特許 6220306 カンチレバーの振動特性測定方法及び振動特性測定プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6220306

(24)【登録日】2017年10月6日

(45)【発行日】2017年10月25日

(54)【発明の名称】カンチレバーの振動特性測定方法及び振動特性測定プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01Q 60/32 20100101AFI20171016BHJP

【ＦＩ】

   G01Q60/32

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-71071(P2014-71071)

(22)【出願日】2014年3月31日

(65)【公開番号】特開2015-194345(P2015-194345A)

(43)【公開日】2015年11月5日

【審査請求日】2016年10月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】503460323

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクサイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100110249

【弁理士】

【氏名又は名称】下田 昭

(74)【代理人】

【識別番号】100116090

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 和彦

(72)【発明者】

【氏名】繁野 雅次

(72)【発明者】

【氏名】鹿倉 良晃

【審査官】 東松 修太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１６３３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２７７３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１８８７５２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｑ １０／００−９０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

共振周波数ｆ１（Ｈｚ）の振動を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーに加えたときの該カンチレバーの振動振幅Ｖを測定し、
前記振動振幅Ｖが定常振幅Ｖ０の０．９０倍に達したときの、前記共振周波数ｆ１の振動を前記カンチレバーに加えたときを時間０とした時間Ｔｈ（秒）を求め、次式１：
Ｑ値＝ｆ１×Ｔｈ
によりＱ値を算出するカンチレバーの振動特性測定方法。

【請求項2】

前記定常振幅Ｖ０は、前記共振周波数ｆ１（Ｈｚ）の振動を前記カンチレバーに加えてから時間ＴＡ（秒）後の振動振幅をＶＡとし、時間ＴＡ／２（秒）の振動振幅がＶＡ×０．９５になったときの当該振動振幅である請求項１に記載のカンチレバーの振動特性測定方法。

【請求項3】

前記カンチレバーに加える周波数をスイープして該カンチレバーの振動振幅を表すＱカーブを測定する際、スイープ開始周波数とスイープ終了周波数の差分の絶対値をＦｓｗ（Ｈｚ）とし、このときの前記Ｑカーブの測定時間をスイープ時間Ｔｓｗ（秒）としたとき、
次式２：
Ｔｓｗ（秒）＝Ａ×Ｆｓｗ×（Ｑ値／ｆ１）^２
により（但し、Ａは正の定数）、算出したスイープ時間Ｔｓｗ（秒）を用い、前記Ｑカーブを測定する請求項１又は２に記載のカンチレバーの振動特性測定方法。
但し、Ａは、前記式２を満たす複数のＴｓｗ、Ｆｓｗ、Ｑ値、ｆ１の関係から求める。

【請求項4】

共振周波数ｆ１（Ｈｚ）の振動を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーに加えたときの該カンチレバーの振動振幅Ｖを測定し、
前記振動振幅Ｖが定常振幅Ｖ０の０．９０倍に達したときの、前記共振周波数ｆ１の振動を前記カンチレバーに加えたときを時間０とした時間Ｔｈ（秒）を求め、次式１：
Ｑ値＝ｆ１×Ｔｈ
によりＱ値を算出する処理をコンピュータに実行させるカンチレバーの振動特性測定プログラム。

【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が備えるカンチレバーの振動特性の測定方法及び測定プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの先端に取付けた探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状を測定するものである。走査型プローブ顕微鏡の測定モードとしては、（１）探針と試料の間の原子間力を一定に保って試料の表面形状を測定するコンタクト・モード、（２）カンチレバーをピエゾ素子等によって共振周波数近傍で強制振動させ、探針を試料に近接させた時に、両者の間の間欠的な接触によって探針の振幅が減衰するのを利用して試料の形状を測定する方法（以下、適宜「ダイナミック・フォース・モード（ＤＦＭ測定モード）」という）が知られている（特許文献１参照）。

