CN1624452A - 扫描探针显微镜及扫描方法 - Google Patents

Abstract

公开了扫描探针显微镜和扫描方法，其能减小或避免因探针尖与样品碰撞而造成的损害，缩短测量时间，提高生产力和测量精确度，不受粘附水层的影响收集样品表面的观测数据，如形貌数据。显微镜具有振动探针尖的振动单元、探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据的观测单元、探针尖与样品表面接近或接触时检测探针尖振动状态变化的检测单元和控制探针尖在平行于样品表面的X和Y方向上及在垂直于样品表面的Z方向上移动的控制单元。在收集观测数据以后，控制单元在平行于样品表面的方向上扫描探针尖，直到达到在X或Y方向上的下一观测位置。在扫描中，若检测到探针尖振动状态变化，控制单元就在Z方向上远离样品表面移动探针尖。

Description

扫描探针显微镜及扫描方法

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜及扫描方法，其在振动探针尖的同时通过扫描样品表面上的探针尖而获得所述表面特性的信息，例如样品的表面形貌。

背景技术

如本领域中熟知的，扫描探针显微镜如原子力显微镜和扫描隧道显微镜作为一种已知的测量仪器，用于测量例如显微镜区域内的电子材料的样品以及成像所述样品的表面形貌或测量表面特性信息。不同的仪器都被提供作为这种类型的扫描探针显微镜。一个公知的仪器是超低力原子力显微镜(AFM)，其用于在振动垂直于样片表面的探针尖的同时通过扫描平行于样品表面的探针尖而检测样品表面形貌(例如，见专利参考文献1)。

这种超低力AFM装配有探针，所述探针设置在杠杆臂的前端。可以平行于样品表面扫描该探针。而且，可以以其共振频率或接近其共振频率振动所述探针尖。

在该超低力AFM中，当测量所述样品的表面形貌时，在通过上面所述振动的探针反复地轻触所述样品表面的同时执行扫描。因此，所述探针尖的振幅相应于所述被轻触的样品表面的形貌(如粗糙度)变化。所述超低力AFM通过测量振幅变化来测量所述样品的表面形貌。

所述探针尖的振幅被设定为充分大的值(例如，100到200nm)，以阻止所述探针尖由于下述原因而粘附到样品表面上。

在大气条件下，由于空气中的湿气，薄液体层即粘附水层存在于物质的表面上。就是说，如图10中所示，粘附水层还存在于样品表面上。因此，当所述探针尖与所述样品接近或接触时，由于作用于探针尖和样品之间的力，如范德瓦尔斯力的影响，所述振幅逐渐减小而画出由图11中C1所表示的平滑曲线。另一方面，当所述探针尖从所述样品离开时，所述探针尖被所述粘附水层的表面张力俘获并被拖拉。因此，所述探针尖画出了不同于曲线C1的不规则曲线C2。由于这个原因，用小振幅很难从所述粘附水层分离所述探针尖。所述探针尖以如前面提到的大振幅振动，以解决这个问题。

而且，当通过所述超低力AFM测量深形貌的样品时，如前面起到的，必须将所述振幅设大(超过100nm)，以使所述探针尖可以容易地追踪所述形貌(例如，见非专利参考文献1)，这是公知的。

另外，在所述样片形貌具有陡坡的地方，如果轻触所述陡坡的力增大，则在陡坡上产生的滑动增加(例如，见非专利参考文献2)。还有，从陡坡遭受的侧力使所述探针和悬臂(杠杆臂)的弯曲增加。

在另一个公知的扫描探针显微镜中，当平行于样品表面扫描所述探针尖时，所述探针尖与样品表面保持一个距离，该距离比测量样品物理特性所必需的距离充分的大(例如，见专利参考文献2)。

该扫描探针显微镜配置有Z压电元件，用于垂直所述样品表面移动所述探针，所述探针能平行于所述样品表面扫描。通过给其施加电压，所述Z压电元件被伸长或收缩。从而，可以调整所述探针与样品表面之间的距离(或高度)。通常，当所述探针尖在离所述样品表面充分远的位置时，如前面提到的，所述Z压电元件收缩。该位置设为初始状态。

在该扫描探针显微镜中，在测量样品表面形貌的情形下，扫描所述探针尖。当所述探针尖到达测量点时，扫描停止，同时，给Z压电元件施加电压。从而，所述Z压电元件伸长，以使所述探针尖向着样品表面移动。当所述探针尖接近所述样品表面并进入隧道(tunnel)区域时，隧道电流在所述探针尖和样品之间流动。所述显微镜测量所述电流。测量之后，施加给所述Z压电元件的电压设为0V。然后所述Z压电元件收缩回其初始状态。就是说，所述探针尖在一个位置，该位置离所述样品比提供测量所必需的距离的位置充分远。返回到初始位置后，再一次扫描所述探针尖。然后，所述显微镜重复到此为止的所述步骤。所述扫描探针显微镜通过在每个测量位置测量所述隧道电流而测量所述样品的表面形貌。

专利参考文献1：日本专利号2732771(0015-0037段；图1-11)

专利参考文献2：日本专利号2936545(第2页左栏倒数第16行至右栏第5行)

非专利参考文献1：B.Anczykowski等人，《How to measure energydissipation in dynamic mode atomic force microscopy(如何测量动态模式原子力显微方法中的能量消耗)》，Appl.Surf.Sci.，140(1990)，376(379页16-26行)

非专利参考文献2：T.Morimoto等人，《Atomic Force Microscopy for HighAspect Ratio Structure Metrology(用于高纵横比结构计量的原子力显微方法)》，Jpn.J.Appl.Phys.，卷41(2002)4238(4240页，左栏9-17行及图8)

在上面引用的专利参考文献1的超低力AFM中，在反复轻触样品表面同时以大振幅执行扫描，以使所述探针在样品表面上的粘附水层中不被俘获。然而在这时，如在非专利参考文献1中所述的，通过探针的方式轻触所述样品表面而产生的能量消耗与振幅的平方成比例。因此，如果振幅增加，则就存在所述探针与样品之间发生碰撞，产生损害的危险。

此外，如非专利参考文献2中所述的，如果轻触陡坡的力增加，则发生在陡坡上的滑动增加。另外，由于从陡坡遭受侧力，所述探针和悬臂的弯曲会增加。因此，很难精确地测量陡坡的形貌。

