JPH09101317A

JPH09101317A - 走査型プローブ顕微鏡のアプローチ装置

Info

Publication number: JPH09101317A
Application number: JP7258831A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Dou; 毅童
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-10-05
Filing date: 1995-10-05
Publication date: 1997-04-15
Also published as: US5847383A

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバーの探針及び試料を保護すると共に
アプローチ時間を短縮するために、受光素子上でのカン
チレバー背面以外の反射光の変化特性を利用してカンチ
レバーの探針と試料間の距離を求め、探針と試料の距離
が遠い場合に高速アプローチを、探針が試料に接近した
ときに低速アプローチを行う。【解決手段】探針変位信号変化検出機構４８内の微分演
算部５７で、探針変位信号検出部４６からの信号Ｓｚが
微分され、閾値判断部５８に出力される。閾値判断部５
８にて、微分演算部５７の出力信号ｄ（Ｓｚ）／ｄｔ
が、所定の閾値ｒｅｆ₁ を越えたと判断されると、アプ
ローチ停止部５９からモータドライバ５０を介してモー
タ３４に停止指令が送られ、粗動機構３３によるアプロ
ーチが停止される。同時に、所定の電圧がアプローチ部
５９から印加されて、圧電体３１がＺ方向に縮んでカン
チレバー４２の探針４１が試料３６表面から離れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は走査型プローブ顕
微鏡に関し、より詳細には、半導体、材料等の計測検査
分野でより高分解能、短時間で測定可能な計測検査装置
を提供する走査型プローブ顕微鏡のアプローチ装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atom
ic Force Microscope ）は、原子間力或いは分子間力を
検知する顕微鏡であることが知られている。こうした顕
微鏡に於ける微小力検出方法には、角度検出法、光臨界
角方式、光干渉方式、静電容量方式等がある。上記角度
検出法は、カンチレバーで反射されたビームの角度変化
を２分割、或いは４分割受光素子で検出し、その角度変
化に基いてカンチレバーの変位を求める方法である。特
に角度検出法の１つである光てこ方式は、構造が簡単な
上に高感度であるため、ＡＦＭ装置に良く使用されてい
る。

【０００３】図２２は、従来の走査型プローブ顕微鏡の
構成例を示した図である。このＡＦＭは、従来の光てこ
方式の光学式変位センサを用いてカンチレバーの変位を
測定している。

【０００４】図２２に於いて、圧電体１の自由端には、
光てこ方式の光学式変位センサ２が固定されている。上
記圧電体１の他端には粗動機構３が取付けられており、
モータ４の駆動によって粗動機構３がスタンド５に沿っ
て上下方向に移動するようになっている。そして、この
スタンド５上には、測定される試料６を支持する試料台
７が設けられている。

【０００５】上記光学式変位センサ２は、レーザダイオ
ード（ＬＤ）８と、レーザビームを集光する集光レンズ
９と、反射ミラー１０と、集光レンズ９のその焦点位置
に設けられて自由端に探針１１を有するカンチレバー１
２と、このカンチレバー１２を保持する保持台１３と、
カンチレバー１２の背面で反射された反射ビームを受光
する２分割受光素子（ＰＤ）１４を、内部に有してい
る。上記カンチレバー１２は、カンチレバー保持台１３
の水平に対して、例えば１０°程度傾けて取付けられて
いる。

【０００６】カンチレバーの探針変位信号検出部１６
は、光てこ方式の光学式変位センサ２を用いてカンチレ
バー１２の探針１１の変位を測定するもので、その出力
は、アプローチ部１７及びＺサーボ制御部１８に供給さ
れる。アプローチ部１７は、モータドライバ１９を介し
てモータ４を駆動する。

【０００７】ワークステーション２０には、上記アプロ
ーチ部１７、Ｚサーボ制御部１８と、ＸＹ走査部２１が
結合されると共に、転送された測定データを格納し、試
料表面の凹凸情報の３次元画像形成及び試料表面情報分
析を行う画像表示装置２２が結合される。そして、Ｚサ
ーボ制御部１８及びＸＹ走査部２１は、それぞれ高圧ア
ンプ（ＨＶ）２３、２４を介して、圧電体１の移動方向
を制御する。

【０００８】このような構成に於いて、Ｚサーボ制御部
１８は、試料６の表面とカンチレバー１２の探針１１の
先端を、僅か数ｎｍで一定距離に保持するようにフィー
ドバック制御する。すなわち、Ｚ制御電圧Ｖｚを高圧ア
ンプ２３を通して圧電体１に印加して圧電体１を伸縮さ
せる。そして、探針１１をＺ方向（上下方向）に移動さ
せながら、ＸＹ走査部２１から出力するＸＹ走査信号を
圧電体１に印加して２次元方向に走査する。このときの
Ｚ制御信号Ｖｚ、つまり試料凹凸情報を、ワークステー
ション２０を通じて画像表示装置２２に転送する。

【０００９】ここで、変位センサ２の光てこ方式につい
て説明する。図２３は、レーザ光をカンチレバーの真上
から入射する方式の例を示したもので、レーザダイオー
ド８から入射されたレーザ光は、コリメートレンズ９ａ
及び集光レンズ９を介してカンチレバー１２の背面に入
射光２６として照射される。そして、カンチレバー２７
からの反射光２７は、２分割受光素子１４に取り込まれ
る。

【００１０】尚、２８₁ 及び２８₂ は、それぞれ試料６
が位置ｈ₁ 及びｈ₂ に於ける漏れ光の反射ビームを表し
たものである。また、図２４は、レーザ光をカンチレバ
ーの横上から入射する方式の例を示したものである。図
２３の場合と同様に、レーザダイオード８からの入射光
２６はカンチレバー１２の背面に入射される。そして、
カンチレバー２７からの反射光２７が、２分割受光素子
１４に取り込まれる。尚、２８は、試料６からの漏れ光
の反射ビームを表したものである。

【００１１】ところで、ＡＦＭでは、試料と探針間の原
子間力を検出するために、試料と探針間の数ｎｍの距離
を得る必要がある。しかしながら、圧電体の移動範囲が
狭いので、測定する前に粗動機構でカンチレバーの探針
を試料表面を近付けるアプローチを行う必要がある。こ
の処理により、自動的にスキャナの可動範囲の中心にて
試料表面に接触することができる。

【００１２】このアプローチは次のようにして行われ
る。図２２に於いて、先ず、アプローチが行われる前
に、探針変位信号検出部１６からの出力電圧Ｓｚが−
０．１Ｖに設定される。つまり、２分割受光素子１４上
のカンチレバー１２背面からのレーザの反射ビームの位
置合わせが行われる。レーザビームは、反射ミラー１０
の角度が調整されて、入射ビームが該ミラーに確実に照
射されて、カンチレバー１２からの反射ビームが２分割
受光素子１４の２分割線の下半面にずれるように調整さ
れる。２分割受光素子１４の出力電圧が受光面積に比例
しているので、レーザビームのスポットが２分割受光素
子１４の下半面にずれる。このため、変位センサ２から
の出力信号Ｓｚの電圧は０Ｖより小さくなっている。

【００１３】次に、図２５（ａ）に示されるように、カ
ンチレバー１２の探針１１が試料６に対して遠く離れた
状態から両者を近付ける時、アプローチを開始すると、
アプローチ部１７からオン指令がモータドライバ１９に
送られる。すると、粗動機構３のモータ４がオンとなっ
て、粗動機構３が降下する。

【００１４】そして、カンチレバー１２の探針１１を、
試料６の表面まで近付ける。探針１１が試料６表面に接
触すると、図２５（ｂ）に示されるように、カンチレバ
ー１２が上方向に付勢されるため、カンチレバー１２背
面からの反射ビームのスポットが、２分割受光素子１４
上で上半面へシフトする。

