(57)【要約】【課題】探針と試料が衝突することによって探針や試料が損傷することを防止することができるサンプリング走査プローブ顕微鏡を実現する。【解決手段】探針５が試料２の表面に近接または接触した時点における該探針の振動振幅の減衰度合いを検出する振幅減衰検出部４１と、該検出された減衰度合いが予め設定されている閾値に達すると、探針５と試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に探針５と試料表面が接触することのない所定距離まで探針５を試料表面から離すようにｚ方向の移動を制御する制御部２４とを備える。【選択図】　　図１
2004132823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備えたサンプリング走査プローブ顕微鏡において、
前記探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる手段と、
前記探針が試料の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における該探針の振動振幅の減衰度合いを検出する手段と、
前記ｚ方向の移動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、前記検出された減衰度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す
ことを特徴とするサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記制御手段は、前記接近停止後、該探針の振動振幅の減衰度合いが前記閾値で一定となるように、前記ｚ方向の移動を制御することを特徴とする請求項１に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備えたサンプリング走査プローブ顕微鏡において、
前記探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる手段と、
前記探針が試料の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における該探針の振動の位相の変化度合いを検出する手段と、
前記ｚ方向の移動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す
ことを特徴とするサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記制御手段は、前記接近停止後、該探針の振動の位相の変化度合いが前記閾値で一定となるように、前記ｚ方向の移動を制御することを特徴とする請求項３に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備えたサンプリング走査プローブ顕微鏡において、
前記探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる手段と、
前記探針が試料の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における該探針の振動の周波数の変化度合いを検出する手段と、
前記ｚ方向の移動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す
ことを特徴とするサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記制御手段は、前記接近停止後、該探針の振動の周波数の変化度合いが前記閾値で一定となるように、前記ｚ方向の移動を制御することを特徴とする請求項５に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記探針と前記試料表面の接近を停止させた時点の該探針のｚ方向の位置を検出し、この位置データをｚ方向の観測データとすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかの項に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記探針と前記試料表面の接近を停止させた時点の該探針のｚ方向の位置を検出し、該停止させた時点における該探針の振動振幅の減衰度合いと前記閾値との差分に基づいて前記検出した位置を補正する手段を備え、
前記補正後の位置データをｚ方向の観測データとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記ｚ方向の観測データと、前記ｘおよびｙ方向の走査に使用された駆動データとを組み合わせて三次元のイメージデータを生成し、該イメージデータにより画像表示することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記探針と前記試料表面を接近させる動作および離す動作が直線移動であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかの項に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記探針と前記試料表面を接近させるときの前記直線移動の速度が、前記離すときの該速度と異なることを特徴とする請求項１０に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記離すときの速度が、前記接近するときの速度よりも大きいことを特徴とする請求項１１に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記直線移動の速度が、前記探針と前記試料表面を接近させる動作および離す動作の少なくとも一方において減速制御されることを特徴とする請求項１０に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記直線移動の速度が毎秒１マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかの項に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
