JP7444017B2

JP7444017B2 - 走査型プローブ顕微鏡

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Publication number: JP7444017B2
Application number: JP2020171569A
Authority: JP
Inventors: 浩新井; 亮雅小暮; 賢治山崎; 岳直藤井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2024-03-06
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: CN114324981B; JP2022063163A; CN114324981A

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡（SPM: Scanning Probe Microscope）では、カンチレバーの先端に設けられた探針（プローブ）を試料表面に近づけて該探針と試料の間の力学的な相互作用や電磁気的な相互作用等に関するデータを取得する。これを、試料表面に2次元的に設定した複数の測定点のそれぞれにおいて行うことで、試料表面の形状や電位の分布などの情報を得る。

走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーの先端の背面側（探針が設けられている側と反対側）に反射面を設けておき、該反射面にレーザ光を照射し、その反射光を検出器で検出する。検出器には、例えば光入射面が格子状に4つの領域に分割されたものが用いられる。測定開始時には、カンチレバーの反射面からの光が光入射面の中央に入射するように光入射面の位置を調整しておく。測定中にカンチレバーが撓んだり振動したりすると該カンチレバーの反射面からの光が光入射面に入射する位置が変化し、4つの領域の入射光量に変化が生ずる。この4領域の入射光量の変化から、カンチレバーの撓み量や振動の大きさを算出する。また、その時間変化からカンチレバーの振動の周期（周波数）を算出する。

走査型プローブ顕微鏡を用いて試料表面の形状を測定する動作モードの代表的なものにコンタクトモードとダイナミックモードがある。コンタクトモードでは、試料ステージ上に載置した試料をカンチレバー先端の探針に接近させていく。探針が試料表面の所定距離内に入り、例えば両者の間にファンデルワールス力が働くと、探針が試料表面に引き寄せられ、カンチレバーの先端が試料表面に向かって撓む。コンタクトモードでは、この撓み量を一定に保つように探針と試料の間の距離を調整しつつ試料をそれに垂直な面内で移動させることにより表面を走査して該表面の形状の2次元情報を得る。

ダイナミックモードでは、カンチレバーをその共振周波数で振動させた状態で、試料ステージ上に載置した試料をカンチレバー先端の探針に接近させていく。ダイナミックモードでは、カンチレバーの振動の大きさを一定に保つように探針と試料の間の距離を調整しつつ試料をそれに垂直な面内で移動させることにより表面を走査して該表面の形状の2次元情報を得る。

試料表面の形状と同時に試料表面の電位の分布の情報を取得する方法として、ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM: Kelvin Probe Force Microscope）法が知られている（例えば特許文献１）。KPFM法では、ダイナミックモードと同様にカンチレバーを共振周波数で振動させ、さらに、その振動に、共振周波数とは異なる変調周波数を重畳し、カンチレバーを振動させる。探針と試料表面の間に電位差がない場合には、カンチレバーの振動周波数は変化しない。一方、探針と試料表面の間に電位差があると、カンチレバーの振動周波数が変化する。探針と試料表面の間の電位差が大きいほどの振動周波数が大きく変化する。KPFM法では、試料表面との間に存在する電位差を相殺するような直流電圧を探針に印加してカンチレバーの振動周波数を一定に保ちつつ試料表面を走査する。そして、試料表面の各測定点で印加した直流電圧の大きさから試料表面の電位分布の情報を取得する。

秋永広幸著「走査型プローブ顕微鏡入門」オーム社, 2013年8月, ISBN 978-4-274-21413-4

走査型プローブ顕微鏡を用いた研究開発の対象の1つに電極材料がある。電極材料の開発では、電極表面の電位分布だけでなく、その電位分布が該表面から遠ざかるにつれてどのように変化するかについての情報、つまり電極表面の電位分布の3次元情報も有用である。しかし、KPFM法は、カンチレバーの振動周波数を一定に保つように探針と試料の間の距離を調整しつつ試料表面を走査するダイナミックモードで試料表面の形状の2次元情報を取得しながら電位を測定するものであるため、電位分布の3次元情報を得ることができない、という問題があった。

