JP2002286613A - 高周波特性測定装置 - Google Patents
高周波特性測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 励起場の分布が精度よく反映された高い空間
分解能の測定を行えるようにする。 【解決手段】 信号源４から圧電素子３に信号を印加す
ることにより、探針１を試料５表面の法線方向に探針１
の共振周波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で
振動させ、試料５表面と探針１との相対位置を走査及び
制御する。また、励起源６により、試料５表面に所定の
搬送波周波数と変調周波数で振幅変調された励起場を発
生させる。周波数検出器／位相検出器８および同期検波
器９により、試料５表面に発生した励起場に対応する信
号を探針１の振動周波数変化として検出するか、もしく
は探針１の振動と信号源４の振動との位相変化として検
出する。
分解能の測定を行えるようにする。 【解決手段】 信号源４から圧電素子３に信号を印加す
ることにより、探針１を試料５表面の法線方向に探針１
の共振周波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で
振動させ、試料５表面と探針１との相対位置を走査及び
制御する。また、励起源６により、試料５表面に所定の
搬送波周波数と変調周波数で振幅変調された励起場を発
生させる。周波数検出器／位相検出器８および同期検波
器９により、試料５表面に発生した励起場に対応する信
号を探針１の振動周波数変化として検出するか、もしく
は探針１の振動と信号源４の振動との位相変化として検
出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物質表面の高周波
特性を測定する高周波特性測定装置に関し、特に、走査
型プローブ顕微鏡（SPM: Scanning Probe Microscope）
の技術を用いて物質表面の高周波特性を測定する高周波
特性測定装置に関する。
特性を測定する高周波特性測定装置に関し、特に、走査
型プローブ顕微鏡（SPM: Scanning Probe Microscope）
の技術を用いて物質表面の高周波特性を測定する高周波
特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、搬送波周波数ωｃ及び変調周波数
ωｍで振幅変調された信号を被測定物である試料に印加
し、その試料から生じた高周波（ωｃ）の励起された場
（電場や磁場など）を、探針−試料間の相互作用によっ
て低周波（ωｍ）に変換する技術が知られている。こう
した技術は、例えばH. Yokoyama and T. Inoue, Thin S
olid Films 242 (1994) 33. （電子技術総合研究所）
（以下、先行技術１と称す）や、R. Proksch and P. Ne
ilson, S. Austvold and J. J. Schmidt, AppliedPhysi
cs Letters 74 (1999) 1308. （Digital Instruments e
t al.）（以下、先行技術２と称す）にも示されてい
る。
ωｍで振幅変調された信号を被測定物である試料に印加
し、その試料から生じた高周波（ωｃ）の励起された場
（電場や磁場など）を、探針−試料間の相互作用によっ
て低周波（ωｍ）に変換する技術が知られている。こう
した技術は、例えばH. Yokoyama and T. Inoue, Thin S
olid Films 242 (1994) 33. （電子技術総合研究所）
（以下、先行技術１と称す）や、R. Proksch and P. Ne
ilson, S. Austvold and J. J. Schmidt, AppliedPhysi
cs Letters 74 (1999) 1308. （Digital Instruments e
t al.）（以下、先行技術２と称す）にも示されてい
る。
【０００３】先行技術１は、搬送波周波数ωｃ及び変調
周波数ωｍで振幅変調された信号を試料に印加し、探針
−試料間における高周波成分（ωｃ）の静電気力相互作
用を低周波成分（ωｍ）の相互作用に変換して測定する
ものである。実際の測定においては、測定に用いるカン
チレバーの機械的共振周波数（ωｒ）と振幅変調する周
波数の関係を、ωｃ＞ωｒ及びωｍ＜ωｒに設定し、探
針−試料間の相互作用によって生じたカンチレバー変位
の振動振幅（ωｍまたは２ωｍ成分）を同期検波する。
なお、探針としては導電性のものを用いている。
周波数ωｍで振幅変調された信号を試料に印加し、探針
−試料間における高周波成分（ωｃ）の静電気力相互作
用を低周波成分（ωｍ）の相互作用に変換して測定する
ものである。実際の測定においては、測定に用いるカン
チレバーの機械的共振周波数（ωｒ）と振幅変調する周
波数の関係を、ωｃ＞ωｒ及びωｍ＜ωｒに設定し、探
針−試料間の相互作用によって生じたカンチレバー変位
の振動振幅（ωｍまたは２ωｍ成分）を同期検波する。
なお、探針としては導電性のものを用いている。
【０００４】先行技術２も、搬送波周波数ωｃ及び変調
周波数ωｍで振幅変調された信号を試料に印加し、探針
−試料間における高周波成分（ωｃ）の磁気力相互作用
を低周波成分（ωｍ）の相互作用に変換するものであ
る。実際の測定においては、測定に用いるカンチレバー
の機械的共振周波数（ωｒ）と振幅変調する周波数の関
係を、ωｃ＞ωｒ及びωｍ＝ωｒに設定し、この条件で
相互作用によって生じたカンチレバー変位の振動振幅
（ωｍ成分）を測定する。この場合、変調周波数ωｍを
ωｍ＝ωｒと設定することで、カンチレバーのＱ値によ
り検出感度を向上させている。また、探針としては、磁
性体もしくは被磁性体探針に磁性体を付着させたものを
用いている。
周波数ωｍで振幅変調された信号を試料に印加し、探針
−試料間における高周波成分（ωｃ）の磁気力相互作用
を低周波成分（ωｍ）の相互作用に変換するものであ
る。実際の測定においては、測定に用いるカンチレバー
の機械的共振周波数（ωｒ）と振幅変調する周波数の関
係を、ωｃ＞ωｒ及びωｍ＝ωｒに設定し、この条件で
相互作用によって生じたカンチレバー変位の振動振幅
（ωｍ成分）を測定する。この場合、変調周波数ωｍを
