WO2006129561A1

WO2006129561A1 - 走査型プローブ顕微鏡およびカンチレバー駆動装置

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Publication number: WO2006129561A1
Application number: PCT/JP2006/310535
Authority: WO
Inventors: Toshio Ando; Takayuki Uchihashi; Noriyuki Kodera; Hayato Yamashita
Original assignee: National University Corporation Kanazawa University
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2006-12-07
Also published as: JPWO2006129561A1; US20090313729A1; EP1898204A1; EP1898204A4; EP1898204B1; US7958565B2; JP5164147B2

Abstract

　駆動レーザユニット（１１）は、カンチレバー（５）にレーザ光を照射して熱膨張変形を生じさせる。駆動レーザ制御部（１３）は、センサ（９）により検出されたカンチレバー（５）の変位に基づき、レーザ光の強度を制御することによってカンチレバー（５）のフィードバック制御を行う。熱応答補償回路（３５）は、カンチレバー（５）の熱伝達関数の逆伝達関数に等価な構成を有しており、光照射に対するカンチレバー（５）の熱応答の遅れを補償する。さらに、レーザ光強度の制御によってカンチレバー（５）が励振されてよい。光強度の制御によって、レバー共振系のＱ値も制御される。原子間力顕微鏡の走査速度を増大することができる。

Description

明細書

走査型プローブ顕微鏡およびカンチレバー駆動装置

技術分野

[0001] 本発明は、カンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡、および、カンチレバーの駆動装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、典型的な走査型プローブ顕微鏡 (SPM)としては、走査型トンネル顕微鏡 (S TM)および原子間力顕微鏡 (AFM)が知られている。これらのうち、 AFMは、探針を自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するセンサと、試料ステージスキャナとを備えている。センサは典型的には光てこ式のセンサである。また、試料ステージスキャナは一般にピエゾ素子で構成されており、カンチレバーに対して試料を X、 Υ、 Ζ方向に移動させる。

[0003] AFMでは、試料とカンチレバーが相対的に ΧΥ方向に走査される。このとき、カンチレバーと試料に力かる力が一定に保たれるように、 Ζ方向の変位がフィードバック制御される。この Ζ方向の変位のフィードバック制御力 Ζ走査といわれる。カンチレバーと試料に力かる力を一定に保っための試料ステージの動きから、試料表面の微細形状を得ることができる。

[0004] AFMの測定モードとしては、典型的には ACモードおよびコンタクトモードが知られている。 ACモードでは、カンチレバーが共振周波数で励振される。カンチレバーが試料に近づくと振幅が変化する。そこで、振幅が一定になるように Z方向のフィードバック制御が行われ、これによりカンチレバーと試料の距離が一定に保たれる。

[0005] 「AFMの走査速度について」

従来の AFMでは、測定が遅ぐ 1枚の画像を撮るのに分のオーダーの時間がかかる。この理由は、フィードバック走査が遅いからである。フィードバック操作は、試料ステージを上下に動力して探針と試料表面との距離を調節し、カンチレバー探針と試料とにかかる力を一定に保つことである。画像取得に時間が力かるために、例えば、試料の動きを観察することは困難である。 [0006] フィードバック走査のループには、 AFMのほとんどのデバイスが関与している。関係するデバイスは、カンチレバー、センサ、センサアンプ、制御回路、ピエゾドライブ電源、試料ステージスキャナなどである。これらのデバイスの内で、通常は試料ステージスキャナが最も遅いデバイスである。したがって、 AFMの撮影速度を上げるためには、スキャナの高速ィ匕が必須となる。

[0007] し力しながら、従来の AFMでは、スキャナの高速ィ匕の限界は低い。より詳細には、従来の AFMでは、スキャナが、マクロな大きさをもつピエゾ素子（圧電素子）によって構成されている。試料ステージはスキャナによって XYZの 3次元方向に走査される。フィードバック走査は、 Z方向走査であり、 XY方向走査に比べて高速な走査である。この Z方向走査が、ピエゾ素子の共振周波数より下の領域で行われる必要がある。したがって、走査速度を上げるためには、 Z方向走査のピエゾ素子の共振周波数を上げる必要がある。しかし、ピエゾ素子はカンチレバーなどと比べてマクロな大きさをもつているために、ピエゾ素子の共振周波数は低い。このことがスキャナの高速ィ匕を妨げる要因になる。

[0008] フィードバック走査では、試料ステージを Z方向に動かす代わりにカンチレバーが Z 方向に動力されてもよい。そこで、 MEMS技術を用いてカンチレバーに圧電薄膜を導入することにより、自己ァクチユエーシヨン機能を持ったカンチレバーが開発されている。この場合、カンチレバーは試料ステージスキャナに比べて非常に小さいので、共振周波数を容易に上げることができる。したがって、フィードバック走査の高速ィ匕が容易である。しかしながら、自己ァクチユエーシヨン機能を備えるために、カンチレバ一の構造が複雑になり、また、カンチレバーが非常に硬くなつてしまう。そのため、自己ァクチユエーシヨンタイプのカンチレバーは、生体高分子や合成高分子などの脆く柔らか!/、試料の測定に使いにく!、と!/、う限界をもって！/、る。

[0009] 「カンチレバーの Q値制御について」

ところで、カンチレバーは一種の共振系である。共振スペクトル (励振力の周波数に対するカンチレバーの変位の関係）の鋭さを表す量として、 Q値（Quality factor)がある。共振系に力かる粘性抵抗が小さいほど Q値は大きくなる。逆に、粘性抵抗が大きいと Q値は小さくなる。 [0010] 共振系の応答速度は π fZQで表される。ここで、 fは共振周波数である。 Q値が大きいほど応答速度が遅くなる。一方、外力に対する共振系の変位感度については、

Q値が大きいほど変位感度が高くなる。

[0011] カンチレバーの Q値を人工的に変化させる Q値制御は、既に提案されている。 Q値制御の原理は以下の通りである。共振系の運動方程式が、下記に示される。

[数 1] mx + yx + kx = ρ{ί)

[0012] 変位 χが検出され、変位 Xが時間微分され、さらに時間微分に係数 (Xが掛けられる。この値が励振力 F (t)に加算または減算されて、下式が得られる。

