(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーと、
前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいて前記光照射部の光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光照射制御部は、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバーは、熱膨張率が異なる複数の層を有しており、前記複数の層の熱膨張率の差に応じてＺ方向に撓み変形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】
前記カンチレバーは、窒化シリコンに金がコーティングされた構成を有しており、金コーティングに光が照射され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】
前記光照射制御部は、さらに、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させ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】
前記光照射制御部は、さらに、前記センサにより検出された変位に基づいてＱ値制御を行うＱ値制御部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記Ｑ値制御部は、前記センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有することを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記Ｑ値制御部はＱ値を減少させることを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記Ｑ値制御部はＱ値を増大させることを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
カンチレバーと、
前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させる発振制御部と、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記カンチレバーの変位を検出するセンサを備えており、
前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいてＱ値制御を行うＱ値制御部を備えていることを特徴とする請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記Ｑ値制御部は、前記センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有することを特徴とする請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記Ｑ値制御部はＱ値を減少させることを特徴とする請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記Ｑ値制御部はＱ値を増大させることを特徴とする請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
カンチレバーと試料を相対的にＸＹ方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記カンチレバーの変位を検出し、
検出された前記カンチレバーの変位に基づいて前記光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで、前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
【請求項１５】
さらに、前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項１４に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
【請求項１６】
さらに、検出された前記カンチレバーの変位に基づいたＱ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項１５に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
【請求項１７】
カンチレバーと試料を相対的にＸＹ方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させ、かつ、前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
【請求項１８】
前記カンチレバーの変位を検出し、
検出された前記カンチレバーの変位に基づいたＱ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項１７に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
【請求項１９】
カンチレバーの変位を検出するセンサと、
前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいて前記光照射部の光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光照射制御部は、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とするカンチレバー駆動装置。
【請求項２０】
前記光照射制御部は、さらに、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項１９に記載のカンチレバー駆動装置。
【請求項２１】
前記光照射制御部は、さらに、前記センサにより検出された変位に基づいてＱ値制御を行うＱ値制御部を備えていることを特徴とする請求項２０に記載のカンチレバー駆動装置。
【請求項２２】
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させる発振制御部と、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とするカンチレバー駆動装置。
【請求項２３】
前記光照射制御部は、さらに、センサにより検出された前記カンチレバーの変位に基づいてＱ値制御を行うＱ値制御部を備えていることを特徴とする請求項２２に記載のカンチレバー駆動装置。
