JP6963338B2 - Scanning probe microscope - Google Patents

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Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope.

従来から、カンチレバーの先端に形成されたプローブと試料との間の相互作用（例えば、カンチレバーの振幅やカンチレバーのたわみ）を一定に保ちながら、試料表面において連続的にプローブを走査させことで、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知られている（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。 Conventionally, the sample is continuously scanned on the sample surface while keeping the interaction between the probe formed at the tip of the cantilever and the sample (for example, the amplitude of the cantilever and the deflection of the cantilever) constant. A scanning probe microscope for measuring the uneven shape of a surface is known (see Patent Document 1). However, in the scanning probe microscope described in Patent Document 1, since the probe and the sample are always in contact with each other, the probe may be worn or the sample may be damaged.

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。この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させ、そのプローブが試料表面に接触したときのプローブの高さを計測する。そして、その計測が終了すると、試料表面に接触しているプローブを、設定された「引離し距離」だけ試料表面から引き離して、次の測定点の上空まで移動させる。このように、上記間欠的測定方法は、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してい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。 On the other hand, in Patent Documents 2 and 3, the uneven shape of the sample surface is obtained by intermittently scanning the sample surface by bringing the probe into contact with the sample surface only at a plurality of preset measurement points on the sample surface. An intermittent measurement method has been proposed. In this intermittent measurement method, the probe is brought close to the sample surface from above a predetermined measurement point, and the height of the probe when the probe comes into contact with the sample surface is measured. Then, when the measurement is completed, the probe in contact with the sample surface is separated from the sample surface by a set "pulling distance" and moved to the sky above the next measurement point. As described above, in the above-mentioned intermittent measurement method, since the probe and the sample surface are in contact with each other only at the measurement point as compared with Patent Document 1, the minimum contact is required, and wear of the probe and damage to the sample are reduced. Can be done.

特に、カンチレバーのたわみを一定に保つように制御しながら表面形状を測定する、いわゆるコンタクトモードにおいて間欠的測定方法を行う場合には、走査型プローブ顕微鏡は、プローブを試料表面に接近させ、カンチレバーに加わる力（たわみ）が一定値以上になった場合に接触していると判断してプローブの高さを計測する工程と、上記「引離し距離」だけプローブと試料とを引き離してそのプローブを次の測定位置の上空まで移動する工程、とを繰り返すことで試料表面を間欠的に走査するのが一般的である。 In particular, when performing an intermittent measurement method in the so-called contact mode in which the surface shape is measured while controlling the deflection of the cantilever to be kept constant, the scanning probe microscope brings the probe close to the sample surface and puts it on the cantilever. The process of measuring the height of the probe by determining that it is in contact when the applied force (deflection) exceeds a certain value, and the probe and the sample are separated by the above "pulling distance" and the probe is next. It is common to intermittently scan the sample surface by repeating the process of moving to the sky above the measurement position.

特開平１０−６２１５８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-62158 特開２００１−３３３７３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-33373 特開２００７−８５７６４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-85764

ここで上記「引離し距離」は、プローブを試料から引き離すために、カンチレバーのバネ定数と引離し距離との積により計算される力が、プローブと試料との間の吸着力より大きくなるように設定される必要がある。しかしながら、プローブと試料との間の吸着力は、試料表面の各位置に依存して変化する。そのため、プローブと試料との間の吸着力が試料表面の位置により大きく異なる試料の場合は、最大吸着力の位置でも確実に引き離せるように、引離し距離は、十分なマージンを持った大きい値に設定される。さらに、この値は、ある測定点からプローブを引き離した後の上空の移動時に、試料の凸部に接触しないようにすることも考量に入れて、操作者らが経験に基づき余裕を持たせた値を引離し距離として設定する。したがって、予測を超えた大きな吸着力や、高い凸部の存在により、引離し距離が不足することとなり、プローブと試料とが接触して、相互に損傷する事態となる。 Here, the above-mentioned "pull-off distance" is such that the force calculated by the product of the spring constant of the cantilever and the pull-off distance is larger than the suction force between the probe and the sample in order to pull the probe away from the sample. Must be set. However, the suction force between the probe and the sample changes depending on each position on the sample surface. Therefore, in the case of a sample in which the adsorption force between the probe and the sample differs greatly depending on the position of the sample surface, the separation distance is large with a sufficient margin so that the sample can be reliably separated even at the position of the maximum adsorption force. Set to a value. In addition, this value was given a margin based on experience by the operators, taking into consideration that it should not come into contact with the convex part of the sample when moving in the sky after pulling the probe away from a certain measurement point. Set the value as the separation distance. Therefore, due to a large suction force exceeding the prediction and the presence of a high convex portion, the separation distance becomes insufficient, and the probe and the sample come into contact with each other and cause mutual damage.

ただし、引離し距離を十分なマージンを持った大きい値に設定すると、次の測定点の上空までの移動経路が長くなる。その結果、全体として試料表面の凸凹形状を測定する時間が長くなり、試料表面における凸凹形状の測定効率が低下する。 However, if the separation distance is set to a large value with a sufficient margin, the movement path to the sky above the next measurement point becomes long. As a result, it takes a long time to measure the uneven shape of the sample surface as a whole, and the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface is lowered.

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、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of improving the measurement efficiency of uneven shapes on a sample surface.

本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける振動の振幅の変化又は前記振動の振動周波数の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。 One aspect of the present invention is a scanning probe microscope in which a probe is brought into contact with a sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe. A cantilever having the probe at the tip and the probe are the sample. A drive unit that pulls the sample and the probe apart from the state of contact with the surface, and a change in the vibration amplitude of the cantilever or a change in the vibration frequency of the vibration during the pulling operation. Based on this, the determination unit that determines the separation of the probe from the sample surface and the separation operation by the drive unit are stopped when the determination unit determines that the probe is separated from the sample surface, and the next measurement point of the sample is stopped. This is a scanning probe microscope including the probe and a drive control unit for relatively moving the sample surface.

本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記試料と前記カンチレバーとを所定の周波数で相対的に振動させる加振部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記所定の周波数における振幅の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。 One aspect of the present invention is a scanning probe microscope in which a probe is brought into contact with a sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe. A cantilever having the probe at the tip and the probe are the sample. A drive unit that performs a pulling operation to separate the sample and the probe from a state of contact with the surface, and an addition that relatively vibrates the sample and the cantilever at a predetermined frequency during the pulling operation. A determination unit that determines the distance of the probe from the sample surface based on a change in the amplitude of the cantilever in the deflection direction or the twist direction at the predetermined frequency during the pulling operation, and the determination unit. When it is determined that the sample is separated by the unit, the pulling operation by the drive unit is stopped, and the probe and the drive control unit for relatively moving the sample surface on the next measurement point of the sample are provided. It is a scanning probe microscope.

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、前記所定の周波数は、前記カンチレバーの非共振周波数であって、前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。 One aspect of the present invention is the scanning probe microscope described above, wherein the predetermined frequency is a non-resonant frequency of the cantilever, and the determination unit is deflected in the cantilever during the pulling operation. When the amount of decrease in amplitude at the non-resonant frequency in the direction or the twisting direction exceeds a predetermined value, it is determined that the probe is separated from the sample surface.

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、前記所定の周波数は、前記カンチレバーが前記試料に接触した状態における前記カンチレバーの共振周波数であって、前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。 One aspect of the present invention is the scanning probe microscope described above, wherein the predetermined frequency is the resonance frequency of the cantilever in a state where the cantilever is in contact with the sample, and the determination unit is separated. When the amount of decrease in the amplitude in the bending direction or the twisting direction of the cantilever exceeds a predetermined value during operation, it is determined that the probe is separated from the sample surface.

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、前記所定の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数であって、前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記共振周波数における振幅の増加量が所定値を超えた場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する。 One aspect of the present invention is the scanning probe microscope described above, wherein the predetermined frequency is the resonance frequency of the cantilever, and the determination unit is in the deflection direction of the cantilever during the pulling operation. Alternatively, when the amount of increase in amplitude at the resonance frequency in the twisting direction exceeds a predetermined value, it is determined that the probe is separated from the sample surface.

本発明の一態様は、試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーを共振周波数で加振する加振部と、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、前記加振部で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡である。 One aspect of the present invention is a scanning probe microscope in which a probe is brought into contact with a sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe, a cantilever having the probe at the tip and the probe being the sample. A drive unit that performs a pulling operation to separate the sample and the probe from a state of contact with the surface, a vibrating unit that vibrates the cantilever at a resonance frequency during the pulling operation, and the pulling unit. Judgment of determining the distance of the probe from the sample surface based on the phase difference between the phase of vibration in the bending direction or twisting direction of the cantilever and the phase of the resonance frequency vibrated by the exciting portion during operation. Drive control that stops the pulling operation by the driving unit when it is determined that the unit and the determination unit are separated from each other, and relatively moves the probe and the sample surface onto the measurement point of the next sample. It is a scanning probe microscope including a section.

以上説明したように、本発明によれば、引離し距離の設定について、試料表面の未知の吸着力や凸部高さを考慮する煩わしさを解消すると共に、プローブ及び試料の損傷を回避することを可能とし、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to eliminate the troublesomeness of considering the unknown adsorption force and the height of the convex portion on the sample surface when setting the separation distance, and to avoid damage to the probe and the sample. It is possible to improve the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface.

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。It is a figure which shows an example of the schematic structure of the scanning probe microscope A which concerns on 1st Embodiment. 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２との斜視図である。It is a perspective view of the sample S having a slope which concerns on 1st Embodiment, and a cantilever 2. 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示す図である。It is a figure which shows the flow of the intermittent measurement method of the scanning probe microscope A which concerns on 1st Embodiment. 第１の実施形態に係る第１の範囲及び第２の範囲について説明する図である。It is a figure explaining the 1st range and 2nd range which concerns on 1st Embodiment. 通常の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合における、カンチレバー２の様子を示す図である。It is a figure which shows the state of the cantilever 2 when the sample S is operated in the direction which pulls away from a probe 2a at a normal speed. 第１の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。It is a figure which shows the state of the cantilever 2 in the pulling operation which concerns on 1st Embodiment (when the sample S is operated in the direction which pulls away from a probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2.). 第１の実施形態に係る離間判定処理のフロー図である。It is a flow chart of the separation determination processing which concerns on 1st Embodiment. 第１の実施形態に係るＺ方向駆動装置５１の概略構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the schematic structure of the Z direction drive device 51 which concerns on 1st Embodiment. 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。It is a figure which shows an example of the schematic structure of the scanning probe microscope B which concerns on 2nd Embodiment. 第２の実施形態に係る引離し動作において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the speed change in the bending direction of a cantilever 2 in the pulling operation which concerns on 2nd Embodiment. 第２の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。It is a figure which shows the state of the cantilever 2 in the pulling operation which concerns on 2nd Embodiment (when the sample S is moved in the direction of pulling away from a probe 2a at a speed equal to or less than the response speed of the cantilever 2.). 第２の実施形態に係る離間判定処理のフロー図である。It is a flow chart of the separation determination processing which concerns on 2nd Embodiment. 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。It is a figure which shows an example of the schematic structure of the scanning probe microscope C which concerns on 3rd Embodiment. 第３の実施形態に係る引離し動作における、カンチレバー２の様子を示す図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。It is a figure which shows the state of the cantilever 2 in the pulling operation which concerns on 3rd Embodiment ((a) shows the case of vibrating in a bending direction, (b) shows the case of vibrating in a twisting direction. show). 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。It is a figure which shows an example of the schematic structure of the scanning probe microscope D which concerns on 4th Embodiment. 第４の実施形態のカンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法を説明する図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。It is a figure explaining the method of detecting the decrease amount of the amplitude in the non-resonant frequency in the bending direction or the twisting direction in the cantilever of the 4th Embodiment ((a) shows the case of vibrating in a bending direction, and ((a)) b) shows the case where the vibration is performed in the twisting direction). 第４の実施形態のカンチレバーにおける、カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法を説明する図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。It is a figure explaining the method of detecting the increase amount of the amplitude in the resonance frequency of the bending direction or the twisting direction in the cantilever in the cantilever of 4th Embodiment ((a) shows the case of vibrating in the bending direction. , (B) show the case of vibrating in the twisting direction). 第４の実施形態のカンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法を説明する図である（（ａ）は、たわみ方向に振動させた場合を示し、（ｂ）は、ねじれ方向に振動させた場合を示す）。It is a figure explaining the method of detecting the decrease amount of the amplitude in the resonance frequency of the bending direction or the twisting direction in the cantilever of the 4th Embodiment ((a) shows the case of vibrating in the bending direction, (b). ) Indicates the case of vibrating in the twisting direction). 第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅの概略構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the schematic structure of the scanning probe microscope E which concerns on 5th Embodiment. 第５の実施形態に係る離間判定処理について説明する図である。It is a figure explaining the separation determination process which concerns on 5th Embodiment.

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。 The scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention is a scanning probe microscope using a so-called intermittent measurement method in which a probe is brought into contact with a sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe.
Hereinafter, a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar parts may be designated by the same reference numerals to omit duplicate explanations. In addition, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for a clearer explanation.