【0003】

ところで、カンチレバーは個々に微妙に形状が異なり、その振動特性である共振周波数、及びＱ値と呼ばれる測定感度に影響を与える指標もカンチレバー毎に異なっている。そのため、ＤＦＭ測定モードやノンコンタクト測定モードで、測定を行う際には、予め上記した共振周波数及びＱ値を測定しておき、これら値をもとに試料の測定を行う必要がある。
従来、図５に示すようにして、共振周波数及びＱ値を測定していた。すなわち、試料からカンチレバーが離れている状態で励振強度を一定に保ち、共振周波数を含んだ周波数範囲を所定のスイープ速度で加振しながら、振幅を測定し、図５に示すＱカーブ（周波数・振幅特性）Ｃ１を測定する。そして、ＱカーブＣ１の波形を解析することにより、共振周波数ｆ１及びＱ値を求めることができる。つまり、ＱカーブＣ１のピーク位置の周波数ｆ１が共振周波数であり、Ｑ値＝ｆ１／Ｆｗ（Ｆｗ：Ｑカーブの半値幅（ＦＷＨＭ））で測定される。なお、Ｑ値はカンチレバーの粘性を示す指標であり、試料の測定に際してはカンチレバーの振動から速度信号を検出し、加振信号に加えることで、Ｑ値を制御してより高い分解能を得ることができる。

【0004】

又、共振周波数の測定については、往復の周波数スイープ信号を短時間発生させ、往路と復路それぞれの振幅の最大値の周波数を計測し、その中間値を共振周波数として検出することで、極めて短時間で共振周波数を精度よく測定することが可能である（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７−１７４７６７号公報

【特許文献2】特開２０１２−２０２８４１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、図５に示すＱカーブの測定は、振動周波数をスイープした（変化させた）ときの振動振幅を取得して行うが、Ｑ値によって最適なスイープ速度（スイープ時間）が異なる。例えば、図５において、スイープ速度を遅くすれば正しいＱカーブＣ１が得られるが、スイープ速度が速すぎるとＱカーブはＣ２となってしまい、Ｑカーブの波形が変化して正しいＱ値と共振周波数ｆ１が得られなくなる。つまり、Ｑ値と共振周波数ｆ１を求めるためにはＱカーブを測定する必要があるが、そのＱカーブの測定条件自体がＱ値に依存するという問題がある。なお、共振周波数ｆ１はＱカーブのピーク値であるが、スイープ速度に依存して振幅のピークはスイープ方向にズレ、本来の値と異なる値となる。
従って、従来は、経験に基づいてスイープ速度を決める、スイープ速度を何度も変更して測定を繰り返す、スイープ速度を遅くして長時間かけて測定する、などによりＱカーブを測定していた。また、得られたＱ値が最適なスイープ速度のもとで正しい値であるかは不明であるため、最適な測定条件の設定からずれた設定で測定を行っていることが多かった。
このように、Ｑ値を正確に求めようとするとＱカーブの測定する時間が長くなり、測定効率が低下し、Ｑカーブの測定時間が短いとＱ値が不正確となり、さらに、そもそも得られたＱ値が正しい値であるか否かを判定することすらできないという問題がある。

【0007】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの振動特性であるＱ値を、Ｑカーブの測定条件によらずに精度良く測定することができるカンチレバーの振動特性測定方法及び振動特性測定プログラムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明のカンチレバーの振動特性測定方法は、共振周波数ｆ１（Ｈｚ）の振動を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーに加えたときの該カンチレバーの振動振幅Ｖを測定し、前記振動振幅Ｖが定常振幅Ｖ０の０．９０倍に達したときの、前記共振周波数ｆ１の振動を前記カンチレバーに加えたときを時間０とした時間Ｔｈ（秒）を求め、次式１：Ｑ値＝ｆ１×ＴｈによりＱ値を算出する。
このカンチレバーの振動特性測定方法によれば、予め求めた共振周波数ｆ１に基づき、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの振動特性であるＱ値を、Ｑカーブの測定条件によらずに精度良く測定することができる。

【0009】

前記定常振幅Ｖ０は、前記共振周波数ｆ１（Ｈｚ）の振動を前記カンチレバーに加えてから時間ＴＡ（秒）後の振動振幅をＶＡとし、時間ＴＡ／２（秒）の振動振幅がＶＡ×０．９５になったときの当該振動振幅であるとよい。
このカンチレバーの振動特性測定方法によれば、Ｑ値の測定に必要な定常振幅Ｖ０を、比較的短い測定時間で精度よく得られる。

