(57)【要約】【課題】  試料表面の凹凸形状によらず、精度よく探針と試料表面とを近接または接触させることが可能な走査型プローブ顕微鏡及び走査方法を提供すること。【解決手段】  試料表面Ｓに平行な２方向の走査及び試料表面Ｓの垂直方向の移動を試料表面Ｓに対して相対的に行う探針２と、探針２及び試料表面Ｓの距離に応じて変化する測定量を検出する検出手段４と、探針２が試料表面Ｓに近接または接触した時点における観測データを採取する観測手段６と、２方向の走査及び垂直方向の移動を制御する制御手段５とを備え、探針２を試料表面Ｓに対して相対的に所定距離で接近離間させる接近離間駆動部２４を備え、検出手段４が、接近離間駆動部２４による接近時と離間時とにおける前記測定量の変化率を検出し、該測定量の変化率が、予め設定された閾値を超えるときに、観測手段６が前記観測データを採取する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を該試料表面に対して相対的に行う探針と、前記探針及び前記試料表面の距離に応じて変化する測定量を検出する検出手段と、前記探針が前記試料表面に近接または接触した時点での観測データを採取する観測手段と、前記２方向の走査及び前記垂直方向の移動を制御する制御手段とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針を前記試料表面に対して相対的に所定距離で接近離間させる接近離間手段を備え、
前記検出手段が、前記接近離間手段による接近時と離間時とでの前記測定量の変化率を検出し、
該測定量の変化率が、予め設定された閾値を超えるときに、前記観測手段が前記観測データを採取することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、
前記検出手段が、前記加振手段による前記探針の振動状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記検出手段が、前記測定量として、前記探針の振動振幅、振動の位相及び振動周波数の少なくとも１つを検出することを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記検出手段が、前記探針と前記試料との間に流れるトンネル電流を検出することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記制御手段が、前記測定量の変化率が前記設定された閾値となるように前記探針を走査させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記制御手段が、前記観測データを採取した後、次回の観測位置に達するまで前記試料表面に平行な方向に前記探針を走査させ、該走査中に前記測定量の変化率が前記設定された閾値を超えた際に、前記探針を前記試料表面から離間する前記垂直方向に移動させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を該試料表面に対して相対的に行う探針を備え、
該探針と前記試料表面と距離に応じて変化する測定量に基づいて前記探針の前記試料表面への近接または接触状態を判断し、前記探針が前記試料表面に近接または接触した時点における観測データを採取する走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、
前記探針の前記試料表面に対する相対距離を所定距離だけ接近離間させたときの接近時と離間時とでの前記測定量の変化率が、予め設定された閾値を超えるときに、前記観測データを採取することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【請求項８】
前記短針を、これに共振または強制振動する振動用周波数で振動させて、前記短針が前記試料に近接または接触した時点での観測データを採取することを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【請求項９】
前記検出手段が、前記測定量として、前記探針の振動振幅、振動の位相及び振動周波数の少なくとも１つを検出することを特徴とする請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【請求項１０】
前記探針と前記試料との間に流れるトンネル電流を検出して、前記観測データを採取することを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【請求項１１】
前記測定量の変化率が前記設定された閾値となるように、前記探針の前記試料表面に対する垂直方向の相対距離の相対距離を変化させながら、前記探針を走査させることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【請求項１２】
