JP2005164278A - 走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】探針を試料表面に衝突させることなく探針を試料表面に対して高速にアプローチすること。
【解決手段】探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａよりも大きい第２の振幅量Ｋ・Ａで励振した状態で、第１のアプローチ速度Ｖ_１よりも速い第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチし、探針１２が試料１７の表面に接触すると、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａで励振した状態で、第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする。
【選択図】図１

Description

本発明は、探針を励振させた状態で試料表面上をスキャンさせ、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法及び走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、例えば先端の尖った探針を試料表面に例えばｎｍ（１／１０^９ｍ）オーダ、ときには数オングストロームまで接近（以下、アプローチと称する）させ、探針と試料表面との間に働く相互作用、例えばトンネル電流や原子間力等を検知することで、試料表面の形状等を原子寸法レベルで測定できる。このような走査型プローブ顕微鏡では、探針を試料表面にアプローチするとき、目視等により探針と試料表面との距離を確認しながらある程度の間隔までアプローチし、この後、例えばトンネル電流を検出するか否かを常に監視しながらトンネル電流を検出するまで探針を試料表面にアプローチしている。

このように探針は、試料表面に対してｎｍオーダ、ときには数オングストロームまでアプローチする必要があり、かつこのときのアプローチでは、探針を試料表面に衝突させることなく行う必要がある。このため、探針を例えばトンネル電流を検出するまでに試料表面にアプローチするには、探針を非常に遅いアプローチ速度でアプローチしなければならず、アプローチに時間を要する。

探針の試料表面へのアプローチの高速化を図るには、目視等による探針のアプローチを、探針を試料表面に対して衝突なしに高速でかつ可能な限り接近させ、この後の例えばトンネル電流を検出するまで探針のアプローチの時間を短縮することが必要になる。しかしながら、目視によるアプローチでは、探針を試料表面に対してせいぜい数百μｍ程度までしかアプローチすることができず、その後のアプローチにも時間がかかり、又数百μｍ程度のアプローチでも衝突する可能性が極めて高い。

このような実情から探針の試料表面へのアプローチの高速化を図った技術として例えば特許文献１、２がある。特許文献１には、探針などの振動カンチレバー及び先端部を有する検出プローブを、ターゲット表面（試料表面）の上方にある第１の位置からターゲット表面と音響的に相互作用する領域内にある第２の位置に下降するステップと、検出プローブをターゲット表面と原子的に相互作用する領域内にある第３の最終位置へ降下するステップとを有する。音響的相互作用は、振動カンチレバーの振動振幅の減衰を促進し、原子的相互作用は、振動カンチレバーに対して振動振幅の減衰をさらに促進する。しかるに、音響的相互作用を振動カンチレバーの減衰された振動振幅と減衰されない振動振幅との比で監視して第２の位置を検出し、原子的相互作用を振動カンチレバーの減衰された振幅の変化と検出プローブの先端部及びターゲット表面間の距離の変化との比で監視して第３の位置を検出することが記載されている。

特許文献２には、探針を光学顕微鏡の視野内に位置せしめると共に、光学顕微鏡の焦点を試料から微小距離離れた位置に合わせ、この状態で探針を光学顕微鏡の焦点位置までアプローチすることが記載されている。
特許第２５３４４３９号公報 特開平７−１９８７３１号公報

しかしながら、特許文献１では、検出プローブを第１の位置からターゲット表面と音響的に相互作用する領域内にある第２の位置に下降させているが、このときに振動カンチレバーの振動振幅の減衰を促進する音響的相互作用を利用している。このため、音響的相互作用を発生するための構成が別途必要になる。

特許文献２では、探針を光学顕微鏡の視野内に位置せしめると共に、光学顕微鏡の焦点を試料から微小距離離れた位置に位置合わせするために、光学顕微鏡やＣＣＤカメラが必要になり、かつ構成も複雑になる。光学顕微鏡は、探針を視野内に位置させるために焦点深度の浅い高価な対物レンズを必要とする。又、原理上対物レンズの焦点深度は、探針を設けたカンチレバーの検知可能な高さ分解能に大きく劣るため、探針を試料表面に対して遠距離から低速又は十分マージンを持ってアプローチする必要がある。