【請求項２４】
カンチレバーと試料を相対的にＸＹ方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記カンチレバーの変位を検出し、
検出された前記カンチレバーの変位に基づいて前記光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで、前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とするカンチレバー駆動方法。
【請求項２５】
さらに、前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項２４に記載のカンチレバー駆動方法。
【請求項２６】
さらに、検出された前記カンチレバーの変位に基づいたＱ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項２５に記載のカンチレバー駆動方法。
【請求項２７】
カンチレバーと試料を相対的にＸＹ方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させ、かつ、前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とするカンチレバー駆動方法。
【請求項２８】
前記カンチレバーの変位を検出し、
検  出された前記カンチレバーの変位に基づいたＱ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項２７に記載のカンチレバー駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡、および、カンチレバーの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、典型的な走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）としては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。これらのうち、ＡＦＭは、探針を自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するセンサと、試料ステージスキャナとを備えている。センサは典型的には光てこ式のセンサである。また、試料ステージスキャナは一般にピエゾ素子で構成されており、カンチレバーに対して試料をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる。【０００３】
ＡＦＭでは、試料とカンチレバーが相対的にＸＹ方向に走査される。このとき、カンチレバーと試料にかかる力が一定に保たれるように、Ｚ方向の変位がフィードバック制御される。このＺ方向の変位のフィードバック制御が、Ｚ走査といわれる。カンチレバーと試料にかかる力を一定に保つための試料ステージの動きから、試料表面の微細形状を得ることができる。【０００４】
ＡＦＭの測定モードとしては、典型的にはＡＣモードおよびコンタクトモードが知られている。ＡＣモードでは、カンチレバーが共振周波数で励振される。カンチレバーが試料に近づくと振幅が変化する。そこで、振幅が一定になるようにＺ方向のフィードバック制御が行われ、これによりカンチレバーと試料の距離が一定に保たれる。【０００５】
「ＡＦＭの走査速度について」
従来のＡＦＭでは、測定が遅く、１枚の画像を撮るのに分のオーダーの時間がかかる。この理由は、フィードバック走査が遅いからである。フィードバック操作は、試料ステージを上下に動かして探針と試料表面との距離を調節し、カンチレバー探針と試料とにかかる力を一定に保つことである。画像取得に時間がかかるために、例えば、試料の動きを観察することは困難である。【０００６】
フィードバック走査のループには、ＡＦＭのほとんどのデバイスが関与している。関係するデバイスは、カンチレバー、センサ、センサアンプ、制御回路、ピエゾドライブ電源、試料ステージスキャナなどである。これらのデバイスの内で、通常は試料ステージスキャナが最も遅いデバイスである。したがって、ＡＦＭの撮影速度を上げるためには、スキャナの高速化が必須となる。【０００７】
しかしながら、従来のＡＦＭでは、スキャナの高速化の限界は低い。より詳細には、従来のＡＦＭでは、スキャナが、マクロな大きさをもつピエゾ素子（圧電素子）によって構成されている。試料ステージはスキャナによってＸＹＺの３次元方向に走査される。フィードバック走査は、Ｚ方向走査であり、ＸＹ方向走査に比べて高速な走査である。このＺ方向走査が、ピエゾ素子の共振周波数より下の領域で行われる必要がある。したがって、走査速度を上げるためには、Ｚ方向走査のピエゾ素子の共振周波数を上げる必要がある。しかし、ピエゾ素子はカンチレバーなどと比べてマクロな大きさをもっているために、ピエゾ素子の共振周波数は低い。このことがスキャナの高速化を妨げる要因になる。【０００８】
フィードバック走査では、試料ステージをＺ方向に動かす代わりにカンチレバーがＺ方向に動かされてもよい。そこで、ＭＥＭＳ技術を用いてカンチレバーに圧電薄膜を導入することにより、自己アクチュエーション機能を持ったカンチレバーが開発されている。この場合、カンチレバーは試料ステージスキャナに比べて非常に小さいので、共振周波数を容易に上げることができる。したがって、フィードバック走査の高速化が容易である。しかしながら、自己アクチュエーション機能を備えるために、カンチレバーの構造が複雑になり、また、カンチレバーが非常に硬くなってしまう。そのため、自己アクチュエーションタイプのカンチレバーは、生体高分子や合成高分子などの脆く柔らかい試料の測定に使いにくいという限界をもっている。【０００９】
「カンチレバーのＱ値制御について」
ところで、カンチレバーは一種の共振系である。共振スペクトル（励振力の周波数に対するカンチレバーの変位の関係）の鋭さを表す量として、Ｑ値（Quality  factor）がある。共振系にかかる粘性抵抗が小さいほどＱ値は大きくなる。逆に、粘性抵抗が大きいとＱ値は小さくなる。【００１０】
共振系の応答速度はπｆ／Ｑで表される。ここで、ｆは共振周波数である。Ｑ値が大きいほど応答速度が遅くなる。一方、外力に対する共振系の変位感度については、Ｑ値が大きいほど変位感度が高くなる。【００１１】
カンチレバーのＱ値を人工的に変化させるＱ値制御は、既に提案されている。Ｑ値制御の原理は以下の通りである。共振系の運動方程式が、下記に示される。
【数１】
0005164147.tif 000002
【００１２】
変位ｘが検出され、変位ｘが時間微分され、さらに時間微分に係数αが掛けられる。この値が励振力Ｆ（ｔ）に加算または減算されて、下式が得られる。
