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特許7595365振動成分測定装置、ケルビンプローブ力顕微鏡、振動成分測定方法
(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】
(24)【登録日】2024-11-28
(45)【発行日】2024-12-06
(54)【発明の名称】振動成分測定装置、ケルビンプローブ力顕微鏡、振動成分測定方法
(51)【国際特許分類】
G01Q 60/30 20100101AFI20241129BHJP
【ＦＩ】
G01Q60/30
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2022510644
(86)(22)【出願日】2021-03-25
(86)【国際出願番号】 JP2021012464
(87)【国際公開番号】W WO2021193799
(87)【国際公開日】2021-09-30
【審査請求日】2024-02-06
(31)【優先権主張番号】P 2020056446
(32)【優先日】2020-03-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】菅原 康弘
【審査官】佐野 浩樹
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１１／０４００６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／０３８６５９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００４－２９４２１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３２９６８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０５３８７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１７２６８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０５３０１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５０２３５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０２４５８１５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００４－２２６２３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】NOMURA Hikaru, et al.，Dissipative force modulation Kelvin probe force microscopy applying doubled frequency ac bias voltag，Applied Physics Letters，米国，2007年，Vol. 90, No. 3，p. 033118-1 - 033118-3，[検索日: 2021.05.19], インターネット:<https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.2432281 でダウンロード可能>, <DOI: https://doi.org/10.1063/1.2432281>,
【文献】山田啓文，周波数変調型ケルビンプローブ原子間力顕微鏡による有機薄膜評価，表面科学，日本，2007年，Vol. 28, No. 5，p. 253―263，[検索日: 2021.05.19], インターネット:<https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsssj/28/5/28_5_253/_pdf でダウンロード可能>
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｑ ６０／３０
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
インターネット
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
振動部と、第１交流信号を生成する第１交流信号生成器と、
前記第１交流信号の周波数の、１倍より大きく２倍未満の周波数、あるいは、２倍より大きく３倍未満の周波数を有する第２交流信号を生成する第２交流信号生成器と、
前記振動部とサンプルとの間に、少なくとも前記第２交流信号を印加する信号印加部と、
前記第１交流信号に基づき前記振動部を振動させる振動制御部と、
前記振動部と前記サンプルとの相互作用により変動する、前記振動部の振動の変動成分を測定する測定部とを備えた振動成分測定装置。
【請求項2】
さらに、前記第１交流信号より低周波の参照交流信号を生成する参照交流生成器を備え、前記第２交流信号が、前記第１交流信号の周波数の２倍の周波数に、前記参照交流信号の周波数を加えた周波数、あるいは、前記第１交流信号の周波数の２倍の周波数から、前記参照交流信号の周波数を差し引いた周波数を有する請求項１に記載の振動成分測定装置。
【請求項3】
前記第２交流信号生成器は、前記第１交流信号の周波数の２倍の周波数を有する倍周波信号を生成する倍周波生成器と、前記倍周波信号と前記参照交流信号とから前記第２交流信号を生成する第２振幅変調器とを備えた請求項２に記載の振動成分測定装置。【請求項4】
前記振動部とサンプルとの間に印加する信号を、前記第２交流信号と前記参照交流信号との間において切り替えるスイッチを含む請求項２または３に記載の振動成分測定装置。【請求項5】
前記測定部が、前記振動部の振動成分を検出し、前記振動成分に基づいて測定信号を生成する測定信号生成器と、
前記測定信号に基づいて生成された比較信号と、前記参照交流信号に基づいて生成された基準信号とを比較して、前記変動成分を算出する第１ロックインアンプとを備えた請求項２から４の何れか１項に記載の振動成分測定装置。
【請求項6】
前記測定信号は、前記振動部の振動数と前記第１交流信号の周波数との差に基づいて生成され、前記変動成分は、前記基準信号の周波数と前記比較信号の周波数との差である請求項５に記載の振動成分測定装置。
【請求項7】
前記測定信号生成器は、前記測定信号を生成する位相同期ループ回路を含む請求項６に記載の振動成分測定装置。【請求項8】
前記測定信号は、前記振動部の振動の振幅と前記第１交流信号の振幅との差に基づいて生成され、前記変動成分は、前記基準信号の振幅と前記比較信号の振幅との差である請求項５に記載の振動成分測定装置。
【請求項9】
前記測定信号生成器は、前記測定信号を生成する第２ロックインアンプを含む請求項８に記載の振動成分測定装置。【請求項10】
さらに、前記サンプルを支持するステージと、該ステージの位置を制御することにより、前記サンプルに対する前記振動部の位置を制御するステージ制御部とを備え、前記ステージ制御部は、前記測定信号に基づいて、前記ステージの位置を制御する請求項５から９の何れか１項に記載の振動成分測定装置。
【請求項11】
前記測定部は、さらに、前記第１交流信号の周波数の２倍の周波数を有する倍周波信号と、前記測定信号とから、前記比較信号を生成する、第１振幅変調器を含む請求項５から１０の何れか１項に記載の振動成分測定装置。【請求項12】
前記測定信号生成器は、前記振動部の振動の振動数を検出し、前記第１交流信号生成器は、前記測定信号生成器が検出する前記振動数に基づいて、前記第１交流信号を生成する請求項５から１１の何れか１項に記載の振動成分測定装置。
【請求項13】
前記測定信号生成器と前記第１交流信号生成器とは、共通の位相同期ループ回路を備えた請求項１２に記載の振動成分測定装置。【請求項14】
さらに、前記位相同期ループ回路から出力された前記第１交流信号の利得を制御する自動利得制御回路を備えた請求項１３に記載の振動成分測定装置。【請求項15】
さらに、直流信号を生成する直流信号生成器を備え、前記信号印加部は、前記振動部とサンプルとの間に、前記第２交流信号に、前記直流信号の電圧を加えた信号を印加する請求項１から１４の何れか１項に記載の振動成分測定装置。
【請求項16】
前記直流信号生成器は、前記直流信号の電圧を、前記変動成分に基づいて制御する請求項１５に記載の振動成分測定装置。【請求項17】
前記振動部が、カンチレバー探針である、請求項１から１６の何れか１項に記載の振動成分測定装置。【請求項18】
請求項１７に記載の振動成分測定装置を備えたケルビンプローブ力顕微鏡。【請求項19】
前記振動部が、板バネである、請求項１から１６の何れか１項に記載の振動成分測定装置。【請求項20】
振動部を振動させるための第１交流信号を生成する第１交流信号生成工程と、前記第１交流信号の周波数の、１倍より大きく２倍未満の周波数、あるいは、２倍より大きく３倍未満の周波数を有する第２交流信号を生成する第２交流信号生成工程と、
前記第２交流信号を、前記振動部とサンプルとの間に印加しつつ、前記第１交流信号に基づき前記振動部を振動させることにより、前記振動部と前記サンプルとの相互作用により変動する、前記振動部の振動の変動成分を測定する測定工程とを含む振動成分測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は振動部の振動の変動成分を測定する手法、および、当該手法を実現するための装置、特に、当該装置を備えた顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
下記非特許文献１は、振動するカンチレバー探針と、サンプルとの間に、交流電圧を印加しつつ、カンチレバー探針の振動の変動成分を測定することにより、サンプルの表面の構造、および、サンプルの表面における局所電界を測定する手法を開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】M. Nonnenmacher, M. P. O’Boyle, and H. K. Wickramasinghe, Kelvin probe force microscopy, Appl.Phys.Lett., 58(25), 1991, 2921.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
非特許文献１に記載される従来の測定手法においては、カンチレバー探針とサンプルとの間に印加される交流電圧の周波数を増加させると、変動成分の情報を含む測定信号の強度が極端に低下する。このため、上記測定手法においては、測定信号のＳＮ比を十分に確保するために、カンチレバー探針とサンプルとの間に印加される交流電圧の周波数を低くする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様に係る振動成分測定装置は、振動部と、第１交流信号を生成する第１交流信号生成器と、前記第１交流信号の周波数の、１倍より大きく２倍未満の周波数、あるいは、２倍より大きく３倍未満の周波数を有する第２交流信号を生成する第２交流信号生成器と、前記振動部とサンプルとの間に、少なくとも前記第２交流信号を印加する信号印加部と、前記第１交流信号に基づき前記振動部を振動させる振動制御部と、前記振動部と前記サンプルとの相互作用により変動する、前記振動部の振動の変動成分を測定する測定部とを備える。
【0006】
また、本開示の他の一態様に係る振動成分測定方法は、振動部を振動させるための第１交流信号を生成する第１交流信号生成工程と、前記第１交流信号の周波数の、１倍より大きく２倍未満の周波数、あるいは、２倍より大きく３倍未満の周波数を有する第２交流信号を生成する第２交流信号生成工程と、前記第２交流信号を、前記振動部とサンプルとの間に印加しつつ、前記第１交流信号に基づき前記振動部を振動させることにより、前記振動部と前記サンプルとの相互作用により変動する、前記振動部の振動の変動成分を測定する測定工程とを含む。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、カンチレバー探針等を含む振動部とサンプルとの間に印加する交流信号の周波数を、振動部の振動周波数と同程度のオーダーまで高めつつ、より効率的に振動部の振動成分を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態１に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図2】実施形態１に係る光センサが受信する信号の強度を、当該信号の周波数ごとに示すグラフである。
【図3】実施形態１に係る第１位相同期ループ回路と、自動利得制御との構成を説明するためのブロック図である。
【図4】実施形態１に係る第２位相同期ループ回路の構成を説明するためのブロック図である。
【図5】実施形態１に係る第１振幅変調器に入力される信号の強度を、当該信号の周波数ごとに示すグラフである。
【図6】実施形態１に係る第１ロックインアンプに入力される信号の強度を、当該信号の周波数ごとに示すグラフである。
【図7】実施形態１に係る振動成分測定装置の動作の、他の例を説明するためのブロック図である。
【図8】実施形態１に係る光センサが受信する信号の強度の他の例を、当該信号の周波数ごとに示すグラフである。
【図9】実施形態２に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図10】実施形態３に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図11】実施形態４に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図12】実施形態５に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図13】実施形態６に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図14】サンプルの表面状態により、当該サンプルのバルクにおけるバンドが湾曲する様子を説明するためのバンド図である。