また、電極材料の開発では、電解液中に電極を配置して電極の動作環境を再現した状態で、試料表面の形状及び表面電位の分布の情報を得ることも重要である。しかし、電解液等の極性溶媒中でKPFM法を実行すると、探針に印加した直流電圧によって電気化学反応が起こり、試料表面の形状及び試料表面の電位を正しく測定することができないという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、極性溶媒中で試料表面の形状及び電位分布の3次元情報を取得することができる技術を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、
試料が載置される試料ステージと、
基端が固定され先端に探針が設けられたカンチレバーと、
前記試料ステージと前記基端の間の距離を変化させる移動機構と、
前記カンチレバーを予め決められた周波数及び振幅で振動させる励振部と、
前記基端に対する前記探針の変位を検出する変位検出器と、
前記励振部により前記カンチレバーを励振させた状態で所定時間、前記探針の変位を検出する処理を、前記試料ステージと前記基端の間の距離が異なる複数の位置で実行するという測定動作を、前記試料に予め設定された複数の測定点のそれぞれにおいて実行する測定制御部と、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記所定時間内での前記探針の変位に基づいて前記カンチレバーの撓み量を求めることにより前記試料の表面形状の情報を取得する表面形状情報取得部と、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記所定時間内での前記探針の変位に基づいて、該変位の振幅の大きさ又は位相の変化量を求めることにより前記試料の表面に垂直な方向の電位の分布の情報を取得する電位情報取得部と
を備える。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、予め決められた周波数及び振幅でカンチレバーを励振させる。そして、カンチレバーを励振させた状態で所定時間、探針の変位を検出する処理を、試料ステージとカンチレバーの基端の間の距離が異なる複数の位置で実行する。この所定時間は、カンチレバーの振動の周期よりも十分に長い時間であり、その時間内で、カンチレバーの振動を反映して時間的に変化する探針の変位を検出する。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーを振動させて振幅が一定になるように試料表面を走査するダイナミックモードで試料表面の情報を取得するKPFM法と異なり、探針の変位（カンチレバーの撓み量）に基づいて試料表面の形状の情報を得るコンタクトモードをベースとする手法で試料表面の情報を取得する。具体的には、各測定点の各位置で検出された探針の変位の検出信号から振動成分を除去することにより（例えば探針の変位の平均値（ＲＭＳ）を求めることにより）カンチレバーの撓み量を算出する。そして、カンチレバーの撓み量と、移動機構によるカンチレバー又は試料ステージの移動量（例えば移動機構のＺ位置）から試料の表面形状の情報を取得する。探針が試料表面に接触した後に移動機構をさらに動作させ続けると、探針が試料表面に押し付けられてカンチレバーの撓み量が大きくなっていく。この撓み量が予め決められた値に達した時点で移動機構の動作を停止する。

試料表面と探針の間の電位差が大きいほどカンチレバーの振動の振幅の大きさや位相の変化が大きくなることは従来知られている。つまり、探針の変位の振幅の大きさ又は位相の変化量に基づいて測定点毎に試料表面に垂直な方向の電位の分布の情報が得られる。これを利用して、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、複数の測定点のそれぞれにおいて試料表面に垂直な方向の電位の分布の情報を得る。具体的には、試料ステージとカンチレバーの基端の間の距離が異なる複数の位置のそれぞれにおいて、時間的に変化する探針の変位の検出信号に含まれる振動成分の、励振部から探針に付与した振動成分に対する位相の遅れを求めることにより、各測定点における試料表面に垂直な方向の電位分布を得る。複数の測定点のそれぞれにおいてこの電位分布を取得することにより、試料表面の電位分布の3次元情報を取得する。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では探針に直流電圧を印加する必要がないため、極性溶媒中でも試料表面の形状及び電位の分布の3次元情報を取得することができる。さらに、KPFM法では2つの周波数でカンチレバーを振動させるため、これらの周波数の干渉が生じて正確な測定結果が得られない場合があるが、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では1つの周波数のみでカンチレバーを振動させるため、干渉が生じる心配もない。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施例の要部構成図。本実施例において測定点毎に得られるフォースカーブの例。本実施例において測定点毎に得られる、試料表面に平行な方向の電位分布の例。本実施例において複数の測定点を順に測定する様子を説明する模式図。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第１の測定例で得られた試料表面の形状の画像。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第１の測定例で得られた試料表面に平行な面内の電位分布のマッピング画像。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第１の測定例で得られた試料表面に垂直な面内の電位分布のマッピング画像。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第２の測定例で得られた試料表面の画像。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第２の測定例で得られた試料表面に垂直な面内の電位分布のマッピング画像。図９のマッピング画像の一部を拡大した図。図９のマッピング画像の別の一部を拡大した図。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第３の測定例で得られた試料表面に垂直な面内の電位分布のマッピング画像。本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた第３の測定例で得られた試料表面に垂直な面内の電位分布の別のマッピング画像。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施例について、以下、図面を参照して説明する。

