を出来るだけ速やかに減衰させて所定振幅で振動させる様にすればよいので、発振系手段１０と電極１１の間に位相シフト回路を設け、カンチレバー１先端部の振動の減衰を速めるような任意の位相分ずらした交流電圧を印加するようにしても良い。
【００４０】
又、前記実施例では、探針と試料間に働く原子間力測定と磁気力測定の２つのモードを振動体の振幅を切り換えて行う例を示したが、この様なモードに限定されない。又、２つのモードに限定されない。例えば、探針と試料間に働く静電力測定等も考えられる。
【００４１】
以上説明したように、探針と試料を接近させた状態で探針と試料との相対的位置を変化させ、且つ、探針を備えた振動体をその固有振動数付近で振動させ、前記振動体の振動数の変位を測定するようにした走査プローブ顕微鏡で、前記変位に基づいて探針と試料間に働く原子間力の測定と、探針と試料間に働く磁気力の測定を前記振動体の振幅を切り換えて行うように成した走査プローブ顕微鏡において、前記振動体の振幅を切り換える時に位相の異なった加振信号に基づいて振動体を振動させたので、原子間力測定から磁気力測定に移る時に、振動体の振幅が極めて速やかに磁気測定用に切り替わる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の走査プローブ顕微鏡の一例の概略を示している。
【図２】  本発明の走査プローブ顕微鏡の一例を示している。
【図３】   従来の走査プローブ顕微鏡における交流電圧の波形を示している。
【図４】  本発明の走査プローブ顕微鏡における交流電圧の波形を示している。
【符号の説明】
１…カンチレバー
２…探針
３…圧電素子
４…試料
５…スキャナー
６…Ｚ移動素子
７…ＸＹ移動素子
８…走査信号発生手段
９…Ｚ移動素子制御手段
１０…発振系手段
１１…電極
１２…周波数−電圧変換手段
１３…比較制御手段
１４…フィルター
１５…制御手段
１６…表示手段
２０Ａ，２０Ｂ…スイッチング回路
２１…反転回路
【図１】
0003809893.tif 000002
【図２】
0003809893.tif 000003
【図３】
0003809893.tif 000004
【図４】
0003809893.tif 000005