JPH0954097A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 探針の試料表面に対する高速接近を可能とす
るとともに、探針が試料に衝突するおそれをなくす。 【解決手段】 試料台１が水晶振動子からなる。回路６
は、試料台１とともに水晶発振回路を構成し、試料台１
をその共振周波数Ｆ₀＝ｆ₀＋Δｆで振動させる。基準周
波数発振器７、混合器８、ローパスフィルタ９及びＦ／
Ｖコンバータ１０により、Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力
から、探針２が遠ざかったときの共振周波数ｆ₀に対す
る変化分Δｆに比例するレベルの電圧信号が得られる。
制御部１１は、操作部１２からの接近指令に応答して探
針２が試料に対して接近するようにプローブ駆動装置３
を制御する。制御部１１は、Ｆ／Ｖコンバータ１０の出
力信号のレベルが所定レベルとなったときに、プローブ
駆動装置３の作動を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、探針を試料表面上
で走査させつつ試料の所定の情報を測定する走査型プロ
ーブ顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、ナノメータの
オーダの分解能で試料表面を観察できる装置である。

【０００３】代表的なものには、走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型近接場
光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）などが挙げられる。

【０００４】ＳＴＭでは、先端を先鋭化した探針と試料
の間にバイアス電圧を加えて数十オングストローム以内
に接近させ、探針と試料との間に流れるトンネル電流を
検出する。そして、例えばトンネル電流が一定になるよ
うにフィードバックをかけながら探針を試料表面上で走
査させると、探針は試料表面の形状に沿って移動するの
で、試料の表面形状を測定することができる。

【０００５】ＡＦＭでは、一般的に、先端に探針の付い
たカンチレバーを試料表面に近づけ、試料からの原子間
力によるカンチレバーの撓みを検出する。この撓み量は
探針と試料表面との間に働く原子間力に比例するので、
例えばこの撓み量が一定になるようにフィードバックを
かけながら探針を試料表面上で走査させると、試料表面
の形状を測定できる。

【０００６】ＳＮＯＭでは、試料に照射する光の波長よ
りも小さな開口を有する探針（光プローブ）に光を導く
と、開口付近にエバネッセント波が存在するので、これ
を用いて試料表面を照射しつつ探針を試料表面上で走査
させることによって、試料の光学的情報を測定すること
ができる。また、ＳＮＯＭでは、試料の背面から全反射
条件を満たすように照射光を入射させたときにも、試料
表面にはエバネッセント波が存在するので、これを検出
するための探針（プローブ）を試料表面を走査させるこ
とによって、試料の光学的情報を測定することができ
る。

【０００７】ここで、従来の走査型プローブ顕微鏡の一
例として、特開昭５９−１２１３１０号公報に開示され
たような走査型近接場光学顕微鏡について、図４を参照
して説明する。図４はこの従来の走査型近接場光学顕微
鏡を示す概略構成図である。

【０００８】図４において、１０１は基台で、この基台
１０１は図示しない除振装置によって外側振動を受けな
い構造とされている。１０２は基台１０１上に配設され
試料１０３が搭載される試料台で、この試料台１０２は
図示しない移動装置（駆動装置）によってＸ，Ｙ方向
（Ｘ方向及びＹ方向は、試料（被測定物）１０３の表面
に平行な面内の方向であり、互いに直交している。）に
それぞれ独立に移動可能となっている。１０４は基台１
０１上に設置された支柱、１０５は支柱１０４の先端ア
ーム部１０４Ａに垂直調整装置（試料１０３の表面と直
交するＺ方向に移動可能な移動装置）１０６を介して取
り付けられた光源で、この光源１０５は半導体レーザ等
からなる。試料１０３をＸ，Ｙ方向に移動させること
で、先端に開口を有する探針１０７が試料１０３の表面
上を相対的に走査する。１１３は光源１０５から放射さ
れて探針１０７の開口を通り試料１０３の表面で反射し
た反射光を検出するセンサで、このセンサ１１３に入射
した反射光は光ファイバ１１０によって光検出器１１１
に導かれ、電気信号に変換される。

【０００９】この走査型近接場光学顕微鏡によれば、測
定開始時に予め垂直調整装置１０６を作動させて探針１
０７を試料１０３の表面に近づけておき、探針１０７の
Ｚ方向の位置をそのまま固定させた状態において、試料
１０３をＸ，Ｙ方向に移動させつつ、試料１０３の表面
上の各点におけるエバネッセント波の反射光の強度を測
定し、これを図示しない表示装置等で再構成することに
よって、試料表面の光学的な状態を高い分解能で得るこ
とができるものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の走査型近接場光学顕微鏡では、測定開始時に探針１
０７を試料１０３の表面に予め接近させる際に、探針１
０７が試料１０３に衝突させてしまうことがあるととも
に、その接近に時間を要する欠点があった。

