JP2019168400A - 走査型プローブ顕微鏡及びその走査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】間欠的測定方法を行うにあたり、探針と試料表面へ相互に過負荷となることを避けると共に、試料表面における凸凹形状の測定時間を短縮化する。【解決手段】プローブが取り付けられたカンチレバーを備え、前記プローブを試料表面に間欠的に接触させることで前記試料表面を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、前記プローブと前記試料表面とを接触させる第１の動作と、前記第１の動作後に前記プローブと前記試料表面とを引離す第２の動作を行う制御装置を備え、前記制御装置は、前記カンチレバーを熱変形させることにより、前記第２の動作を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡及びその走査方法に関する。

下記特許文献１には、カンチレバーの先端に形成されたプローブを試料に接触させながら連続的にプローブを走査させることで、試料表面の凸凹形状を測定する走査型プローブ顕微鏡が開示されている（特許文献１参照）。ただし、特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡では、常にプローブと試料表面とが接しているため、プローブの摩耗や試料の損傷が発生する可能性がある。

これに対して、特許文献２、３には、予め設定された複数の試料表面の測定点のみ、プローブと試料表面とを接触させ試料表面を間欠的に走査することで、試料表面の凸凹形状を測定する間欠的測定方法が提案されている。これらの特許文献における「プローブと試料表面との接触」とは、物理的な相互作用が発生する距離まで接近することを指し、その相互作用の物理量を基準に接触の判断を行うことである。物理量の代表的なものの例は、引力や斥力がある。

具体的には、間欠的測定方法では、プローブを、所定の測定点の上空から試料表面まで接近動作させ、そのプローブが試料表面に接触させてプローブの高さを計測する第１工程と、その第１工程後に試料表面に接触しているプローブを試料表面から引き離し、次の測定点の上空まで移動させる第２工程とを繰り替えることで試料表面を間欠的に走査する。なお、実際の計測においては、前記第１工程と前記第２工程の間に、探針試料間の物性測定を行う工程、あるいは形状と物性の同時測定を行う工程が加わることが多い。

これにより、上記間欠的測定方法では、特許文献１と比較してプローブと試料表面とが測定点のみで接触するため最小の接触で済み、プローブの摩耗や試料の損傷を低減することができる。

特開２００１−３３３７３号公報 特開２００７−８５７６４号公報 特開２０１１−２０９０７３号公報

ところで、上記間欠的測定方法では、試料表面に接触しているプローブを、圧電素子を用いたスキャナーにより引離し動作を行っている。ただし、圧電素子には不可避的な応答遅れが存在するため、当該圧電素子は、引離し動作の開始を指示する信号を取得してからその引離し動作を開始するまでに応答しない時間が発生し、その間も試料へ接近し設定以上の力が加わる。そのため、間欠的測定方法において、上記応答遅れにより発生する、設定以上の力を加味して接近速度を設定する必要があり、速すぎる接近速度を設定することが困難となるため、試料表面の凸凹形状を測定する測定時間を短縮化できず、高速化の妨げになっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、間欠的測定方法を行うにあたり、探針と試料表面へ相互に過負荷となることを避けると共に、試料表面における凸凹形状の測定時間を短縮化することである。

本発明の一態様は、プローブが取り付けられたカンチレバーを備え、前記プローブを試料表面に間欠的に接触させることで前記試料表面を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、前記プローブと前記試料表面とを接触させる第１の動作と、前記第１の動作後に前記プローブと前記試料表面とを引離す第２の動作を行う制御装置を備え、前記制御装置は、前記カンチレバーを熱変形させることにより、前記第２の動作を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡である。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記制御装置は、圧電素子を用いて前記プローブ及び前記試料表面を相対的に移動可能な微動機構を更に備え、前記制御装置は、前記カンチレバーの熱変形と、前記微動機構とを併用して前記第２の動作を実行する。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーに対して光を照射する第１光照射部を更に備え、前記制御装置は、前記第２の動作時において、前記第１光照射部から照射される光の照射強度を制御することで前記カンチレバーを熱変形させる。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーの第１の面に対してレーザ光を照射する第２光照射部を有し、前記第２光照射部により照射されたレーザ光の反射により前記カンチレバーの変位量を検出する光てこ方式の変位検出部を更に備え、前記第２光照射部は、前記第１光照射部を兼用する。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記制御装置は、前記第１の動作時において、前記変位検出部により検出された前記カンチレバーの変位量に基づいて、前記プローブと前記試料表面との接触の有無を判定する判定部と、前記判定部により前記接触があったことが判定された後に、前記第２光照射部の前記レーザ光の照射強度を前記第１の動作時よりも弱めることで前記カンチレバーを熱変形させて前記第２の動作を実行する制御部と、を備える。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記第２光照射部から前記第１の面に向けて照射された前記レーザ光の照射強度を調整可能な調光用素子を備え、前記制御装置は、前記第１の動作時において、前記変位検出部により検出された前記カンチレバーの変位量に基づいて、前記プローブと前記試料表面との接触の有無を判定する判定部と、前記判定部により前記接触があったことが判定された後に、前記調光用素子を制御して、前記前記第２光照射部から前記第１の面に向けて照射された前記レーザ光の照射強度を前記第１の動作時よりも弱めることで前記カンチレバーを熱変形させて前記第２の動作を実行する制御部と、を備える。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーは、前記第１の面が前記第１の面とは反対側の第２の面よりも熱膨張係数が大きい。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーに抵抗体を設け、前記制御装置は、前記第２の動作時において、前記抵抗体に通電することで前記カンチレバーを熱変形させる。

また、本発明の一態様は、上述の走査型プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバーにピエゾ抵抗素子が設けられ、前記制御装置は、前記第１の動作時において、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、前記プローブと前記試料表面との接触の有無を判定する判定部と、前記判定部により前記接触があったことが判定された後に、前記ピエゾ抵抗素子に対して通電加熱することで前記カンチレバーを熱変形させて前記第２の動作を実行する制御部と、を備える。

また、本発明の一態様は、プローブが取り付けられたカンチレバーを備え、前記プローブを試料表面に間欠的に接触させることで前記試料表面を走査する走査型プローブ顕微鏡の走査方法であって、前記プローブと前記試料表面とを接触させる第１の動作ステップと、前記第１の動作ステップ後に前記プローブと前記試料表面とを引離す第２の動作ステップと、含み、第２の動作ステップは、前記カンチレバーの熱変形を利用して、前記プローブと前記試料表面とを引離すことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法である。

以上説明したように、本発明によれば、間欠的測定方法を行うにあたり、探針と試料表面へ相互に過負荷となることを避けると共に、試料表面における凸凹形状の測定時間を短縮化することができる。

第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの概略構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る斜面を有する試料Ｓと、カンチレバー１との斜視図である。 第１の実施形態に係る加熱装置４の光加熱方式の構成を説明する図である。 第１の実施形態に係る加熱装置４のマイクロ波加熱方式の構成を説明する図である。 第１の実施形態に係る加熱装置４の通電加熱方式の第１の構成を説明する図である。 第１の実施形態に係る加熱装置４の通電加熱方式の第２の構成を説明する図である。 第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの間欠的測定方法の流れを説明する図である。 第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの概略構成の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの間欠的測定方法の流れを説明する図である。 第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの概略構成の一例を示す図である。 第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの間欠的測定方法の流れを説明する図である。 第３の実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡Ｃ´の概略構成の一例を示す図である。 第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄの概略構成の一例を示す図である。 第４の実施形態に係る変位検出部３Ｄの概略構成の一例を示す図である。 第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄの間欠的測定方法の流れを説明する図である。

本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、試料表面にプローブを接触させて、その試料表面をプローブで間欠的に走査する、いわゆる間欠的測定方法というプローブ走査方法を用いた走査型プローブ顕微鏡である。

以下、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を、図面を用いて説明する。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの概略構成の一例を示す図である。図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ａは、カンチレバー１、移動駆動部２、変位検出部３、加熱装置４、及び制御装置５を備えている。