【数２】
0005164147.tif 000003
【００１３】
ここで、加算（＋）の場合、粘性抵抗が小さくなり、その結果、Ｑ値が大きくなる。減算（−）の場合、粘性抵抗が大きくなり、Ｑ値は小さくなる。このようにして任意にＱ値を大きくしたり、小さくしたりすることができる。これにより、応答速度および変位感度を調整することができる。【００１４】
カンチレバーのＱ値制御は、上記の式に示されるように、カンチレバーに外力を加える制御であり、何らかの媒体を介してカンチレバーに外力を加えることが考えられる。しかし、位相の遅れが生じてしまうので、時間微分によって位相が９０度変わるべきであるにもかかわらず、位相が正確に９０度にならない。そのため、制御が容易でない。また、媒体を介して外力を与える場合、周囲の力学要素も共振周波数をもつ。そのため、カンチレバーの共振周波数に外力の周波数を正確に合わせることが難しくなる。【００１５】
このような事項を考慮すると、Ｑ値制御では、カンチレバーに直接外力を加えることが望まれる。そこで、従来は、カンチレバーに強磁性体が取り付けられている。あるいは、カンチレバーが強磁性体薄膜でコートされる。そして、電磁石によって外力がカンチレバーに加えられる。また、自己アクチュエーション機能を備えたカンチレバーにおいても、カンチレバーに直接外力を及ぼすことができる。しかしながら、このような構成では、カンチレバーの特殊加工が必要であり、また、カンチレバーの力学特性（共振周波数およびばね定数）が変わってしまう。【００１６】
また、関連技術が特開２００４−２１２０７８号公報に開示されている。この関連技術では、カンチレバーにレーザー光が照射されて、レーザー光によってカンチレバーが励振される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、従来のＡＦＭでは、Ｚ方向の走査速度が遅く、そのために測定速度も遅かった。また、従来のＡＦＭでは、Ｑ値制御に改善の余地があった。【００１８】
本発明は上記背景の下でなされたものである。本発明の目的の一つは、走査速度を向上できる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。【００１９】
また、本発明の目的の一つは、Ｑ値制御を好適に行える走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、光照射部の光の強度を制御してカンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、を備え、光照射制御部は、センサにより検出された変位に基づいて光照射部の光の強度を制御することによってカンチレバーのフィードバック制御を行う。【００２１】
この構成により、カンチレバーに光が照射されて、熱膨張変形によってカンチレバーが変位する。この変位を利用してＺ方向の走査が行われる。カンチレバーは非常に小さく、高い共振周波数を持つ。したがって、Ｚ走査の構成の共振周波数が高くなり、走査速度を増大できる。また、従来の自己アクチュエーションタイプのカンチレバーに見られるようにカンチレバーが硬くなるのを回避することができる。【００２２】
また、光照射制御部は、光照射部からの光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えてよい。熱応答補償部は、カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数（熱伝達関数の逆数となる関数を意味する、以下同じ）と等価な構成を有してよい。熱応答補償により、熱伝導過程という遅いプロセスを見かけ上はなくすことができる（あるいは大幅に短くできる）。入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバーのもともとの力学特性に近くなる。熱膨張による変形の応答速度が高くなるので、高速走査と高速イメージングが可能になる。【００２３】
また、光照射制御部は、さらに、光照射部の光の強度の制御によってカンチレバーを振動させてよい。カンチレバーの発生すべき振動に応じた振動波形（典型的にはカンチレバーの共振周波数に応じた振動波形）でもって変動するように、光の強度が制御されてよい。光照射によって、カンチレバーの励振とＺ走査の両方が行われる。したがって、構造を簡単にすることができる。【００２４】
また、光照射制御部は、さらに、センサにより検出された変位に基づいてＱ値制御を行うＱ値制御部を備えてよい。Ｑ値制御部は、センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有してよい（ゲインは、Ｑ値制御にて変位の微分に掛けられる係数に相当する）。この構成により、光照射を利用してＱ値制御を行うことができる。【００２５】
本発明の別の態様において、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、光照射部の光の強度を制御してカンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、を備え、光照射制御部は、光照射部の光の強度の制御によってカンチレバーを振動させる発振制御部と、光照射部からの光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えている。【００２６】
この態様では、光照射がカンチレバーの励振に使用される。この態様は、光照射をＺ走査に適用する構成と、適用しない構成を含む。この態様でも、熱応答補償により、熱伝導過程を見かけ上はなくすことができ（または大幅に短くでき）、カンチレバーの力学的特性が残り、励振を好適に制御できる。この態様でも、カンチレバーの変位に基づいてＱ値制御が好適に行われてよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。【００２７】
本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡による観察方法である。この方法は、カンチレバーと試料を相対的にＸＹ方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、カンチレバーの変位を検出し、検出されたカンチレバーの変位に基づいて光の強度を制御することによってカンチレバーのフィードバック制御を行う。光強度制御は、光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償してよい。光強度制御は、カンチレバーの振動に利用されてよい。光強度制御は、カンチレバーの変位に基づいたＱ値制御を行ってよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。【００２８】