【0010】

前記カンチレバーに加える周波数をスイープして該カンチレバーの振動振幅を表すＱカーブを測定する際、スイープ開始周波数とスイープ終了周波数の差分の絶対値をＦｓｗ（Ｈｚ）とし、このときの前記Ｑカーブの測定時間をスイープ時間Ｔｓｗ（秒）としたとき、次式２：Ｔｓｗ（秒）＝Ａ×Ｆｓｗ×（Ｑ値／ｆ１）^２により（但し、Ａは正の定数）、算出したスイープ時間Ｔｓｗ（秒）を用い、前記Ｑカーブを測定するとよい。但し、Ａは、前記式２を満たす複数のＴｓｗ、Ｆｓｗ、Ｑ値、ｆ１の関係から求める。
このカンチレバーの振動特性測定方法によれば、式１より得られたＱ値を用いて、Ｑカーブ測定における最適なスイープ時間を算出することで、正確なＱカーブを効率良く測定することができる。

【0011】

本発明のカンチレバーの振動特性測定プログラムは、共振周波数ｆ１（Ｈｚ）の振動を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーに加えたときの該カンチレバーの振動振幅Ｖを測定し、前記振動振幅Ｖが定常振幅Ｖ０の０．９０倍に達したときの、前記共振周波数ｆ１の振動を前記カンチレバーに加えたときを時間０とした時間Ｔｈ（秒）を求め、次式１：Ｑ値＝ｆ１×ＴｈによりＱ値を算出する処理をコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの振動特性であるＱ値を、Ｑカーブの測定条件によらずに短時間で測定することができる。また、本発明で測定したＱ値に基づいてＱカーブ測定における最適なスイープ時間を算出することで、高い精度でのＱ値が求められるＱカーブ測定を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明が好適に適用される走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。

【図2】本発明の実施形態によるＱ値の測定方法を示す図である。

【図3】Ｑ値を算出するサブルーチンのフローを示す図である。

【図4】Ｑカーブを測定するメインルーチンのフローを示す図である。

【図5】従来の共振周波数及びＱ値の測定方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0015】

図１は本発明が好適に適用される走査型プローブ顕微鏡２００のブロック図である。なお、図１（ａ）が走査型プローブ顕微鏡２００の全体図であり、図１（ｂ）はカンチレバー１近傍の部分拡大図である。
図１（ａ）において、走査型プローブ顕微鏡２００は、先端に探針９９を有するカンチレバー１と、カンチレバー１に振動を与えるカンチレバー加振部３と、カンチレバー加振部３を駆動させるための加振電源２１、制御手段（プローブ顕微鏡コントローラー２４、コンピュータ４０）等を有する。
コンピュータ４０は、走査型プローブ顕微鏡２００の動作を制御するための制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。

【0016】

プローブ顕微鏡コントローラー２４は、後述するＺ制御回路２０、周波数・振動特性検出機構７、粗動機構１２、粗動機構１２の上方に取り付けられた円筒型のアクチュエータ（スキャナ）１１、アクチュエータ１１の上方に接続されたステージ１０、加振電源２１、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２、粗動制御回路２３を有する。プローブ顕微鏡コントローラー２４はコンピュータ４０に接続されてデータの高速通信が可能である。コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡コントローラー２４内の回路の動作条件を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、カンチレバー１のＱ値及び共振周波数の測定、Ｑカーブ測定（周波数・振動特性）、表面形状測定、表面物性測定、フォースカーブ測定、などを実現する。

【0017】

粗動機構１２は、アクチュエータ１１及びその上方のステージ１０を大まかに３次元移動させるものであり、粗動制御回路２３によって動作が制御される。
アクチュエータ１１は、ステージ１０（及び試料３００）を３次元に移動（微動）させるものであり、ステージ１０をそれぞれｘｙ（試料３００の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子１１ａ、１１ｂと、ステージ１０をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子１１ｃと、を備えている。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。
圧電素子１１ａ〜１１ｃはＸ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２に接続され、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２に所定の制御信号（電圧）を出力して圧電素子１１ａ、１１ｂをそれぞれｘｙ方向へ駆動し、圧電素子１１ｂをｚ方向へ駆動する。
ステージ１０上に試料３００が載置され、試料３００は探針９９に対向配置されている。