カンチレバー１は、先端にプローブ１ａを備える。カンチレバー１は、その基端が固定され、先端が自由端となっている。カンチレバー１は、小さいバネ定数Ｋを備える弾性レバー部材であり、先端のプローブ１ａと試料Ｓの表面（以下、「試料表面」という。）が接触すると、先端のプローブ１ａが試料表面を押圧する押し付け力に応じたたわみが生じる。

また、カンチレバー１は、先端のプローブ１ａと試料表面とが接触した場合に、その試料表面に傾きがある場合には、その試料表面の傾きと、先端のプローブ１ａ及び試料表面の接触点である支点の支点反力と、に応じたねじれやたわみが生じる。

移動駆動部２は、プローブ１ａ及び試料Ｓを３次元方向に対して相対的に移動可能な微動機構である。移動駆動部２は、Ｚ方向駆動装置２１（駆動部）及びＸＹスキャナー２２（スキャナー部）を備える。

Ｚ方向駆動装置２１上には、試料台Ｈが載置されている。この試料台Ｈには、カンチレバー１のプローブ１ａに対向配置するように試料Ｓが載置されている。
Ｚ方向駆動装置２１は、試料台Ｈを水平面に垂直な方向（Ｚ方向）に移動させる。例えば、Ｚ方向駆動装置２１は、圧電素子である。

Ｚ方向駆動装置２１は、制御装置５からの制御により、試料台ＨをＺ方向に移動させることで、試料表面をプローブ１ａに接近させる動作、又はプローブ１ａから試料Ｓを引き離す方向に動作させる動作を行う。

ＸＹスキャナー２２は、制御装置５からの制御により、プローブ１ａと試料Ｓとを、ＸＹ方向に対して相対的に移動させる。なお、図１において試料台Ｈの表面に平行な面は水平面であり、ここでは直交の２軸Ｘ，ＹによりＸＹ平面と定義される。例えば、ＸＹスキャナー２２は、圧電素子である。
なお、Ｚ方向駆動装置２１及びＸＹスキャナー２２は、相対的に３次元形状観察の走査が可能な構成であれば、配置関係は問わない。つまり、カンチレバー走査でも試料走査でも良い。

変位検出部３は、カンチレバー１のたわみ量やねじれ量を検出する。例えば、変位検出部３は、光てこ式を用いてカンチレバー１のたわみ量とねじれ量とを検出する。

変位検出部３は、光照射部３１及び光検出部３２を備える。

光照射部３１は、カンチレバー１の裏面（第１の面）Ｆ１に形成された図示しない反射面に対してレーザ光Ｌ１を照射する。ここで、裏面（第１の面）Ｆ１とは、カンチレバー１において、プローブ１ａが配置されている表面（第２の面）Ｆ２と反対側の面である。

光検出部３２は、上記反射面で反射されたレーザ光Ｌ２を受光する。光検出部３２は、当該反射面で反射されたレーザ光Ｌ２を受光する４分割の受光面３３を備えた光検出器である。カンチレバー１の反射面で反射されたレーザ光Ｌ２は、光検出部３２の４分割された複数の受光面３３に入射する。なお、例えば、カンチレバー１の反射面で反射されたレーザ光Ｌ２が受光面３３の中心付近に入射するように、光検出部３２の位置が調整される。

以下に、第１の実施形態に係るカンチレバー１のたわみ量とねじれ量との検出方法について、図１及び図２を用いて、説明する。図２は、斜面を有する試料Ｓと、カンチレバー１との斜視図である。

カンチレバー１は、プローブ１ａと試料表面とが接触した場合にＺ方向とＹ方向のいずれか一方、又は両方に変位が生じる。第１の実施形態において、Ｚ方向に生じるカンチレバー１の変位をたわみ量と称し、Ｙ方向に生じるカンチレバー１の変位をねじれ量と称する。例えば、初期条件では、プローブ１ａに力が加わっていない状態で反射されたレーザ光Ｌ２の光検出部３２の受光面３３における入射スポット位置を、受光面３３の中心位置Ｏとする。なお、プローブ１ａに力が加わっていない状態とは、例えば、プローブ１ａと試料表面とが接触していないため、接触時の力によるカンチレバーの無変形がない状態である。

コンタクトモードにおいて、プローブ１ａと試料表面とが接触すると、プローブ１ａに力が加わることで、カンチレバー１にたわみ量やねじれ量が生じる。したがって、たわみ量やねじれ量が生じたカンチレバー１の反射面で反射されたレーザ光Ｌ２の反射スポット位置は、その中心位置Ｏから変位する。そのため、走査型プローブ顕微鏡Ａは、光検出部３２の受光面３３における当該スポット位置の移動方向を捉えることによってプローブ１ａに加わった力の大きさと方向を検出可能となる。

例えば、図１において、カンチレバー１にねじれ量が発生した場合には、光検出部３２の受光面３３においてα方向のスポット位置の変化を捉えることができる。また、カンチレバー１にたわみ量が発生した場合には、受光面３３でβ方向のスポット位置の変化を捉えることができる。

ここで、中心位置Ｏからのスポット位置の変化量は、ねじれ量やたわみ量に依存する。具体的には、カンチレバー１が＋Ｚ方向にたわんだ場合には、光検出部３２の受光面３３におけるレーザ光Ｌ２の反射スポットは、＋β方向に変化する。また、カンチレバー１が−Ｚ方向にたわんだ場合には、光検出部３２の受光面３３におけるレーザ光Ｌ２の反射スポットは、−β方向に変化する。一方、カンチレバー１が＋Ｙ方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部３２の受光面３３におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置は、＋α方向に変化する。また、カンチレバー１が−Ｙ方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部３２の受光面３３におけるレーザ光Ｌ２の反射スポットは、−α方向に変化する。

光検出部３２は、受光面３３の±Ｚ方向におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置に応じた第１検出信号を制御装置５に出力する。すなわち、第１検出信号は、カンチレバー１のたわみ量に応じたＤＩＦ信号（たわみ信号）である。また、光検出部３２は、受光面３３の±Ｙ方向におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置に応じた第２検出信号を制御装置５に出力する。すなわち、第２検出信号は、カンチレバー１のねじれ量に応じたＦＦＭ信号（ねじれ信号）である。

図１に戻り、加熱装置４は、制御装置５により駆動されることで、カンチレバー１の温度を変化させる。なお、この加熱装置４は、カンチレバー１を加熱可能な構成であればよく、その加熱方法には特に限定されない。例えば、加熱装置４は、以下に説明する方法において、カンチレバー１を加熱することができる。

例えば、図３に示すように、加熱装置４は、光照射部４ａを備え、制御装置５からの信号（以下、「加熱信号」という。）に基づいて、その光照射部４ａからカンチレバー１の表面Ｆ２に対してレーザ光や赤外線等の光を照射することで、カンチレバー１の表面Ｆ２を加熱してもよい。以下に、カンチレバー１に光を照射することで、当該カンチレバーを加熱する方式を、光加熱方式と称する。

また、図４に示すように、加熱装置４は、マイクロ波を照射させることが可能なマイクロ波照射部４ｂを備え、制御装置５からの加熱信号に基づいて、そのマイクロ波照射部４ｂからカンチレバー１の表面Ｆ２に対してマイクロ波を照射することで、カンチレバー１の表面Ｆ２を加熱してもよい。以下に、カンチレバー１に光を照射することで、当該カンチレバーを加熱する方式を、マイクロ波加熱方式と称する。

また、図５に示すように、加熱装置４は、カンチレバー１に通電することでカンチレバー１を通電加熱してもよい。例えば、加熱装置４は、抵抗体４１ｃ、第１の電極４２ｃ、第２の電極４３ｃ、及び電圧印加部４４ｃを備える。