前記測定量の変化率が前記設定された閾値を超えたときに、前記探針の走査を停止すると共に、該探針を前記試料表面から一旦離間する前記垂直方向に移動させることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を試料表面上で振動させながら走査することにより、試料の表面形状などの物性情報を得る走査型プローブ顕微鏡及び走査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、電子材料などの試料を微少領域において測定し、試料の表面形状の観察、物性情報などの計測を行う装置として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などの走査型プローブ顕微鏡が用いられている。この種の走査型プローブ顕微鏡には、さまざまなものが提供されているが、その１つとして、探針を試料表面に対して垂直に振動させながら試料表面に対して平行に走査させて、試料の表面形状などを検出する振動モード（ＡＣモード）ＡＦＭが知られている。振動モードＡＦＭには、探針を試料表面に近接させた状態で探針と試料表面とを接触させないように走査する方式と、試料表面を繰り返し叩きながら走査する方式がある。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
この振動モードＡＦＭは、カンチレバーの先端に取り付けられた探針を備えている。そしてこの探針は、試料表面に対して走査できるようになっており、カンチレバーの共振周波数またはその付近で振動できるようになっている。この振動モードＡＦＭにより、試料の表面形状を測定する場合には、探針を上述のように振動させると共に、探針と試料表面とを相対的に接近させる。探針と試料表面との間にはファンデルワールス力や接触による斤力などの力が働くので、探針の振動状態が変化する。そこで、探針がある振動状態まで変化したときに、探針と試料表面とが近接または接触したと判断し、この振動状態を維持するように探針と試料表面との距離を調整しながら探針を試料表面に対して走査させ、試料の表面形状の測定を行う。
【特許文献１】特開平７−２７０４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記従来の走査型プローブ顕微鏡には、以下の問題がある。すなわち、上記従来の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面に凹凸があるときに、探針と観測位置における試料表面との距離を等しくしても、試料表面の凹凸が異なることによる探針へ影響の違いが異なった振動状態を示したり、カンチレバーと試料表面との距離が試料表面の凹凸によって変化するので、異なった振動状態を示す。これは、カンチレバーが共振または強制振動することによって探針を振動させているが、このカンチレバーの共振または強制振動によって圧縮される空間とカンチレバー及び試料表面の間の空間との比が、試料表面の凹凸によって変化するので、カンチレバーに与えるダンピング効果（抵抗効果）が異なることとなる。これにより、探針が異なる振動状態を示すことになり、ある振動状態を維持するように探針と試料表面との距離を調整して探針を試料表面に対して走査させても、探針と試料表面との距離が一定とならないという問題がある。したがって、精度よく探針と試料表面とを近接または接触させることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、試料表面の凹凸形状によらず、精度よく探針と試料表面とを近接または接触させることが可能な走査型プローブ顕微鏡及び走査方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために、以下の構成を採用した。すなわち、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を該試料表面に対して相対的に行う探針と、前記探針及び前記試料表面の距離に応じて変化する測定量を検出する検出手段と、前記探針が前記試料表面に近接または接触した時点での観測データを採取する観測手段と、前記２方向の走査及び前記垂直方向の移動を制御する制御手段とを備える走査型プローブ顕微鏡において、前記探針を前記試料表面に対して相対的に所定距離で接近離間させる接近離間手段を備え、前記検出手段が、前記接近離間手段による接近時と離間時とでの前記測定量の変化率を検出し、該測定量の変化率が、予め設定された閾値を超えるときに、前記観測手段が前記観測データを採取することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、試料表面に平行な２方向の走査及び該試料表面の垂直方向の移動を該試料表面に対して相対的に行う探針を備え、該探針と前記試料表面と距離に応じて変化する測定量に基づいて前記探針の前記試料表面への近接または接触状態を判断し、前記探針が前記試料表面に近接または接触した時点における観測データを採取する走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、前記探針の前記試料表面に対する相対距離を所定距離だけ接近離間させたときの接近時と離間時とでの前記測定量の変化率が、予め設定された閾値を超えるときに、前記観測データを採取することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、探針を試料表面に対して相対的に接近離間させ、接近時における測定量と離間時における測定量との変化率を検出し、この変化率が予め設定された閾値を超えるときに探針が試料表面に近接または接触したと判断して観測データを採取する。この測定量は、探針と試料表面との距離が小さくなるにしたがって増大または減少する。また、この測定量は、探針と試料表面との距離が等しい場合であっても、例えば観測位置の近傍に凹凸が形成されているときなど、観測位置の表面形状に応じて異なった値を示すが、この測定量の探針と試料表面との単位長さ当たりの変化率は、観測位置の表面形状による差異が測定量の差異と比較して小さい。
