(57)【要約】  本発明は、（ａ）ステップイン走査モードで測定プローブ（４００）をサンプル面（５１５）にわたって走査するように具現化された走査ユニット（５５５）と、（ｂ）ステップイン走査モード中に測定プローブ（４００）を固有振動（１０５０）に励起するように具現化された自己振動回路配置（５９０、７９０）とを有する走査プローブ顕微鏡（５００）に関する。【選択図】図１０
2019533813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査プローブ顕微鏡（５００）であって、
ａ．ステップイン走査モードで測定プローブ（４００）をサンプル面（５１５）にわたって走査するように具現化された走査ユニット（５５５）と、
ｂ．前記ステップイン走査モード中に前記測定プローブ（４００）を固有振動（１０５０）に励起するように具現化された自己振動回路配置（５９０、７９０）と、
を有し、
ｃ．前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）に対する前記励起（６７５）の位相を設定するように具現化された位相調整器（６３０）を含む、
走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項２】
前記位相調整器（６３０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の最良の可能な励起に対して±３０°、好ましくは±２０°、より好ましくは±１０°、最も好ましくは±５°の範囲の位相差を有する前記励起（６７５）を設定するように具現化される、請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項３】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の振幅を設定するように具現化された自動利得閉ループ制御器（６７０）を含む、請求項１又は請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項４】
前記自動利得閉ループ制御器（６７０）は、少なくとも１つの増幅器（６２０）と、走査−保留回路配置（６４０、７４０）と、該走査−保留回路配置（６４０、７４０）を走査モードと保留モードとの間（６３０）で切り換えるように具現化された制御ユニット（６１０）とを含む、請求項１から請求項３に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項５】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、デジタル回路（７００）として具現化される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項６】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、フィールドプログラマブルゲートアレイ、ＦＰＧＡ、（７００）として又は特定用途向け集積回路、ＡＳＩＣとして具現化される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項７】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の前記励起を前記測定プローブ（４００）のカンチレバー（４１０）に伝達するように具現化された第１のアクチュエータ（４８０）と、前記自動利得閉ループ制御器（６７０）の前記制御ユニット（６１０）からの信号を該測定プローブ（４００）の該カンチレバー（４１０）に伝達するように具現化された第２のアクチュエータ（４９０）とを更に有する、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項８】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の前記励起を前記第１のアクチュエータ（４８０）に伝達するように具現化された第１のレーザシステム（５３０）と、前記制御ユニット（６１０）からの信号を前記第２のアクチュエータ（４９０）に伝達するように具現化された第２のレーザシステム（５７０）とを更に有する、請求項１から請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータ（４８０）及び前記第２のアクチュエータ（４９０）は、バイモルフアクチュエータ（４４０）として具現化される、請求項７又は請求項８に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１０】
前記測定プローブ（４００）の前記カンチレバー（４１０）が、前記バイモルフアクチュエータ（４４０）を含む、請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１１】
前記測定プローブ（４００）の前記カンチレバー（４１０）の偏向を検出するように具現化された検出器（５４５）と、該測定プローブ（４００）の該カンチレバー（４１０）の自由端（４５０）の垂直位置を検出するように具現化された検出ユニット（５８５）とを更に有する、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１２】
前記走査ユニット（５５５）と前記自己振動回路配置（５９０、７９０）を制御するように具現化された励起ユニット（５６０）とを含む制御デバイス（５５０）を更に有する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１３】
前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の振幅が、１ｎｍから１０００ｎｍ、好ましくは５ｎｍから７００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍから５００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから２００ｎｍの範囲を含む、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１４】
ステップイン走査モードで動作している走査プローブ顕微鏡（５００）の走査速度を以下の段階：
ａ．ステップイン走査モードで測定プローブ（４００）をサンプル面（５１５）にわたって走査する段階と、
ｂ．自己振動回路配置（５９０、７９０）を用いて前記ステップイン走査モード中に固有振動（１０５０）を実施するように前記測定プローブ（４００）を励起する段階と、
ｃ．前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の位相調整器（６３０）を用いて前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）に対する前記励起（６７５）の位相を設定する段階と、
によって高める方法。
【請求項１５】
段階ａ．及びｂ．は、
ｄ．段階ｂ．において：前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の前記励起を前記測定プローブ（４００）に伝達するように具現化された前記第１のアクチュエータ（４８０）を作動させる段階と、
ｅ．段階ａ．において：前記測定プローブ（４００）の測定先端（４６０）とサンプル面（５１５）の間の距離を変更するように具現化された第２のアクチュエータ（４９０）を作動させる段階と、
ｆ．段階ａ．において：前記測定プローブ（４００）の前記測定先端（４６０）と前記サンプル面（５１５）の間の接触を検出する段階と、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
段階ａ．及びｂ．は、段階のシーケンス：
ｇ．段階ｂ．において：前記第２のアクチュエータ（４９０）を作動させる段階と、
ｈ．段階ｂ．において：走査−保留回路配置（６４０、７４０）を走査モードから保留モードに切り換えることによって振幅閉ループ制御器を作動停止する段階と、
ｉ．段階ｂ．において：前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の振幅が予め決められた閾値を下回った場合に前記第１のアクチュエータ（４８０）を作動停止する段階と、
ｊ．段階ａ．において：前記サンプル面（５１５）との前記測定先端（４６０）の接触を検出した後に前記測定プローブ（４００）の該測定先端（４６０）の垂直位置を決定する段階と、
ｋ．段階ａ．において：前記第２のアクチュエータ（４９０）を作動停止し、かつ前記測定プローブ（４００）の前記測定先端（４６０）と前記サンプル面（５１５）の間の接触の喪失があるまで予め決められた持続時間を待機する段階と、
ｌ．段階ｂ．において：前記第１のアクチュエータ（４８０）を同相で作動させる段階と、
ｍ．段階ｂ．において：前記走査−保留回路配置（６４０、７４０）を前記保留モードから前記走査モードに切り換えることによって前記振幅閉ループ制御器を作動させる段階と、
を更に含む、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記測定プローブ（４００）の前記測定先端（４６０）と前記サンプル面（５１５）の間の接触を検出する段階は、この点での該測定プローブ（４００）の該測定先端（４６０）の垂直位置の決定を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のアクチュエータ（４８０）の作動なしで前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の減衰曲線から該第１のアクチュエータ（４８０）の同相作動のためのオン切り換え時間を決定する段階を更に有する、請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
コンピュータシステムによって実行されたときに該コンピュータシステムに請求項１４から請求項１８のいずれか１項に記載の方法段階を実施するように促す命令を含む、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、引用によって本明細書に明示的に組み込まれている２０１６年１０月２８日出願のＤＥ  １０  ２０１６  ２２１  ３１９．９の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、走査プローブ顕微鏡及びステップイン走査モード(step-in scan mode)で動作する走査プローブ顕微鏡の走査速度を増大させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