【００１５】そのため、カンチレバー１２の探針１１の
変位量検出部の出力信号Ｓｚの電圧が増加し、例えば０
Ｖに達すると、アプローチ部１７からモータドライブに
オフ指令が送られて、粗動機構３のモータ４が停止さ
れ、粗動機構３が止まる。同時に、図２５（ｃ）に示さ
れるように、圧電体１がＺ方向に縮むように、例えば−
１００Ｖがアプローチ部１７から印加される。すると、
圧電体１がＺ方向に縮んで、探針１１が試料６表面から
約１μｍ離れる。この処理により、自動的に圧電体１の
可動範囲の中心に試料６表面を接触することができる。

【００１６】また、探針１１を試料６表面に更にｎｍオ
ーダの距離で近付けるために、アプローチの後、フォー
スカーブをとる必要がある。図２６（ａ）に示されるよ
うなフォースカーブは、カンチレバーを取付けている圧
電体１を上下動させた時のカンチレバー１２の探針１１
と試料６間の作用する力の変化（図２６（ｂ）参照）を
測定するためのものである。特に、汚れ等による試料の
表面安定性の違いを調べるのに有効である。

【００１７】尚、図２６（ａ）に於いて、縦軸が光てこ
方式の変位センサ２によるカンチレバー１２の変位量、
横軸が圧電体１の移動量を表している。通常、フォース
カーブの測定は不必要である。

【００１８】図２７（ａ）は、アプローチ時の変位セン
サ２からの実験波形を示したものである。同図から、探
針１１と試料６間の距離が短くなる、すなわちアプロー
チに要する時間が経過すると共に、センサの出力が上昇
していることがわかる。

【００１９】図２７（ｂ）は、同図（ａ）の一部を拡大
して示したもので、探針１１と試料６の接触時のセンサ
の出力を表している。探針１１が試料６表面に接触して
いる間に、変位センサ２の出力がある傾きで増加してい
る（図中ｆの部分）。この傾きは、変位センサ２のゲイ
ンと粗動機構３の降下速度によって決定されるもので、
この両者により算出することができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カンチ
レバー１２は、長さ１００〜２００μｍ、幅５０μｍ、
厚さ０．４〜４μｍを有する半導体薄膜の微小部品で構
成されるもので、自由端に鋭い突起部分（探針１１）を
有している。そして、この自由端の探針１１の長さは約
６μｍ程度と短いもので、測定の分解能を高めるために
鋭い探針が必要である。

【００２１】そのため、カンチレバー１２の探針１１の
先端は、非常に細く、直径が僅か数ｎｍ〜１０ｎｍに形
成されており、外力を受けると先端が折れたり、欠けた
りしやすい。特に、走査型プローブ顕微鏡では、アプロ
ーチ時に試料６が探針１１に与える運動エネルギーはｍ
Ｖ² ／２である。ここで、ｍは粗動機構３や変位センサ
２本体及び圧電体１の総重量を表す。この総重量ｍが相
当大きいため、探針１１及び試料６に与える力も大き
い。この運動エネルギーｍＶ² ／２が探針１１と試料６
の相対速度Ｖの２乗に比例するため、探針１１と試料６
接触時のアプローチ速度を非常に遅くしなければならな
い。

【００２２】したがって、図２２に示されるような検出
方式の走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバー１２の
探針１１が試料６表面に接近する速度は、非常に遅くし
なければならない。そのため、アプローチ時間が長くか
かってしまうものであった。

【００２３】また、試料の原子像を、より高分解能で測
定するために、カンチレバーの鋭い探針が傷付かないよ
うに、アプローチやフォースカーブ測定を一切行わず、
測定画像を見ながら、探針と試料間の距離を少しずつ接
近させる測定方法も用いられている。しかしながら、こ
うした測定方法では、一枚の原子像の画像が表れるまで
にかなりの測定時間が必要である。

【００２４】ところで、アプローチ時に変位センサ２の
出力が０Ｖを越えると粗動機構３を止める設定としてい
るが、この場合、図２７（ａ）に示されるように、探針
１１が試料６に接近するとカンチレバー１２の変位に基
く変位センサ２の出力増加だけでなく、変位センサ２の
出力が増加するため、上述の通りセンサ出力が０Ｖを越
えたとき粗動機構３を止める設定であれば、漏れ光の干
渉や他のノイズ等によって、センサの出力が０Ｖを越
え、アプローチの途中で止まってしまう。そのため、ア
プローチする前に、漏れ光の干渉やノイズ等の影響を考
慮して、センサの出力を０Ｖ以下の適当な値に設定しな
ければならない。

【００２５】図２７（ｂ）に示されるように、アプロー
チ時に、探針１１が試料６表面に接触しても、センサか
らの出力はまだ０Ｖ以下である。そのため、探針１１が
試料６表面に接触している間に粗動機構３が降下し続
け、カンチレバー１２が上方に曲がり、探針１１が試料
６に与える力も増加し続ける。

【００２６】例えば、図２７（ｂ）では、探針１１が試
料６表面に接触して停止するまでの間に、約３６ｎｍの
距離でカンチレバー１２は上方に曲げられている。そし
て、カンチレバー１２のばね定数が１Ｎ／ｍの場合、探
針１１が試料６に与える力は約３６０ｎＮである。同様
に、カンチレバー１２のばね定数が１００Ｎ／ｍの場合
は、探針１１が試料６に与える力は、約１０倍の３６０
０ｎＮである。この力は、原子間力より遥かに大きいた
め、試料６にダメージを与える恐れもある。

【００２７】したがって、探針が試料に与えた力を小さ
くするため、探針１１と試料６表面との接触速度を遅く
しなければならない。また、探針が試料表面に接触して
から、探針を下降させる粗動機構を、できるだけ迅速に
停止させる手段が必要となる。

【００２８】この発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、カンチレバーの探針及び試料を保護すると共に、ア
プローチ時間が長くかかることのない走査型プローブ顕
微鏡のアプローチ装置を提供することを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、自
由端に探針を有するカンチレバーを一端に支持する圧電
体を用いた走査型プローブ顕微鏡に於いて、上記カンチ
レバーの探針と試料との間の原子間力による探針の変位
量を光学的に検出する探針変位量検出手段と、上記探針
変位量検出手段から出力される探針変位信号の変化に基
いて、上記圧電体をＺ軸方向に移動制御することにより
上記カンチレバーの探針を上記試料表面に近接させて位
置決めするアプローチ手段とを具備し、このアプローチ
手段は、少なくとも上記圧電体のＺ軸方向の移動を停止
制御することを特徴とする。

【００３０】またこの発明は、自由端に探針を有するカ
ンチレバーを一端に支持する圧電体を用いた走査型プロ
ーブ顕微鏡に於いて、上記カンチレバーの探針と試料と
の間の原子間力による探針の変位量を光学的に検出する
探針変位量検出手段と、上記探針変位量検出手段から出
力される探針変位信号の変化に基いて、上記圧電体をＺ
軸方向に移動制御することにより上記カンチレバーの探
針を上記試料表面に近接させて位置決めするアプローチ
手段と、このアプローチ手段による位置決め時に、上記
試料から反射されたレーザ入射光の反射光を光学的に検
出する漏れ光信号検出手段とを具備し、上記漏れ光信号
検出手段は、上記反射光に基いて少なくとも上記圧電体
のＺ軸方向の移動速度を高低速に切換えることを特徴と
する。

