特許 6706519 走査プローブ顕微鏡、走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整方法及び測定レンジ調整プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6706519

(24)【登録日】2020年5月20日

(45)【発行日】2020年6月10日

(54)【発明の名称】走査プローブ顕微鏡、走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整方法及び測定レンジ調整プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01Q 30/06 20100101AFI20200601BHJP

   G01Q 60/10 20100101ALI20200601BHJP

   G01Q 60/24 20100101ALN20200601BHJP

【ＦＩ】

   G01Q30/06

   G01Q60/10

   !G01Q60/24

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-58655(P2016-58655)

(22)【出願日】2016年3月23日

(65)【公開番号】特開2016-194511(P2016-194511A)

(43)【公開日】2016年11月17日

【審査請求日】2019年2月12日

(31)【優先権主張番号】特願2015-72728(P2015-72728)

(32)【優先日】2015年3月31日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】503460323

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクサイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100110249

【弁理士】

【氏名又は名称】下田 昭

(74)【代理人】

【識別番号】100116090

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 和彦

(72)【発明者】

【氏名】繁野 雅次

(72)【発明者】

【氏名】鹿倉 良晃

【審査官】 素川 慎司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−３０４７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００２２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１６６３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１６６３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３３１５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２９２７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３１０５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２１２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−３００４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１８７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６４４８５５３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１１／０４９５７７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｑ １０／００ − ９０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を示す信号を検出する変位検出器と、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡において、
前記測定データを取得する前に、前記探針を粗く走査させたプリスキャンを行ったとき、前記信号の最大値と最小値から、測定幅＝（前記最大値−前記最小値）と、オフセット量＝（前記測定幅／２）＋前記最小値を算出する測定レンジ算出手段と、
前記プリスキャンを行ったときの、前記試料の表面の同一位置での前記信号の経時変化量に基づき、前記オフセット量又は前記測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する算出データ補正手段と、
前記信号に基づいて、前記測定データを取得する測定データ取得手段と、
をさらに備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。

【請求項2】

前記補正されたオフセット量及び／又は前記測定幅から前記信号を増幅するための利得を決定する利得決定手段と、
前記利得決定手段によって決定された利得により、前記信号を増幅して増幅信号を生成する増幅手段と、を更に備え、
前記測定データ取得手段は、前記増幅手段が増幅した前記増幅信号に基づいて、前記測定データを取得する
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項3】

前記増幅手段は、自動利得制御回路である請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項4】

試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーの変位を示す信号を検出し、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡を用い、
前記測定データを取得する前に、前記探針を粗く走査させたプリスキャンを行ったとき、前記信号の最大値と最小値から、測定幅＝（前記最大値−前記最小値）と、オフセット量＝（前記測定幅／２）＋前記最小値を算出する測定レンジ算出過程と、
前記プリスキャンを行ったときの、前記試料の表面の同一位置での前記信号の経時変化量に基づき、前記オフセット量又は前記測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する算出データ補正過程と、
前記信号に基づいて、前記測定データを取得する測定データ取得過程と、
を有する走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整方法。

【請求項5】

試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーの変位を示す信号を検出し、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡を用い、
前記測定データを取得する前に、前記探針を粗く走査させたプリスキャンを行ったとき、前記信号の最大値と最小値から、測定幅＝（前記最大値−前記最小値）と、オフセット量＝（前記測定幅／２）＋前記最小値を算出する測定レンジ算出過程と、
前記プリスキャンを行ったときの、前記試料の表面の同一位置での前記信号の経時変化量に基づき、前記オフセット量又は前記測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する算出データ補正過程と、
前記信号に基づいて、前記測定データを取得する測定データ取得過程と、
をコンピュータに実行させる走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料と探針間の物理的な相互作用を検出し試料と探針間の距離の制御や相互作用した物理的な測定データの取得に用いる走査プローブ顕微鏡、走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整方法及び測定レンジ調整プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