走査プローブ顕微鏡は、測定プローブを用いてサンプル又はその面を走査し、それによってサンプル面のトポグラフィの表現を生成するための測定データを生じる。以下では、走査プローブ顕微鏡をＳＰＭと略記する。測定プローブの測定先端(measuring tip)とサンプル面の間の相互作用のタイプに依存して異なるＳＰＭタイプが区別される。
【０００４】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）又は走査力顕微鏡（ＳＦＭ）と呼ばれる顕微鏡では、測定プローブの測定先端は、サンプル面の原子間力、典型的にはファンデルワールス引力及び／又は交換相互作用の反発力によって偏向される。測定先端の偏向(deflection)は、測定先端とサンプル面の間に作用する力に比例し、この力は、サンプルの面トポグラフィを決定するのに使用される。
【０００５】
ＡＦＭに加えて、例えば、走査トンネル顕微鏡、磁気力顕微鏡、又は光学及び音響近接場走査顕微鏡のような特定の応用分野に対して使用される多数の更に別の装置タイプが存在する。
【０００６】
走査プローブ顕微鏡は、異なる動作モード(operating mode)で使用することができる。第１の接触モードでは、測定プローブの測定先端はサンプル面の上に置かれ、この状態でサンプル面にわたって走査される。ここでは、測定先端を担持する測定プローブのカンチレバー又はスプリングビームの偏向が測定されてサンプル面を撮像するのに使用することができる。第２の接触モードでは、カンチレバーの偏向は、閉制御ループで一定に保たれ、ＳＰＭの距離がサンプル面の輪郭を追跡する。これらの２つの動作モードでは、第１に測定先端が大きな摩耗を受け、第２に測定先端との接触によって繊細なサンプルが損傷を受ける又は更に破壊される可能性がある。
【０００７】
非接触モードである第３の動作モードでは、測定先端は、サンプル面からの定められた距離にもたらされ、測定のカンチレバーは、典型的にはカンチレバーの共振周波数で又はその近くで振動するように励起される。次いで、測定プローブが、サンプル面にわたって走査される。この動作モードでは、測定先端はサンプルと接触しないので、その摩耗は少ない。しかし、この動作モードでは、ＳＰＭの空間分解能が接触動作モードにおけるよりも低く、更に、サンプル面に作用する力の短い範囲に起因して面輪郭を決定することが困難である。
【０００８】
断続モード（又はタッピングモード（登録商標））である第４の動作モードでは、カンチレバーは、同じく強制振動を実施させられるが、ＳＰＭとサンプル面の間の距離は、測定先端が振動期間の短い部分中にのみサンプル面に到達するように選択される。サンプルの面の輪郭は、サンプル面との測定プローブの相互作用によって引き起こされる強制振動の周波数、振幅、又は位相の変化から導出される。断続モードは、上述の３つの動作モード間の妥協を表すものである。
【０００９】
Ｌ．Ｍａｎｉｎｇ、Ｂ．Ｒｏｇｅｒｓ、Ｍ．Ｊｏｎｅｓ、Ｊ．Ｄ．Ａｄａｍｓ、Ｊ．Ｌ．Ｆｕｓｔｅ、及びＳ．Ｃ．Ｍｉｎｎｅ著の論文「自己振動タッピングモード原子間力顕微鏡（Ｓｅｌｆ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  ｔａｐｐｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、Ｒｅｖ．Ｓｃｉｅｎ．Ｉｎｓｔｒ．第７２巻、第９号、４２２０〜４２２２ページでは、断続動作モード（又はタッピングモード（登録商標））に使用される圧電マイクロカンチレバーセンサが説明されている。
【００１０】
上記段落に指定した論文と同様に、Ｂ．Ｒｏｇｅｒｓ、Ｌ．Ｍａｎｎｉｎｇ、Ｔ．Ｓｕｌｃｈｅｋ、Ｊ．Ｄ．Ａｄａｍｓ著の論文「圧電カンチレバーを用いたタッピングモード原子間力顕微鏡の改善（Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔａｐｐｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｗｉｔｈ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ）」、Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  １００（２００４年）、２６７〜２７６ページは、断続動作モードに使用するための圧電マイクロカンチレバーセンサを同じく説明している。
【００１１】
Ｎ．Ｎｉｋｏｌｏｖ、Ｎ．Ｋｅｎａｒｏｖ、Ｐ．Ｐｏｐｏｖ、Ｔ．Ｇｏｔｓｚａｌｋ、及びＩ．Ｒａｎｇｅｌｏｗ著の論文「一体型バイモルフアクチュエータ及び圧電抵抗読み出しを用いたマイクロカンチレバーの自己振動モードのための全デジタルＰＬＬ系（Ａｌｌ−ｄｉｇｉｔａｌ  ＰＬＬ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｂｉｍｏｒｐｈ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｒｅａｄｏｕｔ）」、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ＆  Ｔｒａｎｓ−ｄｕｃｅｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ、第９８巻、第１１版、２００８年１１月、４５〜５３ページ、ＩＳＳＮ  １７２６−５４７９では、一体型バイモルフアクチュエータ及び圧電抵抗読み出しユニットを使用するマイクロカンチレバーのための自己振動系が説明されている。
【００１２】
ステップイン動作モード又は簡潔にステップインモードである第５の動作モードでは、サンプル面に対して垂直な移動とサンプル面と平行な移動とが順次実施される。この目的に対して、測定プローブの測定先端がサンプル面上まで下降され、サンプル面と測定先端の間の相互作用が同時に測定される。その後に、測定先端は、実質的にその初期位置に再度もたらされる。次いで、測定先端は、サンプル面と平行に定められたセクションだけ変位され、更に別の下降過程によって解析過程が続けられる。これらの関係を図１に示している。
【００１３】
Ｈ．Ｋｏｙａｂｕ、Ｋ．Ｍｕｒａｙａｍａ、Ｙ．Ｋｅｍｂｏ、及びＳ．Ｈｏｓａｋａ著の論文「半導体処理評価のためのインライン原子間力顕微鏡（Ｉｎ−ｌｉｎｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｆｏｒ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）」、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｒｅｖｉｅｗ、第５１巻（２００２年）、第４号、１３０〜１３５ページでは、ＡＦＭのステップイン動作モードが説明されている。図１は、上記論文から引用したものである。
【００１４】
番号ＵＳ７１２９４８６Ｂ２を有する米国特許文献は、ステップイン走査モード又はステップイン動作モードと類似のパルス力モード（ＰＦＭ）という動作モードに関する時間−力曲線の測定及び解析を説明している。
【００１５】
番号ＵＳ７６３１５４８Ｂ２を有する米国特許文献は、走査プローブ顕微鏡のステップイン動作モードを考察し、サンプル面を解析するために検出偏向信号の時間曲線をどのように使用することができるかを説明している。
【００１６】
サンプル面上まで測定プローブのカンチレバーの測定先端を下降させてプローブから測定先端を引き戻す時間曲線を再現した図２は、上記特許出願から引用したものである。ステップイン動作モードの特徴は、測定プローブのカンチレバーの振動の意図せぬ励起であり、この振動は、例えばサンプル面と測定先端の間の接着力によって引き起こされる。サンプル面からの測定プローブの引き戻し中に測定プローブの測定先端がサンプル面から離昇する時に、これらの力は、測定プローブの共振周波数での振動又はその固有振動(natural oscillations)を励起する。測定プローブのバネ定数のサイズと走査プローブ顕微鏡の測定プローブが動作する周囲条件とに基づいて、この振動の減衰は、図２に指定しているものよりも有意に小さい場合がある。図３は、測定プローブがサンプル面から離昇することによって励起される振動の第２の減衰曲線を提示している。この図は、特許文献ＵＳ８６５０６６０Ｂ２から引用したものである。
【００１７】
カンチレバーの振動が有意な振幅(significant amplitude)を有する限り、更に別の走査過程を開始することができない。測定プローブの減衰振動が重ね合わされた測定値は、多大な困難を伴わずには解釈することができない。したがって、サンプル面を離れる時に励起される測定プローブの振動の減衰期間は、走査プローブ顕微鏡の走査速度を制限する。
【００１８】
上記で既に言及した番号８６５０６６０Ｂ２を有する米国特許文献は、ＡＦＭのためのピーク力タッピング（ＰＦＴ）動作モードを説明している。第１に、ＰＦＴ動作モードは、ＡＦＭの自動調節を容易にし、第２に、新しい測定サイクルを開始することができる前に、測定先端がサンプル面を離昇する時に励起されるカンチレバーの振動の減衰を待つ必要性を回避する。この目的に対して、測定プローブの測定データは、サンプル又はその面との全ての相互作用サイクルにわたって記録される。相互作用サイクルは、測定プローブがサンプルと相互作用する相互作用部分と、サンプル面と測定プローブ間の相互作用のない部分とに再分割される。サンプルと測定プローブ間の相互作用力は相互作用部分から決定され、相互作用のない部分から測定先端の偏向のゼロ点が計算される。
【００１９】
この特許文献は、ステップイン走査サイクル毎の大量のデータの正確な記録と、各ステップイン走査サイクル内で相互作用部分又は相互作用ゾーンを決定するためのマーカの自動又は手動配置と、測定プローブの測定先端とサンプル面の間の相互作用を測定データから確認するための大きい演算容量とを要求している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】ＵＳ７１２９４８６Ｂ２
【特許文献２】ＵＳ７６３１５４８Ｂ２
【特許文献３】ＵＳ８６５０６６０Ｂ２
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｌ．Ｍａｎｉｎｇ、Ｂ．Ｒｏｇｅｒｓ、Ｍ．Ｊｏｎｅｓ、Ｊ．Ｄ．Ａｄａｍｓ、Ｊ．Ｌ．Ｆｕｓｔｅ、及びＳ．Ｃ．Ｍｉｎｎｅ著、論文「自己振動タッピングモード原子間力顕微鏡（Ｓｅｌｆ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  ｔａｐｐｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、Ｒｅｖ．Ｓｃｉｅｎ．Ｉｎｓｔｒ．第７２巻、第９号、４２２０〜４２２２ページ