ωｍ＝ωｒと設定することで、カンチレバーのＱ値によ
り検出感度を向上させている。また、探針としては、磁
性体もしくは被磁性体探針に磁性体を付着させたものを
用いている。
【０００５】先行技術１及び２のいずれにおいても、走
査型プローブ顕微鏡の技術が用いられているが、探針と
試料表面との励起場の相互作用をカンチレバーの変位
（振動振幅）として測定している。このような測定法で
は、励起場が小さい場合には、相互作用が小さく、カン
チレバーの振動振幅が小さくなるという特徴がある。逆
に、励起場が大きい場合には、相互作用が大きく、カン
チレバーの振動振幅が大きくなるという特徴がある。
査型プローブ顕微鏡の技術が用いられているが、探針と
試料表面との励起場の相互作用をカンチレバーの変位
（振動振幅）として測定している。このような測定法で
は、励起場が小さい場合には、相互作用が小さく、カン
チレバーの振動振幅が小さくなるという特徴がある。逆
に、励起場が大きい場合には、相互作用が大きく、カン
チレバーの振動振幅が大きくなるという特徴がある。
【０００６】なお、その他の技術として、位相もしくは
周波数検出を行う走査プローブ顕微鏡（市販装置に組み
込まれたものがある）を用いて直流（ＤＣ）の場を測定
する技術が知られている（USP 5,519,212, RE36,488参
照）。また、真空中において周波数検出を行うことによ
り原子もしくは原子欠陥を明瞭に観察する技術が知られ
ている（F. J. Giessibl, Science 260 (1995) 67.参
照）。しかし、これらの技術は高周波応答を測定するも
のではない。
周波数検出を行う走査プローブ顕微鏡（市販装置に組み
込まれたものがある）を用いて直流（ＤＣ）の場を測定
する技術が知られている（USP 5,519,212, RE36,488参
照）。また、真空中において周波数検出を行うことによ
り原子もしくは原子欠陥を明瞭に観察する技術が知られ
ている（F. J. Giessibl, Science 260 (1995) 67.参
照）。しかし、これらの技術は高周波応答を測定するも
のではない。
【０００７】また、周波数検出方式を用い、低周波の励
起場（正弦波）を生じさせ、表面電位（特開平11-23588
もしくはUSP 6,073,485参照）や原子欠陥の帯電状況
（Y. Sugawara, T. Uchihashi, M. Abe and S. Morita,
Applied Surface Science 140,(1999) 371.参照）、近
接場光（M. Abe, Y. Sugawara, K. Sawada, Y. Andoh a
nd S. Morita, Applied Surface Science 140, (1999)
383.参照）を画像化する技術が提案されている。これら
の技術は励起している周波数と１倍もしくは２倍に同期
した相互作用の周波数成分を測定するものであるが、そ
の目的は同時に探針に働くファン・デル・ワールス相互
作用との分離をおこなうものであり、周波数応答を測定
するものではない。また、振幅変調の励起場を生じさせ
て測定しているわけでもない。
起場（正弦波）を生じさせ、表面電位（特開平11-23588
もしくはUSP 6,073,485参照）や原子欠陥の帯電状況
（Y. Sugawara, T. Uchihashi, M. Abe and S. Morita,
Applied Surface Science 140,(1999) 371.参照）、近
接場光（M. Abe, Y. Sugawara, K. Sawada, Y. Andoh a
nd S. Morita, Applied Surface Science 140, (1999)
383.参照）を画像化する技術が提案されている。これら
の技術は励起している周波数と１倍もしくは２倍に同期
した相互作用の周波数成分を測定するものであるが、そ
の目的は同時に探針に働くファン・デル・ワールス相互
作用との分離をおこなうものであり、周波数応答を測定
するものではない。また、振幅変調の励起場を生じさせ
て測定しているわけでもない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の先行
技術１及び先行技術２で使用されるようなカンチレバー
が振動する走査型プローブ顕微鏡は、一般的にダイナミ
ックモードＳＰＭと呼ばれる。ダイナミックモードＳＰ
Ｍでは探針−試料間の距離が時間的に変化するため、両
者間の相互作用は時間平均として表され、振動振幅と探
針−試料間距離に依存する（F. J. Giessibl, Physical
Review B 56 (1997) 16010.を参照）。また、試料表面
に生じているあらゆる場は非線形的に減衰していく。
技術１及び先行技術２で使用されるようなカンチレバー
が振動する走査型プローブ顕微鏡は、一般的にダイナミ
ックモードＳＰＭと呼ばれる。ダイナミックモードＳＰ
Ｍでは探針−試料間の距離が時間的に変化するため、両
者間の相互作用は時間平均として表され、振動振幅と探
針−試料間距離に依存する（F. J. Giessibl, Physical
Review B 56 (1997) 16010.を参照）。また、試料表面
に生じているあらゆる場は非線形的に減衰していく。
【０００９】これらを考慮すると、探針の走査中（画像
測定中）においては探針−試料間距離と振動振幅は一定
であることが望ましい。ここで「探針−試料間距離の一
定」とは、探針の振心の中心位置と試料表面との距離だ
けでなく、振動中の最近接距離も一定であることを意味
する。
測定中）においては探針−試料間距離と振動振幅は一定
であることが望ましい。ここで「探針−試料間距離の一
定」とは、探針の振心の中心位置と試料表面との距離だ
けでなく、振動中の最近接距離も一定であることを意味
する。
【００１０】しかしながら、先行技術１及び先行技術２
は、探針−試料間相互作用の大きさによってカンチレバ
ーの変位が異なるため、上述の条件を満たさない。この
ため、探針−試料間距離および振動振幅を一定にした条
件で測定することができず、励起場の分布を精度よく反
映した相互作用の測定を行うことは困難である。
は、探針−試料間相互作用の大きさによってカンチレバ
ーの変位が異なるため、上述の条件を満たさない。この