走査プローブ顕微鏡は、探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状や物性を測定するものである。走査プローブ顕微鏡の測定モードとしてはＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）ＡＦＭ（走査原子間力顕微鏡）など多くの種類が存在する。もっとも良く使用されるＡＦＭは、（１）探針と試料の間の原子間力をカンチレバーのたわみとして検出し、一定に保って試料の表面形状を測定するコンタクト・モードの他、（２）カンチレバーをピエゾ素子等によって共振周波数近傍で強制振動させ、探針を試料に接触又は近接させた時に、両者の間にはたらく間欠的な力によって探針の振幅が変化するのを利用して試料の形状を測定する方法（以下、適宜「ダイナミック・フォース・モード（ＤＦＭ測定モード）」という）などが知られている（特許文献１参照）。
これらの各種モードで動作する走査プローブ顕微鏡は、カンチレバーの変位を示す信号を検出し、この信号に基づいてカンチレバーと試料の表面との間の物理量（力や振動振幅）を一定に維持させながら、探針を試料の表面に沿って相対的に走査させ、試料表面形状や、カンチレバーと試料が相互作用した物理的な測定データを取得する。この際、信号を適宜増幅して測定データの取得に用いている。

【0003】

ところで、上記信号を検出する場合、試料の表面凹凸が大きければ信号も大きくなるので、信号を取りこぼさないよう、その信号を取り込むレンジである測定幅（最大値と最小値）を大きくする必要がある。一方、微小な凹凸を検出する場合、測定幅が大き過ぎると、信号の取りこぼしは生じないが、微小な信号が取りきれなかったり、信号を増幅後のダイナミックレンジやＳ／Ｎ比が劣化するおそれがある。
このようなことから、測定データを取得する前に、予め試料の代表的な表面を走査検出した上記信号の最大値と最小値とから、本測定での測定幅を手動で設定することが行われている。
又、本出願人は、予め試料の表面を粗く走査させた際の上記信号（カンチレバーの変位信号や、カンチレバーと試料が相互作用した物理的な信号）を、公知の自動利得制御（ＡＧＣ：Automatic Gain Control ）回路を用いて増幅し、信号の出力を適切に調整する走査プローブ顕微鏡を販売している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−２０２８４１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、走査プローブ顕微鏡で測定を行う際、周囲の温度が変化したり、カンチレバーを走査するピエゾ素子の歪み量が一定とならないクリープ現象が生じる等により、増幅前の信号が測定中にドリフトすることがある。
特に、微小な凹凸や上記物理的な信号を検出する際には、Ｓ／Ｎ比を高くする目的で測定幅を小さく設定するため、ドリフトが生じて信号が測定幅を逸脱すると、信号の検出ができなくなる「取りこぼし」が発生する。又、上記ドリフトは、測定時間が長くなるほど大きくなる傾向にあるため、長い測定時間が必要な大面積の試料の測定になるにつれ、ドリフトの影響が大きくなるという問題がある。

【0006】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、周囲の温度等が変化して測定中に信号がドリフトしても、このドリフトを補正し、測定データの取得を精度よく行える走査プローブ顕微鏡、走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整方法及び測定レンジ調整プログラムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明の走査プローブ顕微鏡は、試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を示す信号を検出する変位検出器と、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡において、前記測定データを取得する前に、前記探針を粗く走査させたプリスキャンを行ったとき、前記信号の最大値と最小値から、測定幅＝（前記最大値−前記最小値）と、オフセット量＝（前記測定幅／２）＋前記最小値を算出する測定レンジ算出手段と、前記プリスキャンを行ったときの、前記試料の表面の同一位置での前記信号の経時変化量に基づき、前記オフセット量又は前記測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する算出データ補正手段と、前記信号に基づいて、前記測定データを取得する測定データ取得手段と、をさらに備えたことを特徴とする。
この走査プローブ顕微鏡によれば、周囲の温度等が変化して測定中に信号がドリフトしても、プリスキャンを行ったときの記試料の表面の同一位置での信号の経時変化量に基づいてドリフトを補正するので、測定データの取得を精度よく行える。
なお、この信号としては、試料表面形状や、カンチレバーと試料が相互作用した物理的な信号が挙げられる。

