(57)【要約】【課題】試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ接触検出方法を提供する。【解決手段】先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記所定の振幅は、前記カンチレバーに力が加わっていない状態の熱振動等による振幅を基準として、前記プローブが前記試料表面に接触している状態におけるカンチレバーの変位よりも小さい範囲である請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えない速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーのたわみ方向の速度変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記判定部は、前記カンチレバーのたわみ方向の速度が所定値以下になった場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記判定部は、前記カンチレバーの速度方向が反転した場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける振動の振幅の変化又は前記振動の振動周波数の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記試料と前記カンチレバーとを所定の周波数で相対的に振動させる加振部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記所定の周波数における振幅の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記所定の周波数は、前記カンチレバーの非共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記所定の周波数は、前記カンチレバーが前記試料に接触した状態における前記カンチレバーの共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記所定の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記共振周波数における振幅の増加量が所定値を超えた場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーを共振周波数で加振する加振部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、前記加振部で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーにおいて、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動ステップと、
前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定ステップと、
当該判定ステップにより離間したと判定された時点で前記駆動ステップによる前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御ステップと、
を備える走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法。
【請求項１３】
試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで走査する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーにおいて、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えない速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動ステップと、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーのたわみ方向の速度変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定ステップと、
当該判定ステップにより離間したと判定された時点で前記駆動ステップによる前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御ステップと、
を備える走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法。
【請求項１４】
前記駆動制御ステップでは、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる場合に、前記プローブと前記試料表面とが離間しているか否かを判定する、請求項１２又は請求項１３に記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡、及びその走査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カンチレバーの先端に形成されたプローブと試料との間の相互作用（例えば、カンチレバーの振幅やカンチレバーのたわみ）を一定に保ちながら、試料表面において連続的にプローブを走査させことで、試料表面の凸凹形状を測定する走査型プローブ顕微鏡が知られている（特許文献１参照）。ただし、特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡では、常にプローブと試料とが接しているため、プローブの摩耗や試料の損傷が発生する可能性がある。
【０００３】
これに対して、特許文献２、３には、予め設定された複数の試料表面の測定点のみ、プローブと試料表面とを接触させ試料表面を間欠的に走査することで、試料表面の凸凹形状を測定する間欠的測定方法が提案されている。この間欠的測定方法では、プローブを、所定の測定点の上空から試料表面まで接近させ、そのプローブが試料表面に接触したときのプローブの高さを計測する。そして、その計測が終了すると、試料表面に接触しているプローブを、設定された「引離し距離」だけ試料表面から引き離して、次の測定点の上空まで移動させる。このように、上記間欠的測定方法は、特許文献１と比較してプローブと試料表面とが測定点のみで接触しているため最小の接触で済み、プローブの摩耗や試料の損傷を低減することができる。
【０００４】
特に、カンチレバーのたわみを一定に保つように制御しながら表面形状を測定する、いわゆるコンタクトモードにおいて間欠的測定方法を行う場合には、走査型プローブ顕微鏡は、プローブを試料表面に接近させ、カンチレバーに加わる力（たわみ）が一定値以上になった場合に接触していると判断してプローブの高さを計測する工程と、上記「引離し距離」だけプローブと試料とを引き離してそのプローブを次の測定位置の上空まで移動する工程、とを繰り返すことで試料表面を間欠的に走査するのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−６２１５８号公報
【特許文献２】特開２００１−３３３７３号公報
【特許文献３】特開２００７−８５７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで上記「引離し距離」は、プローブを試料から引き離すために、カンチレバーのバネ定数と引離し距離との積により計算される力が、プローブと試料との間の吸着力より大きくなるように設定される必要がある。しかしながら、プローブと試料との間の吸着力は、試料表面の各位置に依存して変化する。そのため、プローブと試料との間の吸着力が試料表面の位置により大きく異なる試料の場合は、最大吸着力の位置でも確実に引き離せるように、引離し距離は、十分なマージンを持った大きい値に設定される。さらに、この値は、ある測定点からプローブを引き離した後の上空の移動時に、試料の凸部に接触しないようにすることも考量に入れて、操作者らが経験に基づき余裕を持たせた値を引離し距離として設定する。したがって、予測を超えた大きな吸着力や、高い凸部の存在により、引離し距離が不足することとなり、プローブと試料とが接触して、相互に損傷する事態となる。
【０００７】
ただし、引離し距離を十分なマージンを持った大きい値に設定すると、次の測定点の上空までの移動経路が長くなる。その結果、全体として試料表面の凸凹形状を測定する時間が長くなり、試料表面における凸凹形状の測定効率が低下する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる走査型プローブ顕微鏡及びその走査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。
【００１０】
本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記所定の振幅は、前記カンチレバーに力が加わっていない状態の熱振動等による振幅を基準として、前記プローブが前記試料表面に接触している状態におけるカンチレバーの変位よりも小さい範囲である。
【００１１】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えない速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーのたわみ方向の速度変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。
【００１２】
本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記判定部は、前記カンチレバーのたわみ方向の速度が所定値以下になった場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。
【００１３】
本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記判定部は、前記カンチレバーの速度方向が反転した場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。
【００１４】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける振動の振幅の変化又は前記振動の振動周波数の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。
【００１５】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記試料と前記カンチレバーとを所定の周波数で相対的に振動させる加振部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記所定の周波数における振幅の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。