本発明は、探針を励振させながら試料にアプローチし、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法において、探針を試料表面の観察に適した振幅量よりも大きい振幅量で励振し、探針が試料に接近するに従って探針の振幅量を小さくし、最終的に探針を試料表面の観察に適した振幅量で励振して試料にアプローチする走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法である。

本発明は、探針を励振させながら試料にアプローチし、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法において、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振して試料にアプローチする第１のアプローチと、この後、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量で励振してアプローチする第２のアプローチとを有する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法である。

本発明は、探針を励振させながら試料にアプローチし、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法において、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振して試料にアプローチする第１のアプローチと、探針が試料表面に接触したことを検知すると、探針を試料表面から所定距離だけ遠ざけ、この後、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量で励振してアプローチする第２のアプローチとを有する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法である。

本発明は、探針を励振させながら試料にアプローチし、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、探針を試料表面にアプローチ中に、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振し、この後、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量で励振するコントローラを具備した走査型プローブ顕微鏡である。

本発明は、探針を励振させながら試料にアプローチし、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、探針を試料表面に対してアプローチする粗動機構と、探針を試料表面に対してアプローチする微動素子と、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振し、かつ粗動機構を動作制御して第２のアプローチ速度よりも速い第１のアプローチ速度で試料表面にアプローチし、この後、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量で励振し、かつ微動素子又は粗動機構を動作制御して探針の第１のアプローチ速度よりも遅い第２のアプローチ速度で試料表面にアプローチさせるコントローラとを具備した走査型プローブ顕微鏡である。

本発明は、探針を励振させながら試料にアプローチし、探針と試料との間に働く相互作用を検知して試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、探針を試料表面に対してアプローチする粗動機構と、探針を試料表面に対してアプローチする微動素子と、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振し、かつ粗動機構を動作制御して第２のアプローチ速度よりも速い第１のアプローチ速度で試料表面にアプローチし、探針が試料表面に接触したことを検知すると、微動素子又は粗動機構を動作制御して探針を試料表面から所定距離だけ遠ざけ、この後、探針を試料表面の観察に適した第１の振幅量で励振し、かつ微動素子又は粗動機構を動作制御して第２のアプローチ速度で試料表面にアプローチさせるコントローラとを具備した走査型プローブ顕微鏡である。

本発明は、探針を試料表面に衝突させることなく探針を試料表面に対して高速にアプローチできる走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法及び走査型プローブ顕微鏡を提供できる。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は走査型プローブ顕微鏡の構成図である。Ｚ粗動機構１は、高さ方向（Ｚ方向）への移動を行うもので、例えばステッピングモータを有する駆動部２と、この駆動部２の軸３に対して垂直方向（ＸＹ平面内の方向）に連結された連結部材４とを有する。このＺ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５による駆動部２の制御によって連結部材４を高さ方向に上下動する。この連結部材４は、例えば板状又は棒状に形成されている。

ＸＹスキャナ６が連結部材４の下面に設けられている。このＸＹスキャナ６の下端面には、連結部材７を介してＺスキャナ８が設けられている。これらＸＹスキャナ６及びＺスキャナ８は、それぞれ各圧電素子等の微動素子からなる。ＸＹスキャナ６は、例えば各圧電素子の変位方向をＸ方向とＹ方向とに一致させた各圧電素子群からなる。Ｚスキャナ８は、例えば各圧電素子の変位方向をＺ方向に一致させた圧電素子群からなる。

ＸＹスキャナ６は、ＸＹ駆動制御部９からの印加電圧によってＸ方向又はＹ方向のうちいずれか一方又は両方に設けられた各圧電素子群が変位することによってＸＹ方向へのスキャンを行う。

Ｚスキャナ８は、Ｚ微動機構制御部１０からの印加電圧によってＺ方向に設けられた圧電素子群が変位することによってＺ方向へのスキャンを行う。

励振用圧電素子１１がＺスキャナ８の下端面に設けられている。この励振用圧電素子１１には、探針１２を先端部に設けたカンチレバー１３が設けられている。このカンチレバー１３は、励振用圧電素子１１に対して斜め下方に向けて設けられている。探針１２は、尖鋭で、例えば１０ｎｍ程度の径に形成されている。又、カンチレバー１３の探針１２の背面側には、ミラー等の反射面が設けられている。