前記直線移動の速度が毎秒２マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかの項に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記直線移動の速度が毎秒４マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかの項に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記直線移動の速度が毎秒６マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれかの項に記載のサンプリング走査プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させ、該探針が試料の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サンプリング走査プローブ顕微鏡における走査方法であって、
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該探針の振動振幅の減衰度合いを検出する過程と、
前記検出された減衰度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させる過程と、
この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す過程と、
を含むことを特徴とする走査方法。
【請求項１９】
試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させ、該探針が試料の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サンプリング走査プローブ顕微鏡における走査方法であって、
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該探針の振動の位相の変化度合いを検出する過程と、
前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させる過程と、
この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す過程と、
を含むことを特徴とする走査方法。
【請求項２０】
試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させ、該探針が試料の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サンプリング走査プローブ顕微鏡における走査方法であって、
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該探針の振動の周波数の変化度合いを検出する過程と、
前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させる過程と、
この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す過程と、
を含むことを特徴とする走査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サンプリング走査プローブ顕微鏡に係り、特に探針を試料表面上で、上下に往復動させることにより、試料表面の形状情報、物理情報等を得ることのできるサンプリング走査プローブ顕微鏡および走査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のサンプリング走査型のプローブ顕微鏡（サンプリング走査プローブ顕微鏡）は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、試料を走査する際に該探針が試料の表面を軽く叩くように、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる。さらに、ｘ方向の走査時間とｘ方向の画素数とで決まるｚ方向移動用周波数で探針をｚ方向に移動させる。これにより、探針が試料表面を叩く回数を減らして、試料の損傷を低減させるとともに、探針の長寿命化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２８６５６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のサンプリング走査プローブ顕微鏡では、ｚ方向移動用周波数で探針を試料から引き離すが、試料形状が急峻な部分では探針と試料が衝突して大きな力が加わり、探針や試料を損傷する虞がある。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、探針と試料が衝突することによって探針や試料が損傷することを防止することができるサンプリング走査プローブ顕微鏡および走査方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備えたサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる手段と、前記探針が試料の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における該探針の振動振幅の減衰度合いを検出する手段と、前記ｚ方向の移動を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記検出された減衰度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離すことを特徴としている。
