(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出するための変位検出機構と、前記探針に対向した位置に配置されたサンプルと前記探針との距離を調整するための垂直方向微動機構と、前記探針と前記サンプルを近接させるための粗動機構から構成される走査型プローブ顕微鏡において、
前記変位検出機構によりカンチレバーの変位を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させるときに、前記カンチレバーがサンプル表面に引き寄せられる方向に生じる任意のたわみ量を設定し、前記変位検出機構により設定されたたわみ量を検出した時点で、前記粗動機構を停止させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記探針をサンプルに近接させる際に、測定の動作点よりも前の領域において前記任意のたわみ量とは逆方向に生じる任意のたわみ量を更に設定し、
前記変位検出機構によりカンチレバーの変位を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させるときに、前記２つの設定されたたわみ量のうちどちらか一方のたわみ量が前記変位検出機構で最初に検出された時点で、前記粗動機構を停止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３】
粗動機構により探針とサンプルを接近させる前に粗動機構を停止させるための前記カンチレバーの任意のたわみ量を設定し、前記設定されたたわみ量で粗動機構による近接動作が停止した後に、走査型プローブ顕微鏡の測定のための任意のたわみ量を再設定することを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを加振するための加振機構と、前記カンチレバーの変位を検出するための変位検出機構と、前記探針に対向した位置に配置されたサンプルと前記探針との距離を調整するための垂直方向微動機構と、前記探針と前記サンプルを近接させるための粗動機構から構成される走査型プローブ顕微鏡において、前記加振機構により前記カンチレバーを加振し、前記変位検出機構によりカンチレバーの振幅を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させるときに、前記カンチレバーの振幅が任意の量だけ増加した振幅量を設定し、前記変位検出機構により設定された振幅量を検出した時点で、前記粗動機構を停止させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記探針をサンプルに近接させる際に、測定の動作点よりも前の領域において前記カンチレバーの振幅が任意の量だけ減少した振幅量を更に設定し、
前記変位検出機構によりカンチレバーの振幅を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させ、前記２つの設定された振幅量のうちどちらか一方の振幅量が前記変位検出機構で最初に検出された時点で、前記粗動機構を停止させ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】
前記カンチレバーの加振周波数に対する振幅量の特性を測定した際に測定されるカンチレバーの１次の共振周波数を示す共振スペクトル上で、共振周波数よりも低周波数側の任意の位置の周波数でカンチレバーが加振されることを特徴とする請求項４、請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記カンチレバーの周波数特性を測定した際に測定される共振スペクトルのＱ値が制御されることを特徴とする請求項４乃至請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
粗動機構により探針とサンプル接近させる前に前記カンチレバーの周波数特性を測定し動作条件を設定するとともに粗動機構を停止させるための振幅量を設定し、粗動機構による近接動作が終了した後に、探針とサンプルが接触しない位置で、もう一度周波数特性を測定し動作条件を設定するとともに走査型プローブ顕微鏡で測定を行う際の振幅量を設定することを特徴とする請求項４乃至請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記たわみ量または振幅量の変化が探針とサンプル間の静電気力に起因することを特徴とする請求項１または請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記たわみ量または振幅量の変化が探針とサンプル間の磁気力に起因することを特徴とする請求項１または請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
粗動機構により探針とサンプルを接近させる前に前記静電気力または/および磁気力を与え、粗動機構による近接動作が終了した後は、前記静電気力または/および磁気力を排除することを特徴とする請求項９、請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記探針と前記サンプルが真空環境下に配置された請求項１乃至請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記カンチレバーの代わりに先端に探針を有するプローブを用いて、サンプル表面に対して平行な方向に前記探針を加振させて探針とサンプルを近接させるようにした請求項４乃至請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記探針と前記サンプルを請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、更に前記粗動機構または/および前記垂直微動機構により接近または接触させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中や真空中において先端に探針を有するカンチレバーとサンプル表面に働く相互作用を検出して距離制御を行いながら、探針とサンプルを微動機構により相対的にスキャンし、サンプルの表面の形状や物理特性の測定やサンプル表面の加工、あるいは、探針によりサンプル表面の物質の移動などを行うための走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からある走査型プローブ顕微鏡の構成を図１３および図１４をもとに説明する（特許文献１参照）。
【０００３】