【００３１】この発明では、探針変位信号検出部で、受
光素子上でのカンチレバー背面以外の反射光の変化特性
を利用して、カンチレバーの探針と試料間の距離を計算
する。そして、アプローチスピード切換機構により、探
針が試料に対して遠く離れたときに高速アプローチを行
い、探針が試料に接近したときに低速アプローチで接近
する。また、探針変位信号検出部の出力信号を微分し、
その微分値の変化を用いて、探針が試料表面に接触して
いるかどうかを判断し、アプローチを停止する。これに
よって、アプローチ時間を短縮することが可能となる。
また、試料と探針の相対速度が遅く、接触の瞬間に探針
に与える力を小さくすることができる。加えて、探針と
試料接触時間が短く、探針が試料に与える力も小さくす
ることができるので、探針先端や試料に与えるダメージ
が無くなり、探針先端の鋭さを保つことができるため、
高分解能の測定も可能となる。

【００３２】また、この発明では、試料から反射された
レーザの漏れ光、透過光を検出するための受光素子を設
け、アプローチ時に反射された漏れ光や透過光が受光素
子上での出力変化が漏れ光検出演算部で検出され、カン
チレバーの探針と試料間の距離を計算する。探針と試料
間の距離によって、漏れ光検出演算検出部のアプローチ
スピード切換部で、探針が試料に対して遠く離れた時
に、高速アプローチを行え、探針が試料に接近したとき
に低速アプローチで接近する。これにより、アプローチ
時間を短縮することが可能となると共に、試料と探針の
接触時に、試料が探針に与える力を小さくすることがで
きる。その結果、探針先端や試料に与えるダメージが最
小限に抑えられ、探針先端の鋭さを保つことができるた
め、高分解能の測定も可能となる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について詳細に説明する。初めに、図１乃
至図６を参照して、第１の実施の形態について説明す
る。図１は、この発明の走査型プローブ顕微鏡のアプロ
ーチ装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図で
あり、図２はカンチレバー変位検出系に用いた光てこ方
式を説明する図、図３はカンチレバー背面からの反射光
スポットと漏れ光スポットの２分割受光素子４４面に於
ける投影図、図４は第１の実施の形態に於ける２分割受
光素子面の投影図と探針変位信号変化検出機構及びその
周辺部を示した図、図５は２分割受光素子と微分演算部
の出力波形を示した図である。

【００３４】図１に於いて、圧電体３１の自由端には、
光てこ方式の光学式変位センサ３２が固定されている。
上記圧電体３１の他端には粗動機構３３が取付けられて
おり、モータ３４の駆動によって粗動機構３３がスタン
ド３５に沿って上下方向に移動するようになっている。
そして、このスタンド３５上には、測定される試料３６
を支持する試料台３７が設けられている。

【００３５】上記光学式変位センサ３２は、レーザダイ
オード（ＬＤ）３８と、レーザビームを集光する集光レ
ンズ３９と、反射ミラー４０と、集光レンズ３８のその
焦点位置に設けられて自由端に探針４１を有するカンチ
レバー４２と、このカンチレバー４２を保持する保持台
４３と、カンチレバー４２の背面で反射された反射ビー
ムを受光する２分割受光素子（ＰＤ）４４を、内部に有
している。上記カンチレバー４２は、カンチレバー保持
台４３の水平に対して、例えば１０°程度傾けて取付け
られている。

【００３６】カンチレバーの探針変位信号検出部４６
は、光てこ方式の光学式変位センサ３２を用いてカンチ
レバー４２の探針４１の変位を測定するもので、その出
力は、アプローチ部４７、探針変位信号変化検出機構４
８及びＺサーボ制御部４９に供給される。アプローチ部
４７は、モータドライバ５０を介してモータ３４を駆動
する。

【００３７】ワークステーション５１には、上記アプロ
ーチ部４７、Ｚサーボ制御部４９と、ＸＹ走査部５２が
結合されると共に、転送された測定データを格納し、試
料表面の凹凸情報の３次元画像形成及び試料表面情報分
析を行う画像表示装置５３が結合される。そして、Ｚサ
ーボ制御部４９及びＸＹ走査部５２は、それぞれ高圧ア
ンプ（ＨＶ）５４、５５を介して、圧電体３１の移動方
向を制御する。

【００３８】上記探針変位信号変化検出機構４８は、探
針変位信号検出部からの信号Ｓｚを微分する微分演算部
５７と、この微分演算部５７の出力信号を予め定められ
た閾値と比較する閾値判断部５８と、この閾値判断部５
８の判断に応じてモータドライバ５０に停止指令を送る
アプローチ停止部５９とから構成されている。

【００３９】このように、図１は図２２の構成に探針変
位信号変化検出機構４８を付加したものである。次に、
このように構成された走査型プローブ顕微鏡の動作を説
明する。

【００４０】このような構成に於いて、Ｚサーボ制御部
４９は、試料３６の表面とカンチレバー４２の探針４１
の先端をフィードバック制御する。すなわち、Ｚ制御電
圧Ｖｚを高圧アンプ５４を通して圧電体３１に印加して
圧電体３１を伸縮させる。そして、探針４１をＺ方向
（上下方向）に移動させながら、ＸＹ走査部５２から出
力するＸＹ走査信号を圧電体３１に印加して、２次元方
向に走査する。このときのＺ制御信号Ｖｚ、つまり試料
凹凸情報を、ワークステーション５１を通じて画像表示
装置５３に転送する。

【００４１】ここで、カンチレバー変位検出系に用いた
光てこ方式を説明する。図２に示されるように、変位セ
ンサ３２には、レーザダイオード３８、集光レンズ３９
の光軸が直線となるように取付けられている。レーザダ
イオード３８からのレーザビームＬ１は、集光レンズ３
９を通って集光される。ここで、集光されたビームＬ２
は反射ミラー４０によって反射され、その焦点位置にカ
ンチレバー４２を設ける。カンチレバー４２は、カンチ
レバー保持台４３の水平に対して、例えば１０°程度傾
けて取付けられている。

【００４２】レーザビームＬ２は、反射ミラー４０で反
射されてビームＬ３が生じる。このビームＬ３がカンチ
レバー４２の背面に入射された後、カンチレバー４２で
再度反射されて、カンチレバー４２からの反射ビームＬ
４が２分割受光素子４４に入射される。

【００４３】そして、アプローチの前に、先ず、図３に
示されるように、Ａ面４４ａ及びＢ面４４ｂから成る２
分割受光素子４４上に於いて、カンチレバー４２背面か
らの反射ビームＬ４の位置合わせが行われる。

【００４４】レーザビームＬ４は、反射ミラー４０の角
度の調整により、入射ビームＬ２が該反射ミラー４０に
確実に照射され、且つカンチレバー４２からの反射ビー
ムＬ４のスポットＰ０が、２分割受光素子４４のＢ面
（４４ｂ）側にずれるように調整される。

【００４５】２分割受光素子４４の出力電圧は受光面積
に比例するため、レーザビームのスポットが２分割受光
素子４４のＢ面（４４ｂ）側ずれるので、探針変位信号
検出部４６からの出力信号Ｓｚの電圧は、０Ｖ以下で約
−０．１〜−０．２Ｖになっている。

【００４６】また、図２に示されるように、レーザビー
ムＬ３がカンチレバー４２の背面に直射されると共に、
ビームＬ３の漏れ光Ｍ１も生じる。試料３６とカンチレ
バー４２先端の探針４１の距離が離れている時（例え
ば、試料３６が距離ｈ₁₂に位置しているとき）、試料６
表面からのレーザ漏れ光の反射ビームＭ２は太く、受光
素子４４上でスポットはＳ１（図３参照）となる。そし
て、試料３６と探針４１間の距離が短くなるに連れて、
漏れ光の反射ビームＭ２が絞られる。例えば、距離ｈ₁₁
での受光素子４４上の漏れ光の反射ビームＭ３のスポッ
トはＳ２となる。