又、Ｚスキャナ８の下端部には、発光ダイオード（ＬＤ）１４が設けられている。この発光ダイオード１４は、カンチレバー１３における探針１２の背面側の反射面に向ってＬＤ光を発する。

カンチレバー１３の斜め上方には、受光ダイオード（ＰＤ）１５が設けられている。この受光ダイオード１５は、カンチレバー１３における探針１２の背面の反射面で反射した発光ダイオード１４からのＬＤ光を受光し、この受光位置に応じた位置検出信号を出力する。この受光ダイオード１５は、例えば複数の受光素子をライン状に配列してなる。この受光ダイオード１５のライン配置方向は、カンチレバー１３が励振したときに往復移動するＬＤ光の反射光路の軌跡上に沿っている。

コントローラ１６は、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａよりも大きい第２の振幅量Ｋ・Ａで励振し、かつＺ粗動機構１を動作制御して探針１２を第１のアプローチ速度Ｖ_１よりも速い第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチし、この後、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａで励振し、かつＺスキャナ８を動作制御して第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチさせる。なお、Ｋは、第１の振幅量Ａに乗算して第２の振幅量Ｋ・Ａを得るための倍数である。

次に、上記の如く構成された走査型プローブ顕微鏡の動作について図２に示す探針アプローチフローチャートに従って説明する。

コントローラ１６は、ステップ＃１において、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａよりも大きい第２の振幅量Ｋ・Ａで励振させる設定を行う。これによりコントローラ１６は、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振させるための制御電圧を励振用圧電素子１１に印加する。これにより、探針１２を先端部に設けたカンチレバー１３は、図３に示すように励振用圧電素子１１の微小変位の繰り返しによって第２の振幅量Ｋ・Ａで励振する。

これと共に、コントローラ１６は、ステップ＃２において、Ｚ粗動制御部５に対して第１のアプローチ速度Ｖ_１よりも速い高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする。

このとき、発光ダイオード１４は、カンチレバー１３における探針１２の設けられた背面側に向ってＬＤ光を発する。このＬＤ光は、励振しているカンチレバー１３の背面で反射して受光ダイオード１５に向う。この受光ダイオード１５は、カンチレバー１３の背面で反射したＬＤ光を受光し、この受光位置に応じた位置検出信号を出力する。コントローラ１６は、受光ダイオード１５から出力された位置検出信号から探針１２の振幅量を求め、この振幅量の僅かな減少を検出する。

このように第２の振幅量Ｋ・Ａで励振している状態で探針１２が試料１７の表面にアプローチすると、探針１２は図４に示すように試料１７の表面に接触する。探針１２が試料１７の表面に接触すると、この接触により探針１２の振幅量が第２の振幅量Ｋ・Ａよりも僅かに減少する。この探針１２の振幅量の減少は、コントローラ１６が受光ダイオード１５から出力される位置検出信号の変化により検出される。

この時点で直ちに、コントローラ１６は、ステップ＃３に移り、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａで励振させる設定を行う。これによりコントローラ１６は、探針１２を第１の振幅量Ａで励振させるための制御電圧を励振用圧電素子１１に印加する。これにより、探針１２を先端部に設けたカンチレバー１３は、図５に示すように励振用圧電素子１１の微小変位の繰り返しによって第１の振幅量Ａで励振する。

これと共に、コントローラ１６は、ステップ＃４において、Ｚ粗動制御部５に対して第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により探針１２を試料１７の表面観察に適した第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする。なお、コントローラ１６は、受光ダイオード１５から出力された位置検出信号から探針１２の振幅量を求め、この振幅量のわずかな減少を検出する。

このように第１の振幅量Ａで励振している状態で探針１２が試料１７の表面にアプローチすると、探針１２は試料１７の表面に接触する。探針１２が試料１７の表面に接触すると、探針１２の振幅量は第１の振幅量Ａよりも僅かに減少するので、このときコントローラ１６は、ステップ＃５において、探針１２が試料１７の表面に到達したと判断する。