図１は本実施例の走査型プローブ顕微鏡の要部構成図である。この走査型プローブ顕微鏡は、測定部１と制御・処理部２を備えている。

測定部１では、測定対象の試料１０を配置した試料ステージ１１がステージ移動機構１２によって移動される。ステージ移動機構１２は、試料ステージ１１を水平面内で互いに直交するＸ、Ｙの２軸方向に移動させるＸＹステージ移動機構１２１と、試料ステージ１１をＸ軸及びＹ軸に対し直交するＺ軸方向（鉛直方向）に微動させるＺステージ移動機構１２２とを含む。ＸＹステージ移動機構１２１及びＺステージ移動機構１２２はそれぞれ、後述する測定制御部３２からの制御信号に基づき動作する、圧電素子を有するＸＹ方向駆動部１３及びＺ方向駆動部１４により駆動される。

試料１０の上方（ここではＺ軸方向に離れた位置）には、可撓性及び導電性を有するカンチレバー１５が配置されている。カンチレバー１５の先端には探針１６が設けられており、探針１６と反対側には反射面１５１が設けられている。カンチレバー１５と探針１６には、例えばシリコン製のものが用いられる。

カンチレバー１５には交流電源１９が接続されている。交流電源１９は、試料１０とカンチレバー１５に対して該カンチレバー１５の共振周波数及び予め決められた大きさの振幅を有する交流電圧を印加し、該カンチレバー１５を共振させる。この共振周波数は、例えば1～2000kHzの範囲内である。カンチレバー１５を交流電圧の印加によって電気的に励振することは必須の要件ではない。例えば、カンチレバー１５にピエゾ素子を取り付けてそのピエゾ素子を振動させることによりカンチレバー１５を励振したり、磁性コーティングしたカンチレバー１５を交流磁場で励振したりすることもできる。ただし、本実施例のようにカンチレバー１５を電気的に励振することにより、振動の変調成分の測定精度を高めることができる。

カンチレバー１５の変位を検出するために、該カンチレバー１５の上方には、レーザ光源１７１、ミラー１７２、及び光検出器１７３を含む変位検出部１７が設けられている。変位検出部１７では、レーザ光源１７１から出射したレーザ光をカンチレバー１５の先端背面に設けられた反射面１５１に照射する。反射面１５１で反射された光はミラー１７２を経て光検出器１７３に入射する。光検出器１７３は、例えば、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に４分割された受光面を有する４分割光検出器である。カンチレバー１５がＺ軸方向に変位すると各受光面に入射する光量の割合が変化する。光検出器１７３は、各受光面への入射光量に応じた検出信号を演算処理することで、カンチレバー１５の先端部の変位量の変化を示す信号を出力する。

光検出器１７３からの出力信号は増幅器１８１で増幅された後、ロックイン検出器１８２に入力される。ロックイン検出器１８２には、交流電源１９からの参照信号も入力されている。カンチレバー１５の変位を示す出力信号をロックイン検出器１８２で処理することにより、カンチレバー１５の振動の変調成分（交流電源１９から印加した交流電圧からの位相の遅れ及び／又は振幅の増減）を検出することができる。