【００４７】次に、図６のフローチャートを参照して、
この走査型プローブ顕微鏡のアプローチ動作について説
明する。上記探針変位信号変化検出機構４８では、図４
及び図５（ａ）に示されるように、探針変位信号検出部
４６からの信号Ｓｚが微分演算部５７に入力される。そ
して、この微分演算部５７で信号Ｓｚが微分されて、閾
値判断部５８に入力される。閾値判断部５８では、図５
（ｂ）に示されるように、微分演算部５７の出力信号ｄ
（Ｓｚ）／ｄｔが、予め定められていた閾値ｒｅｆ₁ と
比較される。ここで、上記出力信号ｄ（Ｓｚ）／ｄｔが
閾値ｒｅｆ₁ を越えると、アプローチ停止部５９からモ
ータドライバ５０に停止指令が送られ、アプローチが停
止される。

【００４８】つまり、カンチレバー４２の探針４１が試
料３６表面に接触している間の変位センサ３２からの出
力信号Ｓｚの電圧は、図５のｔ₁ からｔ₂ までである。
言い換えれば、ｔ₁ からｔ₂ の期間、探針４１が試料３
６表面に接触している。この変位センサ３２の出力信号
Ｓｚの電圧が０Ｖに達するまで、粗動機構３３が続けて
降下している。その間、変位センサ３２からの出力電圧
は、一定の傾きで増加している（図５（ａ）参照）。こ
の傾きｋは、変位センサ３２のゲインと粗動機構３３の
降下速度によるもので、装置の固有特性により求められ
る。

【００４９】求められた傾きｋより少し小さい値が、図
５（ｂ）に示されるｄ（Ｓｚ）／ｄｔ特性上の閾値ｒｅ
ｆ₁ として予め設定される。この閾値ｒｅｆ₁ がｋ値を
越えると、閾値判断部５８が正常に動作しなくなるの
で、０＜ｒｅｆ₁ ＜ｋとする。

【００５０】カンチレバー４２の探針４１が試料３６表
面に接触する時点ｔ₁ で、微分演算部５７からの出力ｄ
（Ｓｚ）／ｄｔが、閾値判断部５８に入力される。閾値
判断部５８では、微分演算部５７からの出力値が、予め
定められていた閾値ｒｅｆ₁を越えているか否かが判断
される（ステップＳ１）。

【００５１】ここで、出力値が上記閾値ｒｅｆ₁ を越え
ていると判断されれば、アプローチ停止部５９からモー
タドライバ５０に停止指令が送られ、粗動機構３３が停
止される。同時に、圧電体３１がＺ方向に縮むように、
例えば−１００Ｖの電圧がアプローチ部５９から印加さ
れる（ステップＳ２）。これにより、圧電体３１がＺ方
向に約１μｍ縮んで、探針４１が試料３６表面から離れ
る。

【００５２】この処理により、自動的に圧電体３１の可
動範囲の中心に試料３６表面を接触することができる。
尚、上述した第１の実施の形態では、走査型プローブ顕
微鏡のアプローチとして述べたが、これに限られること
なく、例えばフォースカーブを作成する時にも適用する
ことができる。

【００５３】このように、走査型プローブ顕微鏡のカン
チレバーの探針の試料へのアプローチに於いて、探針変
位信号検出部の出力信号を微分し、その微分値の変化を
用いて、探針が試料表面に接触してから粗動機構を迅速
に停止させることができる。これによって、探針と試料
接触時間が短く、探針が試料に与える力も小さくするこ
とができるので、探針先端や試料に与えるダメージが軽
減され、探針先端の鋭さを保つことができるため、高分
解能の測定も可能となる。

【００５４】また、探針や試料に与えるダメージをでき
るだけ抑えた迅速なアプローチが可能である。次に、図
７乃至図９を参照して、この発明の第２の実施の形態に
ついて説明する。

【００５５】図７は、この発明の走査型プローブ顕微鏡
のアプローチ装置の第２の実施の形態の構成を示すブロ
ック図である。この図７の構成は、上述した第１の実施
の形態で示された図１の走査型プローブ顕微鏡の探針変
位信号変化検出機構に、アプローチスピード切換部を付
加した構成のものである。したがって、ここでは、上述
した第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明す
る。

【００５６】また、図８（ａ）及び（ｂ）は、第２の実
施の形態の探針変位信号検出部の出力波形及び微分演算
部の出力波形を示した図であり、図９は第２の実施の形
態のアプローチ動作を説明するフローチャートである。

【００５７】探針変位信号変化検出機構６１は、微分演
算部５７と、閾値判断部５８と、アプローチ停止部５９
と、上記閾値判断部５８からの判断に応じてモータドラ
イバ５０の速度を切換えるアプローチスピード切換部６
２とから構成されている。

【００５８】探針変位信号変化検出機構６１では、探針
変位信号検出部４６から、図８（ａ）に示されるような
信号Ｓｚが、微分演算部５７に入力される。この微分演
算部５７で信号Ｓｚが微分されて、閾値判断部５８に入
力される。閾値判断部５８では、微分演算部５７の出力
信号ｄ（Ｓｚ）／ｄｔが、予め決めておいた閾値ｒｅｆ
₂ と比較される（ステップＳ１１）。

【００５９】すなわち、出力信号ｄ（Ｓｚ）／ｄｔが、
上記閾値ｒｅｆ₂ より小さい場合に、高速アプローチが
行われる。したがって、アプローチスピード切換部６２
から、モータドライブ５０にハイスピードの指令が送ら
れる（ステップＳ１２）。すると０〜ｔ₀ 間で、粗動機
構３３が図７に於いて上方から高速に降下され、カンチ
レバー４２の探針４１が試料３６表面まで近付けられ
る。

【００６０】そして、微分演算部５７の出力信号ｄ（Ｓ
ｚ）／ｄｔが予め定められていた閾値ｒｅｆ₂ を越える
と、アプローチスピード切換部６２からスロースピード
の指令がモータドライブ５０に送られる。このように、
アプローチスピード切換部６２によって、低速アプロー
チに切換えられる（ステップＳ１３）。その際、ｔ₀〜
ｔ₁ 間で探針４１が非常に遅い接近速度で試料３６に近
付けられる。

【００６１】更に、カンチレバー４２の探針４１が試料
３６表面に接触する時点ｔ₁ で、微分演算部５７からの
出力ｄ（Ｓｚ）／ｄｔが、閾値判断部５８に入力され
る。すると、この閾値判断部５８では、微分演算部５７
からの出力値が予め定められていた閾値ｒｅｆ₁ を越え
ているか否かが判断される（ステップＳ１４）。

【００６２】ここで、上記出力値が閾値ｒｅｆ₁ を越え
ていない場合は、上記出力信号Ｓｚが０Ｖ以上であるか
否かが判断される（ステップＳ１５）。そして、０Ｖを
越えていなければ、ステップＳ１３に戻って、再び低速
アプローチが実行される。

【００６３】一方、上記ステップＳ１４にて、出力値が
閾値ｒｅｆ₁ を越えていると判断された場合、及び上記
ステップＳ１５出力信号Ｓｚが０Ｖ以上である場合は、
アプローチ停止部５９からモータドライバ５０に停止指
令が送られ、粗動機構３３が停止される。同時に、アプ
ローチ部４７から圧電体３１のＺ方向に縮むように、例
えば−１００Ｖの電圧が印加され、圧電体３１がＺ方向
に約１μｍ縮んで、探針４１が試料３６表面から離れる
（ステップＳ１６）。