【0008】

前記補正されたオフセット量及び／又は前記測定幅から前記信号を増幅するための利得を決定する利得決定手段と、前記利得決定手段によって決定された利得により、前記信号を増幅して増幅信号を生成する増幅手段と、を更に備え、前記測定データ取得手段は、前記増幅手段が増幅した前記増幅信号に基づいて、前記測定データを取得するとよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、ドリフトが補正された信号を適切に増幅できるので、測定データの取得をさらに精度よく行える。

【0009】

前記増幅手段は、自動利得制御回路であってもよい。
この走査プローブ顕微鏡によれば、公知の自動利得制御回路を用いて適切に増幅できる。

【0010】

本発明の走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整方法は、試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーの変位を示す信号を検出し、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡を用い、前記測定データを取得する前に、前記探針を粗く走査させたプリスキャンを行ったとき、前記信号の最大値と最小値から、測定幅＝（前記最大値−前記最小値）と、オフセット量＝（前記測定幅／２）＋前記最小値を算出する測定レンジ算出過程と、前記プリスキャンを行ったときの、前記試料の表面の同一位置での前記信号の経時変化量に基づき、前記オフセット量又は前記測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する算出データ補正過程と、前記信号に基づいて、前記測定データを取得する測定データ取得過程と、を有する。

【0011】

本発明の走査プローブ顕微鏡の測定レンジ調整プログラムは、試料の表面に接触又は近接させる探針が設けられたカンチレバーの変位を示す信号を検出し、前記信号に基づいて前記カンチレバーと前記試料の表面との間の所定の物理量を一定に維持させながら、前記探針を前記試料の表面に沿って相対的に走査させたときに得られた測定データを取得する走査プローブ顕微鏡を用い、前記測定データを取得する前に、前記探針を粗く走査させたプリスキャンを行ったとき、前記信号の最大値と最小値から、測定幅＝（前記最大値−前記最小値）と、オフセット量＝（前記測定幅／２）＋前記最小値を算出する測定レンジ算出過程と、前記プリスキャンを行ったときの、前記試料の表面の同一位置での前記信号の経時変化量に基づき、前記オフセット量又は前記測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する算出データ補正過程と、前記信号に基づいて、前記測定データを取得する測定データ取得過程と、をコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、周囲の温度等が変化して測定中に信号がドリフトしても、このドリフトを補正し、測定データの取得を取りこぼすことなく精度よく行える。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡のブロック図である。

【図2】信号の最大値と最小値から、測定幅と、オフセット量を算出する方法を示す図である。

【図3】コンピュータによる測定レンジ調整の処理フローを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0015】

図１は本発明の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡２００のブロック図である。なお、図１（ａ）が走査プローブ顕微鏡２００の全体図であり、図１（ｂ）はカンチレバー１近傍の部分拡大図である。
図１（ａ）において、走査プローブ顕微鏡２００は、先端に探針９９を有するカンチレバー１と、試料３００が載置される試料台１０と、カンチレバー１に振動を与えるカンチレバー加振部３と、カンチレバー加振部３を駆動させるための加振電源（加振信号発生器）２１と、カンチレバー１の変位を示す信号を検出する変位検出器５と、交流−直流変換機構６と、制御手段（プローブ顕微鏡コントローラー２４、コンピュータ４０）等とを有する。
プローブ顕微鏡コントローラー２４は周波数・振動特性検出機構７を有している。さらに、周波数・振動特性検出機構７は、信号の利得を制御する自動利得制御（ＡＧＣ：Automatic Gain Control ）回路７ａを搭載している。
コンピュータ４０は、走査プローブ顕微鏡２００の動作を制御するための制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。
なお、走査プローブ顕微鏡２００は、カンチレバー１が固定され、試料３００側をスキャンするサンプルスキャン方式となっている。

【0016】

プローブ顕微鏡コントローラー２４は、後述するＺ制御回路２０、周波数・振動特性検出機構７、加振電源２１、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２、粗動制御回路２３を有する。プローブ顕微鏡コントローラー２４はコンピュータ４０に接続されてデータの高速通信が可能である。コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡コントローラー２４内の回路の動作条件を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、カンチレバー１のＱ値及び共振周波数の測定、Ｑカーブ測定（周波数・振動特性）、表面形状測定、表面物性測定、フォースカーブ測定、などを実現する。

