(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型力顕微鏡内のプローブ・ティップの動きを制御する方法であって、前記プローブ・ティップは、検査すべき試料の表面と、係合方向に係合するように動き、前記プローブ・ティップは、カンチレバーの遠端に取り付けられており、前記方法は、
ａ）前記カンチレバーの共振周波数よりも高い励振周波数で、および前記励振周波数よりも低い重畳されたディザリング周波数で、前記係合方向と同じまたは反対方向に、前記プローブ・ティップを振動させるステップと、
ｂ）前記ディザリング周波数での前記プローブ・ティップの振動に応じた、前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅の変化を測定するステップと、
ｃ）前記振動の振幅の前記変化が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記プローブ・ティップを前記係合方向に動かすようにアクチュエータを駆動して、前記プローブ・ティップと前記試料表面との間の離間距離を１ステップ減少させるステップと、
ｄ）前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動と、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号との間の位相差を、前記離間距離を１ステップ減少させるたびに測定するステップと、
ｅ）前記位相差が所定のしきい値レベルより大きいならば、前記励振周波数を減少させるステップと、
ｆ）  前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅を、前記離間距離を１ステップ減少させるたびに測定するステップと、
ｇ）  振動の前記振幅が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号の振幅を増大させるステップと、
ｈ）振動の振幅の前記変化が、前記所定のしきい値レベルよりも大きいならば、前記係合方向における前記プローブ・ティップの運動を終了して、検査される前記試料の前記表面を測定するプロセスを開始するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記振動の振幅が０に近いかどうかを調べ、前記振動の振幅が０に近いならば、前記プローブ・ティップと前記試料表面との間の離間距離を増大させるステップをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステップｃ）において、前記プローブ・ティップは、振動の振幅の前記変化と、前記所定のしきい値レベルとの間の比の関数として決定された距離にわたって、前記係合方向に動かされ、前記関数は、振動の振幅の前記変化が前記所定のしきい値レベルに近づくにつれて、前記距離を減少させる請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＣモードで動作する走査型力顕微鏡のプローブ・ティップの動きを制御する方法に関し、特に、このような顕微鏡についての自動表面係合に関し、さらには、このような顕微鏡のための振幅復調に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触または繰返し接触の走査型力顕微鏡は、典型的に、ＡＣ検出モードで動作しており、遠端にプローブ・ティップを有するカンチレバーが、その共振周波数でまたは共振周波数付近で振動し、プローブ・ティップの振動の振幅は、種々の方法の１つによって検出される。プローブ・ティップが試料表面に接近すると、その振動振幅は、プローブ・ティップと試料表面との間の相互作用の関数となる。非接触走査型力顕微鏡においては、遠距離相互作用力の勾配が、カンチレバーの共振特性を変化させ、これが振動の振幅を変化させる。繰返し接触走査型力顕微鏡では、プローブ・ティップと試料表面との間の近距離反発相互作用は、カンチレバーの振動を減衰して、これがプローブ・ティップの振動の振幅を減少させる。したがって、プローブが試料表面にわたって走査されるときに、振動の振幅を調整するには、サーボ制御ループが設けられて、プローブ・ティップと試料表面との間に離間距離を保持し、これにより試料表面の特性を示すマップを作製することを可能にする。
【０００３】
ＡＣモード走査型力顕微鏡を制御する、振動周波数のようなパラメータを最適化することは、正確な測定値を得るために重要である。非接触ＡＣモードにおいて、高感度サーボ制御を得るためには、振動周波数は、振幅を周波数の関数として示す共振曲線の傾きが最も大きい値で、動作するのが好ましい。さらに、プローブ・ティップを、試料表面に接触させることなく、できるだけ接近させてプローブ・ティップを試料表面に係合させることが望ましい。繰返し接触モードでは、プローブ・ティップの試料表面との係合は、プローブ・ティップの重大な損傷、または測定される試料への損傷を避けるように制御される。
【０００４】
非接触ＡＣモードでは、プローブ・ティップが試料表面に係合する前に、動作周波数は、共振曲線の最も急峻な点に相当する値に設定される。しかし、プローブ・ティップが試料表面に近づくにつれて、増大する力勾配が、共振特性を変化させ、共振曲線を下方にシフトし、したがって共振が低い周波数で発生する。
【０００５】
振動カンチレバーへの力場内の勾配の影響は、“Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ―Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，１９９４，ｏｎ  ｐａｇｅｓ  ２４１−２４３”にＲ．Ｗｉｅｓｅｎｄａｎｇｅｒによって報告されている。このような場では、有効バネ定数は、次式で与えられる。
【０００６】
【数１】
0003745718.tif 000002
【０００７】
上記式において、ｃは力場がない場合のカンチレバーの有効バネ定数であり、ｃｅｆｆ は力場がある場合のカンチレバーの有効バネ定数である。プローブ・ティップが試料表面に引かれる引力場では、カンチレバーは効果的に軟化される。プローブ・ティップが試料表面によって反発される反発力場では、カンチレバーが効果的に硬化される。
【０００８】
カンチレバー／質点系の振動の共振周波数の変化は、次式で与えられる。
【０００９】
【数２】
0003745718.tif 000003
【００１０】
上記式では、ｍは有効質量であり、ω０ は力勾配がない場合の系の共振周波数である。
【００１１】
非接触ＡＣモードで試料表面に接近するこの例では、力勾配は引力であり、したがって有効バネ定数は低下し、カンチレバーの有効固有周波数を下げる。プローブ・ティップが試料表面にさらに近くなると、共振周波数は低下し、カンチレバーが駆動される一定周波数からさらに離れる。固有周波数のかなりの低下は、サーボ制御の感度をかなり低下させる。これは、振動周波数（ω）の関数としての振動振幅（Ａ）の曲線の傾き（ｄＡ／ｄω）の値の減少による。感度の低下は、試料表面に接近する過程で試料に近接してプローブ・ティップを適切に固定する能力を低下させる。プローブ・ティップを係合の所望レベルに固定する前に、プローブ・ティップが試料表面にしばしば接触する。さらに、プローブ・ティップが試料表面に接近するときに、強い遠距離相互作用を受けると、共振周波数は急激にシフトし、動作周波数での振幅変化を急激に減少させる。十分なレベルの振動を保持するためには、カンチレバーを振動させる励振エネルギは、かなり増大しなければならず、場合によっては装置の駆動回路から得られないレベルにまで増大しなければならない。この問題は、従来のロックイン回路が振幅復調に用いられるときに、特に厳しい。というのは、ロックイン復調器の出力からの振幅信号が、振動振幅のみならず、駆動信号と振動信号との間の位相角にも依存するからである。共振シフトが発生すると、位相角が変化して、ロックイン出力信号が、実際の振動振幅よりも、より速く減少する。