【0018】

カンチレバー１は、カンチレバーチップ部８の側面に接し、片持ちバネの構造を構成している。カンチレバーチップ部８は、カンチレバーチップ部押さえ９により斜面ブロック２に押さえつけられ、斜面ブロック２は、加振器３に固定されている。そして、加振機３は加振電源２１からの電気信号により振動し、カンチレバー１及びその先端の探針９９を振動させる。カンチレバーの加振方法として、圧電素子、電場や磁場、光照射、電流の通電なども含まれる。

【0019】

そして、カンチレバー１の背面にはレーザ光源３０からレーザ光が照射され、カンチレバー１から反射されたレーザ光はダイクロックミラー３１に入射し、さらにミラー３２で反射されて変位検出器５で検出される。カンチレバー１の上下（ｚ方向）の移動量は、ダイクロックミラー３１へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー１の変位量が変位検出器５で検出されることになる。つまり、カンチレバー１の振動振幅は、変位検出器５の電気信号の振幅に対応する。
変位検出器５の電気信号の振幅は、プリアンプ５０を通過して増幅され、交流−直流変換機構６により振幅の大きさに対応した直流のレベル信号に変換される。

【0020】

交流−直流変換機構６の直流レベル信号は、Ｚ制御回路２０へ入力される。Ｚ制御回路２０は、ＤＦＭ測定モードにおける探針９９の目標振幅と一致するように、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２のＺ信号部へ制御信号を伝達し、Ｚ信号部は圧電素子１１ｂをｚ方向へ駆動する制御信号（電圧）を出力する。すなわち、試料３００と探針９９の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー１の変位を上述の機構で検出し、探針９９（カンチレバー１）の振動振幅が目標振幅となるようにアクチュエータ１１ｃを変位させ、探針９９と試料３００の接する力を制御する。そして、この状態で、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２にてｘｙ方向にアクチュエータ１１ａ、１１ｂを変位させて試料３００のスキャンを行い、表面の形状や物性値をマッピングする。

【0021】

又、交流−直流変換機構６の直流レベル信号は、プローブ顕微鏡コントローラー２４の周波数・振動特性検出機構７へ入力される。又、加振電源２１からの電気信号も、周波数・振動特性検出機構７へ入力される。周波数・振動特性検出機構７は、交流−直流変換機構６及び加振電源２１からの入力に基づいて演算した所定の周波数・振動特性信号をコンピュータ４０へ伝達する。
そして、ステージ１０のｘｙ面内の変位に対して、(i) ステージ１０の高さの変位から３次元形状像を、(ii)共振状態の位相の値から位相像を、(iii)振動振幅の目標値との差により誤差信号像を、(iv)探針試料間の物性地から多機能測定像を、コンピュータ４０上に表示し、解析や処理を行うことにより、プローブ顕微鏡として動作させる。

【0022】

次に、本発明の実施形態に係るカンチレバーの振動特性測定方法について説明する。なお、カンチレバーの振動特性の測定は、走査型プローブ顕微鏡２００で試料３００の表面の測定を行う前に実施し、測定を行うための最適な条件を設定するために行う。ＦＭ制御（主にノンコンタクト測定モード）を行う場合は自励発振を行う周波数の初期値の設定とし、ＡＭ制御を行う場合は加振する周波数と加振電圧の設定とし、位相制御を行う場合は位相信号が検出可能な周波数範囲の設定とする。

【0023】

次に、図２を参照し、本発明の実施形態によるＱ値の測定方法について説明する。
まず、共振周波数ｆ１（Ｈｚ）を設定し、この共振周波数ｆ１の振動を加振電源２１からカンチレバー１に加えたときのカンチレバー１の振動振幅Ｖを、変位検出器５を介して取得する。ここで、共振周波数ｆ１は、ＦＦＴアナライザーによる熱振動スペクトルや、自励発振回路による発信などから予め求めておくことができる。又、特許文献２に記載されているように、往復の周波数スイープ信号を短時間発生させ、往路と復路それぞれの振幅の最大値の周波数を計測し、その中間値を共振周波数ｆ１として採用してもよい。
このようにして、図２に示すように、共振周波数ｆ１の振動をカンチレバー１に加えたときを時間０として、時間（秒）に対する振動振幅Ｖの関係のデータ（グラフＧ）が得られる。なお、振動振幅Ｖの単位は任意であるが、制御上のカンチレバーの変位の検出素子の出力が電圧であるため、その振幅も電圧（Ｖ）とすることが多い。