そこで、探針と試料表面に対して接近離間させて接近時における測定量と離間時における測定量との変化率が設定された閾値を超えるときに、探針が試料表面に近接または接触したと判断し、その位置における観測データを採取することで、観測位置の表面形状によらず、探針と試料表面との距離を精度よく維持することができる。以上より、測定量が設定された閾値を超えるときに観測データを採取することと比較して、より正確な観測データの採取を行うことができる。
また、探針を試料表面に近接または接触させるときに、探針が試料表面に対して大きな力で押圧することによる探針及び試料の物性への悪影響や、試料や探針の変形、損傷を防止できる。
【０００９】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、前記検出手段が、前記加振手段による前記探針の振動状態を検出することが好ましい。
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、前記短針を、これに共振または強制振動する振動用周波数で振動させて、前記短針が前記試料に近接または接触した時点での観測データを採取することが好ましい。
この発明によれば、観測位置にて探針を試料表面に対して近接させると、探針と試料との間にファンデルワールス力や接触による斤力などの力が働くので、探針の振動状態が変化する。この力の働きは、探針と試料表面との距離が小さくなるにしたがって増大する。したがって、探針を試料表面に対して相対的に接近離間させて接近時と離間時とにおける探針の振動状態の変化率を検出し、この変化率が設定された閾値を超えるときに観測データを採取することで、上述と同様に、観測位置の凹凸形状によらず、探針と試料表面との距離を精度よく保つことができる。
【００１０】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、前記検出手段が、前記測定量として、前記探針の振動振幅、振動の位相及び振動周波数の少なくとも１つを検出することが好ましい。
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方法前記検出手段が、前記測定量として、前記探針の振動振幅、振動の位相及び振動周波数の少なくとも１つを検出することが好ましい。
この発明によれば、検出手段が、測定量として探針の振動振幅の変化率、振動の位相の変化率及び振動の周波数の変化率のうちの少なくとも１つに注目することで、探針が試料表面に近接または接触したことを容易に判別することができる。
【００１１】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、前記検出手段が、前記探針と前記試料との間に流れるトンネル電流を検出することが好ましい。
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、前記探針と前記試料との間に流れるトンネル電流を検出して、前記観測データを採取することが好ましい。
この発明によれば、観測位置にて探針を試料表面に対して近接させると、探針と試料との間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、探針と試料表面との距離が小さくなるに従って漸次増大すると共に、探針と試料表面との距離の単位長さ当たりの変化量も増大する。したがって、上述と同様に接近時と離間時とにおける探針のトンネル電流の値の変化率を検出し、この変化率が設定された閾値を超えるときに観測データを採取することで、観測位置の凹凸形状によらず、探針と試料表面との距離を精度よく保つことができる。
【００１２】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、前記制御手段が、前記測定量の変化率が前記設定された閾値となるように前記探針を走査させることが好ましい。
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、前記測定量の変化率が前記設定された閾値となるように、前記探針の前記試料表面に対する垂直方向の相対距離の相対距離を変化させながら、前記探針を走査させることが好ましい。
この発明によれば、測定量の変化率が設定された閾値となるように、探針と試料表面との距離を調整して探針と試料表面との距離を精度よく保ちながら走査する。
【００１３】
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、前記制御手段が、前記観測データを採取した後、次回の観測位置に達するまで前記試料表面に平行な方向に前記探針を走査させ、該走査中に前記測定量の変化率が前記設定された閾値を超えた際に、前記探針を前記試料表面から離間する前記垂直方向に移動させることが好ましい。