抵抗体４１ｃは、カンチレバー１に設けられている。例えば、抵抗体４１ｃは、発熱可能な抵抗を含む導電性部材であって、カンチレバー１に形成されている。
第１の電極４２ｃは、カンチレバー１の表面Ｆ２に設けられ、抵抗体４１ｃの第１端に電気的に接続されている。
第２の電極４３ｃは、カンチレバー１の表面Ｆ２に設けられ、抵抗体４１ｃの第２端に電気的に接続されている。
電圧印加部４４ｃは、制御装置５からの加熱信号に基づいて、第１の電極４２ｃ及び第２の電極４３ｃの間に所定の電圧を印加し抵抗体４１ｃに電流を流すことで発熱させる。これにより、カンチレバー１が加熱される。

また、図６に示すように、加熱装置４は、電磁誘導によりカンチレバー１に誘導電流を発生させることでカンチレバー１を通電加熱してもよい。例えば、加熱装置４は、電流回路４１ｄ、第１の電極４２ｄ、第２の電極４３ｄ、及び電圧印加部４４ｄを備える。

電流回路４１ｄは、抵抗体を備える回路であって、カンチレバー１に設けられている。
第１の電極４２ｄは、カンチレバー１の裏面Ｆ１側に設けられている。
第２の電極４３ｄは、カンチレバー１の表面Ｆ２側に設けられている。
電圧印加部４４ｄは、制御装置５からの加熱信号に基づいて、第１の電極４２ｃ及び第２の電極４３ｃの間に交流の電圧を印加することで、電流回路４１ｄに誘導電流を発生させて抵抗体に電流を流す。これにより、カンチレバー１の表面Ｆ２が加熱される。
なお、第１の電極４２ｄと第２の電極４３ｄとは、電極の変わりに電磁石でもよい。

次に、第１の実施形態に係る制御装置５について、説明する。
図１に示すように、制御装置５は、判定部６、制御部７、及び測定部８を備える。

判定部６は、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する。なお、以下の説明において、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する処理を「接触判定処理」と称する。

また、判定部６は、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ１ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する。なお、以下の説明において、プローブ１ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する処理を「離間判定処理」と称する。

制御部７は、プローブ１ａと試料Ｓとの相対的な移動量を制御する。ここで、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料表面における、予め設定された複数の測定点のみにおいて、プローブ１ａを接触させることで、試料表面を間欠的に走査する間欠的測定方法を用いる。したがって、制御部７は、プローブ１ａを測定位置に接近させて接近動作（第１の動作）と、プローブ１ａと試料Ｓとを引き離す引離し動作（第２の動作）と、プローブ１ａを次の測定位置の上空まで移動させる移動動作と、のそれぞれの動作を制御する。

以下に、制御部７の構成について説明する。制御部７は、駆動部７１及び加熱制御部７２を備える。

駆動部７１は、移動駆動部２を制御することで、プローブ１ａ及び試料Ｓを３次元方向に対して相対的に移動させる。
具体的には、駆動部７１は、プローブ１ａと試料表面とを接触させるために、接近動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで、試料Ｓを上昇させる。これにより、制御部７は、プローブ１ａと試料表面とを接近させることができる。

また、駆動部７１は、プローブ１ａと試料表面とを引き離すために、引離し動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで、試料Ｓを下降させる。これにより、駆動部７１は、試料表面をプローブ１ａから引き離す方向に動作させることができる。

さらに、制御部７は、ＸＹスキャナー２２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ１ａを移動させる。

加熱制御部７２は、加熱装置４の出力を制御する。具体的には、加熱制御部７２は、加熱装置４の出力を制御することで、カンチレバー１の温度変化によるたわみを制御する。この温度変化によるカンチレバー１のたわみをカンチレバー１の熱変形という。

例えば、加熱制御部７２は、加熱装置４に加熱信号を出力することで、加熱装置４を駆動する。これにより、カンチレバー１の表面Ｆ２は、加熱装置４により加熱され、熱変形として熱膨張する（カンチレバー１が試料Ｓから離れる方向にたわむ）。一方、加熱制御部７２は、加熱装置４に対する加熱信号の出力を停止することで、加熱装置４の駆動を停止させる。これにより、カンチレバー１に対する加熱装置４の加熱が停止され、カンチレバー１の表面Ｆ２は、温度が低下することで熱変形として収縮する（カンチレバー１が試料Ｓに接近する方向にたわむ）。

測定部８は、プローブ１ａと試料表面とが接触している状態で、試料表面の凸凹形状を測定する。例えば、測定部８は、接触判定処理によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定された場合には、接近動作において試料Ｓがプローブ１ａに対して相対的に移動した距離（以下、単に「相対距離」という。）を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する。例えば、測定部８は、プローブ１ａと試料表面とが接触している状態における駆動信号の電圧値に基づいて相対距離を算出してもよい。また、測定部８は、試料台Ｈの変位をセンサー（不図示）により直接計測してもよいし、試料台Ｈの高さをセンサー（不図示）により直接計測してもよい。また、接触判定処理によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定する動作と、相対距離の測定の動作とを同時進行的に行い、接触したと判定した時の相対距離により試料表面の凹凸形状を測定してもよい。

次に、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａの間欠的測定方法の流れについて、図７を用いて説明する。なお、初期条件として、所定の測定点における測定下降位置にプローブ１ａが位置している場合とする。

駆動部７１は、接近動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力し、試料台Ｈを上昇させることで接近動作を開始する（ステップＳ１０１）。

判定部６は、駆動部７１により接近動作が開始された場合には、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を実行する（ステップＳ１０２）。

以下に、本実施形態に係る接触判定処理について、説明する。
判定部６は、光検出部３２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が、第１の範囲を超えた場合に、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定する。また、判定部６は、光検出部３２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が、第２の範囲を超えた場合に、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定する。

このように、判定部６は、光検出部３２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲を超える第１条件と、光検出部３２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲を超える第２条件と、のうち少なくともいずれか一方が成立した場合に、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定する。なお、上記では、第１検出信号と第２検出信号が、独立して判定される例であるが、判定部６内で、「第１検出信号の２乗」と「第２検出信号の２乗」を足し合わせ、その和の平方根の正の数が、一定以上となった場合に接したと判定する等、特性に応じた設定値により判定してもよい。

駆動部７１は、上記接触判定処理により、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定した場合には、接近動作信号の出力を停止して、接近動作を停止する（ステップＳ１０３）。この場合には、プローブ１ａが試料表面に接触しているため、カンチレバーに一定以上のねじれやたわみが生じている。そして、測定部８は、接近動作が停止された状態で相対距離を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する（ステップＳ１０４）。また、接触判定処理によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定する動作と、相対距離の測定の動作とを同時進行的に行い、接触したと判定した時の相対距離により試料表面の凹凸形状を測定してもよい。

制御部７は、測定部８による相対距離の測定が完了した場合には、試料Ｓとプローブ１ａとを引き離す引離し動作を開始する。すなわち、加熱制御部７２は、カンチレバー１を熱変形するように加熱装置４の出力を制御して、引離し動作を開始する（ステップＳ１０５）。

具体的には、加熱制御部７２は、引離し動作を開始するにあたり、加熱装置４に駆動信号を出力する。加熱装置４は、加熱制御部７２から駆動信号を取得すると、カンチレバー１の表面Ｆ２を加熱する。これにより、カンチレバー１の表面Ｆ２が加熱膨張し、カンチレバー１は、裏面Ｆ１側に向かって上方（＋Ｚ）に反るように熱変形する。したがって、この熱変形により引離し動作が開始される。

ここで、熱変形の応答速度は、圧電素子の応答速度よりも圧倒的に速い。すなわち、カンチレバー１の熱変形による引離し動作（第１の引離し動作）の応答速度は、Ｚ方向駆動装置２１（微動機構）による引離し動作（第２の引離し動作）の応答速度よりも圧倒的に速い。そのため、本実施形態では、Ｚ方向駆動装置２１ではなくカンチレバー１の熱変形を利用して引離し動作を開始することで、試料表面における凸凹形状の測定時間を短縮化する。