【0024】

そして、グラフＧにて、振動振幅Ｖが定常振幅Ｖ０の０．９０以上になったときの時間Ｔｈ（秒）を求め、次式１：
Ｑ値＝ｆ１×Ｔｈ （１）
によりＱ値を算出する。但し、Ｖ０は、ｆ１の振動をカンチレバーに加えたときのＴＡ（秒）後の振幅をＶＡとし、ＴＡ／２（秒）の振幅がＶＡ×０．９５になったときの当該振幅である。ＴＡ／２（秒）の振幅がＶＡ×０．９５になれば、振動振幅Ｖが定常値に十分近付いたとみなすことができる。

【0025】

ここで、Ｑ値＝ｆ１／Ｆｗ（Ｆｗ：Ｑカーブの半値幅（ＦＷＨＭ））であり、Ｆｗが小さいほど、Ｑカーブのピークが鋭く、Ｑ値が大きいことになる。そして、１／Ｆｗは時間の次元を持つことから、本発明者は、共振周波数ｆ１を加えたときのカンチレバー１の振動振幅Ｖが収束する時間が１／Ｆｗに相当すると考え、式１：Ｑ値＝ｆ１×Ｔｈを規定した。そして、この振幅Ｖが収束する時間Ｔｈとして、振動振幅ＶがＶ０に近づくまでの時間として、どの程度の時間を採用すれば精度の高いＱ値が得られるかを実験的に求めることで、式１を規定した。

【0026】

つまり、表１に示すように、スイープ速度を十分に遅くしてＱカーブＣ１（図５参照）を測定し、その波形から正確なＱ値（Ｑ０＝1297）を求めた。次に、上述の方法でグラフＧを求め、式１から振動振幅Ｖ毎にＱ値を算出した。そして、各振動振幅ＶにおけるＱ値と、正確なＱ値（Ｑ０）との間の誤差として、｛（Ｑ０−Ｑ）／Ｑ０｝×１００（％）を求めた。表１より、Ｖ＝Ｖ０×０．９５のときの時間を用いて式１からＱ値を算出した場合、正確なＱ値（Ｑ０）とほぼ同一の値となった。又、Ｖ＝Ｖ０×０．９０のときの時間を用いて式１からＱ値を算出した場合、正確なＱ値（Ｑ０）との誤差が約２０％であった。
これに対し、Ｖ＝Ｖ０×０．９０未満のときの時間を用いて式１からＱ値を算出した場合、正確なＱ値（Ｑ０）との誤差が２０％を大きく超えた。

【0027】

ここで、Ｑ値測定においては、測定環境（真空、大気、溶液など）等によってＱ値は大幅に変動（数万〜１０以下）する。そして、経験的に、上記の誤差が２０％程度であれば実用上利用できることが知られている。従って、表１において、Ｖ＝Ｖ０×０．９０及びＶ＝Ｖ０×０．９５の時の時間であれば、実用上Ｔｈとして採用できる。
これより、Ｖ＝Ｖ０×０．９０以上のときの時間をＴｈとして採用した。なお、Ｔｈを求める際にＶ０に乗じる上記係数は、０．９０以上であれば適宜設定できるが、測定時間を短時間とする観点から、０．９０〜０．９５の間の値を採用するのが好ましい。
以上のようにして、カンチレバーの振動特性であるＱ値を、Ｑカーブの測定条件によらずに精度良く測定することができる。

