特許 7351778 走査型プローブ顕微鏡及び設定方法

(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】

(24)【登録日】2023-09-19

(45)【発行日】2023-09-27

(54)【発明の名称】走査型プローブ顕微鏡及び設定方法

(51)【国際特許分類】

   G01Q 10/06 20100101AFI20230920BHJP

   G01Q 20/02 20100101ALI20230920BHJP

【ＦＩ】

G01Q10/06

G01Q20/02

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020047892

(22)【出願日】2020-03-18

(65)【公開番号】P2021148568

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2022-11-02

(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】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(72)【発明者】

【氏名】繁野 雅次

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩令

(72)【発明者】

【氏名】鹿倉 良晃

(72)【発明者】

【氏名】比嘉 邦人

【審査官】山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１６８４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６５６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１４６３８０（ＵＳ，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】

カンチレバーのプローブにより試料の表面を走査する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記カンチレバー及び前記試料を、少なくともＺ方向において相対的に移動可能な移動駆動部と、
前記移動駆動部を制御することで前記カンチレバーと前記試料とを所定の速度で接近させる接近動作を実行し、前記プローブと前記試料とが接触したと判定した場合に前記接近動作を停止させる制御装置と、
前記試料に加えることが許容される力の最大値でありユーザにより入力された第１の力と、前記プローブが前記試料表面に接触したと判定されたときに前記カンチレバーに加わる力でありユーザにより入力された第２の力とを記憶する記憶部と、
を備え、
前記所定の速度は、前記第１の力と前記第２の力とに基づいて予め算出され、
前記所定の速度は、前記プローブと前記試料との接触によって前記試料に加えられる力が予め設定された第１の力を超えないように設定される、
走査型プローブ顕微鏡。

【請求項2】

前記所定の速度は、少なくとも、前記接近動作を停止させる制御が実行されてから接近動作が停止するまでのタイムラグに基づき設定される、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項3】

前記記憶部は、前記表面における一以上の箇所と前記プローブとの間の吸着力を直接的又は間接的に計測された一以上の前記吸着力に基づく所定の距離を記憶し、
前記制御装置は、前記移動駆動部を制御し、前記カンチレバーと前記試料とを相対的に、前記記憶部に記憶された所定の距離だけ引離すことで前記プローブと前記試料とを離間させる
請求項１又は請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項4】

前記制御装置は、前記プローブと前記試料との接触を検出した場合には前記接近動作を停止させ、
所定の定数をＣ、前記第１の力をＦｍａｘ、前記カンチレバーのバネ定数をＫ、前記制御装置が前記接触を検出してから前記接近動作が停止するまでのタイムラグをＴ、前記接触が検出されたときに前記カンチレバーに加わる力である第２の力をＦｒｅｆとする場合において、前記所定の速度は、以下の式で表される速度Ｖに基づいて設定される、請求項１又は請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
Ｖ＝Ｃ×（（Ｆｍａｘ－Ｆｒｅｆ）／Ｋ）／Ｔ

【請求項5】

前記制御装置は、
前記プローブと前記試料とを接触させてから前記プローブと前記試料とを引離す引離し動作を実行する制御部と、
前記引離し動作中において、前記プローブと前記試料とが離間したか否かを判定する判定部と、
前記判定部により前記プローブと前記試料とが離間したと判定された場合において前記カンチレバーの引き離しを指示した距離に基づいて前記吸着力を計測し、計測した前記吸着力に基づいて、前記所定の距離を設定する設定部と、
を備える、
請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【請求項6】

カンチレバーに取り付けられたプローブと試料とが接触するまで前記カンチレバーと前記試料とを所定の速度で接近させる接近動作と、前記接近動作後に前記カンチレバーと前記試料とを相対的に所定の距離だけ引離す引離し動作と、を実行可能な走査型プローブ顕微鏡の前記所定の速度及び前記所定の距離の設定方法であって、
前記試料に加えることが許容される力の最大値でありユーザにより入力された第１の力と、前記プローブが前記試料表面に接触したと判定されたときに前記カンチレバーに加わる力でありユーザにより入力された第２の力とに基づき、前記接近動作における前記所定の速度を算出する第１設定ステップであって、前記所定の速度は前記プローブと前記試料との接触によって前記試料に加えられる力が予め設定された第１の力を超えないように設定される第１設定ステップと、
前記試料の表面における一以上の箇所と前記プローブとの間の吸着力を直接的又は間接的に計測し、計測した一以上の前記吸着力に基づいて、前記所定の距離を設定する第２設定ステップと、
の少なくとも一方を含む設定方法。