カンチレバー１の熱変形による第１の引離し動作の開始と同時に、駆動部７１は、離し動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで、試料Ｓをプローブ１ａから引き離す方向に動作させる第２の引離し動作を開始する（ステップＳ１０６）。両方の引離しを同時に始動しても、応答の速い熱変形の引離しが先行し、応答の遅い微動機構の引離しが後から追従する動きとなる。上記両方の引離し動作は、一定時間実行され、その後終了する（ステップＳ１０７）。この一定時間とは、Ｚの微動機構が応答し、熱変形した変形量と同等以上となるタイミングまでである。

制御部７は、引離し動作が停止されると、ＸＹスキャナー２２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ１ａを移動させる（ステップＳ１０８）。そして、制御部７は、次の測定位置においても、ステップＳ１０１からステップＳ１０８の動作を行う。すなわち、走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料Ｓの各測定点に対応して、ステップＳ１０１からステップＳ１０９の動作を行うことで、試料表面を間欠的に走査する。

次に、第１の実施形態に係る効果について、説明する。
コンタクトモードで間欠的測定方法を行う走査型プローブ顕微鏡では、各測定位置において接近動作と引離し動作とを実行する。したがって、間欠的測定方法では、連続的にプローブを走査させて試料表面の凸凹形状を測定する方法よりも、その凸凹形状の測定時間が長くなることが問題となる。

そこで、間欠的測定方法において、凸凹形状の測定時間の短縮化のために、接近動作や引離し動作を高速で行うことが求められている。ただし、接近動作や引離し動作を微動機構、すなわち圧電素子で行う従来の方法では、その圧電素子の応答遅れが上記測定時間の短縮化の妨げになっている。

より具体的には、一般的に、間欠的測定方法では、接近動作を行っている場合においてプローブと試料表面とが接触し、そのカンチレバーに加わる力が目標値（Ｆ0）に達した時点で引離し動作が行われる。ただし、カンチレバーに加わる力が目標値に達したことを検出してから実際に引き離し動作が開始するまでに、すなわちプローブと試料表面とが引離す方向に移動し始めるまでには時間差（応答遅れ）ΔＴ（ｍｓｅｃ）が発生する。そのため、目標値の力を超えた力Ｆ（ｎＮ）が発生し、その力Ｆの力だけ更に押し込むこととなる。なお、プローブと試料表面との接近速度をＶ（ｎｍ/ｍｓｅｃ）、カンチレバーのバネ定数をＫ（Ｎ/ｍ）とした場合、力Ｆ（ｎＮ）は、フックの法則より以下の関係式（１）で表すことができる。

Ｆ（ｎＮ）＝Ｖ（ｎｍ/ｍｓｅｃ)×ΔＴ（ｍｓｅｃ)×Ｋ（Ｎ/ｍ） …（１）

間欠的測定方法において凸凹形状の測定時間を短縮化する方法として、単純に接近速度Ｖを速くする方法がある。ただし、その方法では、上記関係式（１）からも明らかなように、接近速度Ｖを速くすると力Ｆが大きくなり、Ｆ0＜＜Ｆの状態となると、プローブの破損や試料の変形が発生してしまうおそれがある。そのため、プローブの破損や試料の変形を防止するために力Ｆを所定値に抑えようとすると、接近速度Ｖを速くできず従来の方法では測定時間が短縮化できない。

例えば、走査型プローブ顕微鏡において、仮に、バネ定数が４０Ｎ/ｍの一般的なカンチレバーを使用し、プローブの破損や試料の変形が防止できる力（Ｆ＋Ｆ0：ただしＦ＞＞Ｆ0とする）が１０ｎＮ以下であることを前提としたとする。この場合において、接近動作や引離し動作を圧電素子で行う従来の方法において、接触速度の上限を見積もる。

一般的に、チューブ型のPZT圧電素子の場合には、０．２ｍｓｅｃ程度の応答遅れΔＴが発生する。また、高速で動作する積層型PZT圧電素子でも、０．０４ｍｓｅｃ程度の応答遅れΔＴが発生する。したがって、関係式（１）により、接近速度Ｖの上限は、チューブ型PZT圧電素子で「１．２５ｎｍ/ｍｓｅｃ」、積層型PZT圧電素子で「６．２５ｎｍ/ｍｓｅｃ」となる。

一方、本実施形態における間欠的測定方法では、圧電素子ではなく、カンチレバー１の熱変形を利用して引き離し動作を実行する。走査型プローブ顕微鏡Ａにおいて、カンチレバー１に加わる力が目標値に達したことを検出してからカンチレバー１が熱変形するまでの時間は、実施例として０．１μｓｅｃであった。すなわち、カンチレバー１に加わる力が目標値に達したことを検出してから実際に引き離し動作が開始するまでの時間、すなわち応答遅れΔＴは０．１μｓｅｃとなる。したがって、バネ定数Ｋ＝４０Ｎ/ｍ、力（Ｆ＋Ｆ0：ただしＦ＞＞Ｆ0とする）＝１０ｎＮとした場合には、接近速度Ｖ＝２５００ｎｍ/ｍｓｅｃとなり、チューブ型PZT圧電素子の２０００倍、積層型PZT圧電素子の４００倍の速さで接近動作を行うことができる。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ａは、従来と比較して、測定時間の大幅な短縮が可能となる。

上述したように、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａは、カンチレバー１を熱変形させることにより引離し動作を実行する。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ａは、従来と比較して、測定時間の大幅な短縮が可能となる。

また、走査型プローブ顕微鏡Ａは、カンチレバー１の熱変形と、微動機構（移動駆動部２）とを併用して引離し動作を実行してもよい。なお、本実施形態では、カンチレバー１を熱変形させて第１の引離し動作を実行した後に、微動機構による第２の引離し動作を実行したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１の引離し動作と第２の引離し動作とを同時に実行してもよい。

また、カンチレバー１は、単一材料（例えば、Ｓｉ）で構成されてもよいし、裏面Ｆ１及び表面Ｆ２が膨張係数の異なる材料で構成されてもよい。例えば、走査型プローブ顕微鏡Ａにおいては、表面Ｆ２を加熱することが熱変形させるため、例えば、カンチレバー１は、表面Ｆ２の熱膨張係数が裏面Ｆ１の膨張係数よりも大きくなるように構成されてもよい。例えば、カンチレバー１の表面Ｆ２に裏面Ｆ１よりも大きい熱膨張係数を有する良導体の層が形成されることで、表面Ｆ２が裏面Ｆ１よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されてもよい。具体的には、裏面Ｆ１がＳｉで形成され、表面Ｆ２がＡｌで形成される。

（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂについて、図面を用いて説明する。第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂは、引離し動作を行う場合において、加熱装置４がカンチレバー１の表面Ｆ２ではなく、裏面Ｆ１を加熱する点で第１の実施形態と相違する。

図８は、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの概略構成の一例を示す図である。図８に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、カンチレバー１、移動駆動部２、変位検出部３、加熱装置４Ｂ、及び制御装置５Ｂを備えている。

加熱装置４Ｂは、カンチレバー１の裏面Ｆ１を加熱する。なお、この加熱装置４Ｂは、カンチレバー１を加熱可能な構成であればよく、その加熱方法には特に限定されない。例えば、加熱装置４Ｂは、第１の実施形態と同様に、光加熱方式やマイクロ波方式で、カンチレバー１の裏面Ｆ１を加熱してもよい。また、加熱装置４Ｂは、カンチレバー１の表面Ｆ２に通電加熱してもよい。例えば、加熱装置４は、抵抗体４１ｃ、第１の電極４２ｃ、第２の電極４３ｃ、及び電圧印加部４４ｃを備える。ただし、この場合には、抵抗体４１ｃ、第１の電極４２ｃ、第２の電極４３ｃは、カンチレバー１の裏面Ｆ１に設けられる。また、加熱装置４Ｂは、電磁誘導によりカンチレバー１の表面Ｆ２に誘導電流を発生させてカンチレバー１を通電加熱してもよい。例えば、加熱装置４は、電流回路４１ｄ、第１の電極４２ｄ、第２の電極４３ｄ、及び電圧印加部４４ｄを備える。ただし、この場合には、電流回路４１ｄは、カンチレバー１の裏面Ｆ１に設けられる。