【００１６】
本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記所定の周波数は、前記カンチレバーの非共振周波数であって、前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。
【００１７】
本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記所定の周波数は、前記カンチレバーが前記試料に接触した状態における前記カンチレバーの共振周波数であって、前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。
【００１８】
本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記所定の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数であって、前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記共振周波数における振幅の増加量が所定値を超えた場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。
【００１９】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーを共振周波数で加振する加振部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、前記加振部で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。
【００２０】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーにおいて、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えた速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動ステップと、前記引離し動作中において、所定の振幅における前記カンチレバーの振動を、当該カンチレバーの（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、前記プローブが前記試料表面に対して離間したと判定する判定ステップと、当該判定ステップにより離間したと判定された時点で前記駆動ステップによる前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御ステップと、を備える走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法である。
【００２１】
本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで走査する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーにおいて、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記カンチレバーの応答速度を超えない速度で、前記試料を前記プローブから引き離す方向に動作させる引離し動作を行う駆動ステップと、前記引離し動作中において、前記カンチレバーのたわみ方向の速度変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定ステップと、当該判定ステップにより離間したと判定された時点で前記駆動ステップによる前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御ステップと、を備える走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査方法である。
【００２２】
本発明の一態様は、上述のプローブ走査方法であって、前記駆動制御ステップでは、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる場合に、前記プローブと前記試料表面とが離間しているか否かを判定する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、引離し距離の設定について、試料表面の未知の吸着力や凸部高さを考慮する煩わしさを解消すると共に、プローブ及び試料の損傷を回避することを可能とし、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの概略構成の一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る斜面を有する試料Ｓと、カンチレバー２との斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの間欠的測定方法の流れを示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る第１の範囲及び第２の範囲について説明する図である。
【図５】通常の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合における、カンチレバー２の様子を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る離間判定処理のフロー図である。
【図８】第１の実施形態に係るＺ方向駆動装置５１の概略構成の一例を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの概略構成の一例を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る引離し動作において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化を示すグラフである。
【図１１】第２の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。
【図１２】第２の実施形態に係る離間判定処理のフロー図である。
【図１３】第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの概略構成の一例を示す図である。
【図１４】第３の実施形態に係る引離し動作における、カンチレバー２の様子を示す図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。
【図１５】第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄの概略構成の一例を示す図である。
【図１６】第４の実施形態のカンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法を説明する図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。
【図１７】第４の実施形態のカンチレバーにおける、カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法を説明する図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。
【図１８】第４の実施形態のカンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法を説明する図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。
【図１９】第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅの概略構成の一例を示す図である。
【図２０】第５の実施形態に係る離間判定処理について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料表面にプローブを接触させて、その試料表面をプローブで間欠的に走査する、いわゆる間欠的測定方法を用いた走査型プローブ顕微鏡である。
以下、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を、図面を用いて説明する。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ａは、カンチレバー２、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７を備えている。
【００２７】
カンチレバー２は、先端にプローブ２ａを備える。カンチレバー２は、その基端が固定され、先端が自由端となっている。カンチレバー２は、小さいバネ定数Ｋを備える弾性レバー部材であり、先端のプローブ２ａと試料Ｓの表面（以下、「試料表面」という。）とが接触すると、先端のプローブ２ａが試料表面を押圧する押し付け力に応じたたわみが生じる。
【００２８】
また、カンチレバー２は、先端のプローブ２ａと試料表面とが接触した場合に、その試料表面に傾きがある場合には、その試料表面の傾きと、先端のプローブ２ａ及び試料表面の接触点である支点の支点反力と、に応じたねじれやたわみが生じる。
【００２９】
移動駆動部５は、プローブ２ａと試料Ｓとを、３次元方向に対して相対的に移動させる。移動駆動部５は、Ｚ方向駆動装置５１（駆動部）及びＸＹスキャナー５２（スキャナー部）を備える。
【００３０】
Ｚ方向駆動装置５１上には、試料台４が載置されている。この試料台４には、カンチレバー２のプローブ２ａに対向配置するように試料Ｓが載置されている。
Ｚ方向駆動装置５１は、試料台４を水平面に垂直な方向（Ｚ方向）に移動させる。例えば、Ｚ方向駆動装置５１は、圧電素子である。
【００３１】
Ｚ方向駆動装置５１は、制御装置７からの制御により、試料台４をＺ方向に移動させることで、試料表面をプローブ２ａに接近させる接近動作、又はプローブ２ａから試料Ｓを引き離す方向に動作させる引離し動作を行う。
【００３２】
ＸＹスキャナー５２は、制御装置７からの制御により、プローブ２ａと試料Ｓとを、ＸＹ方向に対して相対的に移動させる。なお、図１において試料台４の表面に平行な面は水平面であり、ここでは直交の２軸Ｘ，ＹによりＸＹ平面と定義される。例えば、ＸＹスキャナー５２は、圧電素子である。
なお、Ｚ方向駆動装置５１及びＸＹスキャナー５２は、相対的に３次元形状観察の走査が可能な構成であれば、配置関係は問わない。
【００３３】