図１３は従来からある走査型プローブ顕微鏡の構成図である。従来の走査型プローブ顕微鏡は円筒型圧電素子により構成される３軸微動機構（スキャナ）１０２の先端にサンプル１０１が載置され、３軸微動機構はサンプル１０１と後述するカンチレバー１０６先端に設けられた探針を近接するために使用される粗動機構（モータ）１０３上に固定されている。一方、サンプル１０１の直上には先端に探針を有するカンチレバー１０６が配置され、該カンチレバー１０６の基部にはカンチレバー加振用の圧電素子１０５が配置されている。カンチレバー１０６の変位はレーザダイオード（ＬＤ）１０４とフォトディテクタ（ＰＤ）１０７から構成される変位検出機構により検出される。この変位検出機構は一般に光てこ法と呼ばれる方法が用いられており、ＬＤ１０４からのレーザ光をカンチレバー背面で反射させてＰＤ１０７面上に入射させる。カンチレバー１０６がたわむと、ＰＤ１０７上でのレーザスポットが移動する。ＰＤの検出面は４分割または２分割されており、スポットの移動による各ディテクタ面の出力差によりカンチレバー１０６の変位検出を行うことが可能となる。
【０００４】
以上のように構成された装置により走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡の測定を行う場合について説明する。圧電素子１０５によりカンチレバー１０６を共振周波数近傍で加振しながら変位検出機構によりカンチレバーの振幅や位相を計測し、粗動機構１０３によりカンチレバー１０６の探針にサンプル１０１近接させた後、さらに３軸微動機構１０２によりカンチレバー１０６先端の探針とサンプル１０１間を充分に接近させていく。そうするとサンプルと探針間には、原子間力などの物理的な力が作用し、さらに近接していくとサンプルと探針がカンチレバーの振動に対応して間欠的に接触し、両者に接触力が作用する。この原子間力や接触力により、カンチレバーの振幅や位相が変化する。これらの変化量は、探針とサンプル間の距離に依存するため、カンチレバーの振幅や位相の変化量が常に一定になるように、探針とサンプル間の距離を３軸微動機構１０２で制御することにより高さ方向の距離制御が行われる。さらに３軸微動機構１０２によりサンプル１０１面内で探針１０６をスキャンすることでサンプル表面の形状像を測定することが出来る。このようにカンチレバーを振動させながら測定する方式は振動方式の原子間力顕微鏡と呼ばれる。
【０００５】
原子間力顕微鏡では振動方式の他にも、コンタクト方式と呼ばれる方法もある。この方法ではカンチレバーは加振せず、変位検出機構により変位を検出しながら、初め粗動機構で探針とサンプルを近づけ、十分に近づいた後は３軸微動機構により高さ方向の距離制御を行っていく。このとき探針先端には原子間力などの物理的な力が作用し、探針は初め引力を受け、さらに近接させていくと探針は斥力を受ける。これらの引力や斥力によりカンチレバーにたわみが生ずる。この原子間力などの物理的な力は、探針とサンプル間の距離に依存し、探針とサンプルを原子間力が作用する領域内に近接させて、３軸微動機構により２次元平面内で走査させながら、カンチレバーのたわみ量が常に一定になるように、探針とサンプル間の距離を制御することにより、サンプル表面の形状像が画像化される。
【０００６】
振動方式の原子間力顕微鏡はコンタクト方式の原子間力顕微鏡に比べて、探針やサンプルに与えるダメージが少ないというメリットがある。
【０００７】
また、前記振動方式やコンタクト方式の原子間力顕微鏡の応用として、探針先端とサンプル表面での物理的な作用を検出することにより、電磁気的物性や光学的物性あるいはサンプルの機械的特性などの物理特性の測定も可能である。
【０００８】
多くの走査型プローブ顕微鏡の測定は大気中で行われるが、サンプル表面の吸着水の影響を排除したい場合やサンプル表面の温度を可変したい場合、サンプル表面の変質を防ぎたい場合などではカンチレバーとサンプルを真空中に配置して測定が行われる。
【０００９】
また、高分子や細胞、染色体、ＤＮＡ、たんぱく質などの有機系やバイオ系サンプルの場合には、大気下にさらすとサンプルが変質してしまうため、培養液などの溶液中にサンプルとカンチレバーを浸して測定を行う場合もあり、生体サンプルや有機高分子サンプルなどのｉｎ  ｓｉｔｕ観察や、溶液中での電気化学反応を組み合わせた測定などに応用されている。
【００１０】
ここで、振動方式の原子間力顕微鏡について、図１３と図１４により探針とサンプルの距離制御方法について説明する。カンチレバー１０６の振動に対応してＰＤ１０６で発生する電流信号はプリアンプ１０８にて増幅されて電圧信号に変換される。プリアンプ１０８からの出力はＲＭＳ-ＤＣコンバータ１０９に送られて、交流信号が実効値に相当する直流信号に変換される。
【００１１】
図１４は探針１０６とサンプル１０１を近づけていった場合の、距離とカンチレバーの振幅量の関係を表すグラフである。図１４で横軸は粗動機構１０３により探針１０６とサンプル１０１を接近させていく時間であり、粗動機構の速度を乗じることで探針とサンプル間の距離に換算される。また縦軸は、ＲＭＳ-ＤＣ変換された電圧信号であり、カンチレバーの振幅量に換算される。縦軸の信号はプラス側に変化した場合、カンチレバーの振幅が減少する方向である。走査型プローブ顕微鏡では、あらかじめ基準値発生部１１１にて動作点が設定される。探針１０６とサンプル１０１を近づける場合には、従来は光学顕微鏡などである程度まで粗動機構１０３をマニュアル調整で接近させ、その後、振幅量は探針１０６とサンプル１０１の距離に依存するため、ＲＭＳ-ＤＣ変換された信号が基準電圧に減少するまで粗動機構１０３で探針とサンプルを接近させていた。なお、探針とサンプルを接近させる場合には粗動機構１０３だけではなくて３軸微動機構１０２の垂直方向微動機構を併用する場合もある。またＲＭＳ-ＤＣ変換後の電圧を基準信号にする場合の他に、ＦＭ復調器１１５でカンチレバーを加振するための圧電素子１０５に印加する電圧と、ＰＤ１０７での検出信号の位相差信号を基準信号に設定する場合もある。
【００１２】
探針とサンプルを測定エリアまで接近させた後は、カンチレバー１０６の振幅量が基準値発生部１１１で設定された動作点になるように探針とサンプル間の距離をフィードバックすることで両者の距離が一定に制御される。したがって、ＲＭＳ-ＤＣコンバータ１０９からの信号と基準値発生部１１１の信号を、誤差アンプ１１０で比較して、誤差分に相当する信号をフィードバック回路１１２で発生させて、高圧アンプ１１７を経由して３軸微動機構１０２の垂直方向微動機構に誤差に相当する高さ分だけ電圧が印加される。またフィードバック回路１１２からの出力はＡ/Ｄ変換器１１３によりアナログ信号からデジタル信号に変換されて制御用のパソコン１１４に送られて高さ情報として画像化される。また、３軸微動機構１０２はスキャンジェネレータ１１８で発生されるラスタスキャン信号を高圧アンプ１１９で増幅して３軸微動機構１０２の水平方向微動機構に印加される。これらのラスタスキャン信号と、高さ情報をパソコン１１４で画像化することでサンプル１０１の形状像を得ることが出来る。