【００１２】
プローブ・ティップと試料表面との係合パラメータ、例えば係合の度合い、および共振シフトの量を自動的に検出することのできる方法が必要とされる。このような方法は、振動周波数，プローブ・ティップと試料表面との離間距離，励振レベルのようなシステム・パラメータをリアルタイムで調整して、試料表面をプローブ・ティップに係合させる過程で、動作状態を最適状態に保持するのに用いるために必要とされる。
【００１３】
図１は、走査型力顕微鏡においてティップ振動の振幅を決定するために用いられる従来の装置を示す図である。図２は、この装置における信号の波形図である。走査型力顕微鏡では、試料表面の外形、あるいは試料の電気的または磁気的特性から生じる力場を表す、調べるべき信号は、プローブに供給される振動信号によって変調される。したがって、この装置は、一般に、復調器と呼ばれる。
【００１４】
図１の装置において、図２（Ａ）に示されるティップ振動信号２が、第１の入力ライン３から供給され、第２入力ライン６から供給される図２（Ｂ）の方形波信号５と、ミクサ４で乗算される。方形波信号５は、ティップ振動信号２と同じ周波数を有し、±１の振幅を有する。ティップ振動は、発振器からの励振信号の結果であるので、同一周波数を有する発振器の出力は、また、方形波信号５として用いられる。図２（Ｃ）に示される中間信号７は、ローパスフィルタ８を経て出力され、ティップ振動信号の振幅を表す出力信号を形成する。この方法では、振動信号２の負の部分が、（−１）を乗算されて反転され、入力信号２の正の部分および負の部分が、中間信号７の正の部分を形成している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
この方法に対する問題は、ティップ振動信号と方形波信号とが同期する場合にのみ、振幅が適切に検出されることである。方形波信号５は、係合プロセスの間および試料の表面を走査する次のプロセスの間に、ティップ振動信号２の位相角が自由空間で振動するカンチレバーに一致するように作られるが、振動ティップと試料表面との間の相互作用は、ティップを振動させる信号である方形波信号５と、測定されたティップ振動を表す信号２との間の位相角に変化を生じさせる。位相角の変化は、中間信号７の部分を、負の部分として低下させる。負の部分は、振動信号２の正の部分に方形波５の負の部分を乗算することにより、および振動信号２の負の部分に方形波５の正の部分を乗算することによって形成される。
【００１６】
したがって、係合および走査の間に、方形波信号５をティップ振動信号２と常に同相に保つ方法が必要とされる。
【００１７】
米国特許第５，２６２，６４３号明細書は、ターゲット表面上に、振動カンチレバーとティップとを有する検出プローブを自動的に位置決めする非接触ステップ状方法を開示している。この方法は、接近の際に、音響相互作用およびファンデルワールス（Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ）相互作用を用いており、したがって検出プローブは、かなり最適化されたティップ対ターゲット表面の距離にまで下げられる。この装置は、振動カンチレバーとターゲット表面との間の力の相互作用を用いて、検出プローブをターゲット表面上に自動的に位置決めする。自動位置決め手順は、非常に正確な３つのステップで行われる。第１のステップでは、例えば光学フォーカシング装置によって決定されるように、ターゲット表面上の測定位置に振動検出プローブを迅速に下げる。第２および第３のステップは、振動カンチレバーの振動の振幅を用いる。この場合、接近検出プローブの位置は、振動カンチレバーの振動の振幅をトラッキングし、および振幅−距離の勾配（ｄＡ／ｄＤ）をトラッキングすることによって制御される。この勾配は、励振信号をＡ．Ｃ．状に変化させ、振動カンチレバーの振動の振幅に、増分変化を最初に発生させることによって、測定される。勾配は、ティップとターゲット表面との間のギャップの増分変化に対する、振動の振幅の増分変化の比として確立される。
【００１８】
しかし、米国特許第５，２６２，６４３号明細書の方法を用いて、試料表面に接近させる過程で、力−距離の勾配（ｄＦ／ｄＤ）の増大に対するｄＡ／ｄＤ勾配の増大の影響は、振動カンチレバーの共振周波数の対応する減少によって対抗される。このような減少は、共振周波数を、接近過程でカンチレバーが振動する周波数から遠ざけ、ｄＡ／ｄＤ勾配の感度を減少して、力−距離勾配を変化させる。したがって、振動カンチレバーの共振周波数の変化の影響を測定し、およびこのような変化を補償するために、駆動周波数を変える方法が必要とされる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、走査型力顕微鏡は、検査すべき試料の表面の近くに振動プローブ・ティップを駆動するときに接近モードで動作し、試料の特性を測定するために試料表面に沿って振動プローブ・テッィプを動かすときに走査モードで動作する。接近モードでは、ティップ振動の周波数は、好適に変化して、プローブ・ティップの運動と、カンチレバーによりプローブ・ティップを振動させるアクチュエータの運動との間に一定の位相角を保持する。走査モードでの動作は、接近モードの動作に続き、走査モードでのプローブ・ティップの振動は、接近モードで用いられた最終の周波数である。
【００２０】
本発明の一態様によれば、ＡＣ検出モードで、走査型力顕微鏡のティップを自動係合する方法を提供する。この場合、プローブ・ティップは、励振セグメントに供給される励振電圧信号によって、共振周波数で、または共振周波数の近くで振動される。
【００２１】
この方法の第１の要素は、ティップ対表面の離間距離の関数としての振動振幅（Ａ）の曲線の傾き（ｄＡ／ｄＺ）の値の測定を容易にする、ティップ対表面の離間距離の変調を含んでいる。この傾きパラメータは、ティップと試料表面との間の相互作用の程度に関する情報を与える。通常、このパラメータの大きな値は、ティップと表面との間のより強い相互作用を、したがってティップと表面との間のより小さい離間距離を示している。したがって、このパラメータは、試料表面へのテッィプの係合を増大させるプロセスを停止するために用いられる。
【００２２】
この方法の第２の要素は、位相−周波数サーボアルゴリズムを用いて、共振周波数のシフトをモニタし、したがって駆動周波数をリアルタイムで調整して、駆動周波数を常に、動作の所望領域に保持する。
【００２３】
この方法の第３の要素は、新しい振動振幅復調方法である。従来のロックイン検出方法とは異なり、この方法は、ティップ対表面の相互作用により生じる位相角の変化によって汚染されていない振幅信号を与える。
【００２４】
この方法の第４の要素は、ティップが試料表面に衝突するのを防止しながら、係合速度を増大できるステップ・サイズ・スケールのアルゴリズムである。
【００２５】