変位検出部６は、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とを検出する。第１の実施形態では、変位検出部６は、光てこ式を用いてカンチレバー２のたわみ量とねじれ量とを検出する場合について説明する。
【００３４】
変位検出部６は、光照射部６１、及び光検出部６２を備える。
光照射部６１は、カンチレバー２の裏面に形成された図示しない反射面に対してレーザ光Ｌ１を照射する。
【００３５】
光検出部６２は、上記反射面で反射されたレーザ光Ｌ２を受光する。光検出部６２は、当該背面で反射されたレーザ光Ｌ２を受光する４分割の受光面２７を備えた光検出器である。すなわち、カンチレバー２の背面で反射されたレーザ光Ｌ２は、光検出部６２の４分割された複数の受光面２７に入射されるように光路を（通常は、受光面２７の中心付近に）調整する。
以下に、第１の実施形態に係るカンチレバー２のたわみ量とねじれ量との検出方法について、図１及び図２を用いて、説明する。図２は、斜面を有する試料Ｓと、カンチレバー２との斜視図である。
【００３６】
カンチレバー２は、プローブ２ａと試料表面とが接触した場合にＺ方向とＹ方向のいずれか一方、又は両方に変位が生じる。第１の実施形態において、Ｚ方向に生じるカンチレバー２の変位をたわみ量と称し、Ｙ方向に生じるカンチレバー２の変位をねじれ量と称する。例えば、初期条件では、プローブ２ａに力が加わっていない状態で反射されたレーザ光Ｌ２の光検出部６２の受光面２７における入射スポット位置を、受光面２７の中心位置とする。なお、プローブ２ａに力が加わっていない状態とは、例えば、プローブ２ａと試料表面とが接触していないカンチレバーが無変形な状態（以下、「フリー状態」という。）である。
【００３７】
コンタクトモードにおいて、プローブ２ａと試料表面とが接触すると、プローブ２ａに力が加わることで、カンチレバー２にたわみ量やねじれ量が生じる。したがって、たわみ量やねじれ量が生じたカンチレバー２の背面で反射されたレーザ光Ｌ２の反射スポット位置は、その中心位置から変位する。そのため、走査型プローブ顕微鏡Ａは、光検出部６２の受光面２７における当該スポット位置の移動方向を捉えることによってプローブ２ａに加わった力の大きさと方向を検出可能となる。
【００３８】
例えば、図１において、カンチレバー２にねじれ量が発生した場合には、光検出部６２の受光面２７においてα方向のスポット位置の変化を捉えることができる。また、カンチレバー２にたわみ量が発生した場合には、受光面２７でβ方向のスポット位置の変化を捉えることができる。
ここで、中心位置からのスポット位置の変化量は、ねじれ量やたわみ量に依存する。具体的には、カンチレバー２が＋Ｚ方向にたわんだ場合には、光検出部６２の受光面２７におけるレーザ光Ｌ２の反射スポットは、＋β方向に変化する。また、カンチレバー２が−Ｚ方向にたわんだ場合には、光検出部６２の受光面２７におけるレーザ光Ｌ２の反射スポットは、−β方向に変化する。一方、カンチレバー２が＋Ｙ方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部６２の受光面２７におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置は、＋α方向に変化する。また、カンチレバー２が−Ｙ方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部６２の受光面２７におけるレーザ光Ｌ２の反射スポットは、−α方向に変化する。
【００３９】
光検出部６２は、受光面２７の±Ｚ方向におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置に応じた第１検出信号を制御装置７に出力する。すなわち、第１検出信号は、カンチレバー２のたわみ量に応じたＤＩＦ信号（たわみ信号）である。また、光検出部６２は、受光面２７の±Ｙ方向におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置に応じた第２検出信号を制御装置７に出力する。すなわち、第２検出信号は、カンチレバー２のねじれ量に応じたＦＦＭ信号（ねじれ信号）である。
【００４０】
次に、第１の実施形態に係る制御装置７について、説明する。
図１に示すように、制御装置７は、判定部４２、駆動制御部４３、及び測定部４４を備える。
【００４１】
判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に接触したか否かを判定する。なお、以下の説明において、プローブ２ａが試料表面に接触したか否かを判定する処理を「接触判定処理」と称する。
【００４２】
また、判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する。なお、以下の説明において、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する処理を「離間判定処理」と称する。
【００４３】
駆動制御部４３は、移動駆動部５によるプローブ２ａと試料Ｓとの相対的な移動量を制御する。ここで、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料表面における、予め設定された複数の測定点のみにおいて、プローブ２ａを接触させることで、試料表面を間欠的に走査する間欠的測定方法を用いる。したがって、駆動制御部４３は、プローブ２ａを測定位置に接近させる接近動作と、プローブ２ａと試料Ｓとを引き離す引離し動作と、プローブ２ａを次の測定位置の上空まで移動させる移動動作と、のそれぞれの動作を制御する。
【００４４】
具体的には、駆動制御部４３は、プローブ２ａと試料表面とを接触させるため接触動作信号をＺ方向駆動装置５１に出力し、試料Ｓを上昇させる。これにより、駆動制御部４３は、プローブ２ａと試料表面とを接近させる。
【００４５】
駆動制御部４３は、接触判定処理によりプローブ２ａが試料表面に接触したと判定された場合には、Ｚ方向駆動装置５１に対する接触動作信号の出力を停止することで、試料Ｓを上昇させる接近動作を停止させる。
【００４６】
駆動制御部４３は、プローブ２ａから試料表面を引き離すため引離し動作信号をＺ方向駆動装置５１に出力し、試料Ｓを下降させる。これにより、駆動制御部４３は、試料表面をプローブ２ａから引き離す方向に動作させる。すなわち、駆動制御部４３は、試料表面がプローブ２ａに接触している状態から退避させる。
【００４７】
ここで、第１の実施形態の特徴の一つは、駆動制御部４３は、引離し動作において、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させることである。ここで、応答速度とは、カンチレバー２の共振周波数と、その共振周波数で安定して動作可能な振幅とに基づいて算出される平均移動速度である。このように、第１の実施形態に係る引離し動作とは、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる動作である。
【００４８】
駆動制御部４３は、離間判定処理によりプローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定した場合には、Ｚ方向駆動装置５１に対する引離し動作信号の出力を停止することで、試料Ｓを下降させる引離し動作を停止させる。
【００４９】
駆動制御部４３は、ＸＹスキャナー５２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ２ａを移動させる。
【００５０】
測定部４４は、プローブ２ａと試料表面とが接触している状態で、試料表面の凸凹形状を測定する。例えば、測定部４４は、接触判定処理によりプローブ２ａが試料表面に接触したと判定された場合には、接近動作において試料Ｓがプローブ２ａに対して相対的に移動した距離（以下、単に「相対距離」という。）を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する。例えば、測定部４４は、プローブ２ａと試料表面とが接触している状態における駆動信号の電圧値に基づいて相対距離を算出してもよい。また、測定部４４は、試料台４の変位をセンサー（不図示）により直接計測してもよいし、試料台４の高さをセンサー（不図示）により直接計測してもよい。
【００５１】
次に、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの間欠的測定方法の流れについて、図３を用いて説明する。なお、初期条件として、所定の測定点における測定下降位置にプローブ２ａが位置している場合とする。
【００５２】
駆動制御部４３は、接触動作信号をＺ方向駆動装置５１に出力し、試料台４を上昇させることでプローブ２ａを試料表面に接近させる接近動作を開始する（ステップＳ１０１）。
【００５３】
判定部４２は、接近動作が開始された場合には、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を実行する（ステップＳ１０２）。
【００５４】
判定部４２は、接触判定処理により、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定した場合には、上記接近動作を停止する（ステップＳ１０３）。この場合には、プローブ２ａが試料表面に接触しているため、カンチレバーに一定以上のねじれやたわみが生じている。
【００５５】
測定部４４は、プローブ２ａと試料表面とが接触したと判定された場合には、相対距離を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する（ステップＳ１０４）。
【００５６】
駆動制御部４３は、測定部４４による相対距離の測定が完了した場合には、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる引離し動作を開始する（ステップＳ１０５）。
【００５７】
判定部４２は、引離し動作が開始された場合には、検出部３３から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を実行する（ステップＳ１０６）。
【００５８】
駆動制御部４３は、離間判定処理により、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定された場合には、上記引離し動作を停止する（ステップＳ１０７）。そして、駆動制御部４３は、ＸＹスキャナー５２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ２ａを移動させる（ステップＳ１０８）。そして、駆動制御部４３は、その測定下降位置からカンチレバー２を下降させ、次の測定位置においてプローブ２ａを接触させ、再度測定部４４による相対距離の測定が開始される。このように、走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料Ｓの各測定点に対応して、ステップＳ１０１からステップＳ１０８の動作を行うことで、試料表面を間欠的に走査する。