【特許文献１】特開２００７−３３３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡では、探針とサンプルを近接させる技術が非常に重要である。すなわち、探針とサンプルを近接させるときに両者が衝突すると探針先端やサンプル表面が破損し、形状像測定時の分解能の低下や、サンプルの損傷が発生してしまう。また、粗動機構のスピードを遅くして、より慎重に探針とサンプルを近接させる場合には、両者の近接のために多くの時間を費やしてしまい測定効率が悪化する。
【００１４】
また、探針とサンプルを接近させる場合には、数１０μｍ程度まで近づくと、サンプル表面とカンチレバー間に挟まれた領域での空気による減衰のためにカンチレバーの振幅が徐々に減少するが、特に真空中で測定を行う場合には、この空気による減衰が起きず、サンプルと探針が数10nmの領域まで近づいた後、振幅が急激に変化するため粗動機構を止めることが難しく、探針とサンプルを衝突させずに近接させることがより困難である。
探針やサンプルの近接の際のダメージを低減させ、しかも近接に要する時間を短くするためには探針とサンプルが衝突しない領域内で直前まで粗動機構により高速で近接させて、その後探針とサンプルが接触するときには垂直方向微動機構により低速で動作させることが望ましい。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、探針がサンプルに接触してダメージを受け探針先端の破損による分解能の低下や、サンプルの損傷の発生がなく、さらに、短時間でアプローチ動作が完了するように粗動機構により探針とサンプルを高速に動作させて両者が接触する直前で確実に粗動機構を停止させるような探針とサンプルの近接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１７】
本発明では、先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出するための変位検出機構と、前記探針に対向した位置に配置されたサンプルと前記探針との距離を調整するための垂直方向微動機構と、前記探針と前記サンプルを近接させるための粗動機構から構成される走査型プローブ顕微鏡において、前記変位検出機構によりカンチレバーの変位を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させるときに、前記カンチレバーがサンプル表面に引き寄せられる方向に生じる任意のたわみ量を設定し、前記変位検出機構により設定されたたわみ量を検出した時点で、前記粗動機構を停止させ探針とサンプルを近接させるようにした。
【００１８】
さらに、前記カンチレバーがサンプル表面に引き寄せられる方向に生じる任意のたわみ量と、測定の動作点よりも前の領域においてその方向とは逆方向に生じる任意のたわみ量をそれぞれ設定し、前記変位検出機構によりカンチレバーの変位を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させるときに、前記２つの設定されたたわみ量のうちどちらか一方のたわみ量が前記変位検出機構で最初に検出された時点で、前記粗動機構を停止させるようにした。
【００１９】
さらに、粗動機構により探針とサンプルを接近させる前に粗動機構を停止させるための前記カンチレバーの任意のたわみ量を設定し、前記設定されたたわみ量で粗動機構による近接動作が停止した後に、走査型プローブ顕微鏡の測定のための任意のたわみ量を再設定するようにした。
【００２０】
また、本発明では先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを加振するための加振機構と、前記カンチレバーの変位を検出するための変位検出機構と、前記探針に対向した位置に配置されたサンプルと前記探針との距離を調整するための垂直方向微動機構と、前記探針と前記サンプルを近接させるための粗動機構から構成される走査型プローブ顕微鏡において、前記加振機構により前記カンチレバーを加振し、前記変位検出機構によりカンチレバーの振幅を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させるときに、前記カンチレバーの振幅が任意の量だけ増加した振幅量を設定し、前記変位検出機構により設定された振幅量を検出した時点で、前記粗動機構を停止させ探針とサンプルを近接させるようにした。
【００２１】
さらに、前記カンチレバーの振幅が任意の量だけ増加した振幅量と、測定の動作点よりも前の領域において任意の量だけ減少した振幅量とをそれぞれ設定し、前記変位検出機構によりカンチレバーの振幅を検出しながら、前記粗動機構により探針とサンプルを近接させ、前記２つの設定された振幅量のうちどちらか一方の振幅量が前記変位検出機構で最初に検出された時点で、前記粗動機構を停止させるようにした。
【００２２】
以上のように粗動機構の停止位置をコンタクト方式のときにカンチレバーがサンプル表面に引き寄せられる領域や、振動方式で振幅が増加する領域に設定することで、従来よりも確実に探針とサンプルが接触する手前で粗動機構を停止させることが出来る。また、手前で停止できるために停止位置までの粗動機構のスピードを従来よりも高速に動作させることが可能となり、近接させるスピードを早くすることが可能となる。
【００２３】
また、コンタクト方式での前記カンチレバーがサンプル表面に引き寄せられる領域や、振動方式での振幅が増加する領域は非常に狭く、測定時の条件や環境によってはこれらの領域内に設定した停止位置が存在しない場合があるが、この場合でもカンチレバーが引き寄せられる場合とは逆方向の任意のたわみ量や振幅が減少する量を粗動機構の停止点に設定することで、万一、初めに設定した停止位置で粗動機構が止まらなかった場合でも次の停止位置で確実に停止させることができるため、カンチレバーがサンプルに強く衝突することを防止することが可能となる。
【００２４】
また、粗動機構を停止させるためのたわみ量と、測定の際に設定するたわみ量を別々に設定することで、探針を確実にサンプルに衝突しない位置で停止でき、さらに最適な条件で測定を行うことが可能となる。
【００２５】