【００１１】すなわち、エバネッセント波を検出する信
号強度は、探針１０３が試料１０３から離れるに従っ
て、急激に減少する。そして、エバネッセント波を検出
する信号強度としては、１ｐＷ〜１ｍＷ程度であり、非
常に弱い。したがって、垂直調整装置１０６により探針
１０７を試料１０３の表面に接近させていき、光検出器
１１１から得られる信号強度に基づいて探針１０７を自
動的に停止させる場合、探針１０７を試料１０３に衝突
させてしまうことがあるのである。このように探針１０
７が試料１０３に衝突してしまうと、試料１０３だけで
なく探針１０７にもダメージが加わってしまうことが多
い。そこで、このような衝突を避けるべく、探針１０７
の試料１０３への接近速度を十分に遅くしていたが、こ
の場合には試料１０３の迅速な測定を行うことができな
い。しかも、たとえ前記接近速度を十分に遅くしたとし
ても、光検出器１１から得られる信号強度は、探針１０
７と試料１０３の表面との間の距離を反映するだけでな
く、試料１０３の光学的な状態を反映するものであるた
め、光検出器１１１の信号から探針１０７の接近状態を
検出しようとしていたことから、試料１０３の表面の光
学的な状態によっては光検出器１０７の信号から試料１
０７の接近状態を検出することができずに探針１０７の
試料１０３への衝突は避け得ない。

【００１２】そして、以上説明した事情は、ＳＴＭ等の
他の種々の走査型プローブ顕微鏡においても同様であっ
た。例えば、ＳＴＭでは、トンネル電流を検出する信号
強度は、探針が試料から離れるに従って急激に減少する
とともに、ｐＡから数ｎＡ程度であり、非常に弱い。ま
た、ＳＴＭでは、トンネル電流の大きさは、探針と試料
との間の距離を反映するのみならず、試料の導電率の状
態によって変化するので、試料の導電率の状態によって
は探針の試料への接近状態を検出することができない。

【００１３】また、前記従来の走査型近接場光学顕微鏡
では、光検出器１１１により得られる検出信号は、前述
したように、試料１０３の光学的な状態及び探針１０７
と試料１０３との間の距離の両方を反映するものであ
る。すなわち、光検出器１１１により検出される光強度
は、試料１０３の表面における局所的な光学的性質（屈
折率、吸光度等）だけでなく、試料表面から開口までの
距離に大きく左右され、試料１０３の表面の形状と光学
的性質の２つの情報が分離されていない。例えば、検出
信号強度が小さくなる要因として、観察領域の表面が窪
んでいるという形状の変化と、屈折率が高くなってい
る、あるいは、吸光度が大きくなっている等の光学的変
化が考えられる。したがって、前記従来の走査型近接場
光学顕微鏡では、試料の光学的情報のみを形状情報から
分離して得ることができないという欠点があった。

【００１４】この点、原子間力顕微鏡で採用されている
探針付きカンチレバーを用い、該探針を走査型近接場光
学顕微鏡の探針としても用いることができるように構成
し、走査型近接場光学顕微鏡の機能と原子間力顕微鏡の
機能を組み合わせた顕微鏡が提案されている。

【００１５】しかし、この場合には、走査型近接場光学
顕微鏡に適した探針をカンチレバーに形成しなければな
らず、構造上カンチレバーに設けることができる探針は
限定されてしまい、使用できる探針が極めて限定されて
しまうという欠点がある。

【００１６】そして、このような事情も、ＳＴＭ等の他
の種々の走査型プローブ顕微鏡においても同様であっ
た。

【００１７】本発明は、前述した事情に鑑みてなされた
もので、探針を高速に試料表面に対して相対的に自動的
に接近させることができ、しかも、探針が試料に衝突す
るおそれのない走査型プローブ顕微鏡を提供することを
一つの目的とする。

【００１８】また、本発明は、探針の種類に制約を受け
ることなく、試料の形状情報と分離した所望の情報のみ
を得ることができる走査型プローブ顕微鏡を提供するこ
とを他の目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による走査型プローブ顕微鏡
は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表面と略
垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第１の移動手段と、前記試料表面と略平行な面の
方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動させる
第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微鏡にお
いて、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試料台を
前記試料台の共振周波数で振動させる振動手段と、前記
試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周波数検出
手段と、指令信号に応答して前記探針が前記試料に対し
て相対的に接近するように前記第１の移動手段を制御す
るとともに、前記周波数検出手段の出力信号に基づい
て、前記試料台の共振周波数が所定周波数となったとき
に、前記探針の前記試料に対する接近が停止するように
前記第１の移動手段を制御する制御手段と、を更に備え
たものである。