この方法の第５の要素は、係合過程で、一定レベルの振動振幅を保持する、振幅−励振サーボアルゴリズムである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明が用いられる走査型力顕微鏡１０を示す図である。この装置１０は、米国特許出願第０５／８６７，１３８号明細書に記載されている装置に対しいくつかの点で類似しており、バイモル圧電アクチュエータ１２を有し、このアクチュエータには、カンチレバー１４がその基端１６に取付けられている。プローブ・ティップ１８は、カンチレバー１４の遠端２０に取付けられている。測定プロセス中、プローブ・ティップ１８は、試料２６の表面２４に係合して、振動される。バイモル圧電アクチュエータ１２は、その基端で、遠距離Ｚ方向圧電アクチュエータ３０に取付けられている。アクチュエータ３０は、試料表面２４へのプローブ・ティップ１８の初期接近のために用いられるＺ方向駆動モータ３２に取付けられている。駆動モータ３２の動作には、プローブ・ティップ１８を試料表面２４に接近させることである。駆動モータ３２の動作は、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の相互作用によってプローブ・ティップ１８の振動が影響を受けるような、試料表面２４の近くにまでプローブ・ティップ１８が移動すると、終了する。バイモル圧電アクチュエータ１２は、励振セグメント３４と、ディザリング・セグメント３６とを有している。
【００２７】
プローブ・ティップ１８を係合させるプロセスの最終部分の際に、本発明に従って動作する走査型力顕微鏡１０では、第１周波数でのプローブ・ティップ１８の振動は、第１の周波数よりもかなり低い第２の周波数を有するディザリング信号を付加することによって好適に変更される。図２の装置においては、第１周波数での振動は、励振駆動信号を励振セグメント３４へ供給することによって実現され、一方、第２の周波数でのこの振動の変更は、ディザリング駆動信号をディザリング・セグメント３６へ供給することによって実現される。したがって、試料表面２４との係合の過程で、励振セグメント３４およびディザリング・セグメント３６は、プローブ・ティップ１８の変更された振動を発生し、一方、プローブ・ティップ１８は、初めにＺ方向駆動モータ３２によって、次に遠距離Ｚ方向圧電アクチュエータ３０によって、試料表面２４の方へ移動される。
【００２８】
例えば、振動セグメント３４によりカンチレバー１２に加えられる第１の周波数の振動は、カンチレバー１２のバネ定数および質量により、およびプローブ・ティップ１８の質量により、代表的には５０〜５００ｋＨｚの範囲にあり、一方、ディザリング・セグメント３６により加えられる第２周波数の振動は、５〜５０Ｈｚの範囲にある。
【００２９】
プローブ・ティップ１８を試料表面２４の近くに持ってくるプロセスと、試料の特性を調べるために試料表面２４を走査する次のプロセスとは、演算装置３８によって制御される。この演算装置は、コード化されたＭＯＤＥ  ＤＡＴＡを発生する。このデータは、プローブ・ティップ１８が試料表面の近くに移動されるときに、装置が接近モードの第１または第２の部分にあるか、あるいは試料表面２４が検査されるときに、走査モードにあるかを指示している。
【００３０】
接近モードおよび走査モードの際に、ドライバ回路４０によって電圧信号が供給される圧電励振セグメント３４によって、プローブ・ティップ１８は、矢印３９の係合方向およびこれとは反対方向に振動する。ドライバ回路４０は、発振器４１により駆動される。発振器は、演算装置３８からデジタル−アナログ変換器４１ａを経て与えられるＧＡＩＮ  ＣＯＮＴＲＯＬ信号に従って設定された出力レベルを好適に有している。矢印３９の係合方向およびこれとは反対の方向における、プローブ・ティップ１８の振動運動は、レーザ検出器４２によって測定される。レーザ検出器は、光学手段を用いて、プローブ・ティップ１８の運動を示す動き信号を生成する。光学手段は、光路長の変化を示すために、例えばインターフェロメトリを用いることができる。あるいはまた、斜め入射のレーザビームが、プローブの表面で反射して光検出器に入射する位置を用いて、プローブ位置の変化を調べることができる。いずれの場合においても、出力は、プローブ・ティップ１８と共に動く反射面４３の動きに基づいている。レーザ検出器は、バンドパス・フィルタを有しており、このフィルタは、励振セグメント３４を駆動する信号の範囲内の周波数を含む出力信号を通過させ、この範囲から離れた周波数の通過を阻止する。レーザ検出器４２の出力は、図４で詳細に説明される復調器４４に入力として与えられる。復調器４４の出力は、比較回路４６への、およびアナログ−デジタル変換器４７を経て演算装置３８への、振動振幅を示す入力として用いられる。
【００３１】
接近モードの初期の部分の間では、プローブ・ティップ１８が、初期接近モータ３２によって、矢印３９の係合方向に駆動される。モータ３２は、演算装置３８からのＭＯＴＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬ信号に応じて、モータドライバ回路５９によって動作される。また、接近モードのこの初期部分の間、演算装置３８からのＭＯＤＥ  ＤＡＴＡに応じて、モードスイッチ６０が、ディザリング・セグメント３６を動作するドライバ６１への入力を遮断するので、ディザリング・セグメント３６は動作しない。接近モードのこの初期部分は、次のようなときに、ＭＯＴＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬ信号がターンオフして、終了する。すなわち、アナログ−デジタル変換器４７を経て演算装置３８に与えられる振幅信号が、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の相互作用が、プローブ・ティップ１８の測定振動の振幅に変化を生じさせる程に、プローブ・ティップ１８が試料表面２４に接近したことを示したときである。
【００３２】
接近モードの最終部分の間では、プローブ・ティップ１８は、Ｚ軸圧電ドライバ３０によって、矢印３９の係合方向に駆動される。ドライバ３０には、垂直運動ドライバ６２によって、電圧信号が供給される。この電圧信号は、演算装置３８からのコード化されたＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＭＯＴＩＯＮ  ＤＡＴＡに応じて、発生される。このコード化された信号は、デジタル−アナログ変換器６４でアナログ信号に変換され、ＭＯＤＥ  ＤＡＴＡに応じて動作するスイッチ６５により、垂直運動ドライバ６２に与えられる。接近モードのこの最終部分では、演算装置３８からのＭＯＤＥ  ＤＡＴＡは、また、モードスイッチ６０により、ディザリング・セグメント３６を発振器６６によって駆動可能にし、プローブ・ティップ１８のディザリング振動運動を生じさせる。接近モードのこの最終部分は、以下に説明する自動接近の特徴に従って、好適に終了する。
【００３３】
走査モードの動作中、励振ディザリング信号がターンオフして、ディザリング・セグメント３６は、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の距離を所定の範囲内に保持するために好適に用いられ、試料表面２４のトポグラフィの変化に従ってプローブ・ティップ１８を上下に移動させる。これらのトポグラフィの変化は、試料２６の横方向走査運動の際に遭遇されるからである。比較回路４６は、演算装置３８からデジタル−アナログ変換器６８を経て送られてきた制御信号と、復調器４４からの出力との間の差である補正信号を発生する。制御信号は、プローブ・ティップ１８が動作される振動振幅を決定する設定レベルを与える。比較回路４６からの補正信号は、積分器７０に入力として供給される。積分器７０では、補正信号に関連した設定振幅からの振動振幅の動きによって要求される変化の累積が生成され記憶される。走査モードにおける顕微鏡の動作中は、常に、積分器７０の出力は、試料表面２４の局部的に測定された高さを表している。積分器７０の出力は、アナログ−デジタル変換器７２に入力として供給される。変換器７２は、演算装置３８に入力としてデジタルＺ−ＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＤＡＴＡを与える。