为了消除该问题，如果减小所述探针的振幅，所述探针就会粘附到所述样品表面。就是说，所述探针被俘获在所述粘附水层中。这就导致了不能精确测量的问题。

此外，如果增加扫描速度，所述探针就不能跟随所述样品表面的形貌，因此很难精确进行测量。因此，在扫描速度上具有局限性。这使生产力变差。另外，进行测量花费了很长的时间。尤其在扫描区域增加的地方，测量时间增加。

另外，在控制所述探针与样品之间距离中用作参数的伺服增益增加的地方，发生搜索摆动(hunting oscillation)，使执行精确测量变得困难。

在上面引用的专利参考文献2中描述的扫描探针显微镜中，当扫描所述探针尖时，施加到Z压电元件的电压设为0V。在所述探针尖返回到其初始位置后，例如所述探针尖放置在离所述样品表面充分远，执行扫描。因此，所述探针尖在探针尖与样品表面之间来回必须移动很长的距离。因此，进行移动花费了很长的时间。因而执行测量花费了很长的时间。这就产生了生产力恶化的缺点。尤其，因为不管所述表面的形貌，所述探针都被如此设置以致其总是返回到相同的位置(初始位置)，所以依照所述样品表面的形貌，其花费了较长的时间。结果，其也花费了较长的时间来执行测量，生产力恶化。

发明内容

考虑到前述的情况，进行了本发明。本发明的一个目的是提供一种扫描探针显微镜和扫描方法，其能减小或避免由于探针和样品之间的碰撞造成的损害，缩短测量时间，提高生产力，提高测量精确度，且不受粘附水层的影响收集关于样品表面的观测数据，例如形貌数据。

依照本发明的扫描探针显微镜达到了前述的目的，其具有探针尖，所述探针尖相对于样品表面能平行于样品表面在X和Y方向上扫描，并能垂直于样品表面在Z方向上移动。所述扫描探针显微镜进一步包括：以与所述探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率振动所述探针尖的振动单元；当所述探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据的观测单元；当所述探针尖与样品表面接近或接触时检测所述探针尖振动状态变化的检测单元；和在X和Y方向上控制扫描和Z方向上移动的控制单元。在收集所述观测数据以后并直到达到在X或Y方向上的下一个观测位置为止，所述控制单元在平行于样品表面的方向上扫描所述探针尖。当在扫描过程中检测到所述探针尖振动状态的变化时，控制单元在Z方向上远离样品表面移动所述探针尖。

依照本发明的一种扫描方法，其通过具有探针尖的扫描探针显微镜执行，所述探针尖相对于样品表面能在X和Y方向上平行于样品表面扫描，并能在Z方向上垂直于样品表面移动。所述探针尖以与探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率振动。当所述探针尖与样品表面接近或接触时，收集观测数据。所述方法从在X或Y方向上扫描所述探针尖开始。当在扫描过程中所述探针尖到达观测位置时，停止所述探针尖的扫描。同时，在Z方向上向着样品表面移动所述探针尖。在移动过程中，如果检测到所述探针尖振动状态的变化，就停止移动并收集观测数据。当在扫描过程中检测到所述探针尖振动状态的变化时，在远离样品表面Z方向上移动所述探针尖。

在依照本发明的扫描探针显微镜和扫描方法中，在通过振动单元振动所述探针尖时执行扫描和观测数据的收集。就是说，执行下列操作。

当探针尖从Z方向上的观测位置向着样品表面移动，且探针尖被带到与样品表面接近或接触时，一个力(例如范德瓦尔斯力或由于接触产生的斥力)作用于探针尖与样品之间。该力改变了探针尖的振动状态。当检测单元检测到该变化时，控制单元停止探针尖。同时，观测单元收集观测数据。在该观测步骤之后，控制单元执行扫描步骤。就是说，在平行于样品表面的X和Y方向上扫描探针尖。

在该扫描步骤中，例如，如果探针尖与样品表面的突出区域接近，则检测单元检测到探针尖振动状态的变化，例如由于作用在探针尖和样品之间的范德瓦尔斯力造成的振幅衰减。与之相应，控制单元在Z方向上远离样品表面移动探针尖。这样，在阻止与突出区域相互作用的同时扫描探针尖。这时，控制单元在Z方向上中断扫描，并在Z方向上移动探针尖。然后，重复扫描。因此，更加确定性地避免了与突出区域的接触。

作为该扫描的结果，当探针尖到达下一个观测位置时，控制单元停止扫描，并在Z方向上向着样品表面移动探针尖。观测单元再次执行观测步骤，从而收集下一个观测数据。

如上所述，在扫描过程中，随时通过检测单元检测探针尖振动状态的变化，控制单元在Z方向上远离样品表面移动探针尖，并再次执行扫描。就是说，以这样的方式扫描探针尖，即检测到振动状态的变化时，随时拔起探针尖一个小的距离。这样，即使在探针尖的扫描路径上，样品表面上存在突出区域，也可以在避开突出区域的同时，沿突出区域的轮廓用最短的路径尽可能如实地执行扫描。因此，缩短了扫描时间。就是说，缩短了测量时间。提高了生产力。

在观测步骤中，探针尖被带到接近振动状态变化的位置，例如与样品表面接近或接触的位置。因此，即使样品表面很不平坦，也能保证探针尖被带到接近收集观测数据的位置。因此尽管样品表面不平坦的尺寸，也可以收集观测数据，如精确的形貌数据。因此，可以提高测量精确度。特别地，探针尖与样品之间的相互作用在每个观测位置很小，且在每个观测位置均匀。因此，即使探针尖的振幅相当小，也能精确追踪大的形貌。就是说，甚至用相当小的振幅也可以精确测量大的形貌。

此外，在观测步骤中，如前面所述，探针尖振幅被设的很小(例如，20nm以下)。因此，减小了由作用于探针尖和样品之间的力而产生的能量消耗。因此，由于探针尖和样品之间的碰撞而造成的损害被减小或避免。另外，甚至在形貌很大的地方，从陡坡作用在探针尖上的侧力也可以被减小。结果，可以更加精确地测量陡坡的形貌。