【００５９】
以下に、第１の実施形態に係る接触判定処理について説明する。
判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が、第１の範囲を超えた場合に、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。
【００６０】
判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が、第２の範囲を超えた場合に、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。
【００６１】
このように、判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲を超える第１条件と、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲を超える第２条件と、のうち少なくともいずれか一方が成立した場合に、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。なお、上記では、第１検出信号と第２検出信号が、独立して判定される例であるが、判定部４２内で、「第１検出信号の２乗」と「第２検出信号の２乗」を足し合わせ、その和の平方根の正の数が、一定以上となった場合に接したと判定する等、特性に応じた設定値により判定してもよい。
【００６２】
以下に、本実施形態における第１の範囲及び第２の範囲について、図４を用いて説明する。図４に示すように、第１の範囲は、たわみ上限閾値とたわみ下限閾値との間の範囲である。たわみ上限値は、プローブ２ａと試料Ｓとの表面が接触することで＋Ｚ方向にたわんだカンチレバー２のたわみ量である。一方、たわみ下限値は、プローブ２ａと試料Ｓとの表面が接触することで−Ｚ方向にたわんだカンチレバー２のたわみ量である。したがって、判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が、たわみ上限値を超えた場合、又は第１検出信号が示すたわみ量が、たわみ下限値を下回った場合、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。
【００６３】
第２の範囲は、ねじれ上限閾値とねじれ下限閾値との間の範囲である。ねじれ上限値は、プローブ２ａと試料Ｓとの表面が接触することで＋Ｙ方向にねじれたカンチレバー２のねじれ量である。一方、ねじれ下限値は、プローブ２ａと試料表面とが接触することで−Ｙ方向にねじれたカンチレバー２のねじれ量である。したがって、判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が、ねじれ上限値を超えた場合、又は第２検出信号が示すねじれ量が、ねじれ下限値を下回った場合、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。このように、図４に示すたわみ量とねじれ量との２次元座標において、第１検出信号が示すたわみ量と、第２検出信号が示すねじれ量と、が示す位置が、斜線で示された範囲の外に位置された場合にプローブ２ａが試料表面に接触したと判定されることになる。
【００６４】
次に、第１の実施形態に係る離間判定処理について説明する。
判定部４２は、引離し動作中において、所定の振幅におけるカンチレバー２の振動を、当該カンチレバーの共振周波数で検出した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。なお、所定の振幅とは、カンチレバー２のフリー状態の位置を基準として、プローブ２ａが試料表面に接触している状態におけるカンチレバー２の変位よりも小さい範囲である。
【００６５】
例えば、離間判定処理とは、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、カンチレバー２の共振周波数近傍での、たわみ方向の振幅の変化率が所定値以上であるか否かを判定する処理である。ここで、たわみ方向の振幅の変化率が所定値以上である場合とは、たわみ方向の振幅が急激に増加する場合を示す。なお、離間判定処理とは、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、所定の振幅におけるカンチレバー２の振動の周波数が当該カンチレバーの共振周波数であるか否かを判定する処理としてもよい。
【００６６】
判定部４２は、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、カンチレバー２の振動周波数が当該カンチレバーの共振周波数であり、且つカンチレバー２の振幅の変化率が所定値以上であると判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。一方、判定部４２は、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、カンチレバー２の振動の周波数が当該カンチレバーの共振周波数ではない、又はカンチレバー２の振幅の変化率が所定値未満であると判定した場合には、プローブ２ａと試料表面とが接触している（離間していない）と判定する。
【００６７】
以下に、第１の実施形態に係る離間判定処理の作用効果について、図５，図６を用いて説明する。
図５は、通常の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合における、カンチレバー２の様子を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。図５（ａ），図６（ａ）は、−Ｙ方向から見たカンチレバー２の側面図を示し、図５（ｂ），図６（ｂ）は、−Ｘ方向から見たカンチレバー２の側面図を示す。
【００６８】
判定部４２は、上述の接触判定処理において、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量との少なくともいずれか一方が所定の範囲外である場合に、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。したがって、対偶で考えれば、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内であれば、プローブ２ａが試料表面に接触していない、すなわちプローブ２ａと試料表面とが離間したことになる。
【００６９】
しかしながら、プローブ２ａと試料表面との間には、吸着力が存在する場合がある。そのため、図５に示すように、通常の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離した場合には、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内になったとしても、上記吸着力により、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合がある。また、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力は、各測定点で異なる場合がある。したがって、プローブ２ａと試料表面とが離間するときの、たわみ量とねじれ量のそれぞれの閾値を一意に設定することができない。
【００７０】
一方、図６に示すように、第１の実施形態では、駆動制御部４３は、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す。ここで、プローブ２ａは、カンチレバー２の応答速度より速く移動することができない。したがって、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離すと、プローブ２ａと試料表面との間には、吸着力が存在する場合であっても、プローブ２ａは、試料表面とが接触している状態から即座に離間する。
【００７１】
したがって、プローブ２ａと試料表面とが接触している状態、すなわち、プローブ２ａが上方に押し上げられている状態から、フリー状態までの振幅で、カンチレバー２は共振する。換言すれば、カンチレバー２の共振周波数における、たわみ方向の振幅が急激に増加する。したがって、第１の実施形態に係る判定部４２は、引離し動作中において、たわみ方向の振幅におけるカンチレバー２の振動を、当該カンチレバー２の共振周波数（高次の周波数を含む）で検出した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。これにより、プローブ２ａと試料表面との間に吸着力が存在する場合であっても、プローブ２ａが試料表面に対して離間したことを確実に検出することができる。
【００７２】
なお、カンチレバー２の応答速度を越えた速度で引き離しを行う場合において、プローブ２ａと試料表面との間に吸着力が存在しない場合には、カンチレバー２のたわんだ状態を起点とした振動がたわみ方向の共振周波数で発生する。
【００７３】
以下に、第１の実施形態に係る離間判定処理の流れについて、図７を用いて説明する。
【００７４】
判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内か否かを判定する（ステップＳ２０１）。判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であると判定した場合には、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内か否かを判定する（ステップＳ２０２）。一方、判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲外であると判定された場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ２０６）。
【００７５】
判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であると判定した場合に、第１検出信号の周波数がカンチレバー２の共振周波数であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。一方、判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲外であると判定した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ２０６）。
【００７６】