（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２、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７を備えている。 (First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the scanning probe microscope A according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope A includes a cantilever 2, a sample table 4, a moving drive unit 5, a displacement detection unit 6, and a control device 7.

カンチレバー２は、先端にプローブ２ａを備える。カンチレバー２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２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２ａと試料Ｓの表面（以下、「試料表面」という。）とが接触すると、先端のプローブ２ａ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。 The cantilever 2 includes a probe 2a at its tip. The base end of the cantilever 2 is fixed, and the tip is a free end. The cantilever 2 is an elastic lever member having a small spring constant K, and when the probe 2a at the tip comes into contact with the surface of the sample S (hereinafter, referred to as “sample surface”), the probe 2a at the tip presses the sample surface. Deflection occurs according to the pressing force.

また、カンチレバー２は、先端のプローブ２ａ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２ａ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。 Further, the cantilever 2 is a contact point between the inclination of the sample surface and the contact point between the tip probe 2a and the sample surface when the tip probe 2a and the sample surface are in contact with each other and the sample surface is inclined. Twisting and bending occur according to the fulcrum reaction force of the fulcrum.

移動駆動部５は、プローブ２ａと試料Ｓとを、３次元方向に対して相対的に移動させる。移動駆動部５は、Ｚ方向駆動装置５１（駆動部）及びＸＹスキャナー５２（スキャナー部）を備える。 The movement drive unit 5 moves the probe 2a and the sample S relative to each other in the three-dimensional direction. The mobile drive unit 5 includes a Z-direction drive device 51 (drive unit) and an XY scanner 52 (scanner unit).

Ｚ方向駆動装置５１上には、試料台４が載置されている。この試料台４には、カンチレバー２のプローブ２ａ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５１は、試料台４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５１は、圧電素子である。 A sample table 4 is placed on the Z-direction drive device 51. The sample S is placed on the sample table 4 so as to face the probe 2a of the cantilever 2.
The Z-direction drive device 51 moves the sample table 4 in a direction perpendicular to the horizontal plane (Z-direction). For example, the Z-direction drive device 51 is a piezoelectric element.

Ｚ方向駆動装置５１は、制御装置７からの制御により、試料台４をＺ方向に移動させることで、試料表面をプローブ２ａに接近させる接近動作、又はプローブ２ａから試料Ｓを引き離す方向に動作させる引離し動作を行う。 The Z-direction drive device 51 moves the sample table 4 in the Z direction under the control of the control device 7 to move the sample surface closer to the probe 2a or to move the sample S away from the probe 2a. Performs a pulling operation.

ＸＹスキャナー５２は、制御装置７からの制御により、プローブ２ａ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４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５２は、圧電素子である。
なお、Ｚ方向駆動装置５１及びＸＹスキャナー５２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。 The XY scanner 52 moves the probe 2a and the sample S relative to the XY direction under the control of the control device 7. In FIG. 1, the plane parallel to the surface of the sample table 4 is a horizontal plane, and here, it is defined as an XY plane by the two orthogonal axes X and Y. For example, the XY scanner 52 is a piezoelectric element.
The Z-direction drive device 51 and the XY scanner 52 may be arranged in any relationship as long as they can relatively scan for three-dimensional shape observation.

変位検出部６は、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とを検出する。第１の実施形態では、変位検出部６は、光てこ式を用いてカンチレバー２のたわみ量とねじれ量とを検出する場合について説明する。 The displacement detection unit 6 detects the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2. In the first embodiment, the case where the displacement detection unit 6 detects the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2 by using the optical lever type will be described.

変位検出部６は、光照射部６１、及び光検出部６２を備える。
光照射部６１は、カンチレバー２の裏面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。 The displacement detection unit 6 includes a light irradiation unit 61 and a light detection unit 62.
The light irradiation unit 61 irradiates the laser beam L1 on a reflective surface (not shown) formed on the back surface of the cantilever 2.

光検出部６２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６２は、当該背面で反射されたレーザ光Ｌ２を受光する４分割の受光面２７を備えた光検出器である。すなわち、カンチレバー２の背面で反射されたレーザ光Ｌ２は、光検出部６２の４分割された複数の受光面２７に入射されるように光路を（通常は、受光面２７の中心付近に）調整する。
以下に、第１の実施形態に係るカンチレバー２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２との斜視図である。 The photodetector 62 receives the laser beam L2 reflected by the reflecting surface. The photodetector 62 is a photodetector provided with a quadrant light receiving surface 27 that receives the laser beam L2 reflected on the back surface. That is, the optical path is adjusted (usually near the center of the light receiving surface 27) so that the laser beam L2 reflected by the back surface of the cantilever 2 is incident on the plurality of light receiving surfaces 27 divided into four parts of the photodetector 62. do.
Hereinafter, a method for detecting the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 2 is a perspective view of the sample S having a slope and the cantilever 2.

カンチレバー２は、プローブ２ａ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２の変位をたわみ量と称し、Ｙ方向に生じるカンチレバー２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２ａ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６２の受光面２７における入射スポット位置を、受光面２７の中心位置とする。なお、プローブ２ａに力が加わっていない状態とは、例えば、プローブ２ａと試料表面とが接触していないカンチレバーが無変形な状態（以下、「フリー状態」という。）である。 When the probe 2a comes into contact with the sample surface, the cantilever 2 is displaced in either one or both of the Z direction and the Y direction. In the first embodiment, the displacement of the cantilever 2 generated in the Z direction is referred to as a deflection amount, and the displacement of the cantilever 2 generated in the Y direction is referred to as a twist amount. For example, in the initial condition, the incident spot position on the light receiving surface 27 of the photodetector 62 of the laser beam L2 reflected in the state where no force is applied to the probe 2a is set as the center position of the light receiving surface 27. The state in which no force is applied to the probe 2a is, for example, a state in which the cantilever in which the probe 2a and the sample surface are not in contact is not deformed (hereinafter, referred to as a "free state").

コンタクトモードにおいて、プローブ２ａと試料表面とが接触すると、プローブ２ａに力が加わることで、カンチレバー２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２の背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６２の受光面２７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２ａに加わった力の大きさと方向を検出可能となる。 In the contact mode, when the probe 2a comes into contact with the sample surface, a force is applied to the probe 2a, so that the cantilever 2 is bent or twisted. Therefore, the position of the reflection spot of the laser beam L2 reflected on the back surface of the cantilever 2 in which the amount of deflection and the amount of twist are generated is displaced from the center position thereof. Therefore, the scanning probe microscope A can detect the magnitude and direction of the force applied to the probe 2a by capturing the moving direction of the spot position on the light receiving surface 27 of the photodetector 62.

例えば、図１において、カンチレバー２にねじれ量が発生した場合には、光検出部６２の受光面２７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２にたわみ量が発生した場合には、受光面２７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２が＋Ｚ方向にたわんだ場合には、光検出部６２の受光面２７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２が−Ｚ方向にたわんだ場合には、光検出部６２の受光面２７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２が＋Ｙ方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部６２の受光面２７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２が−Ｙ方向にねじれ量が発生した場合には、光検出部６２の受光面２７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。 For example, in FIG. 1, when a twist amount is generated in the cantilever 2, the change in the spot position in the α direction can be captured on the light receiving surface 27 of the photodetector 62. Further, when the amount of deflection occurs in the cantilever 2, the light receiving surface 27 can capture the change in the spot position in the β direction.
Here, the amount of change in the spot position from the center position depends on the amount of twist and the amount of deflection. Specifically, when the cantilever 2 is bent in the + Z direction, the reflection spot of the laser beam L2 on the light receiving surface 27 of the photodetector 62 changes in the + β direction. Further, when the cantilever 2 is bent in the −Z direction, the reflection spot of the laser beam L2 on the light receiving surface 27 of the photodetector 62 changes in the −β direction. On the other hand, when the cantilever 2 is twisted in the + Y direction, the reflection spot position of the laser beam L2 on the light receiving surface 27 of the photodetector 62 changes in the + α direction. When the cantilever 2 is twisted in the −Y direction, the reflection spot of the laser beam L2 on the light receiving surface 27 of the photodetector 62 changes in the −α direction.

光検出部６２は、受光面２７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７に出力する。すなわち、第１検出信号は、カンチレバー２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６２は、受光面２７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７に出力する。すなわち、第２検出信号は、カンチレバー２のねじれ量に応じたＦＦＭ信号（ねじれ信号）である。 The photodetector 62 outputs a first detection signal corresponding to the position of the reflection spot of the laser beam L2 in the ± Z direction of the light receiving surface 27 to the control device 7. That is, the first detection signal is a DIF signal (deflection signal) corresponding to the amount of deflection of the cantilever 2. Further, the photodetector 62 outputs a second detection signal corresponding to the position of the reflection spot of the laser beam L2 in the ± Y direction of the light receiving surface 27 to the control device 7. That is, the second detection signal is an FFM signal (twist signal) corresponding to the amount of twist of the cantilever 2.

次に、第１の実施形態に係る制御装置７について、説明する。
図１に示すように、制御装置７は、判定部４２、駆動制御部４３、及び測定部４４を備える。 Next, the control device 7 according to the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the control device 7 includes a determination unit 42, a drive control unit 43, and a measurement unit 44.

判定部４２は、光検出部６２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２ａ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２ａ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。 The determination unit 42 determines whether or not the probe 2a has come into contact with the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. In the following description, the process of determining whether or not the probe 2a has come into contact with the sample surface is referred to as "contact determination process".

また、判定部４２は、光検出部６２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２ａ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２ａ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。 Further, the determination unit 42 determines whether or not the probe 2a is separated from the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. In the following description, the process of determining whether or not the probe 2a is separated from the sample surface is referred to as "separation determination process".

駆動制御部４３は、移動駆動部５によるプローブ２ａ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２ａ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、駆動制御部４３は、プローブ２ａを測定位置に接近させる接近動作と、プローブ２ａと試料Ｓとを引き離す引離し動作と、プローブ２ａ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。 The drive control unit 43 controls the relative movement amount of the probe 2a and the sample S by the movement drive unit 5. Here, the scanning probe microscope A according to the embodiment of the present invention intermittently scans the sample surface by bringing the probe 2a into contact with the sample surface only at a plurality of preset measurement points. Use a target measurement method. Therefore, the drive control unit 43 has an approaching operation of bringing the probe 2a closer to the measurement position, a pulling operation of separating the probe 2a from the sample S, and a moving operation of moving the probe 2a to the sky above the next measurement position. Control each operation.

具体的には、駆動制御部４３は、プローブ２ａと試料表面とを接触させるため接触動作信号をＺ方向駆動装置５１に出力し、試料Ｓを上昇させる。これにより、駆動制御部４３は、プローブ２ａと試料表面とを接近させる。 Specifically, the drive control unit 43 outputs a contact operation signal to the Z-direction drive device 51 in order to bring the probe 2a into contact with the sample surface, and raises the sample S. As a result, the drive control unit 43 brings the probe 2a and the sample surface close to each other.

駆動制御部４３は、接触判定処理によりプローブ２ａが試料表面に接触したと判定された場合には、Ｚ方向駆動装置５１に対する接触動作信号の出力を停止することで、試料Ｓを上昇させる接近動作を停止させる。 When the drive control unit 43 determines that the probe 2a has come into contact with the sample surface by the contact determination process, the drive control unit 43 stops the output of the contact operation signal to the Z-direction drive device 51 to raise the sample S. To stop.

駆動制御部４３は、プローブ２ａから試料表面を引き離すため引離し動作信号をＺ方向駆動装置５１に出力し、試料Ｓを下降させる。これにより、駆動制御部４３は、試料表面をプローブ２ａから引き離す方向に動作させる。すなわち、駆動制御部４３は、試料表面がプローブ２ａに接触している状態から退避させる。 The drive control unit 43 outputs a separation operation signal to the Z-direction drive device 51 in order to separate the sample surface from the probe 2a, and lowers the sample S. As a result, the drive control unit 43 operates in the direction of pulling the sample surface away from the probe 2a. That is, the drive control unit 43 retracts the sample surface from the state where it is in contact with the probe 2a.

ここで、第１の実施形態の特徴の一つは、駆動制御部４３は、引離し動作において、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させることである。ここで、応答速度とは、カンチレバー２の共振周波数と、その共振周波数で安定して動作可能な振幅とに基づいて算出される平均移動速度である。このように、第１の実施形態に係る引離し動作とは、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる動作である。 Here, one of the features of the first embodiment is that the drive control unit 43 operates in the pulling operation in the direction of pulling the sample S away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2. be. Here, the response speed is an average moving speed calculated based on the resonance frequency of the cantilever 2 and the amplitude capable of stably operating at the resonance frequency. As described above, the pulling operation according to the first embodiment is a direction in which the sample S is pulled away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2 from the state where the probe 2a is in contact with the sample surface. It is an operation to operate.

駆動制御部４３は、離間判定処理によりプローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定した場合には、Ｚ方向駆動装置５１に対する引離し動作信号の出力を停止することで、試料Ｓを下降させる引離し動作を停止させる。 When the drive control unit 43 determines that the probe 2a is separated from the sample surface by the separation determination process, the drive control unit 43 lowers the sample S by stopping the output of the separation operation signal to the Z-direction drive device 51. The pulling operation is stopped.