次に、第２の実施形態に係る制御装置５Ｂについて、説明する。
図１に示すように、制御装置５Ｂは、判定部６、制御部７Ｂ、及び測定部８を備える。

制御部７Ｂは、プローブ１ａと試料Ｓとの相対的な移動量を制御する。ここで、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、第１の実施形態と同様に、試料表面における、予め設定された複数の測定点のみにおいて、プローブ１ａを接触させることで、試料表面を間欠的に走査する間欠的測定方法を用いる。したがって、制御部７Ｂは、プローブ１ａを測定位置に接近させる接近動作と、プローブ１ａと試料Ｓとを引き離す引離し動作と、プローブ１ａを次の測定位置の上空まで移動させる移動動作と、のそれぞれの動作を制御する。

以下に、第２の実施形態に係る制御部７Ｂの構成について説明する。制御部７Ｂは、駆動部７１及び加熱制御部７２Ｂを備える。

加熱制御部７２Ｂは、加熱装置４Ｂの出力を制御する。具体的には、加熱制御部７２Ｂは、加熱装置４Ｂの出力を制御することで、カンチレバー１の温度変化によるたわみを制御する。

例えば、加熱制御部７２Ｂは、加熱装置４Ｂに加熱信号を出力することで、加熱装置４Ｂを駆動する。これにより、カンチレバー１の裏面Ｆ１は、加熱装置４により加熱され、熱変形として熱膨張する（カンチレバー１が試料Ｓから離れる方向にたわむ）。一方、加熱制御部７２Ｂは、加熱装置４Ｂに対する加熱信号の出力を停止することで、加熱装置４の駆動を停止させる。これにより、カンチレバー１に対する加熱装置４Ｂの加熱が停止され、カンチレバー１の表面Ｆ２は、熱変形として収縮する（カンチレバー１が試料Ｓから離れる方向にたわむ）。

以下に、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの間欠的測定方法の流れについて、図９を用いて説明する。なお、初期条件として、所定の測定点における測定下降位置にプローブ１ａが位置している場合とする。

まず、制御部７Ｂは、接近動作を開始する前に、カンチレバー１の裏面Ｆ１を加熱して熱変形させる。すなわち、加熱制御部７２Ｂは、カンチレバー１を熱変形させるように加熱装置４Ｂの出力を制御する（ステップＳ２０１）。

具体的には、加熱制御部７２Ｂは、加熱装置４Ｂに駆動信号を出力する。加熱装置４Ｂは、加熱制御部７２Ｂから駆動信号を取得すると、カンチレバー１の裏面Ｆ１を加熱する。これにより、カンチレバー１の裏面Ｆ１が加熱膨張し、カンチレバー１は、表面Ｆ２側に向かって下方（−Ｚ）に曲がるように熱変形する。

駆動部７１は、カンチレバー１が表面Ｆ２側に向かって下方（−Ｚ）に熱変形した状態で、接近動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで接近動作を開始する（ステップＳ２０２）。

判定部６は、駆動部７１により接近動作が開始された場合には、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を実行する（ステップＳ２０３）。なお、第２の実施形態に係る接触判定処理は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

駆動部７１は、上記接触判定処理により、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定した場合には、接近動作信号の出力を停止して、接近動作を停止する（ステップＳ２０４）。この場合には、プローブ１ａが試料表面に接触しているため、カンチレバーに一定以上のねじれやたわみが生じている。そして、測定部８は、接近動作が停止された状態で相対距離を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する（ステップＳ２０５）。

制御部７Ｂは、測定部８による相対距離の測定が完了した場合には、カンチレバー１への加熱を停止させるように加熱装置４Ｂの出力を制御して、引離し動作を開始する（ステップＳ２０６）。

具体的には、加熱制御部７２Ｂは、引離し動作を開始するにあたり、加熱装置４Ｂに対する駆動信号の出力を停止する。したがって、加熱装置４Ｂは、加熱制御部７２Ｂからの駆動信号が消失すると、カンチレバー１の裏面Ｆ１への加熱を停止する。これにより、膨張していたカンチレバー１の裏面Ｆ１が収縮し、カンチレバー１は、裏面Ｆ１側に向かって上方（＋Ｚ）に熱変形する。したがって、この熱変形により引離し動作（第１の引離し動作）が開始される。

ここで、カンチレバー１の熱変形による引離し動作（第１の引離し動作）の応答速度は、Ｚ方向駆動装置２１（微動機構）による引離し動作（第２の引離し動作）の応答速度よりも圧倒的に速い。そのため、本実施形態では、Ｚ方向駆動装置２１ではなく、温度が低下することによるカンチレバー１の熱変形を利用して引離し動作を開始することで、試料表面における凸凹形状の測定時間を短縮化する。

裏面Ｆ１の温度が低下することによってカンチレバー１が熱変形し、この熱変形により第１の引離し動作の開始と同時に、駆動部７１は、離し動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで、試料Ｓをプローブ１ａから引き離す方向に動作させる第２の引離し動作を開始する（ステップＳ２０７）。なお、両方の引離しを同時に始動しても、応答の速い熱変形の引離しが先行し、応答の遅い微動機構の引離しが後から追従する動きとなる。上記両方の引離し動作は、一定時間実行され、その後終了する（ステップＳ２０８）。この一定時間とは、Ｚの微動機構が応答し、熱変形した変形量と同等以上となるタイミングまでである。

制御部７Ｂは、引離し動作が停止されると、ＸＹスキャナー２２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ１ａを移動させる（ステップＳ２０９）。そして、制御部７Ｂは、次の測定位置においてもステップＳ２０１からステップＳ２１０の動作を行う。すなわち、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料Ｓの各測定点に対応して、ステップＳ２０１からステップＳ２０９の動作を行うことで、試料表面を間欠的に走査する。

上述したように、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂは、カンチレバー１を熱変形させることにより引離し動作を実行する。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、測定時間の大幅な短縮という第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、走査型プローブ顕微鏡Ｂにおいては、例えば、カンチレバー１は、裏面Ｆ１の膨張係数が表面Ｆ２の熱膨張係数よりも大きくなるように構成されてもよい。これにより、カンチレバー１において加熱される裏面Ｆ１の温度勾配による熱膨張だけでなく、バイメタル的な効果により、引離し動作が増強され、速く長い距離の引離し動作が可能となる。なお、この場合には、カンチレバー１の裏面Ｆ１を加熱するのではなく、カンチレバー１の全体を加熱してもよい。

また、第２の実施形態に係るカンチレバー１は、単一材料（例えば、Ｓｉ）で構成されてもよいし、裏面Ｆ１及び表面Ｆ２が膨張係数の異なる材料で構成されてもよい。例えば、第２の実施形態に係るカンチレバー１は、裏面Ｆ１の熱膨張係数が表面Ｆ２の膨張係数よりも大きくなるように構成されてもよい。例えば、カンチレバー１の裏面Ｆ１に表面Ｆ２よりも大きい熱膨張係数を有する良導体の層が形成されることで、裏面Ｆ１が表面Ｆ２よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されてもよい。具体的には、裏面Ｆ１がＡｌで形成され、表面Ｆ２がＳｉで形成される。

また、加熱制御部７２Ｂは、引離し動作を開始するにあたり、加熱装置４Ｂに対する駆動信号の出力を停止したが、これに限定されない。例えば、加熱制御部７２Ｂは、引離し動作を開始するにあたり、加熱装置４Ｂの出力を停止させるのではなく、加熱装置４Ｂの出力を接近動作時よりも下げればよい。