【0028】

次に、式１より得られたＱ値を用いて、正確なＱカーブを効率良く測定する方法について説明する。
まず、上述のようにＱ値＝ｆ１／Ｆｗであり、これよりＦｗ＝ｆ１／Ｑ値となる。一方、Ｑカーブを測定する際にスイープする範囲の周波数（スイープ開始周波数とスイープ終了周波数の差分の絶対値）をＦｓｗとし、Ｆｓｗの周波数幅でＱカーブ測定を行うのに要するスイープ時間をＴｓｗとする。又、Ｆｗの周波数幅でＱカーブ測定を行うのに要する時間をＴｗとする。
ここで、時間Ｔｗは、周波数であるＦｗの逆数に比例するから、
Ｔｗ＝Ａ×（１／Ｆｗ）＝Ａ×（Ｑ／ｆ１） （ａ）
となる。但し、Ａは定数であり、過去のデータ等から適切なＱ値が得られたときのスイープ時間Ｔｓｗのデータを多数取得し、以下の式２に当て嵌めてＡを求めればよい。Ａの値としては、５〜１００が採用され得るが、より好ましくは１０〜５０、さらに好ましくは２５〜３５とすることができる。

【0029】

又、周波数と時間が逆数の関係にあることから、Ｔｓｗは、Ｔｗの（Ｆｓｗ／Ｆｗ）倍であり、上記（ａ）式から、
Ｔｓｗ＝（Ｆｓｗ／Ｆｗ）×Ｔｗ
＝（Ｆｓｗ／Ｆｗ）×Ａ×（Ｑ／ｆ１）
＝（Ｆｓｗ／（ｆ１／Ｑ））×Ａ×（Ｑ／ｆ１）
＝Ａ×Ｆｓｗ×（Ｑ／ｆ１）^２ （２）
となる。

【0030】

式２より、ユーザーが設定した任意のＦｓｗに対し、最適な測定時間であるスイープ時間Ｔｓｗを算出することができ、高い精度でＱ値を求めることができるＱカーブ測定を実現できる。
なお、Ｆｓｗは、共振周波数ｆ１を中心にすると共に、Ｆｗ（Ｑカーブの半値幅）の4〜10倍程度の値とすることが一般的である。またＡが適正範囲より小さいと、Ｑカーブ形状が歪み、Ｑ値の計測誤差が大きくなる。Ａが、適正範囲より大きいと、Ｑ値の計測精度は適正範囲と同程度になるが、計測時間が長くなり測定効率が低下する。
スイープ時間Ｔｓｗとは、予め設定した周波数範囲で振動周波数を変化させ、該振動周波数の振動を前記カンチレバーに加えたときの該カンチレバーの振動振幅を表すＱカーブを測定するときの測定時間である。

【0031】

次に、上記Ｑ値、及びスイープ時間Ｔｓｗを用い、振動周波数に対する振動振幅を表すＱカーブを測定する。これにより、最適なスイープ速度のもとで正しいＱカーブが得られ、このＱカーブの波形を解析することにより、さらに正確なＱ値や共振周波数ｆ１を得ることもできる。
例えば図５において、Ｆｓｗは、周波数ｆｘ〜ｆｙまでの周波数幅であり、スイープ時間Ｔｓｗは、周波数ｆｘ〜ｆｙまで同じ変化率で周波数を変化させたときに要する測定時間である。そして、この周波数範囲Ｆｓｗで周波数を変化させたときのカンチレバー１の振動振幅Ｖを測定することで、図５に示すようなＱカーブが得られる。
このように、適切なスイープ時間を用いてＱカーブを測定することで、不必要にスイープ時間が長くなることが回避され、かつスイープ時間が短過ぎて測定が不正確になることもなく、効率よく正確なＱカーブを測定できる。

【0032】

次に、図３、図４を参照し、制御手段（プローブ顕微鏡コントローラー２４、コンピュータ４０）によるカンチレバーの振動特性の測定処理フローについて説明する。なお、制御手段は、実際にはプローブ顕微鏡コントローラー２４及びコンピュータ４０が有するＣＰＵである。又、図３はＱ値を算出するサブルーチン、図４はＱカーブを測定するメインルーチンを表す。
なお、コンピュータ４０のハードディスク等の記憶手段に本発明のカンチレバーの振動特性測定プログラムが格納され、ＣＰＵがこのプログラムを実行して図３、図４の処理を行う。