【０００７】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記制御手段は、前記接近停止後、該探針の振動振幅の減衰度合いが前記閾値で一定となるように、前記ｚ方向の移動を制御することを特徴とする。
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備えたサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる手段と、前記探針が試料の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における該探針の振動の位相の変化度合いを検出する手段と、前記ｚ方向の移動を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離すことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記制御手段は、前記接近停止後、該探針の振動の位相の変化度合いが前記閾値で一定となるように、前記ｚ方向の移動を制御することを特徴とする。
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備えたサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させる手段と、前記探針が試料の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における該探針の振動の周波数の変化度合いを検出する手段と、前記ｚ方向の移動を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させ、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離すことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記制御手段は、前記接近停止後、該探針の振動の周波数の変化度合いが前記閾値で一定となるように、前記ｚ方向の移動を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面の接近を停止させた時点の該探針のｚ方向の位置を検出し、この位置データをｚ方向の観測データとすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面の接近を停止させた時点の該探針のｚ方向の位置を検出し、該停止させた時点における該探針の振動振幅の減衰度合いと前記閾値との差分に基づいて前記検出した位置を補正する手段を備え、前記補正後の位置データをｚ方向の観測データとすることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記ｚ方向の観測データと、前記ｘおよびｙ方向の走査に使用された駆動データとを組み合わせて三次元のイメージデータを生成し、該イメージデータにより画像表示することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面を接近させる動作および離す動作が直線移動であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記探針と前記試料表面を接近させるときの前記直線移動の速度が、前記離すときの該速度と異なることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記離すときの速度が、前記接近するときの速度よりも大きいことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記直線移動の速度が、前記探針と前記試料表面を接近させる動作および離す動作の少なくとも一方において減速制御されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記直線移動の速度が毎秒１マイクロメートル以上であることを特徴とする。
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記直線移動の速度が毎秒２マイクロメートル以上であることを特徴とする。
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記直線移動の速度が毎秒４マイクロメートル以上であることを特徴とする。
また、本発明のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、前記直線移動の速度が毎秒６マイクロメートル以上であることを特徴とする。
【００２０】
上記の課題を解決するために、本発明の走査方法は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させ、該探針が試料の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サンプリング走査プローブ顕微鏡における走査方法であって、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該探針の振動振幅の減衰度合いを検出する過程と、前記検出された減衰度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させる過程と、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す過程と、を含むことを特徴としている。
【００２１】