【非特許文献２】Ｂ．Ｒｏｇｅｒｓ、Ｌ．Ｍａｎｎｉｎｇ、Ｔ．Ｓｕｌｃｈｅｋ、Ｊ．Ｄ．Ａｄａｍｓ著、論文「圧電カンチレバーを用いたタッピングモード原子間力顕微鏡の改善（Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  ｔａｐｐｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｗｉｔｈ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ）」、Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  １００（２００４年）、２６７〜２７６ページ
【非特許文献３】Ｎ．Ｎｉｋｏｌｏｖ、Ｎ．Ｋｅｎａｒｏｖ、Ｐ．Ｐｏｐｏｖ、Ｔ．Ｇｏｔｓｚａｌｋ、及びＩ．Ｒａｎｇｅｌｏｗ著、論文「一体型バイモルフアクチュエータ及び圧電抵抗読み出しを使用するマイクロカンチレバーの自己振動モードのための全デジタルＰＬＬ系（Ａｌｌ−ｄｉｇｉｔａｌ  ＰＬＬ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｂｉｍｏｒｐｈ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｒｅａｄｏｕｔ）」、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ＆  Ｔｒａｎｓ−ｄｕｃｅｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ、第９８巻、第１１版、２００８年１１月、４５〜５３ページ、ＩＳＳＮ  １７２６−５４７９
【非特許文献４】Ｈ．Ｋｏｙａｂｕ、Ｋ．Ｍｕｒａｙａｍａ、Ｙ．Ｋｅｍｂｏ、及びＳ．Ｈｏｓａｋａ著、論文「半導体処理評価のためのインライン原子間力顕微鏡（Ｉｎ−ｌｉｎｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｆｏｒ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）」、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｒｅｖｉｅｗ、第５１巻（２００２年）、第４号、１３０〜１３５ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、したがって、ＳＰＭのステップイン走査モードの上述の問題区域又は従来ソリューションの複雑さを少なくとも部分的に回避するのに使用することができる装置及び方法を指定するという問題に対処するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一例示的実施形態により、この問題は、請求項１に記載の装置によって解決される。一実施形態では、装置は、（ａ）ステップイン走査モードで測定プローブをサンプル面にわたって走査するように具現化された走査ユニットと、（ｂ）ステップイン走査モード中に測定プローブを固有振動に励起するように具現化された自己振動回路配置(self-oscillation circuit arrangement)とを有する走査プローブ顕微鏡を含む。
【００２４】
測定プローブがサンプル面を離昇する結果として、非常に広い周波数スペクトルが測定プローブを励起し、この測定プローブは、次に、その固有又は共振周波数で緩和振動を実施する。ステップイン動作モード中に、本発明による走査プローブ顕微鏡の自己振動回路配置は、正確に測定プローブの固有又は共振周波数での振動に測定プローブを励起する。測定プローブがその固有周波数で動作される(operated)ことにより、測定プローブとサンプル面の間の接着力によって引き起こされる測定プローブの減衰振動は、測定プローブの測定先端がサンプル面から脱離した後の測定プローブの予め決められた振幅での固有振動の適時開始を支援する。測定プローブがサンプル面を離昇した後に、新しい走査サイクル又はステップインサイクルを開始することができる前にこの離昇によって誘起される振動の振幅が固有振動の予め決められた振幅に到達するまで待機することのみが必要である。それにより、ステップイン走査モードでの走査プローブ顕微鏡の走査速度の有意な増大が容易になる。
【００２５】
自己振動回路配置は、測定プローブの固有振動に対する励起の位相を設定するように具現化された位相調整器(phase shifter)を含むことができる。
【００２６】
測定プローブがサンプル面を離昇した後に固有周波数での測定プローブの振動を可能な限り迅速に再確立することができるように、励起又は励起信号と測定プローブの固有振動とが互いに対する定められた位相差を有することが好ましい。測定プローブの固有振動の可能な最良の励起は、励起信号と固有振動が実質的に９０°の位相差を有する場合に達成される。
【００２７】
本出願のここでの又はどこか他所での表現「実質的に」は、従来技術による測定計器を用いて測定変数が測定された時にその誤差許容範囲内の測定変数の表示を示している。
【００２８】
位相調整器は、測定プローブの固有振動の可能な最良の励起に対して±３０°、好ましくは±２０°、より好ましくは±１０°、最も好ましくは±５°の範囲にある位相差を有する励起を設定するように具現化することができる。
【００２９】
自己振動回路配置は、測定プローブの固有振動の振幅を設定するように具現化された自動利得閉ループ制御器を含むことができる。
【００３０】
自動利得閉ループ制御器は、少なくとも１つの増幅器と、走査−保留回路配置(scan-hold circuit arrangement)と、走査−保留回路配置を走査モードと保留モードとの間で切り換えるように具現化された制御ユニットとを含むことができる。
【００３１】
自己振動回路配置は、デジタル回路として具現化することができる。自己振動回路配置は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として具現化することができる。
【００３２】
更に、走査プローブ顕微鏡は、自己振動回路配置の励起を測定プローブのカンチレバーに伝達するように具現化された第１のアクチュエータを有することができ、かつ自動利得閉ループ制御器の制御ユニットからの信号を測定プローブのカンチレバーに伝達するように具現化された第２のアクチュエータを有することができる。
【００３３】
走査プローブ顕微鏡は、自己振動回路配置の励起を第１のアクチュエータに伝達するように具現化された第１のレーザシステムを有することができ、かつ制御ユニットからの信号を第２のアクチュエータに伝達するように具現化された第２のレーザシステムを有することができる。
【００３４】
第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータは、バイモルフアクチュエータとして具現化することができる。測定プローブのカンチレバーは、バイモルフアクチュエータを含むことができる。
【００３５】
更に、走査プローブ顕微鏡は、測定プローブのカンチレバーの偏向を検出するように具現化された検出器を有することができ、かつ測定プローブのカンチレバーの自由端の垂直位置を検出するように具現化された検出ユニットを有することができる。
【００３６】
検出器は、光検出器及び／又は干渉計を含むことができ、検出ユニットは、光検出器及び／又は干渉計を含むことができる。自己振動回路配置の制御ユニットは、測定プローブの固有振動の周波数の変化の測定値から測定プローブの測定先端とサンプル面の間の相互作用を決定するように具現化することができる。
【００３７】
更に、走査プローブ顕微鏡は、走査ユニットと自己振動回路配置を制御するように具現化された励起ユニットとを含む制御デバイスを有することができる。
【００３８】
測定プローブの固有振動は、１ｋＨｚから２０ＭＨｚ、好ましくは５ｋＨｚから１０ＭＨｚ、より好ましくは１０ｋＨｚから５ＭＨｚ、最も好ましくは２０ｋＨｚから２ＭＨｚの周波数範囲を含むことができる。測定プローブの固有振動の振幅は、１ｎｍから２０００ｎｍ、好ましくは１ｎｍから１０００ｎｍ、より好ましくは５ｎｍから５００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから２００ｎｍの範囲を含むことができる。
【００３９】
自己振動回路配置は、測定プローブの固有振動の振幅をモニタするために自己振動回路配置によって使用される制御信号を供給するように具現化されたコネクタを有することができる。
【００４０】
本発明の更に別の例示的実施形態により、問題は、請求項１５に記載の方法によって解決される。一部の実施形態では、ステップイン走査モードで動作する走査プローブ顕微鏡の走査速度を上げる方法は、（ａ）ステップイン走査モードで測定プローブをサンプル面にわたって走査する段階と、（ｂ）自己振動回路配置を用いてステップイン走査モード中に固有振動を実施するように測定プローブを励起する段階とを含む。
【００４１】
段階（ａ）及び（ｂ）は、（ｃ）段階（ｂ）で自己振動回路配置の励起の場合に測定プローブを測定プローブに伝達するように具現化された第１のアクチュエータを作動させる(activating)段階と、（ｄ）段階（ａ）で測定プローブの測定先端とサンプル面の間の距離を変更するように具現化された第２のアクチュエータを作動させる段階と、（ｅ）段階（ａ）で測定プローブの測定先端とサンプル面の間の接触を検出する段階とを含むことができる。
【００４２】
段階（ａ）及び（ｂ）は、（ｆ）段階（ｂ）で第２のアクチュエータを作動させる段階と、（ｇ）段階（ｂ）で走査−保留回路配置を走査モードから保留モードに切り換えることによって振幅閉ループ制御器を作動停止(deactivating)する段階と、（ｈ）段階（ｂ）で固有振動の振幅が予め決められた閾値を下回った場合に第１のアクチュエータを作動停止する段階と、（ｉ）段階（ａ）でサンプル面との測定先端の接触を検出した後に測定プローブの測定先端の垂直位置を決定する段階と、（ｊ）段階（ａ）で第２のアクチュエータを作動停止し、かつ測定プローブの測定先端とサンプル面の間の接触の喪失があるまで予め決められた持続時間を待機する段階と、（ｋ）段階（ｂ）で第１のアクチュエータを同相で作動させる段階と、（ｌ）段階（ｂ）で走査−保留回路配置を保留モードから走査モードに切り換えることによって振幅閉ループ制御器を作動させる段階とを更に含むことができる。
【００４３】
測定プローブとサンプル面の間の接触を検出する段階は、この点での測定プローブの測定先端の垂直位置の決定を含むことができる。
【００４４】
本方法は、第１のアクチュエータの作動なしでの測定プローブの固有振動の減衰曲線から第１のアクチュエータの同相作動(in-phase activation)のためのオン切り替え時間(switch-on time)を決定する段階を更に含むことができる。