このように上記第１の実施の形態によれば、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａよりも大きい第２の振幅量Ｋ・Ａで励振した状態で、第１のアプローチ速度Ｖ_１よりも速い第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチし、探針１２が試料１７の表面に接触すると、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａで励振した状態で、第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする。

これにより、従来技術のように音響的相互作用を発生するための別途構成や光学顕微鏡、ＣＣＤカメラなどを必要とせずに、既存の走査型プローブ顕微鏡における探針１２の振幅量及びアプローチ速度を変えるだけの簡易な変更だけで、複雑な構成にならず、アプローチ時、探針１２と試料１７との距離を大きくとれるので、探針１２を試料１７の表面上に衝突することなく安定して探針１２の試料１７の表面に対するアプローチを高速化できる。探針１２は、脆くて壊れ易くかつ高価であるため、ダメージを受けることをできるだけ避けたい要求があり、本走査型プローブ顕微鏡は、この要求を十分満足できる。

又、Ｚ粗動機構１は、例えばステッピングモータを駆動して探針１２の高さを制御しているが、ステッピングモータの駆動では、制動性が遅く、探針１２を高さ方向に位置決めするのに時間を要するが、圧電素子により構成されるＺスキャナ６により探針１２の高さ位置を制御すれば、応答性がよく、極めて短時間で探針１２を高さ方向に位置決めできる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。

この第２の実施の形態は、コントローラ１６による探針１２のアプローチ方法を変更したものである。走査型プローブ顕微鏡は、図１に示す構成と同一であり、コントローラ１６は、図６に示す探針アプローチフローチャートに従って制御動作する。なお、図６において図２と同一ステップには同一ステップ番号を付しその詳しい説明は省略する。

コントローラ１６は、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａから試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａに切り替えて励振し、これと共に探針１２を第２のアプローチ速度Ｖ_２から第１のアプローチ速度Ｖ_１に切り替えて試料１７の表面にアプローチしている状態に、探針１２が試料１７の表面に接触するまでのアプローチ到達時間をＴ、マージン値をＨ、アプローチ時間の閾値をＳとすると、
［｛（Ｋ・Ａ）−Ａ｝／２］／Ｖ_１＝（Ｔ＋Ｈ）＞Ｓ …（１）
の関係が成立すれば、探針１２の試料１７の表面に対するアプローチを中断する。

すなわち、コントローラ１６は、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振させて試料１７の表面上に接触したときに、探針１２を試料１７の表面上にアプローチする残りの距離を算出し、この残りの距離を第１の振幅量Ａで励振させた状態で、第１のアプローチ速度Ｖ_１でアプローチしたときに、探針１２が試料１７の表面上に当然接触するであろう予測のアプローチ時間（閾値Ｓ）をオーバするか否かを判断する。従って、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓを越えるようであれば、コントローラ１６は、探針１２が既に試料１７の表面上に接触しているはずであるが、探針１２の試料１７の表面上への接触を検出していないので、直ちにアプローチを中断する。なお、アプローチ時間の閾値Ｓは、例えば探針１２が試料１７の表面上に接触開始する時間に設定すればよい。

次に、上記の如く構成された走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

コントローラ１６は、ステップ＃１において、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａよりも大きい第２の振幅量Ｋ・Ａで励振させる設定を行い、ステップ＃２において、Ｚ粗動制御部５に対して探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする。

探針１２が試料１７の表面に接触すると、この時点で直ちに、コントローラ１６は、ステップ＃３において、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａで励振させる設定を行う。これにより、探針１２を先端部に設けたカンチレバー１３は、第１の振幅量Ａで励振する。

ここで、コントローラ１６は、ステップ＃６において、探針１２が試料１７の表面に接触するまでのアプローチ到達時間Ｔを上記式（１）を演算して求め、このアプローチ到達時間Ｔと予め設定されたアプローチ時間の閾値Ｓとを比較する。この比較の結果、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓよりも短ければ、コントローラ１６は、ステップ＃４に移り、Ｚ粗動制御部５に対して第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする。そして、探針１２が試料１７の表面に接触すると、コントローラ１６は、ステップ＃５において、探針１２が試料１７の表面に到達したと判断する。