上記の課題を解決するために、本発明の走査方法は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させ、該探針が試料の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サンプリング走査プローブ顕微鏡における走査方法であって、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該探針の振動の位相の変化度合いを検出する過程と、前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させる過程と、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す過程と、を含むことを特徴としている。
【００２２】
上記の課題を解決するために、本発明の走査方法は、試料面に平行なｘ、ｙ方向の走査と、該試料面に垂直なｚ方向の移動とを該試料面に対して相対的に行える探針を備え、該探針を、これに共振するあるいは強制振動する振動用周波数で振動させ、該探針が試料の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サンプリング走査プローブ顕微鏡における走査方法であって、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該探針の振動の周波数の変化度合いを検出する過程と、前記検出された変化度合いが予め設定されている閾値に達すると、前記探針と前記試料表面の接近を停止させる過程と、この接近停止後に、前記ｘまたはｙ方向の次回の走査期間中に前記探針と前記試料表面が接触することのない所定距離まで前記探針を前記試料表面から離す過程と、を含むことを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。この図１のサンプリング走査プローブ顕微鏡において、観察される試料２は試料台４の上面に載置される。該試料２の上方には、該試料２と対向する探針５を一端に有するカンチレバー６が設けられ、該カンチレバー６の他の一端にはバイモルフ８が固定されている。バイモルフ８は、加振電源１８によりカンチレバー６を共振または強制振動させる。この振動用周波数は、例えば１００ｋＨｚである。これにより、探針５が振動用周波数で振動する。
【００２４】
カンチレバー６のバイモルフ８側の一端は３次元アクチュエータ１４に固定されている。３次元アクチュエータ１４は、試料２の試料面に平行なｘおよびｙ方向に走査する動作と、該試料面に垂直なｚ方向に移動する動作を行う。これにより、探針５は、試料２の試料面に対して該ｘ、ｙ方向の走査と、該ｚ方向の移動が可能となる。
【００２５】
３次元アクチュエータ１４には、探針５と対向する位置にカンチレバー変位検出器１０が設けられている。カンチレバー６の探針５部分の変位量は、レーザ発生器１２から出力されたレーザ光９の入射位置をカンチレバー変位検出器１０で測定することにより検出される。この検出された変位量は振幅減衰検出部１６へ出力される。振幅減衰検出部１６は、該変位量に基づいて探針５の振動振幅を求め、さらに該振動振幅の減衰度合いを求める。振動振幅の減衰度合いとしては、実際の減衰量を使用してもよく、あるいは減衰率を使用してもよい。
【００２６】
ＸＹ駆動部２０は、３次元アクチュエータ１４を駆動して試料２の試料面に平行なｘまたはｙ方向の走査を行う。Ｚ駆動部２２は、３次元アクチュエータ１４を駆動して試料２の試料面に垂直なｚ方向の移動を行う。制御部２４は、振幅減衰検出部１６によって検出された探針５の振動振幅の減衰度合いに基づいて、Ｚ駆動部２２に対して該ｚ方向の移動の制御を行う。
【００２７】
図２、図３を参照して、上記制御部２４の動作および本実施形態の走査方法を説明する。図２は本実施形態の走査方法を説明するための概念図である。図３は、探針５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２には、探針５の移動軌跡と、試料表面２ａ上の測定点２０１を示している。探針５の移動軌跡は、ｘ、ｙ方向の軌跡１０１＿ｘｙとｚ方向の軌跡１０１＿ｚとからなる。
【００２８】
初めに、探針５は、バイモルフ８によって振動用周波数で振動している。この状態で、図２に示すように、ＸＹ駆動部２０は、探針５をｘ、ｙ方向に走査させて、ある測定点２０１の上方に到達した時に該走査を停止する。このｘ、ｙ方向走査時には探針５は、試料表面２ａと衝突することのないように、試料表面２ａからｚ方向に所定距離だけ離れている。該所定距離だけ試料表面２ａから離れたｚ方向の位置Ｚａは予め設定されている。ｘ、ｙ方向走査時の探針５は、図３（ａ）に示す振動波形Ｗ１のように、振動振幅Ａで振動している。
【００２９】
次いで、Ｚ駆動部２２は、測定点２０１の上方にある探針５をｚ方向に移動させて試料表面２ａに接近させる。これにより探針５が試料表面２ａに近接もしくは接触すると、該探針５の振動振幅は、図３（ｂ）に示す振動波形Ｗ２のように、振動振幅Ａ’に減衰する。振幅減衰検出部１６は、この振動振幅の減衰度合い「Ａ−Ａ’」を算出して予め設定されている閾値Ｔｈ１と比較し、減衰度合い「Ａ−Ａ’」が該閾値Ｔｈ１に達すると、その旨を制御部２４へ通知する。制御部２４は、この通知を受けると、Ｚ駆動部２２へ移動停止を指示する。これにより、探針５と試料２に損傷を与えるほど大きな力が加わる前に探針５が停止するので、該探針５や試料２が損傷することはない。上記探針５の移動を停止指示した時点で、当該測定点２０１のｚ方向の観測データが採取される。
【００３０】
次いで、制御部２４は、上記位置Ｚａまで探針５をｚ方向に移動させる。探針５が位置Ｚａに到達すると、ＸＹ駆動部２０は、探針５を次の測定点２０１の上方までｘ、ｙ方向に走査させる。
上記ｘ、ｙ方向の走査とｚ方向の移動を繰り返し実行することにより、試料表面２ａの走査が行われ、各測定点２０１の観測データが採取される。