駆動制御部４３は、ＸＹスキャナー５２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２ａを移動させる。 By outputting the drive signal to the XY scanner 52, the drive control unit 43 moves the probe 2a to the measurement lowering position located immediately above the next measurement position.

測定部４４は、プローブ２ａ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４４は、接触判定処理によりプローブ２ａ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２ａ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４４は、プローブ２ａ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４４は、試料台４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４の高さをセンサー（不図示）により直接計測してもよい。 The measuring unit 44 measures the uneven shape of the sample surface in a state where the probe 2a and the sample surface are in contact with each other. For example, when the measurement unit 44 determines that the probe 2a has come into contact with the sample surface by the contact determination process, the distance that the sample S has moved relative to the probe 2a in the approaching operation (hereinafter, simply "relative"). By measuring the "distance"), the uneven shape of the sample surface is measured. For example, the measuring unit 44 may calculate the relative distance based on the voltage value of the drive signal in the state where the probe 2a and the sample surface are in contact with each other. Further, the measuring unit 44 may directly measure the displacement of the sample table 4 with a sensor (not shown), or may directly measure the height of the sample table 4 with a sensor (not shown).

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３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２ａが位置している場合とする。 Next, the flow of the intermittent measurement method of the scanning probe microscope A according to the first embodiment will be described with reference to FIG. As an initial condition, it is assumed that the probe 2a is located at the measurement descending position at a predetermined measurement point.

駆動制御部４３は、接触動作信号をＺ方向駆動装置５１に出力し、試料台４を上昇させることでプローブ２ａを試料表面に接近させる接近動作を開始する（ステップＳ１０１）。 The drive control unit 43 outputs a contact operation signal to the Z-direction drive device 51, raises the sample table 4, and starts an approach operation to bring the probe 2a closer to the sample surface (step S101).

判定部４２は、接近動作が開始された場合には、光検出部６２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２ａ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）。 When the approaching operation is started, the determination unit 42 determines whether or not the probe 2a has come into contact with the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. The contact determination process is executed (step S102).

判定部４２は、接触判定処理により、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定した場合には、上記接近動作を停止する（ステップＳ１０３）。この場合には、プローブ２ａ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。 When the determination unit 42 determines by the contact determination process that the probe 2a has come into contact with the sample surface, the determination unit 42 stops the approaching operation (step S103). In this case, since the probe 2a is in contact with the sample surface, the cantilever is twisted or bent more than a certain amount.

測定部４４は、プローブ２ａと試料表面とが接触したと判定された場合には、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）。 When it is determined that the probe 2a and the sample surface are in contact with each other, the measuring unit 44 measures the uneven shape of the sample surface by measuring the relative distance (step S104).

駆動制御部４３は、測定部４４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２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる引離し動作を開始する（ステップＳ１０５）。 When the measurement of the relative distance by the measuring unit 44 is completed, the drive control unit 43 starts a pulling operation of moving the sample S in the direction of pulling it away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2. Step S105).

判定部４２は、引離し動作が開始された場合には、検出部３３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２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を実行する（ステップＳ１０６）。 When the pulling operation is started, the determination unit 42 determines whether or not the probe 2a is separated from the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the detection unit 33. The separation determination process for determination is executed (step S106).

駆動制御部４３は、離間判定処理により、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定された場合には、上記引離し動作を停止する（ステップＳ１０７）。そして、駆動制御部４３は、ＸＹスキャナー５２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２ａを移動させる（ステップＳ１０８）。そして、駆動制御部４３は、その測定下降位置からカンチレバー２を下降させ、次の測定位置においてプローブ２ａを接触させ、再度測定部４４による相対距離の測定が開始される。このように、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Ｓ１０８の動作を行うことで、試料表面を間欠的に走査する。 When the distance determination process determines that the probe 2a is separated from the sample surface, the drive control unit 43 stops the separation operation (step S107). Then, the drive control unit 43 outputs the drive signal to the XY scanner 52 to move the probe 2a to the measurement lowering position located immediately above the next measurement position (step S108). Then, the drive control unit 43 lowers the cantilever 2 from the measurement lowering position, contacts the probe 2a at the next measurement position, and the measurement unit 44 starts measuring the relative distance again. As described above, the scanning probe microscope A intermittently scans the sample surface by performing the operations of steps S101 to S108 corresponding to each measurement point of the sample S.

以下に、第１の実施形態に係る接触判定処理について説明する。
判定部４２は、光検出部６２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２ａが試料表面に接触したと判定する。 The contact determination process according to the first embodiment will be described below.
The determination unit 42 determines that the probe 2a has come into contact with the sample surface when the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 exceeds the first range.

判定部４２は、光検出部６２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２ａが試料表面に接触したと判定する。 The determination unit 42 determines that the probe 2a has come into contact with the sample surface when the amount of twist indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 exceeds the second range.

このように、判定部４２は、光検出部６２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６２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２ａ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４２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。 In this way, the determination unit 42 has the first condition that the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 exceeds the first range, and the second detection signal output from the light detection unit 62. When at least one of the second conditions in which the indicated twist amount exceeds the second range is satisfied, it is determined that the probe 2a has come into contact with the sample surface. In the above, the first detection signal and the second detection signal are determined independently, but in the determination unit 42, "square of the first detection signal" and "2 of the second detection signal". It may be determined by a set value according to the characteristic, such as adding "squares" and determining that the positive number of the square root of the sum is in contact when it becomes a certain value or more.

以下に、本実施形態における第１の範囲及び第２の範囲について、図４を用いて説明する。図４に示すように、第１の範囲は、たわみ上限閾値とたわみ下限閾値との間の範囲である。たわみ上限値は、プローブ２ａと試料Ｓとの表面が接触することで＋Ｚ方向にたわんだカンチレバー２のたわみ量である。一方、たわみ下限値は、プローブ２ａと試料Ｓとの表面が接触することで−Ｚ方向にたわんだカンチレバー２のたわみ量である。したがって、判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が、たわみ上限値を超えた場合、又は第１検出信号が示すたわみ量が、たわみ下限値を下回った場合、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。 Hereinafter, the first range and the second range in the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the first range is a range between the deflection upper limit threshold and the deflection lower limit threshold. The upper limit of deflection is the amount of deflection of the cantilever 2 that is deflected in the + Z direction when the surfaces of the probe 2a and the sample S come into contact with each other. On the other hand, the lower limit of deflection is the amount of deflection of the cantilever 2 that is deflected in the −Z direction due to the contact between the surfaces of the probe 2a and the sample S. Therefore, in the determination unit 42, when the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 exceeds the upper limit value of the deflection, or the amount of deflection indicated by the first detection signal is less than the lower limit value of the deflection. In this case, it is determined that the probe 2a has come into contact with the sample surface.

第２の範囲は、ねじれ上限閾値とねじれ下限閾値との間の範囲である。ねじれ上限値は、プローブ２ａと試料Ｓとの表面が接触することで＋Ｙ方向にねじれたカンチレバー２のねじれ量である。一方、ねじれ下限値は、プローブ２ａと試料表面とが接触することで−Ｙ方向にねじれたカンチレバー２のねじれ量である。したがって、判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が、ねじれ上限値を超えた場合、又は第２検出信号が示すねじれ量が、ねじれ下限値を下回った場合、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。このように、図４に示すたわみ量とねじれ量との２次元座標において、第１検出信号が示すたわみ量と、第２検出信号が示すねじれ量と、が示す位置が、斜線で示された範囲の外に位置された場合にプローブ２ａが試料表面に接触したと判定されることになる。 The second range is between the upper twist threshold and the lower twist threshold. The upper limit of twist is the amount of twist of the cantilever 2 twisted in the + Y direction due to the contact between the surface of the probe 2a and the sample S. On the other hand, the lower limit of twist is the amount of twist of the cantilever 2 twisted in the −Y direction due to contact between the probe 2a and the sample surface. Therefore, in the determination unit 42, when the twist amount indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 exceeds the twist upper limit value, or the twist amount indicated by the second detection signal falls below the twist lower limit value. In this case, it is determined that the probe 2a has come into contact with the sample surface. As described above, in the two-dimensional coordinates of the amount of deflection and the amount of twist shown in FIG. 4, the positions indicated by the amount of deflection indicated by the first detection signal and the amount of twist indicated by the second detection signal are indicated by diagonal lines. If it is located outside the range, it will be determined that the probe 2a has come into contact with the sample surface.

次に、第１の実施形態に係る離間判定処理について説明する。
判定部４２は、引離し動作中において、所定の振幅におけるカンチレバー２の振動を、当該カンチレバーの共振周波数で検出した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。なお、所定の振幅とは、カンチレバー２のフリー状態の位置を基準として、プローブ２ａが試料表面に接触している状態におけるカンチレバー２の変位よりも小さい範囲である。 Next, the separation determination process according to the first embodiment will be described.
The determination unit 42 determines that the probe 2a is separated from the sample surface when the vibration of the cantilever 2 at a predetermined amplitude is detected at the resonance frequency of the cantilever during the pulling operation. The predetermined amplitude is a range smaller than the displacement of the cantilever 2 in the state where the probe 2a is in contact with the sample surface, with reference to the position of the cantilever 2 in the free state.

例えば、離間判定処理とは、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、カンチレバー２の共振周波数近傍での、たわみ方向の振幅の変化率が所定値以上であるか否かを判定する処理である。ここで、たわみ方向の振幅の変化率が所定値以上である場合とは、たわみ方向の振幅が急激に増加する場合を示す。なお、離間判定処理とは、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、所定の振幅におけるカンチレバー２の振動の周波数が当該カンチレバーの共振周波数であるか否かを判定する処理としてもよい。 For example, in the separation determination process, when the sample S is operated in the direction of pulling away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, the rate of change of the amplitude in the deflection direction in the vicinity of the resonance frequency of the cantilever 2 is This is a process for determining whether or not the value is equal to or higher than a predetermined value. Here, the case where the rate of change of the amplitude in the deflection direction is equal to or greater than a predetermined value indicates the case where the amplitude in the deflection direction suddenly increases. In the separation determination process, when the sample S is operated in the direction of pulling away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, the frequency of vibration of the cantilever 2 at a predetermined amplitude is the resonance frequency of the cantilever. It may be a process of determining whether or not there is.

判定部４２は、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、カンチレバー２の振動周波数が当該カンチレバーの共振周波数であり、且つカンチレバー２の振幅の変化率が所定値以上であると判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。一方、判定部４２は、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合において、カンチレバー２の振動の周波数が当該カンチレバーの共振周波数ではない、又はカンチレバー２の振幅の変化率が所定値未満であると判定した場合には、プローブ２ａと試料表面とが接触している（離間していない）と判定する。 When the determination unit 42 operates the sample S in the direction of pulling it away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, the vibration frequency of the cantilever 2 is the resonance frequency of the cantilever and the amplitude of the cantilever 2 is increased. When it is determined that the rate of change is equal to or greater than a predetermined value, it is determined that the probe 2a is separated from the sample surface. On the other hand, when the determination unit 42 operates the sample S in the direction of pulling it away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, the vibration frequency of the cantilever 2 is not the resonance frequency of the cantilever, or the cantilever 2 When it is determined that the rate of change of the amplitude of is less than a predetermined value, it is determined that the probe 2a and the sample surface are in contact (not separated).

以下に、第１の実施形態に係る離間判定処理の作用効果について、図５，図６を用いて説明する。
図５は、通常の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合における、カンチレバー２の様子を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。図５（ａ），図６（ａ）は、−Ｙ方向から見たカンチレバー２の側面図を示し、図５（ｂ），図６（ｂ）は、−Ｘ方向から見たカンチレバー２の側面図を示す。 Hereinafter, the effects of the separation determination process according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
FIG. 5 is a diagram showing a state of the cantilever 2 when the sample S is operated in a direction of pulling away from the probe 2a at a normal speed. FIG. 6 is a diagram showing a state of the cantilever 2 in the pulling operation (when the sample S is operated in the direction of pulling away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2) according to the first embodiment. .. 5 (a) and 6 (a) show side views of the cantilever 2 seen from the −Y direction, and FIGS. 5 (b) and 6 (b) show side views of the cantilever 2 seen from the −X direction. The figure is shown.

判定部４２は、上述の接触判定処理において、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量との少なくともいずれか一方が所定の範囲外である場合に、プローブ２ａが試料表面に接触したと判定する。したがって、対偶で考えれば、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内であれば、プローブ２ａが試料表面に接触していない、すなわちプローブ２ａと試料表面とが離間したことになる。 In the above-mentioned contact determination process, the determination unit 42 determines that the probe 2a has come into contact with the sample surface when at least one of the deflection amount and the twist amount of the cantilever 2 is out of the predetermined range. Therefore, in terms of even number, if the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2 are within predetermined ranges, the probe 2a is not in contact with the sample surface, that is, the probe 2a and the sample surface are separated from each other. Become.