制御・処理部２は、記憶部２１の他に、機能ブロックとして、測定点設定部３１、測定制御部３２、フォースカーブ作成部３３、表面形状情報取得部３４、電位情報取得部３５、ボリュームデータ作成部３６、表示条件入力受付部３７、画像生成部３８、及び表示処理部３９を備えている。制御・処理部２の実体は一般的なコンピュータであり、予めインストールされた制御・処理プログラム３をプロセッサで実行することにより、上記の各機能ブロックが具現化される。また、制御・処理部２には入力部４１と表示部４２が接続されている。

次に、本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の測定及び解析の流れを説明する。

使用者が試料１０を試料ステージ１１上に載置して解析開始を指示すると、測定点設定部３１は、試料１０の表面に、予め決められた間隔で2次元的に配列した複数の測定点を表示部４２に表示する。使用者は表示された測定点を確認し、必要に応じて測定点の間隔を変更する等の入力操作を行い、試料１０の表面に複数の測定点を設定する。

測定点の設定を完了すると、測定制御部３２は、交流電源１９を動作させてカンチレバー１５を共振させる。続いて、ＸＹ方向駆動部１３を動作させ、試料１０の表面に設定した複数の測定点のうちの最初の測定点を探針１６の直下に位置させる。そして、Ｚ方向駆動部１４により試料ステージ１１を探針１６に近接させていく。

試料ステージ１１と探針１６が所定の距離に近接する（最初の測定位置に達する）と、Ｚ方向駆動部１４による試料ステージ１１の移動を停止し、所定時間、カンチレバー１５を予め決められた周波数及び振幅で振動させつつ探針１６の変位を検出する。この所定時間は、カンチレバー１５の振動周期よりも十分に長い時間である。この例では試料ステージ１１の移動を停止して探針１６の変位を検出するが、試料ステージ１１の移動速度に対して探針１６の変位を検出する時間間隔を十分に短くすることにより、試料ステージ１１を連続的に移動させつつ（試料ステージ１１を都度停止させることなく）探針１６の変位を検出してもよい。これにより、試料ステージ１１の移動と停止を繰り返す場合に比べて測定に要する時間を短縮することができる。

所定時間が経過すると、フォースカーブ作成部３３は、その間の探針１６の変位の検出信号の平均値（ＲＭＳ）を求める。これによりカンチレバー１５の振動成分を除去してカンチレバー１５の撓み量を算出する。この撓み量は、当該位置におけるＺ方向駆動部１４のＺ位置（試料ステージ１１の移動距離に応じた値）とともに記憶部２１に保存される。そして、表面形状情報取得部３４が、カンチレバー１５の、試料１０と反対側への撓み量（正方向への撓み量）が予め決められた値に達しているかを判定する。

また、電位情報取得部３５は、上記所定時間における探針１６の変位の検出信号に含まれる、上記共振周波数の成分の、参照信号からの位相の遅れを算出する。本実施例では、位相の遅れの大きさに基づいて当該位置における電位を評価し、Ｚ方向駆動部１４のＺ位置とともに記憶部２１に保存する。電位の評価は、探針の変位の振幅の変化量に基づいて行ってもよい。なお、本実施例における電位の評価に用いる手法は電気力顕微鏡（EFM: Electric Force Microscope）法に基づく。EFM法における電位の評価は、複数の測定位置における電位の大小の相対的な評価であり、KFPM法のように電位の値そのものを求めるものとは異なる。

フォースカーブ作成部３３により算出されたカンチレバー１５の撓み量が、上記予め決められた正方向の撓み量に達していない場合には、再びＺ方向駆動部１４により試料ステージ１１を予め決められた距離だけ探針１６に接近させる。そして、上記同様に、フォースカーブ作成部３３によりカンチレバー１５の撓み量を算出し、表面形状情報取得部３４により該撓み量を判定し、電位情報取得部３５により当該位置の電位を評価する。