本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡による観察方法である。この方法は、カンチレバーと試料を相対的にＸＹ方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、光の強度制御によってカンチレバーを振動させ、かつ、光の強度制御によって光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する。光強度制御は、カンチレバーの変位に基づいたＱ値制御を行ってよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。【００２９】
本発明の範囲内で、本発明の表現は、上述の走査型プローブ顕微鏡およびそれを用いた観察方法に限定されなくてよい。本発明の別の態様は、例えば、原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法でよい。本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡または原子力間顕微鏡の、駆動装置または駆動方法でよい。また、本発明の別の態様は、カンチレバー駆動装置またはカンチレバー駆動方法でよい。さらに、本発明の別の態様は、上述の装置の制御装置または制御方法でよい。これらの態様は、上述のカンチレバーの駆動のための構成を備えてよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、これらの態様にも適用可能である。これらの態様でも本発明の利点が得られる。【００３０】
上述した本発明によれば、光照射を上手く利用することによって走査速度の向上を可能とすることができ、また、Ｑ値制御を容易にすることができる。【００３１】
以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本実施の形態に係るＡＦＭの構成を示す図である。
【図２】図２は、光照射によるカンチレバーの変形を示す図である。
【図３】図３は、カンチレバーの例を示す図である。
【図４】図４は、光照射からレバー変位までのプロセスを示す図である。
【図５】図５は、カンチレバーの熱応答特性を示す図である。
【図６】図６は、熱応答補償回路の構成を示す図である。
【図７】図７は、熱応答補償の効果を示す図である。
【図８】図８は、熱応答補償の効果を示す図である。
【図９】図９は、熱応答補償の効果を示す図である。
【図１０】図１０は、熱応答補償の効果を示す図である。
【図１１】図１１は、熱応答補償の効果を示す図である。
【図１２】図１２は、別の実施の形態に係るＡＦＭの構成を示す図である。
【図１３】図１３は、別の実施の形態に係るＡＦＭの構成を示す図である。
【図１４】図１４は、Ｑ値制御回路の構成を示す図である。
【図１５】図１５は、Ｑ値制御の効果を示す図である。
【図１６】図１６は、Ｑ値制御の効果を示す図である。
【図１７】図１７は、Ｑ値制御の効果を示す図である。
【図１８】図１８は、Ｑ値制御の効果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。【００３４】
本実施の形態では、本発明が原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に適用される。【００３５】
図１は、本実施の形態に係るＡＦＭの構成を示している。ＡＦＭ１は、全体構成としては、試料を保持する試料ステージ３と、カンチレバー５と、試料ステージ３をＸＹ方向に駆動するＸＹスキャナ７と、カンチレバー５の変位を検出するセンサ９と、カンチレバー５に対して光照射を行う駆動レーザユニット１１と、駆動レーザユニット１１を制御する駆動レーザ制御部１３と、装置全体を制御するコンピュータ１５とを備えている。【００３６】
カンチレバー５は、窒化シリコン製であり、自由端に探針を有している。カンチレバー５の光照射面（図の下側）には金がコーティングされている。光照射面には、変位検知用のセンサレーザ光と、レバー駆動用の駆動レーザ光が照射される。【００３７】
カンチレバー５はホルダ２１に保持されており、ホルダ２１は発振回路２３によって励振される。発振回路２３から供給される励振信号に応じて、ホルダ２１の振動子が振動し、これによりカンチレバー５が振動する。カンチレバー５が共振周波数近傍で振動するように、発振回路２３がコンピュータ１５により制御される。【００３８】
ＸＹスキャナ７はピエゾ素子（圧電素子）で構成されている。ＸＹスキャナ７はＸＹ走査制御回路２５によって制御される。ＸＹ走査制御回路２５には、コンピュータ１５からＸＹ走査（ラスター走査）の制御信号が入力される。ＸＹ走査制御回路２５は、制御信号に従ってＸＹスキャナ７を駆動する。これにより、試料ステージ３がＸＹ方向に移動し、ＸＹ方向の走査が実現される。【００３９】
センサ９は、センサレーザユニット２７と共に、光てこ式の変位センサを構成している。センサレーザユニット２７は、センサレーザ光をカンチレバー５に照射する。センサレーザ光は赤色レーザ光（波長６７０ｎｍ）である。センサレーザ光は、カンチレバー５の金コーティング面で反射してセンサ９に届く。センサ９はフォトダイオードで構成されており、カンチレバー５の変位を表す信号を出力する。図では、センサに関連したレンズ等の光学系の構成は省略されている。【００４０】
駆動レーザユニット１１は、駆動レーザ光をカンチレバー５に照射する。駆動レーザ光は、本実施の形態では可視光レーザである。駆動レーザ光の波長は、金コートの光吸収能力が高くなる値に設定されている。具体的には、駆動レーザ光は紫色レーザ光であり、波長は４０５ｎｍである。駆動レーザ光が照射されると、カンチレバー５に熱膨張が生じる。カンチレバー５を構成する窒化シリコンと金コートでは熱膨張率が異なるので、カンチレバー５がバイメタルの機能を果たす。そして、図２に示されるように、カンチレバー５の撓み変形が生じる。これにより、カンチレバー５のＺ方向の変位が得られる。図では、駆動レーザに関連したレンズ等の光学系の構成が省略されている。【００４１】
駆動レーザユニット１１は駆動レーザ制御部１３によって制御されている。駆動レーザ制御部１３は、駆動レーザユニット１１に照射制御信号を供給することにより、駆動レーザユニット１１を制御する。照射制御信号は、変調入力信号である。変調入力信号に応じて、レーザに強度変調をかける。変調強度がカンチレバー５の変位の制御に利用される。レーザ光強度に応じてカンチレバー５の変形量が変わり、そして、Ｚ方向の変位が変化する。【００４２】