【0033】

図３において、まず、制御手段は、共振周波数ｆ１を含む測定条件を設定する（ステップＳ２）。ここで、上述のように、共振周波数ｆ１は、ＦＦＴアナライザーによる熱振動スペクトルや、自励発振回路による発信などで予め取得しておくことができる。そして、その値を予めコンピュータ４０の記憶手段にマップ等で登録しておき、その中からカンチレバー１の種類等に応じて自動的に取得してもよく、又はオペレータが共振周波数ｆ１の値等を入力することで共振周波数ｆ１を設定できる。

【0034】

次にステップＳ４〜Ｓ１２の処理を行うが、ステップＳ４〜Ｓ１２はＱ値を算出する処理を行う前に、加振電圧を0.0Vとしたときの振動振幅Ｖ'が所定の値以下であることを確認する処理である。つまり、ステップＳ４〜Ｓ１２で所定の値を超える振動振幅Ｖ'が測定された場合には、カンチレバーの振動が定常状態に落ち着いていないのでＱ値を算出する処理を行わずに、定常状態になるまで待つことになる。なお、ステップＳ４〜Ｓ１２での振幅Ｖ'は、Ｑ値を算出する際に測定する振動振幅Ｖとは異なることはいうまでもない。

【0035】

具体的には、ステップＳ４で制御手段は、加振電圧を0.0V、加振周波数を1kHzに設定し、カンチレバー１を振動していない定常状態にする。そして、制御手段は、カンチレバー１の振動振幅Ｖ'を変位検出器５を介して測定し（ステップＳ６）、閾値（５０ｍＶ）以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８で「Ｙｅｓ」であれば、上記カンチレバーの振動が定常状態に落ち着いて正常な状態であるとみなし、ステップＳ１３へ移行する。一方、ステップＳ８で「Ｎｏ」であれば、ステップＳ１０へ移行して所定時間（３秒）閾値（５０ｍＶ）以下であるか否かを判定する。ステップＳ１０で「Ｎｏ」であればステップＳ８へ戻り、ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」であればステップＳ１２へ移行する。ステップＳ１２では、制御手段は、図３のサブルーチンを継続するか否かを促す画面を表示し、オペレータが操作部を介して判断結果を入力する。そして、ステップＳ１２で「Ｙｅｓ」であればステップＳ８へ戻り、ステップＳ１２で「Ｎｏ」であれば処理を終了する。

【0036】

次に、ステップＳ１３で制御手段は、加振周波数をステップＳ２で設定したｆ１にセットし、加振電圧を所定値に設定し、カンチレバー１を加振させる。そして、制御手段は、カンチレバー１の振動振幅Ｖを変位検出器５を介して測定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４の測定結果は、図２に示すように共振周波数ｆ１の振動を加えたときからの時間に対する振動振幅Ｖの関係のデータとして得られる。
次に、制御手段は、定常振幅Ｖ０及び時間ＴＡ／２（秒）が得られたか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１６で制御手段は、ステップＳ１４で取得した複数のデータから、時間ＴＡ（秒）の振動振幅をＶＡとしたとき、時間ＴＡ／２（秒）が規定時間以下となるか否かを判定する。ステップＳ１６で「Ｙｅｓ」であればステップＳ１８へ移行する。ステップＳ１６で「Ｎｏ」であれば、振動振幅が定常状態になるまでの時間がかかり過ぎ、システムの動作が正常でない可能性があるので測定を終了する。この場合は、Ｑ値が想定を超える高い値となっているか、正常な共振状態となっていない可能性があるためである。

【0037】

次に、ステップＳ１８で制御手段は、Ｖ０が得られたか否かを判定する。ステップＳ１８で「Ｎｏ」の場合、Ｖ０が得られない（収束しない）ことになるのでステップＳ１４へ戻り、ステップＳ１８で「Ｙｅｓ」であればステップＳ２０へ移行する。
ステップＳ２０で制御手段は、ステップＳ１４で取得した複数のデータから、振動振幅Ｖが定常振幅Ｖ０の０．９５になったときの時間Ｔｈ（秒）を求め、式１：Ｑ値＝ｆ１×ＴｈによりＱ値を算出する。ここで、ｆ１はステップＳ２で設定した値である。
次に、ステップＳ２２で制御手段は、ステップＳ２０で算出したＱ値が所定の値（例えば５００００）以下であるか否かを判定する。ステップＳ２２で「Ｎｏ」の場合、Ｑ値が異常値をとり、システムが正常でない可能性があるので測定を終了し、ステップＳ２２で「Ｙｅｓ」であればステップＳ２４へ移行する。
ステップＳ２４で制御手段は、ステップＳ２０で算出したＱ値を取得し、適宜コンピュータ４０の記憶手段に記憶し、処理を終了する。