上記の動作を繰り返し、試料１０表面が探針１６に近づくと、試料１０と探針１６の間にファンデルワールス力が働き、探針１６が試料１０表面に引き寄せられてカンチレバー１５の先端が試料１０表面に向かって撓む（負方向に撓む）。そして、さらに試料１０を探針１６に接近させていくと、試料１０表面に探針１６が接触する。この状態から更に試料１０を探針１６に接近させていくと、試料１０表面に探針１６が押し当てられた状態で探針１６が押し上げられカンチレバー１５が逆方向（正方向）に撓み始める。この撓み量が予め決められた値に達すると、試料ステージ１１の上昇を停止する。この間に得られるカンチレバー１５の撓み量の変化を表すグラフはアプローチラインと呼ばれる。アプローチラインの一例を図２に実線で示す。なお、図２中の矢印はカンチレバー１５の撓み量の測定方向を示す。また、この例は、探針１６が試料１０の表面に近接したときに探針１６に対して引力が働く場合のものであり、試料１０の種類によって斥力が働く場合や、引力と斥力のいずれも働かない場合もある。

カンチレバー１５の正方向の撓み量が予め決められた値に達した後は、試料ステージ１１を所定の距離ずつ下降させて、各位置でフォースカーブ作成部３３によりカンチレバーの撓み量を算出し、電位情報取得部３５により当該位置の電位を評価する。試料ステージ１１を下降させていくと、カンチレバー１５の正の撓み量が徐々に小さくなる。カンチレバー１５の撓み量が0になった後も、試料１０表面の吸着力により、しばらくの間は探針１６の先端が試料１０表面に付着した状態が維持される。そのため、今度はカンチレバーの先端側が下がるように（負方向に）撓み始める。そのまま試料ステージ１１を下降させカンチレバー１５の基部を試料１０表面から遠ざけていくと、カンチレバー１５の弾性復元力が試料１０表面の吸着力を上回り、探針１６の先端が試料１０表面から離脱して変位量が0に戻る。この間に得られるカンチレバー１５の撓み量の変化を表すグラフはリリースラインと呼ばれる。リリースラインの一例を図２に一点鎖線で示す。

上記のように、試料１０表面とカンチレバー１５の基端の距離が異なる複数の位置でそれぞれカンチレバー１５の撓み量を測定し、フォースカーブが作成されると、表面形状情報取得部３４は、アプローチラインにおいて、カンチレバー１５の撓み量の変化が正方向に変わったあと、撓み量が0になる測定位置Pよりも試料１０表面から遠い、任意の測定位置での試料ステージ１１とカンチレバー１５の基端の距離から、当該測定点における試料１０の表面の高さを算出する。本実施例では、試料ステージ１１をカンチレバー１５の基端に接近させながらアプローチラインを取得し、離間させながらリリースラインを取得する。しかし、アプローチラインのみを取得すれば試料１０の表面の形状の情報を取得することが可能である。従って、アプローチラインのみを取得するように構成してもよい。

また、電位情報取得部３５は、試料ステージ１１とカンチレバー１５の基端の距離が異なる各測定位置で電位を評価し、当該測定点における、試料１０表面に垂直な方向の電位の分布を求める。電位情報取得部３５により取得される電位分布の一例を図３に示す。本実施例では、カンチレバー１５の振動の変調（位相の遅れ）に基づいて電位を評価するものであり、カンチレバー１５が試料１０表面に接触した状態では正しい評価を行うことはできない。そのため、電位情報取得部３５は、アプローチラインの取得と並行して各測定位置で当該位置の電位を評価し、カンチレバー１５の撓み量の変化が正方向に転じる位置に達した時点（図２における位置Ｑ）で電位の評価を終了する。

最初の測定点において上記一連の測定を完了すると、隣接する２番目の測定点に移動し、上記同様に一連の測定を行う（図４）。一方向に隣接する全ての測定点における測定を完了すると、該一方向に隣接する複数の測定点についても同様の測定を繰り返す。これを、試料１０表面に2次元方向に設定された複数の測定点の全てにおいて実行する。