また、本発明では、カンチレバーの加振周波数に対する振幅量の特性を測定した際に測定されるカンチレバーの１次の共振周波数を示す共振スペクトル上で、共振周波数よりも低周波数側の任意の位置の周波数でカンチレバーを加振するようにした。
このように設定することで、サンプル表面直前で振幅の増加する領域が広くなり、より確実に探針とサンプルが接触する前に粗動機構を停止することが可能となる。
さらに、カンチレバーの周波数特性を測定した際に測定される共振スペクトルのＱ値が制御されるようにした。
【００２６】
また、粗動機構により探針とサンプル接近させる前に前記カンチレバーの周波数特性を測定し動作条件を設定するとともに粗動機構を停止させるための振幅量を設定し、粗動機構による近接動作が終了した後に、探針とサンプルが接触しない位置で、もう一度周波数特性を測定し動作条件を設定するとともに走査型プローブ顕微鏡で測定を行う際の振幅量を設定するようにした。
【００２７】
一般にＱ値が大きいほうが、探針とサンプル間に働く力の検出感度が高くなり、近接させる際にカンチレバーの振幅や位相の変化を感度よく捉えることが可能であるが、Ｑ値が大きすぎると、探針とサンプル間の距離制御を行う場合の追従性が低下し、制御系が発振しやすくなって形状像を測定する際にスキャンスピードを下げる必要がある。したがってアプローチを行う場合のＱ値とスキャンを行う場合のＱ値は最適な条件が異なる。このようにそれぞれのＱ値と駆動周波数、初期振幅量、目標振幅量などの動作条件を別々に設定することで、最適な条件で近接動作と形状像の測定を行うことが可能となる。
【００２８】
また、本発明では、前記たわみ量または振幅の変化に起因する力を探針とサンプル間に働く原子間に加え、静電気力や、磁気力などを活用するようにした。また、静電気力や磁気力などは形状像の測定に必要のない場合には測定時には除去するようにした。このように外力を探針とサンプル間に与えることで、振幅や変位を外部から変化させることができ、より確実に探針とサンプルが接触する前に粗動機構を停止することが可能となる。
【００２９】
また、本発明では、前記探針と前記サンプルを真空環境下に配置して、上記の各種の方法で探針とサンプルを近接させるようにした。このようにすることで真空中のように振幅が急激に変化し、探針とサンプルが接触する前に粗動機構を停止することが困難な状況下でもより確実に、接触前に粗動機構を停止することができる。
【００３０】
なお、本発明では、前記カンチレバーの代わりに先端に探針を有するプローブを用いて、サンプル表面に対して平行な方向に前記探針を加振させて探針とサンプルを近接させてもよい。
【００３１】
また、本発明では、前記探針と前記サンプルを上記のいずれかに記載したように両者が接触する直前まで近接させた後、更に前記粗動機構または/および前記垂直微動機構により接近または接触させるようにした。このように接近させることで、探針やサンプルにダメージを与えることなくより確実に動作点まで探針をサンプルに近接させることが可能となり、粗動機構のスピードも速くすることができる。
【００３２】
また、本発明では上記のいずれかの近接方法を走査型プローブ顕微鏡に適用した。この場合、探針やサンプルへのダメージがない状態で測定が行われるので、走査型プローブ顕微鏡が高分解能での測定が可能となり、さらに近接動作の時間も短縮でき、測定にかかる時間を短縮できる。
【発明の効果】
【００３３】
以上のように、本発明の走査型プローブ顕微鏡における探針とサンプルの近接方法では、探針がサンプルに接触する直前で確実に停止できるようにしたため、探針とサンプルを破損することなしに確実に近接させることが可能となる。さらに、近接にかかる時間も短縮することが可能となる。
その結果、走査型プローブ顕微鏡の分解能の低下を防ぐことができ、測定時間の短縮も可能となる。
特に、本発明を真空環境下で使用した場合、本発明の効果はより有効に作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３５】
図１は大気中で用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。本実施例では、先端に探針１を有するシリコン製のカンチレバー２がカンチレバーホルダ３に固定されている。カンチレバーホルダ３にはカンチレバー２を加振するための圧電素子よりなる振動子４が取り付けられている。振動方式の走査型プローブ顕微鏡として用いる場合には、振動子４を構成する圧電素子に交流電圧を印加して振動子４を振動させることで、カンチレバー２を振動させる。また、コンタクト方式の走査型プローブ顕微鏡として用いる場合には振動子４には電圧を印加せずにカンチレバー２の加振は行わない。
【００３６】
前記カンチレバー２の変位を検出するための変位検出機構５は、半導体レーザ６と表面が２分割されたフォトディテクタ７から構成され、一般に光てこ法と呼ばれる方式でカンチレバー２の変位検出が行われる。まず、半導体レーザ６の光を集光しカンチレバー２の背面に照射する。カンチレバー２の背面で反射した光は、フォトディテクタ７の検出面に入射する。カンチレバー２がたわんだ場合にはフォトディテクタ７面内でスポットが上下に移動する。このとき分割された検出面の信号強度差を検出することで変位の検出が行われる。なお、探針１とサンプル８間の摩擦力測定などを行う場合にカンチレバー２のねじれ角の検出を行ったり、後述する振動方式でねじり振動による測定を行う場合には４分割のフォトディテクタを用いる場合もある。
【００３７】
サンプル８は、円筒型圧電素子からなる３軸微動機構９の先端に設けられたサンプルホルダ１２上に載置される。このときサンプルホルダ１２は探針１と対向するように設置されている。
【００３８】
３軸微動機構９は、サンプルホルダ１２上に置かれたサンプル８をサンプル面内（ＸＹ平面）方向に走査する水平方向微動機構（ＸＹ微動機構）１０と、サンプル面内と垂直な方向（Ｚ方向）に微動する垂直方向微動機構（Ｚ微動機構）１１を有している。
３軸微動機構９の末端は、粗動機構１３に取り付けられる。粗動機構１３は、ステッピングモータと送りネジにより構成され、サンプル８を探針１の方向（Ｚ方向）に移動させることが可能である。
【００３９】
また、カンチレバー２の上方にはカンチレバー２やサンプル８表面を観察するために光学顕微鏡１４が設けられている。この光学顕微鏡１４は変位検出機構５のレーザスポットをカンチレバー２背面に位置合わせする際や、サンプル８の測定箇所に探針１を位置決めする場合などに用いられる。
【００４０】
次に、本実施例の装置によりコンタクト方式で走査型プローブ顕微鏡の測定を行う場合の動作について説明する。