【００４５】
コンピュータプログラムは、コンピュータシステムによって実行された時にコンピュータシステムに上記に指定した態様の方法段階を実施するように促す命令を含むことができる。
【００４６】
以下の詳細説明は、図面を参照して本発明の現在好ましい例示的実施形態を説明するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術による走査プローブ顕微鏡のステップイン走査モードを概略的に明らかにする図である。
【図２】上側の部分画像にサンプル面への測定プローブの接近及び測定プローブのカンチレバーの偏向信号を示し、かつ下側の部分画像にサンプル面への測定プローブの測定先端の接近、サンプル面との測定先端の接触、及びサンプル面からの測定プローブの測定先端の離昇を提示する図である。
【図３】測定プローブがサンプル面を離昇することによって誘起された従来技術による関連の緩和振動を有する走査プローブ顕微鏡のステップイン動作モードの又はステップイン走査モードの２つのサイクルを示す図である。
【図４】バイモルフアクチュエータを有する測定プローブの概略図である。
【図５】概略図に走査プローブ顕微鏡の一部の構成要素を再現した図である。
【図６】自己振動回路配置の一部の構成要素を再現した図である。
【図７】ＦＰＧＡの形態に具現化された自己振動回路配置の一部の構成要素を示す図である。
【図８】ステップイン走査モードのサイクルの概略図である。
【図９】測定プローブの励起周波数が測定プローブの共振周波数に対応しないステップイン走査モードのサイクルを提示する図である。
【図１０】測定プローブの励起周波数がその共振周波数に対応するステップイン走査モードのサイクルを提示する図である。
【図１１】ステップイン走査モードで動作する走査プローブ顕微鏡の走査速度を上げる方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１から図３を用いて、走査動作モード、走査モード、又はステップイン走査モードで動作する走査プローブ顕微鏡に関連付けられた問題を簡単に説明する。その後に、本発明による装置及び本発明による方法の現時点で好ましい実施形態をより詳細に以下に説明する。
【００４９】
図１の模式図は、ステップイン走査モードで動作される走査プローブ顕微鏡によってどのように測定データが記録されるかを示している。段階（ｉ）では、測定プローブがサンプルの面上に置かれる。測定プローブとサンプル面の間の接近の最後のフェーズにおいて、測定プローブの測定先端は、主としてファンデルワールス力であるサンプル面の引力の影響下に陥り、この測定先端はサンプル面によって引き寄せられる。図３では、この領域を文字ＡとＢで指定している。点Ｂにおいて、測定プローブはサンプル面に接触する。この状態では、ｚ方向又は垂直方向、すなわち、サンプル面に対して垂直な測定プローブの距離が、基準点又は基準平面に対して測定される。
【００５０】
次に、図１の段階（ｉｉ）で測定プローブはサンプル面から引き戻される。測定プローブの測定先端とサンプル面の間の接着力に打ち勝つことができるように、測定プローブのカンチレバーは、測定先端とサンプル面の間の接触が切断される前に有意な応力を有する。測定先端とサンプル面の間の接触は、図３の点Ｄにおいて解除される。測定プローブのカンチレバー内に累積されたエネルギは、最大振幅Ｅを有する測定プローブの共振周波数での測定プローブの振動によって散逸する。
【００５１】
段階（ｉｉｉ）では、測定プローブは、サンプル面から引き戻された状態で予め決められた距離だけ横方向に変位される。測定プローブの測定先端をサンプル面から離昇させることによって誘起された振動が減衰し次第、直ちに新しい下降段階（ｉ）を開始することができる。
【００５２】
図２は、上側の部分画像にサンプル面からの測定プローブの下降及び引き戻しと測定プローブをサンプル面から解除することによって引き起こされる測定プローブのカンチレバーの振動とを再度示している。測定プローブを下降及び引き戻す段階は、測定プローブのｚアクチュエータに印加される制御信号に対する反応として発生し、図２にはこの制御信号を測定プローブの測定先端の偏向信号曲線の下に例示している。図２の下側部分画像は、左手側にサンプル面の長距離引力の距離範囲を中心に測定プローブの測定先端がサンプル面と接触している状態、及び右手側にサンプル面からの測定先端の脱離の瞬間を提示している。
【００５３】
測定先端をサンプル面から離昇させることによって引き起こされる測定プローブのカンチレバーの振動は、複数のファクタに依存する。測定先端の形態及び材料、並びにサンプルの材料組成及び面状態がそれに影響を及ぼす。測定プローブのバネ定数は、振幅の最大サイズ及び励起された共振振動の減衰挙動に対して非常に重要である。最後に、測定プローブが動作する周囲条件は、測定プローブの緩和振動の減衰特性に対して決定的に重要なものである。
【００５４】
図４は、測定プローブ４００を通る断面を示している。測定プローブ４００は、当業技術で常套的であるように下記ではカンチレバー４１０と呼ぶ曲げバー４１０を含む。図４に示す例では、例えば、カンチレバー４１０は、例えばシリコンのような半導体材料から製造することができる第１の層４２０を含む。更に、カンチレバー４１０は、例えば金属を含むことができる第２の層４３０を有する。二層カンチレバー４１０のための材料は、その剛性又は弾性、熱膨張、及び／又は生産可能性に従って好ましくは選択される。
【００５５】
図４の例では、カンチレバー４１０は、バイモルフアクチュエータ４４０の機能を満足する。バイモルフアクチュエータ４４０を作動させることにより、測定プローブ４００のカンチレバー４１０を最初に予め決められた周波数に、次に、測定プローブ４００の固有周波数での振動及び振幅に励起することができる。したがって、バイモルフアクチュエータ４４０は、第１のアクチュエータ４８０の機能を満足する。更に、バイモルフアクチュエータ４４０は、下向き、すなわち、測定先端４６０の方向に適切な励起によって曲げることができる。したがって、測定プローブ４００のカンチレバー４１０のバイモルフアクチュエータ４４０は、第２のアクチュエータ４９０の機能を実施することができる。
【００５６】
カンチレバー４１０の自由端４５０には測定先端４６０が取り付けられる。測定プローブ４００の測定先端４６０は、サンプル面と相互作用する。カンチレバー４１０の反対端又はカンチレバー４１０の脚は、保持装置４７０に接続される。例えば、保持プレートの形態に具現化することができる保持装置４７０は、測定プローブ４００を走査プローブ顕微鏡に例えばクランプ（図４には例示していない）を用いて取り付けるように機能する。
【００５７】
図５は、走査プローブ顕微鏡５００の一部の構成要素を概略的に示しており、走査プローブ顕微鏡５００のＳＰＭ測定ヘッドは、測定プローブ４００をＳＰＭ５００内に組み込むためなどに機能するマウント（明瞭化の理由から図５では隠している）を有する。走査プローブ顕微鏡は、サンプル５１０を検査するのに使用される測定変数に従って区別される。走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、サンプル５１０のサンプル面５１５のトポグラフィを解析するために、サンプル５１０と測定先端４６０の間に電圧が印加された時に発生するサンプル５１０と測定先端４６０の間のトンネル電流を使用する。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、サンプル５１０による測定先端４６０の偏向からサンプル５１０の面輪郭を決定する。磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、サンプル５１０と測定先端４６０の間の磁気力を測定する。走査近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）は、サンプル５１０と測定先端４６０の間の相互作用としてエバネッセント電磁波を使用する。走査近接場音響顕微鏡（ＳＮＡＭ）は、サンプル５１０の面トポグラフィを走査するために近接場音響相互作用を使用する。走査プローブ顕微鏡のこの列挙は完全ではない。
【００５８】
この出願で開示するステップイン走査モードで走査プローブ顕微鏡５００の走査レート又は走査速度を加速するための測定プローブ４００のカンチレバー４１０の固有振動の励起に関する原理は、カンチレバー４１０、すなわち、弾力的に湾曲可能なレバーアーム又は簡潔にスプリングビームを有する全てのタイプの走査プローブ顕微鏡の測定プローブに適用することができる。
【００５９】
下記では、走査プローブ顕微鏡５００の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）５００に対して説明する。図５に示す原子間力顕微鏡５００は、周囲条件下又は真空チャンバ（図５には例示していない）内で動作させることができる。解析されるサンプル５１０は、サンプルステージ５２０上に配置される。サンプルステージ５２０は、位置決めデバイス(positioning device)５２５によって３つの空間方向に配置することができる。位置決めデバイス５２５は、例えば、スピンドルアクチュエータ及び／又は圧電アクチュエータの形態にある例えば１又は２以上の微小変位要素（図５には示していない）を含む。
【００６０】
測定プローブ４００は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）５００のＡＦＭ測定ヘッド内に締結装置（図４には示していない）上のマウントを用いて固定される。測定プローブ４００の保持装置４７０は、圧電アクチュエータ（図５には例示していない）を通じてＡＦＭ５００の測定ヘッドに接続することができる。測定プローブ４００をＡＦＭ測定ヘッドに接続する圧電アクチュエータは、走査デバイスの機能を実施することができる。これに代えて又はこれに加えて、更に別の実施形態では、サンプル面５１５と測定プローブ４００の測定先端４６０の間の相対移動は、位置決めデバイス５２５と、保持装置４７０をＡＦＭ測定ヘッドに接続する圧電アクチュエータとの間で分配することができる。一例として、位置決めデバイス５２５は、サンプル平面（ｘｙ平面）内のサンプル５１０の移動を実行し、上述の圧電アクチュエータは、サンプルに対する法線方向（ｚ方向）の測定プローブ４００の測定先端４６０の移動を実行する。
【００６１】
しかし、好ましくは、サンプルステージ５２０は据え置き方式に実施され、測定先端４６０は、微小変位要素（図５には示していない）を用いてサンプル５１０の解析される領域にもたらされる。
【００６２】