全ての測定点における上記一連の測定が完了すると、ボリュームデータ作成部３６は、各測定点のフォースカーブから第１ボリュームデータを作成し、各測定点の電位分布から第２ボリュームデータをそれぞれ作成して記憶部２１に保存する。これらのボリュームデータはいずれも試料表面を底面とし、該底面に垂直な方向の力や電位の変化を表した3次元データである。

第１ボリュームデータ及び第２ボリュームデータの作成後、使用者が解析画像の表示を指示すると、表示条件入力受付部３７は、表示する解析画像の種類を選択する入力を受け付ける画面を表示部４２に表示する。使用者により解析画像の種類が入力されると、画像生成部３８はその種類に応じた方向から第１ボリュームデータ又は第２ボリュームデータを切り出した画像を作成し、表示処理部３９がその画像を表示部４２に表示する。

表示可能な解析画像の種類としては、例えば、試料１０の表面形状を表す画像、試料１０の表面から一定の距離にある位置の電位の分布を表す画像（電気力像。試料表面からの距離を指定する入力に応じて、複数の測定点における当該距離の電位を読み出し、各測定点を1画素単位として異なる電位を識別可能に表示したマッピング画像）、試料ステージ１１の表面から一定の距離にある位置の電位の分布を表す画像（電気力像。電位の大きさを指定する入力に応じて、複数の測定点における当該電位を有する高さを読み出し、各測定点を1画素単位として異なる高さを識別可能に表示したマッピング画像）が挙げられる。これらはいずれも、第１ボリュームデータ又は第２ボリュームデータを略水平に切り取った画像である。一方、第１ボリュームデータ又は第２ボリュームデータを略鉛直に切り取った面の電位分布を表す画像（電気力像）を表示させることもできる。これは、例えば使用者により指定された２つの測定点を結ぶ直線を含む鉛直面の画像とすることができる。

以下、本実施例の走査型プローブ顕微鏡を用いた測定データから作成した具体的な画像の例を説明する。

第１の例は、50mmon/LのNaCl溶液中に配置した銅板を測定して得た画像である。図５は、銅板の表面の形状を表す画像（形状像）、図６は銅板の表面から25nm離れた位置の電位分布をマッピングした画像（電気力像）である。さらに、図７は、図６に破線で示した方向に沿う鉛直面の電位分布をマッピングした画像（電気力像）である。図５～図７に示す画像において、使用者が着目する画像上の1点をマウス操作等によって選択すると、その点に対応する測定点におけるフォースカーブ（図２相当）及び試料１０表面に垂直な方向の電位分布（図３相当）を表示させることもできる。

このように、本実施例の走査型プローブ顕微鏡では、電位分布のボリュームデータ（3次元情報）を得ることができるため、使用者の解析目的に応じて図５～図７に示すような様々なマッピング画像を作成及び表示することができる。

第２の例は、平板状のガラスの一部に金の蒸着膜を形成した試料を測定して得た画像である。図８は試料の表面の形状（蒸着膜の位置）を表す画像（形状像）、図９は、図８に破線で示した方向に沿う鉛直面の電位分布をマッピングした画像（電気力像）である。図１０は、図９の一部（蒸着膜のないガラスの表面近傍）の拡大像、図１１は、図９の別の一部（金の蒸着膜近傍）の拡大画像である。

第３の例は、マイカ基板を超純水と1mol/L NaCl溶液中に配置した場合の電位分布をそれぞれ測定して得た画像（電気力像）である。図１２は超純水中にマイカ基板を配置したときの電位分布、図１３はNaCl溶液中に配置したときの電位分布を表す画像である。

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。上記実施例では、試料ステージ１１を移動させて複数の測定点間を移動する構成としたが、カンチレバー１５及び変位検出部１７を一体的に移動させるような構成を採ることもできる。また、上記実施例ではロックイン検出器１８２によりカンチレバー１５の振動の変調成分を検出する構成としたが、変位検出部１７からの出力信号を周波数解析する等の構成を採ることによりＦＭモード（周波数変調モード）での解析を行うこともできる。