また、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の走査方法は、前記測定量の変化率が前記設定された閾値を超えたときに、前記探針の走査を停止すると共に、該探針を前記試料表面から一旦離間する前記垂直方向に移動させることが好ましい。
この発明によれば、探針を試料表面に対して平行な方向に走査させたときに、探針が試料表面の凸部に近接した場合には、測定量の変化率が設定された閾値を超えることとなり、探針が試料表面に近接または接触したと判断する。そこで、探針を試料表面から離間する垂直方向に移動させてから再び試料表面に対して平行な方向に走査する。これにより、探針の走査経路に試料表面の凸部があっても、この凸部を回避しながら可能な限り凸部の形状に沿った最短経路で走査を行うことができる。したがって、走査時間の短縮、つまり、測定時間の短縮が図れ、スループットが向上する。
なお、探針を試料表面から離間させる距離は、１ｎｍ以上であることが好ましい。このようにすることで、湿度や温度などが低い場合に、確実に探針を吸着水層の影響を受けない位置まで引き上げることができる。また、余分な引き上げ時間を必要としないので、測定時間の短縮を図ることができる。また、離間させる距離を、１０ｎｍ以上としてもよい。このようにすることで、湿度が９９％のような端的な状態でも探針．を確実に吸着水層の影響しない位置まで引き上げることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明にかかる走査型プローブ顕微鏡及び走査方法によれば、探針を試料表面に対して相対的に接近離間させて接近時と離間時とにおける測定量の変化率を検出してこの変化率が予め設定された閾値を超えるときに観測データを採取するので、測定量が設定された閾値を超えるときに観測データを採取することと比較して、試料の観測位置における表面形状によらず、探針と試料表面との距離を精度よく維持することができる。したがって、より正確な観測データの採取を行うことができる。
また、探針と試料表面との距離を精度よく維持することができることで、探針が試料表面に対して大きな力で押圧することによる探針及び試料の物性への悪影響や、試料や探針の変形、損傷を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形態について、図１を参照しながら説明する。
本実施形態による走査型プローブ顕微鏡１は、図１に示すように、試料Ｐの表面（以下、試料表面Ｓ）に平行なＸ、Ｙ方向の走査及び試料表面Ｓに対して垂直なＺ方向の移動を試料表面Ｓに対して相対的に行う探針２と、探針２をこれに共振または強制振動する振動用周波数で振動させる加振手段３と、探針２が試料表面Ｓに近接または接触した時点における探針２の振動状態を検出する検出手段４と、探針２のＸ、Ｙ方向の走査及びＺ方向の試料Ｐに対する相対的な移動を制御する制御手段５と、探針２が試料表面Ｓに近接または接触した時点における観測データを採取する観測手段６とを備えている。
【００１６】
探針２は、カンチレバー１１の一端に設けられており、ステージ１２上に載置された試料Ｐの上方に、試料Ｐと対向するように配置されている。
加振手段３は、カンチレバー１１の他端に設けられたバイモルフ１３と、バイモルフ１３に所定の電圧を印加することによってカンチレバー１１を共振または強制振動させる加振電源１４とによって構成されている。なお、バイモルフ１３の振動用周波数は、例えば１００ｋＨｚであり、探針２をこの振動用周波数で振動させる。また、バイモルフ１３による探針２の振動振幅は、例えば０．５ｎｍ〜５００ｎｍとなっている。
また、ステージ１２は、後述する三次元アクチュエータ２１に固定されており、これによって探針２がカンチレバー１１及び三次元アクチュエータ２１を介して試料表面Ｓに対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対的に移動可能とされている。そして、ステージ１２は、三次元アクチュエータ２１によってＺ方向に振動して探針２に対して周期的に接近離間するように構成されている。なお、試料表面Ｓを探針２に対して接近離間する接近離間用周波数は、バイモルフ１３の振動用周波数よりも低周波数であって、例えば３００ｋＨｚとなっている。また、試料表面Ｓのカンチレバー１１に対する接近離間の振幅は、例えば５ｎｍとなっている。
【００１７】
検出手段４は、カンチレバー１１の裏面にレーザ光Ｌを照射するレーザ発生器１５と、カンチレバー１１の裏面で反射したレーザ光Ｌを受光するカンチレバー変位検出器１６と、カンチレバー変位検出器１６から伝送されたカンチレバー１１の変位量に基づいて探針２の振動振幅を算出する振幅検出部１７と、振幅検出部１７で算出された振動振幅の試料表面Ｓに対する接近離間前後における変化量を算出する変化率検出部１８とによって構成されている。
【００１８】