ため、探針−試料間距離および振動振幅を一定にした条
件で測定することができず、励起場の分布を精度よく反
映した相互作用の測定を行うことは困難である。
【００１１】また、探針は先鋭であるが、角錐の形をし
ており、距離が離れる向きに（カンチレバー側に近づく
向きに）広がっていく。このような探針を用いて高い空
間分解能で測定するためには、領域が微小な探針先端で
の相互作用を測定することが望ましい。逆に、探針の背
面側（広がりをもった部分）で相互作用を測定した場合
は、探針先端よりも相互作用領域が大きくなり分解能が
悪くなる。実際の測定では、探針先端と背面における相
互作用を分離することができないため、測定方式がどち
らの相互作用を支配的に検出するものであるかによって
空間分解能が決まる。言い換えれば、探針背面の効果を
低減する方法で測定しているかどうかによって、空間分
解能を向上させることができるかが決まる。
ており、距離が離れる向きに（カンチレバー側に近づく
向きに）広がっていく。このような探針を用いて高い空
間分解能で測定するためには、領域が微小な探針先端で
の相互作用を測定することが望ましい。逆に、探針の背
面側（広がりをもった部分）で相互作用を測定した場合
は、探針先端よりも相互作用領域が大きくなり分解能が
悪くなる。実際の測定では、探針先端と背面における相
互作用を分離することができないため、測定方式がどち
らの相互作用を支配的に検出するものであるかによって
空間分解能が決まる。言い換えれば、探針背面の効果を
低減する方法で測定しているかどうかによって、空間分
解能を向上させることができるかが決まる。
【００１２】しかしながら、上述の先行技術１及び先行
技術２では、相互作用の強さによってカンチレバーの変
位が異なるため、探針背面での相互作用の影響が非常に
大きい。このため、空間分解能を向上させることは困難
である。
技術２では、相互作用の強さによってカンチレバーの変
位が異なるため、探針背面での相互作用の影響が非常に
大きい。このため、空間分解能を向上させることは困難
である。
【００１３】このように、従来、ＳＰＭで物質表面に局
在する励起場の高周波応答を測定する場合に、（１）励
起場の分布に良く対応した測定信号もしくはその画像を
得ることができない、（２）ＳＰＭ本来の空間分解能で
測定することができない、という問題があった。
在する励起場の高周波応答を測定する場合に、（１）励
起場の分布に良く対応した測定信号もしくはその画像を
得ることができない、（２）ＳＰＭ本来の空間分解能で
測定することができない、という問題があった。
【００１４】本発明は上記実状に鑑みてなされたもので
あり、励起場の分布が精度よく反映された高い空間分解
能の測定を行うことのできる高周波特性測定装置を提供
することを目的とする。
あり、励起場の分布が精度よく反映された高い空間分解
能の測定を行うことのできる高周波特性測定装置を提供
することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る高周波特性
測定装置は、試料表面の高周波特性の測定に用いられる
探針と、前記探針を前記試料表面の法線方向に前記探針
の共振周波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で
振動させる振動手段と、前記試料表面と前記探針との相
対位置を走査及び制御する走査制御手段と、前記試料表
面に所定の搬送波周波数と変調周波数で振幅変調された
励起場を発生させる励起手段と、前記励起手段によって
前記試料表面に発生した前記励起場に対応する信号を前
記探針の振動周波数変化として検出する信号検出手段と
を具備することを特徴とする。
測定装置は、試料表面の高周波特性の測定に用いられる
探針と、前記探針を前記試料表面の法線方向に前記探針
の共振周波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で
振動させる振動手段と、前記試料表面と前記探針との相
対位置を走査及び制御する走査制御手段と、前記試料表
面に所定の搬送波周波数と変調周波数で振幅変調された
励起場を発生させる励起手段と、前記励起手段によって
前記試料表面に発生した前記励起場に対応する信号を前
記探針の振動周波数変化として検出する信号検出手段と
を具備することを特徴とする。
【００１６】また、本発明に係る高周波特性測定装置
は、試料表面の高周波特性の測定に用いられる探針と、
前記探針を前記試料表面の法線方向に前記探針の共振周
波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で振動させ
る振動手段と、前記試料表面と前記探針との相対位置を
走査及び制御する走査制御手段と、前記試料表面に所定
の搬送波周波数と変調周波数で振幅変調された励起場を
発生させる励起手段と、前記励起手段によって前記試料
表面に発生した前記励起場に対応する信号を前記探針の
振動と前記振動手段の振動との位相変化として検出する
信号検出手段とを具備することを特徴とする。
は、試料表面の高周波特性の測定に用いられる探針と、
前記探針を前記試料表面の法線方向に前記探針の共振周
波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で振動させ
る振動手段と、前記試料表面と前記探針との相対位置を
走査及び制御する走査制御手段と、前記試料表面に所定
の搬送波周波数と変調周波数で振幅変調された励起場を
発生させる励起手段と、前記励起手段によって前記試料
表面に発生した前記励起場に対応する信号を前記探針の
振動と前記振動手段の振動との位相変化として検出する
信号検出手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。
施形態を説明する。
【００１８】本実施形態では、圧電素子と外部信号を用
いてカンチレバーを機械的共振周波数（ωｒ）で場の強
度に関係なく一定の振幅で試料表面の法線方向に振動さ
せ、この状態を保ちながらカンチレバー振動の位相変化
（位相シフト）もしくは周波数変化（周波数シフト：
T. R. Albrecht, P. Grutter, D. Horne, and D. Ruga
r, Journal of Applied Physics, 69 (1991) 668.参