本実施の形態では、駆動レーザ制御部１３が、駆動レーザ光の変調強度の制御によってカンチレバー５の変位を制御し、これにより、下記のようにしてＺ走査制御部として機能する。【００４３】
駆動レーザ制御部１３には、コンピュータ１５から基準変位および基準振幅の信号が入力される。基準変位は、カンチレバー５の初期変位であり、オフセット変位ということもできる。基準振幅は、フィードバック制御の目標になるカンチレバー５の振幅である。駆動レーザ制御部１３には、さらに、センサ９からカンチレバー５の変位が入力される。駆動レーザ制御部１３は、基準変位に従ってレーザ光強度を制御すると共に、基準振幅とレバー変位に基づいてレバー振幅が基準振幅と一致するようにレーザ光強度のフィードバック制御を行う。これにより、カンチレバー５の振幅が一定に保たれる。【００４４】
駆動レーザ制御部１３は、フィードバック制御のために、振幅検出回路３１とフィードバック回路３３を含む。振幅検出回路３１は、センサ９から入力されるカンチレバー５の変位の信号を処理してカンチレバー５の振幅を求める。そして、振幅検出回路３１は、検出された振幅の信号をフィードバック回路３３に出力する。【００４５】
フィードバック回路３３は、基準振幅信号から検出振幅信号を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するＰＩＤ回路とを備えている。これら構成によってフィードバック信号が生成される。【００４６】
フィードバック信号は、コンピュータ１５から入力される基準変位の信号と加算される。こうして得られる照射制御信号が、熱応答補償回路３５に供給される。熱応答補償回路３５は、光照射に対するカンチレバー５の熱応答の遅れを補償する回路である。熱応答補償回路３５については後述する。【００４７】
熱応答補償回路３５を経た照射制御信号は、駆動レーザユニット１１に供給される。そして、この照射制御信号に従って駆動レーザ光の強度が変動し、カンチレバー５の変位が変動する。照射制御信号が、レバー変位に基づいて求められた振幅の信号を処理したフィードバック制御信号から作られているので、レーザ光強度がフィードバック信号に応じて変動し、カンチレバー５のＺ方向の変位もフィードバック信号に応じて変動する。このようにして、カンチレバー５のフィードバック制御が実現される。【００４８】
コンピュータ１５は、ＡＦＭ１の全体を制御している。コンピュータ１５は、ユーザインターフェース機能も提供する。ユーザの各種の指示がコンピュータ１５に入力され、コンピュータ１５はユーザの入力に従ってＡＦＭ１を制御する。また、コンピュータ１５には、駆動レーザ制御部１３のフィードバック回路３３からフィードバック信号が入力される。コンピュータ１５は、ＸＹ走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の３次元画像を生成し、３次元画像をモニタ４１に表示する。【００４９】
以上にＡＦＭ１の各部の構成について説明した。上記構成は、同様の機能が得られる範囲で変形されてよい。例えば、駆動レーザ制御部１３がコンピュータ１５に内蔵されてよい。駆動レーザ制御部１３の機能を実現するのにソフトウエアが利用されてもよい。コンピュータ１５内で処理されるデータが上述の信号に相当してよい。【００５０】
次に、ＡＦＭ１の全体的な動作を説明する。コンピュータ１５は、ＸＹ走査制御回路２５にＸＹ走査の制御信号を送り、試料ステージ３をＸＹ方向に駆動する。また、コンピュータ１５は発振回路２３に励振信号を生じさせ、ホルダ２１と共にカンチレバー５を振動させる。さらに、コンピュータ１５は、駆動レーザ制御部１３に基準変位と基準振幅の信号を供給する。駆動レーザ制御部１３は、上述したように機能して、カンチレバー５を基準変位までＺ方向に変形させるようにカンチレバー５のフィードバック制御を行う。【００５１】
このようにして、カンチレバー５が振動した状態で、試料がＸＹ方向に走査され、かつ、カンチレバー５が振幅を一定に保つようにＺ方向に走査される。駆動レーザ制御部１３のフィードバック信号がコンピュータ１５に供給される。コンピュータ１５は、ＸＹ走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の３次元画像を生成する。生成された３次元画像は、モニタ４１に表示される。【００５２】
図３は、本実施の形態の具体例におけるカンチレバー５を示しており、カンチレバーの電子顕微鏡写真（１５０００倍）から作られている。この例では、カンチレバー５が全体的には概ね一様断面を有しており、幅方向の断面形状は長方形である。また、レバーの先端はテーパ形状を有している。レバーの長さは約８μｍであり、幅は約２μｍであり、厚さ（金コートを含む）は約０．１μｍである。金コートは、探針と逆側に施されている。【００５３】
この例の場合、カンチレバーの共振周波数は、液中で約８００ｋＨｚであり、大気中で約２．２ＭＨｚであり、共振周波数が非常に高い。この共振周波数より低い領域においてカンチレバー５のＺ走査が可能である。したがって、従来のピエゾ素子のスキャナ（約１ｋＨｚ）と比べて走査速度を大幅に増大できる。この例に見られるように、ピエゾ素子は大きいために共振周波数が低く高速駆動が困難なのに対して、カンチレバーは小さいので共振周波数が高く高速駆動が容易である。【００５４】
また、本実施の形態の具体例では、駆動レーザ光の波長は４０５ｎｍである。レーザは０〜２０ｍＷで強度変調可能であり、最大５０ＭＨｚで使用可能である。この場合、感度は５〜８ｎｍｐｐ／ｍＷであった。そして最大可動変位は、１００〜１６０ｎｍｐｐ（変調強度２０ｍＷ時）であった。これらの値が、共振周波数より低い周波数帯域で得られた。したがって、ＡＦＭとしては十分な感度と変位を得ることができる。【００５５】
また、本実施の形態では、通常のカンチレバーに光を照射することによって容易にアクチュエーション機能が得られる。すなわち従来の自己アクチュエーションタイプのカンチレバーに見られる複雑な加工が不要である。また、従来の自己アクチュエーションタイプに見られる硬度増大も回避できる（本実施の形態のカンチレバーでは、バネ定数は約１５０ｐＮ／ｎｍである）。さらに、自己アクチュエーションタイプのカンチレバーでは、絶縁の確保も問題になる。しかし、本実施の形態によれば、絶縁の問題も容易に回避される。【００５６】
「熱応答補償」