これに対してアプローチ到達時間Ｔとアプローチ時間の閾値Ｓとの比較の結果、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓよりも長ければ、コントローラ１６は、ステップ＃６からステップ７に移り、探針１２が既に試料１７の表面上に接触しているはずであるが、探針１２の試料１７の表面上への接触を検出していないので、アプローチを中断する。

このように上記第２の実施の形態によれば、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａから試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａに切り替えて励振し、これと共に探針１２を第２のアプローチ速度Ｖ_２から第１のアプローチ速度Ｖ_１に切り替えて試料１７の表面にアプローチしている状態に、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓよりも長ければ、探針１２の試料１７の表面上に対するアプローチを中断する。

これにより、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、探針１２が試料１７の表面観察するに適した位置までアプローチして探針１２が試料１７の表面上に接触しているのに拘わらず、探針１２が試料１７の表面に到達したと判断しなければ、アプローチを中断でき、探針１２やカンチレバー１３、Ｚスキャナ８、ＸＹスキャナ６などにダメージを与えることを少なくできる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。

この第３の実施の形態は、コントローラ１６による探針１２のアプローチ方法を変更したものである。走査型プローブ顕微鏡は、図１に示す構成と同一であり、コントローラ１６は、図７に示す探針アプローチフローチャートに従って制御動作する。なお、図７において図２と同一ステップには同一ステップ番号を付しその詳しい説明は省略する。

コントローラ１６は、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振した状態で高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７にアプローチし、探針１２が試料１７の表面に接触したことを検知すると、探針１２を試料１７の表面から上昇させて所定距離Ｂだけ遠ざけ、この後、探針１２を試料１７の表面の観察に適した第１の振幅量Ａで励振した状態で第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７にアプローチする。

次に、上記の如く構成された走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

コントローラ１６は、ステップ＃１において、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振させる設定を行い、ステップ＃２において、Ｚ粗動制御部５に対して探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする。

このアプローチにより図８に示すように探針１２が試料１７の表面に接触すると、この時点で直ちに、コントローラ１６は、ステップ＃８において、探針１２を試料１７の表面から上昇させて所定距離Ｂだけ遠ざける制御信号をＺ粗動制御部５又はＺ微動機構制御部１０に送出する。これにより、Ｚ粗動機構１又はＺスキャナ８は、図９に示すようにＺ粗動制御部５又はＺ微動機構制御部１０の動作制御により探針１２を所定距離Ｂだけ上昇させる。

次に、コントローラ１６は、ステップ＃３において、探針１２を試料１７の表面観察に適した第１の振幅量Ａで励振させる設定を行う。これにより、探針１２を先端部に設けたカンチレバー１３は、図１０に示すように第１の振幅量Ａで励振する。これと共に、コントローラ１６は、ステップ＃４において、Ｚ粗動制御部５に対して第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする。

このように第１の振幅量Ａで励振している状態で探針１２が試料１７の表面にアプローチすると、探針１２は試料１７の表面に接触する。探針１２が試料１７の表面に接触すると、探針１２の振幅量は第１の振幅量Ａよりも僅かに減少するので、このときコントローラ１６は、ステップ＃５において、探針１２が試料１７の表面に到達したと判断する。

このように上記第３の実施の形態によれば、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振した状態で高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７にアプローチし、探針１２が試料１７の表面に接触したことを検知すると、探針１２を試料１７の表面から上昇させ、この後、探針１２を試料１７の表面の観察に適した第１の振幅量Ａで励振した状態で第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７にアプローチする方式の走査型プローブ顕微鏡であっても、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、探針１２が試料１７の表面に接触したことを検知すると、探針１２を試料１７の表面から上昇させるので、探針１２に与えるダメージの機会を大幅に少なくできる。

次に、本発明の第４の実施の形態について図面を参照して説明する。

この第４の実施の形態は、コントローラ１６による探針１２のアプローチ方法を変更したものである。走査型プローブ顕微鏡は、図１に示す構成と同一であり、コントローラ１６は、図１１に示す探針アプローチフローチャートに従って制御動作する。なお、図１１において図７と同一ステップには同一ステップ番号を付しその詳しい説明は省略する。