【００２０】本発明の第２の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表
面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的
に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試
料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数で振動
させる振動手段と、前記試料台のインピーダンスに応じ
た信号を出力するインピーダンス検出手段と、指令信号
に応答して前記探針が前記試料に対して相対的に接近す
るように前記第１の移動手段を制御するとともに、前記
インピーダンス検出手段の出力信号に基づいて、前記試
料台のインピーダンスが所定インピーダンスとなったと
きに、前記探針の前記試料に対する接近が停止するよう
に前記第１の移動手段を制御する制御手段と、を更に備
えたものである。

【００２１】本発明の第３の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表
面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的
に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試
料台を前記試料台の共振周波数で振動させる振動手段
と、前記試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周
波数検出手段と、前記周波数検出手段の出力信号に基づ
いて前記試料台の共振周波数が所定の周波数となるよう
に前記第１の移動手段を制御しつつ、前記試料表面と略
平行な面の方向に前記探針が試料表面を走査するように
前記第２の移動手段を制御する制御手段と、を更に備え
たものである。

【００２２】本発明の第４の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、試料が搭載される試料台と、探針と、試料表
面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相対的
に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に移動
させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ顕微
鏡において、前記試料台が水晶振動子からなり、前記試
料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数で振動
させる振動手段と、前記試料台のインピーダンスに応じ
た信号を出力するインピーダンス検出手段と、前記イン
ピーダンス検出手段の出力信号に基づいて前記試料台の
インピーダンスが所定のインピーダンスとなるように前
記第１の移動手段を制御しつつ、前記試料表面と略平行
な面の方向に前記探針が試料表面を走査するように前記
第２の移動手段を制御する制御手段と、を更に備えたも
のである。

【００２３】本発明の第５の態様による走査型プローブ
顕微鏡は、前記第３又は第４の態様による走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記試料表面と略平行な面の方向に
おける前記探針の前記試料表面に対する相対位置に応じ
た、前記試料表面と略垂直な方向の前記探針の前記試料
表面に対する相対位置に関する情報を得る手段を、更に
備えたものである。

【００２４】なお、本明細書において、「試料台が水晶
振動子からなる」とは、試料台の全体が水晶振動子だけ
で構成されている場合のみならず、試料台が水晶振動子
とその表面に設けられた板状等の部材とから構成されて
いる場合等も含むものである。

【００２５】前記第１の態様によれば、水晶振動子から
なる試料台が振動手段により試料台の共振周波数で振動
させられ、それに従って該試料台に搭載された試料も振
動する。探針が試料に接近すると、探針と試料との間に
働く原子間力により試料台の共振周波数が変化する。水
晶振動子のＱ値は高く、弱い力が加わっただけでも共振
周波数の変化は大きい。このため、周波数検出手段によ
り出力される試料台の共振周波数に応じた信号から、探
針の試料への接近状態を感度良く検出することができ
る。したがって、探針の試料への接近速度を高めても、
探針と試料とが衝突するおそれがなくなる。また、周波
数検出手段から得られる信号は、探針と試料との間に働
く原子間力に依存し、探針と試料との間の距離のみを反
映しているので、試料の光学的状態や導電率などの状態
にかかわらず、探針の試料への接近状態を検出すること
ができる。その結果、前記第１の態様によれば、制御手
段によって、探針が試料に対して相対的に接近するよう
に第１の移動手段が制御されるとともに、周波数検出手
段の出力信号に基づいて、試料台の共振周波数が所定周
波数となったときに、探針の試料に対する接近が停止す
るように第１の移動手段が制御されるので、探針を高速
に試料表面に対して相対的に自動的に接近させることが
できるとともに、探針が試料に衝突するおそれがなくな
る。