[数 2] ηύ "X + - p{t)土 i

[0013] ここで、加算（+)の場合、粘性抵抗が小さくなり、その結果、 Q値が大きくなる。減算（一）の場合、粘性抵抗が大きくなり、 Q値は小さくなる。このようにして任意に Q値を大きくしたり、小さくしたりすることができる。これにより、応答速度および変位感度を調整することができる。

[0014] カンチレバーの Q値制御は、上記の式に示されるように、カンチレバーに外力を加える制御であり、何らかの媒体を介してカンチレバーに外力をカ卩えることが考えられる。しかし、位相の遅れが生じてしまうので、時間微分によって位相が 90度変わるべきであるにもかかわらず、位相が正確に 90度にならない。そのため、制御が容易でない。また、媒体を介して外力を与える場合、周囲の力学要素も共振周波数をもつ。そのため、カンチレバーの共振周波数に外力の周波数を正確に合わせることが難しくなる。

[0015] このような事項を考慮すると、 Q値制御では、カンチレバーに直接外力をカ卩えることが望まれる。そこで、従来は、カンチレバーに強磁性体が取り付けられている。あるいは、カンチレバーが強磁性体薄膜でコートされる。そして、電磁石によって外力が力ンチレバーに加えられる。また、自己ァクチユエーシヨン機能を備えたカンチレバーにおいても、カンチレバーに直接外力を及ぼすことができる。し力しながら、このような構成では、カンチレバーの特殊加工が必要であり、また、カンチレバーの力学特性 (共振周波数およびばね定数）が変わってしまう。

[0016] また、関連技術が特開 2004— 212078号公報に開示されている。この関連技術では、カンチレバーにレーザー光が照射されて、レーザー光によってカンチレバーが励振される。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0017] 上述したように、従来の AFMでは、 Z方向の走査速度が遅ぐそのために測定速度も遅かった。また、従来の AFMでは、 Q値制御に改善の余地があった。

[0018] 本発明は上記背景の下でなされたものである。本発明の目的の一つは、走査速度を向上できる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

[0019] また、本発明の目的の一つは、 Q値制御を好適に行える走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0020] 本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、光照射部の光の強度を制御してカンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、を備え、光照射制御部は、センサにより検出された変位に基づいて光照射部の光の強度を制御することによってカンチレバーのフィードバック制御を行う。

[0021] この構成により、カンチレバーに光が照射されて、熱膨張変形によってカンチレバ一が変位する。この変位を利用して Z方向の走査が行われる。カンチレバーは非常に小さぐ高い共振周波数を持つ。したがって、 Z走査の構成の共振周波数が高くなり、走査速度を増大できる。また、従来の自己ァクチユエーシヨンタイプのカンチレバ一に見られるようにカンチレバーが硬くなるのを回避することができる。

[0022] また、光照射制御部は、光照射部力の光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えてよい。熱応答補償部は、カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数 (熱伝達関数の逆数となる関数を意味する、以下同じ)と等価な構成を有してよい。熱応答補償により、熱伝導過程という遅いプロセスを見かけ上はなくすことができる（あるいは大幅に短くできる）。入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバーのもともとの力学特性に近くなる。熱膨張による変形の応答速度が高くなるので、高速走査と高速イメージングが可能になる。

[0023] また、光照射制御部は、さらに、光照射部の光の強度の制御によってカンチレバーを振動させてよい。カンチレバーの発生すべき振動に応じた振動波形 (典型的にはカンチレバーの共振周波数に応じた振動波形)でもって変動するように、光の強度が制御されてよい。光照射によって、カンチレバーの励振と Z走査の両方が行われる。したがって、構造を簡単にすることができる。

[0024] また、光照射制御部は、さらに、センサにより検出された変位に基づいて Q値制御を行う Q値制御部を備えてよい。 Q値制御部は、センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有してょヽ (ゲインは、 Q値制御にて変位の微分に掛けられる係数に相当する）。この構成により、光照射を利用して Q値制御を行うことができる。

[0025] 本発明の別の態様において、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、光照射部の光の強度を制御してカンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、を備え、光照射制御部は、光照射部の光の強度の制御によってカンチレバーを振動させる発振制御部と、光照射部からの光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えている。

[0026] この態様では、光照射がカンチレバーの励振に使用される。この態様は、光照射を Z走査に適用する構成と、適用しない構成を含む。この態様でも、熱応答補償により、熱伝導過程を見かけ上はなくすことができ (または大幅に短くでき）、カンチレバーの力学的特性が残り、励振を好適に制御できる。この態様でも、カンチレバーの変位に基づいて Q値制御が好適に行われてよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。

[0027] 本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡による観察方法である。この方法は、カンチレバーと試料を相対的に XY方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、カンチレバーの変位を検出し、検出されたカンチレバーの変位に基づいて光の強度を制御することによってカンチレバーのフィードバック制御を行う。光強度制御は、光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償してよい。光強度制御は、カンチレバーの振動に利用されてよい。光強度制御は、カンチレバーの変位に基づいた Q値制御を行ってよい。さらに、本発明のその他の各種特徴 1S この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。

[0028] 本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡による観察方法である。この方法は、カンチレバーと試料を相対的に XY方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、光の強度制御によってカンチレバーを振動させ、かつ、光の強度制御によって光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する。光強度制御は、カンチレバーの変位に基づいた Q値制御を行ってよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。

[0029] 本発明の範囲内で、本発明の表現は、上述の走査型プローブ顕微鏡およびそれを用いた観察方法に限定されなくてよい。本発明の別の態様は、例えば、原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法でよい。本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡または原子力間顕微鏡の、駆動装置または駆動方法でよい。また、本発明の別の態様は、カンチレバー駆動装置またはカンチレバー駆動方法でよい。さらに、本発明の別の態様は、上述の装置の制御装置または制御方法でよい。これらの態様は、上述のカンチレバーの駆動のための構成を備えてよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、これらの態様にも適用可能である。これらの態様でも本発明の利点が得られる。