コントローラ１６は、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振した状態で高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７にアプローチし、探針１２が試料１７の表面に接触したことを検知すると、探針１２を試料１７の表面から上昇させて所定距離Ｂだけ遠ざけ、この後、探針１２を試料１７の表面の観察に適した第１の振幅量Ａで励振した状態で第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７にアプローチするとき、
［｛（Ｋ・Ａ）−Ａ｝／２＋Ｂ］／Ｖ_１＝（Ｔ＋Ｈ）＞Ｓ …（２）
の関係が成立すれば、探針１２の試料１７の表面に対するアプローチを中断する。

次に、上記の如く構成された走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

コントローラ１６は、ステップ＃１において、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振させる設定を行い、ステップ＃２において、Ｚ粗動制御部５に対して探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により探針１２を高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７の表面にアプローチする。

探針１２が試料１７の表面に接触すると、この時点で直ちに、コントローラ１６は、ステップ＃８において、探針１２を試料１７の表面から上昇させて所定距離Ｂだけ遠ざける制御信号をＺ粗動制御部５又はＺ微動機構制御部１０に送出する。これにより、Ｚ粗動機構１又はＺスキャナ８は、図９に示すようにＺ粗動制御部５又はＺ微動機構制御部１０の動作制御により探針１２を所定距離Ｂだけ上昇させる。

次に、コントローラ１６は、ステップ＃９において、探針１２が試料１７の表面に接触するまでのアプローチ到達時間Ｔを上記式（２）を演算して求め、このアプローチ到達時間Ｔと予め設定されたアプローチ時間の閾値Ｓとを比較する。この比較の結果、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓよりも短ければ、コントローラ１６は、ステップ＃４に移り、Ｚ粗動制御部５に対して探針１２を試料１７の表面観察に適した第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする制御信号を送出する。これにより、Ｚ粗動機構１は、Ｚ粗動制御部５の動作制御により探針１２を試料１７の表面観察に適した第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７の表面にアプローチする。そして、探針１２が試料１７の表面に接触すると、コントローラ１６は、ステップ＃５において、探針１２が試料１７の表面に到達したと判断する。

これに対してアプローチ到達時間Ｔとアプローチ時間の閾値Ｓとの比較の結果、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓよりも長ければ、コントローラ１６は、ステップ＃９からステップ７に移り、探針１２が既に試料１７の表面上に接触しているはずであるが、探針１２の試料１７の表面上への接触を検出していないので、アプローチを中断する。

このように上記第４の実施の形態によれば、探針１２を第２の振幅量Ｋ・Ａで励振した状態で高速の第２のアプローチ速度Ｖ_２で試料１７にアプローチし、探針１２が試料１７の表面に接触したとき直ちに探針１２を試料１７の表面から上昇させ、この後、探針１２を第１の振幅量Ａで励振した状態で第１のアプローチ速度Ｖ_１で試料１７にアプローチするとき、アプローチ到達時間Ｔがアプローチ時間の閾値Ｓよりも長ければ、探針１２の試料１７の表面上に対するアプローチを中断する。

これにより、上記第２の実施の形態と同様に、探針１２が試料１７の表面観察するに適した位置までアプローチして探針１２が試料１７の表面上に接触しているのに拘わらず、探針１２が試料１７の表面に到達したと判断しなければ、アプローチを中断でき、探針１２やカンチレバー１３、Ｚスキャナ８、ＸＹスキャナ６などにダメージを与えることを少なくできる。

なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

例えば、走査型プローブ顕微鏡としては、探針１２と試料１７の表面との間に働く相互作用、例えばトンネル電流や原子間力等を検知して試料表面の形状等を原子寸法レベルで測定するものに適用できる。

又、上記第１乃至第４の実施の形態は、自動で探針１２の振幅量を切り替えたり、アプローチ速度を切り替えているが、これら探針１２の振幅量又はアプローチ速度のいずれか一方又は両方を手動により切り替えるようにしてもよい。