依照本发明进一步的扫描探针显微镜是以已经描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，在扫描过程中当探针的振动状态变化超过了预定阈值时，检测单元检测探针尖振动状态的变化。与检测相应，控制单元在Z方向上移动探针尖，直到不超过阈值为止。

在依照本发明的扫描探针显微镜中，在扫描步骤中，如果探针尖与样品上的突出区域接近或接触时，作用在探针尖和样品之间的力，如范德瓦尔斯力改变了探针尖的振动状态(例如，振幅衰减)。然后，检测单元将探针尖振动状态的变化与预定的阈值相比。当超过阈值时，就判定探针尖与样品表面接近或接触。与之相应，控制单元拔起探针尖，直到不超过阈值为止，例如探针尖既不与样品表面接近也不与样品表面接触。

特别地，控制单元仅仅当探针尖的振动状态超过阈值时通过反馈控制拔起探针尖。因此，不必执行连续的反馈操作。由此，减小了连续的搜索摆动。

依照本发明进一步的扫描探针显微镜是以已经描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，在收集观测数据之后控制单元扫描探针尖，并在Z方向上远离样品表面移动探针尖。

依照本发明另一个的扫描探针显微镜是以已经描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，在观测步骤之后，执行在Z方向上远离样品表面移动探针尖的分离步骤。

在依照本发明的扫描探针显微镜和扫描方法中，在观测步骤中与样品表面接近或接触的探针尖一次远离样品表面被移动后，控制单元扫描探针尖。就是说，控制单元通过该分离步骤增加了探针尖与样品表面之间的距离。然后，执行扫描步骤。其保证了探针尖与样品表面之间的距离。从而，由于探针尖与样品表面之间的碰撞而造成的损害的可能性被进一步减小。因此，提高了安全性。

依照本发明进一步的扫描探针显微镜是以前面描述过的本发明的扫描探针显微镜的任意一个为基础的，进一步特征在于，振动状态的变化是探针尖振幅的衰减度、探针尖振动相位的变化度和探针尖振动频率的变化度中的至少一个。

在依照本发明的扫描探针显微镜的另外的特征中，检测单元通过计算探针尖振幅的衰减度、探针尖振动相位的变化度和探针尖振动频率的变化度中的至少一个很容易地检测与样品表面的接近或接触。

依照本发明其它的扫描探针显微镜是以已经描述过的本发明的扫描探针显微镜的任意一个为基础的，进一步特征在于，在扫描过程中，当探针尖已经到达在X或Y方向上的下一个观测位置时，控制单元停止探针尖的扫描，并在Z方向上远离样品表面一次移动探针尖一个给定的距离。然后，控制单元将探针尖与样品表面接近或接触，并收集观测数据。

依照本发明其它的扫描方法是以已经描述过的本发明的扫描方法为基础的，进一步特征在于，在观测步骤中停止探针尖的扫描。然后，在Z方向上远离样品表面一次移动探针尖一个给定的距离。然后，在Z方向上向着样品表面移动探针尖。

在依照本发明的该扫描探针显微镜和扫描方法中，在观测步骤中，探针尖从扫描过程中假定的高度被一次拔起一个预定的距离，然后被带到与样品表面接近或接触。然后，收集观测数据。因此，即使探针尖在扫描结束时被样品的形貌俘获在粘附水中，探针尖也能在测量之前可靠地被放置在探针尖从粘附水层脱离的位置。然后，从所述位置在Z方向上向着样品移动探针尖，并收集观测数据，所述位置即探针尖不受粘附水层影响的地方。就是说，没有被俘获在粘附水层中(例如振动没有受粘附水层减弱影响的情形)的探针尖向着样品移动。因此，可以更加精确地收集观测数据。从而提高了测量的可靠性。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以已经描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，当探针尖被带到与样品表面接近或接触，并收集观测数据时，振动单元将探针尖的振幅设置的比在扫描过程中采取的探针尖的振幅小。

依照本发明进一步的扫描方法是以前面描述过的本发明的扫描方法为基础的，进一步特征在于，在观测步骤中，在检测到探针尖振动状态的变化之后，在Z方向上远离样品表面一次移动探针尖一个给定的距离。执行振幅变化步骤，即探针尖的振幅被处理的比扫描步骤中的小。在振幅变化步骤之后，在Z方向上向着样品表面移动探针尖。

在依照本发明的扫描探针显微镜和扫描方法中，在观测步骤中，探针尖的振幅被振幅变化步骤减小，并执行测量。就是说，在扫描步骤中，用比在观测步骤中大的振幅执行扫描。因此，伺服系统反应迅速。在检测到探针尖振动状态变化的瞬间与探针尖被拔起的瞬间之间的时间段中，可以阻止探针尖与样品表面之间的碰撞；否则，它们会被损害。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以前面描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，基于探针尖的种类、样品的种类、测量时样品表面和探针尖周围测量环境的温度和测量环境的湿度中的至少一种确定所述给定距离。

在依照本发明的扫描探针显微镜中，探针尖被一次拔起给定的距离，所述给定距离是基于下面至少一个而确定的：探针尖的种类，样品的种类，测量环境的温度，和测量环境的湿度。因此，即使样品表面上的粘附水层的厚度通过前述的条件而改变，在测量之前也能保证探针尖被拔起到探针尖不受粘附水层影响的位置。因此，可以进一步提高观测数据的可靠性。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以已经描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，给定距离大于1nm。

在依照本发明的扫描探针显微镜中，在测量环境的温度或湿度很低的情况下，保证探针尖被拔起到探针尖不受粘附水层影响的位置。而且，不需要任何拔起探针尖的额外时间。因此缩短了测量时间。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以前面描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于给定距离大于10nm。

在依照本发明的扫描探针显微镜中，保证探针尖被拔起到探针尖不受粘附水层影响的位置，甚至在湿度为99％的极端情况下。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以前面描述过的本发明的扫描探针显微镜的任意一个为基础的，进一步特征在于，观测单元同时收集不同种类的观测数据。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以前面描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，观测数据包含两种数据。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以前面描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，观测数据包含三种或更多种数据。

在依照本发明的扫描探针显微镜中，当探针尖与样品表面接近或接触时，观测单元同时收集不同种类的观测数据。因此可以有效地收集期望的各种观测数据。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以上面描述过的本发明的扫描探针显微镜的任意一个为基础的，进一步特征在于，在观测位置，观测单元将探针尖放置在Z方向上离样品表面给定距离的位置。在该位置观测单元再次收集观测数据。