[0030] 上述した本発明によれば、光照射を上手く利用することによって走査速度の向上を可能とすることができ、また、 Q値制御を容易にすることができる。

[0031] 以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。

図面の簡単な説明 [0032] [図 1]図 1は、本実施の形態に係る AFMの構成を示す図である。

[図 2]図 2は、光照射によるカンチレバーの変形を示す図である。

[図 3]図 3は、カンチレバーの例を示す図である。

[図 4]図 4は、光照射からレバー変位までのプロセスを示す図である。

[図 5]図 5は、カンチレバーの熱応答特性を示す図である。

[図 6]図 6は、熱応答補償回路の構成を示す図である。

[図 7]図 7は、熱応答補償の効果を示す図である。

[図 8]図 8は、熱応答補償の効果を示す図である。

[図 9]図 9は、熱応答補償の効果を示す図である。

[図 10]図 10は、熱応答補償の効果を示す図である。

[図 11]図 11は、熱応答補償の効果を示す図である。

[図 12]図 12は、別の実施の形態に係る AFMの構成を示す図である。

[図 13]図 13は、別の実施の形態に係る AFMの構成を示す図である。

[図 14]図 14は、 Q値制御回路の構成を示す図である。

[図 15]図 15は、 Q値制御の効果を示す図である。

[図 16]図 16は、 Q値制御の効果を示す図である。

[図 17]図 17は、 Q値制御の効果を示す図である。

[図 18]図 18は、 Q値制御の効果を示す図である。

[図 19]図 19は、熱応答補償回路の別の例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0033] 以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。

[0034] 本実施の形態では、本発明が原子間力顕微鏡 (AFM)に適用される。

[0035] 図 1は、本実施の形態に係る AFMの構成を示している。 AFM1は、全体構成としては、試料を保持する試料ステージ 3と、カンチレバー 5と、試料ステージ 3を XY方向に駆動する XYスキャナ 7と、カンチレバー 5の変位を検出するセンサ 9と、カンチレバ一 5に対して光照射を行う駆動レーザユニット 11と、駆動レーザユニット 11を制御する駆動レーザ制御部 13と、装置全体を制御するコンピュータ 15とを備えている。

[0036] カンチレバー 5は、窒化シリコン製であり、自由端に探針を有している。カンチレバ一 5の光照射面（図の下側）には金がコーティングされている。光照射面には、変位検知用のセンサレーザ光と、レバー駆動用の駆動レーザ光が照射される。

[0037] カンチレバー 5はホルダ 21に保持されており、ホルダ 21は発振回路 23によって励振される。発振回路 23から供給される励振信号に応じて、ホルダ 21の振動子が振動し、これによりカンチレバー 5が振動する。カンチレバー 5が共振周波数近傍で振動するように、発振回路 23がコンピュータ 15により制御される。

[0038] XYスキャナ 7はピエゾ素子（圧電素子）で構成されて、る。 XYスキャナ 7は XY走査制御回路 25によって制御される。 XY走査制御回路 25には、コンピュータ 15から XY 走査 (ラスター走査）の制御信号が入力される。 XY走査制御回路 25は、制御信号に従って XYスキャナ 7を駆動する。これにより、試料ステージ 3が XY方向に移動し、 X Y方向の走査が実現される。

[0039] センサ 9は、センサレーザユニット 27と共に、光てこ式の変位センサを構成している。センサレーザユニット 27は、センサレーザ光をカンチレバー 5に照射する。センサレ一ザ光は赤色レーザ光（波長 670nm)である。センサレーザ光は、カンチレバー 5の金コーティング面で反射してセンサ 9に届く。センサ 9はフォトダイオードで構成されており、カンチレバー 5の変位を表す信号を出力する。図では、センサに関連したレンズ等の光学系の構成は省略されている。

[0040] 駆動レーザユニット 11は、駆動レーザ光をカンチレバー 5に照射する。駆動レーザ光は、本実施の形態では可視光レーザである。駆動レーザ光の波長は、金コートの光吸収能力が高くなる値に設定されている。具体的には、駆動レーザ光は紫色レーザ光であり、波長は 405nmである。駆動レーザ光が照射されると、カンチレバー 5に熱膨張が生じる。カンチレバー 5を構成する窒化シリコンと金コートでは熱膨張率が異なるので、カンチレバー 5がバイメタルの機能を果たす。そして、図 2に示されるように、カンチレバー 5の橈み変形が生じる。これにより、カンチレバー 5の Z方向の変位が得られる。図では、駆動レーザに関連したレンズ等の光学系の構成が省略されている。 [0041] 駆動レーザユニット 11は駆動レーザ制御部 13によって制御されている。駆動レーザ制御部 13は、駆動レーザユニット 11に照射制御信号を供給することにより、駆動レーザユニット nを制御する。照射制御信号は、変調入力信号である。変調入力信号に応じて、レーザに強度変調をかける。変調強度がカンチレバー 5の変位の制御に利用される。レーザ光強度に応じてカンチレバー 5の変形量が変わり、そして、 Z方向の変位が変化する。

[0042] 本実施の形態では、駆動レーザ制御部 13が、駆動レーザ光の変調強度の制御によってカンチレバー 5の変位を制御し、これにより、下記のようにして Z走査制御部として機能する。

[0043] 駆動レーザ制御部 13には、コンピュータ 15から基準変位および基準振幅の信号が入力される。基準変位は、カンチレバー 5の初期変位であり、オフセット変位ということもできる。基準振幅は、フィードバック制御の目標になるカンチレバー 5の振幅である。駆動レーザ制御部 13には、さらに、センサ 9からカンチレバー 5の変位が入力される。駆動レーザ制御部 13は、基準変位に従ってレーザ光強度を制御すると共に、基準振幅とレバー変位に基づ、てレバー振幅が基準振幅と一致するようにレーザ光強度のフィードバック制御を行う。これにより、カンチレバー 5の振幅が一定に保たれる。

[0044] 駆動レーザ制御部 13は、フィードバック制御のために、振幅検出回路 31とフィードノック回路 33を含む。振幅検出回路 31は、センサ 9から入力されるカンチレバー 5の変位の信号を処理してカンチレバー 5の振幅を求める。そして、振幅検出回路 31は、検出された振幅の信号をフィードバック回路 33に出力する。

[0045] フィードバック回路 33は、基準振幅信号から検出振幅信号を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅する PID回路とを備えている。これら構成によつてフィードバック信号が生成される。