次に、熱応答補償回路３５について詳細に説明する。図４は、光照射の入力からカンチレバー変位の出力までのプロセスを示している。図４の上段のプロセスは、熱応答補償が行われない場合のプロセスである。光がカンチレバーに吸収され、熱伝導が生じ、熱膨張力が発生し、カンチレバーが変形し、変位が発生する。この一連のプロセスにおいて、光吸収は速いプロセスである（ナノ秒以下）。しかし、熱伝導は遅いプロセスである。そのため、熱伝導が原因で、光照射に対するレバー変位の応答が遅くなる。この応答の遅れは、Ｚ走査の高速化にとって不利である。そこで、本実施の形態では、熱応答補償が行われる。より具体的には、位相補償の原理が導入されて、熱応答補償が実現される。これにより、図４の下段に示されるように、熱伝導のプロセスが見かけ上はなくなり、応答速度が速くなる。【００５７】
図５は、カンチレバーにレーザ光を照射したときの時間と変位の関係を示している（熱応答補償は行われていない）。図５の例は、上述の具体例のカンチレバーを用いたときの測定結果を示している。図５に示されるように、カンチレバーの変位は、時間経過に応じて徐々に大きくなっており、熱応答が遅い。この遅れは、熱伝導に起因している。【００５８】
ここで、図５の熱応答は、電子回路のローパスフィルタのように振る舞っている。すなわち、熱応答の遅れ現象が、ローパスフィルタの遅れと似ている。このような場合、電子回路では、位相補償が好適に適用される。本実施の形態はこの点に着目し、下記に説明するように、電子回路で見られるような位相補償の原理を熱伝導過程に導入している。このような新たな手法によってカンチレバーの熱応答補償を実現している。【００５９】
図５の例では、熱伝導過程が２つの過程からなると考えることができる。熱伝導過程を、２つの並列なローパスフィルタとみなすことができる。この場合、伝達関数Ｇ（ｓ）は、下式で示される通り、２つのローパスフィルタの和で表される。
【数３】
0005164147.tif 000004
伝達関数Ｇ（ｓ）は、さらに、以下のように変形される。
【数４】
0005164147.tif 000005
【００６０】
上記の変形後の式は、２つのローパスフィルタと、（１＋微分）項、の積である。このことは、伝達関数Ｇ（ｓ）が、直列な、２種類のローパスフィルタと１つの（１＋微分）項、と等価であることを意味する。位相補償では、伝達関数Ｇ（ｓ）の逆伝達関数が用いられる。逆伝達関数は、２種類の（１＋微分）項と１つのローパスフィルタの積になる。図１の熱応答補償回路３５は、上記のような逆伝達関数と等価な回路で構成されている。【００６１】
図６は、熱応答補償回路３５の構成を示している。図示のように、熱応答補償回路３５は、１つのローパスフィルタ３５ａと、２つの（１＋微分）回路３５ｂ、３５ｃで構成されており、これらは直列に配置されている。回路３５ａ、３５ｂ、３５ｃのパラメータは、カンチレバー５の熱応答の測定結果（図５）に基づいて設定される。より詳細には、測定結果から、実際の熱応答と等価な熱伝達関数が求められ、その逆伝達関数（熱伝達関数の逆数となる関数）が求められる。そして、逆伝達関数に対応するように回路が構成される。【００６２】
駆動レーザ光の照射制御信号（フィードバック信号が合成された信号）は、図１に示されるように、熱応答補償回路３５に入力され、それから駆動レーザユニット１１に供給される。これにより、上述の原理に示される位相補償が好適に実現される。【００６３】
図７は、位相補償の効果を示している。図７は、図４と同様に、レーザ光が照射されたときのレバー変位の変化を示している。位相補償が行われた結果、レバーの変位が短時間で一定値に達しており、応答速度が速くなっている。【００６４】
図８は、位相補償の効果を示すもう一つの図である。図８は、カンチレバーの水中での振動特性を示している。横軸は周波数であり、縦軸は振幅である。図中のラインＬ１（点線）は、計算上のモデルの特性である。ラインＬ２は、ピエゾ駆動を行った時の特性である。ラインＬ３は、位相補償無しでレーザー光によりレバーを駆動したときの特性である。ラインＬ４は、位相補償を行ったときのレーザ駆動の特性である。【００６５】
図示のように、位相補償を適用することにより、カンチレバーの特性が計算上のモデルとほぼ一致する。このことは、入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバー自身の力学特性だけになることを意味している。したがって、光照射に対するレバー変位の応答速度が速くなる。【００６６】
また、図８に示されるように、本実施の形態では、水中にあるカンチレバーをレーザ光で駆動しており、共振周波数が８００ｋＨｚ程度であり、非常に高い。共振周波数より下の領域では、Ｚ走査を行うことが可能である。このことは、Ｚ走査の走査速度を従来よりも大幅に増大できることを意味する。【００６７】
図９〜図１１は、位相補償の効果を示すさらに別の図である。図９〜図１１は、カンチレバー変位の矩形波応答を示している。図９は測定データであり、図１０、図１１はシミュレーション結果である。図中の上段は熱応答補償回路３５への入力であり、中段は同回路３５の出力であり、下段はカンチレバーの変位である。図９、図１０では、１０μｓ時にて熱応答補償回路３５にステップ入力が行われ、レーザ強度が矩形波的に変えられている。図１１では、同様に２０μｓ時にてレーザ強度が変えられている。これらの図でも、位相補償による応答速度の増大が現れている。【００６８】
以上に本発明の好適な実施の形態について説明した。本実施の形態では、駆動レーザ制御部１３が光照射制御部の一形態であり、特に、フィードバック回路３３がＺ走査制御部として機能している。また、熱応答補償回路３５が熱応答補償部の一形態である。【００６９】
本実施の形態によれば、カンチレバーに光が照射されて、熱膨張変形によってカンチレバーが変位する。この変位を利用してＺ方向の走査が行われる。したがって、Ｚ走査の構成の動作周波数を高くして、走査速度を増大できる。また、従来の自己アクチュエーションタイプのカンチレバーに見られるようにカンチレバーを硬くするのを回避することができる。【００７０】
カンチレバーは、熱膨張率が異なる複数の層を有している。複数の層の熱膨張率の差に応じてＺ方向に撓み変形し、これによりＺ方向の変位が得られる。【００７１】
より詳細には、カンチレバーは、窒化シリコンに金がコーティングされた構成を有している。この金コーティングに光が照射される。金は、可視光領域の光を吸収し、また、高い熱膨張率を有する。したがって、金コーティングを使うことによってカンチレバーの変位が好適に得られる。【００７２】
また、光てこ式センサの光を反射するために、カンチレバーに従来から金コーティングが施されている。この金コーティングを活用することができる点でも本発明は有利である。【００７３】