【図15】外部電界の変動により、サンプルのバルクにおけるバンド湾曲が変動する様子を説明するためのバンド図である。
【図16】当該サンプルのバルクにおけるバンド湾曲の変動が発生しなくなる、外部電極に印加する信号の遮断周波数を、サンプルのバルクのフェルミ準位と、当該サンプルの表面のフェルミ準位との差ごとに示すグラフである。
【図17】サンプルの表面における電位を、外部電極に印加する信号の遮断周波数を切り替えつつ測定することにより得られた電位像と、当該電位像を解析して得られた、サンプル表面の状態を示す画像である。
【図18】実施形態７に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【図19】実施形態８に係る振動成分測定装置の構成と、当該振動成分測定装置の動作とを説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
〔実施形態１〕
以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において用いられる図は模式図であり、図面上の各部材の寸法比率を厳密に示すものではない。
以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において用いられる図は模式図であり、図面上の各部材の寸法比率を厳密に示すものではない。
【0010】
図１は、本実施形態に係る振動成分測定装置２の構成と、当該振動成分測定装置２の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態に係る振動成分測定装置２は、後述する第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２とをそれぞれ複数備える。本実施形態においては、はじめに、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置２の動作を例に挙げて説明する。
【0011】
＜カンチレバー探針およびステージ＞
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、振動部としてカンチレバー探針４を備える。カンチレバー探針４は、カンチレバー部６と、当該カンチレバー部６の端部に形成された探針部８とを備える。本実施形態に係る振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４のカンチレバー部６を振動させながら、探針部８をサンプルＸと近接させ、カンチレバー探針４の振動成分を測定するための装置である。
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、振動部としてカンチレバー探針４を備える。カンチレバー探針４は、カンチレバー部６と、当該カンチレバー部６の端部に形成された探針部８とを備える。本実施形態に係る振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４のカンチレバー部６を振動させながら、探針部８をサンプルＸと近接させ、カンチレバー探針４の振動成分を測定するための装置である。
【0012】
なお、本実施形態においては、サンプルＸとカンチレバー探針４とが、常に非接触である状態に維持しつつ、カンチレバー探針４の振動成分の測定を行う手法を例に挙げて説明を行うが、これに限られない。例えば、カンチレバー探針４の振動に伴い、サンプルＸとカンチレバー探針４とが、間欠的に接触する、一般にタッピングモードと呼称される手法を使用して、カンチレバー探針４の振動成分の測定を行ってもよい。しかしながら、サンプルＸへのダメージの発生を防止する観点からは、サンプルＸとカンチレバー探針４とを常に非接触である状態に維持しつつ、カンチレバー探針４の振動成分の測定を行うことが好ましい。
【0013】
振動成分測定装置２は、印加された電圧の周波数に対応する振動数において、カンチレバー探針４を振動させる振動制御部として、探針制御部１０を備えている。具体的には、カンチレバー探針４の共振周波数が周波数ｆ１である場合、探針制御部１０には、周波数ｆ１を有する第１交流信号が入力される。
【0014】
振動成分測定装置２は、サンプルＸを支持するためのステージ１２と、サンプルＸに電圧を印加するためのステージ電極１４とを備える。例えば、図１に示すように、ステージ電極１４とサンプルＸとを電気的に導通させ、カンチレバー探針４を接地する。これにより、ステージ電極１４に電圧を印加すると、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間に、ステージ電極１４に印加した電圧と同一の電圧を印加することが可能となる。
【0015】
なお、詳細を後述するが、本実施形態において、ステージ電極１４には、上述した周波数ｆ１の２倍と、周波数ｆ１よりも低い周波数である周波数ｆｍとを足し合わせた周波数を有する、第２交流信号が印加される。第２交流信号には、詳細を後述するが、電圧Ｖｄｃを有する直流信号が重畳されていてもよい。
【0016】
＜振動成分の検出＞
本実施形態において、カンチレバー探針４の振動成分の検出は、例えば、振動成分測定装置２が備える、光源１６と光センサ１８とによる、いわゆる、光てこ方式を使用して実施する。
本実施形態において、カンチレバー探針４の振動成分の検出は、例えば、振動成分測定装置２が備える、光源１６と光センサ１８とによる、いわゆる、光てこ方式を使用して実施する。
【0017】
光源１６は、例えば、レーザダイオードであり、カンチレバー探針４に光を照射する。カンチレバー探針４に照射され、反射した光は、光センサ１８に照射される。
【0018】
ここで、光センサ１８は、光位置センサであり、例えば、４分割フォトダイオードであってもよい。カンチレバー探針４において反射した光の、光センサ１８における照射位置は、カンチレバー探針４の振動により変動する。このため、光センサ１８は、カンチレバー探針４において反射した光を受けた位置の変動成分から、カンチレバー探針４の振動成分を割り出すことができる。
【0019】
例えば、光センサ１８は、光を受ける位置の周期的変動、および、各位置における受光強度に基づいて、カンチレバー探針４の振動強度を、カンチレバー探針４の振動数ごとに算出する。また、光センサ１８は、検出結果に応じて、信号を出力する。本実施形態において、光センサ１８が出力する信号は、光センサ１８が算出した、カンチレバー探針４の振動数ごとの、カンチレバー探針４の振動強度を、周波数ごとの信号強度に置き換えた信号である。
【0020】
【0021】
光センサ１８が出力する信号のうち、主な成分は、カンチレバー探針４の振動数に相当する、周波数ｆ１を有する成分である。
【0022】
ここで、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間に、周波数２ｆ１＋ｆｍの第２交流信号を印加している。このため、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用は、この周波数に応じて変化する。このため、カンチレバー探針４の振動は、振動数２ｆ１＋ｆｍの成分を有する。したがって、光センサ１８が出力する信号は、図２に示すように、周波数２ｆ１＋ｆｍに成分を有する。
【0023】
また、カンチレバー探針４が振動数ｆ１において振動しているため、カンチレバー探針４の振動は、振動数ｆ１＋ｆｍおよび振動数３ｆ１＋ｆｍに、変調成分の側波帯を有する。このため、光センサ１８が出力する信号は、図２に示すように、周波数ｆ１＋ｆｍおよび周波数３ｆ１＋ｆｍにおいても成分を有する。
【0024】
さらに、カンチレバー探針４の探針部８と対向するサンプルＸとの間に、表面電位差がある場合、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用が、当該表面電位差により変化する。具体的には、表面電位差は、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の接触電位差、あるいは、サンプルＸ上の電荷分布によって変化する。当該表面電位差による、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用の変化は、カンチレバー探針４の振動数をΔｆだけシフトさせる。さらに、カンチレバー探針４の振動の変動成分は、光センサ１８によって出力された信号の変調成分の側波帯における、振幅Ｒと位相θとの変化として観測される。
【0025】
換言すれば、本実施形態において、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯における、振幅Ｒと位相θとの変化を観測することにより、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の表面電位差を測定することが可能である。
【0026】
なお、上述した、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯における信号は、上側波帯の場合であってもよく、下側波帯の場合であってもよい。換言すれば、ｆｍは、正の値をとってもよく、負の値をとってもよい。
【0027】
なお、第２交流信号の周波数を、カンチレバー探針４の振動数に対し増加させた場合、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯の強度は、急激に小さくなる。このため、第２交流信号の周波数を単純に増加させるのみでは、当該側波帯が、ホワイトノイズに埋もれるため、観測することが困難となる場合がある。
【0028】
しかしながら、第２交流信号の周波数を、カンチレバー探針４の振動数の２倍付近まで増加させると、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯の強度が増大する。このため、第２交流信号の周波数を、カンチレバー探針４の振動数の２倍付近とすることにより、当該側波帯の強度が強くなり、より容易に測定を実施することができる。
【0029】
本実施形態において、第２交流信号の周波数は、カンチレバー探針４の振動数に相当する周波数ｆ１の２倍に、周波数ｆ１よりも低い周波数ｆｍを加えた周波数である。このため、第２交流信号の周波数は、カンチレバー探針４の振動数の２倍付近となり、カンチレバー探針４の振動の変調成分を、十分に強くすることができる。
【0030】
＜第１位相同期ループ回路および自動利得制御回路＞
光センサ１８から出力された信号は、振動成分測定装置２が備える、第１位相同期ループ回路２０と、第２位相同期ループ回路２２とに入力される。第１位相同期ループ回路２０は、入力された信号を基にさらに信号を生成し、振動成分測定装置２が備える、自動利得制御回路２４とステージ制御部２６とに入力する。
光センサ１８から出力された信号は、振動成分測定装置２が備える、第１位相同期ループ回路２０と、第２位相同期ループ回路２２とに入力される。第１位相同期ループ回路２０は、入力された信号を基にさらに信号を生成し、振動成分測定装置２が備える、自動利得制御回路２４とステージ制御部２６とに入力する。
【0031】
【0032】
図３は、第１位相同期ループ回路２０の構成および動作について示すためのブロック図である。なお、図３を参照して、図１に示す、第１位相同期ループ回路２０から出力される信号の一部が入力される、自動利得制御回路２４についても説明する。
【0033】
第１位相同期ループ回路２０は、狭帯域ロックインアンプ２８と、ＰＩＤ制御器３０と、電圧制御発振器３２とを備える。自動利得制御回路２４は、ＰＩＤ制御器３４と、乗算器３６とを備える。
【0034】
光センサ１８から第１位相同期ループ回路２０に入力された信号は、狭帯域ロックインアンプ２８に入力される。狭帯域ロックインアンプ２８は、光センサ１８から入力された信号と、後に詳述する電圧制御発振器３２から入力された基準となる信号との位相を比較する、位相比較器として用いられる。本実施形態においては、狭帯域ロックインアンプ２８は、光センサ１８からの信号と、基準となる信号との、位相差および振幅差を、それぞれ、電圧に置き換えた信号を出力する。
【0035】
具体的には、狭帯域ロックインアンプ２８は、入力された２つの信号を乗算する乗算器と、当該乗算器により生成された信号のうち、低周波の成分のみを抽出するためのローパスフィルタとを有する。このため、狭帯域ロックインアンプ２８においては、乗算器から、入力された２つの信号の周波数の、合計に相当する周波数を有する高周波と、差に相当する周波数を有する低周波が出力されるものの、ローパスフィルタにより、低周波のみが抽出される。
【0036】
狭帯域ロックインアンプ２８から出力される、光センサ１８からの信号と基準となる信号との位相差を、電圧に置き換えた信号は、ＰＩＤ制御器３０を介して、電圧制御発振器３２に入力される。電圧制御発振器３２は、ＰＩＤ制御器３０から入力された信号に基づいて、一定の周波数を有する信号を出力する。
【0037】
電圧制御発振器３２は、例えば、水晶振動子を共振子として含む、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）であってもよい。本実施形態において、電圧制御発振器３２は、ＰＩＤ制御器３０から入力された信号に基づいて、周波数ｆ１を有する、第１交流信号を生成する。換言すれば、電圧制御発振器３２の共振子は、周波数ｆ１において発振する。
【0038】
ＰＩＤ制御器３０は、電圧制御発振器３２が出力する第１交流信号の位相と、光センサ１８から第１位相同期ループ回路２０に入力される信号の、周波数ｆ１の成分の位相とがπ／２だけずれるように、電圧制御発振器３２にフィードバックする。
【0039】
このため、狭帯域ロックインアンプ２８から出力される信号のうち、光センサ１８からの信号と、第１交流信号との、位相差を電圧に置き換えた信号は、光センサ１８からの信号と、第１交流信号との、それぞれの周波数の差に相当する周波数を有する。また、狭帯域ロックインアンプ２８から出力される信号のうち、光センサ１８からの信号と、第１交流信号との、振幅差を電圧に置き換えた信号は、光センサ１８からの信号と、第１交流信号との、それぞれの振幅の差に相当する振幅を有する。