照）に含まれる変調周波数（ωｍ）に同期した成分を測
定する。この場合、ＳＰＭの測定方法である周波数もし
くは位相検出方式を高周波励起場測定系に組み込んでお
く。
いてカンチレバーを機械的共振周波数（ωｒ）で場の強
度に関係なく一定の振幅で試料表面の法線方向に振動さ
せ、この状態を保ちながらカンチレバー振動の位相変化
（位相シフト）もしくは周波数変化（周波数シフト：
T. R. Albrecht, P. Grutter, D. Horne, and D. Ruga
r, Journal of Applied Physics, 69 (1991) 668.参
照）に含まれる変調周波数（ωｍ）に同期した成分を測
定する。この場合、ＳＰＭの測定方法である周波数もし
くは位相検出方式を高周波励起場測定系に組み込んでお
く。
【００１９】探針（およびカンチレバー）を場の強度に
関係なく一定の振幅で振動させることにより、２点（一
定振幅の両端）における力の差を測定することになる。
この場合、探針背面に働く力は大きいが、振動している
ときの２点における力の差は小さい。一方、探針先端は
体積が小さいにもかかわらず、場の変化が大変大きいた
め、２点における力の差が大きくなる。これにより、探
針先端の効果を増大させ、分解能を向上させることがで
きる。
関係なく一定の振幅で振動させることにより、２点（一
定振幅の両端）における力の差を測定することになる。
この場合、探針背面に働く力は大きいが、振動している
ときの２点における力の差は小さい。一方、探針先端は
体積が小さいにもかかわらず、場の変化が大変大きいた
め、２点における力の差が大きくなる。これにより、探
針先端の効果を増大させ、分解能を向上させることがで
きる。
【００２０】また、本実施形態では、探針の材質を選択
することで、電気的ならびに磁気的、光などあらゆる励
起場の測定系に適用できるものとしている。
することで、電気的ならびに磁気的、光などあらゆる励
起場の測定系に適用できるものとしている。
【００２１】図１は、本発明の一実施形態に係る高周波
特性測定装置の構成を模式的に示す概念図である。この
高周波特性測定装置は、高周波走査型プローブ顕微鏡を
用いて実現される。
特性測定装置の構成を模式的に示す概念図である。この
高周波特性測定装置は、高周波走査型プローブ顕微鏡を
用いて実現される。
【００２２】本測定装置は、相互作用を測定するための
探針１と、この探針１を支えるカンチレバー２と、この
カンチレバー２を支え、探針１とは反対側に取り付けて
あり、探針１及びカンチレバー２を振動させる圧電素子
３と、この圧電素子３に信号を印加する信号源４と、測
定の対象となる試料５と、この試料５表面に励起場を発
生させる励起源６と、カンチレバー２の変位を検出する
変位検出計７と、この変位検出計７の出力信号からカン
チレバー２の周波数変化もしくは位相変化を測定する周
波数検出器／位相検出器（周波数検出器もしくは位相検
出器）８と、この周波数検出器／位相検出器８の出力か
ら励起源６の変調周波数に同期した成分を検出し、高周
波の応答に対応した信号を出力する同期検波器９とで構
成される。
探針１と、この探針１を支えるカンチレバー２と、この
カンチレバー２を支え、探針１とは反対側に取り付けて
あり、探針１及びカンチレバー２を振動させる圧電素子
３と、この圧電素子３に信号を印加する信号源４と、測
定の対象となる試料５と、この試料５表面に励起場を発
生させる励起源６と、カンチレバー２の変位を検出する
変位検出計７と、この変位検出計７の出力信号からカン
チレバー２の周波数変化もしくは位相変化を測定する周
波数検出器／位相検出器（周波数検出器もしくは位相検
出器）８と、この周波数検出器／位相検出器８の出力か
ら励起源６の変調周波数に同期した成分を検出し、高周
波の応答に対応した信号を出力する同期検波器９とで構
成される。
【００２３】次に、測定方法について説明する。信号源
４から圧電素子３に信号を印加することにより、探針１
及びカンチレバー２を試料５表面の法線方向に探針１の
共振周波数（カンチレバー２の共振周波数）ωｒもしく
はそれに近い周波数で一定の振幅で振動させる。
４から圧電素子３に信号を印加することにより、探針１
及びカンチレバー２を試料５表面の法線方向に探針１の
共振周波数（カンチレバー２の共振周波数）ωｒもしく
はそれに近い周波数で一定の振幅で振動させる。
【００２４】なお、この場合、探針１を試料に近づけた
ときにファン・デル・ワールス相互作用等により探針先
端が試料に吸着しないよう、カンチレバー２は探針１に
はたらく力勾配より大きいばね定数のものを使用するこ
とが望ましい。
ときにファン・デル・ワールス相互作用等により探針先
端が試料に吸着しないよう、カンチレバー２は探針１に
はたらく力勾配より大きいばね定数のものを使用するこ
とが望ましい。
【００２５】励起源６により、試料５表面に搬送波周波
数ωｃと変調周波数ωｍとで振幅変調された励起場を発
生させる。
数ωｃと変調周波数ωｍとで振幅変調された励起場を発
生させる。
【００２６】なお、この場合、カンチレバー２の共振周
波数ωｒ、搬送波周波数ωｃ、ならびに変調周波数ωｍ
の関係がωｃ＞＞ωｒ及びωｍ＜＜ωｒとなるように設
定しておく。また、相互作用の検出感度を向上させるた
めに、変調周波数ωｍはカンチレバー２の共振周波数ω
ｒの１／１０以下に設定しておくことが望ましい。
波数ωｒ、搬送波周波数ωｃ、ならびに変調周波数ωｍ
の関係がωｃ＞＞ωｒ及びωｍ＜＜ωｒとなるように設
定しておく。また、相互作用の検出感度を向上させるた
めに、変調周波数ωｍはカンチレバー２の共振周波数ω
ｒの１／１０以下に設定しておくことが望ましい。
【００２７】探針１を試料５に近づけたとき、力学的相
互作用が働く。このとき、相互作用によって高周波であ
る搬送波周波数ωｃ成分が低周波の変調周波数ωｍ成分
に変換され、周波数検出器／位相検出器８及び同期検波
器９による測定が可能となる。
互作用が働く。このとき、相互作用によって高周波であ
る搬送波周波数ωｃ成分が低周波の変調周波数ωｍ成分
に変換され、周波数検出器／位相検出器８及び同期検波
器９による測定が可能となる。
【００２８】周波数検出器／位相検出器８及び同期検波
器９により、励起源６によって試料５表面が発生した励
起場に対応する信号を、探針１の振動周波数変化として
検出するか、もしくは探針１の振動とカンチレバー２の