又、カンチレバー１３の振動量の検知は、光テコ方式を用いているが、カンチレバー１３に対して抵抗検出法を用いてもよい。

自動で探針１２の振幅量を切り替え、及びアプローチ速度を切り替えは、２段階としているが、これに限らず、複数段に設定してもよい。又、アプローチ完了予定時間毎に速度を変化させてもよい。

又、Ｚ粗動機構は、上記第１乃至第４の実施の形態で説明したものに限らず、Ｚステージの上下動機構であってもよい。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示す構成図。 同走査型プローブ顕微鏡における探針アプローチフローチャート。 同走査型プローブ顕微鏡による探針を大きな振幅量で高速アプローチする模式図。 同走査型プローブ顕微鏡における探針を試料表面に接触したところを示す模式図。 同走査型プローブ顕微鏡による探針を小さな振幅量で低速アプローチする模式図。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施の形態における探針アプローチフローチャート。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第３の実施の形態における探針アプローチフローチャート。 同走査型プローブ顕微鏡における探針を試料表面に接触したところを示す模式図。 同走査型プローブ顕微鏡における探針を上昇させたところを示す模式図。 同走査型プローブ顕微鏡による探針を小さな振幅量で低速アプローチする模式図。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第４の実施の形態における探針アプローチフローチャート。

符号の説明

１：Ｚ粗動機構、２：駆動部、３：軸、４：連結部材、５：Ｚ粗動制御部、６：ＸＹスキャナ、７：連結部材、８：Ｚスキャナ、９：ＸＹ駆動制御部、１０：Ｚ微動機構制御部、１１：励振用圧電素子、１２：探針、１３：カンチレバー、１４：発光ダイオード、１５：受光ダイオード、１６：コントローラ、１７：試料。

Claims (14)