カンチレバー変位検出器１６は、例えばフォトディテクタによって構成されている。そして、カンチレバー変位検出器１６は、カンチレバー１１の裏面で反射したレーザ光Ｌを受光すると共に入射位置を測定してカンチレバー１１の変位量を検出する機能を有している。すなわち、カンチレバー１１の振動状態に応じて、レーザ発生器１５からカンチレバー１１の裏面に照射されたレーザ光Ｌの反射位置が変化するので、カンチレバー変位検出器１６への入射位置が変化する。このカンチレバー変位検出器１６は、カンチレバー１１の変位量をこの入射位置に応じた振動波形として振幅検出部１７に出力するようになっている。
【００１９】
振幅検出部１７は、カンチレバー変位検出器１６より伝送されたカンチレバー１１の変位量である振動波形に基づいて、探針２の振動振幅を算出し、変化率検出部１８に出力するようになっている。
変化率検出部１８は、三次元アクチュエータ２１によってステージ１２を探針２に対して接近離間させ、試料表面Ｓに対して接近したときの探針２の振動振幅と離間したときの探針２の振動振幅との比率を算出する機能を有している。そして、変化率検出部１８は、試料表面Ｓを探針２に対して接近離間させる前後の探針２の振動振幅の変化率が、予め設定されている閾値を超えた状態であるときに、その旨を後述する制御部２５に知らせるようになっている。
【００２０】
制御手段５は、三次元アクチュエータ２１と、三次元アクチュエータ２１を駆動して探針２をＸ、Ｙ方向に相対的に走査させるＸＹ駆動部２２と、三次元アクチュエータ２１を駆動して探針２をＺ方向に相対的に移動させるＺ駆動部２３と、ステージ１２を探針２に対して振動させる接近離間駆動部（接近離間手段）２４と、ＸＹ駆動部２２、Ｚ駆動部２３及び接近離間駆動部２４を総合的に制御する制御部２５とによって構成されている。
三次元アクチュエータ２１は、ステップモータによって構成される粗動機構と、圧電素子（ピエゾ素子）によって構成される微動素子とによって構成されている。粗動機構は、ステッピングモータなどの駆動電源による送りねじ方式により、試料Ｐを探針２に接近離間させる機能を有している。
制御部２５は、上述したように変化率検出部１８によって検出された探針２の振動振幅の変化率に基づいてＺ駆動部２３を制御するように構成されている。また、制御部２５は、変化率検出部１８がステージ１２を探針２に対して接近離間させる前後の探針２の振動振幅の変化率が予め設定されている閾値を超えたことを知らされると、三次元アクチュエータ２１によってステージ１２の探針２へのＺ方向上方の移動を停止するようになっている。この制御部２５の動作の詳細については後述する。
【００２１】
観測手段６は、イメージデータ生成部２６と、イメージデータ生成部２６に接続された表示部２７とによって構成されている。
イメージデータ生成部２６は、ＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３に接続されており、ＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３の駆動データに基づいて探針２の位置を検出すると共に、この位置データを観測データとして採取するように構成されている。
表示部２７は、例えばモニタなどによって構成されており、イメージデータ生成部２６で採取された観測データを表示する。
【００２２】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡１を用いた試料Ｐの観察方法について説明する。
まず、図１に示す加振電源１４によりバイモルフ１３に電源を供給し、探針２を振動用周波数で振動させる。また、制御部２５は、接近離間駆動部２４を作動させてステージ１２をＺ方向で振動させて試料表面Ｓを探針２に対して接近離間させる。この状態で、制御部２５は、Ｚ駆動部２３を制御して三次元アクチュエータ２１をＺ方向に移動させて試料表面Ｓを探針２に近づける。なお、探針２は、加振電源１４によって図２に示す振動波形Ｗ１のように、振動振幅Ａ１で振動している。
この状態で探針２と試料表面Ｓとの距離を相対的に小さくしていくと、探針２と試料Ｐとの間に、ファンデルワールス力や接触による斤力などが働く。これにより、探針２の振動振幅が減衰した状態となる。
【００２３】
ここで、観測位置における試料表面Ｓの凹凸形状と、探針２及び試料表面Ｓの距離と、ファンデルワールス力や接触による斤力などの影響による振動振幅の減衰度合いについて、図３及び図４を用いて説明する。ファンデルワールス力や接触による斤力などの振動振幅への影響は、図３に示すように探針２と試料表面Ｓとの距離が減少するに従って漸次増大すると共に、探針２と試料表面Ｓとの距離の単位長さ当たりの変化率も増大する。
【００２４】
また、図４（ａ）に示すように観測位置における試料表面Ｓの形状が探針２の投影位置とカンチレバー１１の投影位置とを比較してほぼ等しい場合には、探針２及び試料表面Ｓの距離と振動振幅とは、図３に示す曲線Ｃ１のような関係となる。そして、図４（ｂ）に示すように観測位置における試料表面Ｓの形状が探針２よりもカンチレバー１１側で高くなっている場合には、探針２及び試料表面Ｓの距離と振動振幅とは、図３に示す曲線Ｃ２のような関係となる。さらに、図４（ｃ）に示すように観測位置における試料表面Ｓの形状が探針２よりもカンチレバー１１側で低くなっている場合には、探針２及び試料表面Ｓの距離と振動振幅とは、図３に示す曲線Ｃ３のような関係となる。