振動との位相変化として検出する。
器９により、励起源６によって試料５表面が発生した励
起場に対応する信号を、探針１の振動周波数変化として
検出するか、もしくは探針１の振動とカンチレバー２の
振動との位相変化として検出する。
【００２９】なお、上記の方法において、表面形状を測
定しながら高周波応答の測定を行うことが可能である。
また、振幅変調の搬送波周波数ωｃを変更しながら周波
数応答測定を測定することが可能である。
定しながら高周波応答の測定を行うことが可能である。
また、振幅変調の搬送波周波数ωｃを変更しながら周波
数応答測定を測定することが可能である。
【００３０】実際の測定では、図４に示されように、試
料５のどのような物性を測定するかによって励起源なら
びに励起方法、探針の材質を適当に選択する。例えば、
被測定物５の高周波電場応答を測定する場合には、被測
定物５に電圧（絶縁体の場合は背面に電極を設けるなど
して試料５に高周波の電場がかかるようにする）を印加
させ、探針１には導電性のもの（導体や導電性半導体な
ど）を用いる。磁気特性を測定するには、探針１には磁
性体もしくは被磁性体に磁性体を付着させたものを用
い、励起源６としては磁界発生のためにコイルを用い電
流を印加する場合などが考えられる。
料５のどのような物性を測定するかによって励起源なら
びに励起方法、探針の材質を適当に選択する。例えば、
被測定物５の高周波電場応答を測定する場合には、被測
定物５に電圧（絶縁体の場合は背面に電極を設けるなど
して試料５に高周波の電場がかかるようにする）を印加
させ、探針１には導電性のもの（導体や導電性半導体な
ど）を用いる。磁気特性を測定するには、探針１には磁
性体もしくは被磁性体に磁性体を付着させたものを用
い、励起源６としては磁界発生のためにコイルを用い電
流を印加する場合などが考えられる。
【００３１】励起源６としては、主に信号発生器を用
い、その電気的信号を直接試料５に印加する、もしくは
励起する場を発生させる装置に信号を入力する。信号発
生器は単体で振幅変調信号を出力するもの、あるいは２
個以上の回路を組み合わせたもので構成される。
い、その電気的信号を直接試料５に印加する、もしくは
励起する場を発生させる装置に信号を入力する。信号発
生器は単体で振幅変調信号を出力するもの、あるいは２
個以上の回路を組み合わせたもので構成される。
【００３２】圧電素子３に印加する信号源４の信号は、
前述したようにカンチレバー２の共振周波数もしくはそ
れに近い周波数ωｒとする。
前述したようにカンチレバー２の共振周波数もしくはそ
れに近い周波数ωｒとする。
【００３３】変位検出計７としては、光干渉計で測定す
る場合や４分割フォトダイオードを用いる場合など、様
々な変位検出法を適用することが可能である。また、カ
ンチレバーの変位によって生じる電気信号を測定するよ
うな場合にも適用できる。
る場合や４分割フォトダイオードを用いる場合など、様
々な変位検出法を適用することが可能である。また、カ
ンチレバーの変位によって生じる電気信号を測定するよ
うな場合にも適用できる。
【００３４】周波数検出器／位相検出器８としては、Ｌ
Ｃ共振回路とダイオードを用いた簡単な検波方法だけで
なく、ピークディファレンシャル（peak differentia
l）検波、レシオ（ratio）検波、フォスタシーレ（Fost
er Seeley）検波、ＰＬＬ（phase lock loop）復調、Ｓ
ＳＢ（single sideband）復調、ＤＳＰ（digital signa
l processor）を用いたデジタル復調など、様々な検波
方法が適用可能である。
Ｃ共振回路とダイオードを用いた簡単な検波方法だけで
なく、ピークディファレンシャル（peak differentia
l）検波、レシオ（ratio）検波、フォスタシーレ（Fost
er Seeley）検波、ＰＬＬ（phase lock loop）復調、Ｓ
ＳＢ（single sideband）復調、ＤＳＰ（digital signa
l processor）を用いたデジタル復調など、様々な検波
方法が適用可能である。
【００３５】周波数検出を行う場合は、変位検出計７、
信号源４、圧電素子３、カンチレバー２、及び探針１で
正帰還発信系を構成し、周波数シフトの測定を行う場合
もある。また、位相調節器を正帰還発信系に組み込み、
カンチレバー２を適切に加振できるようにする場合もあ
る。
信号源４、圧電素子３、カンチレバー２、及び探針１で
正帰還発信系を構成し、周波数シフトの測定を行う場合
もある。また、位相調節器を正帰還発信系に組み込み、
カンチレバー２を適切に加振できるようにする場合もあ
る。
【００３６】また、実際の測定では、走査用圧電素子を
カンチレバー２側と試料５側のいずれか、もしくは両方
に取り付け、探針１と試料５の３次元での相対位置を制
御し、測定の制御もしくはデータ保存のためにコンピュ
ータを用い表面形状（凹凸）と同時もしくは切り替えな
がら測定（USP 5,418,363）を行い、空気中だけでな
く、真空中・溶液中など、様々な環境下で行う場合もあ
る。
カンチレバー２側と試料５側のいずれか、もしくは両方
に取り付け、探針１と試料５の３次元での相対位置を制
御し、測定の制御もしくはデータ保存のためにコンピュ
ータを用い表面形状（凹凸）と同時もしくは切り替えな
がら測定（USP 5,418,363）を行い、空気中だけでな
く、真空中・溶液中など、様々な環境下で行う場合もあ
る。
【００３７】表面形状の測定は、静的モード（contact
mode, G. Binnig, C. F. Quate andCh. Gerber, Physic
al Review Letters 56 (1986) 930.）、タッピングモー
ド（tapping mode, USP 5,412,980）、スロープ検出（s
lop detection, Y. Martin, C. C. Williams and H. K.
Wickramasinghe, Journal of Applied Physics 61(198
7) 1307.）、周波数検出方式非接触ダイナミックモード
（noncontact dynamic mode with frequency modulatio
n detection method T. R. Albrecht, P. Grutter, D.