まず、変位検出機構５の半導体レーザ６をＬＤドライバ１６により発振させて、レーザスポットを光学顕微鏡１４の像を見ながらカンチレバー２の背面に位置合わせする。カンチレバー２背面で反射したレーザ光はフォトディテクタ７に入射し、フォトディテクタ７の信号はプリアンプ１５を経由してコントローラ２０に送られカンチレバー２の変位が検出される。
【００４１】
次に、探針１とサンプル８を粗動機構１３や垂直方向微動機構１１により測定点まで近接させる。この近接させる方法の詳細は後述する。
コントローラ２０では動作点が任意のカンチレバー２のたわみ量として設定される。探針１とサンプル８間距離が変わった場合にはカンチレバー２のたわみ量が変化する。このとき、たわみ量が一定となるように、コントローラ２０からピエゾドライバ１８を経由して垂直方向微動機構１１に電圧が印加されてフィードバック制御が行われ探針１とサンプル８間距離が一定に保たれる。
【００４２】
このときコントローラ２０から水平方向微動機構１０にピエゾドライバ１８を介して電圧を印加しラスタスキャンを行うことで、サンプル８表面の形状像の測定が行われる。
ここで、探針１とサンプル８を近接させる方法について図１および図２のフローチャートと図３の探針１とサンプル８間距離とカンチレバー２のたわみ量の関係（一般にフォースカーブと呼ばれる）を用いて詳細に説明する。
【００４３】
ＳＴＥＰ１：光学顕微鏡１４の直上からの像や、正面から目視あるいは正面からの光学顕微鏡（図示せず）などでの観察により、探針１とサンプル８を大まかに接近させる。
【００４４】
ＳＴＥＰ２：粗動機構１３の動作停止点（ＳＰ＋）を設定する。動作停止点は変位検出機構５で検出される任意の変位量である。ここで、動作停止点の設定方法を図３のフォースカーブにより説明する。探針１とサンプル８間距離が十分離れている状態（Ａ）から、探針１とサンプル８を接近させていくとまず探針１に引力が作用してカンチレバー２がサンプル８側に引き寄せられる方向にたわむ（Ｂ）。このときの変位検出機構５で出力される電圧の符号を仮にプラス側と定義する。さらに接近させていくと、探針１には斥力が作用し、カンチレバー２はサンプル８側と逆方向にたわむ（Ｃ）。このときの変位検出機構５からの出力を仮にマイナスと定義する。通常、走査型プローブ顕微鏡の測定を行う際の動作点はこの斥力領域（マイナス電圧側）に設定される。図３では、この測定時の動作点の探針１とサンプル８間距離を０としている。さらに探針１とサンプル８間距離を近づけた後、今度は探針１とサンプル８間距離を離していくと、探針１に働く斥力が減少し、たわみ量は０近づく。そのあとサンプル８表面の吸着層などの影響で探針１に引力が働くため、逆方向にたわみ（Ｄ）、そのあと探針１とサンプル８間の相互作用力が働かなくなり、カンチレバーのたわみは０となり、元の状態に戻る（Ｅ）。本発明では粗動の動作停止点を引力領域であるプラスの電圧を表示する（ＳＰ＋）の位置に設定した。
【００４５】
ＳＴＥＰ３：垂直方向微動機構１１を縮めた状態に固定し、粗動機構１３により探針１とサンプル８間を近づけ、動作停止点（ＳＰ＋）に到達した時点で、粗動機構１３を停止させる。このとき引力領域で停止させることができるため探針１とサンプル８は衝突しておらず衝突直前で止められている。
【００４６】
ＳＴＥＰ４：測定のための動作点（ＳＰ０）を設定する。この動作点は通常は斥力領域に設定される。
【００４７】
ＳＴＥＰ５：垂直方向微動機構１１のサーボをＯＮにする。そうすると探針１とサンプル８が離れているため、垂直方向微動機構１１が伸びる。このとき、垂直方向微動機構１１のストロークの範囲に動作点（ＳＰ０）が入れば近接動作は完了である。もし垂直方向微動機構１１がストロークいっぱいまで伸びきってしまった場合には、ＳＴＥＰ６に進む。
【００４８】
ＳＴＥＰ６：垂直方向微動機構１１と粗動機構１３を協調させながら動作点（ＳＰ０）まで探針１とサンプル８を接近させる。このとき重要なのは探針１とサンプル８が接触した状態で粗動機構１３を動作させると探針１が破損してしまうため、粗動機構１３を動かす場合には必ず探針１とサンプル８を離した状態で実施する。本実施例では、垂直方向微動機構１１を縮め、サーボをロックして、縮めた距離を越えない範囲内で粗動機構１３により探針１とサンプル８を接近させて再びサーボをＯＮにする。この動作を繰り返しながら、測定時の動作点に入るようにアプローチ動作を行う。
【００４９】
従来は、粗動機構１３の動作停止位置（ＳＰ＋）が、測定の際の動作点とほぼ同じ斥力領域に設定されていたため、粗動機構１３を停止させるときに探針１とサンプル８が衝突し、探針１先端が破損して形状像測定時の分解能が低下していた。これを防止するために、粗動機構１３のスピードを遅くしたり、遠方からＳＴＥＰ６に記載したような垂直方向微動機構１１と粗動機構１３の協調動作を繰り返す必要があり、近接に時間がかかっていた。本実施例ではでは粗動機構１３の動作点を引力側に設定することで粗動機構１３の停止位置が、探針１とサンプル８が衝突しないぎりぎりの位置で確実に停止させることが可能となった。また、探針１とサンプル８が接触状態になる際には粗動機構１３は動かさず垂直方向微動機構１１の動作で衝撃のないように動作させるようにした。このため、探針１の破損を防止でき形状像の分解能の低下がない。さらに、粗動機構１３の速度を早くすることが可能となりアプローチに要する時間を短縮することが可能となった。本実施例では、粗動機構１３を停止する位置を測定時の動作点から１００ｎｍ以下にすることができ、粗動のスピードは従来よりも１０倍以上速くすることができた。
【００５０】
なお、本実施例では粗動機構１３の停止位置（ＳＰ＋）を引力側すなわち、変位検出機構の出力がプラス側になるように設定したが、測定条件や測定環境によっては引力が小さかったり引力領域が存在しない場合もある。このとき粗動機構１３が停止できずに探針とサンプルが激しく衝突し、探針１のみにとどまらず、カンチレバー２やサンプル８あるいは装置を破損してしまう恐れがある。これを防止するために、本実施例では粗動機構１３の停止位置を引力領域に加えて斥力領域（変位検出機構５の出力がマイナス側）にも設定した（ＳＰ−）。斥力領域の設定値は探針１の破損をできるだけ軽減するために、測定時の動作点（ＳＰ０）よりも弱めに設定することが望ましい。
【実施例２】
【００５１】
本発明の第２の実施例として振動方式の走査型プローブ顕微鏡で測定を行う場合の探針とサンプルの近接方法を図１の走査型プローブ顕微鏡の概観図を参照して説明する。振動方式の走査型プローブ顕微鏡の装置構成は実施例１の図１と同じなので重複する部分は説明を省略する。振動方式の場合には振動子４の圧電素子に電圧が印加されて、カンチレバー２を振動させて、変位検出機構５が検出される。
【００５２】