測定プローブ４００は、複数の動作モードで動作させることができる。最初に、測定プローブ４００を一定の高さの場所でサンプル５１０の面５１５にわたって走査することができる。これに代えて、測定プローブ４００は、閉制御ループにおいて一定の力でサンプル面５１５にわたって案内することができる。更に、変調方法を用いて、カンチレバー４１０をサンプル面５１５と垂直に振動させ、それによってサンプル５１０の面５１５を閉制御ループで走査することができる。
【００６３】
しかし、測定プローブ４００は、走査モード又はステップイン動作モードで好ましくは動作される。この動作モードでは、測定プローブ４００のカンチレバー４１０は、測定プローブ４００の固有又は共振周波数で振動するように励起される。図５に示す例では、測定プローブ４００の固有周波数で振動するように測定プローブ４００のカンチレバー４１０を励起するために第１のレーザシステム５３０が使用される。レーザシステム５３０は、レーザビーム５３２によって測定プローブ４００のバイモルフアクチュエータ４４０上に向けられてバイモルフアクチュエータ４４０の第１のアクチュエータ４８０の機能を制御する時変出力電力を生成する。図５に示す例では、第１のレーザシステム５３０は、電磁スペクトルの赤外線範囲の光、特に８００ｎｍの範囲の光を放出するレーザダイオードを含む。レーザシステム５３０内に可変出力電力又は対応するレーザパルスを生成するのに使用される回路配置の詳細を下記で説明し、この点でこの解説は図６及び図７に関するものである。
【００６４】
カンチレバー４１０の自由端４５０をサンプル面５１５の方向に曲げるために第２のレーザシステム５７０が使用される。この目的に対して、図５の例にある組合せ要素５３５を用いて第２のレーザシステム５７０のビーム５７２が第１のレーザシステム５３０のビーム５３２に統合され、両方のレーザシステム５３０と５７０の共通ビーム５３７が形成される。組合せ要素５３５は、偏光ビームスプリッタキューブを含むことができる。組み合わされたビーム５３７は、測定プローブ４００のカンチレバー４１０の脚に好ましくは向けられる。第２のレーザシステム５７０は、時間的に一定又は時間的に緩慢にしか変化しない屈折力を有する光ビーム５３２を放出する。図５の例では、第２のレーザシステム５７０も同じく赤外線波長範囲で放出を行うレーザダイオードを含む。したがって、第２のレーザシステム５７０は、バイモルフアクチュエータ４４０の第２のアクチュエータ４９０の機能を制御する。第１のレーザシステム５３０と第２のレーザシステム５７０は、同じ放出波長を有することができ、又は異なる波長を有する光を生成することができる。第１のレーザシステム５３０及び第２のレーザシステム５７０は、図５には簡略化の理由から隠している共通の光学ユニットを用いて測定プローブ４００のカンチレバー４１０上にフォーカスさせることができる。両方のレーザシステム５３０及び５７０が、それぞれ専用光学ユニットを有し、かつカンチレバー４１０の異なる点上にそれぞれフォーカスさせることも可能である。
【００６５】
更に、両方の機能を実施するための単一レーザシステム（図５には例示していない）を使用することができる。この場合に、バイモルフアクチュエータ４４０が第１のアクチュエータ４８０としてカンチレバー４１０をその固有周波数で振動するように励起し、第２のアクチュエータ４９０としてカンチレバー４１０の自由端４５０をサンプル面５１５の方向に定められた方式で曲げるように、単一レーザシステムのレーザビームは、バイモルフアクチュエータ４４０に適時エネルギを供給する。この構成は、第１に走査プローブ顕微鏡５００及び制御デバイス５５０の複雑さを低減し、第２に１つの光ビーム５３７しか用いないことによって作動を容易にし、ＳＰＭ５００の調節を簡易にすることで有利である。
【００６６】
レーザシステム５３０及び５７０に対して特定の要件が課せられることはない。これらのレーザシステムの波長は所望通りに選択することができる。しかし、電磁スペクトルの可視範囲の波長は、レーザビーム５３５又は５７５の調節を容易にする。しかし、バイモルフアクチュエータ４４０内で吸収される放射線の部分が可能な限り大きいようにレーザ放射線の波長を選択すること、すなわち、カンチレバー４１０の材料と１又は複数のレーザシステム５３０及び５７０とを互いに適合させることが好ましい。バイモルフアクチュエータ４４０又はカンチレバー４１０を加熱するには数ｍＷの出力電力で十分である。カンチレバー４１０を加熱し、測定プローブ４００の固有振動を励起するには焦点＜１０μｍ上にフォーカスさせることが必要である。特に、非常に僅かなレーザ放射線５３７しかカンチレバー４１０を過ぎてサンプル５１０に到達しないように、焦点は、カンチレバー４１０の幅よりも小さくなければならない。測定プローブ４００の共振周波数は、数ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数範囲にある。これらの要件は、最新のレーザシステム５３０に対していかなる問題も課さない。
【００６７】
測定プローブ４００の測定先端４６０とサンプル５１０の面５１５との相互作用の結果としての測定先端４６０の偏向又はその変化は、光ポインタシステム(light pointer system)を用いて検出することができる。図５に光ポインタシステムを示している。光ポインタシステムは、不可欠な構成要素として第３のレーザシステム５４０と検出器５４５とを含む。第３のレーザシステム５４０は、検出ユニット５８５を通じて放射を行い、レーザビーム５４２をカンチレバー４１０の自由端４５０上に向ける。カンチレバー４１０から反射されたレーザビーム５４７は検出器５４５によって拾い出される。図５に示す例では、第３のレーザシステム５４０は、電磁スペクトルの可視範囲の光、特に緑色光を放出する固体レーザを含む。第３のレーザシステム５４０は、制御デバイス５５０によって接続部５４１を通じて制御される。光ポインタシステムの検出器５４５は、多くの場合に四象限フォトダイオードの形態に具現化される。二分割フォトダイオード（図５及び図６には例示していない）を使用することもできる。検出器５４５は、測定プローブ４００の固有周波数でのカンチレバー４１０の振動と、測定先端４６０をサンプル面５１５の上まで下降させるための第２のアクチュエータ４９０によるカンチレバー４１０の自由端４５０の調節可能な曲げとの両方を検出することができる。
【００６８】
図５の走査プローブ顕微鏡５００内には検出ユニット５８５が設けられる。一例として、検出ユニット５８５は、光学干渉計、例えば、レーザ干渉計及び／又はフォトダイオードを含むことができる。図５に示す例では、検出ユニット５８５は、第３のレーザシステム５４０によって形成された光源を有する干渉計を含む。図５に示す例では、検出ユニット５８５は、測定先端４６０がサンプル５１０の面５１５に接触する時の測定プローブ４００の測定先端４６０の垂直位置のｚ位置を測定するのに使用される。この目的に対して、干渉計５８５は、測定先端４６０がサンプル面５１５と接触している時にカンチレバーの自由端４５０によって反射された第３のレーザシステム５４０の光ビーム５４２の光を解析する。更に、ｚ方向、特にサンプル面５１５に対して垂直な測定先端４６０の移動を確立するために検出ユニット５８５を使用することができる。
【００６９】
これに加えて、カンチレバー４１０の自由端４５０の偏向は、これに加えて又はこれに代えて、カンチレバー４１０の圧電抵抗要素又はセンサ（図５には例示していない）を用いて検出することができる。更に、光ポインタシステム及び／又は検出ユニット５８５の光学信号と圧電抵抗要素（同じく図５には示していない）の測定データとの組合せからサンプル面５１５及び基準点又は基準平面に対するカンチレバー４１０の自由端４５０の距離を決定することができる。
【００７０】
更に、原子間力顕微鏡５００は制御デバイス５５０を含む。制御デバイス５５０は、走査ユニット５５５と励起ユニット５６０を含む。制御デバイス５５０、走査ユニット５５５、及び励起ユニット５６０は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はその組合せとして具現化することができる。
【００７１】
接続部５２７及び５８０を通じて、走査ユニット５５５は、位置決めユニット５２５の移動及び／又は測定プローブ４００をＡＦＭ測定ヘッドに接続する圧電アクチュエータの移動の開ループ制御及び／又は閉ループ制御器を提供する。更に、制御デバイス５５０の走査ユニット５５５は、接続部５４１を通じて第３のレーザシステム５４０を制御する。接続部５８２を通じて、励起ユニット５６０は、測定プローブ４００を固有振動に励起するのに使用する励起又は励起信号を生成する自己振動回路配置５９０を制御する。
【００７２】
自己振動回路配置５９０は、検出器５４５から接続部５４８を通じて測定データを受信する。更に、自己振動回路配置５９０は、同じく接続部５８７を通じて検出ユニット５８５から測定データを取得することができる。検出ユニット５８５は、その測定データを制御デバイス５５０の走査ユニット５５５に接続部５８６を通じて供給する。自己振動回路配置５９０は、第１のレーザシステム５３０を接続部５３１を通じて制御し、この第１のレーザシステムは、次に、バイモルフアクチュエータ４４０の第１のアクチュエータ４８０をレーザビーム５３２によって制御する。更に、自己振動回路配置５９０は、接続部５７１を通じて第２のレーザシステム５７０を制御する。上述したように、第２のレーザシステム５７０のレーザビーム５７２は、バイモルフアクチュエータ４４０の第２のアクチュエータ４９０を制御し、したがって、サンプル面５１５の方向の測定プローブ４００のカンチレバー４１０の測定先端４６０の曲げを制御する。この目的に対して、組み合わされたレーザビーム５３７は、同じく上述したように、カンチレバー４１０の脚（すなわち、保持装置４７０が取り付けられたカンチレバー４１０の端部）の近くで測定プローブ４００のカンチレバー４１０の上に向けられる。
【００７３】
代替実施形態では、バイモルフアクチュエータ４４０は、レーザシステム５７０によってではなく１又は２以上の抵抗器要素を用いて加熱される。一例として、第１のレーザシステム５３０の代わりに第１の抵抗器要素を使用することができ、第２のレーザシステム５７０の代わりに第２の抵抗器要素を使用することができる（図５には示していない）。別の実施形態では、測定プローブ４００は、圧電要素（図５には示していない）を用いて固有周波数で振動するように励起される。同様に、上述した実施形態の混合形態を使用することができる。
【００７４】
測定先端４６０とサンプル面５１５の間の相互作用は、振動するように励起された測定プローブ４００の振幅変化によって検出することができる。これに代えて、測定先端４６０がサンプル面５１５に接近する時の固有振動の周波数変化から測定先端４６０とサンプル面５１５の間の相互作用を確立することが可能である。