【００６４】この処理により、自動的に圧電体の可動範
囲の中心に試料表面を接触させることができる。このよ
うに、走査型プローブ顕微鏡のアプローチ動作を行うこ
とによって、アプローチ時間を短縮することが可能とな
る。また、試料と探針の相対速度が遅く、接触の瞬間に
探針に与える力を小さくすることもできる。更に、探針
と試料の接触時間が短く、探針が試料に与える力も小さ
くすることができる。その結果、探針先端や試料に与え
るダメージが無くなり、探針先端の鋭さを保つことがで
きるため、高分解能の測定も可能となる。

【００６５】また、探針や試料に与えるダメージをでき
るだけ抑えた迅速なアプローチが可能である。次に、図
１０乃至図１３を参照して、この発明の第３の実施の形
態を説明する。

【００６６】図１０は、この発明の走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ装置の第３の実施の形態の構成を示すブ
ロック図、図１１は第３の実施の形態に於ける２分割受
光素子面の投影図と探針変位信号変化検出機構及びその
周辺部を示した図である。また、図１２は第３の実施の
形態の探針変位信号検出部の出力波形を示した図であ
る。

【００６７】図１０の走査型プローブ顕微鏡の構成は、
上述した第１の実施の形態で示された図１の走査型プロ
ーブ顕微鏡の探針変位信号変化検出機構４８に代えて、
閾値判断部５８とアプローチスピード切換部６２とから
成る探針変位信号変化検出機構６３を有した構成となっ
ている。したがって、ここでは、上述した第１の実施の
形態と異なる部分についてのみ説明する。

【００６８】以下、図１３のフローチャートを参照し
て、第３の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡のア
プローチ動作について説明する。探針変位信号変化検出
機構６３では、２分割受光素子４４の出力特性を利用し
て、探針４１と試料３６間の距離が計算される。そし
て、図１２に示されるように、２分割受光素子４４の出
力特性曲線上に閾値ｒｅｆ₃ が設けられる。図示ｓ点に
於いて、２分割受光素子４４の出力電圧Ｓｚがｒｅｆ₃
となっている。

【００６９】ここで、２分割受光素子４４の出力電圧
が、閾値ｒｅｆ₃ より小さいか否かが判断される（ステ
ップＳ２１）。上記出力電圧が閾値ｒｅｆ₃ より小さい
場合は、高速アプローチ動作が行われるべく、アプロー
チスピード切換部６２からモータドライバ５０にハイス
ピードの指令が送られる。すると、粗動機構３３が上方
から高速で降下し、カンチレバー４２の探針４１を試料
３６表面まで近付ける（ステップＳ２２）。その後、再
び上記ステップＳ２１に戻る。

【００７０】一方、上記ステップＳ２１に於いて、探針
変位信号検出部４６の出力信号Ｓｚが、予め定められた
閾値ｒｅｆ₃ を越えると、アプローチスピード切換部６
２からモータドライバ５０にロースピードの指令が送ら
れる。これにより、アプローチスピード切換部６２によ
って低速アプローチに切換えられる。その際に、探針４
１が非常に遅い速度で試料３６に接近する（ステップＳ
２３）。

【００７１】低速アプローチでは、探針４１が試料３６
表面に接触すると、カンチレバー４２が上方に曲がる。
したがって、図１１に示されるように、カンチレバー４
２背面からの反射ビームのスポットＰ０が、２分割受光
素子４４上でＡ面側（４４ａ）へ移動する。そのため、
カンチレバー４２の探針変位量検出部４６から出力電圧
が生じる。

【００７２】この電圧が、例えばＳｚ＝０Ｖに達すると
（ステップＳ２４）、アプローチ部４７からオフ指令が
モータドライバ５０に送られて、粗動機構３３を駆動す
るモータ３４が停止され、粗動機構３３が停止される。
同時に、アプローチ部４７から圧電体３１のＺ方向に縮
むように、例えばＶａ＝−１００Ｖの電圧が印加され、
圧電体３１がＺ方向に約１μｍ縮んで、探針４１が試料
３６表面から離れる（ステップＳ２５）。この処理によ
り、自動的に圧電体３１の可動範囲の中心に試料３６表
面を接触することができる。

【００７３】このように、第３の実施の形態による走査
型プローブ顕微鏡のアプローチ動作により、探針が試料
に対して遠く離れたときには高速アプローチが行われ、
試料に予め設定しておいた距離まで探針が接近したとき
には低速アプローチに切換られ、遅い速度で接近する。

【００７４】これによって、アプローチ時間を短縮する
ことが可能となり、アプローチ中に試料が探針に接触す
る瞬間、探針に与える力を小さくすることもできる。そ
の結果、探針先端や試料に与えるダメージが無くなり、
探針先端の鋭さを保つことができるため、高分解能の測
定も可能となる。

【００７５】また、探針や試料に与えるダメージをでき
るだけ抑えた迅速なアプローチが可能である。ところ
で、上述した第１乃至第３の実施の形態では、アプロー
チ時に試料から反射された漏れ光や透過光は、積極的に
検出されるようにはなっていない。以下に述べる実施の
形態では、これら試料からの漏れ光や透過光をも検出し
てアプローチ動作を行うようにしたものである。

【００７６】次に、図１４乃至図１７を参照して、この
発明の第４の実施の形態について説明する。図１４は、
第４の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡のアプロ
ーチ装置の構成を示すブロック図、図１５は図１４の走
査型プローブ顕微鏡のカンチレバー変位検出系の構成
図、図１６は第４の実施の形態に於ける２分割受光素子
面の投影図と漏れ光信号検出演算部及びその周辺部を示
した図、図１７は図１４の漏れ光信号検出演算部の出力
波形を示した図である。

【００７７】図１４に於いて、走査型プローブ顕微鏡
は、圧電体１３と、光学式変位センサ６５と、粗動機構
３３及びモータ３４と、スタンド３５と、試料３６を支
持する支持台３７と、探針変位信号検出部４６と、アプ
ローチ部４７と、モータドライバ５０と、Ｚサーボ制御
部４９と、ＸＹ走査部５２と、画像表示装置５３を有す
るワークステーション５１と、高圧アンプ（ＨＶ）５
４、５５と、漏れ光検出演算部６８とから構成されてい
る。

【００７８】上記変位センサ６５は、レーザダイオード
３８と、レーザビームを集光する集光レンズ３９と、自
由端に探針４１を有するカンチレバー４２と、このカン
チレバー４２を保持する保持台４３と、カンチレバー４
２の背面で反射された反射ビームを受光する受光素子
（ＰＤ１）６６と、漏れ光ビームを受光する受光素子
（ＰＤ２）６７とを内部に有している。

【００７９】また、漏れ光検出演算部６８は、漏れ光用
の受光素子６７からの出力信号Ｓｍを予め定められた閾
値と比較する閾値判断部６９と、この閾値判断部６９か
らの判断に応じてモータドライバ５０の速度を切換える
アプローチスピード切換部７０とから構成されている。

【００８０】その他の構成については、上述した第１乃
至第３の実施の形態と同様であるので、説明は省略す
る。上記探針変位信号検出部４６は、光てこ方式の光学
式変位センサ６５を用いてカンチレバー４２探針４１の
変位を測定している。

【００８１】図１５は、この光てこ方式を利用したカン
チレバー変位検出系を示したものである。図１５に示さ
れるように、センサ検出部として、レーザダイオード３
８、コリメートレンズ３９ａ、集光レンズ３９は、その
光軸が直線となるように取り付けられている。また、試
料３６からの漏れ光を検出するために、受光面６７ａ及
び６７ｂから成る２分割受光素子６７が、レーザダイオ
ード３８に近接して設置されている。

【００８２】レーザダイオード３８からの光束は、コリ
メートレンズ３９ａにより平行光束にされた後、集光レ
ンズ３９を通って集光される。そして、集光レンズ３９
により集光された入射光７１は、集光レンズ３９の焦点
位置で水平に対して１０°程度傾けて設けられたカンチ
レバー４２の背面で反射される。このカンチレバー４２
の背面にて反射されたレーザビームが、反射ビームとし
て２分割受光素子６６に入射される。