依照本发明另外的扫描方法是以上面描述过的本发明的扫描方法的任意一个为基础的，进一步特征在于，在观测步骤中，当探针尖位于在Z方向上离样品表面给定距离的位置时，再次收集观测数据。

在依照本发明的扫描探针显微镜和扫描方法中，在观测步骤中，当探针尖位于在Z方向上离样品表面给定距离的位置时，观测单元再次收集观测数据。就是说，观测单元除了收集当探针尖与样品表面彼此接近或接触时产生的观测数据以外，还可以在上述位置收集观测数据。这时，观测单元在减小形貌影响的同时可以获得样品表面的物理特性信息的三维分布(例如磁荷分布的三维图象)。可以执行更多方面的观测数据的收集。

依照本发明另外的扫描探针显微镜是以上面描述过的本发明的扫描探针显微镜为基础的，进一步特征在于，当观测单元再次收集观测数据时，被收集的观测数据和当探针尖与样品表面接近或接触时获得的观测数据是相同种类的或不同种类的。

在依照本发明的扫描探针显微镜中，当探针尖与样品表面接近或接触时，收集第一种观测数据。当探针尖在Z方向上离样品表面给定距离时，收集第二种观测数据。第一和第二种观测数据可以相同或不同。因此，可以收集更多有效的观测数据。

依照本发明的扫描探针显微镜和扫描方法，在扫描步骤中，在检测单元检测到探针尖振动状态变化的任何时刻，控制单元将探针尖拔起一个小的距离。这样，执行扫描。因此，即使在探针尖扫描路径上的样品表面上存在突出区域，也能在避开突出区域的同时，沿突出区域的轮廓以最短的路径尽可能如实地执行扫描。因此可以缩短扫描时间。就是说，可以缩短测量时间。提高了生产力。

在观测步骤中，探针尖被带到接近振动状态变化的位置，例如探针尖被带到与样品表面接近或接触。因此，即使样品的形貌很大，也能保证探针尖被带到收集观测数据的位置。因此，尽管样品表面不平坦的尺寸，也可以收集观测数据，例如精确的形貌数据。提高了测量精确度。特别地，探针尖与样品之间的相互作用在每个观测位置很小，且在单个观测位置中相同。因此，即使探针尖的振幅相当小，也能精确追踪大的形貌。就是说，甚至用相当小的振幅也可以精确测量大的形貌。

此外，在该观测步骤中，如前面所述，探针尖振幅被设的很小(例如，20nm以下)。因此，减小了由作用于探针尖和样品之间的力而产生的能量消耗。因此，由于探针尖和样品之间的碰撞而造成的损害被减小或避免。另外，甚至在形貌很大的地方，从陡坡作用在探针尖上的侧力也可以被减小。结果，可以更加精确地测量陡坡的形貌。

附图说明

图1是依照本发明第一个实施方案，扫描探针显微镜的方框图。

图2是显示探针尖扫描轨迹的图，其图解了本发明的扫描方法。

图3是振动波形图，其图解了图1中示出的扫描探针显微镜探针尖的振幅的衰减度，显示了扫描步骤中的振动波形。

图4是振动波形图，其图解了图1中示出的扫描探针显微镜探针尖的振幅的衰减度，显示了当一个力，如范德瓦尔斯力作用于探针尖与样品之间时的振动波形。

图5是显示在包含扫描步骤、观测步骤、分离步骤和第二扫描步骤的序列的过程中，图1中示出的扫描探针显微镜探针尖的振幅与离样品表面的高度之间的关系的图。

图6是显示在包含扫描步骤、观测步骤、分离步骤和第二扫描步骤的序列的过程中，依照本发明第二实施方案的扫描探针显微镜探针尖的振幅与离样品表面的高度之间的关系的图。

图7是振动波形图，其图解了依照本发明第三实施方案的扫描探针显微镜探针尖的振幅的衰减度，显示了扫描步骤中的振动波形。

图8是显示在包含扫描步骤、观测步骤、分离步骤和第二扫描步骤的序列的过程中，依照本发明第三实施方案的扫描探针显微镜探针尖的振幅与离样品表面的高度之间的关系的图。

图9是图解依照本发明扫描探针显微镜的观测步骤的另一个例子的图，描述了探针尖与样品表面之间的距离关系。

图10是显示粘附水层存在于样品表面上方式的图。

图11是显示探针尖振幅与到样品的距离之间的关系的曲线图，其中曲线C1显示了当向着样品移动探针尖时振幅的变化，曲线C2显示了当探针尖被俘获在粘附水层中并从样品分离时振幅的变化。

具体实施方式

在下文中将参照图1到5描述依照本发明的扫描探针显微镜的第一个实施方案。

依照本发明的扫描探针显微镜一般用图1中的参考标记1表示，并具有探针尖2，所述探针尖能相对于样品表面A在平行于样品P的表面(以后称作样品表面A)的X和Y方向上扫描，并能在垂直于样品表面A的Z方向上移动，用于以与所述探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率振动所述探针尖2的振动单元3，用于当所述探针尖2与所述样品表面A接近或接触时收集观测数据的观测单元4，用于检测当所述探针尖2与样品表面A接近或接触时探针尖2振动状态变化的检测单元5，用于控制在X和Y方向上的所述探针尖2的扫描和在Z方向上移动的控制单元6。

所述样品P放置在样品台10的上表面上。在其一端具有所述探针尖2的悬臂11装配在样品P之上，所述探针尖2与样品P相对定位。振动元件12固定在所述悬臂11的另一端。所述振动元件12具有一个功能，即使用来自振动电压电源13的振动电压使所述悬臂11共振或受迫振动的功能。就是说，所述振动元件12和振动电压电源13一起形成了上述的振动单元3。所述振动元件12的振动频率例如为100kHz。所述振动元件12以该振动频率振动所述探针尖2。

在所述振动元件12一侧上的所述悬臂11的一端被固定装配到三维(3D)激励器14，所述激励器能在平行于样品表面A的X和Y方向上和垂直于样品表面A的Z方向移动。这样，所述探针尖2能通过所述3D激励器14和悬臂11相对于样品表面A在上述方向上移动。