また、本実施の形態は熱応答補償部を備えている。より詳細には、熱応答がローパスフィルタの振る舞いを見せることに着目して、位相補償が行われている。熱応答補償部が、カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有し、これにより位相補償を行うことができる。熱応答補償により、熱伝導過程という遅いプロセスを見かけ上はなくすことができる（あるいは大幅に短くできる）。【００７４】
したがって、入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバー自身の力学特性に近くなる。すなわち、熱膨張に伴う変形の応答速度を、レバー構造体が持つもともとの力学特性に従った変形の応答速度とほぼ同じにできる。その結果、熱膨張による変形の応答速度が高くなり、高速走査とそれによる高速イメージングが可能になる。【００７５】
「レバー振動制御」
次に、図１２は、別の実施の形態を示している。上述の実施の形態では、Ｚ走査が光照射によって行われた。本実施の形態では、Ｚ走査に加えて、カンチレバーの励振が、光照射によって行われる。以下、上述の実施の形態と同様の事項の説明は省略する。【００７６】
図１２のＡＦＭ１０１では、ホルダー２１の発振回路が削除されている。その代わりに、駆動レーザ制御部１３が発振回路５１を備えている。発振回路５１は、コンピュータ１５に制御されて、励振信号を生成する。この励振信号は、カンチレバーの共振周波数の振動波形をもつ信号である。この励振信号が、駆動レーザ制御部１３の照射制御信号に加算される。元々のＤＣ成分の照射制御信号に、ＡＣ成分の信号が加えられることになる。【００７７】
このような照射制御信号が、熱応答補償回路３５を経て、駆動レーザユニット１１に供給されることになる。したがって、レーザ光強度は、カンチレバー５の共振周波数と同じ周波数で変調される。同時に、レーザ光強度のＤＣ成分は、カンチレバー５の基準変位に応じた値になり、かつ、フィードバック制御によって調節される。カンチレバー５の変位も、レーザ光強度に応じて変化する。こうして、光照射によって、カンチレバー５を共振周波数で振動させながら、平均の変位（振動するカンチレバーの変位の中心）をフィードバック制御できる。すなわち、カンチレバー５の励振とＺ走査を一つのレーザユニットで行うことができる。【００７８】
以上に図１２の実施の形態に係るＡＦＭについて説明した。本実施の形態では、発振回路５１が本発明の発振制御部として機能する。本実施の形態によれば、光照射によってカンチレバーの励振とＺ走査の両方が行われる。これにより、高速走査が可能になる。また、カンチレバーの機械的な励振が不要になり、構造を簡単にすることができる。【００７９】
「Ｑ値制御」
図１３は、さらに別の実施の形態を示している。図１３では、さらに、Ｑ値制御のための構成が追加されている。以下、上述の実施の形態と同様の事項の説明は省略する。【００８０】
Ｑ値（quality  factor）は、振動の状態を現す無次元数であり、共振スペクトル（振動の周波数と変位の関係）の鋭さを現すパラメータである。Ｑ値は、ω０／（ω２−ω１）で現される。ω０は、共振ピークでの共振周波数である。ω１、ω２は、共振ピークの左側および右側において振動エネルギーが半値になる周波数である。【００８１】
カンチレバーの応答速度を上げることは、ＡＦＭの走査速度の高速化に寄与する。カンチレバーを含むすべての機械デバイスの応答速度は、デバイスの共振の共振周波数（ｆ）とＱ値を用いて、πｆ／Ｑという式で記述される。応答速度を上げるには、共振周波数を上げるか、Ｑ値を下げることが有効であることが分かる。しかし、共振周波数およびＱ値は、カンチレバーの形状および測定環境によって決まる値である。共振周波数およびＱ値が大きく変わるようなカンチレバーを製作することは容易ではない。【００８２】
これら特性のうちで、Ｑ値については、共振体のＱ値を実効的に制御する方法が知られている。共振体の運動方程式は次のように書かれる。
【数５】
0005164147.tif 000006
ｍは質量であり、γは粘性係数であり、ｋはバネ定数であり、Ｆ（ｔ）は外力を表す。一般解は、下記の通りである。
【数６】
0005164147.tif 000007
【００８３】
ここで、一般解の信号（変位信号）の微分値に、ある増幅率（α）を掛けて、外力に加算（もしくは減算）すると、運動方程式は次のように書かれる。
【数７】
0005164147.tif 000008
【００８４】
この式は、さらに下記のように変形される。「ｅｆｆ」は、実行値を意味する。
【数８】
0005164147.tif 000009
【００８５】
上記の演算から、Ｑ値の実効値を変化させることが可能であることが分かる。このようなＱ値制御をカンチレバーに適用しようとしたとする。この場合のＱ値制御は、駆動体のエネルギーでカンチレバーを振動させ、カンチレバーの変位を検出し、変位に応じた外力を付加する制御になる。【００８６】
しかし、従来のＡＦＭでは、振動子が圧電素子で構成されている。圧電素子を用いた駆動方法では、カンチレバー以外の共振体も振動を起こしてしまう。そのため、Ｑ値制御の演算を行うことができず、Ｑ値制御が困難である（ピエゾ素子のＱ値制御の困難さは、図８に示されたピエゾ素子の振動特性におけるピークフォレストからも分かる）。【００８７】
そこで、Ｑ値制御の演算を行うためには、従来の圧電素子とは異なる構成によってカンチレバーのみを直接駆動することが望まれる。直接駆動が可能で有れば、Ｑ値制御が容易になるといえる。このような要求が、本実施の形態のＡＦＭでは満たされている。すなわち、本実施の形態のＡＦＭは、駆動レーザ光によってカンチレバーを直接駆動している。しかも、熱応答補償回路が挿入されているので、熱応答の遅れが補償されている。熱伝導という遅いプロセスが見かけ上はなくなるので、カンチレバーの元々の力学特性が残っている。すなわち、（熱伝導を経ることなく）カンチレバーに直接外力を及ぼしているとみなすことができる。このことを利用して、本実施の形態のＡＦＭは、下記の通り、Ｑ値制御を行うように構成されている。【００８８】
図１３を参照すると、本実施の形態のＡＦＭ２０１では、駆動レーザ制御部１３にＱ値制御回路６１が設けられている。Ｑ値制御回路６１には、センサ９からカンチレバー５の変位の信号が入力される。Ｑ値制御回路６１は、カンチレバー５の変位の信号を処理して、Ｑ値制御信号を生成する。Ｑ値制御信号は、照射制御信号に加算されて、熱応答補償回路３５に入力される。【００８９】