【００２６】また、前記第２の態様によれば、水晶振動
子からなる試料台が振動手段により試料台の共振周波数
付近の所定周波数で振動させられ、それに従って該試料
台に搭載された試料も振動する。探針が試料に接近する
と、探針と試料との間に働く原子間力により試料台の共
振周波数が変化して試料台のインピーダンスが変化す
る。水晶振動子のＱ値は高く、弱い力が加わっただけで
も共振周波数の変化は大きく、試料台のインピーダンス
の変化は大きい。このため、インピーダンス検出手段に
より出力される、試料台のインピーダンスに応じた信号
から、探針の試料への接近状態を感度良く検出すること
ができる。したがって、探針の試料への接近速度を高め
ても、探針と試料とが衝突するおそれがなくなる。ま
た、インピーダンス検出手段から得られる信号は、探針
と試料との間に働く原子間力に依存し、探針と試料との
間の距離のみを反映しているので、試料の光学的状態や
導電率などの状態にかかわらず、探針の試料への接近状
態を検出することができる。その結果、前記第２の態様
によれば、制御手段によって、探針が試料に対して相対
的に接近するように第１の移動手段が制御されるととも
に、周波数検出手段の出力信号に基づいて、試料台のイ
ンピーダンスが所定インピーダンスとなったときに、探
針の試料に対する接近が停止するように第１の移動手段
が制御されるので、探針を高速に試料表面に対して相対
的に自動的に接近させることができるとともに、探針が
試料に衝突するおそれがなくなり、探針及び試料の両方
のダメージを防止することができる。

【００２７】また、前記第３の態様によれば、前記第１
の態様と同様に、周波数検出手段から探針と試料との間
の距離のみを示す信号が得られることになる。また、前
記第４の態様によれば、前記第２の態様と同様に、周波
数検出手段から探針と試料との間の距離のみを示す信号
が得られることになる。したがって、前記第３及び第４
の態様では、制御手段の制御によって、試料表面の凹凸
に追従して探針と試料との間の距離が一定に保たれつ
つ、試料表面と略平行な面の方向に探針が試料表面を走
査することになる。このため、前記第３及び第４の態様
によれば、試料の形状情報と分離した、探針に起因した
所望の情報（例えば、ＳＮＯＭでは試料の光学的情報）
のみを形状情報から分離して得ることができ、しかも、
探針をカンチレバーに設ける必要がないので、探針の種
類に何ら制約がなくなる。

【００２８】前記第３及び第４の態様によれば、原子間
力顕微鏡におけるいわゆるノンコンタクトモードと同様
の探針の移動制御が実現されることになるので、前記第
５の態様のように相対位置に関する情報を得ることによ
って、試料表面の凹凸の形状データも得ることができ、
試料を観察する上で一層好ましい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による走査型プロー
ブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。

【００３０】（実施の形態１）まず、本発明の第１の実
施の形態による走査型近接場光学顕微鏡について、図１
及び図３を参照して説明する。

【００３１】図１は、本実施の形態による走査型近接場
光学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。また、図
３は、水晶振動子のインピーダンス特性を示す図であ
る。

【００３２】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡は、試料（図示せず）が搭載される試料台１と、先端
に開口２ａを有する探針（光プローブ）２と、試料台１
の表面と垂直なＺ方向に探針２を移動させるプローブ駆
動装置３と、試料台１の表面と平行な面の方向であって
互いに直交するＸ方向及びＹ方向に独立して試料台１を
移動させる試料台駆動装置４と、を備えている。

【００３３】本実施の形態では、前記プローブ駆動装置
３が試料表面と略垂直な方向に探針２を試料に対して相
対的に移動させる移動手段を構成し、前記試料台駆動装
置４が試料表面と略平行な面の方向に探針２を試料に対
して相対的に移動させる移動手段を構成している。もっ
とも、これらの移動手段は探針２及び試料台４のいずれ
を移動させてもよい。

【００３４】また、本実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡は、探針２に光を照射して探針２の開口２ａか
らエバネッセント波を発生させるための光源（図示せ
ず）と、エバネッセント波による試料表面で反射した反
射光を検出する光検出器５と、図４中のセンサ１１３及
び光ファイバ１１０に相当する前記反射光を光検出器５
に導く手段（図示せず）と、を有している。もっとも、
試料台２の背面から全反射条件を満たすように照射光を
入射させて試料表面からエバネッセント波を発生させ、
探針２の開口２ａにより検出されたエバネッセント波を
光検出器５に導く構成としてもよい。

【００３５】そして、本実施の形態では、前記試料台１
は、水晶振動子で構成されており、その上面及び下面に
電極１ａ，１ｂをそれぞれ有している。試料台１を構成
している水晶振動子は、電極１ａ，１ｂ間に印加された
電圧に応じてＺ方向に振動するようになっている。本実
施の形態では、試料台１が水晶振動子のみで構成されて
いるが、必要に応じて水晶振動子の試料側表面に平板等
を設けた構成としてもよい。もっとも、このような平板
等を設けるとＱ値が低下するので、水晶振動子の表面に
直接試料を搭載することが好ましい。

【００３６】また、図１に示すように、本実施の形態に
よる走査型近接場光学顕微鏡は、回路６と、混合器８
と、ローパスフィルタ９と、Ｆ／Ｖコンバータ１０と、
制御部１１と、操作部１２と、処理部１３と、表示部１
４とを備えている。