判定部４２は、第１検出信号の周波数がカンチレバー２の共振周波数であると判定した場合には、その第１検出信号が示すたわみ量の変化率が所定値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。一方、判定部４２は、第１検出信号の周波数がカンチレバー２の共振周波数ではないと判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ２０６）。
【００７７】
判定部４２は、第１検出信号が示すたわみ量の変化が所定値を超える場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する（ステップＳ２０５）。一方、判定部４２は、第１検出信号が示すたわみ量の変化が所定値未満である場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないと判定する（ステップＳ２０６）。
【００７８】
なお、図７において、ステップＳ２０１の処理の後に、ステップＳ２０２の処理を実行したが、これに限定されない。本実施形態における判定部４２は、ステップＳ２０２の処理の後に、ステップＳ２０１の処理を行ってもよいし、ステップＳ２０１の処理と、ステップＳ２０２の処理とを並列に実行してもよい。同様に、判定部４２は、ステップＳ２０３の処理の後に、ステップＳ２０４の処理を実行してもよいし、ステップＳ２０３の処理と、ステップＳ２０４の処理とを並列に実行してもよい。
【００７９】
上述したように、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａは、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、所定の振幅におけるカンチレバー２の振動を、当該カンチレバー２の（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。そして、走査型プローブ顕微鏡Ａは、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定した時点でＺ方向駆動装置５１による引離し動作を中止させ、プローブ２ａが試料Ｓの次の測定点の直上に位置するように、そのプローブ２ａと試料とを相対的に移動させる。
【００８０】
これにより、走査型プローブ顕微鏡Ａでは、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定を、最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。
【００８１】
ここで、たわみ量を示す第１検出信号が、温度変化等によりドリフトする場合がある。したがって、従来では、このドリフトの影響も考慮して、引離し距離を決める必要があり、事前に最適化できない場合がある。
一方、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａは、第１検出信号がドリフトした場合であっても、逐次、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する。そのため、走査型プローブ顕微鏡Ａは、ドリフトの影響を受けずに、最適な引離し距離で動作することができる。
【００８２】
なお、上述の実施形態において、Ｚ方向駆動装置５１は、振動を発生せずに高速でプローブ２ａから試料Ｓを引き離す方向に動作させる引離し動作を行う必要がある。そのために、Ｚ方向駆動装置５１は、積層圧電素子５１０を用いる構成としてもよい。例えば、図８に示すように、Ｚ方向駆動装置５１は、積層圧電素子５１０、バネ定数が同じ板バネ５１１，５１２、板バネ５１１，５１２のそれぞれを固定する支持板５２１，５２２、及び台５３０を備える。
積層圧電素子５１０の一端には、板バネ５１１を介して試料台４及び試料Ｓが設けられている。また、積層圧電素子５１０の他端には、板バネ５１２を介して台５３０が設けられている。この台５３０の重さは、試料台４及び試料Ｓの重さに相当する。
そして、Ｚ方向駆動装置５１を固定する場合には、支持板５２１，５２２のそれぞれの重心で固定する。したがって、Ｚ方向駆動装置５１は、引離し動作中であっても、周囲に振動を伝わらないようにすることができる。
【００８３】
（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂについて、図面を用いて説明する。第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂは、第１の実施形態に係る「離間判定処理」とは異なり、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
【００８４】
図９は、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの概略構成の一例を示す図である。図９に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、カンチレバー２、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｂを備えている。
【００８５】
制御装置７Ｂは、判定部４２Ｂ、駆動制御部４３Ｂ、及び測定部４４を備える。
【００８６】
判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を行う。この判定部４２Ｂにおける接触判定処理は、第１の実施形態に係る接触判定処理と同様である。
【００８７】
また、判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部４２Ｂにおける離間判定処理は、引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定することである。
【００８８】
駆動制御部４３Ｂは、引離し動作において、カンチレバー２の応答速度以下の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる。すなわち、引離し動作において、第１の実施形態では、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させるが、第２の実施形態では、カンチレバー２の応答速度以下の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる。なお、上記引離し動作以外の駆動制御部４３Ｂに関する動作は、駆動制御部４３と同様である。
【００８９】
以下に、第２の実施形態に係る離間判定処理について説明する。
【００９０】
判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。
ここで、判定部４２Ｂは、カンチレバー２のたわみ量Ｖｄと試料Ｓをプローブ２ａから引き離した距離Ｈとの比（Ｖｄ／Ｈ）から、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化を算出することができる。また、判定部４２Ｂは、カンチレバー２のたわみ量Ｖｄを微分することでカンチレバー２のたわみ方向の速度変化を算出することができる。
【００９１】
判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度が所定値以下になる場合には、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。
また、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２の速度方向が反転した場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。
【００９２】
以下に、第２の実施形態に係る離間判定処理の作用効果について、図面を用いて説明する。
【００９３】
図１０は、第２の実施形態に係る引離し動作において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化を示すグラフである。図１０（ａ）は、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在しない場合のカンチレバー２のたわみ方向の速度変化のグラフである。図１０（ｂ）は、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合のカンチレバー２のたわみ方向の速度変化のグラフである。図１１は、第２の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。図１１（ａ）は、−Ｙ方向から見たカンチレバー２の側面図を示し、図１１（ｂ）は、−Ｘ方向から見たカンチレバー２の側面図を示す。
【００９４】
引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合には、カンチレバー２のたわみ方向の速度は、一定値となる。
ここで、図１０（ａ）に示すように、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在しない場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間すると、カンチレバー２のたわみ量の変化、すなわちカンチレバー２の速度は、フリー状態でほぼ０となる。そのため、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度が所定値以下になる場合には、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。これにより、判定部４２Ｂは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在しない場合において、プローブ２ａと試料Ｓとの離間を確実に検出することができる。なお、この所定値は、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合における、カンチレバー２のたわみ方向の速度未満の値である。
【００９５】
一方、図１０（ｂ），図１１に示すように、プローブ２ａと試料Ｓとの間に吸着力が存在する場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間すると、その吸着力によるたわみ分が戻るため、Ｖｄ／Ｈの値の符号が反転する。すなわち、プローブ２ａと試料表面とが離間すると、カンチレバー２の速度方向が反転する。そのため、判定部４２Ｂは、引離し動作中において、カンチレバー２の速度方向が反転した場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。これにより、判定部４２Ｂは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合においても、プローブ２ａと試料Ｓとの離間を確実に検出することができる。