【0017】

又、コンピュータ４０は、測定レンジを算出し、周波数・振動特性検出機構７へ入力される信号の利得の決定を行う。
コンピュータ４０が、特許請求の範囲の「測定レンジ算出手段」、「利得決定手段」、「算出データ補正手段」に相当する。
プローブ顕微鏡コントローラー２４からスキャナ１１ｃへ出力されるＺスキャナ信号や；プリアンプ５０からＺ制御手段２０へ出力されるカンチレバー１の変位信号や；プリアンプ５０から交流-直流変換機構６を経てＺ制御回路２０へ出力される振幅の信号や；周波数・振動特性検出機構７で検出される位相信号、特定の周波数でのねじれ振幅（摩擦）信号、特定の周波数でのたて振幅（粘弾性）信号や；周波数・振動特性検出機構７から探針と試料間にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源回路２９へ出力されるオフセットの電位信号など、走査プローブ顕微鏡２００で検出する信号が、特許請求の範囲の「信号」に相当する。又、これらの信号がプローブ顕微鏡コントローラー２４に入力される部分（図１でプローブ顕微鏡コントローラー２４に入る矢印）には、それぞれ増幅回路が設けられている。

【0018】

上記したプローブ顕微鏡コントローラー２４に入力される部分に配置された各増幅回路が、特許請求の範囲の「増幅手段」に相当する。なお、これらの増幅回路は、例えば、マイコン等からなるプローブ顕微鏡コントローラー２４の回路基板上に搭載することができる。
また、周波数・振動特性検出機構７に設けられた自動利得制御回路７ａも、特許請求の範囲の「増幅手段」に相当する。なお、自動利得制御回路７ａは、位相信号検出回路、ねじれ振幅検出回路、縦振幅検出回路、などを有すると共に、その入力段に増幅器が設けられており、実際には自動利得制御回路７ａの増幅器が「増幅手段」として機能する。
そして、コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡コントローラー２４の各増幅回路に入力された信号、及び自動利得制御回路７ａの入力段に入力された信号を検出し、間口（測定幅とオフセット）を決定し、これらの増幅回路及び自動利得制御回路７ａをコントロールする、これにより、信号の増幅が実施される。なお、上述の増幅回路も自動利得制御（ＡＧＣ：Automatic Gain Control ）を行っても良い。

【0019】

増幅された信号に基づいて試料表面形状や、カンチレバーと試料が相互作用した物理量を取得するプローブ顕微鏡コントローラー２４が、特許請求の範囲の「測定データ取得手段」に相当する。試料表面形状や、カンチレバーと試料が相互作用した物理量が特許請求の範囲の「測定データ」に相当する。
なお、バイアス電源回路２９は、試料台１０へ直接バイアス電圧を印加し、探針９９と試料３００間の表面電位を測定するKFMなどでも使用する。

【0020】

粗動機構１２は、アクチュエータ１１及びその上方の試料台１０を大まかに３次元移動させるものであり、粗動制御回路２３によって動作が制御される。
アクチュエータ（スキャナ）１１は、試料台１０（及び試料３００）を３次元に移動（微動）させるものであり、試料台１０をそれぞれｘｙ（試料３００の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子１１ａ、１１ｂと、試料台１０をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子１１ｃと、を備えた円筒になっている。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるが、粗動機構１２の形状や動作方法はこれに限られない。
圧電素子１１ａ〜１１ｃはＸ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２に接続され、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２から所定の制御信号（電圧）を出力して圧電素子１１ａ、１１ｂをそれぞれｘｙ方向へ駆動し、圧電素子１１ｃをｚ方向へ駆動する。圧電素子１１ｃへ出力される電気信号は、プローブ顕微鏡コントローラー２４の中で検出され、上述の「測定データ」として取り込まれる。 試料台１０上に試料３００が載置され、試料３００は探針９９に対向配置されている。