【００３１】
次に、上記走査により観測データを採取する構成と動作を説明する。
図１において、補正量算出部２６は、ｚ方向の探針５の位置データを補正するための補正量を求める。Ｚデータ演算部２８は、Ｚ駆動部２２の駆動データを元に、探針５が停止した時点の該探針５のｚ方向の位置を検出し、この位置データに補正量算出部２６で求めた補正量を合算して、ｚ方向の観測データとする。
【００３２】
イメージデータ生成部３０は、Ｚデータ演算部２８により求められたｚ方向の観測データと、ＸＹ駆動部２０によりｘおよびｙ方向の走査に使用された駆動データとを組み合わせて、三次元のイメージデータを生成する。このイメージデータは、表示部３２により三次元の画像として再生および表示される。
【００３３】
図４を参照して、上記補正量算出部２６およびＺデータ演算部２８の補正処理について説明する。図４には、探針５のｚ方向の位置に対応する変位の波形を示している。
図４に示すように、探針５が試料表面２ａ近傍の位置Ｚ０まで到達すると、探針５に力が作用し、振動振幅が減衰し始める。そして、位置Ｚ１にて、振動振幅の減衰度合いが予め設定されている閾値Ｔｈ１に達したとする。この時点で制御部２４はＺ駆動部２２へｚ方向の移動停止を指示し、これにより探針５の試料表面２ａへの接近動作は停止する。しかし、該移動停止の指示時点から探針５が停止するまでの応答時間の分だけ、探針５の接近動作は継続するので、実際には探針５は位置Ｚ２で停止する。この位置Ｚ２の位置データをそのままｚ方向の観測データとすると、位置Ｚ１とＺ２の差ΔＺが「接近量のブレ」となり、これがｚ方向の観測データの誤差要因となる。本実施形態では、位置Ｚ２の位置データに対して上記差ΔＺ分を補正することによって、正確なｚ方向の観測データを得るようにする。
【００３４】
図４において、位置Ｚ１の振幅Ａ１と位置Ｚ２の振幅Ａ２との差ΔＡは、ｚ方向の長さであるので、上記差ΔＺに等しい。従って、差ΔＡが得られれば位置Ｚ２の位置データの上記補正が可能である。そこで、振幅減衰検出部１６は、振動振幅の減衰度合いが閾値Ｔｈ１に達したときの振動振幅、すなわち位置Ｚ１の振幅Ａ１を補正量算出部２６へ出力する。さらに、探針５の接近動作が停止したときの振動振幅、すなわち位置Ｚ２の振幅Ａ２を補正量算出部２６へ出力する。これにより、補正量算出部２６は、位置Ｚ１の振幅Ａ１と位置Ｚ２の振幅Ａ２を得ることができ、該振幅Ａ１とＡ２の差ΔＡを求めて補正量ΔＺとし、この補正量ΔＺをＺデータ演算部２８へ出力する。Ｚデータ演算部２８は、該補正量ΔＺとＺ駆動部２２から得た位置Ｚ２の位置データとを合算し、この合算値をｚ方向の観測データとする。これにより、補正された正確なｚ方向の観測データが採取可能となる。
【００３５】
なお、制御部２４は、探針５の接近停止後、該探針５の振動振幅の減衰度合いが閾値Ｔｈ１で一定となるように、ｚ方向の移動を制御するようにしてもよい。このようにすれば、探針５は、振動振幅の減衰度合いが閾値Ｔｈ１に達した位置Ｚ１を略維持するので、上記補正なしでも正確なｚ方向の観測データを採取することができる。また、ｚ方向の観測データの精度を更に向上するために、上記補正と組み合わせてもよい。
【００３６】
次に、図５を参照して第２の実施形態を説明する。図５は、本発明の第２の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。この図５において図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。
第２の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡においては、探針５の振動の位相の変化度合いに基づいて該探針５のｚ方向の移動を制御する。図５に示すように、第２の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡は位相変化検出部４１を備える。この位相変化検出部４１は、探針５の振動の位相の変化度合いを検出する。位相の変化度合いとしては、実際の変化量を使用してもよく、あるいは変化率を使用してもよい。位相変化検出部４１は、該位相の変化度合いと予め設定されている閾値Ｔｈ２とを比較し、該変化度合いが該閾値Ｔｈ２に達すると、その旨を制御部２４へ通知する。これにより制御部２４は、上記第１の実施形態と同様に、Ｚ駆動部２２に対してｚ方向の移動の制御を行う。
【００３７】
この第２の実施形態では、イメージデータ生成部３０は、探針５と試料表面２ａの接近停止時点のＺデータ駆動部２２の駆動データを元に、該探針５のｚ方向の位置を検出し、この位置データをｚ方向の観測データとする。
【００３８】
なお、第２の実施形態において制御部２４が、探針５の接近停止後、該探針５の振動の位相の変化度合いが上記閾値Ｔｈ２で一定となるように、ｚ方向の移動を制御するのが好ましい。このようにすれば、探針５は、振動の位相の変化度合いが閾値Ｔｈ２に達した位置を略維持するので、正確なｚ方向の観測データを採取することができる。
【００３９】
次に、図６を参照して第３の実施形態を説明する。図６は、本発明の第３の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。この図６において図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。
第３の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡においては、探針５の振動の周波数の変化度合いに基づいて該探針５のｚ方向の移動を制御する。図６に示すように、第３の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡は、位相調整器５１と増幅器５２と周波数／電圧変換器（Ｆ−Ｖ変換器）５３を備える。位相調整器５１は、カンチレバー変位検出器１０の出力を、カンチレバー６が共振周波数で振動するように調整して増幅器５２に出力する。増幅器５２はこの入力信号を所定の増幅度で増幅して、バイモルフ８とＦ−Ｖ変換器５３へ出力する。バイモルフ８はこの入力信号によりカンチレバー６および探針５を振動させる。