【0040】
狭帯域ロックインアンプ２８から出力される信号のうち、光センサ１８からの信号と、第１交流信号との、振幅差を電圧に置き換えた信号は、自動利得制御回路２４のＰＩＤ制御器３４を介して、乗算器３６に入力される。また、乗算器３６には、電圧制御発振器３２から出力された第１交流信号が入力され、ＰＩＤ制御器３４からの信号と乗算される。
【0041】
これにより、ＰＩＤ制御器３４は、狭帯域ロックインアンプ２８からの信号に基づき、電圧制御発振器３２から出力される第１交流信号の利得のフィードバックを行う。このため、自動利得制御回路２４から出力される第１交流信号の振幅は略一定に保たれる。
【0042】
図１に示すように、自動利得制御回路２４から出力された第１交流信号は、探針制御部１０に印加される。自動利得制御回路２４によって、第１交流信号の振幅のフィードバックがなされているため、探針制御部１０には、略一定振幅の第１交流信号が入力される。このため、第１位相同期ループ回路２０は、第１交流信号を生成する第１交流信号生成器として機能する。
【0043】
したがって、第１位相同期ループ回路２０は、カンチレバー探針４の振動の振動数を検出し、当該振動数に基づいて第１交流信号を生成する。このため、別途第１交流信号を生成する装置を用意する必要がなく、一度カンチレバー探針４を発振させた後は、第１位相同期ループ回路２０は、継続して第１交流信号を生成することができる。
【0044】
振動成分測定装置２が備える、測定信号生成器と第１交流信号生成器とは、共通の第１位相同期ループ回路２０を備える。これにより、第１位相同期ループ回路２０が、継続的に第１交流信号を生成できるのみならず、第１位相同期ループ回路２０が測定信号の生成を行うことができる。このため、振動成分測定装置２が備える回路の個数を低減でき、振動成分測定装置２の簡素化につながる。
【0045】
＜第２位相同期ループ回路＞
図４は、第２位相同期ループ回路２２の構成および動作について示すためのブロック図である。第２位相同期ループ回路２２は、第１位相同期ループ回路２０と同じく、ＰＩＤ制御器３０と、電圧制御発振器３２とを備える。また、第２位相同期ループ回路２２は、第１位相同期ループ回路２０と比較して、狭帯域ロックインアンプ２８に代えて、広帯域ロックインアンプ３８を備える。
図４は、第２位相同期ループ回路２２の構成および動作について示すためのブロック図である。第２位相同期ループ回路２２は、第１位相同期ループ回路２０と同じく、ＰＩＤ制御器３０と、電圧制御発振器３２とを備える。また、第２位相同期ループ回路２２は、第１位相同期ループ回路２０と比較して、狭帯域ロックインアンプ２８に代えて、広帯域ロックインアンプ３８を備える。
【0046】
光センサ１８から第２位相同期ループ回路２２に入力された信号は、広帯域ロックインアンプ３８に入力される。広帯域ロックインアンプ３８は、狭帯域ロックインアンプ２８と比較して、備えるローパスフィルタの帯域が広い点を除いて、同一の構成を備える。このため、広帯域ロックインアンプ３８は、狭帯域ロックインアンプ２８と同じく、光センサ１８からの信号と、基準となる信号との、位相差および振幅差を、それぞれ、電圧に置き換えた信号を出力する。
【0047】
第２位相同期ループ回路２２が備えるＰＩＤ制御器３０および電圧制御発振器３２は、第１位相同期ループ回路２０が備えるＰＩＤ制御器３０および電圧制御発振器３２と同一の機能を有する。換言すれば、ＰＩＤ制御器３０は、広帯域ロックインアンプ３８から入力された信号から、光センサ１８からの信号の周波数と、基準となる信号の周波数との差に相当する周波数を有する信号を出力する。ただし、後述する理由から、第２位相同期ループ回路２２において、電圧制御発振器３２は、ＰＩＤ制御器３０から入力された信号に基づいて、周波数ｆ１＋ｆｍを有する信号を生成し、広帯域ロックインアンプ３８に入力する。
【0048】
＜位相同期ループ回路から出力される信号＞
図２に示すように、光センサ１８から出力される信号には、周波数ｆ１の成分、および、周波数ｆ１＋ｆｍの成分が含まれている。このため、狭帯域ロックインアンプ２８および広帯域ロックインアンプ３８には、周波数ｆ１の成分、および、周波数ｆ１＋ｆｍの成分を有する信号がそれぞれ入力される。
図２に示すように、光センサ１８から出力される信号には、周波数ｆ１の成分、および、周波数ｆ１＋ｆｍの成分が含まれている。このため、狭帯域ロックインアンプ２８および広帯域ロックインアンプ３８には、周波数ｆ１の成分、および、周波数ｆ１＋ｆｍの成分を有する信号がそれぞれ入力される。
【0049】
このため、狭帯域ロックインアンプ２８に入力された信号は、周波数ｆ１を有する第１交流信号と比較される。ここで、狭帯域ロックインアンプ２８は、ローパスフィルタの帯域が十分に狭い。このため、第１位相同期ループ回路２０のＰＩＤ制御器３０からは、直流成分を有する信号が出力される。当該直流成分を有する信号の強度は、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用による、カンチレバー探針４の振動の周波数シフトΔｆの大きさに対応する。
【0050】
また、広帯域ロックインアンプ３８に入力された信号は、周波数ｆ１＋ｆｍを有する第１交流信号と比較される。ここで、広帯域ロックインアンプ３８は、狭帯域ロックインアンプ２８と比較して、ローパスフィルタの帯域が広い。このため、第２位相同期ループ回路２２のＰＩＤ制御器３０からは、直流成分に加え、周波数ｆｍの成分を有する信号が出力される。したがって、第２位相同期ループ回路２２からは、カンチレバー探針４の振動の変動成分を含む、周波数ｆｍの成分を含む、測定信号が出力される。なお、第２位相同期ループ回路２２の電圧制御発振器３２は、直流成分に加え、周波数ｆｍの成分を有する信号に基づいて発振するため、周波数ｆ１＋ｆｍを有する信号を出力する。
【0051】
上記から、振動成分測定装置２は、測定信号を生成する測定信号生成器として、光源１６と、光センサ１８と、第１位相同期ループ回路２０と第２位相同期ループ回路２２とを備える。
【0052】
ここで、第２位相同期ループ回路２２から出力される測定信号は、図１に示すように、ハイパスフィルタ４０に入力される。ハイパスフィルタ４０は、入力された信号から、直流成分を除去する。このため、ハイパスフィルタ４０は、図５のグラフに示すように、周波数ｆｍの成分のみを有する測定信号を出力する。
【0053】
加えて、光センサ１８から出力される信号には、周波数２ｆ１＋ｆｍの成分および周波数３ｆ１＋ｆｍの成分が含まれている。しかしながら、本実施形態において、狭帯域ロックインアンプ２８は、ローパスフィルタにより、前述の通り、直流成分付近を除く周波数の成分を有する信号を出力しない。加えて、広帯域ロックインアンプ３８についても、ローパスフィルタにより、周波数ｆｍよりも高い周波数の成分を有する信号を出力しないように構成されている。
【0054】
＜ステージへのフィードバック＞
第１位相同期ループ回路２０から出力された測定信号のうち、直流成分を有する信号は、ステージ制御部２６に入力される。ステージ制御部２６は、測定信号に基づいて、ステージ１２の位置を制御する。これにより、ステージ制御部２６は、サンプルＸ上における探針部８の位置、および、サンプルＸと探針部８との距離を制御することができる。
第１位相同期ループ回路２０から出力された測定信号のうち、直流成分を有する信号は、ステージ制御部２６に入力される。ステージ制御部２６は、測定信号に基づいて、ステージ１２の位置を制御する。これにより、ステージ制御部２６は、サンプルＸ上における探針部８の位置、および、サンプルＸと探針部８との距離を制御することができる。
【0055】
例えば、本実施形態において、ステージ制御部２６により、サンプルＸと探針部８との距離を制御する。これにより、ステージ制御部２６は、測定信号の周波数のうち、カンチレバー探針４の振動数シフトに相当する、振動数シフトΔｆの値が一定となるようにフィードバックをかけることができる。サンプルＸと、カンチレバー探針４が振動していない状態における探針部８との距離が一定である場合、振動数シフトΔｆの値は一定となる。したがって、振動数シフトΔｆの値を一定に保ちつつ、探針部８をサンプルＸ上において走査し、逐次ステージ１２の位置を記録することにより、振動成分測定装置２は、サンプルＸの表面形状を測定することができる。
【0056】
なお、ステージ制御部２６は、第１位相同期ループ回路２０から出力された測定信号をフィルタリングするためのフィルタを備えていてもよい。この場合、本実施形態においては、第１位相同期ループ回路２０が備えるロックインアンプの帯域が、第２位相同期ループ回路２２が備えるロックインアンプの帯域よりも狭いために、ステージ制御部２６の備えるフィルタの帯域は広帯域であってもよい。
【0057】
ステージ制御部２６の備えるフィルタの帯域が広帯域であることにより、ステージ制御部２６によるステージ１２のフィードバック制御がより高速に実行される。しかしながら、ステージ制御部２６の備えるフィルタの帯域を狭帯域とした場合には、第１位相同期ループ回路２０が備えるロックインアンプの帯域を、第２位相同期ループ回路２２が備えるロックインアンプの帯域よりも広くしてもよい。
【0058】
＜振幅変調器＞
本実施形態において、振動成分測定装置２は、振幅変調器を用いて、測定信号から、カンチレバー探針４の振動成分を測定する。以下、振幅変調器を用いたカンチレバー探針４の振動成分の測定手法について、振幅変調器の構成と併せて説明する。
本実施形態において、振動成分測定装置２は、振幅変調器を用いて、測定信号から、カンチレバー探針４の振動成分を測定する。以下、振幅変調器を用いたカンチレバー探針４の振動成分の測定手法について、振幅変調器の構成と併せて説明する。
【0059】
振動成分測定装置２は、図１に示すように、第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４とを備える。第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４とは、例えば、共にＳＳＢ変調器（単一側波帯変調器）である。
【0060】
第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４とは、乗算器を備え、入力された２つの信号のそれぞれの周波数を足し合わせた周波数を有する信号と、入力された２つの信号のうち、一方の周波数から他方の周波数を差し引いた周波数を有する信号を生成する。第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４とは、入力された２つの信号のそれぞれの振幅を足し合わせた振幅を有する信号と、入力された２つの信号のうち、一方の振幅から他方の振幅を差し引いた振幅を有する信号を生成してもよい。
【0061】
なお、本実施形態において、第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４とは、上記２つの信号のうち、入力された２つの信号のそれぞれの周波数を足し合わせた周波数を有する信号のみを抽出し、出力する。
【0062】
第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４とには、第１交流信号の周波数ｆ１の２倍の周波数を有する倍周波信号が入力される。本実施形態において、倍周波信号は、振動成分測定装置２が備えるダブラ４６によって生成される。
【0063】
ダブラ４６は、入力された信号の周波数の２倍の周波数を有する信号を出力する倍周波生成器として機能する。本実施形態において、ダブラ４６には、第１位相同期ループ回路２０の電圧制御発振器３２から出力される第１交流信号が、第１スイッチＳ１を介して入力される。このため、ダブラ４６からは、第１交流信号の周波数ｆ１の２倍である２ｆ１の周波数を有する倍周波信号が出力される。ダブラ４６からの倍周波信号は、第１振幅変調器４２と第２振幅変調器４４とに入力される。
【0064】
さらに、第１振幅変調器４２には、ハイパスフィルタ４０から出力された測定信号が入力される。第１振幅変調器４２は、乗算器により、入力された２つの信号を乗算する。このため、第１振幅変調器４２は、倍周波信号の周波数と、測定信号の周波数とを足し合わせた、周波数２ｆ１＋ｆｍを有する信号と、倍周波信号の周波数から、測定信号の周波数を差し引いた、周波数２ｆ１－ｆｍを有する信号とを生成する。
【0065】
ここで、本実施形態において、第１振幅変調器４２は、図６に示すように、倍周波信号の周波数と、測定信号の周波数とを足し合わせた、周波数２ｆ１＋ｆｍを有する信号を抽出し、比較信号として出力する。
【0066】
一方、第２振幅変調器４４には、振動成分測定装置２が備える交流電源４８から出力された参照交流信号が入力される。交流電源４８は、周波数ｆｍを有する参照交流信号を出力する交流電源である。換言すれば、振動成分測定装置２は、参照交流信号を生成する参照交流生成器として、交流電源４８を備える。
【0067】
このため、第２振幅変調器４４は、倍周波信号の周波数と、参照交流信号の周波数とを足し合わせた、周波数２ｆ１＋ｆｍを有する第２交流信号を生成する。第２振幅変調器４４は、第２交流信号を、第１ロックインアンプ５０に、基準信号として入力する。
【0068】
換言すれば、振動成分測定装置２は、第２交流信号を生成する第２交流信号生成器として、第２振幅変調器４４を備える。これにより、ダブラ４６によって生成された倍周波信号と、交流電源４８からの参照交流信号とから、第２振幅変調器４４によって第２交流信号を生成することが可能となり、簡素な構成にて第２交流信号を生成できる。
【0069】
なお、振動成分測定装置２は、倍周波生成器として、ダブラ４６の代わりに、倍周波信号の周波数において発振する発振器、あるいは、ダブラ４６の代わりに、分周率を２とした分周器を備える位相同期ループ回路を備えていてもよい。上記発振器または位相同期ループ回路によっても、倍周波信号を生成することが可能である。
【0070】
＜変動成分の測定＞