【００３４】
走査中、スイッチ回路６０は、積分器５４からの出力信号をドライバ回路６１に供給し、ディザリング・セグメント３４がプローブ・ティップ１４を、演算装置３８から比較回路４６に入力として与えられた制御信号に相当するレベルに出力を保持するように移動させる。すなわち、復調器４４からの振幅信号が非常に高いと、プローブ・ティップ１４は矢印３９の方向に下げられ、振幅信号が非常に低いと、プローブ・ティップは矢印３９とは反対の方向に上げられる。
【００３５】
演算装置３８は、アナログ−デジタル変換器７２の出力をサンプリングして、垂直ドライバ６１に供給される電圧を決定する。この電圧は、圧電アクチュエータ・セグメント３６内に発生される変位を指示し、およびこのセグメント３６は、試料１２の走査運動中にサーボループにより駆動されて、試料表面２４に対し所定レベルの係合を保持するので、アナログ−デジタル変換器７２からのＺ位置データは、試料表面２４のレベルの正確な記述を与える。
【００３６】
走査中、試料２６は、試料表面２４が振動プローブ・ティップ１８の下で測定されるように移動される。この移動は、横方向運動アクチュエータ７８を用いることによって実現される。アクチュエータ７８は、互いに直交するＸ方向運動およびＹ方向運動を与え、これら方向はまた、矢印３９によって示される係合方向に対して直交している。例えば、試料２６は、レーザパターンの形で試料表面２４上に形成されたラインが、振動プローブ・ティップ１８によって接触されるように、移動することができる。圧電横方向運動アクチュエータ７８は、横方向運動ドライバ８０によって駆動される。このドライバ８０は、デジタル−アナログ変換器８２からの信号によって駆動される。演算装置３８からのＬＡＴＥＲＡＬＭＯＴＩＯＮ  ＤＡＴＡは、Ｘ方向での試料２６の所望の位置にデコードされる特定のビットを含み、他のビットは、Ｙ方向での試料２６の所望の位置にデコードされる。
【００３７】
演算装置３３は、種々の測定から得られるデータが記憶される内部ランダムアクセスメモリ８４と、コンピュータ読取り可能な手段８６に格納されたプログラムを読取る手段と、測定結果を表示する表示装置８８とを有している。
【００３８】
以上の説明では、走査モードでの動作中に遭遇する表面トポグラフィの変化に応じて、矢印３９の係合方向、およびこれとは反対方向の運動を与えるのに用いられるディザリング・セグメント３６について述べたが、あるいはまたＺ軸圧電アクチュエータ３０を、このために用いることができる。この場合、スイッチ６５は、積分器７０の出力を、垂直運動ドライバ６２に送り、スイッチ６０は、積分器の出力をディザリング・ドライバ６１へ送る回路を開く。これらスイッチ６０，６５の両方は、演算装置３８からのＭＯＤＥ  ＤＡＴＡに応じて、動作する。ディザリング・セグメント・アクチュエータ３６は、表面トポグラフィの微小な変化に応じて急激に働き、およびＺ軸圧電アクチュエータ３０は低速で大きな線形範囲にわたって動くので、この目的にはどのアクチュエータ３６，３０を用いるかの決定は、測定すべき試料表面の特性に基づいて好適に行われる。本発明の範囲内では、走査型力顕微鏡は、この目的には、これらアクチュエータ３６，３０の両方ではなく、いずれかのみを用いることができる。
【００３９】
図４は、図３の復調器４４のブロック図である。本発明により構成された復調器４４は、図１および図２で説明した従来の復調器に比べて、次のような重要な利点を与える。すなわち、振動を生じさせるのに用いられる発振器信号に対してこれら振動の位相角の変化にかかわらず、振動信号の振幅の正確な指示を与えることである。走査型力顕微鏡のこの例では、位相角のこのような変化は、振動プローブ・ティップと試料表面との間の相互作用により生じる力により発生することが予測される。
【００４０】
図５は、０゜位相角の状態下で、復調器４４内で発生する信号を示す図である。図６は、０゜より大きい位相角の状態下で、復調器内で発生する信号を示す図である。
【００４１】
図３〜図６において、方形波信号の形での発振器４１の出力は、入力ライン１０２を経て復調器４４に与えられ、可変位相調整回路１０４に入力として供給される。この可変位相調整回路１０４は、ライン１０２上の入力と、第１の乗算器１０６への出力との間の位相角を調整する。レーザ検出器４２からの出力信号（振動プローブ・ティップ１８の動きを示す）は、リミッタ１１２へ延びる入力ライン１１０を経て、復調器４４に入力として供給される。このリミッタ１１２の出力信号１１３（方形波信号に近い）が、第２の乗算器１１４に入力として供給される。可変位相調整回路１０４の出力は、９０゜位相調整回路１１６を経て送られ、第２の乗算器１１４の他の入力を形成する。
【００４２】
図５に示すように、可変位相調整回路１０４からの出力信号（図示せず）が、リミッタ１１２からの出力信号１１３と同相であるならば、９０゜位相調整回路１１６からの出力信号１１８と、リミッタ１１２からの出力信号とを乗算することにより、第２の乗算器１１４から、０ボルトラインの両側で同じ曲線を有する出力信号１２０が得られる。このような信号１２０が、ローパスフィルタ１２２に送られて、信号を平均化すると、０電圧信号が、積分器１０８に入力として供給される。
【００４３】
他方、図６に示すように、可変位相調整回路１０４からの出力信号（図示せず）が、レーザ検出器４２からの振動信号と同相でないならば、９０゜位相調整回路１１６からの出力信号１２４と、リミッタ１１２からの出力信号１１３とを乗算することにより、第２の乗算器１１４から、０ボルトラインの両側で同じ曲線を有さない出力信号１２６が得られる。この例では、振動信号と信号１２４との間の位相角は、９０゜より大きく、信号１２６がローパスフィルタ１２２を通過すると、積分器１０８への負の入力信号が得られる。
【００４４】
ローパスフィルタ１２２の出力は、可変位相調整回路１０４の出力と、入力振動信号との間の位相差を示す誤差信号を与える。積分器１０８は、ローパスフィルタ１２２からの誤差信号を累積し、可変位相調整回路１０４の出力と入力ライン１１０上の振動信号との間の位相角差を示す出力電圧を与える。積分器１０８からの出力電圧は、可変位相調整回路１０４に供給され、この回路１０４の位相調整プロセスを実行して、回路１０４からの出力信号の位相角を調整して、回路１０４の出力信号とリミッタ１１２からの出力信号との間の位相角の変化を補正する。このようにして、可変位相調整回路１０４からの出力信号は、入力ライン１１０上の振幅信号に同相にロックされた中間信号となる。したがって、入力ライン１１０からの振動信号が、第１の乗算器１０６で中間信号によって乗算され、図２について説明したような結果が得られる。この場合、第２のローパスフィルタ１２５からの出力信号が、振動信号と発振器４１の出力信号との間の位相差にもかかわらず、振動信号の振幅の正確な値を与える。
【００４５】
積分器１０８の出力は、また、差動増幅器１２６への入力として与えられる。この増幅器１２６への他の入力は、演算装置３８からのＳＥＴＰＯＩＮＧ信号から、デジタル−アナログ変換器１２８内で発生された位相角である。差動増幅器１２６の出力は、アナログ−デジタル変換器１３０への入力として与えられる。変換器１３０は、レーザ検出器４２からの振動信号の実際の位相角と、ＳＥＴＰＯＩＮＴ信号によって表される位相角との間の差を示すコード化された信号を、演算装置３８に戻す。
【００４６】