【００３７】回路６の２つの端子６ａ，６ｂには水晶振
動子（試料台）１の電極１ａ，１ｂがそれぞれ接続さ
れ、回路６は水晶振動子１とともにハートレー型やコル
ピッツ型などの周知の水晶発振回路を構成しており、水
晶振動子１はその共振周波数Ｆ₀（図３参照）で振動す
ることになる。したがって、本実施の形態では、回路６
が、試料台１を試料台１の共振周波数Ｆ₀で振動させる
振動手段を構成している。回路６の構成自体は周知であ
るので、その詳細な説明は省略する。回路６の端子６ｃ
は前記水晶発振回路の出力端となっており、端子６ｃか
ら周波数が共振周波数Ｆ₀である発振出力が得られる。

【００３８】基準周波数発振器７は、基準周波数（本実
施の形態では、探針２が試料表面から遠ざかっていて探
針２と試料表面との間に原子間力が働かない状態におけ
る水晶振動子１の共振周波数Ｆ₀である周波数ｆ₀とされ
ているが、必ずしもこの周波数に限定されない。）を有
する基準周波数信号を出力する。混合器８は、回路６の
端子６ｃからの発振出力と基準周波数発振器７からの基
準周波数信号を混合し、前記発振出力の周波数Ｆ₀と前
記基準周波数信号の周波数ｆ₀との和と差の周波成分を
有する出力信号を出力する。ローパスフィルタ９は、混
合器８の出力信号のうち前記差の周波数成分を有する信
号のみを濾波して出力する。Ｆ／Ｖコンバータ１０は、
混合器８の出力信号の周波数に比例したレベルの電圧を
出力する。

【００３９】今、水晶振動子１の共振周波数Ｆ₀がｆ₀か
らｆ₀＋Δｆ₀に変化したとすると、混合器８の出力信号
は２ｆ₀＋Δｆ₀の周波数成分とΔｆ₀の周波数成分とを
有し、ローパスフィルタ９はΔｆ₀の周波数成分を有す
る信号のみを出力し、Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力はΔ
ｆ₀に比例したレベルの電圧となる。ここで、Δｆ₀は、
探針２が試料表面から遠ざかっていて探針２と試料表面
との間に原子間力が働かない状態における水晶振動子１
の共振周波数Ｆ₀である周波数ｆ₀に対する、実際の状態
の水晶振動子１の共振周波数Ｆ₀である周波数ｆ₀＋Δｆ
₀の変化分であるので、Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力
は、その変化分Δｆ₀を示し、結局、水晶振動子１の共
振周波数Ｆ₀に応じた信号となる。

【００４０】以上の説明からわかるように、本実施の形
態では、混合器８、ローパスフィルタ９及びＦ／Ｖコン
バータ１０が試料台１の共振周波数Ｆ₀に応じた信号を
出力する周波数検出手段を構成している。もっとも、周
波数検出手段の構成はこれに限定されるものではない。

【００４１】操作部１２は、マウスやキーボードなどか
らなり、測定者の操作に応じて、測定開始時に探針２を
試料に接近させる旨の指令（以下、「接近指令」とい
う。）や測定開始指令などの各種に指令を入力する。

【００４２】制御部１１は、操作部１２からの接近指令
に応答して探針２が試料に対して接近するようにプロー
ブ駆動装置３を制御する。そして、制御部１１は、Ｆ／
Ｖコンバータ１０の出力信号に基づいて、試料台１の共
振周波数Ｆ₀が所定周波数となったときに、探針２の試
料に対する接近が停止するようにプローブ駆動装置３を
制御する。すなわち、本実施の形態では、制御部１１
は、Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力信号のレベルが所定レ
ベルとなったときに、プローブ駆動装置３の作動を停止
させる。この所定レベルは、探針２と試料との間の距離
が所望の接近距離となったときに得られるレベルに設定
しておく。

【００４３】また、本実施の形態では、制御部１１は、
探針２の試料に対する接近が完了した後に与えられる操
作部１２からの測定開始指令に応答して、Ｆ／Ｖコンバ
ータ１０の出力信号に基づいてＦ／Ｖコンバータ１０の
出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプローブ駆
動装置３を制御しつつ、Ｘ方向及びＹ方向に探針２が試
料表面を走査するように試料台駆動装置３を制御する。

【００４４】なお、制御部１１からプローブ駆動装置３
に与えられる制御信号は、探針２の試料表面に対するＺ
方向の相対位置を示すことになる。また、制御部１１か
らプローブ駆動装置３に与えられる制御信号は、探針２
の試料表面に対するＸ方向及びＹ方向の相対位置を示す
ことになる。