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、上述した比較信号と基準信号との比較を行う、第１ロックインアンプ５０を備える。第１ロックインアンプ５０は、狭帯域ロックインアンプ２８または広帯域ロックインアンプ３８と、ローパスフィルタの帯域を除き、同一の構成を備えていてもよい。
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、上述した比較信号と基準信号との比較を行う、第１ロックインアンプ５０を備える。第１ロックインアンプ５０は、狭帯域ロックインアンプ２８または広帯域ロックインアンプ３８と、ローパスフィルタの帯域を除き、同一の構成を備えていてもよい。
【0071】
本実施形態において、第１ロックインアンプ５０には、第１振幅変調器４２からの比較信号と、第２振幅変調器４４からの基準信号とが入力される。本実施形態において、第１ロックインアンプ５０は、第１振幅変調器４２からの比較信号と、第２振幅変調器４４からの基準信号との比較により、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号を出力する。
【0072】
ここで、同期復調成分Ｒｃｏｓθにおける、Ｒの値は、比較信号の振幅に対応し、θの値は、基準信号に対する比較信号の位相差に対応する。したがって、第１ロックインアンプ５０が出力する信号の同期復調成分Ｒｃｏｓθは、サンプルＸと探針部８との表面電位差によって生じた、カンチレバー探針４の振動の変動成分に対応する。換言すれば、第１ロックインアンプ５０が出力する信号から、サンプルＸと探針部８との間の表面電位差を測定することが可能となる。
【0073】
なお、第１ロックインアンプ５０のローパスフィルタの帯域は、比較信号と基準信号との乗算によって生成された、周波数４ｆ１＋２ｆｍを有する高周波を除去できる程度に広くともよい。
【0074】
＜第２交流信号のフィードバック＞
本実施形態において、振動成分測定装置２は、さらに、直流信号生成器として、直流信号制御器５２と、直流電源５４とを備える。直流信号制御器５２には、第１ロックインアンプ５０が出力する、同期復調成分Ｒｃｏｓθを有する信号が入力される。直流電源５４は、電圧Ｖｄｃを有する直流信号を生成する。ここで、直流信号制御器５２は、第１ロックインアンプ５０からの信号に基づき、直流電源５４が生成する直流信号の電圧Ｖｄｃの大きさを制御する。
本実施形態において、振動成分測定装置２は、さらに、直流信号生成器として、直流信号制御器５２と、直流電源５４とを備える。直流信号制御器５２には、第１ロックインアンプ５０が出力する、同期復調成分Ｒｃｏｓθを有する信号が入力される。直流電源５４は、電圧Ｖｄｃを有する直流信号を生成する。ここで、直流信号制御器５２は、第１ロックインアンプ５０からの信号に基づき、直流電源５４が生成する直流信号の電圧Ｖｄｃの大きさを制御する。
【0075】
直流電源５４からの直流信号は、振動成分測定装置２が備える、加算器５６に入力される。また、加算器５６には、第２振幅変調器４４から出力された、周波数２ｆ１＋ｆｍを有する第２交流信号が入力される。加算器は、入力された直流信号と基準信号とを加算することにより、周波数２ｆ１＋ｆｍを有する交流信号である第２交流信号と直流信号とが重畳した信号を生成する。加算器５６は、生成した信号を、ステージ電極１４に印加する。このため、加算器５６がステージ電極１４に印加する信号には、少なくとも第２交流信号が含まれている。換言すれば、加算器５６およびステージ電極１４は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、少なくとも第２交流信号を印加する信号印加部として機能する。
【0076】
本実施形態において、直流信号制御器５２は、例えば、第１ロックインアンプから入力される信号が直流信号となるように、換言すれば、同期復調成分Ｒｃｏｓθが０となるように、直流電源５４にフィードバックをかける。同期復調成分Ｒｃｏｓθが０であることは、交流信号を印加しない場合における、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の表面電位が一致することを指す。
【0077】
サンプルＸとカンチレバー探針４とがそれぞれ接地されている場合、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の表面電位差は、接触電位差に相当し、換言すれば、それぞれの仕事関数の差に相当する。一方、サンプルＸ上に表面電荷が存在する場合、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の表面電位差は、当該表面電荷の大きさおよび極性に応じて変化する。
【0078】
このため、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の表面電位差を測定し、サンプルＸとカンチレバー探針４との仕事関数の差と比較することにより、サンプルＸ上の表面電荷の大きさおよび極性を測定することができる。したがって、同期復調成分Ｒｃｏｓθの値を０に保ちつつ、探針部８をサンプルＸ上において走査し、逐次電圧Ｖｄｃの大きさを記録することにより、振動成分測定装置２は、サンプルＸの表面電位の分布を測定することができる。
【0079】
なお、振動成分測定装置２は、サンプルＸに、直流信号を印加せず、第２交流信号のみを印加してもよい。この場合、直流信号制御器５２と、直流電源５４とは必ずしも必要ではない。例えば、サンプルＸが溶液である場合、サンプルＸの電気化学反応を防止するために、直流電圧をサンプルＸに印加しないことが好ましい場合がある。この場合、探針部８をサンプルＸ上において走査し、同期復調成分Ｒｃｏｓθの値を記録することにより、振動成分測定装置２は、サンプルＸの表面電位分布を測定することができる。
【0080】
また、一般に、振動数シフトΔｆを一定とするための、ステージ制御部２６によるフィードバックと、同期復調成分Ｒｃｏｓθを０とするための、直流信号制御器５２によるフィードバックとは、後者の方が、必要な時間が長い。このため、第２位相同期ループ回路２２が、第１位相同期ループ回路２０と比較して、帯域の広いロックインアンプを備えることが、電圧Ｖｄｃの大きさに対するフィードバックをより高速化し、振動成分測定装置２全体の動作を高速化する観点から好ましい。
【0081】
＜振動成分測定装置の奏する効果＞
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４を第１交流信号の周波数に基づき、カンチレバー探針４を振動させる。また、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、第２交流信号を印加する。上述した状態において、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の相互作用により変動する、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定する。
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４を第１交流信号の周波数に基づき、カンチレバー探針４を振動させる。また、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、第２交流信号を印加する。上述した状態において、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の相互作用により変動する、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定する。
【0082】
ここで、第２交流信号の周波数は、第１交流信号の周波数の２倍に、第１交流信号よりも低周波の参照交流信号の周波数を加えた周波数である。換言すれば、第２交流信号は、第１交流信号の周波数の、２倍より大きく３倍未満の周波数を有する。このため、振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４の振動の変動成分の測定に必要な、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯の強度を確保しつつ、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波を印加することができる。
【0083】
したがって、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、カンチレバー探針４の振動数と同程度のオーダーの周波数を有する高周波を印加しつつ、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定することができる。振動成分測定装置２は、例えば、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の相互作用の変動を測定でき、換言すれば、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動を測定できる。
【0084】
また、本実施形態に係る、カンチレバー探針４の振動成分の測定方法は、カンチレバー探針４を振動させるための第１交流信号を生成する第１交流信号生成工程を含む。さらに、当該測定方法は、第１交流信号よりも低周波の参照交流信号の周波数を、第１交流信号の周波数の２倍に加えた周波数を有する、第２交流信号を生成する第２交流信号生成工程を含む。加えて、当該測定方法は、第２交流信号を、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間に印加しつつ、カンチレバー探針４を振動させることにより、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定する測定工程を含む。
【0085】
上記測定方法により、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、カンチレバー探針４の振動数と同程度のオーダーの周波数を有する高周波を印加しつつ、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定することができる。当該測定方法は、例えば、本実施形態に係る振動成分測定装置２を、上述した手法により動作させることによって実現することが可能である。
【0086】
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定する測定部として、上述した測定信号生成器に加え、第１振幅変調器４２と、第２振幅変調器４４と、第１ロックインアンプ５０とを備える。これにより、振動成分測定装置２は、第２交流信号と同一の周波数を有する基準信号と、測定信号に基づいて生成された比較信号とを比較することにより、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定できる。
【0087】
第１ロックインアンプ５０における、基準信号と比較信号との比較に必要な時間は、第１ロックインアンプ５０に入力される基準信号の周期に依存する。このため、基準信号の周波数を高くすることにより、第１ロックインアンプ５０における、基準信号と比較信号との比較に必要な時間を短くすることができる。したがって、本実施形態に係る振動成分測定装置２は、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定するために必要な時間を短縮することができる。
【0088】
また、第１ロックインアンプ５０が備えるローパスフィルタの帯域は、基準信号と比較信号とから生成される高周波を除去できる範囲であればよい。このため、基準信号と比較信号とが高周波であるために、第１ロックインアンプ５０が備えるローパスフィルタの帯域をより広げることができる。したがって、第１ロックインアンプ５０における基準信号と比較信号との比較に必要な時間をさらに短くすることができ、第１ロックインアンプ５０が備えるローパスフィルタを安価に構成できる。
【0089】
＜補記＞
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、例えば、ケルビンプローブ力顕微鏡に含まれていてもよい。これにより、当該ケルビンプローブ力顕微鏡は、表面形状、および、表面電位分布を、より高速に測定することが可能である。他にも、振動成分測定装置２は、例えば、機能性材料におけるイオン電導の測定、物質中の電荷移動またはエネルギー散逸の測定、光励起現象の測定、あるいは、半導体におけるドーパント濃度の測定またはＭＯＳ界面の評価に利用できる。
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、例えば、ケルビンプローブ力顕微鏡に含まれていてもよい。これにより、当該ケルビンプローブ力顕微鏡は、表面形状、および、表面電位分布を、より高速に測定することが可能である。他にも、振動成分測定装置２は、例えば、機能性材料におけるイオン電導の測定、物質中の電荷移動またはエネルギー散逸の測定、光励起現象の測定、あるいは、半導体におけるドーパント濃度の測定またはＭＯＳ界面の評価に利用できる。
【0090】
なお、本実施形態に係る振動成分測定装置２が備える各回路は、アナログ回路であってもよく、デジタル回路であってもよい。また、振動成分測定装置２が備える、各回路の少なくとも一部の機能は、プログラムに沿って実行されるコンピュータの処理によって実現されてもよい。
【0091】
本実施形態においては、第２交流信号が、第１交流信号の周波数のｆ１の２倍に、参照交流信号の周波数ｆｍを加えた周波数を有する場合について説明を行った。しかし、本実施形態における、第２交流信号の周波数は、これに限られず、第１交流信号の周波数のｆ１の２倍に、参照交流信号の周波数ｆｍを差し引いた周波数を有していてもよい。換言すれば、第２交流信号は、第１交流信号の周波数の、１倍より大きく２倍未満の周波数を有していてもよい。
【0092】
この場合、第２振幅変調器４４は、ダブラ４６からの倍周波信号と、交流電源４８からの参照交流信号とを混合し、第２交流信号として、周波数２ｆ１－ｆｍを有する信号を出力する。このため、第１ロックインアンプ５０にも、周波数２ｆ１－ｆｍを有する信号が、基準信号として入力される。