図７は、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の係合の種々の状態下で、プローブ・ティップ１８（図３に示す）の振動振幅（Ａ）を、振動周波数（ω）の関数として示す図である。
【００４７】
図７において、最も右側の曲線１３８は、試料表面と相互作用がない、試料表面から十分に離れた自由空間でカンチレバー１４が振動する場合の振幅関数を示している。最大の負の傾きを有する曲線１３８上の点１４２に相当する周波数１４０で、カンチレバー１４が振動すると、係合プロセスが開始する。この周波数１４０は、自由空間での振動状態下でのカンチレバー１４の固有周波数１４４より少し上にある。
【００４８】
図８は、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の相互作用によって生じる力（Ｆ）を、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の距離（Ｚ）の関数として表す曲線１４５を示す図である。力（Ｆ）の負の値は、力が引力であり、力（Ｆ）の正の値は、力が反発力であることを示している。この力曲線の傾き（ｄＦ／ｄＺ）は、力場に勾配が存在することを示している。力場の勾配は、カンチレバー１４の有効剛性を変えることによって、カンチレバー１４の共振周波数を変更する。この傾き（ｄＦ／ｄＺ）は、点１４６と点１４７との間の離間距離Ｚが小さくなるに従って、連続的に大きくなる。
【００４９】
図３〜図８において、プローブ・ティップ１８は、試料表面２４から比較的遠くに、例えば図８の点１４６にある間は、ディザリング・セグメント３６に供給されるディザリング信号によってプローブ・ティップ振動を変化させても、影響は少ないかまたはない。というのは、大きな係合力が生じないからである。しかし、試料表面が接近するにつれて、離間距離（Ｚ）の値は小さくなり、力曲線の傾き（ｄＦ／ｄＺ）は大きくなる。その結果、カンチレバー１４の共振周波数は、プローブ・ティップ１８がディザリング・セグメント３６のディザリング運動によって、試料表面２４から離れるとき、振幅（Ａ）を周波数（ω）の関数として示す曲線１５４上の周波数１５２にまで減少し、およびプローブ・ティップ１８がディザリング運動によって試料表面２４の方へ動くときに、曲線１５８上のより低い共振周波数１５６にまで減少する。カンチレバー１４が依然として駆動周波数１４４で振動すると、ディザリングによって試料表面２４からプローブ・ティップ１８が離れるときに発生する振動振幅（Ａ）と、プローブ・ティップが試料表面２４の方に動くときに発生する振動振幅（Ａ）との間に、振幅差（ΔＡ）が発生する。この振幅差（ΔＡ）は、ディザリングによって離間距離差（ΔＺ）にわたって、プローブ・ティップ１８が動くときに発生する。したがって、離間距離（Ｚ）の関数としての振幅（Ａ）の曲線の傾き（ｄＡ／ｄＺ）は、ディザリングによる振幅差（ΔＡ）と、ディザリングによる離間距離差（ΔＺ）との比（ΔＡ／ΔＺ）によって近似される。したがって、励振セグメント３４に与えられる信号により生じるティップ１６の振動の振幅は、ディザリング・セグメント３６に与えられる信号の周波数で変調され、振幅の変化は、曲線１４５の傾きによって決定される。
【００５０】
図９は、プローブ・ティップ１８が試料表面２４に接近する過程において、演算装置３８によって実行されるルーチンのステップを示すフローチャートである。このルーチンは、第１のルーチン１４８を含み、この第１のルーチンでは、プローブ・ティップ１８は、初期接近モータ３２によって、係合の中間レベルにまで移動される。第２のルーチン１４９が続き、このルーチンでは、プローブ・ティップ１８は、走査プロセスに必要とされる係合のレベルにまで移動される。
【００５１】
図３および図９において、接近プロセスを開始する決定がなされて、スタートブロック１５０でプロセスが開始する。次に、ステップ１５２で、励振セグメント３４による励振がターンオンされ、ステップ１５４で、駆動モータ３２が始動する。ステップ１５６で、ティップ１８の振動の振幅（Ａ）が評価されて、所定のしきい値より低下した振幅（Ａ）によって示されるパラメータが実行される程十分に、ティップ１８が試料表面２４に接近したか否かを判定する。ティップ１８がそこまで接近していなければ、判定ブロック１５８から、ステップ１５６に戻り、モータ３２を駆動し続ける。ティップがそこまで接近していれば、判定ブロック１５８からステップ１６０に進み、モータ３２の動作を停止させる。この箇所から、遠距離圧電アクチュエータ３０を用いて、プローブ・ティップ１８を試料表面２４に接近させるプロセスを続ける。
【００５２】
図３および図９に続いて、さらに図８において、係合距離に対する力の微分（ｄＦ／ｄＺ）を示す曲線１４５の傾きが、係合距離が値１４６から値１４７に減少するに従って、連続的に増大するので、ｄＡ／ｄＺの対応する値は、この範囲にわたって連続的に増大しなければならない。したがって、離間距離に対する所定レベルの振幅微分係数（ｄＡ／ｄＺ）は、振幅差と離間距離差との比（ΔＡ／ΔＺ）のしきい値によって表される。ここに、距離差（ΔＺ）は、ディザリング・セグメント３６に与えられる信号によるディザリングによってプローブが移動される予測距離により決定され、振幅差（ΔＡ）は、ディザリング運動によって発生する振幅変調のレベルによって決定される。
【００５３】
したがって、ステップ１６０でモータ３２が停止した後、ステップ１６２でディザリング・セグメント３６に信号を供給することによって、ディザリングが開始される。ディザリングによる振幅変調は、ステップ１６４で評価される。判定ブロック１６６で判定されるように、比（ΔＡ／ΔＺ）が所定のしきい値よりも大きいならば、係合プロセスは、ステップ１６８で停止する。係合プロセスを停止させることは、係合距離（Ｚ）がその現在値で残されることを意味し、およびディザリング信号が終了することを意味する。判定ブロック１６６で判定されるように、比（ΔＡ／ΔＺ）が所定のしきい値より大きくなければ、圧電アクチュエータ３０に供給される駆動電圧は、ステップ１７０で増分量だけ増大される。したがって、ティップ１８は、試料表面２４に１ステップ接近するように動く。このプロセスは、比（ΔＡ／ΔＺ）が所定のしきい値よりも大きくなるまで繰り返される。
【００５４】
本発明の好適な実施例によれば、ステップ１７０で用いられるステップ・サイズは、ステップ１６４で測定された比（ΔＡ／ΔＺ）の実際の値の間の比較によって、（ΔＡ／ΔＺ）のしきい値に近づくに従って、ステップ・サイズを小さくするように、決定される。例えば、パラメータ（ｎ）を、（ΔＡ／ΔＺ）の測定値とそのしきい値との間の比として定義すると、ステップ・サイズは次のように形成される。
【００５５】
【数３】
0003745718.tif 000004
【００５６】
上記式において、指数（Ｋ）は、線形スケールに対しては１に等しく、非線形スケールに対しては１より大きい。スケールされたステップのサイズを決定するために、パラメータ（ＭＩＮ  ＳＴＥＰ）が選ばれる。この方法は、しきい値に近づくときに、低速の係合を保持して、プローブ・ティップ１８が試料表面２４に衝突するのを防止しながら、比（ΔＡ／ΔＺ）が、しきい値よりも十分小さくなるときに、係合の速度がかなり増大することを可能にする。
【００５７】
図１０および図１１は、プローブ・ティップ１８の振動の振幅（Ａ）を示し、および励振セグメント３４に供給される駆動信号とプローブ・ティップ１８の運動との間の位相角（φ）を示している。
【００５８】