【請求項7】

前記第１の力を設定させるためのユーザインタフェースを表示装置に表示させる表示制御部と、
前記プローブと前記試料との接触によって前記試料に加えられる力が、前記ユーザインタフェースにおいて設定された前記第１の力を超えないように前記所定の速度を設定する設定部と、
を有する請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、走査型プローブ顕微鏡及び設定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

カンチレバーの先端に形成されたプローブを試料に接触させて連続的又は間欠的にプローブを走査させることで、試料表面の形状を測定する走査型プローブ顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

【0003】

前記試料表面の形状の測定時間は、試料表面に対してプローブを接近させる速度である接近速度や試料表面に接触しているプローブを引離す距離である引離し距離に依存する。接近速度をできるだけ速くすること及び引離し距離をできるだけ短くすること、の少なくともいずれかは、測定時間の短縮化に寄与する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－３３３７３号公報

【文献】特開２０１１－２０９０７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

接近速度の設定によっては、プローブは所定の位置で停止できず試料表面を押し込みすぎてしまう可能性がある。また、引離し距離の設定によってはプローブと試料とが離れない可能性がある。したがって、接近速度や引離し距離の設定は、大きなマージンを含めてユーザによって設定される。そのため、現在において、測定時間を短縮できていないのが実情である。

【0006】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、測定時間の短縮化に寄与する走査型プローブ顕微鏡及び設定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本開示の一態様は、カンチレバーのプローブにより試料の表面を走査する 走査型プローブ顕微鏡であって、前記カンチレバー及び前記試料を、少なくともＺ方向において 相対的に移動可能な移動駆動部と、前記移動駆動部を制御することで前記カンチレバーと前記試料とを所定の速度で接近させる接近動作を実行し、前記プローブと前記試料とが接触したと判定した 場合に前記接近動作を停止させる制御装置と、前記試料に加えることが許容される力の最大値でありユーザにより入力された第１の力と、前記プローブが前記試料表面に接触したと判定されたときに前記カンチレバーに加わる力でありユーザにより入力された第２の力とを記憶する記憶部と、を備え、前記所定の速度は、前記第１の力と前記第２の力とに基づいて予め算出され、前記所定の速度は、前記プローブと前記試料との接触によって前記試料に加えられる力が予め設定された第１の力を超えないように設定される、走査型プローブ顕微鏡である。

【0008】

（２）本開示の一態様は、前記記憶部は、前記表面における一以上の箇所と前記プローブとの間の吸着力を直接的又は間接的に計測された一以上の前記吸着力に基づく所定の距離を記憶し、前記制御装置は、前記移動駆動部を制御し、前記カンチレバーと前記試料とを相対的に、前記記憶部に記憶された所定の距離だけ引離すことで前記プローブと前記試料とを離間させる上述した（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡である。

【0009】

（３）本開示の一態様は、カンチレバーに取り付けられたプローブと試料とが接触するまで前記カンチレバーと前記試料とを所定の速度で接近させる接近動作と、前記接近動作後に前記カンチレバーと前記試料とを相対的に所定の距離だけ引離す引離し動作と、を実行可能な走査型プローブ顕微鏡の前記所定の速度及び前記所定の距離の設定方法であって、前記試料に加えることが許容される力の最大値でありユーザにより入力された第１の力と、前記プローブが前記試料表面に接触したと判定されたときに前記カンチレバーに加わる力でありユーザにより入力された第２の力とに基づき、前記接近動作における前記所定の速度を算出する第１設定ステップであって、前記所定の速度は前記プローブと前記試料との接触によって前記試料に加えられる力が予め設定された第１の力を超えないように設定される第１設定ステップと、前記試料の表面における一以上の箇所と前記プローブとの間の吸着力を直接的又は間接的に計測し、計測した一以上の前記吸着力に基づいて、前記所定の距離を設定する第２設定ステップと、の少なくとも一方を含む設定方法である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本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2】本実施形態に係る斜面を有する試料Ｓとカンチレバー１との斜視図である。