【0093】
また、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加される第２交流信号が、周波数２ｆ１－ｆｍを有するために、光センサ１８から出力される信号には、周波数ｆ１－ｆｍの成分が含まれる。ここで、第１位相同期ループ回路２０および第２位相同期ループ回路２２のそれぞれのロックインアンプにおいては、光センサ１８からの信号と第１交流信号との比較が行われる。このため、第１位相同期ループ回路２０および第２位相同期ループ回路２２は、上記場合においても変わらず、周波数ｆｍを有する測定信号が出力される。
【0094】
さらに、第１振幅変調器４２は、ダブラ４６からの倍周波信号と、ハイパスフィルタ４０からの測定信号とを混合し、周波数２ｆ１－ｆｍを有する信号を出力する。このため、第１ロックインアンプ５０にも、周波数２ｆ１－ｆｍを有する信号が、比較信号として入力される。
【0095】
以上により、第１振幅変調器４２と第２振幅変調器４４とが、入力された一方の信号の周波数から、他方の信号の周波数を差し引いた周波数を有する信号を出力する場合においても、第１ロックインアンプ５０は、同期復調成分Ｒｃｏｓθを有する信号を出力する。これにより、上述した場合においても、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、カンチレバー探針４の振動数と同程度のオーダーの周波数を有する高周波を印加しつつ、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定することができる。
【0096】
また、上述した場合においても、第１ロックインアンプ５０に印加する比較信号および基準信号は、参照交流信号と比較すると十分に高い周波数を有している。このため、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動の測定が、より高速にて実施できる。
【0097】
なお、本実施形態に係る振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間への電圧印加を、カンチレバー探針４を接地し、サンプルＸが載置されるステージ電極１４に信号を印加することにより実現する。しかしながら、これに限られず、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間への電圧印加を、カンチレバー探針４への信号印加によって実現してもよい。カンチレバー探針４への信号印加は、加算器５６が出力する信号を、カンチレバー探針４に印加することにより実行してもよい。
【0098】
＜スイッチ＞
ここまで、図１に示す、第１スイッチＳ１を閉じ、第２スイッチＳ２を開放した場合における振動成分測定装置２の動作を説明した。ここで、第１スイッチＳ１を開放し、第２スイッチＳ２を閉じた場合、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加する電圧を変更することができる。
ここまで、図１に示す、第１スイッチＳ１を閉じ、第２スイッチＳ２を開放した場合における振動成分測定装置２の動作を説明した。ここで、第１スイッチＳ１を開放し、第２スイッチＳ２を閉じた場合、振動成分測定装置２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加する電圧を変更することができる。
【0099】
図７は、本実施形態に係る振動成分測定装置２の、第１スイッチＳ１を開放し、第２スイッチＳ２を閉じた場合における動作を説明するためのブロック図である。
【0100】
第１スイッチＳ１を開放した場合、図７に示すように、第１振幅変調器４２、および第２振幅変調器４４からは、信号が出力されない。加えて、第２スイッチＳ２を閉じた場合、図７に示すように、交流電源４８からの参照交流信号は、直接加算器５６に入力される。このため、ステージ電極１４には、参照交流信号と直流信号とが重畳した信号が印加される。したがって、第１スイッチＳ１を開放し、第２スイッチＳ２を閉じた場合、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加される信号は、周波数ｆｍを有する。
【0101】
換言すれば、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との切り替えにより、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加される信号の周波数を変更することができる。この場合、光センサ１８から出力される信号は、図８のグラフに示す通りとなる。
【0102】
カンチレバー探針４の振動数は、カンチレバー探針４の発振周波数に相当するため、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との切り替えの有無によらず、周波数ｆ１である。このため、光センサ１８が出力する信号のうち、主な成分は、カンチレバー探針４の振動数に相当する、周波数ｆ１を有する成分である。
【0103】
ここで、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間に、周波数ｆｍの参照交流信号を印加している。このため、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用は、この周波数に応じて変化し、光センサ１８が出力する信号は、図８に示すように、周波数ｆｍに成分を有する。
【0104】
また、カンチレバー探針４が振動数ｆ１において振動しているため、カンチレバー探針４の振動は、図８に示すように、振動数ｆ１＋ｆｍおよび振動数ｆ１－ｆｍに、変調成分の側波帯を有する。ここで、サンプルＸと探針部８との表面電位差により、カンチレバー探針４の振動数が、Δｆだけ変化したとする。この場合においても、光センサ１８が出力する信号における、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯が、カンチレバー探針４の振動の変動成分を含んでいる。
【0105】
光センサ１８が出力する信号は、第１位相同期ループ回路２０および第２位相同期ループ回路２２に入力される。これにより、上述した動作と同様の動作により、第１位相同期ループ回路２０は、自動利得制御回路２４に入力する第１交流信号と、ステージ制御部２６に入力する測定信号とを出力する。また、同様に、第２位相同期ループ回路２２は、ハイパスフィルタ４０に入力する測定信号を出力する。
【0106】
ここで、ハイパスフィルタ４０から出力される測定信号は、第１スイッチＳ１を開放し、第２スイッチＳ２を閉じているために、第１振幅変調器４２に入力されず、直接第１ロックインアンプ５０に入力される。換言すれば、第１ロックインアンプ５０に入力される比較信号は、周波数ｆｍを有する。
【0107】
このため、第１ロックインアンプ５０を使用して、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号を生成するためには、第１ロックインアンプ５０に入力する基準信号として、周波数ｆｍの信号を入力する必要がある。したがって、第１スイッチＳ１を開放し、第２スイッチＳ２を閉じることにより、交流電源４８からの参照交流信号を、基準信号として、第１ロックインアンプ５０に入力する。これにより、第１ロックインアンプ５０を使用して、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号を生成することができる。
【0108】
第１ロックインアンプ５０から出力される、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号は、直流信号制御器５２に入力される。このため、上述した動作と同様の動作により、直流信号制御器５２は直流電源５４を制御し、直流電源５４から直流信号が出力される。これにより、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加する信号の直流成分を制御することができる。
【0109】
本実施形態に係る振動成分測定装置２は、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との切り替えにより、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加される信号を、高周波の第２交流信号と、低周波の参照交流信号との間において切り替えることができる。このため、振動成分測定装置２は、サンプルＸに印加する信号の周波数を変更しつつ、カンチレバー探針４の振動の変動成分を測定できる。
【0110】
なお、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に低周波の参照交流信号を印加する場合、第１ロックインアンプ５０に代えて、第１ロックインアンプ５０のローパスフィルタよりも帯域の狭いローパスフィルタを備えたロックインアンプを使用することが好ましい。しかしながら、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波の参照交流信号を印加する場合、ローパスフィルタの帯域の広い第１ロックインアンプ５０を使用することにより、カンチレバー探針４の振動の変動成分の測定に必要な時間を短縮できる。
【0111】
〔実施形態２〕
＜振幅変調＞
図９は、本実施形態に係る振動成分測定装置５８の構成と、当該振動成分測定装置５８の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態においても、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置５８の動作を例に挙げて説明する。
＜振幅変調＞
図９は、本実施形態に係る振動成分測定装置５８の構成と、当該振動成分測定装置５８の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態においても、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置５８の動作を例に挙げて説明する。
【0112】
振動成分測定装置５８は、振動成分測定装置２と比較して、第２位相同期ループ回路２２に代えて、第２ロックインアンプ６０を備えている点においてのみ、構成が相違する。第２ロックインアンプ６０は、備えているローパスフィルタの帯域を除き、第１ロックインアンプ５０と同一の構成を備えていてもよい。
【0113】
このため、本実施形態において、第２ロックインアンプ６０には、光センサ１８から出力された信号入力され、基準信号として、第１位相同期ループ回路２０から出力された第１交流信号が入力される。ここで、第２ロックインアンプ６０は、光センサ１８からの信号と、第１交流信号との比較により、当該２つの信号の振幅差を電圧に置き換えた信号を出力する。
【0114】
本実施形態において、前実施形態と同様に、第１振幅変調器４２は、倍周波信号の周波数と、測定信号の周波数とを足し合わせた比較信号を出力する。また、第２振幅変調器４４は、倍周波信号の周波数と、参照交流信号の周波数とを足し合わせた第２交流信号を出力する。
【0115】
ここで、第１振幅変調器４２と第２振幅変調器４４とが出力する信号は、入力された２つの信号のそれぞれの振幅を足し合わせた振幅を有する。このため、本実施形態において、第１振幅変調器４２が出力する比較信号の振幅は、カンチレバー探針４の振動の変動成分によって変動する。
【0116】
したがって、第１ロックインアンプ５０には、カンチレバー探針４の振動の変調成分の側波帯における、振幅シフトＲおよび位相シフトθと同じだけ、振幅および位相がシフトした比較信号と、基準信号である第２交流信号が入力される。
【0117】
以上より、第１ロックインアンプ５０は、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号を出力する。同期復調成分Ｒｃｏｓθは、サンプルＸと探針部８との表面電位差によって生じた、カンチレバー探針４の振動の変動成分である。直流信号制御器５２は、同期復調成分Ｒｃｏｓθが０となるように、直流電源５４が出力する信号の電圧Ｖｄｃの電圧を制御してもよい。
【0118】
本実施形態においても、第１位相同期ループ回路２０のＰＩＤ制御器３０からは、直流成分を有する信号も出力される。ただし、本実施形態において、当該直流成分を有する信号の強度は、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用による、カンチレバー探針４の振動の振幅シフトΔＡの大きさに対応する。
【0119】
本実施形態においても同様に、第１位相同期ループ回路２０から出力された測定信号のうち、直流成分を有する信号は、ステージ制御部２６に入力される。ステージ制御部２６は、測定信号の周波数のうち、カンチレバー探針４の振幅シフトに相当する、振幅シフトΔＡの値が一定となるようにフィードバックをかけることができる。サンプルＸと、カンチレバー探針４が振動していない状態における探針部８との距離が一定である場合、振幅シフトΔＡの値は一定となる。したがって、振幅シフトΔＡの値を一定に保ちつつ、探針部８をサンプルＸ上において走査し、逐次ステージ１２の位置を記録することにより、振動成分測定装置２は、サンプルＸの表面形状を測定することができる。
【0120】
本実施形態に係る振動成分測定装置５８は、カンチレバー探針４の振動の変動成分を、カンチレバー探針４の振動の振幅シフトとして測定できる。本実施形態においても、振動成分測定装置５８は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波の信号を印加した場合におけるカンチレバー探針４の振動の振幅シフトをより高速にて測定することができる。
【0121】