[0046] フィードバック信号は、コンピュータ 15から入力される基準変位の信号と加算される。こうして得られる照射制御信号が、熱応答補償回路 35に供給される。熱応答補償回路 35は、光照射に対するカンチレバー 5の熱応答の遅れを補償する回路である。熱応答補償回路 35については後述する。 [0047] 熱応答補償回路 35を経た照射制御信号は、駆動レーザユニット 11に供給される。そして、この照射制御信号に従って駆動レーザ光の強度が変動し、カンチレバー 5の変位が変動する。照射制御信号が、レバー変位に基づいて求められた振幅の信号を処理したフィードバック制御信号から作られて!/ヽるので、レーザ光強度がフィードバック信号に応じて変動し、カンチレバー 5の Z方向の変位もフィードバック信号に応じて変動する。このようにして、カンチレバー 5のフィードバック制御が実現される。

[0048] コンピュータ 15は、 AFM1の全体を制御している。コンピュータ 15は、ユーザインタ一フェース機能も提供する。ユーザの各種の指示がコンピュータ 15に入力され、コンピュータ 15はユーザの入力に従って AFM1を制御する。また、コンピュータ 15には、駆動レーザ制御部 13のフィードバック回路 33からフィードバック信号が入力される。コンピュータ 15は、 XY走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の 3次元画像を生成し、 3次元画像をモニタ 41に表示する。

[0049] 以上に AFM1の各部の構成について説明した。上記構成は、同様の機能が得られる範囲で変形されてよい。例えば、駆動レーザ制御部 13がコンピュータ 15に内蔵されてょ、。駆動レーザ制御部 13の機能を実現するのにソフトウェアが利用されてもよ、。コンピュータ 15内で処理されるデータが上述の信号に相当してよ!/、。

[0050] 次に、 AFM1の全体的な動作を説明する。コンピュータ 15は、 XY走査制御回路 2 5に XY走査の制御信号を送り、試料ステージ 3を XY方向に駆動する。また、コンビュータ 15は発振回路 23に励振信号を生じさせ、ホルダ 21と共にカンチレバー 5を振動させる。さらに、コンピュータ 15は、駆動レーザ制御部 13に基準変位と基準振幅の信号を供給する。駆動レーザ制御部 13は、上述したように機能して、カンチレバー 5を基準変位まで Z方向に変形させるようにカンチレバー 5のフィードバック制御を行う。

[0051] このようにして、カンチレバー 5が振動した状態で、試料が XY方向に走査され、力つ、カンチレバー 5が振幅を一定に保つように Z方向に走査される。駆動レーザ制御部 13のフィードバック信号がコンピュータ 15に供給される。コンピュータ 15は、 XY走查の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の 3次元画像を生成する。生成された 3次元画像は、モニタ 41に表示される。

[0052] 図 3は、本実施の形態の具体例におけるカンチレバー 5を示しており、カンチレバーの電子顕微鏡写真（15000倍）から作られている。この例では、カンチレバー 5が全体的には概ね一様断面を有しており、幅方向の断面形状は長方形である。また、レバーの先端はテーパ形状を有している。レバーの長さは約 8 mであり、幅は約 2 mであり、厚さ (金コートを含む）は約 0. 1 μ mである。金コートは、探針と逆側に施されている。

[0053] この例の場合、カンチレバーの共振周波数は、液中で約 800kHzであり、大気中で約 2. 2MHzであり、共振周波数が非常に高い。この共振周波数より低い領域においてカンチレバー 5の Z走査が可能である。したがって、従来のピエゾ素子のスキャナ（約 1kHz)と比べて走査速度を大幅に増大できる。この例に見られるように、ピエゾ素子は大きいために共振周波数が低く高速駆動が困難なのに対して、カンチレバーは小さいので共振周波数が高く高速駆動が容易である。

[0054] また、本実施の形態の具体例では、駆動レーザ光の波長は 405nmである。レーザは 0〜20mWで強度変調可能であり、最大 50MHzで使用可能である。この場合、感度は 5〜8nmppZmWであった。そして最大可動変位は、 100〜160nmpp (変調強度 20mW時)であった。これらの値が、共振周波数より低い周波数帯域で得られた。したがって、 AFMとしては十分な感度と変位を得ることができる。

[0055] また、本実施の形態では、通常のカンチレバーに光を照射することによって容易にァクチユエーシヨン機能が得られる。すなわち従来の自己ァクチユエーシヨンタイプのカンチレバーに見られる複雑な力卩ェが不要である。また、従来の自己ァクチユエーシヨンタイプに見られる硬度増大も回避できる（本実施の形態のカンチレバーでは、ノネ定数は約 150pN/nmである）。さらに、自己ァクチユエーシヨンタイプのカンチレバーでは、絶縁の確保も問題になる。しかし、本実施の形態によれば、絶縁の問題も容易に回避される。

[0056] 「熱応答補償」

次に、熱応答補償回路 35について詳細に説明する。図 4は、光照射の入力から力ンチレバー変位の出力までのプロセスを示している。図 4の上段のプロセスは、熱応答補償が行われない場合のプロセスである。光がカンチレバーに吸収され、熱伝導が生じ、熱膨張力が発生し、カンチレバーが変形し、変位が発生する。この一連のプロセスにおいて、光吸収は速いプロセスである（ナノ秒以下)。しかし、熱伝導は遅いプロセスである。そのため、熱伝導が原因で、光照射に対するレバー変位の応答が遅くなる。この応答の遅れは、 Z走査の高速ィ匕にとって不利である。そこで、本実施の形態では、熱応答補償が行われる。より具体的には、位相補償の原理が導入されて

、熱応答補償が実現される。これにより、図 4の下段に示されるように、熱伝導のプロセスが見かけ上はなくなり、応答速度が速くなる。

[0057] 図 5は、カンチレバーにレーザ光を照射したときの時間と変位の関係を示している（熱応答補償は行われていない)。図 5の例は、上述の具体例のカンチレバーを用いたときの測定結果を示している。図 5に示されるように、カンチレバーの変位は、時間経過に応じて徐々に大きくなつており、熱応答が遅い。この遅れは、熱伝導に起因している。