与振幅衰减检测器部分16相连的悬臂位移检测器15和用于向所述悬臂11的后表面发射激光L的激光发生器17设置在所述3D激励器14中。所述检测器15可以由例如光电探测器构成，并具有接收由所述悬臂11的后表面反射的激光L，测量激光L的入射部分，以及检测所述悬臂11的位移量的功能。特别地，在所述悬臂11的后表面处导引的来自所述激光发生器17的激光L的反射方向根据所述悬臂11的振动状态而变化，因此在所述悬臂位移检测器15上的激光L的入射部分变化。所述位移检测器15将与入射部分相应的悬臂11的位移量作为振动波形输出到所述振幅衰减检测器部分16。

所述振幅衰减检测器部分16具有计算所述悬臂11的位移量的功能，所述量来自所述悬臂位移检测器15。就是说，所述检测器部分16具有依照所述振动波形计算所述探针尖2的振幅和振幅衰减度的功能。这时，当所述探针尖2振幅的变化超过预先设定的阈值时，所述检测器部分16通知所述控制部分20该情况。实际衰减量或衰减率可以作为振幅衰减度。就是说，所述悬臂位移检测器15、振幅衰减检测器部分16以及激光发生器17一起形成了上述的检测单元5。

用于驱动所述3D激励器14以在X和Y方向上扫描所述探针尖的XY驱动器部分18和Z驱动器部分19与所述3D激励器14相连。所述XY驱动器部分18和Z驱动器部分19受到与所述振幅衰减检测器部分16相连的所述控制部分20的全面控制。根据由所述振幅衰减检测器部分16检测到的所述探针尖2振幅的衰减度，所述控制部分20还控制所述Z驱动器部分19。就是说，所述3D激励器14、XY驱动器部分18、Z驱动器部分19以及控制部分20一起组成了所述控制单元6。

所述XY驱动器部分18和Z驱动器部分19与图象数据产生部分21相连。所述图象数据产生部分21根据所述XY驱动器部分18和Z驱动器部分19的驱动数据检测所述探针尖2的位置，并收集所述位置数据作为观测数据。所述观测数据显示在监视器元件等的显示部分22上。就是说，所述图形数据产生部分21和显示部分22一起形成了所述观测单元4。

所述控制部分20被预设为控制所述XY驱动器部分18和Z驱动器部分19，以及收集观测数据。然后，所述控制部分20在Z方向上远离所述样品表面A移动所述探针尖2，并在平行于样品表面A的方向上扫描探针尖2，直到到达X或Y方向上的下一个观测位置。当在扫描过程中检测到所述探针尖2振动状态的变化时，扫描立即停止。所述探针尖2在Z方向上远离样品表面A移动。然后，重新开始扫描。

就是说，当所述控制部分20收到所述振幅衰减检测器部分16的通知，即所述探针尖2振幅的变化已经超过了探针尖2的预定阈值时，探针尖2被拔起，直到所述振幅的变化不超过所述阈值的状态。所述控制部分20的操作将在后面详细描述。

通过所述扫描探针显微镜1穿过所述样品表面A而扫描所述探针尖2的情况如上述构成，收集样品P的观测数据，以及产生样品P的形貌图象在下面描述。

首先，从图1中示出的所述振动电压电源13供应给所述振动元件12振动电压，以使所述探针尖2以所述振动频率振动。在这种情况下，所述控制部分20操纵XY驱动器部分18，以在X和Y方向上扫描所述3D激励器。就是说，在振动探针尖2的同时，在样品P整个表面上扫描所述探针尖2，如由图2中示出的XY轨迹XY1所表示的。在所述扫描步骤中，探针尖2以20nm或更小的小振幅B振动，如由图3中示出的振动波形W1所表示的。

在扫描步骤中，当所述探针尖2到达预设的观测位置30上面的位置时，所述控制部分20立即停止XY驱动器部分18的操作。如图2和5中所示的，所述控制部分20控制所述Z驱动器部分19，以向下移动所述3D激励器14。就是说，在Z方向上向着样品表面A移动所述探针尖2。

如果所述探针尖2通过所述向下移动与样品表面A接近或接触，那么力(例如范德瓦尔斯力或由于接触产生的斥力)就作用于探针尖2与样品P之间。因而，所述探针尖2的振幅B衰减到图4示出的振幅W2及图5示出的振幅B’。所述振幅衰减检测器部分16从悬臂11位移的量计算所述探针尖2的振幅，所述量从悬臂位移检测器15发送来。当所述振幅变化超过预设的阈值时，所述检测器部分就判定所述探针尖2振动的状态已经变化(例如，振动衰减度已经变化)，并通知所述控制部分20该情况。

从所述振幅衰减检测器部分16收到探针尖2的衰减度已经变化的通知的所述控制部分20控制所述Z驱动器部分19，并停止在Z方向上3D激励器14的移动。从而，在一个大负荷施加给所述样品P之前，所述探针尖2与样品P之间的接近动作停止。因此阻止探针尖2与样品P过多地被负荷。当探针尖2的移动已经停止时，所述图象数据产生部分21收集在观测部分30处的观测数据，例如在Z方向上的位置数据。

在所述观测步骤结束以后，所述控制部分20控制所述Z驱动器部分19，并在Z方向上远离所述样品P10nm的距离以上，例如，如图5所示的，移动所述探针尖2。该10nm的拔起动作保证探针尖2能从粘附水层被拔起，即使所述探针尖2被俘获在观测步骤中存在于样品P的表面上的粘附水层中。

在上述的分离步骤中，所述探针尖2被拔起10nm的距离。该距离并不限定在10nm。

在所述分离步骤之后，控制部分20停止Z驱动器部分19，并控制XY驱动器部分18，以用探针尖2再次扫描样品P，如由图2中示出的XY轨迹XY1所表示的。因为所述分离步骤，探针尖2的振幅已经回到图3的振动波形W1和图5中示出的初始振幅B。这时，如前面所述的，探针尖2已经通过所述分离步骤从粘附水层脱离，因此可以不受粘附水层的影响执行扫描。因此扫描步骤中探针尖2的振幅B可以被设为20nm或更小的小振幅，如前面所述的。