図１４は、Ｑ値制御回路６１の構成を示している。Ｑ値制御回路６１は、微分回路（Differential  Amplifier）６３とゲイン回路（Gain  Amplifier）６５で構成されている。カンチレバー５の変位が微分回路６３で微分される。そして、微分値にゲイン回路６５でゲインが与えられる。こうして生成される信号が、Ｑ値制御信号として、加算器６７にて照射制御信号に加算される。したがって、駆動レーザユニット１１のレーザ光強度にＱ値制御が反映され、そして、カンチレバー５で熱膨張により発生する力にもＱ値制御が反映される。こうして、カンチレバー５のＱ値制御が実現される。【００９０】
また、図１３に示すように、Ｑ値制御回路６１は、コンピュータ１５によって制御される。コンピュータ１５は、Ｑ値制御回路６１における係数（ゲイン）の値を制御する。【００９１】
次に、カンチレバーにおけるＱ値制御の効果について説明する。図１４の構成では、ゲインが正であれば、Ｑ値制御の原理の説明に示されるように、粘性係数（γ）の実効値が小さくなり、Ｑ値が大きくなる。ゲインが負であれば、逆にＱ値が小さくなる。【００９２】
Ｑ値を小さく（低く）すると、応答速度が向上し、ＡＦＭを高速化できる。制御が速くなるので、試料に与えるダメージが減るという利点も得られる。ただし、カンチレバー探針−試料間の相互作用に対する敏感さは減る。【００９３】
一方、Ｑ値を大きく（高く）すると、応答速度は下がる。しかし、探針−試料間の相互作用に対する敏感さが増し、検出の敏感さが向上する。したがって、ＡＦＭの空間分解能を高くできる。【００９４】
図１５〜図１８は、Ｑ値制御の効果を示すシミュレーション結果を示している。図１５、図１６は、周波数特性のシミュレーション結果である。図１５は、入力振幅に対する出力振幅の変位のグラフであり、図１６は、位相のグラフである。Ｑ値制御を行わない場合のＱ値は約２であり、共振周波数は８０４ｋＨｚである。図１５、図１６は、Ｑ値＝０．５、２、１０の３つの周波数特性を示している。図示のように、Ｑ値＝１０では、共振周波数での振幅が大きくなり、位相が急峻に変化する。これらより、Ｑ値を大きくすると、敏感さが増すことが分かる。【００９５】
図１７、図１８、過渡応答特性を示している。図１７は、入力信号（上段）と、Ｑ値を大きくした場合の特性（中段、Ｑ値＝１０）と、Ｑ値制御を行わない場合の特性（下段、Ｑ値＝２）である。図１８は、入力信号（上段）と、Ｑ値を小さくした場合の特性（中段、Ｑ値＝０．５）と、Ｑ値制御を行わない場合の特性（下段、Ｑ値＝２）である。２０μｓの時点から、周波数８０４ｋＨｚの信号が入力されている。そして、７０μｓの時点で信号の入力が止められている。図示のように、Ｑ値が大きくなると、応答が遅くなる。これに対して、Ｑ値が小さくなると、応答が速くなる。【００９６】
以上に、Ｑ値制御を行う実施の形態について説明した。本実施の形態では、Ｑ値制御回路６１が本発明のＱ値制御部に相当している。【００９７】
本実施の形態によれば、Ｑ値制御部を備えたことにより、光照射を利用してＱ値制御を行うことができ、応答速度と感度を調節できる。【００９８】
上記の構成では、Ｑ値制御が、熱応答補償と好適に組み合わされている。熱伝導という遅いプロセスが熱応答補償によって見かけ上はなくすことができる（または大幅に短くできる）ので、カンチレバー自身の元々の力学的特性が残る。その結果、光照射が、直接カンチレバーに力を及ぼすのと同様の効果を生じさせることができる。直接外力を加える場合と同様なＱ値制御が、光照射の強度に対して行われて、これによりＱ値制御が実現される。したがって、Ｑ値制御を容易に行うことができる。【００９９】
また、本実施の形態によれば、Ｑ値を減少させることにより、応答速度を増大でき、走査速度を向上できる。また、Ｑ値を増大させてよく、変位感度を増大でき、空間分解能を向上できる。【０１０４】
「その他の変形例」
その他、上述の実施の形態は、当業者により変形可能である。例えば、本実施の形態では、カンチレバーの光照射面に金コートが施されていた。しかし、金以外の材質が適用されてもよい。光照射面の材質に応じて駆動レーザ光の波長を設定することが好ましい。すなわち、レーザ光の波長と光吸収能力の関係に基づいて、光吸収能力が高くなるように波長が設定される。また、光照射面の材質は、センサレーザ光の反射率も考慮して設定されることが好ましい。【０１０５】
本実施の形態における位相補償に関し、熱応答補償回路の構成は、カンチレバー等の仕様に応じて変更されてよい。本実施の形態では、カンチレバーの熱伝達関数が２つのローパスフィルタで現され、そして、この熱伝達関数の逆伝達関数を実現するように熱応答補償回路が構成された。しかし、熱伝達関数は、カンチレバー等の構成によって異なり得る。例えば、熱伝達関数は、カンチレバーの形状によって異なり得る。そこで、熱伝達関数に応じて熱応答補償回路の構成が変更されてよい。実際の熱伝達関数の逆伝達関数を実現するように熱応答補償回路を構成することが好適である。【０１０６】
例えば、熱伝達関数が１つのローパスフィルタで現されてよい。そして、この熱伝達関数の逆伝達関数（１＋微分）が、熱応答補償回路で実現されてよい。【０１０７】
また、上述の実施の形態では、光照射がＺ走査に利用され、あるいは、光照射がＺ走査と励振に利用された。本発明は、光照射を励振のみに用いる構成も含む。この場合も、Ｑ値制御が好適に行われる。【０１０８】
また、上述の実施の形態では、本発明がＡＣモードのＡＦＭに適用された。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明はコンタクトモードのＡＦＭに適用されてもよい。この場合には、カンチレバーが振動しなくてよい。そして、Ｚ走査が光照射によって実現される。【０１０９】
また、本実施の形態では、Ｚ駆動（走査）用の圧電素子が設けられていない。しかし、Ｚ駆動用の圧電素子が付加的に設けられてもよい。この点に関し、本実施の形態では、ＸＹスキャナとして、従来のＡＦＭのＸＹＺスキャナが備えられてもよい。この場合、ＸＹ方向のみの走査機能が利用されてもよい。あるいは、Ｚ方向の走査機能が、レーザ光照射と併用されてもよい。例えば、圧電素子が、操作の初期段階で適当な位置までカンチレバー５を動かすために用いられてよい。【０１１０】
さらに、本発明は、ＡＦＭ以外にも適用可能である。また、本発明の別の態様は、カンチレバーの駆動装置および駆動方法などである。この態様は、走査型プローブ顕微鏡以外の装置にも適用されてよい。【０１１１】
以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、走査速度を増大することができる。
【図１】
0005164147.tif 000010
【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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