[0058] ここで、図 5の熱応答は、電子回路のローパスフィルタのように振る舞つている。すなわち、熱応答の遅れ現象が、ローパスフィルタの遅れと似ている。このような場合、電子回路では、位相補償が好適に適用される。本実施の形態はこの点に着目し、下記に説明するように、電子回路で見られるような位相補償の原理を熱伝導過程に導入して、る。このような新たな手法によってカンチレバーの熱応答補償を実現して、る。

[0059] 図 5の例では、熱伝導過程が 2つの過程力もなると考えることができる。熱伝導過程を、 2つの並列なローパスフィルタとみなすことができる。この場合、伝達関数 G (s)は、下式で示される通り、 2つのローパスフィルタの和で表される。

[数 3]

^Gi^s) = )

( L P F ) ( L P F ) 伝達関数 G (s)は、さらに、以下のように変形される

[数 4] ヽ

s

j + とすると

ω₃ ω〗 ω₂

(し Ρ F ) ( L Ρ F ) ( 1 + D)

[0060] 上記の変形後の式は、 2つのローパスフィルタと、（1 +微分）項、の積である。このことは、伝達関数 G (s)が、直列な、 2種類のローパスフィルタと 1つの（1 +微分)項、と等価であることを意味する。位相補償では、伝達関数 G (s)の逆伝達関数が用いられる。逆伝達関数は、 2種類の（1 +微分)項と 1つのローパスフィルタの積になる。図 1 の熱応答補償回路 35は、上記のような逆伝達関数と等価な回路で構成されている。

[0061] 図 6は、熱応答補償回路 35の構成を示している。図示のように、熱応答補償回路 3 5は、 1つのローパスフィルタ 35aと、 2つの（1 +微分）回路 35b、 35cで構成されており、これらは直列に配置されている。回路 35a、 35b、 35cのパラメータは、カンチレバ一 5の熱応答の測定結果（図 5)に基づいて設定される。より詳細には、測定結果から、実際の熱応答と等価な熱伝達関数が求められ、その逆伝達関数 (熱伝達関数の逆数となる関数)が求められる。そして、逆伝達関数に対応するように回路が構成される

[0062] 駆動レーザ光の照射制御信号 (フィードバック信号が合成された信号)は、図 1に示されるように、熱応答補償回路 35に入力され、それから駆動レーザユニット 11に供給される。これにより、上述の原理に示される位相補償が好適に実現される。

[0063] 図 7は、位相補償の効果を示している。図 7は、図 4と同様に、レーザ光が照射されたときのレバー変位の変化を示している。位相補償が行われた結果、レバーの変位が短時間で一定値に達しており、応答速度が速くなつている。 [0064] 図 8は、位相補償の効果を示すもう一つの図である。図 8は、カンチレバーの水中での振動特性を示している。横軸は周波数であり、縦軸は振幅である。図中のライン L1 (点線）は、計算上のモデルの特性である。ライン L2は、ピエゾ駆動を行った時の特性である。ライン L3は、位相補償無しでレーザー光によりレバーを駆動したときの特性である。ライン L4は、位相補償を行ったときのレーザ駆動の特性である。

[0065] 図示のように、位相補償を適用することにより、カンチレバーの特性が計算上のモデルとほぼ一致する。このことは、入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバー自身の力学特性だけになることを意味している。したがって、光照射に対するレバー変位の応答速度が速くなる。

[0066] また、図 8に示されるように、本実施の形態では、水中にあるカンチレバーをレーザ光で駆動しており、共振周波数が 800kHz程度であり、非常に高い。共振周波数より下の領域では、 Z走査を行うことが可能である。このことは、 Z走査の走査速度を従来よりも大幅に増大できることを意味する。

[0067] 図 9〜図 11は、位相補償の効果を示すさらに別の図である。図 9〜図 11は、カンチレバー変位の矩形波応答を示している。図 9は測定データであり、図 10、図 11はシミユレーシヨン結果である。図中の上段は熱応答補償回路 35への入力であり、中段は同回路 35の出力であり、下段はカンチレバーの変位である。図 9、図 10では、 10 /z s 時にて熱応答補償回路 35にステップ入力が行われ、レーザ強度が矩形波的に変えられている。図 11では、同様に 20 s時にてレーザ強度が変えられている。これらの図でも、位相補償による応答速度の増大が現れている。

[0068] 以上に本発明の好適な実施の形態にっ、て説明した。本実施の形態では、駆動レ一ザ制御部 13が光照射制御部の一形態であり、特に、フィードバック回路 33が Z走查制御部として機能している。また、熱応答補償回路 35が熱応答補償部の一形態である。

[0069] 本実施の形態によれば、カンチレバーに光が照射されて、熱膨張変形によってカンチレバーが変位する。この変位を利用して Z方向の走査が行われる。したがって、 Z 走査の構成の動作周波数を高くして、走査速度を増大できる。また、従来の自己ァクチユエーシヨンタイプのカンチレバーに見られるようにカンチレバーを硬くするのを回避することができる。

[0070] カンチレバーは、熱膨張率が異なる複数の層を有している。複数の層の熱膨張率の差に応じて Z方向に橈み変形し、これにより Z方向の変位が得られる。

[0071] より詳細には、カンチレバーは、窒化シリコンに金がコーティングされた構成を有している。この金コーティングに光が照射される。金は、可視光領域の光を吸収し、また、高い熱膨張率を有する。したがって、金コーティングを使うことによってカンチレバ一の変位が好適に得られる。

[0072] また、光てこ式センサの光を反射するために、カンチレバーに従来力も金コーティングが施されている。この金コーティングを活用することができる点でも本発明は有利である。

[0073] また、本実施の形態は熱応答補償部を備えている。より詳細には、熱応答がローバスフィルタの振る舞いを見せることに着目して、位相補償が行われている。熱応答補償部が、カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有し、これにより位相補償を行うことができる。熱応答補償により、熱伝導過程という遅いプロセスを見かけ上はなくすことができる（ある、は大幅に短くできる）。

[0074] したがって、入力である光照射と出力である変位を結びつける要素力カンチレバ一自身の力学特性に近くなる。すなわち、熱膨張に伴う変形の応答速度を、レバー構造体が持つもともとの力学特性に従った変形の応答速度とほぼ同じにできる。その結果、熱膨張による変形の応答速度が高くなり、高速走査とそれによる高速イメージングが可能になる。