【0021】

カンチレバー１は、カンチレバーチップ部８の側面に接し、片持ちバネの構造を構成している。カンチレバーチップ部８は、カンチレバーチップ部押さえ９により斜面ブロック２に押さえつけられ、斜面ブロック２は、加振器３に固定されている。そして、加振機３は加振電源２１からの電気信号により振動し、カンチレバー１及びその先端の探針９９を振動させる。カンチレバーの加振方法として、圧電素子、電場や磁場、光照射、電流の通電なども含まれる。

【0022】

そして、レーザ光源３０からレーザ光がダイクロックミラー３１に入射されカンチレバー１の背面に照射され、カンチレバー１から反射されたレーザ光はミラー３２で反射されて変位検出器５で検出される。変位検出器５は、例えば４分割光検出器であり、カンチレバー１の上下（ｚ方向）の変位量は、カンチレバー１から反射されたレーザの光路の変化（入射位置）として変位検出器５で検出される。つまり、カンチレバー１の振動振幅は、変位検出器５の電気信号の振幅に対応する。
変位検出器５の電気信号の振幅は、プリアンプ５０を通過して適宜増幅され、交流−直流変換機構６により振幅の大きさに対応した直流のレベル信号に変換される。なお、プリアンプ５０は信号を一定の利得で予備的に増幅するものに過ぎず、本発明の「増幅手段」や「増幅信号」には相当しない。

【0023】

交流−直流変換機構６の直流レベル信号は、Ｚ制御回路２０へ入力される。Ｚ制御回路２０は、ＤＦＭ測定モードにおける探針９９の目標振幅と一致するように、Ｚ出力アンプ２２のＺ信号部へ制御信号を伝達し、Ｚ信号部は圧電素子１１ｃをｚ方向へ駆動する制御信号（電圧）を出力する。すなわち、試料３００と探針９９の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー１の変位を上述の機構で検出し、探針９９（カンチレバー１）の振動振幅が目標振幅となるようにアクチュエータ１１ｃを変位させ、探針９９と試料３００の接する力を制御する。そして、この状態で、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２にてｘｙ方向にアクチュエータ１１ａ、１１ｂを変位させて試料３００のスキャンを行い、表面の形状や物性値をマッピングする。

【0024】

又、交流−直流変換機構６の直流レベル信号は、プローブ顕微鏡コントローラー２４の周波数・振動特性検出機構７へ入力される。又、加振電源２１からの電気信号も、周波数・振動特性検出機構７へ入力される。周波数・振動特性検出機構７は、交流−直流変換機構６及び加振電源２１からの入力に基づいて演算した所定の周波数・振動特性信号を処理してロックイン検出によるsin、cos、振幅信号等を取得し、コンピュータ４０へ伝達する。
そして、試料台１０のｘｙ面内の変位に対して、(i) 試料台１０の高さの変位から３次元形状像を、(ii)共振状態の位相の値から位相像を、(iii)振動振幅の目標値との差により誤差信号像を、(iv)探針試料間の物性地から多機能測定像を、コンピュータ４０上に表示し、解析や処理を行うことにより、プローブ顕微鏡として動作させる。

【0025】

次に、本発明の特徴部分である、測定レンジを算出して利得を決定し、測定データを取得する方法について説明する。
まず、コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡コントローラー２４を制御してプリスキャンを行う。プリスキャンは、測定データを取得する前に探針９９を粗く走査させたスキャンであり、例えば、測定データを取得する本測定の走査数が２５６である場合に、走査数を８として短時間で測定を行って測定レンジを算出する。具体的には、Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ２２にてｘｙ方向にアクチュエータ１１ａ、１１ｂを変位させる際、（仮想の）走査線上の往復の信号（探針の往復走査であり、図１の紙面上で試料を左に（探針を右に移動させる方向の往復）を走査数１として取得することにより走査数が８の信号を取得するように、走査数を設定する。測定方法自体は上述の通りである。
そして、コンピュータ４０は、周波数・振動特性検出機構７へ入力される信号（直流レベル信号）の最大値と最小値から、測定幅＝（最大値−最小値）と、オフセット量＝（測定幅／２）＋最小値を算出する。さらにコンピュータ４０は、プリスキャンを行ったときの、試料の表面の同一の位置での信号の経時変化量に基づき、オフセット量又は測定幅のうち少なくともいずれか一方を補正する。
図２は、測定幅Ｗ、オフセット量ＯＦＦ１の一例を示す。
まず、コンピュータ４０は、試料の表面（例えばｘ方向）に沿って第１回目のスキャンを行い、信号のプロファイルＳ１を得る。そして、コンピュータ４０は、Ｓ１の最大値Ａｍａｘと最小値Ａｍｉｎを取得し、測定幅Ｗとオフセット量ＯＦＦ１を算出する。図２の例では、Ａｍａｘ＝＋２．５Ｖ、Ａｍｉｎ＝＋０．５Ｖ、Ｗ＝＋２．０Ｖ，ＯＦＦ１＝＋２．０／２＋０．５＝＋１．５Ｖである。