在该扫描步骤中，在所述探针尖2接近如图2所示的样品表面A上的突出区域的情况下，力(例如范德瓦尔斯力)以与前述观测步骤中相同的方式作用于样品P与探针尖2之间。所述振幅衰减检测器部分16将探针尖2的振幅衰减度与所述阈值相比，从而检测所述度。所述检测器部分16通知控制部分20该衰减度。与所述衰减度相应，控制部分20停止XY驱动器部分18，并立刻停止扫描。控制部分20操作Z驱动器部分19，以在Z方向上远离样品表面A移动所述探针尖2，直到认为不超过所述衰减检测器部分16的阈值的状态为止。在Z方向上移动之后，控制部分20停止Z驱动器部分19，并驱动XY驱动器部分18，以再次扫描探针尖2。

这样，在扫描步骤中，在所述样品P在扫描路径上具有突出区域的地方，在反复执行包括中断扫描、拔起、恢复扫描的操作序列的同时，控制部分20控制XY驱动器部分18和Z驱动器部分19，以扫描探针尖2，直到下一个观测位置30。此外，当探针尖2接近突出区域时，也拔起探针尖2。因此，不必考虑粘附水层的影响。小振幅B就足够了。

当所述探针尖2到达图2中所示的下一个观测位置30时，完成上述的观测步骤。所述图象数据产生部分21收集观测位置在Z方向上的位置数据。就是说，前述扫描步骤、观测步骤以及分离步骤依次被重复，以收集每一个观测位置30处的位置数据。通过如此收集位置数据，就能获得样品P的表面的形貌图象。而且，被收集的位置数据可以显示在所述显示部分22上。

根据上述的扫描探针显微镜1和扫描方法，在扫描步骤中，控制部分20执行扫描，同时拔起所述探针尖2，直到振动状态的变化不超过所述预设的阈值为止，随时通过振幅衰减检测器部分16检测探针尖2振动状态的变化。从而，即使样品表面A在探针尖2的扫描路径上具有突出区域，也能在避开所述突出区域的同时，沿着所述突出区域的轮廓用最短的路径尽可能如实地执行扫描。因此，可以缩短扫描时间，例如缩短测量时间。可以提高生产力。

当所述探针尖2接近样品表面A上的突出区域时，控制部分20拔起所述探针尖2。因此，即使探针尖2被俘获在样品表面A上的粘附水层中，探针尖2也能通过所述拔起操作而脱离所述粘附水层。结果，不必考虑粘附水层的影响。探针尖2的振幅可以被减小到最小。

在所述观测步骤中，所述探针尖2被带到接近振动状态变化的位置，例如，探针尖2被带到与样品表面A接近或接触。因此，即使样品P的表面的不平坦很大，也能保证探针尖2被带到接近收集位置数据的位置。因此，不考虑样品P的表面的不平坦尺寸，可以收集精确的观测数据，例如形貌数据。可以提高测量精确度。特别地，在每个观测位置30处，探针尖2与样品P之间的相互作用很小，并且在观测位置中均匀。因此，即使探针尖2的振幅相当小，也可以精确追踪大形貌。就是说，即使用相当小的振幅也可以测量大的形貌。

而且，在该观测步骤中，如上所述，探针尖2的振幅可以设的很小。因此，可以减小由探针尖2与样品P之间力的作用而导致的能量消耗。由于探针尖2与样品P之间的碰撞而产生的损害可以被减小或避免。另外，甚至在形貌大的地方，从陡坡作用在探针尖2和悬臂11上的侧力可以被减小。因此可以精确地测量陡坡的形貌。

在所述扫描步骤中，仅仅当探针尖2的振动状态已经超过了所述阈值时，控制部分20才通过前述的反馈控制拔起所述探针尖2。因此不必提供连续的反馈控制。因此，可以减小连续的搜索摆动。

而且，因为在通过所述分离步骤分离探针尖2和样品表面A之后控制部分20执行扫描步骤，所以在保证探针尖2与样品表面A之间的距离确定的同时，可以执行所述扫描。因此由于探针尖2和样品表面A之间的碰撞产生损害的可能性进一步减小。可以提高安全性。

接下来参照图6描述本发明的第二实施方案。在这个和第一实施方案中，相同的部件用相同的参考标记表示，它们的描述被省略掉。

第二和第一实施方案的不同如下。在第一实施方案中，在所述观测步骤中，控制单元6停止所述探针尖2的扫描后，紧接着所述控制单元6向着样品P移动所述探针尖。相反，在依照第二实施方案的扫描探针显微镜中，控制单元6一次拔起所述探针尖2之后，控制单元6向着样品P移动所述探针尖。

特别地，本实施方案的扫描探针显微镜被如此预设，即在观测步骤中，控制部分20控制Z驱动器部分19在Z方向上远离样品表面A一次移动所述探针尖2给定距离以上，如10nm。然后，向着样品表面A移动探针尖2。

以这样方式构造的扫描探针显微镜，当所述探针2被扫描步骤扫描并移动到所述观测位置30中时，控制部分20停止XY驱动器部分18，并驱动Z驱动器部分19，以从图6中所示的扫描过程中假定的高度一次将所述探针尖2拔起10nm的距离以上。

这样，当探针尖2到达观测位置30时，即使由于样品P上突出区域的形状而使探针尖2被俘获在粘附水层中，探针尖2也能在测量之前可靠地从所述水层脱离，因为探针尖从那个位置被拔起10nm的距离。在探针尖2不受粘附水层影响的位置中的探针尖2向着样品P移动，收集观测数据。就是说，没有被俘获在粘附水层中的探针尖(例如，由于粘附水层的影响而没有遭受振动衰减)向着样品P移动。因此，可以更精确地执行观测数据的收集。因此，提高了测量可靠性。

接下来参照图7和8描述本发明的第三实施方案。在这个和第一实施方案中，相同的部件用相同的参考标记表示，因此它们的描述被省略。

第三和第一实施方案的区别如下。在第一实施方案中，所述振动单元3总是以振幅B振动所述悬臂11。在所述观测步骤中，控制单元6停止所述探针尖2的扫描，并立即向着样品P移动探针尖2。相反，在依照第三实施方案的扫描探针显微镜中，当探针尖2被带到与样品表面A接近或接触，并收集观测数据时，振动单元3将振幅设得比扫描步骤中使用的探针尖2的振幅小。而且，在所述观测步骤中，如果探针尖2振动状态的变化被振幅衰减检测器部分16所检测到，则控制单元6就会将探针尖2一次拔起，然后将其向着样品P移动。