[0075] 「レバー振動制御」

次に、図 12は、別の実施の形態を示している。上述の実施の形態では、 Z走査が光照射によって行われた。本実施の形態では、 Z走査に加えて、カンチレバーの励振が、光照射によって行われる。以下、上述の実施の形態と同様の事項の説明は省略する。

[0076] 図 12の AFM101では、ホルダー 21の発振回路が削除されている。その代わりに、駆動レーザ制御部 13が発振回路 51を備えている。発振回路 51は、コンピュータ 15 に制御されて、励振信号を生成する。この励振信号は、カンチレバーの共振周波数の振動波形をもつ信号である。この励振信号が、駆動レーザ制御部 13の照射制御信号に加算される。元々の DC成分の照射制御信号に、 AC成分の信号が加えられることになる。

[0077] このような照射制御信号が、熱応答補償回路 35を経て、駆動レーザユニット 11に供給されることになる。したがって、レーザ光強度は、カンチレバー 5の共振周波数と同じ周波数で変調される。同時に、レーザ光強度の DC成分は、カンチレバー 5の基準変位に応じた値になり、かつ、フィードバック制御によって調節される。カンチレバ一 5の変位も、レーザ光強度に応じて変化する。こうして、光照射によって、カンチレバー 5を共振周波数で振動させながら、平均の変位 (振動するカンチレバーの変位の中心）をフィードバック制御できる。すなわち、カンチレバー 5の励振と Z走査を一つのレーザユニットで行うことができる。

[0078] 以上に図 12の実施の形態に係る AFMについて説明した。本実施の形態では、発振回路 51が本発明の発振制御部として機能する。本実施の形態によれば、光照射によってカンチレバーの励振と Z走査の両方が行われる。これにより、高速走査が可能になる。また、カンチレバーの機械的な励振が不要になり、構造を簡単にすることができる。

[0079] 「Q値制御」

図 13は、さらに別の実施の形態を示している。図 13では、さらに、 Q値制御のための構成が追加されている。以下、上述の実施の形態と同様の事項の説明は省略する

[0080] Q値 (quality factor)は、振動の状態を現す無次元数であり、共振スペクトル (振動の周波数と変位の関係）の鋭さを現すパラメータである。 Q値は、 ω 0/ ( ω 2- ω 1) で現される。 ω θは、共振ピークでの共振周波数である。 ω 1、 ω 2は、共振ピークの左側および右側において振動エネルギーが半値になる周波数である。

[0081] カンチレバーの応答速度を上げることは、 AFMの走査速度の高速化に寄与する。

カンチレバーを含むすべての機械デバイスの応答速度は、デバイスの共振の共振周波数 (f)と Q値を用いて、という式で記述される。応答速度を上げるには、共振周波数を上げるか、 Q値を下げることが有効であることが分かる。しかし、共振周波数および Q値は、カンチレバーの形状および測定環境によって決まる値である。共振周波数および Q値が大きく変わるようなカンチレバーを製作することは容易ではない

[0082] これら特性のうちで、 Q値については、共振体の Q値を実効的に制御する方法が知られている。共振体の運動方程式は次のように書かれる。

[数 5]

mは質量であり、 yは粘性係数であり、 kはパネ定数であり、 F(t)は外力を表す。一般解は、下記の通りである。

[数 6]

Ζ(ί) = β^{ί{ωί + )} ■ ■ ■ (2)

[0083] ここで、一般解の信号 (変位信号)の微分値に、ある増幅率（ a )を掛けて、外力に加算 (もしくは減算)すると、運動方程式は次のように書かれる。

[数 7] mz + γζ -i-kz = F(t) + of -■ - (3)

[0084] この式は、さらに下記のように変形される。「eff」は、実行値を意味する。

[数 8] mz + y_effz +kz = F(t) "-(4) y_eff -γ ±α ·--(5) Q_eff = (6)

[0085] 上記の演算から、 Q値の実効値を変化させることが可能であることが分かる。このような Q値制御をカンチレバーに適用しょうとしたとする。この場合の Q値制御は、駆動体のエネルギーでカンチレバーを振動させ、カンチレバーの変位を検出し、変位に応じた外力を付加する制御になる。

[0086] しかし、従来の AFMでは、振動子が圧電素子で構成されて!ヽる。圧電素子を用いた駆動方法では、カンチレバー以外の共振体も振動を起こしてしまう。そのため、 Q 値制御の演算を行うことができず、 Q値制御が困難である（ピエゾ素子の Q値制御の困難さは、図 8に示されたピエゾ素子の振動特性におけるピークフォレストからも分かる)。

[0087] そこで、 Q値制御の演算を行うためには、従来の圧電素子とは異なる構成によってカンチレバーのみを直接駆動することが望まれる。直接駆動が可能で有れば、 Q値制御が容易になるといえる。このような要求が、本実施の形態の AFMでは満たされている。すなわち、本実施の形態の AFMは、駆動レーザ光によってカンチレバーを直接駆動している。し力も、熱応答補償回路が挿入されているので、熱応答の遅れが補償されている。熱伝導という遅いプロセスが見かけ上はなくなるので、カンチレバ一の元々の力学特性が残っている。すなわち、（熱伝導を経ることなく）カンチレバーに直接外力を及ぼしているとみなすことができる。このことを利用して、本実施の形態の AFMは、下記の通り、 Q値制御を行うように構成されている。

[0088] 図 13を参照すると、本実施の形態の AFM201では、駆動レーザ制御部 13に Q値制御回路 61が設けられている。 Q値制御回路 61には、センサ 9からカンチレバー 5 の変位の信号が入力される。 Q値制御回路 61は、カンチレバー 5の変位の信号を処理して、 Q値制御信号を生成する。 Q値制御信号は、照射制御信号に加算されて、熱応答補償回路 35に入力される。

[0089] 図 14は、 Q値制御回路 61の構成を示している。 Q値制御回路 61は、微分回路 (Dif ferential Amplifier) 63とゲイン回路（Gain Amplifier) 65で構成されている。カンチレバー 5の変位が微分回路 63で微分される。そして、微分値にゲイン回路 65でゲインが与えられる。こうして生成される信号が、 Q値制御信号として、加算器 67にて照射制御信号に加算される。したがって、駆動レーザユニット 11のレーザ光強度に Q値制御が反映され、そして、カンチレバー 5で熱膨張により発生する力にも Q値制御が反映される。こうして、カンチレバー 5の Q値制御が実現される。