【００４５】処理部１３は、前記測定開始指令に応答し
て、制御部１１からの各制御信号及び光検出器５の検出
信号を取り込み、探針２のＸ方向及びＹ方向の試料表面
に対する相対位置に応じた光検出器５の検出信号のレベ
ルに関する情報（すなわち、試料の光学的情報）を得る
とともに、探針２のＸ方向及びＹ方向の試料表面に対す
る相対位置に応じた探針２のＺ方向の試料表面に対する
相対位置に関する情報（すなわち、試料の形状情報）を
得る。そして、これらの情報はＣＲＴ等の表示部１４に
画像として表示される。

【００４６】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡によれば、水晶振動子からなる試料台１が回路６によ
り試料台１の共振周波数Ｆ₀で振動させられ、それに従
って試料台１に搭載された試料も振動する。

【００４７】操作部１２からの接近指令に応答して、プ
ローブ駆動装置３が作動して探針２が試料に接近する
と、探針２と試料との間に働く原子間力により試料台１
の共振周波数Ｆ₀が低周波側にシフトする。この結果、
Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力電圧のレベルが変化する。
そして、Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力電圧のレベルが所
定レベルになると、制御部１１によりプローブ駆動装置
３が作動停止され、探針２の試料への接近が自動的に停
止される。

【００４８】水晶振動子のＱ値は高く、弱い力が加わっ
ただけでも共振周波数Ｆ₀の変化は大きい。このため、
Ｆ／Ｖコンバータ１０の出力から、探針２の試料への接
近状態を感度良く検出することができる。したがって、
探針２の試料への接近速度を高めても、探針２と試料と
が衝突するおそれがなくなる。また、Ｆ／Ｖコンバータ
１０の出力は、探針２と試料との間に働く原子間力に依
存し、探針２と試料との間の距離のみを反映しているの
で、試料の光学的状態にかかわらず、探針２の試料への
接近状態を検出することができる。したがって、この点
からも、探針２と試料とが衝突するおそれがなくなる。

【００４９】また、本実施の形態によれば、Ｆ／Ｖコン
バータ１０の出力信号が探針２と試料との間の距離のみ
を反映している。そして、前述したように、操作部１２
からの測定開始指令に応答して、制御部１１は、Ｆ／Ｖ
コンバータ１０の出力信号に基づいてＦ／Ｖコンバータ
１０の出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプロ
ーブ駆動装置３を制御しつつ、Ｘ方向及びＹ方向に探針
２が試料表面を走査するように試料台駆動装置３を制御
する。したがって、制御部１１の制御によって、試料表
面の凹凸に追従して探針２と試料との間の距離が一定に
保たれつつ、試料表面と略平行な面の方向に探針２が試
料表面を走査することになる。すなわち、原子間力顕微
鏡におけるいわゆるノンコンタクトモードと同様の探針
の移動制御が実現されることになる。このため、処理部
１３により得られた試料の光学的情報は、試料の形状情
報と分離したものとなる。

【００５０】さらに、本実施の形態では、処理部１３に
より試料の形状情報も得ているので、試料を観察する上
で好ましい。もっとも、本発明では、必ずしも試料の形
状情報を得なくてもよい。

【００５１】（実施の形態２）次に、本発明の第２の実
施の形態による走査型近接場光学顕微鏡について、図２
を参照して説明する。

【００５２】図２は本実施の形態による走査型近接場光
学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。図２におい
て、図１中の構成要素と同一又は対応する構成要素には
同一符号を付し、その説明は省略する。

【００５３】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡が前記第１の実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡と異なるところは、図１中の回路６、混合器８、ロー
パスフィルタ９及びＦ／Ｖコンバータ１０が削除され、
代わりに、オシレータ２１、抵抗２２及びロックインア
ンプ２３が設けられている点である。

【００５４】水晶振動子１の一方の電極１ｂが接地さ
れ、水晶振動子１の他方の電極１ａが抵抗２２を介して
オシレータ２１の出力端子に接続されている。オシレー
タ２１は、水晶振動子１の発振周波数Ｆ₀付近の所定周
波数ｆ_Aの発振出力を出力端子に出力する。したがっ
て、本実施の形態では、オシレータ２１及び抵抗２２が
試料台１を試料台１の発振周波数Ｆ₀付近の所定周波数
ｆ_Aで振動させる振動手段を構成している。なお、本実
施の形態では、前記第１の実施の形態と異なり、水晶振
動子１は、自身の共振周波数で発振するのではなく、オ
シレータ２１により常に所定周波数ｆ_Aで強制的に励振
させられるのである。