なお、本実施形態において、振動成分測定装置５８は、第１位相同期ループ回路２０に代えて、第２ロックインアンプ６０よりも帯域の狭いフィルタを備えたロックインアンプによって、ステージ制御部２６に入力される信号を出力してもよい。さらに、ステージ制御部２６に含まれるフィルタの帯域が狭い場合には、振動成分測定装置５８は、単一のロックインアンプのみによって、ステージ制御部２６に入力される信号と、第１振幅変調器４２に入力される測定信号とを生成してもよい。これらの場合、振動成分測定装置５８は、第１交流信号を生成するための交流電源を備えていてもよく、当該交流電源から出力された第１交流信号は、探針制御部１０と各ロックインアンプとに入力されてもよい。
【0122】
〔実施形態３〕
＜比較信号生成の他の例＞
図１０は、本実施形態に係る振動成分測定装置６２の構成と、当該振動成分測定装置６２の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態においても、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置６２の動作を例に挙げて説明する。
＜比較信号生成の他の例＞
図１０は、本実施形態に係る振動成分測定装置６２の構成と、当該振動成分測定装置６２の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態においても、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置６２の動作を例に挙げて説明する。
【0123】
振動成分測定装置２と比較すると、本実施形態に係る振動成分測定装置６２においては、第１スイッチＳ１が閉じられている場合、光センサ１８から出力された信号は、直接第１振幅変調器４２に入力される。さらに、第１振幅変調器４２には、第１位相同期ループ回路２０から出力された第１交流信号が、ダブラ４６を介さずに入力される。上記点を除き、本実施形態に係る振動成分測定装置６２は、振動成分測定装置２と同一の構成を備え、かつ、同一の動作を行う。
【0124】
光センサ１８から出力される信号には、周波数ｆ１＋ｆｍの成分が含まれる。このため、本実施形態においても、第１振幅変調器４２から第１ロックインアンプ５０に入力される比較信号には、周波数２ｆ１＋ｆｍの成分が含まれる。また、第１ロックインアンプ５０に入力される基準信号は、上述した各実施形態と同様に、第２振幅変調器４４からの、周波数２ｆ１＋ｆｍを有する第２交流信号である。したがって、第１ロックインアンプ５０を使用して、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号を生成することができる。
【0125】
なお、光センサ１８からの信号には、周波数ｆ１＋ｆｍ以外の周波数の成分が含まれているため、第１振幅変調器４２から第１ロックインアンプ５０に入力される比較信号には、周波数２ｆ１＋ｆｍ以外の周波数の成分が含まれる。しかしながら、第１ロックインアンプ５０のローパスフィルタによって、第１ロックインアンプ５０から出力される信号からは、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号の周波数を除く周波数の成分が除去される。
【0126】
なお、第１スイッチＳ１が開放され、第２スイッチＳ２が閉じた状態においては、光センサ１８から出力された信号は、第２位相同期ループ回路２２に入力される。また、上記状態においては、第２位相同期ループ回路２２から出力された測定信号は、ハイパスフィルタ４０を介して第１ロックインアンプ５０に入力される。換言すれば、第１スイッチＳ１が開放され、第２スイッチＳ２が閉じた状態において、本実施形態に係る振動成分測定装置６２は、振動成分測定装置２と同一の動作を実行する。
【0127】
本実施形態においても、振動成分測定装置６２は、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の相互作用の変動を測定でき、換言すれば、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動を測定できる。
【0128】
また、サンプルＸに高周波を印加する場合、本実施形態においては、光センサ１８から出力された信号が、第２位相同期ループ回路２２を介さず第１振幅変調器４２に入力される。このため、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動の測定が、より高速にて実施できる。
【0129】
さらに、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波の参照交流信号のみを印加する場合には、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２に加えて、第２位相同期ループ回路２２およびハイパスフィルタ４０は、必ずしも必要ではない。これにより、振動成分測定装置６２をより簡素に構成することができる。
【0130】
〔実施形態４〕
＜比較信号および基準信号生成の他の例＞
図１１は、本実施形態に係る振動成分測定装置６４の構成と、当該振動成分測定装置６４の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態においても、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置６４の動作を例に挙げて説明する。
＜比較信号および基準信号生成の他の例＞
図１１は、本実施形態に係る振動成分測定装置６４の構成と、当該振動成分測定装置６４の動作とを説明するためのブロック図である。なお、本実施形態においても、第１スイッチＳ１が閉じられ、第２スイッチＳ２が開放された状態における、振動成分測定装置６４の動作を例に挙げて説明する。
【0131】
振動成分測定装置６２と比較すると、本実施形態に係る振動成分測定装置６４においては、第１スイッチＳ１が閉じられている場合、光センサ１８から出力された測定信号は、直接第１ロックインアンプ５０に、比較信号として入力される。このため、第１ロックインアンプ５０に入力される信号は、周波数ｆ１＋ｆｍの成分を有する。
【0132】
さらに、第１振幅変調器４２には、第１位相同期ループ回路２０から出力された第１交流信号と、交流電源４８からの参照交流信号とが入力される。このため、第１振幅変調器４２から出力される信号は、周波数ｆ１＋ｆｍの成分を有する。加えて、第１振幅変調器４２から出力された信号は、第１ロックインアンプ５０に、基準信号として入力される。
【0133】
上記点を除き、本実施形態に係る振動成分測定装置６４は、振動成分測定装置６２と同一の構成を備え、かつ、同一の動作を行う。
【0134】
本実施形態において、第１ロックインアンプ５０は、周波数ｆ１＋ｆｍの成分を有する比較信号と、周波数ｆ１＋ｆｍの成分を有する基準信号とを比較する。したがって、第１ロックインアンプ５０を使用して、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号を生成することができる。
【0135】
なお、光センサ１８からの信号には、周波数ｆ１＋ｆｍ以外の周波数の成分が含まれているため、第１振幅変調器４２から第１ロックインアンプ５０に入力される比較信号には、周波数ｆ１＋ｆｍ以外の周波数の成分が含まれる。しかしながら、第１ロックインアンプ５０のローパスフィルタによって、第１ロックインアンプ５０から出力される信号からは、同期復調成分Ｒｃｏｓθを含む信号の周波数を除く周波数の成分が除去される。
【0136】
なお、第１スイッチＳ１が開放され、第２スイッチＳ２が閉じた状態においては、光センサ１８から出力された信号は、第２位相同期ループ回路２２に入力される。また、上記状態においては、第２位相同期ループ回路２２から出力された測定信号は、ハイパスフィルタ４０を介して第１ロックインアンプ５０に入力される。また、第１ロックインアンプ５０には、基準信号として、交流電源４８からの参照交流信号が直接入力される。換言すれば、第１スイッチＳ１が開放され、第２スイッチＳ２が閉じた状態において、本実施形態に係る振動成分測定装置６４は、振動成分測定装置６２と同一の動作を実行する。
【0137】
本実施形態においても、振動成分測定装置６４は、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸとカンチレバー探針４との間の相互作用の変動を測定でき、換言すれば、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動を測定できる。また、第１ロックインアンプ５０に印加する比較信号および基準信号についても、参照交流信号と比較すると十分に高い周波数を有している。このため、本実施形態においても、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動の測定が、より高速にて実施できる。
【0138】
また、サンプルＸに高周波を印加する場合、本実施形態においては、光センサ１８から出力された信号が、第２位相同期ループ回路２２および第１振幅変調器４２を介さず、第１ロックインアンプ５０に入力される。このため、サンプルＸに高周波を印加した場合における、サンプルＸの挙動の測定が、より高速にて実施できる。
【0139】
〔実施形態５〕
＜振幅変調の他の例＞
図１２は、本実施形態に係る振動成分測定装置６６の構成と、当該振動成分測定装置６６の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置６６は、振動成分測定装置５８と比較して、自動利得制御回路２４に代えて、追加交流電源６８を備えている点において、構成が相違する。追加交流電源６８は、周波数ｆ１を有する第１交流信号を生成する。探針制御部１０には、追加交流電源６８が生成した第１交流信号が印加される。
＜振幅変調の他の例＞
図１２は、本実施形態に係る振動成分測定装置６６の構成と、当該振動成分測定装置６６の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置６６は、振動成分測定装置５８と比較して、自動利得制御回路２４に代えて、追加交流電源６８を備えている点において、構成が相違する。追加交流電源６８は、周波数ｆ１を有する第１交流信号を生成する。探針制御部１０には、追加交流電源６８が生成した第１交流信号が印加される。
【0140】
また、振動成分測定装置６６は、振動成分測定装置５８と比較して、第１位相同期ループ回路２０に代えて、第３ロックインアンプ７０を備えている点において、構成が相違する。第３ロックインアンプ７０は、備えているローパスフィルタの帯域を除き、第１ロックインアンプ５０、または第２ロックインアンプ６０と同一の構成を備える。例えば、第３ロックインアンプ７０は、狭帯域ロックインアンプ２８のローパスフィルタと同帯域のローパスフィルタを備える。
【0141】
第３ロックインアンプ７０には、光センサ１８からの信号と、追加交流電源６８が生成した第１交流信号とを比較する。これにより、第３ロックインアンプ７０は、入力された信号の振幅差を電圧に置き換えた信号を出力する。当該信号の強度は、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の静電気的相互作用による、カンチレバー探針４の振動の振幅シフトΔＡの大きさに対応する。このため、第３ロックインアンプ７０から出力された信号を、ステージ制御部２６に入力することにより、振幅シフトΔＡの値が一定となるようにフィードバックをかけることができる。
【0142】
さらに、振動成分測定装置６６は、振動成分測定装置５８と比較して、第１振幅変調器４２、第１スイッチＳ１、および第２スイッチＳ２を備えていない。これに伴い、第１ロックインアンプ５０には、比較信号として、ハイパスフィルタ４０を介して第２ロックインアンプ６０から出力された、周波数ｆｍの成分を有する信号と、基準信号としての、交流電源４８からの交流信号とが入力される。また、第２振幅変調器４４が出力する信号は、スイッチを介さず、直接加算器５６に印加される。したがって、振動成分測定装置６６は、第１ロックインアンプ５０において、周波数ｆｍの成分を有する２つの信号の比較を行い、ステージ電極１４に、周波数２ｆ１＋ｆｍの成分を有する信号を印加する。
【0143】
以上を除き、本実施形態に係る振動成分測定装置６６は、振動成分測定装置５８と、同一の構成を備え、同一の動作を行う。このため、本実施形態においても、振動成分測定装置６６は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波の信号を印加した場合におけるカンチレバー探針４の振動の振幅シフトをより高速にて測定することができる。
【0144】
〔実施形態６〕
＜表面電荷の測定装置＞
図１３は、本実施形態に係る振動成分測定装置７２の構成と、当該振動成分測定装置７２の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置７２は、振動成分測定装置６６と比較して、さらに第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４とを備える点において、構成が相違する。
＜表面電荷の測定装置＞
図１３は、本実施形態に係る振動成分測定装置７２の構成と、当該振動成分測定装置７２の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置７２は、振動成分測定装置６６と比較して、さらに第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４とを備える点において、構成が相違する。
【0145】
本実施形態において、第３スイッチＳ３が閉じられ、第４スイッチＳ４が開放されている場合、図１３に示すように、第２振幅変調器４４が出力する信号は加算器５６に入力され、交流電源４８からの信号は第１ロックインアンプ５０のみに入力される。また、本実施形態において、第３スイッチＳ３が開放され、第４スイッチＳ４が閉じられる場合、加算器５６には、第２振幅変調器４４からの信号に変えて、交流電源４８からの信号が入力される。
【0146】