（第３の実施形態）
以下に、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃについて、図面を用いて説明する。第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃは、加熱装置４を設けず、光照射部３１でカンチレバー１を熱変形させる点で上記実施形態と相違する。

図１０は、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの概略構成の一例を示す図である。図１０に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、カンチレバー１、移動駆動部２、変位検出部３、及び制御装置５Ｃを備えている。

制御装置５Ｃは、判定部６、制御部７Ｃ、及び測定部８を備える。

制御部７Ｃは、光照射部３１の照射強度を制御する。
また、制御部７Ｃは、プローブ１ａと試料Ｓとの相対的な移動量を制御する。ここで、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、第１の実施形態と同様に、試料表面における、予め設定された複数の測定点のみにおいて、プローブ１ａを接触させることで、試料表面を間欠的に走査する間欠的測定方法を用いる。したがって、制御部７Ｃは、プローブ１ａを測定位置に接近させる接近動作と、プローブ１ａと試料Ｓとを引き離す引離し動作と、プローブ１ａを次の測定位置の上空まで移動させる移動動作と、のそれぞれの動作を制御する。

以下に、第３の実施形態に係る制御部７Ｃの構成について説明する。制御部７Ｃは、駆動部７１及びレーザ制御部７２Ｃを備える。

レーザ制御部７２Ｃは、光照射部３１の出力を制御することで、光照射部３１から照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を制御する。ここで、光照射部３１は、カンチレバー１の裏面（第１の面）Ｆ１にレーザ光Ｌ１を照射する。したがって、カンチレバー１の裏面Ｆ１は、このレーザ光Ｌ１により加熱される。そのため、レーザ制御部７２Ｃは、レーザ光Ｌ１の照射強度を強めたり弱めたりすることで、カンチレバー１の裏面Ｆ１の温度を変化させ、熱変形させることができる。すなわち、レーザ制御部７２Ｃは、光照射部３１の出力を制御することで、カンチレバー１の温度変化によるたわみを制御する。

次に、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの間欠的測定方法の流れについて、図１１を用いて説明する。なお、初期条件として、所定の測定点における測定下降位置にプローブ１ａが位置している場合とする。

レーザ制御部７２Ｃは、光照射部３１の出力を制御し、光照射部３１から照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を第１の照射強度に制御する（ステップＳ３０１）。これにより、光照射部３１から照射された第１の照射強度のレーザ光Ｌ１は、カンチレバー１の裏面Ｆ１で反射して光検出部３２の受光面３３の中心付近に入射する。さらに、カンチレバー１の裏面Ｆ１は、この光照射部３１から照射された第１の照射強度のレーザ光Ｌ１により加熱される。これにより、カンチレバー１の裏面Ｆ１が加熱膨張し、当該カンチレバー１は、表面Ｆ２側に向かって下方（−Ｚ）に曲がるように熱変形する。

駆動部７１は、カンチレバー１が表面Ｆ２側に向かって下方（−Ｚ）に熱変形した状態で、接近動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで接近動作を開始する（ステップＳ３０２）。

判定部６は、駆動部７１により接近動作が開始された場合には、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を実行する（ステップＳ３０３）。なお、第３の実施形態に係る接触判定処理は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

駆動部７１は、上記接触判定処理により、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定した場合には、接近動作信号の出力を停止して、接近動作を停止する（ステップＳ３０４）。この場合には、プローブ１ａが試料表面に接触しているため、カンチレバーに一定以上のねじれやたわみが生じている。そして、測定部８は、接近動作が停止された状態で相対距離を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する（ステップＳ３０５）。

レーザ制御部７２Ｃは、測定部８による相対距離の測定が完了した場合には、光照射部３１の出力を制御して、光照射部３１から照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を第１の照射強度から第２の照射強度に弱める。すなわち、レーザ制御部７２Ｃは、引離し動作を開始するにあたり、光照射部３１から照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を第１の照射強度から第２の照射強度に弱める。これにより、膨張していたカンチレバー１の裏面Ｆ１は温度が低下することで収縮する。すなわち、カンチレバー１は、裏面Ｆ１側に向かって上方（＋Ｚ）に熱変形する。したがって、この熱変形により引離し動作（第１の引離し動作）が開始される（ステップＳ３０６）。

ここで、カンチレバー１の熱変形による引離し動作（第１の引離し動作）の応答速度は、Ｚ方向駆動装置２１（微動機構）による引離し動作（第２の引離し動作）の応答速度よりも圧倒的に速い。そのため、本実施形態では、Ｚ方向駆動装置２１ではなく、温度が低下することによるカンチレバー１の熱変形を利用して引離し動作を開始することで、試料表面における凸凹形状の測定時間を短縮化する。

裏面Ｆ１の温度が低下することによってカンチレバー１が熱変形し、この熱変形により第１の引離し動作の開始と同時に、駆動部７１は、離し動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで、試料Ｓをプローブ１ａから引き離す方向に動作させる第２の引離し動作を開始する（ステップＳ３０７）。両方の引離しを同時に始動しても、応答の速い熱変形の引離しが先行し、応答の遅い微動機構の引離しが後から追従する動きとなる。上記両方の引離し動作は、一定時間実行され、その後終了する（ステップＳ３０８）。この一定時間とは、Ｚの微動機構が応答し、熱変形した変形量と同等以上となるタイミングまでである。

制御部７Ｃは、引離し動作が停止されると、ＸＹスキャナー２２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ１ａを移動させる（ステップＳ３０９）。そして、制御部７Ｃは、次の測定位置においてもステップＳ３０１からステップＳ３１０の動作を行う。すなわち、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、試料Ｓの各測定点に対応して、ステップＳ３０１からステップＳ３０９の動作を行うことで、試料表面を間欠的に走査する。

上述したように、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃは、カンチレバー１を熱変形させることにより引離し動作を実行する。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、測定時間の大幅な短縮という第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃは、加熱装置４を設けずに、光てこの光源である光照射部３１でカンチレバー１を熱変形させる。すなわち、走査型プローブ顕微鏡Ｃでは、光照射部３１が加熱用の光照射部４ａを兼用することで、光てこの光路とカンチレバー１の加熱用の光路とを両立させる。これにより、カンチレバー１を熱変形させるために加熱装置４を追加することがなく、低コストとなる。

また、第３の実施形態では、カンチレバー１の根本ではなく、カンチレバー１の先端を光で加熱するため、カンチレバー１の裏面Ｆ１をより高い温度で温めることができるので、大きな熱変形を発生させることができる。

また、カンチレバー１にレーザ光を照射することで当該カンチレバー１を加熱する場合において、その加熱によりカンチレバー１を熱変形させるために必要な熱量は、カンチレバー１のバネ定数に応じて変化する。したがって、カンチレバー１のバネ定数に応じて光照射部４ａから照射するレーザ光の照射強度を決定してもよい。

また、走査型プローブ顕微鏡Ｃにおいては、例えば、カンチレバー１は、裏面Ｆ１の膨張係数が表面Ｆ２の熱膨張係数よりも大きくなるように構成されてもよい。これにより、カンチレバー１において加熱される裏面Ｆ１の温度勾配による熱膨張だけでなく、バイメタル的な効果により、引離し動作が増強され、速く長い距離の引離し動作が可能となる。なお、この場合には、カンチレバー１の裏面Ｆ１を加熱するのではなく、カンチレバー１の全体を加熱してもよい。

例えば、カンチレバー１の裏面Ｆ１に弾性レバー部材よりも大きい熱膨張係数を有する良導体の層が形成されることで、裏面Ｆ１が表面Ｆ２よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されてもよい。

また、カンチレバー１の表面Ｆ２に弾性レバー部材より小さい熱膨張係数を有する良導体の層が形成されることで、裏面Ｆ１が表面Ｆ２よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されてもよい。