振動方式の走査型プローブ顕微鏡ではまず、図４に示した、Ｑカーブと呼ばれるカンチレバー２の周波数特性が測定される。図４で横軸は加振周波数、縦軸は振幅量である。最も一般的な振動方式の走査型プローブ顕微鏡では、通常カンチレバー２の１次の共振周波数付近に駆動周波数が設定される。図４は１次の共振周波数付近の共振スペクトルであり、共振点に対して共振スペクトル上で低周波側または高周波側に駆動周波数が設定される。走査型プローブ顕微鏡で測定を行う場合には駆動周波数での振幅量をモニターする。
【００５３】
図５に振動方式の場合の探針サンプル間距離と振幅量の関係（一般にフォースカーブと呼ばれる）を示す。探針１とサンプル８間の距離が近づくと初め、カンチレバー２とサンプル８表面間に存在する空気の抵抗が増加して徐々に振幅が減少する。さらに探針１とサンプル８を接近させるとコンタクト方式の場合と同様に初め探針１は引力を受け、そのあと斥力を受けて、ついには探針１がサンプル８に間欠的に接触するようになり変曲点付近（Ｂ１、Ｂ２）を境に、急激に振幅が減少する。この振幅の減衰量は探針１とサンプル８間の距離に依存するため形状像測定時には動作点を設定し、垂直方向微動機構１１によりこの動作点の振幅になるように探針１とサンプル８間の距離がフィードバック制御され、水平方向移動機構１０でラスタスキャンを行うことで形状像が測定される。
【００５４】
このとき図５に示した低周波側でのフォースカーブを見ると振幅が単調に減少した後、変曲点（Ｂ１）付近では一瞬振幅が増加する領域が存在する。
【００５５】
本発明では、この振幅が増加する領域に粗動機構１３の停止位置を設定することで、探針１とサンプル８を衝突直前に確実に止めるようにした。
【００５６】
以下に振動方式での走査型プローブ顕微鏡で探針１とサンプル８を近接する手順を図１と図６のフローチャートをもとに説明する。
【００５７】
ＳＴＥＰ１：光学顕微鏡１４の直上からの像や、正面から目視あるいは正面からの光学顕微鏡（図示せず）などでの観察により、探針１とサンプル８を大まかに接近させる。
【００５８】
ＳＴＥＰ２：カンチレバー２の振動スペクトルを測定し、１次の共振スペクトル上で共振周波数よりも少し低周波側に駆動周波数を設定し、初期振幅量を定めて駆動周波数でカンチレバーを加振する。
【００５９】
ＳＴＥＰ３：粗動機構１３の動作停止点（ＳＰ＋）を設定する。動作停止点（ＳＰ＋）は初期の振幅量よりも振幅が増加した地点を設定する。このとき、低周波側に駆動周波数を設定したときのフォースカーブでの振幅が増加する領域（Ｂ１）のピークよりも小さい値に動作点を設定する必要がある。この値は実験によりあらかじめ目安をつけておく。本実施例では、（Ａ）点で設定した初期振幅量に対して、１．０３倍増加した点を動作停止点に設定した。
【００６０】
ＳＴＥＰ４：垂直方向微動機構１１を縮めた状態に固定した状態で粗動機構１３により探針２とサンプル８間を近づけ、動作停止点に到達した時点で、粗動機構１３を停止させる。このとき探針１とサンプル８は間欠的に接触をはじめる前の状態であり、探針１とサンプル８は衝突しておらず衝突直前で止められている。
【００６１】
ＳＴＥＰ５：次に測定のための動作点（ＳＰ０）を設定するため、共振スペクトルを再び測定し、駆動周波数と初期振幅を再設定する。このとき、探針１とサンプル８が近接しすぎていると共振スペクトルを再測定する場合、探針１とサンプル８が衝突してしまう可能性があるため、ＳＴＥＰ４のときに、垂直方向圧電素子１１を伸ばした状態で固定して粗動を行い、粗動機構１３が止まったあと、垂直方向微動機構１１を縮めて共振スペクトル測定を行うことで探針１の衝突を防ぐことができる。このあと、測定の状況に応じて任意の動作点（ＳＰ０）を設定する。
【００６２】
ＳＴＥＰ６：垂直方向微動機構１１のサーボをＯＮにする。そうすると探針１とサンプル８が離れているため、垂直方向微動機構１１が伸びる。このとき、垂直方向微動機構１１のストロークの範囲に動作点（ＳＰ０）が入れば近接動作は完了である。もし垂直方向微動機構１１がストロークいっぱいまで伸びきってしまった場合には、ＳＴＥＰ７に進む。
【００６３】
ＳＴＥＰ７：垂直方向微動機構１１と粗動機構１３を協調させながら動作点（ＳＰ０）まで探針１とサンプル８を接近させる。このとき重要なのは探針１とサンプル８が接触した状態で粗動機構１３を動作させると探針１が破損してしまうため、粗動機構１３を動かす場合には必ず探針１とサンプル８を離した状態で実施する。本実施例では、垂直方向微動機構１１を縮め、サーボをロックして、縮めた距離を越えない範囲内で粗動機構１３により探針１とサンプル８を接近させて再びサーボをＯＮにする。この動作を繰り返しながら、測定時の動作点に入るようにアプローチ動作を行う。
【００６４】
従来は、粗動機構１３の動作停止位置を、測定の際の動作点とほぼ同じ振幅が減少する領域に設定していたため、粗動機構１３を停止させるときに探針１とサンプル８が衝突し、探針１先端が破損して形状像測定時の分解能が低下していた。これを防止するために、粗動機構１３のスピードを遅くしたり、遠方からＳＴＥＰ７に記載したような垂直方向微動機構１１と粗動機構１３の協調動作を繰り返す必要があり、近接に時間がかかっていた。本実施例では粗動機構１３の動作点を振幅が増加する側に設定することで粗動機構１３の停止位置が、探針１とサンプル８が衝突しないぎりぎりの位置で確実に停止させることが可能となった。また、探針１とサンプル８が接触状態になる際には粗動機構１３は動かさず垂直方向微動機構１１の動作で衝撃のないように動作させるようにした。このため、探針１の破損を防止でき形状像の分解能の低下がない。さらに、粗動機構１３の速度を早くすることが可能となりアプローチに要する時間を短縮することが可能となった。本実施例では、粗動機構１３を停止する位置を測定時の動作点から１００ｎｍ以下にすることができ、粗動のスピードは従来よりも１０倍速くすることができた。
【００６５】
なお、本実施例では粗動機構１３の停止位置（ＳＰ＋）を振幅が増加する側に設定したが、測定条件や測定環境によっては振幅の増加分が小さい場合や、振幅が増加しない場合もある。例えば図５のフォースカーブで共振周波数に対して高周波側で駆動した場合、変曲点（Ｂ２）付近で急激に振幅が減少し振幅が増加する領域は存在しない。このとき粗動機構１３が停止できずに探針１とサンプル８が激しく衝突し、探針１のみにとどまらず、カンチレバー２やサンプル８あるいは装置を破損してしまう恐れがある。これを防止するために、本実施例では粗動機構１３の停止位置を振幅が増加する領域に加えて振幅が減少する領域にも設定した（ＳＰ−）。振幅が減少する領域での動作点（ＳＰ−）は探針１のダメージを少なくするために測定の際の動作点（ＳＰ０）よりも大きくするほうが望ましい。
【００６６】