【0026】

次に、コンピュータ４０は、第２回目のスキャンを行い、信号のプロファイルＳ２を得る。次いで、コンピュータ４０は、試料の表面の同一位置ＰでのＳ１とＳ２の信号の経時変化量Ｃに基づき、オフセット量ＯＦＦ１を補正する。
本来、試料の表面状態（形状や物性値）はプリスキャンのような短時間の間に変化することはなく、試料の表面の同一の位置で信号が経時変化した場合、それは温度変化等によるドリフトとみなすことができる。そこで、この経時変化量Ｃをドリフト量とみなしてオフセット量ＯＦＦ１を補正するのである。具体的には、図２では、経時変化量Ｃ＝−０．１Ｖである。ここで、Ｃ＜０である場合は、信号がマイナス側へドリフトして測定から漏れることになるので、Ａｍｉｎを補正する。これにより、信号がドリフトしてもすべて測定できることになる。一方、Ｃ＞０の場合は、信号がプラス側へドリフトして測定から漏れることになるので、Ａｍａｘを補正する。

【0027】

但し、経時変化量Ｃはプリスキャンで得られた値であり、プリスキャンよりも走査数が多い本測定では、ドリフト量Ｄも走査数（つまり、測定時間）に応じて増えることが予測される。そこで、本測定で増えると予測される増分を経時変化量Ｃに反映させる。
例えば、本実施形態では、上述のようにプリスキャンの走査数は８であり、本測定ではその３２倍の走査数２５６で測定を行っている。そこで、本測定ではドリフト量Ｄが３２倍に増えると予想し、経時変化量Ｃに３２を乗じた−３．２Ｖをドリフト量Ｄとして採用する。
なお、プリスキャンに対する本測定でのドリフト量Ｄの増分の見積もり方法は上記に限定されるものではない。

【0028】

そして、このドリフト量Ｄに基づいて、Ａｍｉｎを補正し、補正後の新たなオフセット量ＯＦＦ２を得る。
具体的には、図２の例では、ドリフト量Ｄ＝−３．２Ｖを用いて最小値Ａｍｉｎの補正を行い、補正後の最小値Ａｍｉｎ２に基づいてオフセット量ＯＦＦ２を得る。具体的には、Ａｍｉｎ２＝Ａｍｉｎ＋ドリフト量Ｄ＝０．５＋（−３．２）＝−２．７Ｖとなる。従って、オフセット量ＯＦＦ２＝Ａｍａｘ−（（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ２）／２）＝（２．５＋（−２．７））／２）＝−０．１Ｖとなる。また、測定幅は、Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ２＝２．５−（−２．７）＝５．２Ｖとなる。
なお、位置Ｐは試料の表面のどの場所でも良いが、例えば、最大値Ａｍａｘを取得した位置に設定すればよい。又、複数の位置における経時変化量を取得し、それらの平均値をＣとしてもよい。又、上記例ではプリスキャンの走査数は８であったが、走査数が３以上の場合には、経時変化量Ｃは第１回目と第２回目のプロファイルＳ１，Ｓ２の差分に限らず、例えば、第１回目のプロファイルＳ１と、最後の走査のプロファイルの差分でもよい。