特定地，在本实施方案的扫描探针显微镜中，在扫描步骤中，振动元件12用从振动电压电源13供应的振动电压以100nm的大振幅B”，例如由图7中所示的振动波形W3表示的，振动所述悬臂11。当从控制单元20接收到表明振幅变化的信号时，所述振动元件12以与第一实施方案中相同的振幅B’振动所述悬臂11。这样，振动单元3可以改变悬臂11的振幅。

控制单元20在观测步骤中被预设为控制Z驱动器部分19，并在Z方向上向着样品表面A移动探针尖2。由于该移动，探针尖2被带到与样品表面A接近或接触。如果振动状态的变化被振幅衰减检测器部分16检测到，则在Z方向上远离样品表面A一次移动所述探针尖例如10nm的给定距离以上。然后，再次向着样品表面A移动探针尖2。当探针尖2被拔起时，控制部分20将探针尖2的振幅B”变化为振幅B的信号传送给振动电压电源13。而且，在收集位置数据和拔起探针尖2的分离步骤之后，控制部分20将探针尖2的振幅B变化为扫描步骤中假定的振幅B”的信号传送给振动电压电源13。

在这样构造的扫描探针显微镜中，振动元件12首先用从振动电压电源13供应的振动电压以如图7所示的振幅B”振动所述悬臂11。从而，以图8中所示的振幅B”振动的同时扫描探针尖2。因为该扫描步骤，当探针尖2到达观测位置30时，控制部分20停止XY驱动器部分18，并驱动Z驱动器部分19，以在探针尖2以振幅B”振动的同时，在Z方向上向着样品表面A移动探针尖2。当探针尖2由于该移动被带到与样品表面A接近或接触时，振幅B”改变。因此，振幅衰减检测器部分16检测探针尖2振动状态的变化，并通知控制部分20该情况。

当从振幅衰减检测器部分16接收到信息时，控制部分20以一次将探针尖2拔起10nm的距离控制Z驱动器部分19。拔起探针尖2的操作使由于探针尖2与样品P之间的碰撞而造成的损害最小化。在所述碰撞过程中，即使探针尖2被俘获在样品表面A上的粘附水层中，也能保证探针尖2可以从粘附水层脱离。

拔起探针尖的操作同时，控制部分20发送改变振幅的信号给振动电压电源13。当接收到来自控制部分20的改变振幅的信号时，所述振动电压电源13通过振动元件12将悬臂11，例如探针尖2的振幅改变为如图8中所示的振幅B。此外，控制部分20控制Z驱动器部分19。改变振幅的步骤同时，控制部分20将探针尖2拔起10nm的距离以上。然后，控制部分再次向着样品表面A移动探针尖。在检测到由于前述的力(例如范德瓦尔斯力或由接触导致的斥力)而造成的振动状态的变化的位置，探针尖2停止。在该位置，图象数据产生部分21收集位置数据。在该观测步骤之后，控制部分20控制Z驱动器部分19，执行拔起探针尖2的分离步骤。在分离步骤之后，控制部分20控制XY驱动器部分18以再次扫描探针尖2。在这时，控制部分20发送改变振幅的信号给振动电压电源13，以再次将探针尖2的振幅变为振幅B”。

如上所述，在扫描步骤中，振幅是比在观测步骤中大的B”。因此，伺服系统响应迅速。在探针尖2振动状态的变化被检测的瞬间与探针尖2被拔起的瞬间之间的时间段中，可以阻止探针尖2与样品表面A之间的碰撞。因此在扫描步骤中，由于探针尖2与样品P之间的碰撞而造成的损害可以被减小或避免。

应当注意到，本发明的技术范围并不限于上述的实施方案。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做各种改变和修改。

例如，在上面的实施方案中，检测单元根据探针尖振幅的衰减度检测振动状态的变化。检测方法并不限于此。例如，可以通过计算探针尖振动的相位或频率来检测振动状态的变化。另外，在这些情况中，当振动的相位或频率变到确定的阈值时，就判定振动状态已经变化。

控制单元在扫描步骤中和分离步骤中将探针尖拔起10nm的给定的距离。给定距离并不限于10nm。给定距离可以根据探针尖的种类、样品的种类、样品表面周围的测量环境的温度和测量过程中的探针尖、或测量环境的湿度而变化。就是说，样品表面上的粘附水层的情形根据这些条件而变化。探针尖被拔起的所述给定的距离可以适当变化，以阻止粘附水层被这些变化影响。例如，依赖温度和湿度，给定距离可以设为1nm。此外，在给定距离被设为大于10nm的地方，即使湿度是极端的情况(例如99％)，也能保证探针尖被拔起到探针尖不受粘附水层影响的位置。

此外，在上面的实施方案中，当在扫描步骤中探针尖被拔起时，控制单元立即停止扫描，拔起探针尖，然后重复扫描。扫描可以不立即停止。然而，通过立即停止扫描，可以更确定地避开样品上的突出区域。

另外，在上面的实施方案中，观测单元收集位置数据作为观测数据。观测数据的种类并不限于此。就是说，可以测量关于样品的弹性或粘性的常数、电阻、粘附力或其它有关表面特性的信息。此外，当探针尖与样品表面接近或接触时，可以同时收集不同种类的观测信息，而不仅仅收集一种观测数据。这样，可以有效地收集期望的各种观测数据。

进一步，在上面的实施方案中，当探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据。另外，控制单元可以将探针尖放在Z方向上离样品表面h的给定距离的位置，可以在该位置再次收集观测数据。

这种情况下，探针尖和样品表面彼此接近或接触的情形下，例如探针尖振动状态改变的位置，观测单元收集观测数据。然后控制单元将探针尖移动到离样品表面h的上述距离的位置，如图9所示。观测单元再次收集该位置的观测数据。例如设定距离h，使得在探针尖与样品之间没有任何力，如范德瓦尔斯力的作用。

在通过该扫描探针显微镜收集观测数据的地方，探针尖与样品表面接近或接触地放置。另外，可以在离样品表面距离h的位置收集观测数据。因此，执行多方面的观测数据的收集，可以更详细地观察样品P。特别地，在距离h，且力如范德瓦尔斯力不作用的位置中，探针尖很难受样品形貌的影响。因此，如果在该位置收集观测数据，则可以更加精确地获得样品表面在高度方向上分布的表面特性的信息(如，磁场或电场的三维分布)。