このため、第３スイッチＳ３が閉じられ、第４スイッチＳ４が開放されている場合、振動成分測定装置７２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、周波数２ｆ１＋ｆｍの成分を有する比較的高周波の信号を印加する。一方、第３スイッチＳ３が開放され、第４スイッチＳ４が閉じられる場合、振動成分測定装置７２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に、周波数ｆｍの成分を有する比較的低周波の信号を印加する。したがって、振動成分測定装置７２は、第３スイッチＳ３および第４スイッチＳ４の切り替えにより、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に印加する信号の周波数を、高周波と低周波との間において、切り替えることができる。
【0147】
以上を除き、本実施形態に係る振動成分測定装置７２は、振動成分測定装置６６と、同一の構成を備え、同一の動作を行う。このため、本実施形態においても、振動成分測定装置７２は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波の信号を印加した場合におけるカンチレバー探針４の振動の振幅シフトをより高速にて測定することができる。
【0148】
＜バンド湾曲＞
本実施形態に係る振動成分測定装置７２は、サンプルＸの表面近傍における、価電子帯および伝導帯の挙動を測定できる。このため、振動成分測定装置７２は、サンプルＸの表面における電子欠陥あるいは局所電荷を含む、サンプルＸの表面における局所電荷を測定することができる。振動成分測定装置７２によるサンプルＸの表面における局所電荷の測定方法を説明するために、サンプルＸの表面電荷による、当該サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯の湾曲について説明する。
本実施形態に係る振動成分測定装置７２は、サンプルＸの表面近傍における、価電子帯および伝導帯の挙動を測定できる。このため、振動成分測定装置７２は、サンプルＸの表面における電子欠陥あるいは局所電荷を含む、サンプルＸの表面における局所電荷を測定することができる。振動成分測定装置７２によるサンプルＸの表面における局所電荷の測定方法を説明するために、サンプルＸの表面電荷による、当該サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯の湾曲について説明する。
【0149】
図１４は、サンプルＸの表面電荷により、当該サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯が湾曲する様子を説明するためのバンド図を示す。図１４に示す各バンド図は、ｎ型半導体のサンプルＸのバルク７４における状態と、当該バルク７４の表面７６における状態とを示す。バンド図Ｂ１とバンド図Ｂ２とは、サンプルＸの表面７６に電子欠陥が生じた場合における、各状態の挙動の例を示す。バンド図Ｂ３とバンド図Ｂ４とは、サンプルＸの表面７６に局所電荷が生じた場合における、各状態の挙動の例を示す。
【0150】
サンプルＸの表面７６に電子欠陥が生じた場合、バンド図Ｂ１に示すように、表面７６には、バルク７４のフェルミ準位ＥＦＢよりも準位の低い、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳが生じる。当該状態においては、バルク７４のフェルミ準位ＥＦＢと表面７６のフェルミ準位ＥＦＳ
とを揃えるように、バルク７４から表面７６の電子欠陥への電子の移動が発生する。これにより、バンド図Ｂ２に示すように、バルク７４のフェルミ準位ＥＦＢと表面７６のフェルミ準位ＥＦＳとの準位差は小さくなり、電子欠陥近傍のバルク７４は局所的に正に帯電し、電子欠陥近傍の表面７６は局所的に負に帯電する。
【0151】
このため、電子欠陥近傍のバルク７４と表面７６との間には、局所電荷により電界が生じる。ここで、バルク７４が正、表面７６が負に帯電していることから、バンド図Ｂ２に示すように、表面７６近傍のバルク７４においては、価電子帯準位ＥＶと伝導帯準位ＥＣとが、何れもバンド図の上方に湾曲する。
【0152】
対して、サンプルＸの表面７６に局所電子が存在する場合、バンド図Ｂ３に示すように、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳは、バルク７４のフェルミ準位ＥＦＢよりも高くなる。当該状態においては、バルク７４のフェルミ準位ＥＦＢと表面７６のフェルミ準位ＥＦＳ
とを揃えるように、表面７６の局所電子の一部がバルク７４へ移動する。これにより、バンド図Ｂ４に示すように、バルク７４のフェルミ準位ＥＦＢと表面７６のフェルミ準位ＥＦＳとの準位差は小さくなり、電子の移動が生じた位置に近傍において、バルク７４は局所的に負に帯電し、表面７６は局所的に正に帯電する。
【0153】
このため、上記位置の近傍において、バルク７４と表面７６との間には、局所電荷により電界が生じる。ここで、バルク７４が負、表面７６が正に帯電していることから、バンド図Ｂ４に示すように、表面７６近傍のバルク７４においては、価電子帯準位ＥＶと伝導帯準位ＥＣとが、何れもバンド図の下方に湾曲する。
【0154】
＜外部電界が与えられた状態におけるバンド湾曲の挙動＞
次いで、サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯が湾曲した状態において、当該表面近傍に外部電界が生じた場合における、サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯の挙動について説明する。図１５に示す各バンド図は、当該ｎ型半導体のサンプルＸのバルク７４における状態と、当該バルク７４の表面７６における状態とに加えて、表面７６に近接させた外部電極７８の状態をさらに示す。なお、図１５に示す各バンド図は、バルク７４と表面７６の電子欠陥との間の電子の移動が十分に生じた平衡状態を示している。
次いで、サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯が湾曲した状態において、当該表面近傍に外部電界が生じた場合における、サンプルＸの表面近傍の価電子帯および伝導帯の挙動について説明する。図１５に示す各バンド図は、当該ｎ型半導体のサンプルＸのバルク７４における状態と、当該バルク７４の表面７６における状態とに加えて、表面７６に近接させた外部電極７８の状態をさらに示す。なお、図１５に示す各バンド図は、バルク７４と表面７６の電子欠陥との間の電子の移動が十分に生じた平衡状態を示している。
【0155】
外部電極７８の電位が負の場合、外部電極７８のフェルミ準位ＥＥＦは、図１５のバンド図Ｂ５に示すように、外部電極７８の電位が０の場合と比較して、バンド図の上方にシフトする。これにより、外部電極７８とサンプルＸの表面７６との間に外部電界が生じ、定常状態における表面７６のフェルミ準位ＥＦＳがさらにバンド図の下方にシフトする。この場合、バルク７４から表面７６の電子欠陥への電子の移動がさらに進行するため、バンド図Ｂ５に示すように、バルク７４の価電子帯準位ＥＶと伝導帯準位ＥＣとは、さらにバンド図の上方に湾曲する。
【0156】
一方、外部電極７８の電位が正の場合、外部電極７８のフェルミ準位ＥＥＦは、図１５のバンド図Ｂ６に示すように、外部電極７８の電位が０の場合と比較して、バンド図の下方にシフトする。これにより、外部電極７８とサンプルＸの表面７６との間に外部電界が生じ、定常状態における表面７６のフェルミ準位ＥＦＳがさらにバンド図の上方にシフトする。この場合、バルク７４から表面７６の電子欠陥への電子の移動は低減し、バルク７４の価電子帯準位ＥＶと伝導帯準位ＥＣとの湾曲は小さくなる。
【0157】
さらに、外部電極７８の電位を高くすることにより、定常状態における表面７６のフェルミ準位ＥＦＳがバルク７４のフェルミ準位ＥＦを上回り、バンド図Ｂ６に示すように、表面７６の電子欠陥からバルク７４への電子の移動が生じる場合がある。この場合、バンド図Ｂ６に示すように、バルク７４の価電子帯準位ＥＶと伝導帯準位ＥＣとは、バンド図の下方に湾曲する。
【0158】
このように、サンプルＸのバルク７４において、バンドの湾曲が生じている場合、表面７６の近傍に生じた外部電界を変動させることにより、バルク７４のバンドの湾曲の大きさ、または湾曲の方向が変動する。
【0159】
ここで、外部電極７８を、本実施形態に係るカンチレバー探針４に置き換えた場合、外部電極７８に電位を与えることは、本実施形態に係るステージ電極１４に電位を与えることに相当する。バルク７４の表面７６の近傍において、バンドの湾曲が生じている場合、カンチレバー探針４の振動成分に変動が生じる。
【0160】
＜電荷移動の反応速度＞
次に、バルク７４と表面７６との間における、電荷移動の反応速度に関して考察を行う。表面７６の表面準位における、バルク７４からの電子捕獲の反応速度は、下記式（１）にて表され、表面７６の表面準位における、バルク７４への電子放出の反応速度は、下記式（２）にて表される。
次に、バルク７４と表面７６との間における、電荷移動の反応速度に関して考察を行う。表面７６の表面準位における、バルク７４からの電子捕獲の反応速度は、下記式（１）にて表され、表面７６の表面準位における、バルク７４への電子放出の反応速度は、下記式（２）にて表される。
【数1】
【0161】
【数2】
上記式（１）および式（２）において、ｎｓは表面準位の電子占有率を示す。式（１）において、Ｃｎは電子捕獲係数であり、式（２）において、ｅｎは電子放出係数である。ここで、表面７６からバルク７４への電子放出に着目すると、表面７６からバルク７４へ電子が移動する時間に対応する時定数τが、下記式（３）によって定義される。
【0162】
【数3】
式（３）において、τ０は定常状態における寿命時間であり、ｋＢはボルツマン定数であり、ＴはサンプルＸの温度である。式（３）におけるηは補正項であり、通常１から２の値を取る。式（３）におけるΔＥは、表面７６からバルク７４への電子放出が生じる前における、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳとバルク７４のフェルミ準位ＥＦとの差である。上記式（３）により、上記式（２）は下記式（４）に変形できる。
【0163】
【数4】
式（４）から、表面７６からバルク７４への電子放出に必要な時間は、時定数τに比例し、時定数τが大きくなると、表面７６からバルク７４への電子放出に必要な時間は長くなる。換言すれば、時定数τが大きいほど、表面７６からバルク７４への電子放出により、バルク７４のバンドの湾曲が生じるまでに必要な時間は長くなる。したがって、表面７６の近傍に生じた外部電界が変動し、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳが変動する場合、当該変動がある速度よりも速く生じた場合、バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従しなくなる場合がある。
【0164】
＜遮断周波数＞
ここで、例えば、外部電極７８に交流信号を印加し、外部電極７８と表面７６との間に生じる外部電界を周期的に変動させたとする。この場合、当該交流信号の周波数が低いうちは、バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従するが、交流信号の周波数がある一定値より高くなると、バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従しなくなる。バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従しなくなる周波数を遮断周波数ｆｃとすると、当該遮断周波数ｆｃは下記式（５）にて表される。
ここで、例えば、外部電極７８に交流信号を印加し、外部電極７８と表面７６との間に生じる外部電界を周期的に変動させたとする。この場合、当該交流信号の周波数が低いうちは、バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従するが、交流信号の周波数がある一定値より高くなると、バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従しなくなる。バルク７４のバンドの湾曲が、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳの変動に追従しなくなる周波数を遮断周波数ｆｃとすると、当該遮断周波数ｆｃは下記式（５）にて表される。
【0165】
【数5】
式（３）と式（５）とにより、表面７６のフェルミ準位ＥＦＳとバルク７４のフェルミ準位ＥＦとの差ΔＥが大きくなるほど、遮断周波数ｆｃは低くなり、サンプルＸの温度が高いほど、遮断周波数ｆｃは低くなる。
【0166】
遮断周波数ｆｃとΔＥとの関係について、図１６のグラフを参照し、より詳細に説明する。図１６に示すグラフは、縦軸に遮断周波数ｆｃ［Ｈｚ］、横軸にΔＥ［ｅＶ］を取る。図１６に示すグラフには、サンプルＸの温度が３００Ｋの場合を実線にて、８０Ｋの場合を点線にて示す。
【0167】
例えば、サンプルＸの温度が８０Ｋ、ΔＥが０．１ｅＶである場合、遮断周波数ｆｃは１６６ｋＨｚとなる。このため、上記場合に、１６６ｋＨｚ以上の周波数を有する信号を外部電極７８に印加し、外部電界を変動させた場合には、サンプルＸのバルク７４に生じたバンドの湾曲は、当該外部電界の変動に追従せず、大きく変動しない。
【0168】
＜バンド湾曲の測定および画像化＞
本実施形態に係る振動成分測定装置７２において、ステージ電極１４に交流信号を印加することにより、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の電位差が周期的に変動する。このため、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数が遮断周波数ｆｃ未満の場合、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の電位差の変動に伴い、バルク７４のバンドの湾曲も併せて変動する。このため、振動成分測定装置７２は、バルク７４のバンドの湾曲を、カンチレバー探針４の振動成分の変動として測定できる。一方、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数が遮断周波数ｆｃ以上の場合、バルク７４のバンドの湾曲が、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の電位差の変動に追従しなくなり、カンチレバー探針４の振動成分の変動が見られなくなる。