【００８３】このような構成の走査型プローブ顕微鏡に
於いて、アプローチする前に、先ず、カンチレバー４２
の変位を検出する２分割受光素子６６上のカンチレバー
４２背面からのレーザ反射ビームの位置が合わせられ
る。ここでは、２分割受光素子６６からの出力電圧をが
−０．１〜−０．２Ｖになるように、２分割受光素子６
６上でカンチレバー４２背面から反射されたビームのス
ポット位置が調整される。

【００８４】また、レーザダイオード３８からの入射光
７０がカンチレバー４２の背面に当たると共に、漏れ光
の反射ビームも生じる。試料３６とカンチレバー４２の
距離が離れているとき（例えば、試料３６が距離ｈ₂ に
位置しているとき）は、試料３６表面から漏れ光の反射
ビーム７２₂ は太く、２分割受光素子６７上では、図１
６に示されるようにスポットＳ２１となる。

【００８５】そして、試料３６が探針４１に接近するに
伴い、漏れ光の反射ビームのスポットは絞られる。例え
ば、漏れ光の反射ビーム７２₁ は、試料が距離ｈ₁ に位
置しているときに、スポットＳ２２となる。つまり、図
１６に示されるように、スポットが小さくなりながら
（Ｓ２１→Ｓ２２）、２分割受光素子６７の右（６７
ａ）側へ移動する。そして、距離ｈ₁ より接近すると、
２分割受光素子６７からスポットが離れる。

【００８６】アプローチ動作中に、試料３６と探針４１
間の距離に対して、２分割受光素子６７の演算信号（Ａ
−Ｂ）／｜Ａ＋Ｂ｜の出力信号は、図１７に示されるよ
うな特性曲線となる。

【００８７】上記漏れ光検出演算部６８では、アプロー
チ時に、２分割受光素子６７の出力特性の変化を利用し
て、探針４１と試料３６間の距離が計算される。図１７
に示されるように、２分割受光素子６７の出力特性曲線
上のａ点に於いて、閾値ｒｅｆ₄ が設定される。そし
て、漏れ光検出演算部６８内の閾値判断部６９にて、２
分割受光素子６７の出力電圧Ｓｍが上記閾値ｒｅｆ₄ よ
り小さい場合、高速アプローチが行われる。この閾値判
断部６９の出力に従って、アプローチスピード切換部７
０からハイスピードの指令がモータドライバ５０に送ら
れる。すると、粗動機構３３が上方から高速に降下さ
れ、カンチレバー４２の探針４１が試料３６表面まで近
付けられる。

【００８８】一方、漏れ光検出演算部６８の閾値判断部
６９にて、２分割受光素子６７の出力信号Ｓｍが、予め
定められた閾値ｒｅｆ₄ を越えると、アプローチ速度切
換部７０からロースピードの指令がモータドライバ５０
に送られる。すると、アプローチ速度切換部７０によっ
てモータ３４が低速で駆動され、低速アプローチに切換
えらえる。その際、探針４１は、非常に遅い速度で試料
３６に近付けられる。

【００８９】ここで、探針４１が試料３６表面に接触す
ると、カンチレバー４２が上方に向いて曲がるため、カ
ンチレバー４２背面からの反射ビームのスポットが、２
分割受光素子６６上でシフトする。すると、カンチレバ
ー４２の探針変位信号検出部４６の出力信号Ｓｚの電圧
が増加する。

【００９０】そして、例えば、出力信号Ｓｚが０Ｖに達
すると、アプローチ部４７からモータドライバ５０にオ
フ指令が送られる。これにより、粗動機構３３を駆動す
るモータ３４が停止され、粗動機構３３が停止される。
これと同時に、アプローチ部４７から圧電体３１のＺ方
向に縮むように、例えば−１００Ｖが印加され、圧電体
３１がＺ方向に縮んで、探針４１が試料３６表面から約
１μｍ離れる。

【００９１】この処理により、自動的に圧電体３１の可
動範囲の中心に試料３６表面を接触させることができ
る。尚、上述した第４の実施の形態に於いて、漏れ光信
号検出演算部６８に微分器を付加して、信号（Ａ−Ｂ）
／｜Ａ＋Ｂ｜の傾きによって、アプローチの接近速度を
切換える方法が適用可能なことは勿論である。

【００９２】このように構成された走査型プローブ顕微
鏡によれば、アプローチ動作に於いて、漏れ光を更に広
範囲に検出することができるので、探針と試料間の距離
が離れたときに、高速アプローチで探針を短時間で試料
に接近させ、所定の設定した距離に達すると低速アプロ
ーチで探針を試料に接近させる。その結果、アプローチ
中に試料が探針に与える力を小さくすることができる。
また、探針先端や試料表面に与えるダメージが最小限に
抑えられ、しかもアプローチ時間を短縮することが可能
となる。更に、探針先端の鋭さを保つことができるた
め、高分解能の測定も可能となる。

【００９３】また、探針や試料に与えるダメージをでき
るだけ抑えた迅速なアプローチが可能である。次に、図
１８乃至図２１を参照して、この発明の第５の実施の形
態について説明する。

【００９４】図１８は第５の実施の形態による走査型プ
ローブ顕微鏡のアプローチ装置の構成を示すブロック
図、図１９は図１８の走査型プローブ顕微鏡のカンチレ
バー変位検出系の構成図、図２０は第５の実施の形態に
於ける２分割受光素子面の投影図と漏れ光信号検出演算
部及びその周辺部を示した図、図２１はアプローチ中に
於ける試料と探針間の距離に対する漏れ光信号検出演算
部の出力波形を示した図である。

【００９５】図１８に於いて、変位センサ７４は、レー
ザダイオード３８と、集光レンズ３９と、反射ミラー４
０と、カンチレバー４２と、２分割受光素子６６及び６
７とを内部に有している。

【００９６】その他の構成は、上述した第１乃至第４の
実施の形態と同様であるので、説明は省略する。上記変
位センサ７４は、図１９に示されるように、レーザダイ
オード３８、コリメートレンズ３９ａ、集光レンズ３９
は、その光軸が直線となるように取付けられている。そ
して、試料３６からの漏れ光の反射光を検出するため
に、２分割受光素子６７が、２分割受光素子６６の近傍
に設置されている。

【００９７】レーザダイオード３８からの光束は、コリ
メートレンズ３９ａにより平行光束にされ、集光レンズ
３９を通って集光されて入射光７５となる。そして、集
光レンズ３９の焦点位置に設けられたカンチレバー４２
の背面に、集光されたレーザビーム（入射光）７５が入
射される。カンチレバー４２の背面にて反射されたレー
ザービーム（反射光）７６が、２分割受光素子６６に入
射される。また、入射光７５の一部は、カンチレバー４
２の下の試料３６表面に当たって、試料３６から漏れ光
の反射光７７が、２分割受光素子６７に入射される。

【００９８】次に、このような構成の走査型プローブ顕
微鏡の動作を説明する。先ず、アプローチする前に、カ
ンチレバー４２の変位を検出する２分割受光素子６６上
で、カンチレバー４２背面からのレーザ反射ビームの位
置合わせが行われる。２分割受光素子６６からの出力電
圧が−０．１〜−０．２Ｖとなるように、２分割受光素
子６６の位置、或いはカンチレバー４２の角度が調整さ
れる。

【００９９】また、図１９に示されるように、レーザー
ビーム７５がカンチレバー４２の背面に入射されると、
反射光７６が生じると共にその漏れ光の反射光７７も生
じる。試料３６とカンチレバー４２の距離が離れている
とき（例えば、試料が距離ｈ₂ に位置しているとき）に
は、試料３６表面からのレーザ漏れ光の反射ビームは太
く、２分割受光素子６７上でのスポットは、図２０にＳ
３１で示される。