[0090] また、図 13に示すように、 Q値制御回路 61は、コンピュータ 15によって制御される。コンピュータ 15は、 Q値制御回路 61における係数 (ゲイン）の値を制御する。

[0091] 次に、カンチレバーにおける Q値制御の効果について説明する。図 14の構成では、ゲインが正であれば、 Q値制御の原理の説明に示されるように、粘性係数（γ )の実効値が小さくなり、 Q値が大きくなる。ゲインが負であれば、逆に Q値力、さくなる。

[0092] Q値を小さく（低く）すると、応答速度が向上し、 AFMを高速ィ匕できる。制御が速くなるので、試料に与えるダメージが減るという利点も得られる。ただし、カンチレバー探針試料間の相互作用に対する敏感さは減る。

[0093] 一方、 Q値を大きく（高く）すると、応答速度は下がる。しかし、探針試料間の相互作用に対する敏感さが増し、検出の敏感さが向上する。したがって、 AFMの空間分解能を高くできる。

[0094] 図 15〜図 18は、 Q値制御の効果を示すシミュレーション結果を示している。図 15、図 16は、周波数特性のシミュレーション結果である。図 15は、入力振幅に対する出力振幅の変位のグラフであり、図 16は、位相のグラフである。 Q値制御を行わない場合の Q値は約 2であり、共振周波数は 804kHzである。図 15、図 16は、 Q値 =0. 5、 2、 10の 3つの周波数特性を示している。図示のように、 Q値 = 10では、共振周波数での振幅が大きくなり、位相が急峻に変化する。これらより、 Q値を大きくすると、敏感さが増すことが分かる。

[0095] 図 17、図 18、過渡応答特性を示している。図 17は、入力信号 (上段）と、 Q値を大きくした場合の特性（中段、 Q値 = 10)と、 Q値制御を行わない場合の特性 (下段、 Q 値 = 2)である。図 18は、入力信号 (上段)と、 Q値を小さくした場合の特性（中段、 Q 値 =0. 5)と、 Q値制御を行わない場合の特性（下段、 Q値 = 2)である。 20 sの時点から、周波数 804kHzの信号が入力されている。そして、 70 sの時点で信号の入力が止められている。図示のように、 Q値が大きくなると、応答が遅くなる。これに対して、 Q値が小さくなると、応答が速くなる。

[0096] 以上に、 Q値制御を行う実施の形態にっ、て説明した。本実施の形態では、 Q値制御回路 61が本発明の Q値制御部に相当している。

[0097] 本実施の形態によれば、 Q値制御部を備えたことにより、光照射を利用して Q値制御を行うことができ、応答速度と感度を調節できる。

[0098] 上記の構成では、 Q値制御が、熱応答補償と好適に組み合わされて、る。熱伝導という遅いプロセスが熱応答補償によって見かけ上はなくすことができる（または大幅に短くできる）ので、カンチレバー自身の元々の力学的特性が残る。その結果、光照射力直接カンチレバーに力を及ぼすのと同様の効果を生じさせることができる。直接外力を加える場合と同様な Q値制御が、光照射の強度に対して行われて、これにより Q値制御が実現される。したがって、 Q値制御を容易に行うことができる。

[0099] また、本実施の形態によれば、 Q値を減少させることにより、応答速度を増大でき、走査速度を向上できる。また、 Q値を増大させてよぐ変位感度を増大でき、空間分解能を向上できる。

[0100] 「熱応答補償回路の変形例」

次に、図 19は、熱応答補償回路 35の変形例を示している。上述の実施の形態では、熱応答補償回路が、熱伝達関数の逆伝達関数に等価な回路で構成された。本実施の形態では、熱応答補償回路が、疑似回路を用いて構成されており、フィードノックによって熱応答を補償する。

[0101] 図 19において、照射制御信号は加算器 71と減算器 73に入力される。加算器 71の出力は、熱応答補償回路の出力となる。また、加算器 71の出力は、疑似熱応答回路 75、疑似カンチレバー回路 77を経て、減算器 73に入力される。疑似熱応答回路 75 は、カンチレバー 5の熱伝達と等価な回路である。本実施の形態では、熱伝達が並列の 2つのローパスフィルタで表される。したがって、疑似熱応答回路 75も並列の 2 つのローパスフィルタで構成される（直列の 2つの LPFと 1つの（1 +微分）回路でもよい)。疑似カンチレバー回路 77はカンチレバーと等価 (Q値、周波数)な回路であり、 LCR回路にて構成される。

[0102] 減算器 73では、入力された照射制御信号から、疑似回路の出力信号が引かれる。

この差分信号が、 PIDフィードバック回路 79を経て加算器 71に入力され、照射制御信号に加算される。加算後の照射制御信号が駆動レーザユニットへと出力される。

[0103] 上記のような疑似回路を用いた構成によっても、熱伝導の遅れを補償することができる。そして、カンチレバー 5の応答速度を向上し、 AFMの走査速度を向上できる。

[0104] 「その他の変形例」

その他、上述の実施の形態は、当業者により変形可能である。例えば、本実施の形態では、カンチレバーの光照射面に金コートが施されていた。しかし、金以外の材質が適用されてもよい。光照射面の材質に応じて駆動レーザ光の波長を設定することが好ましい。すなわち、レーザ光の波長と光吸収能力の関係に基づいて、光吸収能力が高くなるように波長が設定される。また、光照射面の材質は、センサレーザ光の反射率も考慮して設定されることが好ましヽ。

[0105] 本実施の形態における位相補償に関し、熱応答補償回路の構成は、カンチレバー等の仕様に応じて変更されてよい。本実施の形態では、カンチレバーの熱伝達関数力つのローパスフィルタで現され、そして、この熱伝達関数の逆伝達関数を実現するように熱応答補償回路が構成された。しかし、熱伝達関数は、カンチレバー等の構成によって異なり得る。例えば、熱伝達関数は、カンチレバーの形状によって異なり得る。そこで、熱伝達関数に応じて熱応答補償回路の構成が変更されてよい。実際の熱伝達関数の逆伝達関数を実現するように熱応答補償回路を構成することが好適である。