【００９６】
以下に、第２の実施形態に係る離間判定処理の流れについて、図１２を用いて説明する。
【００９７】
判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内か否かを判定する（ステップＳ３０１）。判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であると判定した場合には、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内か否かを判定する（ステップＳ３０２）。一方、判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲外であると判定された場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ３０６）。
【００９８】
判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であると判定した場合に、第１検出信号に基づいて算出したカンチレバー２の速度が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。一方、判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲外であると判定した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ３０６）。
【００９９】
判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度が所定値以下であると判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する（ステップＳ３０５）一方、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度が所定値を超えていると判定した場合には、カンチレバー２の速度方向が反転したか否かを判定する（ステップＳ３０４）。
【０１００】
判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度方向が反転したと判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する（ステップＳ３０５）。一方、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度方向が反転していないと判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ３０６）。
【０１０１】
なお、図１２において、ステップＳ３０１の処理の後に、ステップＳ３０２の処理を実行したが、これに限定されない。本実施形態における判定部４２Ｂは、ステップＳ３０２の処理の後に、ステップＳ３０１の処理を行ってもよいし、ステップＳ３０１の処理と、ステップＳ３０２の処理とを並列に実行してもよい。同様に、判定部４２Ｂは、ステップＳ３０３の処理の後に、ステップＳ３０４の処理を実行してもよいし、ステップＳ３０３の処理と、ステップＳ３０４の処理とを並列に実行してもよい。
【０１０２】
上述したように、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂは、カンチレバー２の応答速度を超えない速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。
【０１０３】
例えば、判定部４２Ｂは、カンチレバー２のたわみ方向の速度が所定値以下になった場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。また、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度方向が反転した場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。
【０１０４】
これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｂでは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。
【０１０５】
なお、第２の実施形態では、引離し動作において、試料Ｓを下降させることで、試料とプローブ２ａとを引き離したが、これに限定されない。駆動制御部４３Ｂは、引離し動作において、プローブ２ａを上昇させることで、試料Ｓとプローブ２ａとを引き離してもよい。
【０１０６】
（第３の実施形態）
以下に、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃについて、図面を用いて説明する。第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃは、第１の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー２における振動の振幅の増加又はその振動の振動周波数の変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
【０１０７】
図１３は、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの概略構成の一例を示す図である。図１３に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、カンチレバー２、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｃを備えている。
【０１０８】
制御装置７Ｃは、判定部４２Ｃ、駆動制御部４３Ｂ、及び測定部４４を備える。
【０１０９】
判定部４２Ｃは、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を行う。この判定部４２Ｃにおける接触判定処理は、第１の実施形態に係る接触判定処理と同様である。
【０１１０】
判定部４２Ｃは、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。
【０１１１】
以下に、第３の実施形態に係る離間判定処理について、図１４を参照して説明する。
【０１１２】
第３の実施形態に係る離間判定処理には、大別して「カンチレバーの熱振動によるたわみ又はねじれ振幅の変化を検出する方法」、「カンチレバーの熱振動によるたわみ又はねじれ共振周波数の変化を検出」の２通りの方法がある。
【０１１３】
（カンチレバーの熱振動によるたわみ又はねじれ振幅の変化を検出する方法）
カンチレバー２は、基端が固定さており、先端（プローブ２ａ）が自由端となっている。そのため、プローブ２ａが試料表面に接触していない場合、すなわち離間している場合には、カンチレバー２は、熱振動により大きな振幅で共振することとなる。以下において、基端が固定端であり、先端（プローブ２ａ）が自由端であるカンチレバー２の状態を、片持ちの状態と称する。
【０１１４】
一方、プローブ２ａが試料表面に接触している場合には、プローブ２ａが試料表面により固定されていることになる。すなわち、カンチレバー２は、基端及び先端がともに固定端となる。そのため、熱振動による共振の振幅は、片持ちの状態と比較して小さな振幅となる。以下、基端及び先端がともに固定端であるカンチレバー２の状態を、両持ちの状態と称する。
【０１１５】
したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２の振動の振幅が増加することになる。そこで、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の振幅の増加に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の振幅が所定値以上になった場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動の振幅とは、たわみ振幅及びねじれ振幅の少なくともいずれか一方である。また、この所定値は、両持ちの状態における、カンチレバー２の振動の振幅に基づいて設定される。
【０１１６】
（レバーの熱振動によるたわみ又はねじれ共振周波数の変化を検出）
熱振動により共振するカンチレバー２の共振周波数は、片持ちの状態と両持ちの状態とで異なる。したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２の共振周波数が変化することになる。以下、片持ちの状態であるカンチレバー２の共振周波数を片持ち共振周波数と称する。一方、両持ちの状態であるカンチレバー２の共振周波数を両持ち共振周波数と称する。
【０１１７】
そこで、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の共振周波数の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２の振動周波数の変化が所定値以上になった場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動周波数とは、たわみ方向及びねじれ方向の少なくともいずれか一方方向の振動の周波数である。また、この所定値は、両持ち共振周波数に基づいて設定される。
【０１１８】
なお、上述の２通りの離間判定処理のいずれにおいても、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定するには、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であり、且つ光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であることが条件となる。
【０１１９】
上述したように、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の振幅の増加又はその振動の振動周波数の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。
【０１２０】
また、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、熱振動により、プローブ２ａと試料表面との離間を検出するため、新規に構造体を設ける必要が無い。
【０１２１】
（第４の実施形態）