しかしながら、プローブ２ａと試料表面との間には、吸着力が存在する場合がある。そのため、図５に示すように、通常の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離した場合には、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内になったとしても、上記吸着力により、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合がある。また、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力は、各測定点で異なる場合がある。したがって、プローブ２ａと試料表面とが離間するときの、たわみ量とねじれ量のそれぞれの閾値を一意に設定することができない。 However, there may be an adsorptive force between the probe 2a and the sample surface. Therefore, as shown in FIG. 5, when the sample S is pulled away from the probe 2a at a normal speed, even if the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2 are within a predetermined range, the above adsorption The probe 2a may be in contact with the sample surface due to the force. Further, the suction force between the probe 2a and the sample S may be different at each measurement point. Therefore, it is not possible to uniquely set the respective threshold values of the amount of deflection and the amount of twist when the probe 2a and the sample surface are separated from each other.

一方、図６に示すように、第１の実施形態では、駆動制御部４３は、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す。ここで、プローブ２ａは、カンチレバー２の応答速度より速く移動することができない。したがって、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離すと、プローブ２ａと試料表面との間には、吸着力が存在する場合であっても、プローブ２ａは、試料表面とが接触している状態から即座に離間する。 On the other hand, as shown in FIG. 6, in the first embodiment, the drive control unit 43 pulls the sample S away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2. Here, the probe 2a cannot move faster than the response speed of the cantilever 2. Therefore, when the sample S is pulled away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, the probe 2a is separated from the sample surface even if there is an adsorption force between the probe 2a and the sample surface. Immediately separates from the state of contact.

したがって、プローブ２ａと試料表面とが接触している状態、すなわち、プローブ２ａが上方に押し上げられている状態から、フリー状態までの振幅で、カンチレバー２は共振する。換言すれば、カンチレバー２の共振周波数における、たわみ方向の振幅が急激に増加する。したがって、第１の実施形態に係る判定部４２は、引離し動作中において、たわみ方向の振幅におけるカンチレバー２の振動を、当該カンチレバー２の共振周波数（高次の周波数を含む）で検出した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。これにより、プローブ２ａと試料表面との間に吸着力が存在する場合であっても、プローブ２ａが試料表面に対して離間したことを確実に検出することができる。 Therefore, the cantilever 2 resonates with an amplitude from the state in which the probe 2a is in contact with the sample surface, that is, the state in which the probe 2a is pushed upward to the free state. In other words, the amplitude in the deflection direction at the resonance frequency of the cantilever 2 increases sharply. Therefore, when the determination unit 42 according to the first embodiment detects the vibration of the cantilever 2 in the amplitude in the deflection direction at the resonance frequency (including higher-order frequencies) of the cantilever 2 during the pulling operation. Determines that the probe 2a is separated from the sample surface. As a result, even when an adsorption force exists between the probe 2a and the sample surface, it is possible to reliably detect that the probe 2a is separated from the sample surface.

なお、カンチレバー２の応答速度を越えた速度で引き離しを行う場合において、プローブ２ａと試料表面との間に吸着力が存在しない場合には、カンチレバー２のたわんだ状態を起点とした振動がたわみ方向の共振周波数で発生する。 When pulling away at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, if there is no attractive force between the probe 2a and the sample surface, the vibration starting from the bent state of the cantilever 2 is in the bending direction. It occurs at the resonance frequency of.

以下に、第１の実施形態に係る離間判定処理の流れについて、図７を用いて説明する。 Hereinafter, the flow of the separation determination process according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 7.

判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内か否かを判定する（ステップＳ２０１）。判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であると判定した場合には、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内か否かを判定する（ステップＳ２０２）。一方、判定部４２は、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲外であると判定された場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ２０６）。 The determination unit 42 determines whether or not the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 is within the first range (step S201). When the determination unit 42 determines that the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 is within the first range, the second detection signal output from the light detection unit 62 indicates. It is determined whether or not the twist amount is within the second range (step S202). On the other hand, when the determination unit 42 determines that the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 is out of the first range, the probe 2a is separated from the sample surface. It is determined that there is no signal (step S206).

判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であると判定した場合に、第１検出信号の周波数がカンチレバー２の共振周波数であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。一方、判定部４２は、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲外であると判定した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ２０６）。 When the determination unit 42 determines that the twist amount indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 is within the second range, is the frequency of the first detection signal the resonance frequency of the cantilever 2? It is determined whether or not (step S203). On the other hand, when the determination unit 42 determines that the twist amount indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 is out of the second range, the probe 2a is not separated from the sample surface. Determine (step S206).

判定部４２は、第１検出信号の周波数がカンチレバー２の共振周波数であると判定した場合には、その第１検出信号が示すたわみ量の変化率が所定値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。一方、判定部４２は、第１検出信号の周波数がカンチレバー２の共振周波数ではないと判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ２０６）。 When the determination unit 42 determines that the frequency of the first detection signal is the resonance frequency of the cantilever 2, it determines whether or not the rate of change in the amount of deflection indicated by the first detection signal exceeds a predetermined value ( Step S204). On the other hand, when the determination unit 42 determines that the frequency of the first detection signal is not the resonance frequency of the cantilever 2, it determines that the probe 2a is not separated from the sample surface (step S206).

判定部４２は、第１検出信号が示すたわみ量の変化が所定値を超える場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する（ステップＳ２０５）。一方、判定部４２は、第１検出信号が示すたわみ量の変化が所定値未満である場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないと判定する（ステップＳ２０６）。 When the change in the amount of deflection indicated by the first detection signal exceeds a predetermined value, the determination unit 42 determines that the probe 2a is separated from the sample surface (step S205). On the other hand, when the change in the amount of deflection indicated by the first detection signal is less than a predetermined value, the determination unit 42 determines that the probe 2a is not separated from the sample surface (step S206).

なお、図７において、ステップＳ２０１の処理の後に、ステップＳ２０２の処理を実行したが、これに限定されない。本実施形態における判定部４２は、ステップＳ２０２の処理の後に、ステップＳ２０１の処理を行ってもよいし、ステップＳ２０１の処理と、ステップＳ２０２の処理とを並列に実行してもよい。同様に、判定部４２は、ステップＳ２０３の処理の後に、ステップＳ２０４の処理を実行してもよいし、ステップＳ２０３の処理と、ステップＳ２０４の処理とを並列に実行してもよい。 In FIG. 7, the process of step S202 is executed after the process of step S201, but the present invention is not limited to this. The determination unit 42 in the present embodiment may perform the process of step S201 after the process of step S202, or may execute the process of step S201 and the process of step S202 in parallel. Similarly, the determination unit 42 may execute the process of step S204 after the process of step S203, or may execute the process of step S203 and the process of step S204 in parallel.

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２の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、所定の振幅におけるカンチレバー２の振動を、当該カンチレバー２の（高次の周波数を含む）共振周波数で検出した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する。そして、走査型プローブ顕微鏡Ａは、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定した時点でＺ方向駆動装置５１による引離し動作を中止させ、プローブ２ａが試料Ｓの次の測定点の直上に位置するように、そのプローブ２ａと試料とを相対的に移動させる。 As described above, the scanning probe microscope A according to the first embodiment vibrates the cantilever 2 at a predetermined amplitude during the pulling operation of pulling the sample S away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2. Is detected at the resonance frequency (including higher-order frequencies) of the cantilever 2, it is determined that the probe 2a is separated from the sample surface. Then, when the scanning probe microscope A determines that the probe 2a is separated from the sample surface, the pulling operation by the Z-direction drive device 51 is stopped, and the probe 2a is directly above the next measurement point of the sample S. The probe 2a and the sample are relatively moved so that they are located.

これにより、走査型プローブ顕微鏡Ａでは、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定を、最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。 As a result, the scanning probe microscope A operates at the optimum separation distance at each measurement point of the sample S, so that the measurement of the uneven shape on the sample surface can be achieved in the shortest time. Therefore, the scanning probe microscope A can improve the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface.

ここで、たわみ量を示す第１検出信号が、温度変化等によりドリフトする場合がある。したがって、従来では、このドリフトの影響も考慮して、引離し距離を決める必要があり、事前に最適化できない場合がある。
一方、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ａは、第１検出信号がドリフトした場合であっても、逐次、プローブ２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する。そのため、走査型プローブ顕微鏡Ａは、ドリフトの影響を受けずに、最適な引離し距離で動作することができる。 Here, the first detection signal indicating the amount of deflection may drift due to a temperature change or the like. Therefore, conventionally, it is necessary to determine the separation distance in consideration of the influence of this drift, and it may not be possible to optimize in advance.
On the other hand, the scanning probe microscope A according to the first embodiment sequentially determines whether or not the probe 2a is separated from the sample surface even when the first detection signal drifts. Therefore, the scanning probe microscope A can operate at an optimum separation distance without being affected by drift.

なお、上述の実施形態において、Ｚ方向駆動装置５１は、振動を発生せずに高速でプローブ２ａから試料Ｓを引き離す方向に動作させる引離し動作を行う必要がある。そのために、Ｚ方向駆動装置５１は、積層圧電素子５１０を用いる構成としてもよい。例えば、図８に示すように、Ｚ方向駆動装置５１は、積層圧電素子５１０、バネ定数が同じ板バネ５１１，５１２、板バネ５１１，５１２のそれぞれを固定する支持板５２１，５２２、及び台５３０を備える。
積層圧電素子５１０の一端には、板バネ５１１を介して試料台４及び試料Ｓが設けられている。また、積層圧電素子５１０の他端には、板バネ５１２を介して台５３０が設けられている。この台５３０の重さは、試料台４及び試料Ｓの重さに相当する。
そして、Ｚ方向駆動装置５１を固定する場合には、支持板５２１，５２２のそれぞれの重心で固定する。したがって、Ｚ方向駆動装置５１は、引離し動作中であっても、周囲に振動を伝わらないようにすることができる。 In the above-described embodiment, the Z-direction drive device 51 needs to perform a pulling operation in which the sample S is pulled away from the probe 2a at high speed without generating vibration. Therefore, the Z-direction drive device 51 may be configured to use the laminated piezoelectric element 510. For example, as shown in FIG. 8, the Z-direction drive device 51 includes a laminated piezoelectric element 510, leaf springs 511,512 having the same spring constant, support plates 521,522 for fixing the leaf springs 511, 512, and a base 530. To be equipped.
A sample base 4 and a sample S are provided at one end of the laminated piezoelectric element 510 via a leaf spring 511. Further, a base 530 is provided at the other end of the laminated piezoelectric element 510 via a leaf spring 512. The weight of the table 530 corresponds to the weight of the sample table 4 and the sample S.
When the Z-direction drive device 51 is fixed, it is fixed at the center of gravity of each of the support plates 521 and 522. Therefore, the Z-direction drive device 51 can prevent vibration from being transmitted to the surroundings even during the pulling operation.

（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、第１の実施形態に係る「離間判定処理」とは異なり、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｂの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。 (Second Embodiment)
Hereinafter, the scanning probe microscope B according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. The scanning probe microscope B according to the second embodiment is different from the “separation determination process” according to the first embodiment, and performs the separation determination process based on the speed change in the bending direction of the cantilever 2. The "contact determination process" of the scanning probe microscope B according to the second embodiment performs the same process as the "contact determination process" according to the first embodiment.

図９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９に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、カンチレバー２、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｂを備えている。 FIG. 9 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the scanning probe microscope B according to the second embodiment. As shown in FIG. 9, the scanning probe microscope B includes a cantilever 2, a sample table 4, a moving drive unit 5, a displacement detection unit 6, and a control device 7B.

制御装置７Ｂは、判定部４２Ｂ、駆動制御部４３Ｂ、及び測定部４４を備える。 The control device 7B includes a determination unit 42B, a drive control unit 43B, and a measurement unit 44.

判定部４２Ｂは、光検出部６２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２ａ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行う。この判定部４２Ｂにおける接触判定処理は、第１の実施形態に係る接触判定処理と同様である。 The determination unit 42B performs a contact determination process for determining whether or not the probe 2a has come into contact with the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. The contact determination process in the determination unit 42B is the same as the contact determination process according to the first embodiment.

また、判定部４２Ｂは、光検出部６２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２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部４２Ｂにおける離間判定処理は、引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定することである。 Further, the determination unit 42B performs a separation determination process for determining whether or not the probe 2a is separated from the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. Specifically, the separation determination process in the determination unit 42B is to determine the separation of the probe 2a from the sample surface based on the speed change in the bending direction of the cantilever 2 during the separation operation.

駆動制御部４３Ｂは、引離し動作において、カンチレバー２の応答速度以下の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる。すなわち、引離し動作において、第１の実施形態では、カンチレバー２の応答速度を超えた速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させるが、第２の実施形態では、カンチレバー２の応答速度以下の速度で、試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させる。なお、上記引離し動作以外の駆動制御部４３Ｂに関する動作は、駆動制御部４３と同様である。 In the pulling operation, the drive control unit 43B moves the sample S in the direction of pulling it away from the probe 2a at a speed equal to or lower than the response speed of the cantilever 2. That is, in the pulling operation, in the first embodiment, the sample S is operated in the direction of pulling away from the probe 2a at a speed exceeding the response speed of the cantilever 2, but in the second embodiment, the response speed of the cantilever 2 The sample S is operated in the direction of pulling away from the probe 2a at the following speed. The operations related to the drive control unit 43B other than the pulling operation are the same as those of the drive control unit 43.

以下に、第２の実施形態に係る離間判定処理について説明する。 The separation determination process according to the second embodiment will be described below.