【００７５】
図６の模式図６００は、測定プローブ４００の固有振動を発生させるための励起又は励起信号を生成するのに使用することができる図５の自己振動回路配置５９０の必須構成要素を示している。図６に示す例では、第１のレーザシステム５３０と第２のレーザシステム５７０は、レーザシステム６３０内で組み合わされる。自己振動回路配置５９０の制御ユニット６１０は、ＳＰＭ５００の制御デバイス５５０の励起ユニット５６０（図６には示していない）に接続される。自己振動回路配置５９０は、増幅器６２０と、走査−保留回路配置６４０と、制御ユニット６１０との形態にある自動利得閉ループ制御器６７０を有する。更に、自己振動回路配置５９０は、制御ユニット６１０が走査−保留回路配置６４０の走査モードと保留モードの間で切り換えることができるスイッチ６６０を含む。位相調整器６３０は、レーザシステム６３０に対して与えられる励起の位相角又はレーザシステム６３０に対して与えられる制御信号を測定プローブ４００の固有振動の位相に適応させる。更に、自動利得閉ループ制御器６７０は、位相調整器６３０の信号と走査−保留回路配置６４０の信号と制御ユニット６１０の信号とを組み合わせる組合せユニット６５０を有する。一例として、組合せユニット６５０は、位相調整器６３０の信号と走査−保留回路配置６４０の信号とを乗算する乗算ユニット（図６には示していない）を有することができる。更に、組合せユニット６５０は、乗算した位相調整器６３０の信号と走査−保留回路配置６４０の信号とを制御ユニット６１０の信号に加算する加算ユニット（図６には例示していない）を含むことができる。
【００７６】
更に、制御ユニット６１０は、電圧ランプを生成するための発電機部品を含む。発電機部品は、レーザシステム６３０に対する励起信号６７５の一部である電圧信号を生成する。制御ユニット６１０の発電機部品の電圧ランプは、レーザシステム６３０を通じてカンチレバー４１０の第２のアクチュエータ４９０を制御し、したがって、サンプル面５１５からの測定プローブ４００の測定先端４６０の距離を制御する。
【００７７】
自己振動回路配置５９０が、同相の検出器５４５の測定信号６１５の部分を増幅された測定信号６２５と乗算することにより、組合せユニット６５０は、測定プローブ４００の固有振動に対して正のフィードバックを有する励起６７５又は励起信号６７５を生成する。測定プローブ４００の固有振動の理想的な励起６７５の目的に対して、励起６７５は、測定プローブ４００の固有振動の位相に関して９０°の位相差を有する。励起信号６７５の位相は、測定プローブの固有振動の位相にπ／２だけ先行する。π／２という可能な最良の位相差からの±３０°の範囲の偏差は、測定プローブの固有振動の位相閉ループ制御器の作動範囲(working range)を有意に制限することなく許容可能である。
【００７８】
自動利得閉ループ制御器６７０は、励起信号６７５の振幅を予め決められた値に調整し、すなわち、振動期間中の測定プローブ４００の固有振動の損失が正確に補償されるように励起の利得が設定される。カンチレバー４１０の測定先端４６０がサンプル面５１５に接近する間に、制御ユニット６１０は、スイッチ６６０を作動させて、走査−保留回路配置６４０を測定プローブ４００の固有振動の振幅が調整される走査モードから固有振動の振幅が以降調整されず、代わりに固定された励起信号６７５によって励起される保留モードに切り換える。振幅調整段階から固定された励起への切り換わりは、測定先端４６０とサンプル面５１５の間の相互作用中にかつ遅くとも測定先端とサンプル面５１５の間の接触時に、測定プローブ４００の固有振動の予め決められた振動振幅を維持しようと試みる閉ループ制御器により、固有振動の振幅閉ループ制御器が繊細なサンプル又は測定プローブ４００を損傷するのを防止する。
【００７９】
測定プローブ４００の測定先端４６０とサンプル面５１５の間の接触後に及びサンプル面５１５が検出された後に、制御ユニット６１０は第１のレーザシステム５３０をオフに切り換える。図６に示す組合せレーザシステム６３０では、それがその出力電力の直接光成分によってカンチレバー４１０の第２のアクチュエータ４９０を作動させ続ける間に、第１のアクチュエータ４８０の正弦波励起が中断される。制御ユニット６１０は、予め決められた閾値よりも小さい測定プローブ４００の固有振動の振幅の低減から測定先端４６０とサンプル面５１５の間の接触を決定する。この目的に対して、制御ユニット６１０は、検出器５４５からの信号を連続的に評価する。測定プローブ４００の測定先端４６０とサンプル面５１５の間の接触の検出の直後に、走査ユニット５５５は、検出ユニット５８５の測定データから測定プローブ４００の測定先端４６０の垂直位置を確立する。その時に、自己振動回路配置５９０の制御ユニット６１０は、第２のレーザシステム５７０をオフに切り換える。図６に示す例では、レーザシステム６３０がオフに切り換えられる。
【００８０】
測定先端４６０がサンプル面５１５との接触を失っていることを保証する予め決められた期間を待機した後に、制御ユニット６１０は、第１のレーザシステム５３０を再度オンに切り換えるか又は励起信号６７５でレーザシステム６３０を作動させる。それと並行して走査−保留回路配置６４０が、スイッチ６６０を作動させることによって保留モードから走査モードに切り換えられる。その結果、測定プローブ４００の固有振動の振幅閉ループ制御器が再作動される。同時に、励起信号６７５と測定プローブ４００の固有振動の間の位相制御ループが、第１のレーザシステム５３０をオンに切り換えることによって再度閉じられる。
【００８１】
第１のレーザシステム５３０が再度オンに切り換えられてレーザシステム６３０が励起信号６７５によって作動された時に、再度オンに切り換える時間は、励起信号６７５と測定先端４６０がサンプル面５１５から離昇することによって開始される測定プローブ４００の固有振動との間の位相差が可能な最良の程度で互いに適合するように選択される。
【００８２】
この時間を決定するためのオプションがいくつか存在する。最初に、第２のレーザシステム５７０のオフ切り換え時間(switch-off time)と第１のレーザシステム５３０を再度オンに切り換える段階との間（又はレーザシステム６３０をオフに切り換える段階と励起信号６７５によってそれを作動させる段階との間）で固定された時間間隔が待機される。様々なステップイン測定サイクルの範囲でのタイミングは非常に似通っているので、オン切り換えが再度実施される時間は経験的に確認することができる。
【００８３】
次に、ステップインサイクル中に一度、測定先端４６０の偏向の曲線全体を測定することができ、図３の点Ｄ又はＥが確認される。その結果、点Ｂ（第１のレーザシステム５３０をオフに切り換える）と点Ｄ（測定先端４６０がサンプル面５１５から離昇する）との間の時間間隔は既知である。一例として、次に、第１のレーザシステム５３０が再度オンに切り換えられる前に測定プローブ４００の緩和振動の１又は２以上の期間をまだ待機することができる。更に、サンプル面からの測定先端４６０の離昇によって開始される測定プローブ４００の緩和振動のみを測定し、これらの測定データから第１のレーザシステム５３０又はレーザシステム６３０に対するオン切り換え時間を計算することができる。
【００８４】
更に別の代替では、測定先端４６０とサンプル面５１５の間の接触中に第１のレーザシステム５３０をオフに切り換える必要はない。しかし、測定プローブ４００の剛性又はバネ定数に基づいて、この手順は、自己振動回路配置５９０の電子機器を過剰駆動する(overdriving)リスクを呈する。
【００８５】
自己振動回路配置５９０は、アナログ形式又はデジタル形式に具現化することができる。更に、自己振動回路配置５９０は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、又はその組合せとして実現することができる。
【００８６】
図７の模式図７００は、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）の形態にあるデジタル回路配置として具現化された自己振動回路配置７９０の例示的実施形態を示している。アナログ／デジタルコンバータ７１０（ＡＤＣ）が、検出器５４５からアナログ形式にある測定信号６１５を受信してこれらの信号をデジタル信号７７１５に変換する。デジタル信号７１５は、自己振動回路配置７９０のＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタ７２０に供給される。フィルタ７２０は、測定プローブ４００の測定先端４６０をサンプル面５１５の上まで下降させることで生じて測定プローブ４００の固有振動に重ね合わされる測定信号６１５の緩慢なランプ成分を除去する。フィルタリングされたデジタルデータは、第２のＲＭＳ（二乗平均平方根）フィルタ７２５に供給され、このフィルタ７２５は、測定プローブ４００の固有振動の振幅の有効値を決定する。フィルタ７２５は、測定プローブ４００の固有振動の複数の期間にわたって平均化を行う。ＲＭＳフィルタ７２５の出力は、ＰＩＤ（比例積分微分）コントローラ７３０に供給される。コントローラ７３０は、振幅閉ループ制御器に対するフィードバック要素を表す。スイッチ７３２を使用することで、クロック発生器７６０のクロック信号は、振幅閉ループ制御器が非作動状態にある期間中にはＰＩＤコントローラ７３０に印加されない。ＰＩＤコントローラ７３０の出力信号７３５は、デジタル励起信号７８５の振幅成分Ａを含み、かつ走査−保留回路配置Ｓ＆Ｈ７４０の入力に印加される。
【００８７】
ＲＭＳフィルタ７２５の出力信号の第２の部分は、比較器ＣＭＰ７４５の入力に印加される。比較器７４５は、この信号を第２の入力に印加された閾値Ｔｈｒｓに対して比較する。測定プローブ４００の固有振動の振幅が予め決められた閾値を下回った場合に、比較器７４５の出力はアクティブであり、すなわち、この比較器は、関数Ａ＜Ｂを達成する。比較器７４５は、その出力信号をＦＩＦＯ（先入れ先出し）メモリ７７５に、更に遅延部材ＤＬＹ７５０を通じて走査−保留回路配置７４０に与え、次に、ランプ発生器ＲＡＭＰ７６５に与える。
【００８８】
一例として、ランプ発生器７６５は、カウンタの形態に具現化することができる。遅延部材７５０は、測定プローブ４００の固有振動の振幅閉ループ制御器を再開する前に待機を実現する。測定先端４６０がサンプル面５１５を離昇した後に、フィルタ７２０及び７２５は、復帰するのにある程度の時間を消費する。したがって、遅延部材７５０は、測定プローブ４００の固有振動の振幅閉ループ制御器のオン切り換えを緩和振動周期数回分だけ遅延させる。図７に示す例では、固定された待機は、１ビット信号の形態に実施される。
【００８９】