【００５５】また、本実施の形態では、オシレータ２１
の出力端子はロックインアンプ２３のレファレンス入力
端子２３ａに接続され、ロックインアンプ２３の入力端
子２３ｂは水晶振動子１の電極１ａに接続され、ロック
インアンプ２３の出力端子２３ｃが制御部１１に接続さ
れている。ロックインアンプ２３は、入力端子２３ｂに
入力された信号の周波数成分のうちレファレンス入力端
子２３ａに入力された信号の周波数と同じ周波数成分の
振幅に比例したレベルの直流電圧を出力端子２３ｃに出
力するものである。したがって、水晶振動子インピーダ
ンスをＺ、オシレータの電圧をＶとすると、ロックイン
アンプ２３の出力端子２３ｃから、｛Ｚ／（Ｚ＋Ｒ）｝
・Ｖに比例した直流電圧が得られ、水晶振動子１のイン
ピーダンスに応じたレベルの電圧が得られることにな
る。以上の説明からわかるように、本実施の形態では、
ロックインアンプ２３が水晶振動子１のインピーダンス
に応じた信号を出力するインピーダンス検出手段を構成
している。もっとも、本発明では、インピーダンス検出
手段の構成はこれに限定されるものではない。

【００５６】さらに、本実施の形態では、制御部１１
は、ロックインアンプ２３の出力信号に基づいて、試料
台１のインピーダンスが所定周波数となったときに、探
針２の試料に対する接近が停止するようにプローブ駆動
装置３を制御する。すなわち、本実施の形態では、制御
部１１は、ロックインアンプ２３の出力信号のレベルが
所定レベルとなったときに、プローブ駆動装置３の作動
を停止させる。この所定レベルは、探針２と試料との間
の距離が所望の接近距離となったときに得られるレベル
に設定しておく。

【００５７】また、本実施の形態では、制御部１１は、
探針２の試料に対する接近が完了した後に与えられる操
作部１２からの測定開始指令に応答して、ロックインア
ンプ２３の出力信号に基づいてロックインアンプ２３の
出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプローブ駆
動装置３を制御しつつ、Ｘ方向及びＹ方向に探針２が試
料表面を走査するように試料台駆動装置３を制御する。

【００５８】以上説明した点以外については、本実施の
形態は前記第１の実施の形態と全く同じである。

【００５９】本実施の形態による走査型近接場光学顕微
鏡によれば、水晶振動子からなる試料台１がオシレータ
２１及び抵抗２２により試料台１の共振周波数Ｆ₀付近
の所定周波数ｆ_Aで振動させられ、それに従って試料台
１に搭載された試料も振動する。

【００６０】操作部１２からの接近指令に応答して、プ
ローブ駆動装置３が作動して探針２が試料に接近する
と、探針２と試料との間に働く原子間力により試料台１
の共振周波数Ｆ₀が低周波側にシフトする。すなわち、
水晶振動子１のインピーダンスが変化する。この結果、
ロックインアンプ２３の出力電圧のレベルが変化する。
そして、ロックインアンプ２３の出力電圧のレベルが所
定レベルになると、制御部１１によりプローブ駆動装置
３が作動停止され、探針２の試料への接近が自動的に停
止される。

【００６１】水晶振動子のＱ値は高く、弱い力が加わっ
ただけでも共振周波数Ｆ₀の変化は大きく、試料台１の
インピーダンスの変化は大きい。このため、ロックイン
アンプ２３の出力から、探針２の試料への接近状態を感
度良く検出することができる。したがって、探針２の試
料への接近速度を高めても、探針２と試料とが衝突する
おそれがなくなる。また、ロックインアンプ２３の出力
は、探針２と試料との間に働く原子間力に依存し、探針
２と試料との間の距離のみを反映しているので、試料の
光学的状態にかかわらず、探針２の試料への接近状態を
検出することができる。したがって、この点からも、探
針２と試料とが衝突するおそれがなくなる。

【００６２】また、本実施の形態によれば、ロックイン
アンプ２３の出力信号が探針２と試料との間の距離のみ
を反映している。そして、前述したように、操作部１２
からの測定開始指令に応答して、制御部１１は、ロック
インアンプ２３の出力信号に基づいてロックインアンプ
２３の出力信号のレベルが所定レベルとなるようにプロ
ーブ駆動装置３を制御しつつ、Ｘ方向及びＹ方向に探針
２が試料表面を走査するように試料台駆動装置３を制御
する。したがって、制御部１１の制御によって、試料表
面の凹凸に追従して探針２と試料との間の距離が一定に
保たれつつ、試料表面と略平行な面の方向に探針２が試
料表面を走査することになる。すなわち、原子間力顕微
鏡におけるいわゆるノンコンタクトモードと同様の探針
の移動制御が実現されることになる。このため、処理部
１３により得られた試料の光学的情報は、試料の形状情
報と分離したものとなる。