判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。
ここで、判定部４２Ｂは、カンチレバー２のたわみ量Ｖｄと試料Ｓをプローブ２ａから引き離した距離Ｈとの比（Ｖｄ／Ｈ）から、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化を算出することができる。また、判定部４２Ｂは、カンチレバー２のたわみ量Ｖｄを微分することでカンチレバー２のたわみ方向の速度変化を算出することができる。 The determination unit 42B determines the distance of the probe 2a from the sample surface based on the speed change in the bending direction of the cantilever 2 during the pulling operation of pulling the sample S away from the probe 2a at a speed equal to or lower than the response speed of the cantilever 2.
Here, the determination unit 42B can calculate the speed change in the deflection direction of the cantilever 2 from the ratio (Vd / H) of the deflection amount Vd of the cantilever 2 and the distance H when the sample S is separated from the probe 2a. Further, the determination unit 42B can calculate the speed change in the deflection direction of the cantilever 2 by differentiating the deflection amount Vd of the cantilever 2.

判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度が所定値以下になる場合には、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。
また、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２の速度方向が反転した場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。 The determination unit 42B pulls the sample S away from the probe 2a at a speed equal to or lower than the response speed of the cantilever 2. Judged as separated.
Further, the determination unit 42B determines that the probe 2a is separated from the sample surface when the speed direction of the cantilever 2 is reversed during the pulling operation of pulling the sample S away from the probe 2a at a speed equal to or lower than the response speed of the cantilever 2. do.

以下に、第２の実施形態に係る離間判定処理の作用効果について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, the action and effect of the separation determination process according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.

図１０は、第２の実施形態に係る引離し動作において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化を示すグラフである。図１０（ａ）は、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在しない場合のカンチレバー２のたわみ方向の速度変化のグラフである。図１０（ｂ）は、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合のカンチレバー２のたわみ方向の速度変化のグラフである。図１１は、第２の実施形態に係る引離し動作（カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す方向に動作させた場合）における、カンチレバー２の様子を示す図である。図１１（ａ）は、−Ｙ方向から見たカンチレバー２の側面図を示し、図１１（ｂ）は、−Ｘ方向から見たカンチレバー２の側面図を示す。 FIG. 10 is a graph showing the speed change in the bending direction of the cantilever 2 in the pulling operation according to the second embodiment. FIG. 10A is a graph of the speed change in the bending direction of the cantilever 2 when there is no suction force between the probe 2a and the sample S. FIG. 10B is a graph of the velocity change in the bending direction of the cantilever 2 when there is an attractive force between the probe 2a and the sample S. FIG. 11 is a diagram showing the state of the cantilever 2 in the pulling operation (when the sample S is operated in the direction of pulling away from the probe 2a at a speed equal to or lower than the response speed of the cantilever 2) according to the second embodiment. FIG. 11A shows a side view of the cantilever 2 seen from the −Y direction, and FIG. 11B shows a side view of the cantilever 2 seen from the −X direction.

引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合には、カンチレバー２のたわみ方向の速度は、一定値となる。
ここで、図１０（ａ）に示すように、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在しない場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間すると、カンチレバー２のたわみ量の変化、すなわちカンチレバー２の速度は、フリー状態でほぼ０となる。そのため、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の応答速度以下の速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度が所定値以下になる場合には、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。これにより、判定部４２Ｂは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在しない場合において、プローブ２ａと試料Ｓとの離間を確実に検出することができる。なお、この所定値は、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合における、カンチレバー２のたわみ方向の速度未満の値である。 When the probe 2a and the sample surface are in contact with each other during the pulling operation, the velocity of the cantilever 2 in the bending direction becomes a constant value.
Here, as shown in FIG. 10A, when there is no attractive force between the probe 2a and the sample S, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other, the amount of deflection of the cantilever 2 changes, that is, The speed of the cantilever 2 becomes almost 0 in the free state. Therefore, when the determination unit 42B pulls the sample S away from the probe 2a at a speed equal to or lower than the response speed of the cantilever 2 and the speed in the bending direction of the cantilever 2 becomes equal to or less than a predetermined value, the probe 2a is the sample. Judged as separated from the surface. As a result, the determination unit 42B can reliably detect the separation between the probe 2a and the sample S when there is no suction force between the probe 2a and the sample S. It should be noted that this predetermined value is a value less than the velocity in the bending direction of the cantilever 2 when the probe 2a and the sample surface are in contact with each other.

一方、図１０（ｂ），図１１に示すように、プローブ２ａと試料Ｓとの間に吸着力が存在する場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間すると、その吸着力によるたわみ分が戻るため、Ｖｄ／Ｈの値の符号が反転する。すなわち、プローブ２ａと試料表面とが離間すると、カンチレバー２の速度方向が反転する。そのため、判定部４２Ｂは、引離し動作中において、カンチレバー２の速度方向が反転した場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。これにより、判定部４２Ｂは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合においても、プローブ２ａと試料Ｓとの離間を確実に検出することができる。 On the other hand, as shown in FIGS. 10B and 11, when an adsorption force exists between the probe 2a and the sample S, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other, the deflection due to the adsorption force is increased. Since it returns, the sign of the Vd / H value is inverted. That is, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other, the velocity direction of the cantilever 2 is reversed. Therefore, the determination unit 42B determines that the probe 2a is separated from the sample surface when the speed direction of the cantilever 2 is reversed during the pulling operation. As a result, the determination unit 42B can reliably detect the separation between the probe 2a and the sample S even when there is an attractive force between the probe 2a and the sample S.

以下に、第２の実施形態に係る離間判定処理の流れについて、図１２を用いて説明する。 Hereinafter, the flow of the separation determination process according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内か否かを判定する（ステップＳ３０１）。判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であると判定した場合には、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内か否かを判定する（ステップＳ３０２）。一方、判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲外であると判定された場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ３０６）。 The determination unit 42B determines whether or not the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 is within the first range (step S301). When the determination unit 42B determines that the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 is within the first range, the second detection signal output from the light detection unit 62 indicates. It is determined whether or not the twist amount is within the second range (step S302). On the other hand, when the determination unit 42B determines that the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the light detection unit 62 is out of the first range, the probe 2a is separated from the sample surface. It is determined that there is no such (step S306).

判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であると判定した場合に、第１検出信号に基づいて算出したカンチレバー２の速度が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０３）。一方、判定部４２Ｂは、光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲外であると判定した場合に、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ３０６）。 When the determination unit 42B determines that the twist amount indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 is within the second range, the speed of the cantilever 2 calculated based on the first detection signal is determined. It is determined whether or not it is equal to or less than a predetermined value (step S303). On the other hand, when the determination unit 42B determines that the twist amount indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 is out of the second range, the probe 2a is not separated from the sample surface. Determine (step S306).

判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度が所定値以下であると判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する（ステップＳ３０５）一方、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度が所定値を超えていると判定した場合には、カンチレバー２の速度方向が反転したか否かを判定する（ステップＳ３０４）。 When the determination unit 42B determines that the speed of the cantilever 2 is equal to or less than a predetermined value, it determines that the probe 2a is separated from the sample surface (step S305), while the determination unit 42B determines that the speed of the cantilever 2 is equal to or less than the predetermined value. When it is determined that the value exceeds a predetermined value, it is determined whether or not the speed direction of the cantilever 2 is reversed (step S304).

判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度方向が反転したと判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間したと判定する（ステップＳ３０５）。一方、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度方向が反転していないと判定した場合には、プローブ２ａが試料表面に対して離間していないを判定する（ステップＳ３０６）。 When the determination unit 42B determines that the velocity direction of the cantilever 2 is reversed, it determines that the probe 2a is separated from the sample surface (step S305). On the other hand, when the determination unit 42B determines that the velocity direction of the cantilever 2 is not reversed, it determines that the probe 2a is not separated from the sample surface (step S306).

なお、図１２において、ステップＳ３０１の処理の後に、ステップＳ３０２の処理を実行したが、これに限定されない。本実施形態における判定部４２Ｂは、ステップＳ３０２の処理の後に、ステップＳ３０１の処理を行ってもよいし、ステップＳ３０１の処理と、ステップＳ３０２の処理とを並列に実行してもよい。同様に、判定部４２Ｂは、ステップＳ３０３の処理の後に、ステップＳ３０４の処理を実行してもよいし、ステップＳ３０３の処理と、ステップＳ３０４の処理とを並列に実行してもよい。 In FIG. 12, the process of step S302 is executed after the process of step S301, but the present invention is not limited to this. The determination unit 42B in the present embodiment may perform the process of step S301 after the process of step S302, or may execute the process of step S301 and the process of step S302 in parallel. Similarly, the determination unit 42B may execute the process of step S304 after the process of step S303, or may execute the process of step S303 and the process of step S304 in parallel.

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２の応答速度を超えない速度で試料Ｓをプローブ２ａから引き離す引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ方向の速度変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。 As described above, in the scanning probe microscope B according to the second embodiment, the speed change in the bending direction of the cantilever 2 during the pulling operation of pulling the sample S from the probe 2a at a speed not exceeding the response speed of the cantilever 2. The distance between the probe 2a and the sample surface is determined based on the above.

例えば、判定部４２Ｂは、カンチレバー２のたわみ方向の速度が所定値以下になった場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。また、判定部４２Ｂは、カンチレバー２の速度方向が反転した場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。 For example, the determination unit 42B determines that the probe 2a is separated from the sample surface when the velocity of the cantilever 2 in the bending direction becomes equal to or less than a predetermined value. Further, the determination unit 42B determines that the probe 2a is separated from the sample surface when the speed direction of the cantilever 2 is reversed.

これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｂでは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。 As a result, in the scanning probe microscope B, even if there is an attractive force between the probe 2a and the sample S, the scanning probe microscope B operates at each measurement point of the sample S at the optimum separation distance, so that the sample surface is operated. The measurement of the uneven shape in the above can be achieved in the shortest time. Therefore, the scanning probe microscope B can improve the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface.

なお、第２の実施形態では、引離し動作において、試料Ｓを下降させることで、試料とプローブ２ａとを引き離したが、これに限定されない。駆動制御部４３Ｂは、引離し動作において、プローブ２ａを上昇させることで、試料Ｓとプローブ２ａとを引き離してもよい。 In the second embodiment, the sample and the probe 2a are separated by lowering the sample S in the separation operation, but the present invention is not limited to this. The drive control unit 43B may separate the sample S and the probe 2a by raising the probe 2a in the pulling operation.

（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、第１の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー２における振動の振幅の増加又はその振動の振動周波数の変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。 (Third Embodiment)
Hereinafter, the scanning probe microscope C according to the third embodiment will be described with reference to the drawings. The scanning probe microscope C according to the third embodiment is different from the “separation determination process” according to the first embodiment, and is determined to be separated based on an increase in the amplitude of vibration in the cantilever 2 or a change in the vibration frequency of the vibration. Perform processing. The "contact determination process" of the scanning probe microscope C according to the third embodiment performs the same process as the "contact determination process" according to the first embodiment.

図１３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１３に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、カンチレバー２、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｃを備えている。 FIG. 13 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the scanning probe microscope C according to the third embodiment. As shown in FIG. 13, the scanning probe microscope C includes a cantilever 2, a sample table 4, a moving drive unit 5, a displacement detection unit 6, and a control device 7C.

制御装置７Ｃは、判定部４２Ｃ、駆動制御部４３Ｂ、及び測定部４４を備える。 The control device 7C includes a determination unit 42C, a drive control unit 43B, and a measurement unit 44.

判定部４２Ｃは、光検出部６２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２ａ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行う。この判定部４２Ｃにおける接触判定処理は、第１の実施形態に係る接触判定処理と同様である。 The determination unit 42C performs a contact determination process for determining whether or not the probe 2a has come into contact with the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. The contact determination process in the determination unit 42C is the same as the contact determination process according to the first embodiment.

判定部４２Ｃは、光検出部６２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２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。 The determination unit 42C performs a separation determination process for determining whether or not the probe 2a is separated from the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62.

以下に、第３の実施形態に係る離間判定処理について、図１４を参照して説明する。 The separation determination process according to the third embodiment will be described below with reference to FIG.

第３の実施形態に係る離間判定処理には、大別して「カンチレバーの熱振動によるたわみ又はねじれ振幅の変化を検出する方法」、「カンチレバーの熱振動によるたわみ又はねじれ共振周波数の変化を検出」の２通りの方法がある。 The separation determination process according to the third embodiment is roughly classified into "a method of detecting a change in deflection or torsional amplitude due to thermal vibration of a cantilever" and "detecting a change in deflection or torsional resonance frequency due to thermal vibration of a cantilever". There are two methods.

（カンチレバーの熱振動によるたわみ又はねじれ振幅の変化を検出する方法）
カンチレバー２は、基端が固定さており、先端（プローブ２ａ）が自由端となっている。そのため、プローブ２ａが試料表面に接触していない場合、すなわち離間している場合には、カンチレバー２は、熱振動により大きな振幅で共振することとなる。以下において、基端が固定端であり、先端（プローブ２ａ）が自由端であるカンチレバー２の状態を、片持ちの状態と称する。 (Method of detecting changes in deflection or twist amplitude due to thermal vibration of the cantilever)
The base end of the cantilever 2 is fixed, and the tip (probe 2a) is a free end. Therefore, when the probe 2a is not in contact with the sample surface, that is, when the probe 2a is separated from the sample surface, the cantilever 2 resonates with a large amplitude due to thermal vibration. Hereinafter, the state of the cantilever 2 in which the base end is a fixed end and the tip end (probe 2a) is a free end is referred to as a cantilever state.