デジタル化された入力信号７１５の第２の部分は、自己振動回路配置７９０のＦＩＦＯメモリ７７５に供給される。メモリ７７５は、位相調整器の機能を実行する。ＦＩＦＯメモリ７７５の遅延は、メモリ長（例えば、メモリセル１０個分）と自己振動回路配置７９０のクロック周波数との比率によって決定される。ＦＩＦＯメモリ７７５の出力信号７８０は、デジタル励起信号７８５の位相成分φを表し、この出力信号は乗算ユニット７５５に供給される。
【００９０】
クロック発生器ＣＬＫ７６０によって生成されたクロック速度は、ランプ発生器７６５に、ＦＩＦＯメモリ７７５に、かつ振幅閉制御が作動している期間中にはＰＩＤコントローラ７３０に供給される。カンチレバー４１０の固有振動の設定値は、ＰＩＤコントローラ７３０において信号Ｓｐ（設定値）を用いて設定される。
【００９１】
ランプ発生器７６５は、カンチレバー４１０の第２のアクチュエータ４９０を作動させることによってカンチレバー４１０をサンプル面に向けて曲げるための信号７６７を生成する。ランプ発生器７６５のカウンタが比較器７４５によってリセット信号ｒｅｓを用いて停止され、比較器７４５の出力での電圧ランプ７６７が初期値にリセットされる。その結果、レーザシステム６３０はオフに切り換えられ、測定プローブ４００の測定先端４６０はサンプル面５１５から引き戻される。
【００９２】
乗算ユニット７５５は、メモリ７７５の出力信号、すなわち、位相成分φと、走査−保留回路配置７４０の出力信号、すなわち、測定プローブ４００の固有振動の励起信号の振幅成分Ａとを乗算する。加算要素Σ７７０は、ランプ発生器７６５の出力信号７６７と乗算ユニット７５５の出力信号とを加算する。
【００９３】
自己振動回路配置７９０の出力信号７８５は、デジタル／アナログ変換器ＤＡＣ７９５によってアナログ励起信号６６５に変換され、このアナログ励起信号は、レーザシステム６３０に供給される。図５に示すように、測定プローブ４００の固有振動を励起するために第１のレーザシステム５３０が使用され、カンチレバー４１０を曲げるために第２のレーザシステム５７０が使用される場合に、乗算ユニット７５５の出力信号は、デジタルからアナログへの変換の後に第１のレーザシステム５３０に供給される。ランプ発生器７６５の出力信号７６７は、適切なデジタルからアナログへの変換の後に第２のレーザシステム５７０を制御する。この実施形態では、自己振動回路配置７９０は加算要素７７０を必要としない。
【００９４】
図８は、走査プローブ顕微鏡５００の走査モード又はステップイン走査モードのサイクルを提示している。この概略図の説明は左上で始まる。初期状態では、測定プローブ４００は、その固有周波数で振動するように励起される。この状態では、図５の第１のレーザシステム５３０がオンに切り換えられ、測定プローブ４００のカンチレバー４１０の第１のアクチュエータ４８０を作動させる。第１の段階では、レーザシステム、例えば、レーザシステム６３０の連続波出力電力が高められ、又はカンチレバー４１０の第２のアクチュエータ４９０によって引き起こされるカンチレバー４１０の曲げによって測定プローブ４００の測定先端４６０をサンプル面５１５の上に下降させるために第２のレーザシステム５７０がオンに切り換えられる。
【００９５】
次のブロック又は段階では、測定プローブ４００の固有振動の振幅が予め決められた閾値よりも小さくなるまで待機がある。図７の状況で上述したように、これは、検出器５４５を用いて測定プローブ４００の固有振動の振幅を連続的に測定することにより、かつ予め決められた閾値との比較によって達成される。
【００９６】
測定プローブ４００の測定先端４６０がサンプル面５１５に接触する場合に、第３のブロックにおいて第１のレーザシステム５３０をオフに切り換えることによって測定プローブ４００の固有振動の励起が中止される。図６及び図７のレーザシステム６３０内で正弦波励起信号が停止される。
【００９７】
次の段階では、第４のブロックにおいて第３のレーザシステム５４０と検出ユニット５８５とを用いて測定先端４６０の垂直位置が測定される。測定先端４６０の垂直位置は、検出器５４５の測定信号が測定先端４６０とサンプル面５１５の間の接触の決定を容易にした直後に第２の検出ユニット５８５を用いて測定される。その結果、ステップイン測定サイクルに対する時間間隔を短く保つことができる。測定先端４６０の位置を決定した後に、第２のレーザシステム５７０をオフに切り換えることによって第２のアクチュエータ４９０によるカンチレバー４１０の曲げが停止される。図６及び図７では、レーザシステム６３０はオフに切り換えられている。
【００９８】
次に、第５の段階又はブロックでは、測定先端４６０がサンプル５１０から離昇するまで待機がある。図６の解説の関連で、待機が発生する時間又は第１のレーザシステム５３０を再度オンに切り換える時間をどのように確認することができるか又は正弦波励起信号をレーザシステム６３０に印加する時間をどのように確認することができるかを決定することを可能にする３つの代替方法を指定する。励起ユニット５６０の制御下では、自己振動回路配置５９０、７９０は、測定プローブ４００の共振周波数で励起６７５又は励起信号６７５を生成し、それを測定先端４６０の離昇によって生成された測定プローブ４００の振動の上に同相で重ねる。この目的に対して、レーザシステム５３０又は６３０は、カンチレバー４１０の第１のアクチュエータ４８０を作動させる。
【００９９】
その後に、第６の段階では、走査−保留回路配置６４０、７４０が走査モードから保留モードに切り換えられる。上述したように、それにより、測定先端４６０がサンプル面５１５に接近する時に測定プローブ４００の固有振動の振幅閉ループ制御器がサンプル５１０、カンチレバー４１０、及び／又は測定プローブ４００の測定先端４６０を損傷することが防止される。次に、ＳＰＭ５００は、更に別の走査サイクルに向けて準備される。
【０１００】
上述したように、図２及び図３は、カンチレバー４１０の測定先端４６０がサンプル面５１５を離昇することによるその共振周波数でのカンチレバー４１０の振動の励起を示している。図９は、測定先端４６０がサンプル面５１５を離昇する時のカンチレバー４１０の振動励起の例を提示している。図３の場合と同様に、測定先端４６０がサンプル面５１５を離昇することによって励起されるカンチレバー４１０の振動は弱い減衰のみを有する。一例として、これは、カンチレバー４１０のバネ定数が小さく、かつ測定プローブ４００が真空環境内で動作され、すなわち、測定プローブ４００が受ける周囲圧が１パスカルの領域内か又は有意により低い場合に発生すると考えられる。
【０１０１】
図９及び図１０では、時間は、横座標に沿って任意単位でプロットしたものである。両方の図の縦座標は、サンプル面５１５からの測定先端４６０の距離をナノメートル単位で示している。初期状況では、測定先端４６０は、サンプル面５１５から１００ｎｍの平均距離を有する。測定プローブ４００のカンチレバー４１０は、約１０ｎｍの振幅で振動する。第２のレーザシステム５７０は、時間Ｔ1においてオンに切り換えられ、カンチレバー４１０の第２のアクチュエータ４９０は、測定先端４６０とサンプル面５１５の間の平均距離を低減する。時間Ｔ2において、制御ユニット６１０は、測定プローブ４００の振動振幅が予め決められた閾値を下回ったことを検出し、第１のレーザシステム５３０をオフに切り換える。Ｔ3において、測定先端４６０の垂直位置が測定される。時間Ｔ4において、制御ユニット６１０は、第２のレーザシステム５７０をオフに切り換える。
【０１０２】
図９では、サンプル面５１５の上までの測定プローブ４００の測定先端４６０の下降中のカンチレバー４１０の励起周波数は、カンチレバー４１０の共振周波数の近くにあるが、それと等しくはない。測定先端４６０がサンプル面５１５から脱離した後に、カンチレバー４１０は、固有周波数とは異なる周波数を有して測定先端４６０がサンプル面を離昇することによって誘起される励起の重ね合わせによって引き起こされるうなり９５０を示す。測定プローブ４００の固有振動が実質的に減衰するまで続くこのうなり９５０は、この時間の前に新しいステップインサイクルを開始するのを妨げる。その結果、ステップイン走査モードの走査速度は低く、サンプル面５１５に対して長い検査時間がもたらされる。
【０１０３】
図１０は、測定プローブ４００の励起６７５が正確に測定プローブ４００の共振周波数又は固有周波数で実施されるという相違点を有する図９の構成を提示している。この場合に、測定先端４６０がサンプル面５１５を離昇することによって励起される測定プローブ４００の固有振動１１５０は、測定先端４６０をサンプル面５１５の上まで下降させる時に存在する固有振動１０５０に可能な限り迅速に復帰するのを容易にする。測定先端４６０がサンプル面５１５に接近する時に見られるレベルまで測定プローブ４００の固有振動１０５０の振幅が低下するまでしか待機する必要はない。
【０１０４】
図９のうなり９５０は、測定先端４６０の垂直位置を決定する時の測定誤差内に直接的に含められる。したがって、次のステップイン測定サイクルの前に固有振動の振幅が許容可能測定誤差よりも小さくなるまで減衰するまで待機しなければならない。許容可能測定誤差は、典型的には１ｎｍよりも有意に小さい。図１０に示す自己振動の場合に、固有振動の振幅が固有振動１０５０の振幅の設定値に到達するまでしか待機する必要はない。これらの相違は、簡単な例を用いて示されるはずである。
【０１０５】
一例として、測定プローブ４００は、Ｑ＝１０００という線質係数を有する。固有振動の最大振幅は３００ｎｍである。図９で説明したうなり９５０の場合に、新しいステップイン測定サイクルを開始することができる前に、固有振動の振幅が０．５ｎｍまで減衰しなければならない。図１０に示す固有振動１０５０の振幅は５０ｎｍである。励起がない場合に、測定プローブ４００の固有振動は指数関数的に低下する。固有振動の振幅が５０ｎｍまで低下するためには、振動周期約１５０回分の持続時間が必要とされ、それに対して０．５ｎｍの振幅の降下は振動周期約５００回分の持続時間を必要とする。その結果、測定プローブ４００をその固有周波数で励起することにより、ステップイン測定サイクルの所要時間を約３倍だけ短縮することができる。
【０１０６】
最後に、図１１は、ステップイン走査モード中に走査プローブ顕微鏡５００の走査速度を上げるために使用することができる方法の流れ図１００を再現している。本方法は、１１１０で始まる。段階１１２０では、測定プローブ４００は、サンプル面５１５にわたってステップイン走査モードで走査される。段階１１３０では、ステップイン走査モード中に自己振動回路配置を用いて測定プローブ４００が固有振動に励起される。本方法は、段階１１４０で終了する。
【図１】
2019533813.tif 000003
【図２】
2019533813.tif 000004
【図３】
2019533813.tif 000005
【図４】
2019533813.tif 000006
【図５】