[0106] 例えば、熱伝達関数が 1つのローパスフィルタで現されてよい。そして、この熱伝達関数の逆伝達関数 (1 +微分)が、熱応答補償回路で実現されてよい。

[0107] また、上述の実施の形態では、光照射力 ¾走査に利用され、あるいは、光照射が Z 走査と励振に利用された。本発明は、光照射を励振のみに用いる構成も含む。この場合も、 Q値制御が好適に行われる。

[0108] また、上述の実施の形態では、本発明が ACモードの AFMに適用された。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明はコンタクトモードの AFMに適用されてもよい。この場合には、カンチレバーが振動しなくてよい。そして、 Z走査が光照射によって実現される。

[0109] また、本実施の形態では、 Z駆動（走査)用の圧電素子が設けられていない。しかし、 Z駆動用の圧電素子が付加的に設けられてもよい。この点に関し、本実施の形態では、 XYスキャナとして、従来の AFMの XYZスキャナが備えられてもよい。この場合、 XY方向のみの走査機能が利用されてもよい。あるいは、 Z方向の走査機能が、レーザ光照射と併用されてもよい。例えば、圧電素子が、操作の初期段階で適当な位置までカンチレバー 5を動かすために用いられてよ!/、。

[0110] さらに、本発明は、 AFM以外にも適用可能である。また、本発明の別の態様は、力ンチレバーの駆動装置および駆動方法などである。この態様は、走査型プローブ顕微鏡以外の装置にも適用されてよい。

[0111] 以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明した力本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。

産業上の利用可能性

[0112] 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、走査速度を増大することができる。

Claims

請求の範囲

[1] カンチレバーと、

前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、

前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、

を備え、前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいて前記光照射部の光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

[2] 前記カンチレバーは、熱膨張率が異なる複数の層を有しており、前記複数の層の熱膨張率の差に応じて Z方向に橈み変形することを特徴とする請求項 1に記載の走查型プローブ顕微鏡。

[3] 前記カンチレバーは、窒化シリコンに金がコーティングされた構成を有しており、金コーティングに光が照射されることを特徴とする請求項 2に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[4] 前記光照射制御部は、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えて!/ヽ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。

[5] 前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有す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] 前記光照射制御部は、さらに、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動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。

[7] 前記光照射制御部は、さらに、前記センサにより検出された変位に基づいて Q値制御を行う Q値制御部を備えていることを特徴とする請求項 6に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[8] 前記 Q値制御部は、前記センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有することを特徴とする請求項 7に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[9] 前記 Q値制御部は Q値を減少させることを特徴とする請求項 7に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[10] 前記 Q値制御部は Q値を増大させることを特徴とする請求項 7に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[11] カンチレバーと、

を備え、前記光照射制御部は、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させる発振制御部と、前記光照射部からの光の照射に対する前記力ンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

[12] 前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とする請求項 11に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[13] 前記カンチレバーの変位を検出するセンサを備えており、

前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づ、て Q値制御を行う Q値制御部を備えて、ることを特徴とする請求項 11に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[14] 前記 Q値制御部は、前記センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有することを特徴とする請求項 13に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[15] 前記 Q値制御部は Q値を減少させることを特徴とする請求項 13に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[16] 前記 Q値制御部は Q値を増大させることを特徴とする請求項 13に記載の走査型プローブ顕微鏡。

[17] カンチレバーと試料を相対的に XY方向に移動させ、

カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、

前記カンチレバーの変位を検出し、

検出された前記カンチレバーの変位に基づいて前記光の強度を制御することによつて前記カンチレバーのフィードバック制御を行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による観察方法。

[18] 前記光の強度制御によって前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償することを特徴とする請求項 17に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。

[19] さらに、前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項 17に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。

[20] さらに、検出された前記カンチレバーの変位に基づいた Q値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項 19に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。

[21] カンチレバーと試料を相対的に XY方向に移動させ、

カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、

前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させ、かつ、前記光の強度制御によって前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による観察方法。

[22] 前記カンチレバーの変位を検出し、

検出された前記カンチレバーの変位に基づいた Q値制御を前記光の強度制御によつて行うことを特徴とする請求項 21に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法

[23] カンチレバーの変位を検出するセンサと、

を備え、前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいて前記光照射部の光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行うことを特徴とするカンチレバー駆動装置。

[24] 前記光照射制御部は、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えていることを特徴とする請求項 23に記載のカンチレバー駆動装置。

[25] 前記光照射制御部は、さらに、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項 23に記載のカンチレバー駆動装置。

[26] 前記光照射制御部は、さらに、前記センサにより検出された変位に基づいて Q値制御を行う Q値制御部を備えていることを特徴とする請求項 25に記載のカンチレバー駆動装置。

[27] カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、

前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、

を備え、前記光照射制御部は、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させる発振制御部と、前記光照射部からの光の照射に対する前記力ンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えていることを特徴とするカンチレバー駆動装置。

[28] 前記光照射制御部は、さらに、センサにより検出された前記カンチレバーの変位に基づ、て Q値制御を行う Q値制御部を備えて、ることを特徴とする請求項 27に記載のカンチレバー駆動装置。

[29] カンチレバーと試料を相対的に XY方向に移動させ、

カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、

前記カンチレバーの変位を検出し、

検出された前記カンチレバーの変位に基づいて前記光の強度を制御することによつて前記カンチレバーのフィードバック制御を行う

ことを特徴とするカンチレバー駆動方法。

[30] 前記光の強度制御によって前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償することを特徴とする請求項 29に記載のカンチレバー駆動方法。

[31] さらに、前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項 29に記載のカンチレバー駆動方法。

[32] さらに、検出された前記カンチレバーの変位に基づいた Q値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項 31に記載のカンチレバー駆動方法。

[33] カンチレバーと試料を相対的に XY方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、

前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させ、かつ、前記光の強度制御によって前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償することを特徴とするカンチレバー駆動方法。

前記カンチレバーの変位を検出し、

検出された前記カンチレバーの変位に基づいた Q値制御を前記光の強度制御によつて行うことを特徴とする請求項 33に記載のカンチレバー駆動方法。