Horne, and D. Rugar, Journal of Applied Physics, 6
9 (1991) 668.）などの方式を測定試料および探針・測
定環境に応じて選択する。
mode, G. Binnig, C. F. Quate andCh. Gerber, Physic
al Review Letters 56 (1986) 930.）、タッピングモー
ド（tapping mode, USP 5,412,980）、スロープ検出（s
lop detection, Y. Martin, C. C. Williams and H. K.
Wickramasinghe, Journal of Applied Physics 61(198
7) 1307.）、周波数検出方式非接触ダイナミックモード
（noncontact dynamic mode with frequency modulatio
n detection method T. R. Albrecht, P. Grutter, D.
Horne, and D. Rugar, Journal of Applied Physics, 6
9 (1991) 668.）などの方式を測定試料および探針・測
定環境に応じて選択する。
【００３８】図２は、磁気記録ヘッドの高周波磁界測定
を行う場合の測定装置の一構成例を示す図である。
を行う場合の測定装置の一構成例を示す図である。
【００３９】この構成例による測定装置は、磁性体もし
くは非磁性体に磁性体を付着させて磁化された探針１０
１と、この探針１０１を支えるカンチレバー１０２と、
このカンチレバー１０２を支え、探針１０１とは反対側
に取り付けてあり、探針１０１ならびにカンチレバー１
０２を振動させる圧電素子１０３と、この圧電素子１０
３に信号を印加する信号源（共振周波数：ωｒ）１０４
と、試料である磁気記録ヘッド１０５と、この磁気記録
ヘッド１０５に電流を印加し、磁界を発生させるＡＭ信
号発生器（搬送周波数：ωｒ，変調周波数：ωｍ）１０
６と、磁気記録ヘッド１０５に流れる電流を測定する電
流値モニタ１０７と、探針１０１と磁気記録ヘッド１０
５との３次元の相対位置を定める走査用圧電素子１０８
と、カンチレバー１０２の変位を検出する変位検出計１
０９と、信号発生器１０４の出力と変位検出計１０９の
出力との位相差を出力する位相検出器１１０と、この位
相検出器１１０から出力された信号のうち、ＡＭ信号発
生器１０６の変調成分に同期した成分を検波する同期検
波器１１１と、変位検出計１０９の出力の実効値（root
mean square）を出力する振幅／直流電圧変換回路１１
２と、振幅／直流電圧変換回路（ＲＭＳ−ＤＣ回路）１
１２の出力があらかじめ設定しておいた値になるように
（探針−試料間距離が一定となるように）、走査用圧電
素子１０８を制御するフィードバック回路１１３と、同
期検波器１１１の出力から得られる高周波磁界の情報と
フィードバック回路１１３の出力から得られる表面形状
の情報を記録・保存し、装置全体１１５の制御および各
種パラメータの監視を行う信号処理装置１１４とで構成
される。
くは非磁性体に磁性体を付着させて磁化された探針１０
１と、この探針１０１を支えるカンチレバー１０２と、
このカンチレバー１０２を支え、探針１０１とは反対側
に取り付けてあり、探針１０１ならびにカンチレバー１
０２を振動させる圧電素子１０３と、この圧電素子１０
３に信号を印加する信号源（共振周波数：ωｒ）１０４
と、試料である磁気記録ヘッド１０５と、この磁気記録
ヘッド１０５に電流を印加し、磁界を発生させるＡＭ信
号発生器（搬送周波数：ωｒ，変調周波数：ωｍ）１０
６と、磁気記録ヘッド１０５に流れる電流を測定する電
流値モニタ１０７と、探針１０１と磁気記録ヘッド１０
５との３次元の相対位置を定める走査用圧電素子１０８
と、カンチレバー１０２の変位を検出する変位検出計１
０９と、信号発生器１０４の出力と変位検出計１０９の
出力との位相差を出力する位相検出器１１０と、この位
相検出器１１０から出力された信号のうち、ＡＭ信号発
生器１０６の変調成分に同期した成分を検波する同期検
波器１１１と、変位検出計１０９の出力の実効値（root
mean square）を出力する振幅／直流電圧変換回路１１
２と、振幅／直流電圧変換回路（ＲＭＳ−ＤＣ回路）１
１２の出力があらかじめ設定しておいた値になるように
（探針−試料間距離が一定となるように）、走査用圧電
素子１０８を制御するフィードバック回路１１３と、同
期検波器１１１の出力から得られる高周波磁界の情報と
フィードバック回路１１３の出力から得られる表面形状
の情報を記録・保存し、装置全体１１５の制御および各
種パラメータの監視を行う信号処理装置１１４とで構成
される。
【００４０】次に、図３を参照して、本実施形態による
測定結果と前述の先行技術２による測定結果とを比較し
て説明する。
測定結果と前述の先行技術２による測定結果とを比較し
て説明する。
【００４１】図３（ａ）は高周波磁界測定に係る磁気記
録ヘッドの位置関係を表しており、図３（ｂ）及び図３
（ｃ）は同じヘッドへの電流印加条件で行った本実施形
態による測定結果と、前述の先行技術２による測定結果
とをそれぞれ表している。
録ヘッドの位置関係を表しており、図３（ｂ）及び図３
（ｃ）は同じヘッドへの電流印加条件で行った本実施形
態による測定結果と、前述の先行技術２による測定結果
とをそれぞれ表している。
【００４２】図３（ａ）の磁気記録ヘッド２０１におい
て、Ｐ１磁極２０２およびＰ２磁極２０３のギャップ位
置２０６は、図中の２つの黒矢印を延長した位置にあ
る。磁界は磁極エッジ２０４および２０５から主に出力
される。
て、Ｐ１磁極２０２およびＰ２磁極２０３のギャップ位
置２０６は、図中の２つの黒矢印を延長した位置にあ
る。磁界は磁極エッジ２０４および２０５から主に出力
される。
【００４３】図３（ｂ）は本実施形態により測定した磁
気記録ヘッドの高周波磁界像及び対応する高周波磁界波
形を示す。搬送波周波数ならびに電流振幅はそれぞれ、
ωｃ＝２π×１０ＭＨｚ、Ｉ＝２０ｍＡである。変調周
波数はωｃ＝２π×３００Ｈｚとした。探針は磁気記録
ヘッド表面に垂直になるように着磁してあるため、得ら
れた画像は高周波磁界の垂直成分の振幅に対応する。図
３（ｂ）中の矢印の延長線上には、図３（ａ）でも示し
たように、磁極エッジ２０４および２０５がある。この
図３（ｂ）においては磁極エッジ付近のコントラストが
暗くなっており、また対応する波形が鋭く立ち上がって