一方、プローブ２ａが試料表面に接触している場合には、プローブ２ａが試料表面により固定されていることになる。すなわち、カンチレバー２は、基端及び先端がともに固定端となる。そのため、熱振動による共振の振幅は、片持ちの状態と比較して小さな振幅となる。以下、基端及び先端がともに固定端であるカンチレバー２の状態を、両持ちの状態と称する。 On the other hand, when the probe 2a is in contact with the sample surface, the probe 2a is fixed by the sample surface. That is, both the base end and the tip end of the cantilever 2 are fixed ends. Therefore, the amplitude of resonance due to thermal vibration is smaller than that in the cantilevered state. Hereinafter, the state of the cantilever 2 in which both the base end and the tip end are fixed ends is referred to as a double-sided state.

したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２の振動の振幅が増加することになる。そこで、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の振幅の増加に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の振幅が所定値以上になった場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動の振幅とは、たわみ振幅及びねじれ振幅の少なくともいずれか一方である。また、この所定値は、両持ちの状態における、カンチレバー２の振動の振幅に基づいて設定される。 Therefore, when the probe 2a shifts from the state where the probe 2a is in contact with the sample surface to the state where the probe 2a is separated from the sample surface, the amplitude of the vibration of the cantilever 2 increases. Therefore, the determination unit 42C determines the distance of the probe 2a from the sample surface based on the increase in the amplitude of vibration in the cantilever 2 during the pulling operation. For example, the determination unit 42C determines that the probe 2a and the sample surface are separated from each other when the amplitude of vibration in the cantilever 2 becomes a predetermined value or more during the pulling operation. The amplitude of vibration in the cantilever 2 is at least one of a deflection amplitude and a twisting amplitude. Further, this predetermined value is set based on the amplitude of vibration of the cantilever 2 in the state of holding both hands.

（レバーの熱振動によるたわみ又はねじれ共振周波数の変化を検出）
熱振動により共振するカンチレバー２の共振周波数は、片持ちの状態と両持ちの状態とで異なる。したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２の共振周波数が変化することになる。以下、片持ちの状態であるカンチレバー２の共振周波数を片持ち共振周波数と称する。一方、両持ちの状態であるカンチレバー２の共振周波数を両持ち共振周波数と称する。 (Detects changes in deflection or torsional resonance frequency due to thermal vibration of the lever)
The resonance frequency of the cantilever 2 that resonates due to thermal vibration differs between the cantilever state and the cantilever state. Therefore, when the probe 2a shifts from the state where the probe 2a is in contact with the sample surface to the state where the probe 2a is separated from the sample surface, the resonance frequency of the cantilever 2 changes. Hereinafter, the resonance frequency of the cantilever 2 in the cantilever state is referred to as a cantilever resonance frequency. On the other hand, the resonance frequency of the cantilever 2 in the double-sided state is referred to as a double-sided resonance frequency.

そこで、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の共振周波数の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、カンチレバー２の振動周波数の変化が所定値以上になった場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動周波数とは、たわみ方向及びねじれ方向の少なくともいずれか一方方向の振動の周波数である。また、この所定値は、両持ち共振周波数に基づいて設定される。 Therefore, the determination unit 42C determines the separation of the probe 2a from the sample surface based on the change in the resonance frequency of the vibration in the cantilever 2 during the pulling operation. For example, the determination unit 42C determines that the probe 2a and the sample surface are separated from each other when the change in the vibration frequency of the cantilever 2 becomes a predetermined value or more during the pulling operation. The vibration frequency in the cantilever 2 is the frequency of vibration in at least one of the bending direction and the twisting direction. Further, this predetermined value is set based on the amphoteric resonance frequency.

なお、上述の２通りの離間判定処理のいずれにおいても、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定するには、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であり、且つ光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であることが条件となる。 In any of the above-mentioned two types of separation determination processing, in order to determine the separation of the probe 2a from the sample surface, the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the photodetector 62 is within the first range. The condition is that the amount of twist indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 is within the second range.

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、引離し動作中において、カンチレバー２における振動の振幅の増加又はその振動の振動周波数の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。 As described above, the scanning probe microscope C according to the third embodiment has a sample surface of the probe 2a based on an increase in the amplitude of vibration in the cantilever 2 or a change in the vibration frequency of the vibration during the pulling operation. Judge the distance from. As a result, the scanning probe microscope C operates at the optimum separation distance at each measurement point of the sample S even when there is an attractive force between the probe 2a and the sample S, so that the sample surface The measurement of the uneven shape in the above can be achieved in the shortest time. Therefore, the scanning probe microscope B can improve the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface.

また、走査型プローブ顕微鏡Ｃは、熱振動により、プローブ２ａと試料表面との離間を検出するため、新規に構造体を設ける必要が無い。 Further, since the scanning probe microscope C detects the distance between the probe 2a and the sample surface by thermal vibration, it is not necessary to newly provide a structure.

（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、加振部３を備え、第１の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の所定の周波数における振幅の変化に基づいて離間判定処理を行う。なお、第４の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。 (Fourth Embodiment)
Hereinafter, the scanning probe microscope D according to the fourth embodiment will be described with reference to the drawings. The scanning probe microscope D according to the fourth embodiment includes a vibration exciting unit 3, and unlike the “separation determination process” according to the first embodiment, the cantilever 2 at a predetermined frequency in the deflection direction or the twist direction. Separation determination processing is performed based on the change in amplitude. The "contact determination process" of the scanning probe microscope C according to the fourth embodiment performs the same process as the "contact determination process" according to the first embodiment.

図１５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１５に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、カンチレバー２、加振部３、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｄを備えている。 FIG. 15 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the scanning probe microscope D according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 15, the scanning probe microscope D includes a cantilever 2, a vibration exciting unit 3, a sample table 4, a moving drive unit 5, a displacement detection unit 6, and a control device 7D.

加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる。例えば、加振部３は、カンチレバー２を加振してもよいし、試料台４を加振してもよい。また、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる方向は、試料台４を水平面に垂直な方向（Ｚ方向）でもよいし、水平方向（Ｙ方向）でもよい。以下の説明において、この所定の周波数を加振周波数と称する。 The vibrating unit 3 vibrates the sample S and the cantilever 2 relatively at a predetermined frequency during the pulling operation. For example, the vibrating unit 3 may vibrate the cantilever 2 or the sample table 4. Further, the direction in which the sample S and the cantilever 2 are relatively vibrated at a predetermined frequency may be a direction (Z direction) perpendicular to the horizontal plane of the sample table 4 or a horizontal direction (Y direction). In the following description, this predetermined frequency will be referred to as an excitation frequency.

制御装置７Ｄは、判定部４２Ｄ、駆動制御部４３Ｄ、及び測定部４４を備える。
判定部４２Ｄは、光検出部６２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２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部４２Ｄにおける離間判定処理は、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の加振周波数における振幅の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定することである。 The control device 7D includes a determination unit 42D, a drive control unit 43D, and a measurement unit 44.
The determination unit 42D performs a separation determination process for determining whether or not the probe 2a is separated from the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. Specifically, the separation determination process in the determination unit 42D is to determine the separation of the probe 2a with respect to the sample surface based on the change in the amplitude of the cantilever 2 at the excitation frequency in the deflection direction or the twist direction.

駆動制御部４３Ｄは、駆動制御部４３Ｂと同様の機能を有する。また、駆動制御部４３Ｄは、加振部３の動作を制御する。すなわち、駆動制御部４３Ｄは、試料Ｓとカンチレバー２との相対的な振動を制御する。 The drive control unit 43D has the same function as the drive control unit 43B. Further, the drive control unit 43D controls the operation of the vibration excitation unit 3. That is, the drive control unit 43D controls the relative vibration between the sample S and the cantilever 2.

以下に、第４の実施形態に係る離間判定処理について、図１６，１７，１８を参照して説明する。
第４の実施形態に係る離間判定処理は、大別して、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法」、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法」、「カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法」、の３通りがある。 The separation determination process according to the fourth embodiment will be described below with reference to FIGS. 16, 17, and 18.
The separation determination process according to the fourth embodiment is roughly classified into "a method of detecting a decrease in amplitude at a non-resonant frequency in a bending direction or a twisting direction in a cantilever" and "resonance in a bending direction or a twisting direction in a cantilever". There are three methods: "a method of detecting the amount of increase in amplitude at a frequency" and "a method of detecting an amount of decrease in amplitude at a resonance frequency in a bending direction or a twisting direction in a cantilever".

（カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量を検出する方法：図１６）
この方法では、加振周波数は、カンチレバー２の非共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを非共振周波で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、プローブ２ａを支点としてカンチレバー２の角度が変化する。すなわち、光てこ式を用いた検出方式では、カンチレバー２の角度変化が、カンチレバー２の大きな振幅として検出される。 (Method of detecting the amount of decrease in amplitude in the non-resonant frequency in the bending direction or the twisting direction in the cantilever: FIG. 16)
In this method, the excitation frequency is set to the non-resonant frequency of the cantilever 2. Then, the vibrating unit 3 causes the sample S and the cantilever 2 to vibrate relatively minutely at a non-resonant frequency during the pulling operation. In this case, when the probe 2a is in contact with the sample surface, the angle of the cantilever 2 changes with the probe 2a as a fulcrum. That is, in the detection method using the optical lever method, the change in the angle of the cantilever 2 is detected as a large amplitude of the cantilever 2.

一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２の角度変化が減少する。そのため、光てこ式を用いた検出方式では、カンチレバー２の小さい振幅として検出される。したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２の振幅が減少することになる。ここで、カンチレバー２の振幅とは、たわみ方向の振幅及びねじれ方向の振幅との少なくともいずれかである。たわみ方向の振幅は、第１検出信号が示すたわみ量である。ねじれ方向の振幅は第２検出信号が示すねじれ量である。 On the other hand, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other during the pulling operation, the probe 2a is separated from the sample surface, so that the angle change of the cantilever 2 is reduced. Therefore, in the detection method using the optical lever method, it is detected as a small amplitude of the cantilever 2. Therefore, when the probe 2a shifts from the state of being in contact with the sample surface to the state where the probe 2a is separated from the sample surface, the amplitude of the cantilever 2 is reduced. Here, the amplitude of the cantilever 2 is at least one of the amplitude in the bending direction and the amplitude in the twisting direction. The amplitude in the deflection direction is the amount of deflection indicated by the first detection signal. The amplitude in the twist direction is the amount of twist indicated by the second detection signal.

そこで、判定部４２Ｄは、引離し動作中において、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、プローブ２ａが試料表面から離間したと判定する。また、この所定値は、引離し動作中においてプローブ２ａが試料表面に接触している状態で検出される、たわみ量又はねじれ量に基づいて設定される。 Therefore, the determination unit 42D determines that the probe 2a is separated from the sample surface when the amount of decrease in the amplitude of the cantilever 2 at the non-resonant frequency in the bending direction or the twisting direction exceeds a predetermined value during the pulling operation. .. Further, this predetermined value is set based on the amount of deflection or the amount of twist detected when the probe 2a is in contact with the sample surface during the pulling operation.

なお、この方法において、カンチレバー２を非共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を水平方向に振動させてもよい。また、第４の実施形態において、試料Ｓを非共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを水平方向に振動させてもよい。 In this method, the cantilever 2 may be slightly vibrated in the deflection direction at a non-resonant frequency, or the cantilever 2 may be vibrated in the horizontal direction. Further, in the fourth embodiment, the sample S may be slightly vibrated in the deflection direction at a non-resonant frequency, or the sample S may be vibrated in the horizontal direction.

（カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の増加量を検出する方法；図１７）
この方法では、加振周波数は、片持ち共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを片持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、カンチレバー２は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、小さな振幅で振動する。 (Method of detecting the amount of increase in amplitude at the resonance frequency in the bending direction or the twisting direction in the cantilever; FIG. 17).
In this method, the excitation frequency is set to the cantilever resonance frequency. Then, the vibrating unit 3 vibrates the sample S and the cantilever 2 relatively minutely at the cantilever resonance frequency during the pulling operation. In this case, when the probe 2a is in contact with the sample surface, the cantilever 2 is in a double-sided state. Therefore, even if the cantilever 2 is vibrated at the cantilever resonance frequency by the vibrating unit 3, it does not resonate and vibrates with a small amplitude.

一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２は片持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されることで共振し、大きな振幅で振動する。 On the other hand, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other during the pulling operation, the probe 2a is separated from the sample surface, so that the cantilever 2 is in a cantilever state. Therefore, the cantilever 2 resonates by being vibrated at the cantilever resonance frequency by the vibrating unit 3, and vibrates with a large amplitude.

したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、片持ち共振周波数におけるカンチレバー２の振動の振幅が増加することになる。そこで、判定部４２Ｄは、引離し動作中において、片持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の増加に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、片持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の増加量が所定値を超える場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動の振幅とは、たわみ振幅及びねじれ振幅の少なくともいずれか一方である。 Therefore, when the probe 2a shifts from the state where the probe 2a is in contact with the sample surface to the state where the probe 2a is separated from the sample surface, the amplitude of the vibration of the cantilever 2 at the cantilever resonance frequency increases. .. Therefore, the determination unit 42D determines the separation of the probe 2a from the sample surface based on the increase in the amplitude of vibration in the cantilever 2 at the cantilever resonance frequency during the pulling operation. For example, the determination unit 42C determines that the probe 2a and the sample surface are separated from each other when the increase amount of the vibration amplitude in the cantilever 2 at the cantilever resonance frequency exceeds a predetermined value during the pulling operation. The amplitude of vibration in the cantilever 2 is at least one of a deflection amplitude and a twisting amplitude.

なお、この方法において、カンチレバー２を片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。また、試料Ｓを片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。 In this method, the cantilever 2 may be slightly vibrated in the deflection direction at the cantilever resonance frequency, or the cantilever 2 may be vibrated in the horizontal direction at the cantilever resonance frequency. Further, the sample S may be slightly vibrated in the deflection direction at the cantilever resonance frequency, or the sample S may be vibrated in the horizontal direction at the cantilever resonance frequency.
However, when vibrating minutely in the deflection direction, the excitation frequency is the cantilever resonance frequency of the cantilever 2 in the deflection direction. On the other hand, when vibrating minutely in the horizontal direction, the excitation frequency is the cantilever resonance frequency of the cantilever 2 in the horizontal direction.

（カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の共振周波数における振幅の減少量を検出する方法；図１８）
この方法では、加振周波数は、両持ち共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを両持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、カンチレバー２は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により両持ち共振周波数で加振されることで共振し、大きな振幅で振動する。 (Method of detecting the amount of decrease in amplitude at the resonance frequency in the bending direction or the twisting direction in the cantilever; FIG. 18)
In this method, the excitation frequency is set to the amphibious resonance frequency. Then, the vibrating unit 3 causes the sample S and the cantilever 2 to vibrate relatively minutely at the dual-sided resonance frequency during the pulling operation. In this case, when the probe 2a is in contact with the sample surface, the cantilever 2 is in a double-sided state. Therefore, the cantilever 2 resonates by being vibrated by the vibrating unit 3 at the amphibious resonance frequency, and vibrates with a large amplitude.

一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２は片持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により両持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、小さな振幅で振動する。 On the other hand, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other during the pulling operation, the probe 2a is separated from the sample surface, so that the cantilever 2 is in a cantilever state. Therefore, even if the cantilever 2 is vibrated by the vibrating unit 3 at the amphibious resonance frequency, it does not resonate and vibrates with a small amplitude.

したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、両持ち共振周波数におけるカンチレバー２の振動の振幅が減少することになる。そこで、判定部４２Ｄは、引離し動作中において、両持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の減少に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｃは、引離し動作中において、両持ち共振周波数におけるカンチレバー２における振動の振幅の減少量が所定値を超える場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。なお、カンチレバー２における振動の振幅とは、たわみ方向の振幅及びねじれ方向の振幅の少なくともいずれか一方である。 Therefore, when the probe 2a shifts from the state where the probe 2a is in contact with the sample surface to the state where the probe 2a is separated from the sample surface, the amplitude of the vibration of the cantilever 2 at the amphibious resonance frequency is reduced. .. Therefore, the determination unit 42D determines the separation of the probe 2a from the sample surface based on the decrease in the amplitude of vibration in the cantilever 2 at the amphoteric resonance frequency during the pulling operation. For example, the determination unit 42C determines that the probe 2a and the sample surface are separated from each other when the amount of decrease in the vibration amplitude of the cantilever 2 at the amphoteric resonance frequency exceeds a predetermined value during the pulling operation. The amplitude of vibration in the cantilever 2 is at least one of the amplitude in the bending direction and the amplitude in the twisting direction.

なお、この方法において、カンチレバー２を両持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を両持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。また、試料Ｓを両持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを両持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー２の両持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー２の両持ち共振周波数である。 In this method, the cantilever 2 may be slightly vibrated in the deflection direction at the double-sided resonance frequency, or the cantilever 2 may be vibrated in the horizontal direction at the double-sided resonance frequency. Further, the sample S may be slightly vibrated in the deflection direction at the double-sided resonance frequency, or the sample S may be vibrated in the horizontal direction at the double-sided resonance frequency.
However, when vibrating minutely in the deflection direction, the excitation frequency is the double-sided resonance frequency of the cantilever 2 in the deflection direction. On the other hand, when vibrating minutely in the horizontal direction, the excitation frequency is the double-sided resonance frequency of the cantilever 2 in the horizontal direction.

また、第４の実施形態に係る３通りの離間判定処理のいずれにおいても、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定するには、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であり、且つ光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であることが条件となる。 Further, in any of the three types of separation determination processing according to the fourth embodiment, in order to determine the separation of the probe 2a with respect to the sample surface, the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the photodetector 62 is used. The condition is that it is within the first range and the amount of twist indicated by the second detection signal output from the photodetector 62 is within the second range.

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、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる加振部３と、その引離し動作中において、カンチレバー２における、たわみ方向又はねじれ方向の所定の周波数における振幅の変化に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する判定部４２Ｄと、を備える。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。 As described above, the scanning probe microscope D according to the fourth embodiment has a vibrating portion 3 that relatively vibrates the sample S and the cantilever 2 at a predetermined frequency during the pulling operation, and the pulling portion 3 thereof. During operation, the cantilever 2 includes a determination unit 42D for determining the distance of the probe 2a from the sample surface based on a change in amplitude at a predetermined frequency in the bending direction or the twisting direction. As a result, the scanning probe microscope D operates at the optimum separation distance at each measurement point of the sample S even when there is an attractive force between the probe 2a and the sample S, so that the sample surface The measurement of the uneven shape in the above can be achieved in the shortest time. Therefore, the scanning probe microscope B can improve the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface.

なお、第４の実施形態において、たわみ又はねじれ方向に非共振の周波数で微小に振動させる方法は、プローブ２ａが試料表面に対して離間した瞬間に振幅が急激に小さくなり、応答が速く、高速に動作する場合に適している。
一方、微小な振幅を共振周波数（片持ち共振周波数、両持ち共振周波数）で加える方法は、非共振より小さな振幅で検出が可能となるので、凹凸形状の測定への影響が少ない。 In the fourth embodiment, in the method of slightly vibrating in the bending or twisting direction at a non-resonant frequency, the amplitude sharply decreases at the moment when the probe 2a separates from the sample surface, and the response is fast and high speed. Suitable for working with.
On the other hand, the method of adding a minute amplitude at the resonance frequency (cantilever resonance frequency, cantilever resonance frequency) enables detection with an amplitude smaller than that of non-resonance, and thus has little influence on the measurement of the uneven shape.

（第５の実施形態）
以下に、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅについて、図面を用いて説明する。第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅは、第４の実施形態と同様に加振部３を備え、第１の実施形態に係る「離間判定処理」と異なり、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて離間判定処理を行う。なお、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｃの「接触判定処理」は、第１の実施形態に係る「接触判定処理」と同様の処理を行う。 (Fifth Embodiment)
Hereinafter, the scanning probe microscope E according to the fifth embodiment will be described with reference to the drawings. The scanning probe microscope E according to the fifth embodiment is provided with the vibrating unit 3 as in the fourth embodiment, and unlike the “separation determination process” according to the first embodiment, the deflection direction in the cantilever 2 or The separation determination process is performed based on the phase difference between the phase of the vibration in the twisting direction and the phase of the resonance frequency excited by the excitation unit 3. The "contact determination process" of the scanning probe microscope C according to the fifth embodiment performs the same process as the "contact determination process" according to the first embodiment.

図１９は、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅの概略構成の一例を示す図である。図１９に示すように、走査型プローブ顕微鏡Ｅは、カンチレバー２、加振部３、試料台４、移動駆動部５、変位検出部６、及び制御装置７Ｅを備えている。 FIG. 19 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the scanning probe microscope E according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 19, the scanning probe microscope E includes a cantilever 2, a vibration exciting unit 3, a sample table 4, a moving drive unit 5, a displacement detection unit 6, and a control device 7E.

制御装置７Ｅは、判定部４２Ｅ、駆動制御部４３Ｄ、及び測定部４４を備える。
判定部４２Ｅは、光検出部６２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２ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する離間判定処理を行う。具体的には、判定部４２Ｅにおける離間判定処理は、引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定することである。 The control device 7E includes a determination unit 42E, a drive control unit 43D, and a measurement unit 44.
The determination unit 42E performs a separation determination process for determining whether or not the probe 2a is separated from the sample surface based on the first detection signal and the second detection signal output from the light detection unit 62. Specifically, in the separation determination process in the determination unit 42E, the phase difference between the phase of the vibration in the bending direction or the twisting direction of the cantilever 2 and the phase of the resonance frequency excited by the excitation unit 3 during the pulling operation. Is to determine the distance of the probe 2a from the sample surface based on.

以下に、第５の実施形態に係る離間判定処理について、図２０を用いて説明する。
この方法では、加振周波数は、片持ち共振周波数に設定される。そして、加振部３は、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを片持ち共振周波数で相対的に微小振動させる。この場合において、プローブ２ａが試料表面に接触している状態では、カンチレバー２は両持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されても、共振することがなく、非共振で振動する。したがって、カンチレバー２における振動の位相と、加振部３で加振する加振周波数の位相との位相差は小さい。 Hereinafter, the separation determination process according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
In this method, the excitation frequency is set to the cantilever resonance frequency. Then, the vibrating unit 3 vibrates the sample S and the cantilever 2 relatively minutely at the cantilever resonance frequency during the pulling operation. In this case, when the probe 2a is in contact with the sample surface, the cantilever 2 is in a double-sided state. Therefore, even if the cantilever 2 is vibrated at the cantilever resonance frequency by the vibrating unit 3, the cantilever 2 does not resonate and vibrates in a non-resonant manner. Therefore, the phase difference between the phase of the vibration in the cantilever 2 and the phase of the vibration frequency excited by the excitation unit 3 is small.

一方、引離し動作中において、プローブ２ａと試料表面とが離間した場合には、プローブ２ａが試料表面から離れるため、カンチレバー２は片持ちの状態となる。そのため、カンチレバー２は、加振部３により片持ち共振周波数で加振されることで共振する。したがって、カンチレバー２における振動の位相と、加振部３で加振する加振周波数の位相との位相差は、略９０度となる。すなわち、カンチレバー２における振動の位相は、加振部３で加振する加振周波数の位相から９０°遅れた位相となる。 On the other hand, when the probe 2a and the sample surface are separated from each other during the pulling operation, the probe 2a is separated from the sample surface, so that the cantilever 2 is in a cantilever state. Therefore, the cantilever 2 resonates when it is vibrated at the cantilever resonance frequency by the vibrating unit 3. Therefore, the phase difference between the phase of the vibration in the cantilever 2 and the phase of the vibration frequency excited by the excitation unit 3 is approximately 90 degrees. That is, the phase of the vibration in the cantilever 2 is a phase delayed by 90 ° from the phase of the vibration frequency excited by the excitation unit 3.

したがって、プローブ２ａが試料表面に接触している状態から、プローブ２ａが試料表面に対して離間した状態に移行した場合には、カンチレバー２における振動の位相と、加振部３で加振する加振周波数の位相との位相差が増加することになる。そこで、判定部４２Ｅは、引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する。例えば、判定部４２Ｅは、引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差が所定値を超える場合には、プローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する。 Therefore, when the probe 2a shifts from the state where it is in contact with the sample surface to the state where the probe 2a is separated from the sample surface, the phase of vibration in the cantilever 2 and the vibration in which the vibration unit 3 vibrates. The phase difference from the phase of the vibration frequency will increase. Therefore, the determination unit 42E determines the probe 2a based on the phase difference between the phase of the vibration in the bending direction or the twisting direction of the cantilever 2 and the phase of the resonance frequency vibrated by the vibration unit 3 during the pulling operation. Determine the distance to the sample surface. For example, when the determination unit 42E exceeds a predetermined value in the phase difference between the phase of vibration in the bending direction or the twisting direction of the cantilever 2 and the phase of the resonance frequency excited by the vibration unit 3 during the pulling operation. Determines that the probe 2a and the sample surface are separated from each other.

なお、この方法において、カンチレバー２を片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、カンチレバー２を片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。また、試料Ｓを片持ち共振周波数でたわみ方向に微小に振動させてもよいし、試料Ｓを片持ち共振周波数で水平方向に振動させてもよい。
ただし、たわみ方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、たわみ方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。一方、水平方向に微小に振動させる場合には、加振周波数は、水平方向における、カンチレバー２の片持ち共振周波数である。 In this method, the cantilever 2 may be slightly vibrated in the deflection direction at the cantilever resonance frequency, or the cantilever 2 may be vibrated in the horizontal direction at the cantilever resonance frequency. Further, the sample S may be slightly vibrated in the deflection direction at the cantilever resonance frequency, or the sample S may be vibrated in the horizontal direction at the cantilever resonance frequency.
However, when vibrating minutely in the deflection direction, the excitation frequency is the cantilever resonance frequency of the cantilever 2 in the deflection direction. On the other hand, when vibrating minutely in the horizontal direction, the excitation frequency is the cantilever resonance frequency of the cantilever 2 in the horizontal direction.