1. 探針を励振させながら試料にアプローチし、前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検知して前記試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法において、
   前記探針を前記試料表面の観察に適した振幅量よりも大きい振幅量で励振し、前記探針が前記試料に接近するに従って前記探針の振幅量を小さくし、最終的に前記探針を前記試料表面の観察に適した前記振幅量で励振して前記試料にアプローチする、
   ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
2. 探針を励振させながら試料にアプローチし、前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検知して前記試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法において、
   前記探針を前記試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振して前記試料にアプローチする第１のアプローチと、
   この後、前記探針を前記試料表面の観察に適した前記第１の振幅量で励振してアプローチする第２のアプローチと、
   を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
3. 探針を励振させながら試料にアプローチし、前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検知して前記試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法において、
   前記探針を前記試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振して前記試料にアプローチする第１のアプローチと、
   前記探針が前記試料表面に接触したことを検知すると、前記探針を前記試料表面から所定距離だけ遠ざけ、
   この後、前記探針を前記試料表面の観察に適した前記第１の振幅量で励振してアプローチする第２のアプローチと、
   を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
4. 前記第１のアプローチでは、前記探針の第２のアプローチ速度よりも速い第１のアプローチ速度で前記探針を前記試料表面にアプローチし、
   前記第２のアプローチでは、前記探針の前記第１のアプローチ速度よりも遅い前記第２のアプローチ速度で前記探針を前記試料表面にアプローチする、
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
5. 前記探針が前記試料に接触したことを検知すると、前記探針の振幅量を前記第２の振幅量から前記第１の振幅量に切り替えることを特徴とする請求項２又は３記載の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
6. アプローチ中の前記探針と前記試料表面との残りのアプローチ距離に基づいて推測されたアプローチ到達時間が予め設定された閾値を越えると、前記探針の前記試料表面に対するアプローチを中断することを特徴とする請求項２又は３記載の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
7. 前記第１の振幅量をＡ、前記第１の振幅量Ａに乗算して前記第２の振幅量を得るための倍数をＫ、前記第２のアプローチ速度をＶ、前記探針が前記試料表面に接触するまでの前記アプローチ到達時間をＴ、マージン値をＨ、アプローチ時間の前記閾値をＳとすると、
   ［｛（Ｋ・Ａ）−Ａ｝／２］／Ｖ＝（Ｔ＋Ｈ）＞Ｓ
   の関係が成立すれば、前記探針の前記試料表面に対するアプローチを中断することを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
8. 前記第１の振幅量をＡ、前記第１の振幅量Ａに乗算して前記第２の振幅量を得るための倍数をＫ、前記第２の振幅量をＢ、前記第２のアプローチ速度をＶ、前記探針が前記試料表面に接触するまでの前記アプローチ到達時間をＴ、マージン値をＨ、アプローチ時間の前記閾値をＳとすると、
   ［｛（Ｋ・Ａ）−Ａ｝／２＋Ｂ］／Ｖ＝（Ｔ＋Ｈ）＞Ｓ
   の関係が成立すれば、前記探針の前記試料表面に対するアプローチを中断することを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ方法。
9. 探針を励振させながら試料にアプローチし、前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検知して前記試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、
   前記探針を前記試料表面にアプローチ中に、前記探針を前記試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振し、この後、前記探針を前記試料表面の観察に適した前記第１の振幅量で励振するコントローラ、
   を具備したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
10. 探針を励振させながら試料にアプローチし、前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検知して前記試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、
    前記探針を前記試料表面に対してアプローチする粗動機構と、
    前記探針を前記試料表面に対してアプローチする微動素子と、
    前記探針を前記試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振し、かつ前記粗動機構を動作制御して前記第２のアプローチ速度よりも速い第１のアプローチ速度で前記試料表面にアプローチし、この後、前記探針を前記試料表面の観察に適した前記第１の振幅量で励振し、かつ前記微動素子又は前記粗動機構を動作制御して前記探針の前記第１のアプローチ速度よりも遅い前記第２のアプローチ速度で前記試料表面にアプローチさせるコントローラと、
    を具備したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
11. 探針を励振させながら試料にアプローチし、前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検知して前記試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡において、
    前記探針を前記試料表面に対してアプローチする粗動機構と、
    前記探針を前記試料表面に対してアプローチする微動素子と、
    前記探針を前記試料表面の観察に適した第１の振幅量よりも大きい第２の振幅量で励振し、かつ前記粗動機構を動作制御して前記第２のアプローチ速度よりも速い第１のアプローチ速度で前記試料表面にアプローチし、
    前記探針が前記試料表面に接触したことを検知すると、前記微動素子又は前記粗動機構を動作制御して前記探針を前記試料表面から所定距離だけ遠ざけ、
    この後、前記探針を前記試料表面の観察に適した前記第１の振幅量で励振し、かつ前記微動素子又は前記粗動機構を動作制御して前記第２のアプローチ速度で前記試料表面にアプローチさせるコントローラと、
    を具備したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
12. 前記コントローラは、アプローチ中の前記探針と前記試料表面との残りのアプローチ距離に基づいて推測されたアプローチ到達時間が予め設定された閾値を越えると、前記探針の前記試料表面に対するアプローチを中断することを特徴とする請求項１０又は１１記載の走査型プローブ顕微鏡。
13. 前記コントローラは、前記第１の振幅量をＡ、前記第１の振幅量Ａに乗算して前記第２の振幅量を得るための倍数をＫ、前記第２のアプローチ速度をＶ、前記探針が前記試料表面に接触するまでの前記アプローチ到達時間をＴ、マージン値をＨ、アプローチ時間の前記閾値をＳとすると、
    ［｛（Ｋ・Ａ）−Ａ｝／２］／Ｖ＝（Ｔ＋Ｈ）＞Ｓ
    の関係が成立すれば、前記探針の前記試料表面に対するアプローチを中断することを特徴とする請求項１０記載の走査型プローブ顕微鏡。
14. 前記コントローラは、前記第１の振幅量をＡ、前記第１の振幅量Ａに乗算して前記第２の振幅量を得るための倍数をＫ、前記第２の振幅量をＢ、前記第２のアプローチ速度をＶ、前記探針が前記試料表面に接触するまでの前記アプローチ到達時間をＴ、マージン値をＨ、アプローチ時間の前記閾値をＳとすると、
    ［｛（Ｋ・Ａ）−Ａ｝／２＋Ｂ］／Ｖ＝（Ｔ＋Ｈ）＞Ｓ
    の関係が成立すれば、前記探針の前記試料表面に対するアプローチを中断することを特徴とする請求項１１記載の走査型プローブ顕微鏡。

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