いることが確認できる。暗いコントラスト及び波形の立
ち上がりは磁界強度が強いことを示しており、高周波磁
界が磁極エッジ付近に発生していることが確認できる。
また、シミュレーション結果と良く一致しており、本方
式は高周波磁界の分布を良く反映していることが確認で
きる。
気記録ヘッドの高周波磁界像及び対応する高周波磁界波
形を示す。搬送波周波数ならびに電流振幅はそれぞれ、
ωｃ＝２π×１０ＭＨｚ、Ｉ＝２０ｍＡである。変調周
波数はωｃ＝２π×３００Ｈｚとした。探針は磁気記録
ヘッド表面に垂直になるように着磁してあるため、得ら
れた画像は高周波磁界の垂直成分の振幅に対応する。図
３（ｂ）中の矢印の延長線上には、図３（ａ）でも示し
たように、磁極エッジ２０４および２０５がある。この
図３（ｂ）においては磁極エッジ付近のコントラストが
暗くなっており、また対応する波形が鋭く立ち上がって
いることが確認できる。暗いコントラスト及び波形の立
ち上がりは磁界強度が強いことを示しており、高周波磁
界が磁極エッジ付近に発生していることが確認できる。
また、シミュレーション結果と良く一致しており、本方
式は高周波磁界の分布を良く反映していることが確認で
きる。
【００４４】一方、図３（ｃ）は、同じヘッド電流印加
条件ωｃ＝２π×１０ＭＨｚ、Ｉ＝２０ｍＡで測定し
た、先行技術２による高周波磁界像及び対応する高周波
磁界波形を示しているが、暗いコントラストが広がって
おり、また、対応する波形の立ち上がりが鈍く、ギャッ
プ位置の磁界が十分に分解できていない。
条件ωｃ＝２π×１０ＭＨｚ、Ｉ＝２０ｍＡで測定し
た、先行技術２による高周波磁界像及び対応する高周波
磁界波形を示しているが、暗いコントラストが広がって
おり、また、対応する波形の立ち上がりが鈍く、ギャッ
プ位置の磁界が十分に分解できていない。
【００４５】したがって、本発明は先行技術に比べて非
常に高空間分解能で実際の磁界の分布を反映しているこ
とが確認できた。
常に高空間分解能で実際の磁界の分布を反映しているこ
とが確認できた。
【００４６】本実施形態によれば、探針−試料間距離な
らびに振動振幅を一定の条件で測定しているので、より
場の分布を反映させた相互作用の測定が可能となる。特
に探針（およびカンチレバー）を場の強度に関係なく一
定の振幅で振動させているので、探針背面の効果を低減
させた測定が可能となり、高い空間分解能を実現するこ
とができる。
らびに振動振幅を一定の条件で測定しているので、より
場の分布を反映させた相互作用の測定が可能となる。特
に探針（およびカンチレバー）を場の強度に関係なく一
定の振幅で振動させているので、探針背面の効果を低減
させた測定が可能となり、高い空間分解能を実現するこ
とができる。
【００４７】また、本実施形態によれば、振幅変調され
た高周波の励起場を低周波に変換し、周波数もしくは位
相検出方式を用いて測定しているので、励起場の分布を
よく反映した測定を行うことができ、空間分解能を向上
させることができる。
た高周波の励起場を低周波に変換し、周波数もしくは位
相検出方式を用いて測定しているので、励起場の分布を
よく反映した測定を行うことができ、空間分解能を向上
させることができる。
【００４８】また、本実施形態によれば、探針の種類な
らびに被測定物から場を励起する方法（励起源）を適当
に選択することで、高周波の電場および磁場・光などあ
らゆる場を測定することが可能となる。
らびに被測定物から場を励起する方法（励起源）を適当
に選択することで、高周波の電場および磁場・光などあ
らゆる場を測定することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、励
起場の分布が精度よく反映された高い空間分解能の測定
を行うことができる。
起場の分布が精度よく反映された高い空間分解能の測定
を行うことができる。
【図１】本発明の一実施形態に係る高周波特性測定装置
の構成を模式的に示す概念図。
の構成を模式的に示す概念図。
【図２】磁気記録ヘッドの高周波磁界測定を行う場合の
測定装置の一構成例を示す図。
測定装置の一構成例を示す図。
【図３】本実施形態による測定結果と先行技術２による
測定結果とを比較して示す図。
測定結果とを比較して示す図。
【図４】測定対象とする物性に応じて励起源、励起方
法、探針の材質を適当に選択することを示す図。
法、探針の材質を適当に選択することを示す図。
１…探針 ２…カンチレバー ３…圧電素子 ４…信号源 ５…試料 ６…励起源 ７…変位検出計 ８…周波数検出器もしくは位相検出器 ９…同期検波器 １０１…探針 １０２…カンチレバー １０３…圧電素子 １０４…信号源 １０５…磁気記録ヘッド １０６…ＡＭ信号発生器 １０７…電流値モニタ １０８…走査用圧電素子 １０９…変位検出計 １１０…位相検出器 １１１…同期検波器 １１２…振幅／直流電圧変換回路 １１３…フィードバック回路 １１４…信号処理装置 ２０１…磁気記録ヘッド ２０２…Ｐ１磁極 ２０３…Ｐ２磁極 ２０４…磁極エッジ ２０５…磁極エッジ ２０６…ギャップ位置
Claims (16)
- 【請求項１】試料表面の高周波特性の測定に用いられる
探針と、 前記探針を前記試料表面の法線方向に前記探針の共振周
波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で振動させ
る振動手段と、 前記試料表面と前記探針との相対位置を走査及び制御す
る走査制御手段と、 前記試料表面に所定の搬送波周波数と変調周波数で振幅
変調された励起場を発生させる励起手段と、 前記励起手段によって前記試料表面に発生した前記励起
場に対応する信号を前記探針の振動周波数変化として検
出する信号検出手段とを具備することを特徴とする高周
波特性測定装置。 - 【請求項２】前記信号検出手段は、前記振動周波数変化
として検出される信号のうち、前記励起手段における前
記変調周波数の１倍もしくは２倍高調端に同期した成分
を測定する手段を具備することを特徴とする請求項１記
載の高周波特性測定装置。 - 【請求項３】前記励起手段における前記変調周波数は、
前記探針を振動させている周波数の１０分の１以下であ
ることを特徴とする請求項１記載の高周波特性測定装
置。 - 【請求項４】前記探針の材質もしくは付着させる材質が
前記試料表面から生じる励起場に応じて決定されること
を特徴とする請求項１記載の高周波特性測定装置。 - 【請求項５】前記探針の材質もしくは付着させる材質が
前記試料に応じて決定されることを特徴とする請求項１