【０１００】次いで、試料３６と探針４１間の距離が短
くなるに連れて、漏れ光の反射ビーム７７が絞られ、距
離ｈ₁ の位置で２分割受光素子６７上のスポットはＳ３
２である。

【０１０１】漏れ光信号検出演算部６８では、２分割受
光素子６７の出力特性を利用して、探針４１と試料３６
の距離が判断される。図２１に示されるように、２分割
受光素子６７の出力特性曲線上のｂ点に於いて、閾値ｒ
ｅｆ₅ が設定される。

【０１０２】ここで、漏れ光信号検出演算部６８の閾値
判断部６９にて、２分割受光素子６７の出力電圧Ｓｍが
上記閾値ｒｅｆ₅ より小さいと判断された場合に、高速
アプローチが行われる。つまり、アプローチ速度切換部
７０からハイスピードの指令が、モータドライバ５０に
送られる。すると、粗動機構３３が上方から高速に降下
され、カンチレバー４２の探針４１が試料３６表面まで
近付けられる。

【０１０３】一方、上記閾値判断部６９で２分割受光素
子６７の出力電圧Ｓｍが、予め定められた閾値ｒｅｆ5
を越えると、アプローチスピード切換部７０から、ロー
スピードの指令がモータドライバ５０に送られる。すな
わち、アプローチスピード切換部７０によって、低速ア
プローチに切換えられる。その際、探針４１は、非常に
遅い速度で試料３６に近付けられる。

【０１０４】そして、探針４１が試料３６表面に接触す
ると、カンチレバー４２が上方に向いて曲がるため、カ
ンチレバー４２背面からの反射ビーム７６のスポット
が、２分割受光素子６６上でシフトする。そのため、カ
ンチレバー４２の探針変位信号検出部４６の出力信号Ｓ
ｚの電圧が増加する。そして、例えば上記出力信号Ｓｚ
が０Ｖに達すると、アプローチ部４７からオフ指令がモ
ータドライバ５０に送られて、粗動機構３３を駆動する
モータ３４が停止され、粗動機構３３が停止される。同
時に、アプローチ部４７から圧電体３１のＺ方向に縮む
ように、例えば−１００Ｖが印加され、圧電体３１がＺ
方向に縮んで、探針４１が試料３６表面から約１μｍ離
れる。

【０１０５】この処理により、自動的に圧電体３１の可
動範囲の中心に試料３６表面を接触させることができ
る。尚、上述した第５の実施の形態に於いて、漏れ光信
号検出演算部６８に微分器を付加して、信号（Ａ−Ｂ）
／｜Ａ＋Ｂ｜の傾きによって、アプローチの接近速度を
切換える方法を適用することができるのは勿論である。

【０１０６】このように、第５の実施の形態による走査
型プローブ顕微鏡のアプローチ動作に於いて、探針と試
料間の距離が離れたときに、高速アプローチで探針を短
時間で試料に接近させ、所定の設定した距離に達すると
低速アプローチで探針を試料に接近させる。その結果、
接触時に、試料が探針に与える力を小さくすることがで
きる。加えて、探針先端や試料表面に与えるダメージが
最小限に抑えられ、しかもアプローチ時間を短時間する
ことが可能となる。また、探針先端の鋭さを保つことが
できるため、高分解の測定も可能となる。

【０１０７】また、探針や試料に与えるダメージをでき
るだけ抑えた迅速なアプローチが可能である。尚、この
発明の上記実施態様によれば、以下の如き構成が得られ
る。

【０１０８】（１）自由端に探針を有するカンチレバ
ーを一端に支持する圧電体を用いた走査型プローブ顕微
鏡に於いて、上記カンチレバーの探針と試料との間の原
子間力による探針の変位量を光学的に検出する探針変位
量検出手段と、上記探針変位量検出手段から出力される
探針変位信号の変化に基いて、上記圧電体をＺ軸方向に
移動制御することにより上記カンチレバーの探針を上記
試料表面に近接させて位置決めするアプローチ手段とを
具備し、このアプローチ手段は、少なくとも上記圧電体
のＺ軸方向の移動を停止制御することを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡のアプローチ装置。

【０１０９】（２）上記アプローチ手段は、上記探針
変位量検出手段から出力される上記探針変位信号を微分
する微分演算部と、この微分演算部による微分演算信号
が予め定められた閾値を越えたか否かを判断する閾値判
断部と、この閾値判断部の判断結果に応じて上記圧電体
のＺ軸方向の移動を停止制御するアプローチ停止部を供
えることを特徴とする上記（１）に記載の走査型プロー
ブ顕微鏡のアプローチ装置。

【０１１０】（３）上記アプローチ手段は、上記探針
変位量検出手段から出力される上記探針変位信号を微分
する微分演算部と、その探針変位信号或いは微分演算部
による微分演算信号が予め決められた閾値を越えたか否
かを判断する閾値判断部と、この閾値判断部の判断結果
に応じて上記圧電体のＺ方向の移動速度を、高、低速に
切換えるアプローチスピード切換部及び上記圧電体のＺ
方向の移動を停止するアプローチ停止部を備えることを
特徴とする上記（２）に記載の走査型プローブ顕微鏡の
アプローチ装置。

【０１１１】（４）上記アプローチ手段は、上記探針
変位量検出手段の出力信号が予め定められた閾値を越え
たか否かを判断する閾値判断部と、この閾値判断部で上
記出力信号が予め定められた閾値を越えると上記圧電体
のＺ軸方向の移動速度を切換えて制御するアプローチ速
度切換部を備えることを特徴とする上記（１）に記載の
走査型プローブ顕微鏡のアプローチ装置。

【０１１２】（５）自由端に探針を有するカンチレバ
ーを一端に支持する圧電体を用いた走査型プローブ顕微
鏡に於いて、上記カンチレバーの探針と試料との間の原
子間力による探針の変位量を光学的に検出する探針変位
量検出手段と、上記探針変位量検出手段から出力される
探針変位信号の変化に基いて、上記圧電体をＺ軸方向に
移動制御することにより上記カンチレバーの探針を上記
試料表面に近接させて位置決めするアプローチ手段と、
このアプローチ手段による位置決め時に、上記試料から
反射されたレーザ入射光の反射光を光学的に検出する漏
れ光信号検出手段とを具備し、上記漏れ光信号検出手段
は、上記反射光に基いて少なくとも上記圧電体のＺ軸方
向の移動速度を高低速に切換えることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡のアプローチ装置。

【０１１３】（６）上記漏れ光信号検出手段は、上記
試料から反射された入射光の反射光を光学的に検出する
漏れ光検出用の受光素子と、この受光素子の出力信号を
予め定められた閾値と比較する閾値判断部を備えること
を特徴とする上記（５）に記載の走査型プローブ顕微鏡
のアプローチ装置。