［態様］
上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）
一態様に係る走査型プローブ顕微鏡は、
試料が載置される試料ステージと、
基端が固定され先端に探針が設けられたカンチレバーと、
前記試料ステージと前記基端の間の距離を変化させる移動機構と、
前記カンチレバーを予め決められた周波数及び振幅で振動させる励振部と、
前記基端に対する前記探針の変位を検出する変位検出器と、
前記励振部により前記カンチレバーを励振させた状態で所定時間、前記探針の変位を検出する処理を、前記試料ステージと前記基端の間の距離が異なる複数の位置で実行するという測定動作を、前記試料に予め設定された複数の測定点のそれぞれにおいて実行する測定制御部と、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記所定時間内での前記探針の変位に基づいて前記カンチレバーの撓み量を求めることにより前記試料の表面形状の情報を取得する表面形状情報取得部と、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記所定時間内での前記探針の変位に基づいて、該変位の振幅の大きさ又は位相の変化量を求めることにより前記試料の表面に垂直な方向の電位の分布の情報を取得する電位情報取得部と
を備える。

第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーを振動させて振幅が一定になるように試料表面を走査するダイナミックモードで試料表面の情報を取得するKPFM法と異なり、探針の変位（カンチレバーの撓み量）に基づいて試料表面の形状の情報を得るコンタクトモードをベースとする手法で試料表面の情報を取得する。具体的には、各測定点の各位置で検出された探針の変位の検出信号から振動成分を除去することにより（例えば探針の変位の平均値（ＲＭＳ）を求めることにより）カンチレバーの撓み量を算出する。そして、カンチレバーの撓み量と、移動機構によるカンチレバー又は試料ステージの移動量（例えば移動機構のＺ位置）から試料の表面形状の情報を取得する。探針が試料表面に接触した後に移動機構をさらに動作させ続けると、探針が試料表面に押し付けられてカンチレバーの撓み量が大きくなっていく。この撓み量が予め決められた値に達した時点で移動機構の動作を停止する。

試料表面と探針の間の電位差が大きいほどカンチレバーの振動の振幅の大きさや位相の変化が大きくなることは従来知られている。つまり、探針の変位の振幅の大きさ又は位相の変化量に基づいて測定点毎に試料表面に垂直な方向の電位の分布の情報が得られる。これを利用して、第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、複数の測定点のそれぞれにおいて試料表面に垂直な方向の電位の分布の情報を得る。具体的には、試料ステージとカンチレバーの基端の間の距離が異なる複数の位置のそれぞれにおいて、時間的に変化する探針の変位の検出信号に含まれる振動成分の、励振部から探針に付与した振動成分に対する位相の遅れを求めることにより、各測定点における試料表面に垂直な方向の電位分布を得る。複数の測定点のそれぞれにおいてこの電位分布を取得することにより、試料表面の電位分布の3次元情報を取得する。

（第２項）
第１項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記予め決められた周波数が前記カンチレバーの共振周波数である。

第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、共振周波数でカンチレバーを大きく振動させるため、液体試料中、特に粘性が大きい液体試料中でも振動成分の変調を検出することができる。

（第３項）
第１項又は第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、さらに、
前記試料の表面からの距離を指定する入力に応じて、前記複数の測定点における当該距離の電位を読み出し、各測定点を1画素単位として異なる電位を識別可能なマッピング画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された画像を表示する表示処理部と
を備える。

第３項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面から等距離にある面内の電位分布を解析することができる。

（第４項）
第１項から第３項のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、さらに、
前記試料ステージからの距離を指定する入力に応じて、前記複数の測定点における当該距離の電位を読み出し、各測定点を1画素単位として異なる電位を識別可能なマッピング画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された画像を表示する表示処理部と
を備える。

第４項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面の形状を問わず、試料ステージに平行な面内の電位分布を解析することができる。

（第５項）
第１項から第４項のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、さらに、
電位の大きさを指定する入力に応じて、前記複数の測定点における当該電位を有する高さを読み出し、各測定点を1画素単位として異なる高さを識別可能なマッピング画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された画像を表示する表示処理部と
を備える。