以下に、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄについて、図面を用いて説明する。第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄは、加振部３を備え、第１の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の所定の周波数における振幅の変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
【０１２２】
図１５は、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄの概略構成の一例を示す図である。図１５に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、カンチレバー２、加振部３、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｄを備えている。
【０１２３】
加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる。例えば、加振部３は、カンチレバー２を加振してもよいし、試料台４を加振してもよい。また、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる方向は、試料台４を水平面に垂直な方向（Ｚ方向）でもよいし、水平方向（Ｙ方向）でもよい。以下の説明において、この所定の周波数を加振周波数と称する。
【０１２４】
制御装置７Ｄは、判定部４２Ｄ、駆動制御部４３Ｄ、及び測定部４４を備える。
判定部４２Ｄは、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部４２Ｄにおける離間判定処理は、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の加振周波数における振幅の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定することである。
【０１２５】
駆動制御部４３Ｄは、駆動制御部４３Ｂと同様の機能を有する。また、駆動制御部４３Ｄは、加振部３の動作を制御する。すなわち、駆動制御部４３Ｄは、試料Ｓとカンチレバー２との相対的な振動を制御する。
【０１２６】
以下に、第４の実施形態に係る離間判定処理について、図１６，１７，１８を参照して説明する。
第４の実施形態に係る離間判定処理は、大別して、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法」、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法」、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法」、の３通りがある。
【０１２７】
（カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法：図１６）
この方法では、加振周波数は、カンチレバー２の非共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを非共振周波で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、プローブ２ａを支点としてカンチレバー２の角度が変化する。すなわち、光てこ式を用いた検出方式では、カンチレバー２の角度変化が、カンチレバー２の大きな振幅として検出される。
【０１２８】
一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２の角度変化が減少する。そのため、光てこ式を用いた検出方式では、カンチレバー２の小さい振幅として検出される。したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２の振幅が減少することになる。ここで、カンチレバー２の振幅とは、たわみ方向の振幅及びねじれ方向の振幅との少なくともいずれかである。たわみ方向の振幅は、第１検出信号が示すたわみ量である。ねじれ方向の振幅は第２検出信号が示すねじれ量である。
【０１２９】
そこで、判定部４２Ｄは、引離し動作中において、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。また、この所定値は、引離し動作中においてプローブ２ａが試料表面に接触している状態で検出される、たわみ量又はねじれ量に基づいて設定される。
【０１３０】
なお、この方法において、カンチレバー２を非共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を水平方向に振動させてもよい。また、第４の実施形態において、試料Ｓを非共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを水平方向に振動させてもよい。
【０１３１】
（カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法；図１７）
この方法では、加振周波数は、片持ち共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを片持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、カンチレバー２は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、小さな振幅で振動する。
【０１３２】
一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２は片持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されることで共振し、大きな振幅で振動する。
【０１３３】
したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、片持ち共振周波数におけるカンチレバー２の振動の振幅が増加することになる。そこで、判定部４２Ｄは、引離し動作中において、片持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の増加に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、片持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の増加量が所定値を超える場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動の振幅とは、たわみ振幅及びねじれ振幅の少なくともいずれか一方である。
【０１３４】
なお、この方法において、カンチレバー２を片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。また、試料Ｓを片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。
【０１３５】
（カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法；図１８）
この方法では、加振周波数は、両持ち共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを両持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、カンチレバー２は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により両持ち共振周波数で加振されることで共振し、大きな振幅で振動する。
【０１３６】
一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２は片持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により両持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、小さな振幅で振動する。
【０１３７】
したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、両持ち共振周波数におけるカンチレバー２の振動の振幅が減少することになる。そこで、判定部４２Ｄは、引離し動作中において、両持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の減少に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、両持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の減少量が所定値を超える場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動の振幅とは、たわみ方向の振幅及びねじれ方向の振幅の少なくともいずれか一方である。
【０１３８】
なお、この方法において、カンチレバー２を両持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を両持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。また、試料Ｓを両持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを両持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー２の両持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー２の両持ち共振周波数である。
【０１３９】
また、第４の実施形態に係る３通りの離間判定処理のいずれにおいても、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定するには、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であり、且つ光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であることが条件となる。
【０１４０】
上述したように、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄは、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる加振部３と、その引離し動作中において、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の所定の周波数における振幅の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する判定部４２Ｄと、を備える。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。