また、例えば、空気による振幅の減少分が大きい場合には、変曲点（Ｂ１）での振幅が増加してもピークの振幅量が初期の（Ａ）点での振幅量を超えない場合もある。このような場合には、振幅の増加した停止位置と減少した停止位置の両方を設定することで、いったん減少した停止位置で停止させ、その地点で共振スペクトルを測定し直して駆動周波数を設定し、再びアプローチを繰り返していくことで、振幅増加した部分で粗動機構１３を止めることが可能となる。
【００６７】
また大気中では、高周波側に設定すると、振幅が増加する部分は発生しないが低周波側に比べて、空気による減衰量が大きいため、探針１とサンプル８が接触しない部分での停止位置の設定が容易である。このためあらかじめ高周波側で探針１とサンプル８が接触しない条件を求めておき、その停止位置で粗動機構１３を停止させ、その後、その位置で共振スペクトルを測定し直して低周波側に動作点を設定しアプローチ動作を行うことで振幅が増加した領域で粗動機構１３を停止させることもできる。
【実施例３】
【００６８】
図７は本発明の第３実施例にかかる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。本実施例では図１の装置に真空チャンバー２１を装着し、探針１とサンプル８を真空環境下に配置して振動方式の走査型プローブ顕微鏡測定を行う装置である。本実施例では真空ポンプ（図示せず）により１０−６Ｐａ真空状態にして測定を実施した。その他の構成は図１と同じなので説明は省略する。
【００６９】
真空環境下では、図８のフォースカーブに示すように空気による振幅の減衰がほとんど起きないため、探針１とサンプル８はサンプル表面直前まで振幅が変化することなしに、急激に振幅が減少する。
【００７０】
そのため、従来のように振幅の減少した部分で粗動機構１３の動作停止点を設定するといきなり測定動作点に入り探針１とサンプル８が激しく衝突する。
【００７１】
そのため本発明では１次の共振スペクトル上の低周波側に動作点を設定し、探針１とサンプル８が衝突する直前の振幅が増加する領域に粗動機構１３の動作停止点（ＳＰ＋）を設定し、粗動機構１３を止めるようにした。また、振幅が減少する地点にも動作停止点（ＳＰ−）を設定し、万一、振幅が増加する領域で粗動機構１３が止まらなかった場合でも探針１の破損がほとんど起こらないようにした。粗動機構１３が停止した後は実施例１，２と同様に垂直方向微動機構１１と粗動機構１３を協調させてアプローチを行うことで探針    １やサンプル８を破損することなしに探針１とサンプル８間距離を動作点まで設定させることが可能である。なお、真空中ではフォースカーブの変曲点（Ｂ）の手前でも除々に振幅が増加する場合があり、粗動機構１３の停止点をここに設定してもよい。
【００７２】
ここで、真空中では、空気による減衰が少ないため、共振スペクトルが急峻になり、Ｑ値が大きくなる。Ｑ値は共振周波数を共振スペクトルのピークの半値幅で割った値である。このようにＱ値が高い状態では力の検出感度は高くなるが、探針１とサンプル８間距離のフィードバックを行う場合の追従性が悪くなり、発振が起こったり、形状像測定時の走査スピードを遅くする必要がある。これを防止するために、形状像測定を行う際にはＱ値制御が行われる場合がある。Ｑ値制御はカンチレバー２の振動の信号から速度を求め加振信号に加えることで見かけ上、Ｑ値をコントロールする手法である。Ｑ値制御を行ったＱカーブの例を図９に示す。図９では実線に示したＱカーブをＱ値制御によりＱ値を下げ破線で示したようなＱカーブにした。本実施例ではカンチレバーの共振周波数を１２０ｋＨｚとし、もとのＱ値が１５００に対して、４００までＱ値を下げた。
【００７３】
本実施例では、真空中での測定であるため測定時にはＱ値制御によりＱ値を下げて測定を行うことが有効である。ただし、探針１とサンプル８を近接させる場合には、Ｑ値が高いほうが力に対する感度が高く、より遠方から感度よく力を検出させることができる。したがって本実施例では、まず図９の実線で示したＱ値制御なしの高いＱ値のまま共振スペクトルを測定し、低周波側に駆動周波数を設定し、粗動機構１３を停止させる振幅量（ＳＰ＋）を設定した後、探針１とサンプル８を近接させるようにした。このときＱ値が低いときよりもより遠方から振幅の増加が初まり、しかも図８のフォースカーブでの領域（Ｂ）でのピークの振幅の増加量も多くなる。したがって、より確実に探針１とサンプル８が接触しない位置で粗動機構１３を止めることが可能となる。
【００７４】
次に粗動機構１３が止まった後、探針１とサンプル８が衝突しないように垂直方向微動機構１１を縮めてＱカーブを再測定し、測定に適した振動スペクトルと動作条件を設定する。このときにはＱ値制御により図９の破線で示したようなＱカーブになるようにＱ値を下げ、駆動周波数と初期振幅を設定し、振幅が減少する動作点（ＳＰ０）を設定して近接動作を行った。このようにＱ値を粗動の開始前と粗動の停止後に測定し直すことで、近接動作に適した条件と測定に適した条件を任意に設定でき、探針１の破損による分解能の低下なしに形状像の測定が可能となる。また、粗動機構１３のスピードもアップすることができるとともにＱ値制御により走査スピードも向上するため全体の測定時間も短縮することが可能となった。
【００７５】
なお、真空度は、本実施例での圧力に限定されず、真空ポンプの使用など任意の方法で大気圧以下に圧力を設定した場合は本発明に含まれる。また、振動方式のほかコンタクト方式も適用できる。
【実施例４】
【００７６】
図１０は本発明の第４実施例にかかる真空測定対応の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。本実施例では図７の装置に加え、探針１とサンプル８間に電圧を印加できる電圧印加装置２２を設けた。また、サンプルステージ１２の下側にコイル２８を配置しコイル２８に電流を流すことで磁力を発生させる磁気力発生装置２５も設けた。この他の構成は図７と同一であるため詳細な説明は省略する。
【００７７】
探針１とサンプル８間に電源２３により電圧を印加した場合、両者には静電気力が発生する。また、探針１に磁性膜や着磁性の金属膜をコートし、磁気力発生装置２５のコイル２８に電源２６により電流を流して磁気を発生させた場合には探針１は磁気力によりサンプル８方向に引っ張られる。このように静電気力や磁気力を発生させた状態で探針１とサンプル８を近接させていくと、コンタクト方式の場合には探針１とサンプル８間に働く引力が大きくなりしかも静電気力や磁力を掛けていない状態よりも探針とサンプルが離れている状態で引力が発生する。
【００７８】