【００２５】
観測位置における試料表面Ｓが図４（ｂ）に示す形状であるときには、図３に示すように振動振幅が減衰しやすくなっている。これは、探針２の振動がバイモルフ１３によってカンチレバー１１を振動させることによって行われており、探針２を振動させた状態で探針２を試料表面Ｓに相対的に接近させると、カンチレバー１１が振動していることによって試料表面Ｓとカンチレバー１１との間の空間を圧縮する。ここで、図４（ａ）と比較して探針２と試料表面Ｓの観測位置との距離が同じであっても、カンチレバー１１と試料表面Ｓとの間が短いため（図４におけるＹ１＞Ｙ２）、カンチレバー１１の振動によって圧縮される空間の体積と、カンチレバー１１及び試料表面Ｓの間の空間の体積との比が、試料表面Ｓの形状が図４（ａ）である場合と比較して大きくなる。これにより、カンチレバー１１及び試料表面Ｓの間の空気によるダンピング効果（抵抗効果）が大きくなり、カンチレバー１１の振動が制限を受ける。これにより、探針２の振動振幅は、減衰しやすくなる。
【００２６】
また、観測位置における試料表面Ｓが図４（ｃ）に示す形状であるときには、図３に示すように振動振幅が減衰しにくくなっている。これは、上述と同様に、図４（ａ）と比較して探針２と試料表面Ｓの観測位置との距離が同じであっても、カンチレバー１１と試料表面Ｓとの間が長いため（図４におけるＹ１＜Ｙ３）、カンチレバー１１の振動によって圧縮される空間の体積と、カンチレバー１１及び試料表面Ｓの間の空間の体積との比が試料表面Ｓの形状が図４（ａ）である場合と比較して小さくなる。これにより、カンチレバー１１及び試料表面Ｓの間の空気によるダンピング効果が小さくなり、探針２の振動振幅が減衰しにくくなる。
【００２７】
振動振幅Ａ１で振動させた探針２を試料表面Ｓに向かって相対的に移動させ、探針２と試料表面Ｓとの距離が図３に示すＸ１であるとき、試料表面Ｓが図４（ａ）に示す形状である場合において、ステージ１２を探針２に対して接近離間させると、探針２の振動波形は、接近時において図５（ａ）に示すように振動振幅Ａ２である振動波形Ｗ２に減衰した状態となり、離間時において図５（ｂ）に示すように振動振幅Ａ３である振動波形Ｗ３となる。
振動振幅検出部１７は、カンチレバー変位検出器１６から送られてきたカンチレバー１１の変位量から探針２の振動振幅を算出し、変化率検出部１８に出力する。そして、変化率検出部１８は、探針２を試料表面Ｓに対して接近離間させたときの、接近時における振動振幅Ａ２と離間時における振動振幅Ａ３との変化率（Ａ３／Ａ２）を算出する。ここで、この変化率が予め設定された閾値を超えるときに、探針２が試料表面Ｓに近接または接触したと判断してその旨を制御部２５に知らせる。
【００２８】
また、変化率が設定された閾値に至らないときは、ステージ１２を上方に移動させて探針２と試料表面Ｓとを近づける。ここで上述と同様に、試料表面Ｓを探針２に対して接近離間させると、接近時において、図６（ａ）に示すように振動振幅Ａ４である振動波形Ｗ４に減衰した状態となり、離間時において図６（ｂ）に示すように振動振幅Ａ５である振動波形Ｗ５となる。そして、変化率検出部１８は、上述と同様に、探針２と試料表面Ｓとを接近離間させたときの、接近時における振動振幅Ａ４と離間時における振動振幅Ａ５との変化率（Ａ５／Ａ４）を算出する。ここで、この変化率が設定された閾値を超えたときに、探針２が試料表面Ｓに近接または接触したと判断してその旨を制御部２５に知らせる。
【００２９】
ここで、探針２が図４に示す振動振幅Ａ１′で振動したと検出したときに、探針２が試料表面Ｓに近接または接触したと判断する場合を考える。まず、試料表面Ｓが図４（ａ）に示す形状であるときには、探針２と試料表面Ｓとの距離が図３に示すＸ２で探針２が振動振幅Ａ１′で振動する。しかし、振動振幅Ａ１′となる探針２と試料表面Ｓとの距離は、試料表面Ｓが図４（ｂ）、（ｃ）に示す形状となるときのように、試料表面Ｓの形状によって、図３に示すＺ１の範囲で変化することになる。
また、試料表面Ｓが図４（ａ）探針２と試料表面Ｓとの距離が図３に示すＸ２においてステージ１２を探針２に対して接近離間させたときの振動振幅の変化率はある値を示す。ここで、振動振幅の変化率がこの値となる探針２と試料表面Ｓとの距離は、試料表面Ｓが図４（ｂ）、（ｃ）に示す形状となるときのように、試料表面Ｓの形状によって、図３に示すＺ２の範囲で変化することになる。
これらより、振動振幅の変化率がある閾値を超えたときに探針２が試料表面Ｓに近接または接触したと判断することによって、振動振幅がある閾値を超えたときに判断することと比較して、試料表面Ｓの形状の影響を受けにくいことがわかる。
【００３０】
制御部２５は、変化率検出部１８から探針２の試料表面Ｓに対する振動振幅の変化量が設定された閾値を超えたと判断したことを受けて、Ｚ駆動部２３を停止し、三次元アクチュエータ２１のＺ方向上方への移動を停止する。なお、ここで三次元アクチュエータ２１のＺ方向上方への移動が停止されているが、ステージ１２の探針２に対する接近離間運動は継続して行われている。これにより、試料Ｐに対して大きな負荷を与える前に探針２と試料Ｐとの接近が停止するので、探針２及び試料Ｐに多大な負荷が加わることがない。また、ステージ１２の停止した位置で、イメージデータ生成部２６がこの観測位置での観測データ、すなわち、Ｚ方向の位置データを採取する。