【０１１４】上記（１）の構成によれば、アプローチ時
間を短縮することができると共に、試料と探針の相対速
度が遅く、試料に接触する瞬間に探針に与える力を小さ
くすることができるので、探針先端や試料に与えるダメ
ージが無くなり、探針先端の鋭さを保つことができるた
め、高分解能の測定も可能となる。上記（２）の構成に
よれば、探針変位信号検出部の出力信号を微分し、その
微分値の変化を用いて、探針が試料表面に接触してから
粗動機構を迅速に停止させることができるので、探針と
試料接触時間が短く、探針が試料に与える力も小さくす
ることができ、探針先端や試料に与えるダメージが無く
なり、探針先端の鋭さを保つことができるため、高分解
能の測定も可能となる。上記（３）の構成によれば、ア
プローチ時間を短縮することが可能となる。また、試料
と探針の相対速度が遅く、接触の瞬間に探針に与える力
を小さくすることもできる。更に、探針と試料の接触時
間が短く、探針が試料に与える力も小さくすることがで
きるので、探針先端や試料に与えるダメージが無くな
り、探針先端の鋭さを保つことができ、高分解能の測定
も可能となる。また、上記（４）の構成によれば、探針
が試料に対して遠く離れたときには高速アプローチを行
い、試料に予め設定しておいた距離まで探針が接近した
ときには低速アプローチに切換えて遅い速度で接近する
ので、アプローチ時間を短縮することが可能となり、ア
プローチ中に試料が探針に接触する瞬間、探針に与える
力を小さくすることもできる。その結果、探針先端や試
料に与えるダメージが無くなり、探針先端の鋭さを保つ
ことができるため、高分解能の測定も可能となる。

【０１１５】上記（５）の構成によれば、漏れ光を更に
広範囲に検出することができるので、探針と試料間の距
離が離れたときに、高速アプローチで探針を短時間で試
料に接近させ、所定の設定した距離に達すると低速アプ
ローチで探針を試料に接近させる結果、アプローチ中に
試料が探針に与える力を小さくすることができる。ま
た、探針先端や試料表面に与えるダメージが最小限に抑
えられ、しかもアプローチ時間を短縮することが可能と
なる。更に、探針先端の鋭さを保つことができるため、
高分解能の測定も可能となる。上記（６）の構成によれ
ば、接触時に、試料が探針に与える力を小さくすること
ができ、加えて、探針先端や試料表面に与えるダメージ
が最小限に抑えられ、しかもアプローチ時間を短時間す
ることが可能となる。また、探針先端の鋭さを保つこと
ができるため、高分解の測定も可能となる。

【０１１６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、カンチ
レバーの探針及び試料を保護すると共に、アプローチ時
間が長くかかることのない走査型プローブ顕微鏡のアプ
ローチ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ
装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１のカンチレバー変位検出系に用いた光てこ
方式を説明する図である。

【図３】図１のカンチレバー背面からの反射光スポット
と漏れ光スポットの２分割受光素子面に於ける投影図で
ある。

【図４】第１の実施の形態に於ける２分割受光素子面の
投影図と探針変位信号変化検出機構及びその周辺部を示
した図である。

【図５】（ａ）は第１の実施の形態に於ける２分割受光
素子の出力波形を示した図、（ｂ）は第１の実施の形態
に於ける微分演算部の出力波形を示した図である。

【図６】第１の実施の形態に於ける走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ動作について説明するフローチャートで
ある。

【図７】この発明の走査型プローブ顕微鏡のアプローチ
装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図であ
る。

【図８】（ａ）は第２の実施の形態に於ける探針変位信
号検出部の出力波形を示した図、（ｂ）は及び第２の実
施の形態に於ける微分演算部の出力波形を示した図であ
る。

【図９】第２の実施の形態に於ける走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ動作を説明するフローチャートである。

【図１０】この発明の走査型プローブ顕微鏡のアプロー
チ装置の第３の実施の形態の構成を示すブロック図であ
る。

【図１１】第３の実施の形態に於ける２分割受光素子面
の投影図と探針変位信号変化検出機構及びその周辺部を
示した図である。

【図１２】第３の実施の形態の探針変位信号検出部の出
力波形を示した図である。

【図１３】第３の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ動作について説明するフローチャートで
ある。

【図１４】第４の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ装置の構成を示すブロック図である。

【図１５】図１４の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバ
ー変位検出系の構成図である。

【図１６】第４の実施の形態に於ける２分割受光素子面
の投影図と漏れ光信号検出演算部及びその周辺部を示し
た図である。

【図１７】図１４の漏れ光信号検出演算部の出力波形を
示した図である。

【図１８】第５の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ装置の構成を示すブロック図である。

【図１９】図１８の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバ
ー変位検出系の構成図である。

【図２０】第５の実施の形態に於ける２分割受光素子面
の投影図と漏れ光信号検出演算部及びその周辺部を示し
た図である。

【図２１】アプローチ中に於ける試料と探針間の距離に
対する漏れ光信号検出演算部の出力波形を示した図であ
る。

【図２２】従来の光てこ方式の走査型プローブ顕微鏡の
構成例を示したブロック図である。

【図２３】従来の走査型プローブ顕微鏡で、レーザ光を
カンチレバーの真上から入射する方式の例を示した図で
ある。

【図２４】従来の走査型プローブ顕微鏡で、レーザ光を
カンチレバーの横上から入射する方式の例を示した図で
ある。

【図２５】従来の走査型プローブ顕微鏡のアプローチの
動作を説明する図である。

【図２６】（ａ）はフォースカーブの特性図、（ｂ）は
同図（ａ）の各点に於けるカンチレバーの変化を現した
図である。

【図２７】（ａ）はアプローチ時の変位センサ２の出力
波形を示した特性図、（ｂ）は同図（ａ）の一部を拡大
して示した特性図である。

【符号の説明】

１、３１…圧電体、２、３２…変位センサ、３、３３…
粗動機構、４、３４…モータ、６、３６…試料、８、３
８…レーザダイオード、９、３９…集光レンズ、９ａ、
３９ａ…コリメートレンズ、１０、４０…反射ミラー、
１１、４１…探針、１２、４２…カンチレバー、１４、
４４、６６、６７…２分割受光素子、１６、４６…探針
変位信号検出部、１７、４７…アプローチ部、１８、４
９…Ｚサーボ制御部、２１、５２…ＸＹ走査部、１９、
５０…モータドライバ、２０、５１…ワークステーショ
ン、４８、６１、６３…探針変位信号変化検出機構、５
７…微分演算部、５８、６３、６９…閾値判断部、５９
…アプローチ停止部、６２、７０…アプローチスピード
切換部、６８…漏れ光検出演算部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自由端に探針を有するカンチレバーを一
端に支持する圧電体を用いた走査型プローブ顕微鏡に於
いて、上記カンチレバーの探針と試料との間の原子間力による
探針の変位量を光学的に検出する探針変位量検出手段
と、上記探針変位量検出手段から出力される探針変位信号の
変化に基いて、上記圧電体をＺ軸方向に移動制御するこ
とにより上記カンチレバーの探針を上記試料表面に近接
させて位置決めするアプローチ手段とを具備し、このアプローチ手段は、少なくとも上記圧電体のＺ軸方
向の移動を停止制御することを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡のアプローチ装置。
【請求項２】上記アプローチ手段は、上記探針変位量
検出手段から出力される上記探針変位信号を微分する微
分演算部と、この微分演算部による微分演算信号が予め
定められた閾値を越えたか否かを判断する閾値判断部
と、この閾値判断部の判断結果に応じて上記圧電体のＺ
軸方向の移動を停止制御するアプローチ停止部を供える
ことを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微
鏡のアプローチ装置。
【請求項３】自由端に探針を有するカンチレバーを一
端に支持する圧電体を用いた走査型プローブ顕微鏡に於
いて、上記カンチレバーの探針と試料との間の原子間力による
探針の変位量を光学的に検出する探針変位量検出手段
と、上記探針変位量検出手段から出力される探針変位信号の
変化に基いて、上記圧電体をＺ軸方向に移動制御するこ
とにより上記カンチレバーの探針を上記試料表面に近接
させて位置決めするアプローチ手段と、このアプローチ手段による位置決め時に、上記試料から
反射されたレーザ入射光の反射光を光学的に検出する漏
れ光信号検出手段とを具備し、上記漏れ光信号検出手段は、上記反射光に基いて少なく
とも上記圧電体のＺ軸方向の移動速度を高低速に切換え
ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のアプローチ
装置。