図１１は静電気力や磁気力をかけた場合のコンタクト方式のフォースカーブの一例である。実線は、静電気力や磁気力をかけない場合で破線がかけた場合である。このフォースカーブから探針１とサンプル８が接触する直前の引力領域（Ｂ）が広がっていることがわかる。
【００７９】
また、振動方式の場合には振幅の増加量が大きくなりしかも静電気力や磁力を掛けていない状態よりも探針１とサンプル８が離れている状態で振幅が増加する。図１２は静電気力や磁気力をかけた場合の振動方式のフォースカーブの一例である。実線は、静電気力や磁気力をかけない場合で破線がかけた場合である。このフォースカーブから探針１とサンプル８が接触する直前の振幅が増加する領域（Ｂ）が広がっていることがわかる。
【００８０】
このように外部から力をかけることで、より確実に探針１とサンプル８が衝突する直前で粗動機構１３を停止することができる。また、粗動機構１３のスピードもより高速に行うことができる。
【００８１】
本実施例では、電圧印加装置２２と磁気力発生装置２５の双方を持つ構成としたが、サンプル８やカンチレバー２の種類や測定モードによって、どちらか一方を選択して使用することができる。また、どちらか一方の構成のみを持つ装置も本発明に含まれる。
【００８２】
測定の際に静電気力や磁気力が不要な場合には、粗動機構１３が停止した後で電圧印加装置２２や磁気力発生装置２５のスイッチ２４、２７をＯＦＦにして、動作点を再設定して、垂直方向微動機構１１と粗動機構１３の協調動作により測定エリアまで近接させて測定を行う。
【００８３】
また、本実施例の電圧印加装置や磁気力発生装置に交流電圧を印加することで、振動方式の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーを加振させるための機構を兼用させたり、あるいは電気的、磁気的特性を測定する際の外部電圧、磁気力印加装置として用いることも可能である。
【００８４】
以上、本発明の実施例を紹介したが、本発明はこれらの実施例に限定されない。例えば走査型プローブ顕微鏡の構造は本発明の形状像測定に限らず探針をサンプルに近接させて探針で機械的特性や電磁気的特性や光学的特性などを測定する各種モードに適用できる。
【００８５】
また、微動機構や変位検出機構や粗動機構の機構は本発明に限定されず目的が同じであれば他の機構も適用可能である。
【００８６】
また、カンチレバーに限らず、光ファイバーの先端を先鋭化した走査型近接場顕微鏡用のプローブなどにも適用できる。
【００８７】
また振動方向はサンプルに対して垂直方向だけでなく平行に振動させる場合やカンチレバーをねじり振動させる場合も本発明に含まれる。
【００８８】
さらに、本発明での駆動周波数は１次の共振周波数に限定されず、探針とサンプルを近づけた時に振幅量が増加する駆動周波数であれば任意の駆動周波数で動作可能である。
【００８９】
溶液中など抵抗が大きくカンチレバーのＱ値が小さい場合などは粗動の段階からＱ値制御によりＱ値を上げて感度を高くすることが有効である。
【００９０】
また変位や振幅量は変位や振幅の変化に起因する信号であれば任意の信号が使用でき符号も任意に設定してよい。さらに変位ではなくカンチレバーにかかる力の信号でもよい。
【００９１】
さらに、絶対振幅量を設定するだけではなく、振幅の変化量を初期振幅で除した無次元量を用いてもよい。
【００９２】
また、粗動機構停止後の動作点までのアプローチ方法は実施例に限定されず他の手法を用いてもよい。
【００９３】
また粗動機構は探針とサンプルが衝突する直前で止めるのが理想であるが、粗動機構を停止させる場合に、探針とサンプルが衝突してしまう場合も本発明に含まれる。万一、衝突した場合でも本発明を適用することで従来技術よりは探針ダメージが軽減される。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第一実施例および第二実施例の大気中で用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２】本発明の第一実施例のコンタクト方式の原子間力顕微鏡の探針とサンプルの近接方法のフローチャートである。
【図３】本発明の第一実施例のコンタクト方式の原子間力顕微鏡のフォースカーブである。
【図４】本発明の第二実施例の大気中での振動方式の原子間力顕微鏡のＱカーブである。
【図５】本発明の第二実施例の大気中での振動方式の原子間力顕微鏡のフォースカーブである。
【図６】本発明の第二実施例の振動方式の原子間力顕微鏡の探針とサンプルの近接方法のフローチャートである。
【図７】本発明の第三実施例の真空中で用いられる走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図８】本発明の第三実施例の真空中での振動方式の原子間力顕微鏡のフォースカーブである。
【図９】本発明の第三実施例の真空中での振動方式の原子間力顕微鏡のＱカーブである。
【図１０】本発明の第四実施例の真空中で用いられる電圧印加装置と磁気力発生装置をゆする走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図１１】本発明の第四実施例のコンタクト方式の原子間力顕微鏡のフォースカーブである。
【図１２】本発明の第四実施例の大気中での振動方式の原子間力顕微鏡のフォースカーブである。
【図１３】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【図１４】従来の探針とサンプルを近づけていった場合の距離とカンチレバーの振幅量の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００９５】
１  探針
２  カンチレバー
３  カンチレバーホルダ
４  振動子
５  変位検出機構
６  半導体レーザ
７  フォトディテクタ
８  サンプル
９  ３軸微動機構
１０  水平方向微動機構
１１  垂直方向微動機構
１２  サンプルホルダ
１３  粗動機構
１４  光学顕微鏡
１５  プリアンプ
１６  ＬＤドライバ
１７  発信器
１８  ピエゾドライバ
１９  モータドライバ
２０  コントローラ
２１  真空チャンバ
２２  電圧印加装置
２３、２６  電源
２４、２７  スイッチ
２５  磁気力発生装置
２８  コイル
１０１  サンプル
１０２  ３軸微動機構（スキャナ）
１０３  粗動機構（モータ）
１０４  半導体レーザ（ＬＤ）
１０５  フォトディテクタ（ＰＤ）
【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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