そして、制御部２５は、ＸＹ駆動部２２を制御して三次元アクチュエータ２１をＸ方向またはＹ方向あるいはその双方に移動させて探針２を試料表面Ｓで走査させる。ここで、制御部２５は、探針２の試料表面Ｓに対する振動振幅の変化量が設定された閾値となるように、Ｚ駆動部２３を制御して三次元アクチュエータ２１をＺ方向に移動させて探針２と試料表面Ｓとの距離を適宜調整する。このようにして、試料表面Ｓの所定範囲の走査を行い、観測データの採取を行う。このように探針２の走査によって採取された観測データを、表示部２７に表示してもよい。
【００３１】
以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡１及び走査方法によれば、探針２を試料表面Ｓに対して相対的に接近離間させて接近時と離間時とにおける振動振幅の変化率を検出し、この変化率が設定された閾値を超えるときに観測データを採取するので、探針２の振動振幅がある値となるときに観測データを採取することと比較して、観測位置における試料表面Ｓの形状に依存せず、探針２と試料表面Ｓとの距離を精度よく維持することができる。したがって、より正確な観測データを採取することができる。
また、探針２と試料表面Ｓとの距離を精度よく維持することによって、探針２が試料表面Ｓに対して多大な力で押圧することによる探針２及び試料Ｐの物性への悪影響や、試料Ｐや探針２の変形、損傷を回避する。
【００３２】
次に、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態で説明した構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では、探針２を試料表面Ｓに沿って走査させているのに対して、第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、観測データを採取した後で探針２を相対的に一旦引き上げてから次の観測位置に移動させる点である。
【００３３】
すなわち、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、制御部２５が、ＸＹ駆動部２２及びＺ駆動部２３を制御して観測データを採取した後、探針２と試料表面Ｓとを離間するＺ方向に移動させ、Ｘ方向またはＹ方向の次回の観測位置に達するまで試料表面Ｓに平行な方向に探針２を相対的に走査させ、この走査中に探針２の振動振幅の変化率が設定された閾値を超えたと判断した際に走査を一旦停止すると共に、探針２と試料表面Ｓとを離間するＺ方向に移動させた後、走査を再び続行するように設定されている。
つまり、制御部２５は、変化率検出部１８より探針２の振動振幅の変化率が予め設定された閾値を超えたことを知らされると、この振動振幅の変化率が設定された閾値を超えない状態となるまでステージ１２の引き下げを行うようになっている。
【００３４】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡を用いた試料Ｐの観察方法について説明する。本実施形態では、試料表面Ｓが図７に示すよう凹凸形状である試料Ｐを走査する場合について説明する。
まず、上述した第１の実施形態と同様に、探針２を振動周波数で振動させると共に、ステージ１２をＺ方向で振動させて探針２に対して接近離間させる。そして、この状態で三次元アクチュエータ２１をＺ方向に移動させ、探針２の振動振幅の変化率が設定された閾値を超えるまで試料表面Ｓと探針２とを接近させる。その後、イメージデータ生成部２６がこの観測位置３０での観測データ、すなわち、Ｚ方向の位置データを採取する。
次に、制御部２５は、Ｚ駆動部２３を制御して探針２と試料表面Ｓとを離間する方向に、例えば１０ｎｍ移動させる。ステージ１２を１０ｎｍ引き下げることによって、探針２が試料表面Ｓに存在している図示しない吸着水層に捕獲されたとしても、この吸着水層から探針２を確実に引き上げることができる。
そして、ステージ１２を引き下げた後、制御部２５は、Ｚ駆動部２３を停止すると共にＸＹ駆動部２２を制御して探針２を図７に示すＸＹ軌跡Ｌ１のように再度走査を相対的に行う。なお、ステージ１２を１０ｎｍ引き下げることによって、探針２の振動振幅の変化率は設定された閾値を超えない状態となっている。この際、上述したように、探針２は吸着水層から脱している状態であるので、吸着水層に影響を受けずに走査を行える。
【００３５】
この走査の際、図７に示すように、探針２が試料表面Ｓの凸部に近接した場合には、探針２の振動振幅の変化率が設定された閾値を超える状態となるので、変化率検出部１８は制御部２５に探針２と試料表面Ｓとを近接または接触した旨を知らせる。これを受けると制御部２５は、ＸＹ駆動部２２を停止して走査を一旦停止すると共に、Ｚ駆動部２３を作動させてステージ１２を探針２から離間するＺ方向に変化率が設定された閾値を超えない状態になるまで移動させる。このＺ方向の移動後、制御部２５は、Ｚ駆動部２３を停止すると共にＸＹ駆動部２２を作動させて探針２の走査を行う。
【００３６】