【０１４１】
なお、第４の実施形態において、たわみ又はねじれ方向に非共振の周波数で微小に振動させる方法は、プローブ２ａが試料表面に対して離間した瞬間に振幅が急激に小さくなり、応答が速く、高速に動作する場合に適している。
一方、微小な振幅を共振周波数（片持ち共振周波数、両持ち共振周波数）で加える方法は、非共振より小さな振幅で検出が可能となるので、凹凸形状の測定への影響が少ない。
【０１４２】
（第５の実施形態）
以下に、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅについて、図面を用いて説明する。第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅは、第４の実施形態と同様に加振部３を備え、第１の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて離間判定処理を行う。なお、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。
【０１４３】
図１９は、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅの概略構成の一例を示す図である。図１９に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｅは、カンチレバー２、加振部３、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｅを備えている。
【０１４４】
制御装置７Ｅは、判定部４２Ｅ、駆動制御部４３Ｄ、及び測定部４４を備える。
判定部４２Ｅは、光検出部６２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部４２Ｅにおける離間判定処理は、引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定することである。
【０１４５】
以下に、第５の実施形態に係る離間判定処理について、図２０を用いて説明する。
この方法では、加振周波数は、片持ち共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを片持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、カンチレバー２は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、非共振で振動する。したがって、カンチレバー２における振動の位相と、加振部３で加振する加振周波数の位相との位相差は小さい。
【０１４６】
一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２は片持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されることで共振する。したがって、カンチレバー２における振動の位相と、加振部３で加振する加振周波数の位相との位相差は、略９０度となる。すなわち、カンチレバー２における振動の位相は、加振部３で加振する加振周波数の位相から９０°遅れた位相となる。
【０１４７】
したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２における振動の位相と、加振部３で加振する加振周波数の位相との位相差が増加することになる。そこで、判定部４２Ｅは、引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｅは、引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差が所定値を超える場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。
【０１４８】
なお、この方法において、カンチレバー２を片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。また、試料Ｓを片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。
【０１４９】
また、第５の実施形態に係る離間判定処理において、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定するには、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であり、且つ光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であることが条件となる。
【０１５０】
上述したように、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅは、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる加振部３と、その引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する判定部４２Ｅと、を備える。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。
【０１５１】
上述したように、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、従来のように、予め設定された「引離し距離」だけ試料表面から引き離してプローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを判定するのではなく、引離し動作を行いながら、プローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを判定し、プローブと試料表面とが離間していると判定した場合に引離し動作を停止する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、引離し動作を停止した後に次の測定点の上空まで移動させる。
【０１５２】
ここで、引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内であれば、プローブ２ａが試料表面に接触していない、すなわちプローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する方法も考えられる。ただし、この方法では、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内になったとしても、上記吸着力により、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合があり、プローブと試料表面とが離間していることを正しく検出することができない。
【０１５３】
一方、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、引離し動作中において、上述の第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理を適用することにより、プローブ２ａと試料表面との離間を確実に検出することができる。
【０１５４】
なお、上述の走査型プローブ顕微鏡は、引離し動作を停止した後の次の測定点の上空までの移動において、上述の第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理を実行することで、プローブ２ａが試料に衝突することを回避可能となる。
【０１５５】
例えば、上述の走査型プローブ顕微鏡は、（１）接近動作を行い、（２）プローブ２ａと試料表面とが接触したか否かを判定する。走査型プローブ顕微鏡は、プローブ２ａと試料表面とが接触したと判定した場合には、（３）接近動作を停止して相対距離を測定する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、相対距離を測定した後に、（４）引離し動作を開始してプローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理で判定する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、（５）プローブ２ａと試料表面とが離間した判定した場合には、引離し動作を停止して、（６）プローブ２ａを次の測定点の上空まで移動させる。ここで、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ２ａを次の測定点の上空まで移動させている間に、プローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理で判定する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ２ａと試料表面とが離間していると判定されている間は、上記移動を継続し、プローブ２ａと試料表面とが離間していないと判定された場合には、上記（５）に戻り、引離し動作を実行して第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理を開始する。
これにより、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、次の測定点の上空までの移動においてプローブ２ａが試料に衝突することを回避可能となる。
【０１５６】
上述した実施形態における制御装置７，７Ｂ〜７Ｅをコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
【０１５７】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【０１５８】
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１５９】
１  走査型プローブ顕微鏡
２  カンチレバー
３  加振部
５  移動駆動部
６  変位検出部
７  制御装置
４２  判定部
４３  駆動制御部
４４  測定部
５１  Ｚ方向駆動装置（駆動部）
５２  ＸＹスキャナー（スキャナー部）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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