図３，図１０，図１１において、プローブ・ティップ１８が試料表面２４に接近するプロセスは、曲線１３８の最も急な負の傾斜に相当する励振周波数１４０で振動するカンチレバーにより開始される。なお、曲線１３８は、カンチレバー１４の自由振動の状態下で、周波数（ω）の関数として振動振幅（Ａ）を示している。ある環境の下では、プローブ・ティップ１８は試料表面にさらに接近して移動されるので、周波数（ω）の関数として振動振幅（Ａ）を示す曲線は、曲線１７６で示されるように、かなり低い周波数に移動する。この曲線の移動は、力勾配（ｄＦ／ｄＺ）が、特に大きい特性長、すなわち長い相互作用距離を有するときに、特に生じる。
【００５９】
カンチレバー１４が、接近の際に元の駆動周波数１４０で普通に振動するならば、新しい曲線１７６上の点１７８は、この曲線上では下側にあるので、ディザリングによる離間距離（Ｚ）の変化に対する振動（Ａ）の変調の感度がかなり低くなる。この状態は、比（ΔＡ／ΔＺ）が大きくなり、図９のステップ１６６で比較が行われるしきい値を越えるのを阻止するので、プローブ１８が試料表面２４に衝突して、プローブ１８および試料２６が損傷する可能性がある。
【００６０】
図１１の曲線１８０は、自由振動曲線１３８の状態下で、位相角（φ）を示している。周波数１４０での共振状態で、この位相角（φ）は、９０゜の値を有しており、励振セグメント３４からカンチレバー１４に与えられる力は、ティップ１８の速度の方向にある。励振周波数（ω）が、共振周波数より減少すると、位相角（φ）は、漸近的に０゜の値に接近する。０゜の値では、ティップ１８と、励振セグメント３４の遠端とは、同相で動く。励振周波数（ω）が、共振周波数より増大すると、位相角（φ）は、１８０゜の値に漸近的に接近する。したがって、接近プロセスにおいて用いられる初期励振周波数１４０は、９０゜よりやや大きい位相角１８２に関係する。
【００６１】
この接近プロセスにおいて、振幅関数は、曲線１３８によって表される関数から、曲線１７６により表される関数に移動するので、曲線１８０によって表される位相角関数は、振動関数と共に移動し、位相角（φ）を、位相角１８２のレベル以上に増大させる。
【００６２】
図１２は、本発明の好適な形態に従って、遠距離圧電アクチュエータ３２によって移動されるプローブ・ティップ１８を試料表面２４に接近させる過程において演算装置３８で実行されるルーチンのブロック図である。このルーチンは、図９のサブルーチン１４９と共に、マルチタスクにより動作し、これら２つのルーチンの交互動作を与えることができ、あるいは図１２のルーチンのステップを、図９のルーチン１４９のステップ内に置くことができる。
【００６３】
図３，図１０，図１１，図１２において、図１２のルーチンでは、プローブ１８の動きと、励振セグメント３４を駆動する信号との間の位相角の変化を用いて、励振セグメント３４を駆動する信号の周波数（ω）をいかに変化させて、周波数（ω）の関数としての振幅（Ａ）の曲線の最も急な負の傾きを有する領域に相当する位相角で振動を保持するかを決定する。９０゜よりやや大きい位相角１８２が、しきい周波数として選ばれる。図１２のルーチンのステップ１８６で、位相角（φ）は、好適には、復調器４４の一部を形成する差動増幅器１２６（図４に示す）の出力の使用によって、位相角（φ）が測定され、ステップ１８８で、測定された位相角（φ）は、所定のしきい位相角１８２と比較される。測定された位相角（φ）が、しきい位相角１８２より小さいと、ステップ１８６に戻り、測定処理および比較処理が繰り返される。測定位相角が、しきい位相１８２よりも大きいと、ステップ１９０で、所定の増分周波数（Δω）は、励振周波数から減算され、ステップ１８６に戻る前に、励振の新しい周波数を形成する。
【００６４】
図９および図１２に基づいて説明した方法が、組み合わされると、ディザリングの故に、および遠距離圧電アクチュエータ３０により行われる運動の故に、試料表面２４からプローブ・ティップ１８を離間する距離が周期的に減少すると、位相角の測定が行われる。位相角を測定するプロセスを安定化するには、このような測定は、ディザリング・サイクル内の一定点で行うことが望ましい。例えば、ディザリングが、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の距離を、最小レベルに減少させる毎に、位相角が測定される。あるいはまた、位相角の測定は、ディザリングの影響を最小にするために、平均化することができる。
【００６５】
図７〜図１２に関連する説明は、カンチレバー１４の共振周波数の減少の故に、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の離間距離として発生する振動振幅の減少と、励振セグメント３４が駆動される周波数を減少させることによって、振幅の減少を補正する手段とを扱っている。さらに、接近過程で離間距離が減少するにつれて、ティップ振動の振幅が減少する。これは、ティップ１８が試料表面２４に接近するときに発生する増大したレベルの振動による。本発明の好適な態様によれば、励振セグメント３４を駆動するこの電圧信号の振幅を減少させることによって、振幅の減少に対する補償が行われる。
【００６６】
図１３は、励振セグメント３４を駆動する電圧信号の振幅を大きくすることによって、振幅補正が行われる場合の、試料表面２４に接近するティップ１８の振幅変化を示す。試料表面２４に近づくにつれて、離間距離（Ｚ）が減少する。振幅（Ａ）は、実線１９２に従う。補正がなければ、振幅（Ａ）は、点線１９４に従ってさらに減少するであろう。しかし、設定の実線１９６が交差した後は、振動振幅（Ａ）の次の測定では、駆動信号の振幅の増大は、駆動信号の振幅の増分増大によって決定される増分ステップで、振幅（Ａ）を上方に戻す。
【００６７】
図１４は、本発明の好適な形態に従って、遠距離圧電アクチュエータ３２によって駆動されるプローブ・ティップ１８が試料表面２４に接近する過程で、演算装置３８で実行される他のルーチンのブロック図である。このルーチンは、図９のサブルーチン１４９と共に、マルチタスクにより動作し、これら２つのルーチンの交互動作を与えることができ、あるいは図１４のルーチンのステップを、サブルーチン１４９内に置くことができる。
【００６８】
図３，図９，図１４において、図１４のルーチンは、振幅変化を追跡することが必要となると、ステップ１９８で、おそらく図９のサブルーチン１４９のスタートで開始する。ステップ２００では、ティップ振動振幅（Ａ）が評価される。この振幅が、実線１９６で示される所定の設定レベルよりも小さくなければ、判定ブロック２０２から戻り、周期的間隔で、ステップ２００で振幅を評価する。この振幅が、所定の設定レベルよりも小さいと、ステップ２０４で、励振セグメント３４を駆動する電圧信号の振幅が増大し、ステップ２００に戻り、周期的間隔で振幅を評価し続ける。
【００６９】
前述したことは、試料表面２４へのプローブ・ティップ１８の接近がいつ完了したかを判定するのに用いられる（ΔＡ／ΔＺ）比を評価するためにディザリングを用いる図９のサブルーチン１４９と、励振セグメント３４を駆動する電圧信号とティップ１８の振動との間の位相角関係を保持するために、振動周波数を減少させる図１２のサブルーチンと、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の係合が増大すると発生する減衰の増大を補償するために、励振セグメント３４を駆動する電圧信号の振幅が増大する図１４のサブルーチンとについてであった。これらルーチンは、演算装置３８内で発生するマルチタスクで、個々にあるいは組み合わせて用いることができる。
【００７０】
図１５は、図９，図１２，図１４のサブルーチンの機能と共に、動作を簡単にするために、演算装置３８内で交互に実行されるルーチンを示している。
【００７１】