第５項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、等電位面の解析を行うことができる。

（第６項）
第１項から第５項のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、さらに、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記カンチレバーの撓み量に基づいてフォースカーブを作成するフォースカーブ作成部
を備える。

第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、電位分布だけでなく、試料表面の近傍で働くファンデルワールス力等の力学的作用の3次元情報であるボリュームデータを得ることができる。

（第７項）
第６項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、さらに、
前記複数の測定点のいずれかを指定する入力に応じて、該指定された測定点における前記試料の表面に垂直な方向の電位の分布とフォースカーブの両方を表示する表示処理部
を備える。

第７項に記載の走査型プローブ顕微鏡では、マッピング画像等において使用者が着目した測定点におけるフォースカーブや電位分布を簡単に確認することができる。

１…測定部
１０…試料
１１…試料ステージ
１２…ステージ移動機構
１３…ＸＹ方向駆動部
１４…Ｚ方向駆動部
１５…カンチレバー
１５１…反射面
１６…探針
１７…変位検出部
１７１…レーザ光源
１７２…ミラー
１７３…光検出器
１８１…増幅器
１８２…ロックイン検出器
１９…交流電源
２…制御・処理部
２１…記憶部
３…制御・処理プログラム
３１…測定点設定部
３２…測定制御部
３３…フォースカーブ作成部
３４…表面形状情報取得部
３５…電位情報取得部
３６…ボリュームデータ作成部
３７…表示条件入力受付部
３８…画像生成部
３９…表示処理部
４１…入力部
４２…表示部

Claims

試料が載置される試料ステージと、
基端が固定され先端に探針が設けられたカンチレバーと、
前記試料ステージと前記基端の間の距離を変化させる移動機構と、
前記カンチレバーを予め決められた周波数及び振幅で振動させる励振部と、
前記基端に対する前記探針の変位を検出する変位検出器と、
前記励振部により前記カンチレバーを励振させた状態で所定時間、前記探針の変位を検出する処理を、前記試料ステージと前記基端の間の距離が異なる複数の位置で実行するという測定動作を、前記試料に予め設定された複数の測定点のそれぞれにおいて実行する測定制御部と、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記所定時間内での前記探針の変位の検出信号から振動成分を除去することにより前記カンチレバーの撓み量を求め、該撓み量から前記試料の表面形状の情報を取得する表面形状情報取得部と、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記所定時間内での前記探針の変位に基づいて、該変位の振幅の大きさ又は位相の変化量を求めることにより前記試料の表面に垂直な方向の電位の分布の情報を取得する電位情報取得部と
を備える走査型プローブ顕微鏡。
前記予め決められた周波数が前記カンチレバーの共振周波数である、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
さらに、
前記試料の表面からの距離を指定する入力に応じて、前記複数の測定点における当該距離の電位を読み出し、各測定点を1画素単位として異なる電位を識別可能なマッピング画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された画像を表示する表示処理部と
を備える、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
さらに、
前記試料ステージからの距離を指定する入力に応じて、前記複数の測定点における当該距離の電位を読み出し、各測定点を1画素単位として異なる電位を識別可能なマッピング画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された画像を表示する表示処理部と
を備える、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
さらに、
電位の大きさを指定する入力に応じて、前記複数の測定点における当該電位を有する高さを読み出し、各測定点を1画素単位として異なる高さを識別可能なマッピング画像を生成する画像生成部と、
前記画像生成部により生成された画像を表示する表示処理部と
を備える、請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
さらに、
前記複数の測定点のそれぞれにおいて、前記複数の位置のそれぞれにおける前記カンチレバーの撓み量に基づいてフォースカーブを作成するフォースカーブ作成部
を備える、請求項１から５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
さらに、
前記複数の測定点のいずれかを指定する入力に応じて、該指定された測定点における前記試料の表面に垂直な方向の電位の分布とフォースカーブの両方を表示する測定点情報表示部
を備える、請求項１から６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。