2019533813.tif 000007
【図６】
2019533813.tif 000008
【図７】
2019533813.tif 000009
【図８】
2019533813.tif 000010
【図９】
2019533813.tif 000011
【図１０】
2019533813.tif 000012
【図１１】
2019533813.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月20日(2019.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査プローブ顕微鏡（５００）であって、
ａ．ステップイン走査モードで測定プローブ（４００）をサンプル面（５１５）にわたって走査するように具現化された走査ユニット（５５５）と、
ｂ．前記ステップイン走査モード中に前記測定プローブ（４００）を固有振動（１０５０）に励起するように具現化された自己振動回路配置（５９０、７９０）と、
を有し、
ｃ．前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）に対する前記励起（６７５）の位相を設定するように具現化された位相調整器（６３０）を含み、
前記位相調整器（６３０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の最良の可能な励起に対して±３０°の範囲の位相差を有する前記励起（６７５）を設定するように具現化される、
走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項２】
前記位相調整器（６３０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の最良の可能な励起に対して±２０°、好ましくは±１０°、最も好ましくは±５°の範囲の位相差を有する前記励起（６７５）を設定するように具現化される、請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項３】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の振幅を設定するように具現化された自動利得閉ループ制御器（６７０）を含む、請求項１又は請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項４】
前記自動利得閉ループ制御器（６７０）は、少なくとも１つの増幅器（６２０）と、走査−保留回路配置（６４０、７４０）と、該走査−保留回路配置（６４０、７４０）を走査モードと保留モードとの間（６３０）で切り換えるように具現化された制御ユニット（６１０）とを含む、請求項３に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項５】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、デジタル回路（７００）として具現化される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項６】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）は、フィールドプログラマブルゲートアレイ、ＦＰＧＡ、（７００）として又は特定用途向け集積回路、ＡＳＩＣとして具現化される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項７】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の前記励起を前記測定プローブ（４００）のカンチレバー（４１０）に伝達するように具現化された第１のアクチュエータ（４８０）と、前記自動利得閉ループ制御器（６７０）の前記制御ユニット（６１０）からの信号を該測定プローブ（４００）の該カンチレバー（４１０）に伝達するように具現化された第２のアクチュエータ（４９０）とを更に有する、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項８】
前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の前記励起を前記第１のアクチュエータ（４８０）に伝達するように具現化された第１のレーザシステム（５３０）と、前記制御ユニット（６１０）からの信号を前記第２のアクチュエータ（４９０）に伝達するように具現化された第２のレーザシステム（５７０）とを更に有する、請求項７に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項９】
前記第１のアクチュエータ（４８０）及び前記第２のアクチュエータ（４９０）は、バイモルフアクチュエータ（４４０）として具現化される、請求項７又は請求項８に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１０】
前記測定プローブ（４００）の前記カンチレバー（４１０）が、前記バイモルフアクチュエータ（４４０）を含む、請求項９に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１１】
前記測定プローブ（４００）の前記カンチレバー（４１０）の偏向を検出するように具現化された検出器（５４５）と、該測定プローブ（４００）の該カンチレバー（４１０）の自由端（４５０）の垂直位置を検出するように具現化された検出ユニット（５８５）とを更に有する、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１２】
前記走査ユニット（５５５）と前記自己振動回路配置（５９０、７９０）を制御するように具現化された励起ユニット（５６０）とを含む制御デバイス（５５０）を更に有する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１３】
前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の振幅が、１ｎｍから１０００ｎｍ、好ましくは５ｎｍから７００ｎｍ、より好ましくは１０ｎｍから５００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから２００ｎｍの範囲を含む、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡（５００）。
【請求項１４】
ステップイン走査モードで動作している走査プローブ顕微鏡（５００）の走査速度を以下の段階：
ａ．ステップイン走査モードで測定プローブ（４００）をサンプル面（５１５）にわたって走査する段階と、
ｂ．自己振動回路配置（５９０、７９０）を用いて前記ステップイン走査モード中に固有振動（１０５０）を実施するように前記測定プローブ（４００）を励起する段階と、
ｃ．前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の位相調整器（６３０）を用いて前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）に対する前記励起（６７５）の位相を設定する段階と、
によって高める方法であって、
前記位相調整器（６３０）は、前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の最良の可能な励起に対して±３０°の範囲の位相差を有する前記励起（６７５）を設定するように具現化される、方法。
【請求項１５】
段階ａ．及びｂ．は、
ｄ．段階ｂ．において：前記自己振動回路配置（５９０、７９０）の前記励起を前記測定プローブ（４００）に伝達するように具現化された前記第１のアクチュエータ（４８０）を作動させる段階と、
ｅ．段階ａ．において：前記測定プローブ（４００）の測定先端（４６０）とサンプル面（５１５）の間の距離を変更するように具現化された第２のアクチュエータ（４９０）を作動させる段階と、
ｆ．段階ａ．において：前記測定プローブ（４００）の前記測定先端（４６０）と前記サンプル面（５１５）の間の接触を検出する段階と、
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
段階ａ．及びｂ．は、段階のシーケンス：
ｇ．段階ｂ．において：前記第２のアクチュエータ（４９０）を作動させる段階と、
ｈ．段階ｂ．において：走査−保留回路配置（６４０、７４０）を走査モードから保留モードに切り換えることによって振幅閉ループ制御器を作動停止する段階と、
ｉ．段階ｂ．において：前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の振幅が予め決められた閾値を下回った場合に前記第１のアクチュエータ（４８０）を作動停止する段階と、
ｊ．段階ａ．において：前記サンプル面（５１５）との前記測定先端（４６０）の接触を検出した後に前記測定プローブ（４００）の該測定先端（４６０）の垂直位置を決定する段階と、
ｋ．段階ａ．において：前記第２のアクチュエータ（４９０）を作動停止し、かつ前記測定プローブ（４００）の前記測定先端（４６０）と前記サンプル面（５１５）の間の接触の喪失があるまで予め決められた持続時間を待機する段階と、
ｌ．段階ｂ．において：前記第１のアクチュエータ（４８０）を同相で作動させる段階と、
ｍ．段階ｂ．において：前記走査−保留回路配置（６４０、７４０）を前記保留モードから前記走査モードに切り換えることによって前記振幅閉ループ制御器を作動させる段階と、
を更に含む、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記測定プローブ（４００）の前記測定先端（４６０）と前記サンプル面（５１５）の間の接触を検出する段階は、この点での該測定プローブ（４００）の該測定先端（４６０）の垂直位置の決定を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のアクチュエータ（４８０）の作動なしで前記測定プローブ（４００）の前記固有振動（１０５０）の減衰曲線から該第１のアクチュエータ（４８０）の同相作動のためのオン切り換え時間を決定する段階を更に有する、請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
コンピュータシステムによって実行されたときに該コンピュータシステムに請求項１４から請求項１８のいずれか１項に記載の方法段階を実施するように促す命令を含む、コンピュータプログラム。
【国際調査報告】
2019533813.tif 000014
2019533813.tif 000015
2019533813.tif 000016