本実施形態に係る振動成分測定装置７２において、ステージ電極１４に交流信号を印加することにより、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の電位差が周期的に変動する。このため、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数が遮断周波数ｆｃ未満の場合、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の電位差の変動に伴い、バルク７４のバンドの湾曲も併せて変動する。このため、振動成分測定装置７２は、バルク７４のバンドの湾曲を、カンチレバー探針４の振動成分の変動として測定できる。一方、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数が遮断周波数ｆｃ以上の場合、バルク７４のバンドの湾曲が、カンチレバー探針４とサンプルＸとの間の電位差の変動に追従しなくなり、カンチレバー探針４の振動成分の変動が見られなくなる。
【0169】
したがって、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数を切り替えながら測定を行うことにより、バルク７４のバンドの湾曲の変動の有無を切り替えながら、カンチレバー探針４の振動成分が測定できる。ゆえに、バルク７４のバンドの湾曲の変動が、有る場合と無い場合とにおける、カンチレバー探針４の振動成分の測定結果の差を求めることにより、サンプルＸの表面における、電子欠陥または局所電子等の表面状態の測定が可能となる。
【0170】
本実施形態に係る振動成分測定装置７２は、第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４との切り替えに伴い、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数を、周波数ｆｍと周波数２ｆ１＋ｆｍとの間において切り替えることができる。したがって、周波数ｆｍを遮断周波数ｆｃ未満、周波数２ｆ１＋ｆｍを遮断周波数ｆｃ以上とすることにより、振動成分測定装置７２は、サンプルＸの表面における表面状態の測定をより容易に実行できる。
【0171】
上述したサンプルＸの表面における表面状態の測定結果を、図１７を参照して説明する。図１７に示す測定画像Ｍ１、およびＭ２は、それぞれ、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数を、サンプルＸの遮断周波数ｆｃ未満である１７０Ｈｚ、および遮断周波数ｆｃ以上である２．３ＭＨｚとして測定した、サンプルＸの表面の電位像である。図１７に示す測定画像Ｍ３は、測定画像Ｍ１の電位像と測定画像Ｍ２の電位像との、各位置における電位差を算出した画像である。
【0172】
測定画像Ｍ３により、測定画像Ｍ１の電位像と測定画像Ｍ２の電位像との間には、サンプルＸの各位置において電位差があることが分かる。これは、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数により、サンプルＸの各位置におけるバンド湾曲の変動の有無が変わることによる。このように、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数を、遮断周波数ｆｃ未満と遮断周波数ｆｃ以上との間において切り替えつつ、サンプルＸの表面電位像を測定することにより、サンプルＸの表面における局所電荷の状態を測定できる。
【0173】
なお、上述した振動成分測定装置２、５８、６２、および６４においても、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との切り替えにより、ステージ電極１４に印加する交流信号の周波数を切り替えることができる。したがって、振動成分測定装置２、５８、６２、および６４についても、振動成分測定装置７２を利用した測定方法と同一の方法により、サンプルＸの表面における局所電荷の状態を測定できる。
【0174】
〔実施形態７〕
＜表面電荷の測定装置の他の例＞
図１８は、本実施形態に係る振動成分測定装置８０の構成と、当該振動成分測定装置８０の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置８０は、振動成分測定装置７２と比較して、第３ロックインアンプ７０に代えて、第３位相同期ループ回路８２を備える点において、構成が相違する。
＜表面電荷の測定装置の他の例＞
図１８は、本実施形態に係る振動成分測定装置８０の構成と、当該振動成分測定装置８０の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置８０は、振動成分測定装置７２と比較して、第３ロックインアンプ７０に代えて、第３位相同期ループ回路８２を備える点において、構成が相違する。
【0175】
第３位相同期ループ回路８２は、分周率が２の分周器をさらに備えている点を除き、上述した第１位相同期ループ回路２０と同一の構成を備えている。このため、第３位相同期ループ回路８２は、第１位相同期ループ回路２０と比較して、Δｆの成分を有する信号に加えて、周波数２ｆ１を有する信号を出力する。本実施形態において、第３位相同期ループ回路８２が出力する周波数２ｆ１の信号は、第２振幅変調器４４に入力される。
【0176】
したがって、本実施形態において、第３位相同期ループ回路８２は、倍周波生成器としても機能する。このため、本実施形態に係る振動成分測定装置８０は、ダブラ４６を備えていなくともよい。また、探針制御部１０を動作せるための信号を生成するために、自動利得制御回路２４には、第２位相同期ループ回路２２を含む、第３位相同期ループ回路８２とは異なる位相同期ループ回路にて生成された、周波数ｆ１を有する信号が入力されてもよい。あるいは、自動利得制御回路２４には、上述した追加交流電源６８等の交流電源が生成する信号が入力されてもよい。
【0177】
以上を除き、本実施形態に係る振動成分測定装置８０は、振動成分測定装置７２と、同一の構成を備え、同一の動作を行う。このため、本実施形態においても、振動成分測定装置８０は、サンプルＸとカンチレバー探針４との間に高周波の信号を印加した場合におけるカンチレバー探針４の振動の周波数シフトをより高速にて測定することができる。
【0178】
〔実施形態８〕
＜微細振動機構を備えた振動成分測定装置＞
図１９は、本実施形態に係る振動成分測定装置８４の構成と、当該振動成分測定装置８４の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置８４は、振動成分測定装置２と比較して、カンチレバー探針４、探針制御部１０、光源１６、および光センサ１８に代えて、微細振動検知機構８６を備えている点において、構成が相違する。微細振動検知機構８６は、板バネ８８、板バネ制御部９０、板バネ保持部９２、固定電極９４、および容量センサ９６を備える。
＜微細振動機構を備えた振動成分測定装置＞
図１９は、本実施形態に係る振動成分測定装置８４の構成と、当該振動成分測定装置８４の動作とを説明するためのブロック図である。本実施形態に係る振動成分測定装置８４は、振動成分測定装置２と比較して、カンチレバー探針４、探針制御部１０、光源１６、および光センサ１８に代えて、微細振動検知機構８６を備えている点において、構成が相違する。微細振動検知機構８６は、板バネ８８、板バネ制御部９０、板バネ保持部９２、固定電極９４、および容量センサ９６を備える。
【0179】
微細振動検知機構８６は、振動部として、板バネ８８を備える。板バネ８８は、例えば、シリコンまたはシリコン酸化膜等を含む薄板状の部材である。板バネ８８がシリコンまたはシリコン酸化膜からなることにより、板バネ８８の製造の際、板バネ８８の微細加工が容易となる。板バネ８８は、金属被膜を有していてもよい。
【0180】
板バネ８８は、振動制御部として機能する板バネ制御部９０の制御により振動する。例えば、板バネ制御部９０は、印加された電圧の周波数に対応する振動数において、板バネ８８を振動させる。具体的には、板バネ８８の共振周波数が周波数ｆ１である場合、板バネ制御部９０には、周波数ｆ１を有する第１交流信号が入力される。
【0181】
板バネ保持部９２は、例えば、板バネ８８の端部において、板バネ制御部９０と共に、板バネ８８を保持する。固定電極９４は、板バネ８８と間隔をおいて配置され、板バネ８８との間に静電容量を形成する。固定電極９４は、板バネ８８の振動によらず、位置が固定されている。容量センサ９６は、例えば、固定電極９４に蓄積された電荷量を計測することにより、板バネ８８と固定電極９４との間の静電容量を計測する。
【0182】
ここで、板バネ８８は、板バネ制御部９０と板バネ保持部９２とにより、端部を保持されつつ、板バネ制御部９０により振動する。このため、板バネ８８の振動に伴い、板バネ制御部９０と板バネ保持部９２とにより直接保持されていない、板バネ８８の中央近傍の位置が周期的に変化する。したがって、板バネ８８の振動に伴い、板バネ８８と、当該板バネ８８に対向する位置に間隔を置いて配置された固定電極９４との距離が周期的に変化する。
【0183】
以上より、板バネ８８の振動に伴い、板バネ８８と固定電極９４とにより形成された静電容量の大きさについても周期的に変化する。このため、板バネ８８と固定電極９４とにより形成された静電容量の大きさを、容量センサ９６によって計測することにより、板バネ８８の振動成分を測定することができる。
【0184】
容量センサ９６は、上記静電容量の変動に基づいて、板バネ８８の振動強度を、板バネ８８の振動数ごとに算出する。また、容量センサ９６は、検出結果に応じて、信号を出力する。本実施形態において、容量センサ９６が出力する信号は、容量センサ９６が算出した、板バネ８８の振動数ごとの、板バネ８８の振動強度を、周波数ごとの信号強度に置き換えた信号である。
【0185】
以上を除き、本実施形態に係る振動成分測定装置８４は、振動成分測定装置２と、同一の構成を備え、同一の動作を行う。このため、板バネ８８は振動数ｆ１において振動し、板バネ８８とサンプルＸとの間には、周波数２ｆ１＋ｆｍの第２交流信号を印加される。したがって、容量センサ９６が出力する信号は、図２に示す信号と同じく、周波数ｆ１、ｆ１＋ｆｍ、２ｆ１＋ｆｍ、および３ｆ１＋ｆｍに成分を有する。
【0186】
したがって、本実施形態においても、板バネ８８の振動の変調成分の側波帯における、振幅Ｒと位相θとの変化を観測することにより、板バネ８８の振動成分の変動を測定することが可能である。当該測定は、上述した、振動成分測定装置２による測定と同一の方法によって実施することができる。
【0187】
本実施形態においても、振動成分測定装置８４は、サンプルＸと板バネ８８との間に高周波の信号を印加した場合における板バネ８８の振動の周波数シフトをより高速にて測定することができる。これにより、振動成分測定装置８４は、振動成分測定装置２を利用した測定方法と同一の方法により、サンプルＸと板バネ８８との間に交流信号を印加した場合における、サンプルＸの挙動等を測定することができる。
【0188】
本実施形態に係る振動成分測定装置８４は、微細振動検知機構８６を微細センサとして備えた、ＭＥＭＳセンサとして利用することができる。本実施形態に係る振動成分測定装置８４は、例えば、サンプルＸの振動を検出する振動センサ、サンプルＸの動きを検出する加速度センサ、あるいは、サンプルＸからの音波を検出する音波センサ等に応用できる。振動成分測定装置８４を音波センサとして利用する場合、サンプルＸに音波を発し、サンプルＸにて反射した音波を微細振動検知機構８６によって検知することにより、距離センサ等として利用することもできる。
【0189】
本実施形態において、板バネ８８の振動成分の測定は、固定電極９４と容量センサ９６とを用いて、板バネ８８と固定電極９４との間の静電容量を測定することにより実行する。しかしながら、板バネ８８の振動成分の測定は、これに限られず、光ファイバセンサを利用して実行してもよい。
【0190】
また、板バネ８８は、ピエゾ抵抗効果を有するシリコン、または、クオーツを含むピエゾ圧電効果を有する水晶等を含んでいてもよい。この場合、板バネ８８の振動成分の測定は、ピエゾ抵抗効果を有するシリコンの抵抗値、または、ピエゾ圧電効果を有する水晶に生じた起電力を測定することにより実行してもよい。
【0191】
上述した板バネ８８の振動成分の測定方法は、光源１６、および光センサ１８等を用いた光てこ方式とは異なる。このため、光源１６から光センサ１８への光路の確保等が必要でないため、上述した板バネ８８の振動成分の測定方法により、振動成分測定装置８４をより小型化することが可能となる。
【0192】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0193】
２、５８、６２、６４、６６、７２、８０、８４ 振動成分測定装置、４ カンチレバー探針（振動部）、１０ 探針制御部（振動制御部）、１２ ステージ、１４ ステージ電極、１６ 光源、１８ 光センサ、２０ 第１位相同期ループ回路、２２ 第２位相同期ループ回路、２４ 自動利得制御回路、２６ ステージ制御部、４２ 第１振幅変調器、４４ 第２振幅変調器、４６ ダブラ、４８ 交流電源、５０ 第１ロックインアンプ、５２ 直流信号制御器、５４ 直流電源、５６ 加算器、６０ 第２ロックインアンプ、６８ 追加交流電源、７０ 第３ロックインアンプ、８２ 第３位相同期ループ回路、８６ 微細振動検知機構、８８ 板バネ（振動部）、９０ 板バネ制御部（振動制御部）、９２ 板バネ保持部、９４ 固定電極、９６ 容量センサ、Ｓ１ 第１スイッチ、Ｓ２ 第２スイッチ、Ｓ３ 第３スイッチ、Ｓ４ 第４スイッチ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】