此外，当探针尖与样品表面接近或接触时(第一情形)，观测单元可以收集相同种类的观测数据，也可以当探针尖与样品表面距离h时(第二情形)收集。还有，观测单元在第一和第二情形之间可以收集不同种类的观测数据。特别地，在收集相同种类的观测数据的地方，可以观察到表面特性信息根据离样品表面的距离而变化。该扫描探针显微镜可以通过执行这些观察而收集更多有效的观测数据。还有，样品P的整个观察区域可以同时被多方面观察。

另外，在上面的实施方案中，探针尖被三维激励器移动。本发明并不限于该方法。因为在探针尖和样品之间仅仅需要获得相对运动，所以可以通过三维激励器移动样品。

进一步，在上面的实施方案中，探针尖部分的位移量用光学检测型悬臂检测。悬臂并不限于光学检测型。例如，可以使用自检测型悬臂，其检测悬臂本身的位移量。

Claims (19)

1.一种装配有探针尖的扫描探针显微镜，所述探针尖相对于样品表面能平行于样品表面在X和Y方向上扫描，并能垂直于样品表面在Z方向上移动，所述扫描探针显微镜包括：

以与所述探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率振动所述探针尖的振动单元；

当所述探针尖与样品表面接近或接触时收集观测数据的观测单元；

当所述探针尖与样品表面接近或接触时检测所述探针尖振动状态变化的检测单元；和

控制在X和Y方向上的扫描和Z方向上移动的控制单元；

其中在收集所述观测数据以后，所述控制单元在平行于样品表面的方向上扫描所述探针尖，直到达到在X或Y方向上的下一个观测位置为止；和

其中当在扫描过程中检测到所述探针尖振动状态的变化时，控制单元在Z方向上远离样品表面移动所述探针尖。

2.一种权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中当在扫描过程中所述探针尖的振动状态已经变化超过预定的阈值时，所述检测单元检测所述探针尖振动状态的变化，其中所述控制单元在Z方向上移动所述探针尖，直到响应所述检测获得了不超过所述阈值的状态为止。

3.一种权利要求1和2任意一个所述的扫描探针显微镜，其中所述控制单元在收集所述观测数据之后扫描所述探针尖，并在Z方向上远离样品表面移动所述探针尖。

4.一种权利要求1到3任意一个所述的扫描探针显微镜，其中振动状态的变化是所述探针尖振幅的衰减度、所述探针尖振动相位的变化度和所述探针尖振动频率的变化度中的至少一个。

5.一种权利要求1到4任意一个所述的扫描探针显微镜，其中当在扫描过程中探针尖已经到达X或Y方向上的下一个观测位置时，所述的控制单元停止所述探针尖的扫描，在Z方向上远离样品表面一次移动所述探针尖一个给定的距离，然后当探针尖放置在与样品表面接近或接触样品表面时收集所述观测数据。

6.一种权利要求5所述的扫描探针显微镜，其中当探针尖被置于与样品表面接近或接触并收集观测数据时，所述振动单元将所述探针尖的振幅设置为小于在扫描过程中探针尖的振幅。

7.一种权利要求5和6任意一个所述的扫描探针显微镜，其中所述给定距离是基于所述探针尖的种类、样品的种类、测量环境的温度和测量环境的湿度中的至少一个确定的。

8.一种权利要求7所述的扫描探针显微镜，其中所述给定距离是1nm或更大。

9.一种权利要求7所述的扫描探针显微镜，其中所述给定距离是10nm或更大。

10.一种权利要求1到9任意一个所述的扫描探针显微镜，其中所述观测单元同时收集不同种类的观测数据。

11.一种权利要求10所述的扫描探针显微镜，其中所述观测数据包含两种数据。

12.一种权利要求10所述的扫描探针显微镜，其中所述观测数据包含三种或更多种数据。

13.一种权利要求1到12任意一个所述的扫描探针显微镜，其中在所述观测位置中，所述控制单元将所述探针尖放置在Z方向上距离样品表面给定距离的位置，其中所述观测单元在该位置再次收集观测数据。

14.一种权利要求13所述的扫描探针显微镜，其中当所述观测单元再次收集观测数据时，所述观测单元收集与当所述探针尖和样品表面接近或接触时收集的观测数据相同或不同种类的观测数据。

15.一种扫描方法，其通过配有探针尖的扫描探针显微镜执行，所述探针尖相对于样品表面能平行于样品表面在X和Y方向上扫描，并能垂直于样品表面在Z方向上移动，所述探针尖以与探针尖共振或使探针尖受迫振动的频率进行振动，当所述探针尖与样品表面接近或接触时，所述显微镜收集观测数据，所述扫描方法包括下述步骤：

在X或Y方向上扫描所述探针尖；和

作为扫描的结果，当所述探针尖到达观测位置时停止所述探针尖的扫描，在Z方向上向着样品表面移动所述探针尖，当在移动过程中检测到所述探针尖振动状态的变化时，停止在Z方向上所述探针尖的移动，并收集观测数据；

其中当在扫描过程中检测到所述探针尖振动状态的变化时，在Z方向上远离样品表面移动所述探针尖。

16.一种权利要求15所述的扫描方法，其中在所述收集观测数据的步骤之后，在Z方向上远离样品表面移动所述探针尖。

17.一种权利要求15和16任意一个所述的扫描方法，其中在所述收集观测数据的步骤的过程中，停止所述探针尖的扫描，然后在Z方向上远离样品表面一次移动所述探针尖一个给定的距离，然后在Z方向上向着样品表面移动。

18.一种权利要求15和16任意一个所述的扫描方法，其中在所述收集观测数据的步骤的过程中，检测所述探针尖振动状态的变化，然后在Z方向上远离样品表面一次移动所述探针尖一个给定的距离，所述探针尖的振幅被设置成小于在探针尖扫描步骤中的振幅，然后在Z方向上向着样品表面移动所述探针尖。

19.一种权利要求15到18任意一个所述的扫描方法，其中在所述收集观测数据的步骤中，当所述探针尖位于在Z方向上远离样品表面一个给定距离的位置时，再次收集观测数据。

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