【0038】

次に、図４を参照し、Ｑカーブを測定するメインルーチンについて説明する。
図４において、まず、制御手段は、共振周波数ｆ１を測定する（ステップＳ１０２）。具体的には、特許文献２に記載された簡便法により、ｆ１を測定する。なお、ステップＳ１０２を行わず、共振周波数ｆ１を、ＦＦＴアナライザーによる熱振動スペクトルや、自励発振回路による発信などで計測した入力値を共振周波数ｆ１としてもよい。
次に、ステップＳ１０４で制御手段は、サブルーチンで取得したＱ値をセットする。そして、ステップＳ１０６で制御手段は、ステップＳ１０２，１０４で得られたｆ１、Ｑに基づき、式２：スイープ時間Ｔｓｗ（秒）＝Ａ×Ｆｓｗ×（Ｑ／ｆ１）^２によってスイープ時間Ｔｓｗを算出する。ここで、定数Ａは、５〜１００が採用され得るが、好ましくは１０〜５０、より好ましくは２５〜３５である。
次に、ステップＳ１０８で制御手段は、ステップＳ１０６で算出したスイープ時間Ｔｓｗをもとに、Ｑカーブを自動的に測定する。具体的には、予め設定した周波数範囲で振動周波数を変化させ（スイープし）、該振動周波数の振動を前記カンチレバーに加えたときの該カンチレバーの振動振幅を表すＱカーブを測定するときの測定時間がＴｓｗになるように周波数を変化させ、このときのカンチレバー１の振動振幅Ｖを測定することで、図５に示すようなＱカーブが得られる。

【0039】

本発明の振動特性測定プログラムは、上述の図３、図４で説明した処理フローをコンピュータプログラムとして適宜コンピュータ４０の記憶手段に記憶してなり、プローブ顕微鏡コントローラー２４及びコンピュータ４０が有するＣＰＵによって実行される。

【0040】

本発明は上記実施形態に限定されない。

【実施例】

【0041】

共振周波数の公称値が25.501ｋHzであるカンチレバー１を、図１に示す走査型プローブ顕微鏡２００に取付け、スイープ速度を十分に遅くしてＱカーブＣ１（図５参照）を測定し、その波形から正確なＱ値を求めたところ、Ｑ０＝1297となった。次に、上述の方法で、図２に示すグラフＧを求め、式１から振動振幅Ｖ毎にＱ値を算出した。そして、各振動振幅ＶにおけるＱ値と、正確なＱ値（Ｑ０）との間の誤差として、｛（Ｑ０−Ｑ）／Ｑ０｝×１００（％）を求めた。
得られた結果を表１に示す。

【0042】

【表1】

【0043】

表１より、Ｖ＝Ｖ０×０．９５のときの時間を用いて式１からＱ値を算出した場合、正確なＱ値（Ｑ０）との誤差が２％未満であり、ほぼ同一の値となった。又、Ｖ＝Ｖ０×０．９０のときの時間を用いて式１からＱ値を算出した場合、正確なＱ値（Ｑ０）との誤差が約２０％であった。これに対し、Ｖ＝Ｖ０×０．９０未満（それぞれＶ０×０．８５〜Ｖ０×０．７０のときの時間を用いて式１からＱ値を算出した場合、正確なＱ値（Ｑ０）との誤差が２０％を大幅に超えた。
これより、時間Ｔｈとして、Ｖ＝Ｖ０×０．９０以上のときの時間を採用すればよいことがわかった。

【符号の説明】

【0044】

１ カンチレバー
２００ 走査型プローブ顕微鏡
Ｃ１、Ｃ２ Ｑカーブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】