【００６３】さらに、本実施の形態においても、処理部
１３により試料の形状情報も得ているので、試料を観察
する上で好ましい。

【００６４】以上本発明の各実施の形態について説明し
たが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもので
はない。

【００６５】例えば、前述した各実施の形態では、試料
の形状情報と分離した試料の光学的な情報の取得と探針
３の自動接近の両方を同時に達成するものであったが、
本発明は、それらの一方のみを達成するものであっても
よい。

【００６６】また、前述した各実施の形態は本発明を走
査型近接場光学顕微鏡に適用した例であったが、本発明
は、走査型トンネル顕微鏡やその他の種々の走査型プロ
ーブ顕微鏡に適用することもできる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
探針を高速に試料表面に対して相対的に自動的に接近さ
せることができ、しかも、探針が試料に衝突するおそれ
がなくなる。

【００６８】また、本発明によれば、探針の種類に制約
を受けることなく、試料の形状情報と分離した所望の情
報のみを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による走査型近接場
光学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による走査型近接場
光学顕微鏡を模式的に示す概略構成図である。

【図３】水晶振動子のインピーダンス特性を示す図であ
る。

【図４】従来の走査型近接場光学顕微鏡を示す概略構成
図である。

【符号の説明】

１ 試料台（水晶振動子） ２ 探針 ３ プローブ駆動装置 ４ 試料台駆動装置 ５ 光検出器 ６ 回路 ７ 基準周波数発振器 ８ 混合器 ９ ローパスフィルタ １０ Ｆ／Ｖコンバータ １１ 制御部 １２ 操作部 １３ 処理部 １４ 表示部 ２１ オシレータ ２２ 抵抗 ２３ ロックインアンプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
   料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
   対的に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略
   平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
   移動させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ
   顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数で振動させる振動
   手段と、 前記試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周波数
   検出手段と、 指令信号に応答して前記探針が前記試料に対して相対的
   に接近するように前記第１の移動手段を制御するととも
   に、前記周波数検出手段の出力信号に基づいて、前記試
   料台の共振周波数が所定周波数となったときに、前記探
   針の前記試料に対する接近が停止するように前記第１の
   移動手段を制御する制御手段と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
   料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
   対的に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略
   平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
   移動させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ
   顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数
   で振動させる振動手段と、 前記試料台のインピーダンスに応じた信号を出力するイ
   ンピーダンス検出手段と、 指令信号に応答して前記探針が前記試料に対して相対的
   に接近するように前記第１の移動手段を制御するととも
   に、前記インピーダンス検出手段の出力信号に基づい
   て、前記試料台のインピーダンスが所定インピーダンス
   となったときに、前記探針の前記試料に対する接近が停
   止するように前記第１の移動手段を制御する制御手段
   と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
   料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
   対的に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略
   平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
   移動させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ
   顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数で振動させる振動
   手段と、 前記試料台の共振周波数に応じた信号を出力する周波数
   検出手段と、 前記周波数検出手段の出力信号に基づいて前記試料台の
   共振周波数が所定の周波数となるように前記第１の移動
   手段を制御しつつ、前記試料表面と略平行な面の方向に
   前記探針が試料表面を走査するように前記第２の移動手
   段を制御する制御手段と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 試料が搭載される試料台と、探針と、試
   料表面と略垂直な方向に前記探針を前記試料に対して相
   対的に移動させる第１の移動手段と、前記試料表面と略
   平行な面の方向に前記探針を前記試料に対して相対的に
   移動させる第２の移動手段と、を備えた走査型プローブ
   顕微鏡において、 前記試料台が水晶振動子からなり、 前記試料台を前記試料台の共振周波数付近の所定周波数
   で振動させる振動手段と、 前記試料台のインピーダンスに応じた信号を出力するイ
   ンピーダンス検出手段と、 前記インピーダンス検出手段の出力信号に基づいて前記
   試料台のインピーダンスが所定のインピーダンスとなる
   ように前記第１の移動手段を制御しつつ、前記試料表面
   と略平行な面の方向に前記探針が試料表面を走査するよ
   うに前記第２の移動手段を制御する制御手段と、 を更に備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記試料表面と略平行な面の方向におけ
   る前記探針の前記試料表面に対する相対位置に応じた、
   前記試料表面と略垂直な方向の前記探針の前記試料表面
   に対する相対位置に関する情報を得る手段を、更に備え
   たことを特徴とする請求項３又は４記載の走査型プロー
   ブ顕微鏡。