記載の高周波特性測定装置。 - 【請求項６】前記振動手段は、一端に前記探針を支持す
るカンチレバーを具備し、前記カンチレバーのばね定数
は、前記探針と前記試料表面との距離、前記試料測定面
の材質、もしくは測定する励起場に応じて決定されるこ
とを特徴とする請求項１記載の高周波特性測定装置。 - 【請求項７】前記走査制御手段は、前記試料と前記探針
のいずれかにもしくは両方に対して設けられた圧電素子
を具備することを特徴とする請求項１記載の高周波特性
測定装置。 - 【請求項８】前記振動手段は、一端に前記探針を支持す
るカンチレバーと、前記カンチレバーの他の一端を支持
し且つこのカンチレバーを加振する加振用圧電素子とを
具備することを特徴とする請求項１記載の高周波特性測
定装置。 - 【請求項９】試料表面の高周波特性の測定に用いられる
探針と、 前記探針を前記試料表面の法線方向に前記探針の共振周
波数もしくはそれに近い周波数で一定の振幅で振動させ
る振動手段と、 前記試料表面と前記探針との相対位置を走査及び制御す
る走査制御手段と、 前記試料表面に所定の搬送波周波数と変調周波数で振幅
変調された励起場を発生させる励起手段と、 前記励起手段によって前記試料表面に発生した前記励起
場に対応する信号を前記探針の振動と前記振動手段の振
動との位相変化として検出する信号検出手段とを具備す
ることを特徴とする高周波特性測定装置。 - 【請求項１０】前記信号検出手段は、前記位相変化とし
て検出される信号のうち、前記励起手段における前記変
調周波数の１倍もしくは２倍高調端に同期した成分を測
定する手段を具備することを特徴とする請求項９記載の
高周波特性測定装置。 - 【請求項１１】前記励起手段における前記変調周波数
は、前記探針を振動させている周波数の１０分の１以下
であることを特徴とする請求項９記載の高周波特性測定
装置。 - 【請求項１２】前記探針の材質もしくは付着させる材質
が前記試料表面から生じる励起場に応じて決定されるこ
とを特徴とする請求項９記載の高周波特性測定装置。 - 【請求項１３】前記探針の材質もしくは付着させる材質
が前記試料に応じて決定されることを特徴とする請求項
９記載の高周波特性測定装置。 - 【請求項１４】前記振動手段は、一端に前記探針を支持
するカンチレバーを具備し、前記カンチレバーのばね定
数は、前記探針と前記試料表面との距離、前記試料測定
面の材質、もしくは測定する励起場に応じて決定される
ことを特徴とする請求項９記載の高周波特性測定装置。 - 【請求項１５】前記走査制御手段は、前記試料と前記探
針のいずれかにもしくは両方に対して設けられた圧電素
子を具備することを特徴とする請求項９記載の高周波特
性測定装置。 - 【請求項１６】前記振動手段は、一端に前記探針を支持
するカンチレバーと、前記カンチレバーの他の一端を支
持し且つこのカンチレバーを加振する加振用圧電素子と
を具備することを特徴とする請求項９記載の高周波特性
測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001085820A JP2002286613A (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 高周波特性測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001085820A JP2002286613A (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 高周波特性測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002286613A true JP2002286613A (ja) | 2002-10-03 |
Family
ID=18941271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001085820A Pending JP2002286613A (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 高周波特性測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002286613A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009101991A1 (ja) * | 2008-02-12 | 2009-08-20 | Akita University | 表面状態計測装置及び該装置を用いた表面状態計測方法 |
| WO2012029973A1 (ja) * | 2010-09-03 | 2012-03-08 | 国立大学法人秋田大学 | 磁場観察装置及び磁場観察方法 |
| CN102507986A (zh) * | 2011-10-13 | 2012-06-20 | 中山大学 | 一种静电力显微镜的间歇接触式测量方法 |
| CN102507988A (zh) * | 2011-10-13 | 2012-06-20 | 中山大学 | 一种开尔文探针力显微镜的间歇接触式测量方法 |
-
2001
- 2001-03-23 JP JP2001085820A patent/JP2002286613A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009101991A1 (ja) * | 2008-02-12 | 2009-08-20 | Akita University | 表面状態計測装置及び該装置を用いた表面状態計測方法 |
| US8490209B2 (en) | 2008-02-12 | 2013-07-16 | Akita University | Surface state measuring device, and surface state measuring method using the device |
| JP5424404B2 (ja) * | 2008-02-12 | 2014-02-26 | 国立大学法人秋田大学 | 表面状態計測装置及び該装置を用いた表面状態計測方法 |
| WO2012029973A1 (ja) * | 2010-09-03 | 2012-03-08 | 国立大学法人秋田大学 | 磁場観察装置及び磁場観察方法 |
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