図３および図１５において、図１５のルーチンは、図９で述べたサブルーチン１４８で開始し、プローブ・ティップ１８を、試料表面２４との係合の初期レベルまたは中間レベルに駆動する。次に、ステップ２１６で、ディザリング・プロセスが開始し、低周波電圧信号が、ディザリング・圧電セグメント３６に供給される。次に、ステップ２１８で、振動振幅（Ａ）と、ディザリングによる振動振幅の変化（ΔＡ）と、励振アクチュエータ３４を駆動する電圧信号とティップ１８の振動との間の位相角（φ）とのパラメータを得る。この時点では、これらの測定パラメータは、ステップ２２０で用いられて、データをプロットまたは表示し、またはこれらパラメータに相当するデータが、次のプロットまたは表示のために記憶される。振幅パラメータの変化（ΔＡ）は、ディザリング・プロセスのサイクルで発生する変化として測定される。他のパラメータ（Ａ，φ）は、ディザリングにより影響され、測定信号の平均として与えられて、ディザリングで発生する変化を滑らかにすることができ、あるいは、ディザリングが、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の間隔の最大の減少を与える時点のような、ディザリング・プロセスにおける特定の時点で測定される信号として与えることができる。
【００７２】
次に、ステップ２２２で、振動振幅（Ａ）のレベルが０に近いか否かの判定が行われる。０に近いと、ステップ２２４で、多数のステップだけ離間距離が増大される。この場合、離間距離はすでに非常に小さくなっているものと仮定している。次に、ステップ２１８で、パラメータの再測定に戻る。
【００７３】
ステップ２２２で測定されるように、振幅（Ａ）が０に近くないならば、ステップ２２６に進む。このステップでは、ディザリングによる振幅の変化（ΔＡ）が、走査プロセスに必要とされるこのパラメータの状態下でのこのパラメータのレベルを表すしきい値と比較される。ステップ２２６で測定されるように、この値がしきい値を越えるならば、ステップ２２８で、離間距離（Ｚ）および周波数（ω）の値は保存され、次に実行されるプロセスにおいて用いられる。また駆動作用（励振）振幅が増大しているならば、この増大したレベルは、また、走査プロセスに用いるために保存される。次に、ステップ２３０において、図１５のティップ接近ルーチンが終了され、プローブ・ティップ１８は、走査中に試料表面を横断するのに必要とされる、試料表面２４から離間された状態にされる。
【００７４】
この種の動作の背景を、図８および図９を参照して、さらに詳細に説明する。図１５における振幅変化（ΔＡ）としきい値との比較は、図９のサブルーチン１４９における比（ΔＡ／ΔＺ）の比較に相当している。これらのパラメータのいずれも、ルーチンのいずれに対しても用いることができる。というのは、いずれかのルーチンにおけるこれらのパラメータの使用は、例によって与えられるからである。ディザリングにより与えられる振動は、カンチレバー２４の固有周波数よりもかなり小さいので、セグメント３６に供給されるディザリング電圧信号と、ディザリングによるプローブ・ティップ１８の動きとの間の位相角は、０に近い。さらに、ディザリング信号の周波数の小さい変化は、装置の利得、したがってディザリングによるティップ運動の振幅を変化させることを予測することはできない。この推論は、適切なしきい値との（ΔＡ）または（ΔＡ／ΔＺ）の比較により、同じ結果が得られ、（ΔＺ）の値は、定数として除去できることを示している。
【００７５】
ステップ２２６で判断されるように、振幅差（ΔＡ）が所定のしきい値よりも大きくないならば、ステップ２３２へ進む。このステップでは、ティップ振動の振幅（Ａ）と設定値との間の比較が行われる。この振幅（Ａ）が設定値より小さいと判定されると、励振セグメント３４を駆動する信号の振幅は、ステップ２３４において増大され、振動ティップ１８と試料表面２４との間の離間距離の減少による振動減衰の増大を克服する。ステップ２３４からステップ２３２に戻り、振幅（Ａ）が再び測定される。ルーチンのこの部分の背景の十分な説明は、図１４，図１４に関連して既に与えられている。
【００７６】
ステップ２３２で、振幅（Ａ）が設定値よりも小さくないと判定されると、ステップ２３６に進む。このステップでは、励振セグメント３４に供給される電圧信号とプローブ・ティップ１８の振動との間の位相角（φ）が、この位相角（φ）に対する所定のしきい値と比較される。この位相角が、しきい値より大きいと、ステップ２３８で、励振セグメント３４に供給される駆動電圧信号の周波数は、所定の増分値だけ減少する。これは、位相角（φ）の増大が、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の離間距離の低下に従って発生するカンチレバー１４の共振周波数の低下に起因すると仮定した場合である。ステップ２３８からステップ２３６に戻り、処理の前に位相角（φ）が再び測定される。ルーチンのこの部分の背景のより十分な説明は、図１０，図１１および図１２に関連して既に与えられている。
【００７７】
ステップ２３６で、位相角（φ）が、位相角のために確立されたしきい値よりも小さいと判定されると、プローブ・ティップ１８と試料表面２４との間の離間距離は、ステップ２４０において、遠距離圧電アクチュエータ３０を用いて、１ステップだけ減少される。このプロセスは繰り返され、ステップ２２６で、振幅差（ΔＡ）がしきい値レベルよりも大きいと判定されるまで、ステップ２４０で離間距離が減少され、ステップ２３０でルーチンから出る。
【００７８】
ステップ２３０でルーチンから出た後、装置は、走査モードで試料表面２４の検査を開始する準備ができている。走査モードでの動作は、ステップ２２８で保存された離間距離（Ｚ）と振動周波数（ω）とで好適に開始される。
【００７９】
本発明を、好適な形態の実施例で説明したが、以上の説明は一例であり、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、部品の組み合わせおよび配置を含む、構成，製造，使用の詳細において多くの変更を行うことができることがわかる。
【００８０】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）走査型力顕微鏡内のプローブ・ティップの動きを制御する方法であって、前記プローブ・ティップは、検査すべき試料の表面と、係合方向に係合するように動き、前記プローブ・ティップは、カンチレバーの遠端に取り付けられており、前記方法は、
ａ）前記カンチレバーの共振周波数よりもわずかに高い励振周波数で、および前記励振周波数よりもかなり低い重畳されたディザリング周波数で、前記係合方向と同じまたは反対方向に、前記プローブ・ティップを振動させるステップと、
ｂ）前記ディザリング周波数での前記プローブ・ティップの振動に応じた、前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅の変化を測定するステップと、
ｃ）前記振動の振幅の前記変化が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記プローブ・ティップを前記係合方向に動かすようにアクチュエータを駆動するステップと、
ｄ）前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動と、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号との間の位相差を周期的に測定するステップと、
ｅ）前記位相差が所定のしきい値レベルより大きいならば、前記励振周波数を減少させるステップと、
ｆ）振動の振幅の前記変化が、前記所定のしきい値レベルよりも大きいならば、前記係合方向における前記プローブ・ティップの運動を終了して、検査される前記試料の前記表面を測定するプロセスを開始するステップと、