これを繰り返すことによって、次の観測位置３０に探針２が達すると、イメージデータ生成部２６がこの観測位置での観測データ、すなわち、Ｚ方向の位置データを採取する。そして、また次の観測位置に向けて走査を行う。以上のようにして試料表面Ｓの走査を行う。
【００３７】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡によれば、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果が得られるが、制御部２５が変化率検出部１８によって探針２の振動振幅の変化率が設定された閾値を超えたと判断されるごとに、振動振幅の変化率が設定された閾値を超えない状態となるまでステージ１２を引き下げながら走査を行うので、探針２の走査経路に試料表面Ｓの凸部が存在しても、この凸部を回避しながら可能な限り凸部の計上に沿った最短経路で走査が行える。したがって、走査時間の短縮、つまり、測定時間の短縮が図れ、スループットが向上する。
【００３８】
なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態において、検出手段は、探針の振動振幅の変化率を検出しているが、これに限らず、例えば振動の位相の変化率や振動の周波数の変化率などに注目することで、探針の振動状態の変化率を検出してもよい。なお、これらの場合においても、振動の位相の変化率が設定された閾値を超えた状態になったときや、振動の周波数の変化率が設定された閾値を越えた状態になったときに、それぞれ探針が試料表面に近接または接触したものと判断する。
また、検出手段は、探針と試料との間に流れるトンネル電流の電流量を検出するようにしてもよい。探針と試料との間に流れるトンネル電流の電流量は、探針と試料表面との距離が小さくなるに従って漸次増大すると共に、探針と試料表面との距離の単位長さ当たりの変化量も増大する。したがって、接近時と離間時における電流量の変化率を検出してこの変化率が設定された閾値を超えたときに探針が試料表面に近接または接触したものと判断する。
【００３９】
また、観測手段は、観測データとして位置データを採取したが、これに限らず、試料の弾性や粘性に関する定数、電気抵抗や吸着力などの物性量を測定してもよい。さらに、これら観測データの内の１つだけを採取するのではなく、探針が試料表面に近接または接触した状態で同時に、異なる種類の観測データを採取してもよい。このようにすることで、一度に所望するさまざまな観測データを効率よく採取することができる。
さらに、探針が試料表面に近接または接触した状態で採取する観測データに加え、制御手段が、試料表面から一定距離だけＺ方向に離間した位置に探針を配するように設定し、この位置で再び観測データを採取するようにしてもよい。このようにすることで、観測手段は、形状の影響を提言した状態で、試料表面から物理量の三次元分布、例えば三次元的な磁気分布像などを得ることができ、より多面的な観測データの採取を行うことができる。ここで、離間した位置と近接または接触した位置とで同一または異なる種類の観測データの採取を行うことで、より有効な観測データを採取することができる。
【００４０】
そして、三次元アクチュエータによってステージをＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させているが、探針を試料に対して相対的に移動させることができるものであればよく、探針を三次元アクチュエータによって動かしてもよい。
また、光検知式のカンチレバーによって探針部分の変位量を検出したが、該光検知式のカンチレバーに限られるものではなく、例えば、自己の変位量を検知する自己検知レバーを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる走査型プローブ顕微鏡を示すブロック図である。
【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、探針の振動振幅の減衰度合いを説明するための振動波形図である。
【図３】図１に示す走査型プローブ顕微鏡において、探針及び試料表面の距離と探針の振動振幅の減衰度合いとの関係を示すグラフである。
【図４】試料表面形状におけるカンチレバーと試料表面との関係を示す説明図である。
【図５】探針の振動振幅の減衰度合いを説明するための振動波形図であって、（ａ）は接近時、（ｂ）は離間時のものである。
【図６】同じく、探針の振動振幅の減衰度合いを説明するための振動波形図であって、（ａ）は接近時、（ｂ）は離間時のものである。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる走査方法を説明するための、探針の走査軌跡を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  走査型プローブ顕微鏡
２  探針
３  加振手段
４  検出手段
５  制御手段
６  観測手段
１８  変化率検出部
２４  接近離間駆動部（接近離間手段）
Ｓ  試料表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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