（第３の実施形態の変形例）
第３の実施形態の変形例として、光照射部３１からカンチレバー１の裏面（第１の面）Ｆ１の反射面に対して照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を調整する調光用素子９１を備えてもよい。この場合においては、調光用素子９１でレーザ光Ｌ１の照射強度を制御するため、光照射部３１の出力は一定でよい。すなわち、第３の実施形態の変形例では、第３の実施形態のようにレーザ制御部７２Ｃにより光照射部３１の出力を制御する必要がない。第３の実施形態の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃ´と、第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡Ｃとは、加熱装置４を設けず、光照射部３１でカンチレバー１を熱変形させる点では一致する。ただし、第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡Ｃでは、光照射部３１の出力を制御することでレーザ光Ｌ１の照射強度を変化させてカンチレバー１を熱変形させることに対して、第３の実施形態の変形例に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃ´では、光照射部３１の出力を一定にして、調光用素子９１によりレーザ光Ｌ１の照射強度を変化させてカンチレバー１を熱変形させる点で異なる。なお、その他の走査型プローブ顕微鏡Ｃ´の間欠測定方法の動作は、走査型プローブ顕微鏡Ｃの間欠的測定方法の動作と同様である。

具体的には、図１２に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｃ´は、カンチレバー１、移動駆動部２、変位検出部３、調光用素子９１及び制御装置５Ｃ´を備えている。

調光用素子９１は、光照射部３１からカンチレバー１の裏面（第１の面）Ｆ１の反射面に対して照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を調整するものであって、例えば、音響光学変調器や電気光学変調器である。

制御装置５Ｃ´は、判定部６、制御部７Ｃ´、及び測定部８を備える。制御部７Ｃ´は、駆動部７１及びレーザ制御部７２Ｃ´を備える。

レーザ制御部７２Ｃ´は、調光用素子９１に制御信号を出力することで、調光用素子９１を制御して駆動してレーザ光Ｌ１の照射強度を調整する。すなわち、調光用素子９１は、レーザ制御部７２Ｃからの制御信号を応じて、光照射部３１から照射されたレーザ光Ｌ１の強度を強めたり弱めたりすることで、カンチレバー１の裏面Ｆ１の温度を変化させ、熱変形させることができる。このように、調光用素子９１は、光照射部３１から照射されたレーザ光Ｌ１の強度を制御することで、カンチレバー１の温度変化によるたわみを制御する。

具体的には、調光用素子９１は、判定部６によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定された後に第１の引離し動作を実行する場合には、レーザ制御部７２Ｃ´からの制御信号に応じて、光照射部３１から照射されたレーザ光Ｌ１の照射強度を第１の照射強度から第２の照射強度に弱める。これにより、膨張していたカンチレバー１の裏面Ｆ１は温度が低下することで収縮する。すなわち、カンチレバー１は、裏面Ｆ１側に向かって上方（＋Ｚ）に熱変形する。したがって、第３の実施形態と同様に、この熱変形により第１の引離し動作が開始される。
これにより、第３の実施形態と比較して、より簡易に光照射部３１から照射されるレーザ光Ｌ１の照射強度を制御することができる。

（第４の実施形態）
以下に、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄについて、図面を用いて説明する。第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄは、ピエゾ抵抗素子を用いた自己検知方式によりカンチレバー１の変位を検出する装置であって、当該カンチレバー１に設けられた上記ピエゾ抵抗素子を用いてそのカンチレバー１を熱変形させる点で上記実施形態と相違する。

図１３は、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄの概略構成の一例を示す図である。図１３に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、カンチレバー１、移動駆動部２、変位検出部３Ｄ、及び制御装置５Ｄを備えている。

変位検出部３Ｄは、カンチレバー１に設けられ、カンチレバー１のたわみ量の変位を検出する。この変位検出部３Ｄは、光てこ式ではなく、ピエゾ抵抗素子の抵抗値によりカンチレバー１の変位を検出する。以下に、変位検出部３Ｄの構成について、図１４を用いて説明する。

図１４に示すように、変位検出部３Ｄは、ピエゾ抵抗素子３１Ｄ、第１の電極３２Ｄ、及び第２の電極３３Ｄを備える。

ピエゾ抵抗素子３１Ｄは、カンチレバー１の表面Ｆ２に設けられている。このピエゾ抵抗素子３１Ｄは、カンチレバー１の変位量に応じて抵抗値が変化する。

第１の電極３２Ｄは、カンチレバー１の表面Ｆ２に設けられ、ピエゾ抵抗素子３１Ｄの第１端に電気的に接続されている。また、第１の電極３２Ｄは、制御装置５Ｄに電気的に接続されている。
第２の電極３３Ｄは、カンチレバー１の表面Ｆ２に設けられ、ピエゾ抵抗素子３１Ｄの第２端に電気的に接続されている。また、第２の電極３３Ｄは、制御装置５Ｄに電気的に接続されている。

次に、第４の実施形態に係る制御装置５Ｄについて、説明する。
図１３に示すように、制御装置５Ｄは、判定部６Ｄ、制御部７Ｄ、及び測定部８を備える。

判定部６Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとのそれぞれに接続されている。判定部６Ｄは、ピエゾ抵抗素子３１Ｄの抵抗値の変化を検出することで、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する。すなわち、判定部６Ｄは、ピエゾ抵抗素子３１Ｄの抵抗値の変化に基づいて接触判定処理を行う。

具体的には、判定部６Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に電圧が印加されることでピエゾ抵抗素子３１Ｄに流れる電流（以下、「変位検出電流」という。）を検出し、この検出した変位検出電流に基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する。

制御部７Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に任意の電圧を印加する。
また、制御部７Ｄは、プローブ１ａと試料Ｓとの相対的な移動量を制御する。ここで、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、第１の実施形態と同様に、試料表面における、予め設定された複数の測定点のみにおいて、プローブ１ａを接触させることで、試料表面を間欠的に走査する間欠的測定方法を用いる。したがって、制御部７Ｄは、プローブ１ａを測定位置に接近させる接近動作と、プローブ１ａと試料Ｓとを引き離す引離し動作と、プローブ１ａを次の測定位置の上空まで移動させる移動動作と、のそれぞれの動作を制御する。

以下に、制御部７Ｄの構成について説明する。制御部７Ｄは、駆動部７１及び通電制御部７２Ｄを備える。

通電制御部７２Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に電圧を印加することでピエゾ抵抗素子３１Ｄに通電する。また、通電制御部７２Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に印加する電圧を制御することで、ピエゾ抵抗素子３１Ｄに流れる電流を制御可能である。ここで、ピエゾ抵抗素子３１Ｄは、通電制御部７２Ｄに通電されることで発熱する。すなわち、ピエゾ抵抗素子３１Ｄに通電されることで、カンチレバー１の表面Ｆ２は加熱され熱変形する。そのため、通電制御部７２Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に印加する電圧を変化させることで、カンチレバー１の表面Ｆ２の温度を変化させ、熱変形させることができる。すなわち、通電制御部７２Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に印加する電圧を制御することで、カンチレバー１の温度変化によるたわみを制御する。

以下に、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄの間欠的測定方法の流れについて、図１５を用いて説明する。なお、初期条件として、所定の測定点における測定下降位置にプローブ１ａが位置している場合とする。

通電制御部７２Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に第１の電圧を印加することでピエゾ抵抗素子３１Ｄに通電する（ステップＳ４０１）。ここで、第１の電圧を印加することでピエゾ抵抗素子３１Ｄに通電する目的は、カンチレバー１の変位を偏出するための変位検出電流を発生させることであり、カンチレバー１を熱変形させることではない。

駆動部７１は、ピエゾ抵抗素子３１Ｄに通電されると、接近動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで接近動作を開始する（ステップＳ４０２）。

判定部６Ｄは、駆動部７１により接近動作が開始された場合には、ピエゾ抵抗素子３１Ｄに流れる電流を変位検出電流として検出し、この検出した変位検出電流の値に基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する接触判定処理を実行する（ステップＳ４０３）。