また、第５の実施形態に係る離間判定処理において、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定するには、光検出部６２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲内であり、且つ光検出部６２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲内であることが条件となる。 Further, in the separation determination process according to the fifth embodiment, in order to determine the separation of the probe 2a with respect to the sample surface, the amount of deflection indicated by the first detection signal output from the photodetector 62 is within the first range. It is a condition that the amount of twist indicated by the second detection signal output from the light detection unit 62 is within the second range.

上述したように、第５の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡Ｅは、引離し動作中において、試料Ｓとカンチレバー２とを所定の周波数で相対的に振動させる加振部３と、その引離し動作中において、カンチレバー２におけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、加振部３で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、プローブ２ａの試料表面に対する離間を判定する判定部４２Ｅと、を備える。これにより、走査型プローブ顕微鏡Ｄは、プローブ２ａと試料Ｓとの間の吸着力が存在する場合であっても、試料Ｓの各測定点で、最適な引離し距離で動作するので、試料表面における凸凹形状の測定が最短の時間で達成することができる。したがって、走査型プローブ顕微鏡Ｂは、試料表面における凸凹形状の測定効率を向上させることができる。 As described above, the scanning probe microscope E according to the fifth embodiment has a vibrating portion 3 that vibrates the sample S and the cantilever 2 relatively at a predetermined frequency during the pulling operation, and the pulling portion 3 thereof. A determination unit that determines the distance of the probe 2a from the sample surface based on the phase difference between the phase of vibration in the bending or twisting direction of the cantilever 2 and the phase of the resonance frequency that is vibrated by the vibration unit 3 during operation. 42E and. As a result, the scanning probe microscope D operates at the optimum separation distance at each measurement point of the sample S even when there is an attractive force between the probe 2a and the sample S, so that the sample surface The measurement of the uneven shape in the above can be achieved in the shortest time. Therefore, the scanning probe microscope B can improve the measurement efficiency of the uneven shape on the sample surface.

上述したように、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、従来のように、予め設定された「引離し距離」だけ試料表面から引き離してプローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを判定するのではなく、引離し動作を行いながら、プローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを判定し、プローブと試料表面とが離間していると判定した場合に引離し動作を停止する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、引離し動作を停止した後に次の測定点の上空まで移動させる。 As described above, in the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention, as in the conventional case, whether or not the probe 2a and the sample surface are separated from the sample surface by a preset “pulling distance”. It is determined whether or not the probe 2a and the sample surface are separated from each other while performing the pulling operation, and when it is determined that the probe and the sample surface are separated from each other, the pulling operation is performed. To stop. Then, the scanning probe microscope is moved to the sky above the next measurement point after the pulling operation is stopped.

ここで、引離し動作中において、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内であれば、プローブ２ａが試料表面に接触していない、すなわちプローブ２ａと試料表面とが離間したと判定する方法も考えられる。ただし、この方法では、カンチレバー２のたわみ量とねじれ量とのそれぞれが所定の範囲内になったとしても、上記吸着力により、プローブ２ａと試料表面とが接触している場合があり、プローブと試料表面とが離間していることを正しく検出することができない。 Here, if the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2 are within predetermined ranges during the pulling operation, the probe 2a is not in contact with the sample surface, that is, the probe 2a and the sample surface are separated from each other. A method of determining that is also conceivable. However, in this method, even if the amount of deflection and the amount of twist of the cantilever 2 are within a predetermined range, the probe 2a and the sample surface may be in contact with each other due to the suction force, and the probe and the probe may be in contact with each other. It is not possible to correctly detect that the sample surface is separated from the sample surface.

一方、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、引離し動作中において、上述の第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理を適用することにより、プローブ２ａと試料表面との離間を確実に検出することができる。 On the other hand, the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention can be used with the probe 2a by applying any of the separation determination processes of the first to fifth embodiments described above during the pulling operation. The distance from the sample surface can be reliably detected.

なお、上述の走査型プローブ顕微鏡は、引離し動作を停止した後の次の測定点の上空までの移動において、上述の第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理を実行することで、プローブ２ａが試料に衝突することを回避可能となる。 In addition, the above-mentioned scanning probe microscope performs the separation determination process of any one of the above-mentioned first embodiment to the fifth embodiment in the movement to the sky above the next measurement point after the pulling operation is stopped. By executing this, it is possible to prevent the probe 2a from colliding with the sample.

例えば、上述の走査型プローブ顕微鏡は、（１）接近動作を行い、（２）プローブ２ａと試料表面とが接触したか否かを判定する。走査型プローブ顕微鏡は、プローブ２ａと試料表面とが接触したと判定した場合には、（３）接近動作を停止して相対距離を測定する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、相対距離を測定した後に、（４）引離し動作を開始してプローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理で判定する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、（５）プローブ２ａと試料表面とが離間した判定した場合には、引離し動作を停止して、（６）プローブ２ａを次の測定点の上空まで移動させる。ここで、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ２ａを次の測定点の上空まで移動させている間に、プローブ２ａと試料表面とが離間しているか否かを第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理で判定する。そして、走査型プローブ顕微鏡は、プローブ２ａと試料表面とが離間していると判定されている間は、上記移動を継続し、プローブ２ａと試料表面とが離間していないと判定された場合には、上記（５）に戻り、引離し動作を実行して第１の実施形態から第５の実施形態のいずれかの離間判定処理を開始する。
これにより、本発明の一実施形態における走査型プローブ顕微鏡は、次の測定点の上空までの移動においてプローブ２ａが試料に衝突することを回避可能となる。 For example, the scanning probe microscope described above performs (1) an approaching operation, and (2) determines whether or not the probe 2a and the sample surface are in contact with each other. When the scanning probe microscope determines that the probe 2a and the sample surface are in contact with each other, (3) the approaching operation is stopped and the relative distance is measured. Then, after measuring the relative distance, the scanning probe microscope (4) starts the pulling operation to determine whether or not the probe 2a and the sample surface are separated from each other according to the first to fifth embodiments. Judgment is made by any of the separation determination processes of. Then, when the scanning probe microscope (5) determines that the probe 2a and the sample surface are separated from each other, the scanning probe microscope stops the pulling operation and (6) moves the probe 2a to the sky above the next measurement point. Here, in the scanning probe microscope, whether or not the probe 2a and the sample surface are separated from each other while moving the probe 2a to the sky above the next measurement point is determined from the first embodiment to the fifth embodiment. Judgment is made by the separation determination process of any of the forms. Then, the scanning probe microscope continues the above movement while it is determined that the probe 2a and the sample surface are separated, and when it is determined that the probe 2a and the sample surface are not separated from each other. Returns to the above (5), executes the pulling operation, and starts the separation determination process of any one of the first to fifth embodiments.
As a result, the scanning probe microscope according to the embodiment of the present invention can prevent the probe 2a from colliding with the sample when moving to the sky above the next measurement point.

上述した実施形態における制御装置７，７Ｂ〜７Ｅをコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。 The control devices 7, 7B to 7E in the above-described embodiment may be realized by a computer. In that case, the program for realizing this function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read by the computer system and executed. The term "computer system" as used herein includes hardware such as an OS and peripheral devices. Further, the "computer-readable recording medium" refers to a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, or a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. Further, a "computer-readable recording medium" is a communication line for transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line, and dynamically holds the program for a short period of time. It may also include a program that holds a program for a certain period of time, such as a volatile memory inside a computer system that serves as a server or a client in that case. Further, the above program may be for realizing a part of the above-mentioned functions, and may be further realized for realizing the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system. It may be realized by using a programmable logic device such as FPGA (Field Programmable Gate Array).

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。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as operation, procedure, step, and step in the device, system, program, and method shown in the claims, the specification, and the drawing is particularly "before" and "prior to". It should be noted that it can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the scope of claims, the specification, and the operation flow in the drawings are explained using "first", "next", etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It's not a thing.

１ 走査型プローブ顕微鏡
２ カンチレバー
３ 加振部
５ 移動駆動部
６ 変位検出部
７ 制御装置
４２ 判定部
４３ 駆動制御部
４４ 測定部
５１ Ｚ方向駆動装置（駆動部）
５２ ＸＹスキャナー（スキャナー部） 1 Scanning probe microscope 2 Cantilever 3 Excitation unit 5 Moving drive unit 6 Displacement detection unit 7 Control device 42 Judgment unit 43 Drive control unit 44 Measuring unit 51 Z-direction drive unit (drive unit)
52 XY scanner (scanner part)

Claims (6)

試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける振動の振幅の変化又は前記振動の振動周波数の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 A scanning probe microscope in which a probe is brought into contact with the sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe.
A cantilever equipped with the probe at the tip,
A drive unit that performs a pulling operation to pull the sample and the probe apart from the state where the probe is in contact with the sample surface.
During the pulling operation, a determination unit that determines the distance of the probe from the sample surface based on a change in the amplitude of vibration in the cantilever or a change in the vibration frequency of the vibration.
When the determination unit determines that the sample is separated, the drive control unit stops the pulling operation by the drive unit and relatively moves the probe and the sample surface onto the next measurement point of the sample.
A scanning probe microscope equipped with. 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記試料と前記カンチレバーとを所定の周波数で相対的に振動させる加振部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記所定の周波数における振幅の変化に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 A scanning probe microscope in which a probe is brought into contact with the sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe.
A cantilever equipped with the probe at the tip,
A drive unit that performs a pulling operation to pull the sample and the probe apart from the state where the probe is in contact with the sample surface.
A vibrating portion that relatively vibrates the sample and the cantilever at a predetermined frequency during the pulling operation.
During the pulling operation, a determination unit for determining the distance of the probe from the sample surface based on the change in amplitude of the cantilever at the predetermined frequency in the bending direction or the twisting direction.
When the determination unit determines that the sample is separated, the drive control unit stops the pulling operation by the drive unit and relatively moves the probe and the sample surface onto the next measurement point of the sample.
A scanning probe microscope equipped with. 前記所定の周波数は、前記カンチレバーの非共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記非共振周波数における振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The predetermined frequency is a non-resonant frequency of the cantilever.
The determination unit determines that the probe has separated from the sample surface when the amount of decrease in amplitude at the non-resonant frequency in the bending direction or the twisting direction of the cantilever exceeds a predetermined value during the pulling operation. The scanning probe microscope according to claim 2. 前記所定の周波数は、前記カンチレバーが前記試料に接触した状態における前記カンチレバーの共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の振幅の減少量が所定値を超える場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The predetermined frequency is the resonance frequency of the cantilever when the cantilever is in contact with the sample.
According to claim 2, the determination unit determines that the probe has separated from the sample surface when the amount of decrease in the amplitude in the bending direction or the twisting direction of the cantilever exceeds a predetermined value during the pulling operation. The scanning probe microscope of the description. 前記所定の周波数は、前記カンチレバーの共振周波数であって、
前記判定部は、前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおける、たわみ方向又はねじれ方向の前記共振周波数における振幅の増加量が所定値を超えた場合に、前記プローブが前記試料表面から離間したと判定する請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。 The predetermined frequency is the resonance frequency of the cantilever.
The determination unit determines that the probe has separated from the sample surface when the amount of increase in amplitude at the resonance frequency in the bending direction or the twisting direction of the cantilever exceeds a predetermined value during the pulling operation. The scanning probe microscope according to claim 2. 試料表面にプローブを接触させて、前記試料表面を前記プローブで間欠的に走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
先端に前記プローブを備えるカンチレバーと、
前記プローブが前記試料表面に接触している状態から、前記試料と前記プローブとを引き離す引離し動作を行う駆動部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーを共振周波数で加振する加振部と、
前記引離し動作中において、前記カンチレバーにおけるたわみ方向又はねじれ方向の振動の位相と、前記加振部で加振する共振周波数の位相との位相差に基づいて、前記プローブの前記試料表面に対する離間を判定する判定部と、
当該判定部により離間したと判定された時点で前記駆動部による前記引離し動作を中止し、次の前記試料の測定点上に前記プローブと前記試料表面を相対的に移動させる駆動制御部と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 A scanning probe microscope in which a probe is brought into contact with the sample surface and the sample surface is intermittently scanned by the probe.
A cantilever equipped with the probe at the tip,
A drive unit that performs a pulling operation to pull the sample and the probe apart from the state where the probe is in contact with the sample surface.
A vibrating unit that vibrates the cantilever at a resonance frequency during the pulling operation,
During the pulling operation, the distance between the probe and the sample surface is determined based on the phase difference between the phase of the vibration in the bending direction or the twisting direction of the cantilever and the phase of the resonance frequency vibrated by the vibrating portion. Judgment unit and
When the determination unit determines that the sample is separated, the drive control unit stops the pulling operation by the drive unit and relatively moves the probe and the sample surface onto the next measurement point of the sample.
A scanning probe microscope equipped with.
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