【００４０】
Ｆ−Ｖ変換器５３は、増幅器５２から入力された信号の周波数を対応する電圧信号に変換して制御部２４へ出力する。制御部２４は、この入力された電圧信号に基づいて、探針５の振動の周波数の変化度合いを検出する。周波数の変化度合いとしては、実際の変化量を使用してもよく、あるいは変化率を使用してもよい。制御部２４は、該周波数の変化度合いと予め設定されている閾値Ｔｈ３とを比較し、該変化度合いが該閾値Ｔｈ３に達すると、上記第１の実施形態と同様に、Ｚ駆動部２２に対してｚ方向の移動の制御を行う。
【００４１】
この第３の実施形態では、上記第２の実施形態と同様に、イメージデータ生成部３０は、探針５と試料表面２ａの接近停止時点のＺデータ駆動部２２の駆動データを元に、該探針５のｚ方向の位置を検出し、この位置データをｚ方向の観測データとする。
【００４２】
なお、第３の実施形態において制御部２４が、探針５の接近停止後、該探針５の振動の周波数の変化度合いが上記閾値Ｔｈ３で一定となるように、ｚ方向の移動を制御するのが好ましい。このようにすれば、探針５は、振動の周波数の変化度合いが閾値Ｔｈ３に達した位置を略維持するので、正確なｚ方向の観測データを採取することができる。
【００４３】
なお、上述した第１〜第３の実施形態においては、３次元アクチュエータ１４により探針５のｘ、ｙ方向の走査とｚ方向の移動を行ったが、これらｘ、ｙ方向の走査とｚ方向の移動は試料２の試料面に対して相対的に行われればよい。例えば、試料台４を動かすことによって該ｘ、ｙ方向の走査とｚ方向の移動を行うようにしてもよい。
【００４４】
また、図２に示すように、探針５と試料表面２ａを接近させる動作および離す動作を直線移動としたが、ｘ、ｙ方向に移動中に該接近または離す動作を行って探針５がｚ方向に曲線移動するようにしてもよい。但し、探針５の振動の振幅、位相、周波数の変化を精度よく検出するために、直線移動とするのが好ましい。
【００４５】
また、探針５と試料表面２ａを接近させるときの直線移動の速度が、探針５を試料表面２ａから離すときの直線移動の速度と異なるようにしてもよい。この場合、離すときの速度を、接近するときの速度よりも大きくするのが好ましい。この理由は、接近するときには探針５の振動の振幅、位相、周波数の変化を精度よく検出可能な速度としても、離すときに速度を上げることで測定時間を短縮することが可能なためである。
【００４６】
なお、探針５のｚ方向の直線移動の速度について、探針５と試料表面２ａを接近させる動作および離す動作の少なくとも一方において減速制御するようにしてもよい。好ましくは接近するときに減速制御するのが、探針５の振動の振幅、位相、周波数の変化を精度よく検出する上でよい。
【００４７】
なお、探針５のｚ方向の直線移動の速度については、毎秒１マイクロメートル以上とするのが測定時間を短縮する観点から好ましい。さらには、毎秒２マイクロメートル以上とするのが好ましく、毎秒４マイクロメートル以上とすればより好ましい。さらに、毎秒６マイクロメートル以上とすれば測定時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００４８】
なお、上述した第１〜第３の実施形態においては、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するようにしたが、光検知式以外のカンチレバーを用いてもよい。例えば自己の変位量を検知する自己検知レバーを用いることも可能である。
【００４９】
以上、本発明の実施形態を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、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、探針と試料が衝突することによって探針や試料が損傷することを防止することができる。また、高速に探針を試料に近接または接触させることができるので、測定時間を短縮することが可能となる。これにより、凹凸が激しい試料の測定や大領域の測定が容易に実施可能となる。
【００５１】
また、探針と試料表面との接近停止時における応答時間分の「接近量のブレ」を補正して観測データを採取するので、より高精度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の走査方法を説明するための概念図である。
【図３】探針５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４】図１に示す補正量算出部２６およびＺデータ演算部２８の補正処理を説明するための振動波形図である。
【図５】本発明の第２の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施形態によるサンプリング走査プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２…試料、２ａ…試料表面、４…試料台、５…探針、６…カンチレバー、８…バイモルフ、９…レーザ光、１０…カンチレバー変位検出器、１２…レーザ発生器、１４…３次元アクチュエータ、１６…振幅減衰検出部、１８…加振電源、２０…ＸＹ駆動部、２２…Ｚ駆動部、２４…制御部、２６…補正量算出部、２８…Ｚデータ演算部、３０…イメージデータ生成部、３２…表示部、４１…位相変化検出部、５１…位相調整器、５２…増幅器、５３…周波数／電圧変換器（Ｆ−Ｖ変換器）
【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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