【0029】

次に、コンピュータ４０は、測定幅Ｗから各増幅回路及び自動利得制御回路７ａの利得Ｇを決定すると共に、補正後のオフセット量ＯＦＦ２から上記オフセット電圧を決定し、この条件で自動利得制御回路７ａが動作するよう各増幅回路及び自動利得制御回路７ａを制御する。具体的には、オフセット量ＯＦＦ２をキャンセルするようなオフセット電圧（＋０．１Ｖ）を各増幅回路及び自動利得制御回路７ａへの入力信号に加える。なお、ドリフト量Ｄは、時間経過での変化なので、オフセット電圧も経時変化を反映した量となる。
なお、利得Ｇは、各増幅回路及び自動利得制御回路７ａのダイナミックレンジ内に抑えるように利得Ｇを決定される。例えば、図２の例では、測定幅Ｗ＝２．０Ｖであるので、各増幅回路及び自動利得制御回路７ａのダイナミックレンジが２０．０Ｖである場合には、利得Ｇ（ゲイン）は２０．０／２．０＝１０となる。

【0030】

そして、このオフセット電圧及び利得Ｇで各増幅回路及び自動利得制御回路７ａが動作することで、周囲の温度等が変化して測定中に信号がドリフトしても、このドリフトを補正し、各増幅回路及び自動利得制御回路７ａに信号を取りこぼさずに確実に入力できる。
さらに、各増幅回路及び自動利得制御回路７ａは信号を適切に増幅して周波数・振動特性検出機構７やプローブ顕微鏡コントローラー２４へ入力するので、周波数・振動特性検出機構７やプローブ顕微鏡コントローラー２４が周波数・振動特性信号等の各種信号を高精度で演算し、Ｓ/Ｎ比に優れた高精度の位相像や他の情報を得ることができる。
なお、周波数・振動特性検出機構７が演算した周波数・振動特性信号に基づき、コンピュータ４０は位相像の他、上述のように３次元形状像、誤差信号像、多機能測定像等を測定データとして得ることもできる。
又、各増幅回路及び自動利得制御回路７ａは、可変ゲインアンプを備えており、電子制御によって利得Ｇを変えることができる。

【0031】

図３は、上述のコンピュータ４０による測定レンジ調整の処理フローを示す。
まず、コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡コントローラー２４を制御してプリスキャンを行い、探針９９を粗く走査させる（ステップＳ２）。次に、コンピュータ４０は、得られた信号の最大値Ａｍａｘと最小値Ａｍｉｎから、測定幅Ｗとオフセット量ＯＦＦ１を算出する（ステップＳ４）。
次に、コンピュータ４０は、試料の表面の同一位置Ｐでの信号の経時変化量Ｃを算出する（ステップＳ６）。そして、コンピュータ４０は、経時変化量Ｃから見積もったドリフト量Ｄにより、オフセット量ＯＦＦ１を補正すると共に、測定幅Ｗから利得Ｇを決定する（ステップＳ８）。
次に、コンピュータ４０は、ステップＳ８で得られた利得Ｇ、及び補正後のオフセット量ＯＦＦ２に応じたオフセット電圧で各増幅回路及び自動利得制御回路７ａを動作させ（ステップＳ１０）、増幅信号を生成して処理を終了する。

【0032】

本発明の測定レンジ調整プログラムは、上述の図３で説明した処理フローをコンピュータプログラムとして適宜コンピュータ４０の記憶手段に記憶してなり、プローブ顕微鏡コントローラー２４及びコンピュータ４０が有するＣＰＵによって実行される。

【0033】

本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態では、ＤＦＭ測定モードについて説明したが、例えばコンタクトモードに、本発明を適用できる。例えば、コンタクトモードで摩擦像を測定する際に、本発明を適用できる。
又、本発明は、走査プローブ顕微鏡のカンチレバー側をスキャンして測定を行うレバースキャン方式にも適用できる。

【符号の説明】

【0034】

１ カンチレバー
５ 変位検出器
７ 周波数・振動特性検出機構（測定データ取得手段）
２０ Ｚ制御回路（位置制御手段）
７ａ 自動利得制御回路（増幅手段）
４０ コンピュータ（測定レンジ算出手段、算出データ補正手段、利得決定手段、測定データ取得手段）
９９ 探針
２００ 走査プローブ顕微鏡
３００ 試料

【図1】

【図2】

【図3】