駆動部７１は、判定部６Ｄによりプローブ１ａと試料表面とが接触したと判定された場合には、接近動作信号の出力を停止して、接近動作を停止する（ステップＳ４０４）。この場合には、プローブ１ａが試料表面に接触しているため、カンチレバーに一定以上のねじれやたわみが生じている。そして、測定部８は、接近動作が停止された状態で相対距離を測定することで、試料表面の凸凹形状を測定する（ステップＳ４０５）。

制御部７Ｄは、測定部８による相対距離の測定が完了した場合には、試料Ｓとプローブ１ａとを引き離す引離し動作を開始する。

具体的には、通電制御部７２Ｄは、第１の電極３２Ｄと第２の電極３３Ｄとの間に第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加してピエゾ抵抗素子３１Ｄを通電加熱する。これにより、ピエゾ抵抗素子３１Ｄに変位検出電流よりも大きい電流が流れ、当該ピエゾ抵抗素子３１Ｄは発熱する。したがって、カンチレバー１の表面Ｆ２は、ピエゾ抵抗素子３１Ｄの発熱により加熱され、加熱膨張する。その結果、カンチレバー１は、裏面Ｆ１側に向かって上方（＋Ｚ）に反るように熱変形し、引離し動作が開始される（ステップＳ４０６）。

ここで、熱変形の応答速度は、圧電素子の応答速度よりも圧倒的に速い。すなわち、カンチレバー１の熱変形による引離し動作（第１の引離し動作）の応答速度は、Ｚ方向駆動装置２１（微動機構）による引離し動作（第２の引離し動作）の応答速度よりも圧倒的に速い。そのため、本実施形態では、Ｚ方向駆動装置２１ではなく、ピエゾ抵抗素子３１Ｄを通電加熱することで自己検知型のカンチレバー１を熱変形させ引離し動作（第１の引離し動作）を開始する。これにより、試料表面における凸凹形状の測定時間が短縮する。

カンチレバー１の熱変形による第１の引離し動作の開始と同時に、駆動部７１は、離し動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力することで、試料Ｓをプローブ１ａから引き離す方向に動作させる第２の引離し動作を開始する（ステップＳ４０７）。両方の引離しを同時に始動しても、応答の速い熱変形の引離しが先行し、応答の遅い微動機構の引離しが後から追従する動きとなる。上記両方の引離し動作は、一定時間実行され、その後終了する（ステップＳ４０８）。この一定時間とは、Ｚの微動機構が応答し、熱変形した変形量と同等以上となるタイミングまでである。

制御部７Ｄは、第１の引離し動作及び第２の引離し動作が停止されると、ＸＹスキャナー２２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ１ａを移動させる（ステップＳ４０９）。そして、制御部７Ｄは、次の測定位置においても、ステップＳ４０１からステップＳ４１０の動作を行う。すなわち、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、試料Ｓの各測定点に対応して、ステップＳ４０１からステップＳ４０９の動作を行うことで、試料表面を間欠的に走査する。

上述したように、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄは、カンチレバー１を熱変形させることにより引離し動作を実行する。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、測定時間の大幅な短縮という第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｄは、ピエゾ抵抗素子を用いた自己検知方式によりカンチレバー１の変位を検出する装置であって、加熱装置４を設けずに、ピエゾ抵抗素子への通電加熱によりカンチレバー１を熱変形させる。これにより、カンチレバー１を熱変形させるために加熱装置４を追加することがなく、低コストとなる。

また、走査型プローブ顕微鏡Ｄにおいては、例えば、カンチレバー１は、表面Ｆ２の膨張係数が裏面Ｆ１の熱膨張係数よりも大きくなるように構成されてもよい。例えば、カンチレバー１の表面Ｆ２に裏面Ｆ１よりも大きい熱膨張係数を有する良導体の層が形成されることで、表面Ｆ２が裏面Ｆ１よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されてもよい。例えば、裏面Ｆ１がＳｉで形成され、表面Ｆ２がＡｌにより形成される。例えば、表面Ｆ２に設けられた変位検出部３Ｄの配線がＡｌにより配線されてもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

Ａ 走査型プローブ顕微鏡
１ カンチレバー
２ 移動駆動部（微動機構）
３ 変位検出部
４ 加熱装置
４ａ 光照射部（第１光照射部）
５ 制御装置
６ 判定部
７ 制御部
８ 測定部
３１ 光照射部（第２光照射部）
３１Ｄ ピエゾ抵抗素子
３２ 光検出部
４１ｃ 抵抗体
９１ 調光用素子
Ｆ１ 裏面（第１の面）
Ｆ２ 表面（第２の面）

Claims (10)

1. プローブが取り付けられたカンチレバーを備え、前記プローブを試料表面に間欠的に接触させることで前記試料表面を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記プローブと前記試料表面とを接触させる第１の動作と、前記第１の動作後に前記プローブと前記試料表面とを引離す第２の動作を行う制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記カンチレバーを熱変形させることにより、前記第２の動作を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記制御装置は、圧電素子を用いて前記プローブ及び前記試料表面を相対的に移動可能な微動機構を更に備え、
   前記制御装置は、前記カンチレバーの熱変形と、前記微動機構とを併用して前記第２の動作を実行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。
3. 前記カンチレバーに対して光を照射する第１光照射部を更に備え、
   前記制御装置は、前記第２の動作時において、前記第１光照射部から照射される光の照射強度を制御することで前記カンチレバーを熱変形させることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記カンチレバーの第１の面に対してレーザ光を照射する第２光照射部を有し、前記第２光照射部により照射されたレーザ光の反射により前記カンチレバーの変位量を検出する光てこ方式の変位検出部を更に備え、
   前記第２光照射部は、前記第１光照射部を兼用することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記制御装置は、
   前記第１の動作時において、前記変位検出部により検出された前記カンチレバーの変位量に基づいて、前記プローブと前記試料表面との接触の有無を判定する判定部と、
   前記判定部により前記接触があったことが判定された後に、前記第２光照射部の前記レーザ光の照射強度を前記第１の動作時よりも弱めることで前記カンチレバーを熱変形させて前記第２の動作を実行する制御部と、
   を備え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。
6. 前記第２光照射部から前記第１の面に向けて照射された前記レーザ光の照射強度を調整可能な調光用素子を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１の動作時において、前記変位検出部により検出された前記カンチレバーの変位量に基づいて、前記プローブと前記試料表面との接触の有無を判定する判定部と、
   前記判定部により前記接触があったことが判定された後に、前記調光用素子を制御して、前記前記第２光照射部から前記第１の面に向けて照射された前記レーザ光の照射強度を前記第１の動作時よりも弱めることで前記カンチレバーを熱変形させて前記第２の動作を実行する制御部と、
   を備え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。
7. 前記カンチレバーは、前記第１の面が前記第１の面とは反対側の第２の面よりも熱膨張係数が大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記カンチレバーに抵抗体を設け、
   前記制御装置は、前記第２の動作時において、前記抵抗体に通電することで前記カンチレバーを熱変形させることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記カンチレバーにピエゾ抵抗素子が設けられ、
   前記制御装置は、
   前記第１の動作時において、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて、前記プローブと前記試料表面との接触の有無を判定する判定部と、
   前記判定部により前記接触があったことが判定された後に、前記ピエゾ抵抗素子に対して通電加熱することで前記カンチレバーを熱変形させて前記第２の動作を実行する制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. プローブが取り付けられたカンチレバーを備え、前記プローブを試料表面に間欠的に接触させることで前記試料表面を走査する走査型プローブ顕微鏡の走査方法であって、
    前記プローブと前記試料表面とを接触させる第１の動作ステップと、
    前記第１の動作ステップ後に前記プローブと前記試料表面とを引離す第２の動作ステップと、
    を含み、
    第２の動作ステップは、前記カンチレバーの熱変形を利用して、前記プローブと前記試料表面とを引離すことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。

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