を含む方法。
（２）前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅を周期的に測定するステップと、
振動の前記振幅が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号の振幅を増大させるステップと、
をさらに含む上記（１）記載の方法。
（３）前記ステップｂ）は、前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動と、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号との間の位相差を測定するステップをさらに含み、
前記方法は、前記位相差を所定のしきい値と比較し、前記位相差が前記所定のしきい値を越えるならば、前記励振周波数を減少させるステップをさらに含む、上記（１）記載の方法。
（４）前記ステップｂ）は、前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅を測定するステップをさらに含み、
前記方法は、前記振動の前記振幅を所定のしきい値と比較し、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号の振幅を増大させるステップをさらに含む、
上記（３）記載の方法。
（５）前記振動の振幅が０に近いかどうかを調べ、前記振動の振幅が０に近いならば、前記プローブ・ティップと前記試料表面との間の離間距離を増大させるステップをさらに含む上記（４）記載の方法。
（６）前記ステップｃ）において、前記プローブ・ティップは、振動の振幅の前記変化と、前記所定のしきい値レベルとの間の比の関数として決定された距離にわたって、前記係合方向に動かされ、前記関数は、振動の振幅の前記変化が前記所定のしきい値レベルに近づくにつれて、前記距離を減少させる上記（１）記載の方法。
（７）走査型力顕微鏡内のプローブ・ティップの動きを制御する方法であって、前記プローブ・ティップは、検査すべき試料の表面と、係合方向に係合するように動き、前記プローブ・ティップは、カンチレバーの遠端に取り付けられており、前記方法は、
前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動と、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号との間の位相差を周期的に測定するステップと、
前記位相差が所定のしきい値レベルより大きいならば、前記励振周波数を減少させるステップと、
を含む方法。
（８）前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅を周期的に測定するステップと、
振動の前記振幅が所定のしきい値レベルより小さいと、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号の振幅を増大させるステップと、
をさらに含む上記（７）記載の方法。
（９）走査型力顕微鏡内のプローブ・ティップの動きを制御する方法であって、前記プローブ・ティップは、検査すべき試料の表面と、係合方向に係合するように動き、前記プローブ・ティップは、カンチレバーの遠端に取り付けられており、前記方法は、
前記励振周波数での前記プローブ・ティップの振動の振幅を周期的に測定するステップと、
振動の前記振幅が所定のしきい値レベルより小さいならば、前記励振周波数で前記プローブ・ティップを振動させる信号の振幅を増大させるステップと、
を含む方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査型力顕微鏡において、ティップ振動の振幅を決定するのに用いられる従来の装置を示す図である。
【図２】（Ａ）は図１の装置への第１の入力を与える振動変位信号を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の変位信号を生成するカンチレバー運動を発生するために用いられる発振器信号を示す図であり、（Ｃ）は図１の装置からの出力信号を示す図である。
【図３】本発明の走査型力顕微鏡を示す図である。
【図４】図３の走査型力顕微鏡内の復調器のブロック図である。
【図５】（Ａ）は図４の復調器内のリミッタの出力信号を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の信号に対し９０゜の位相角の関係を有する信号を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）の信号と（Ｂ）の信号との乗算により得られる信号を示す図である。
【図６】（Ａ）は図４の復調器内のリミッタの出力信号を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の信号に対し９０゜より大きい位相角の関係を有する信号を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）の信号と（Ｂ）の信号との乗算により得られる信号を示す図である。
【図７】試料表面との係合の種々の状態下で、ティップ振動の振幅を、駆動周波数の関数として示す図である。
【図８】振動プローブ・ティップと試料表面との間の相互作用力の変化を示す図である。
【図９】振動プローブ・ティップを試料表面に係合させるときに、走査型力顕微鏡内の演算装置で実行されるルーチンのフローチャートを示す図である。
【図１０】試料表面との係合の変化による固有周波数の大きな変化が示されている点を除き、図７と同様の図である。
【図１１】カンチレバーを振動させる信号と図１０の振動ティップとの間の位相角を示す図である。
【図１２】カンチレバーの振動の駆動周波数を減少させて、プローブ・ティップが試料表面に係合されるときの位相角の変化を補正するために、演算装置で実行されるサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【図１３】振動プローブ・ティップの振幅を示す図であり、カンチレバーが駆動される振幅を増大させることによって、チップ振動振幅が補正される状態を示す。
【図１４】図１３に示される設定レベルにティップ振動の振幅を保持するために、演算装置で実行するサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【図１５】振動プローブ・ティップが試料表面と係合されるときに、演算装置で実行されるルーチンのフローチャートを示す図であり、ルーチンを経るときにいくつかのパラメータがチェックされ必要に応じて補正が行われる。
【符号の説明】
１２  バイモル圧電アクチュエータ
１４  カンチレバー
１６  基端
１８  プローブ・ティップ
２０  遠端
２４  試料表面
３０  アクチュエータ
３２  Ｚ方向駆動モータ
３４  励振セグメント
３６  ディザリング・セグメント
３８  演算装置
４０  ドライバ回路
４２  レーザ検出器
４４  復調器
４６  比較回路
４７  アナログ−デジタル変換器
５９  モータドライブ回路
６１  ディザリング・セグメントを動作するドライバ
６８  デジタル−アナログ変換器
７０  積分器
７２  アナログ−デジタル変換器
７８  横方向運動アクチュエータ
８０  横方向運動ドライバ
【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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