【図3】本実施形態に係る接近速度Ｖの設定方法の流れを示す図である。

【図4】本実施形態に係る第１の力ＦｍａｘとＦｒｅｆとを設定するためのユーザインタフェースの一例を示す図である。

【図5】本実施形態に係る第１の力ＦｍａｘとＦｒｅｆとを設定するためのユーザインタフェースの一例を示す図である。

【図6】本実施形態に係る退避距離Ｌの設定方法の流れを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本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。

【0012】

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡Ａは、プローブを試料表面に接触させて試料表面を走査することで試料表面の形状を測定する。例えば、走査型プローブ顕微鏡Ａは、間欠的測定方法を用いてプローブで試料表面を走査する。間欠的測定方法は、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方法である。例えば、間欠的測定方法は、Sampling Intelligent Scanと呼ばれ得る。ただし、走査型プローブ顕微鏡Ａは、間欠的測定方法に限定されない。走査型プローブ顕微鏡Ａは、プローブと試料間との何らかの相互作用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ることで、試料表面の形状を測定してもよい。

【0013】

例えば、走査型プローブ顕微鏡Ａは、プローブと試料とを常に接触させながら試料の表面を走査することで試料表面の形状を測定してもよい。例えば、走査型プローブ顕微鏡Ａは、プローブと試料とを周期的に接触させながら試料の表面を走査することで試料表面の形状を測定してもよい。

【0014】

図１は、本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、カンチレバー１、移動駆動部２、変位検出部３、制御装置４、入力装置５及び表示装置６を備えている。

【0015】

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

【0016】

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

【0017】

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

【0018】

Ｚ方向駆動装置２１上には、試料台Ｈが載置されている。この試料台Ｈには、カンチレバー１のプローブ１ａに対向配置するように試料Ｓが載置されている。Ｚ方向駆動装置２１は、試料台Ｈを水平面に垂直な方向（Ｚ方向）に移動させる。例えば、Ｚ方向駆動装置２１は、圧電素子を有するスキャナーである。Ｚ方向駆動装置２１は、制御装置４からの制御により、試料台ＨをＺ方向に移動させることで、試料表面をプローブ１ａに接近させる動作、又はプローブ１ａから試料Ｓを引き離す方向に動作させる動作を行う。

【0019】

ＸＹスキャナー２２は、制御装置４からの制御により、プローブ１ａと試料Ｓとを、ＸＹ方向に対して相対的に移動させる。なお、図１において試料台Ｈの表面に平行な面は水平面であり、ここでは直交の２軸Ｘ，ＹによりＸＹ平面と定義される。例えば、ＸＹスキャナー２２は、圧電素子である。Ｚ方向駆動装置２１及びＸＹスキャナー２２は、相対的に３次元形状観察の走査が可能な構成であれば、配置関係は問わない。つまり、カンチレバー走査でも試料走査でも良い。

【0020】

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

【0021】

変位検出部３は、光照射部３１及び光検出部３２を備える。

【0022】

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

【0023】

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

【0024】

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

【0025】

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

【0026】

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

【0027】

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

【0028】

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

【0029】

光検出部３２は、受光面３３の±Ｚ方向におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置に応じた第１検出信号を制御装置４に出力する。すなわち、第１検出信号は、カンチレバー１のたわみ量に応じたＤＩＦ信号（たわみ信号）である。また、光検出部３２は、受光面３３の±Ｙ方向におけるレーザ光Ｌ２の反射スポット位置に応じた第２検出信号を制御装置４に出力する。すなわち、第２検出信号は、カンチレバー１のねじれ量に応じたＦＦＭ信号（ねじれ信号）である。

【0030】

次に、本実施形態に係る制御装置４について、説明する。図１に示すように、制御装置４は、判定部１０、制御部１１、測定部１２、第１設定部１３、第２設定部１４及び表示制御部１５を備える。

【0031】

判定部１０は、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号の少なくともいずれかに基づいて、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する。なお、以下の説明において、プローブ１ａが試料表面に接触したか否かを判定する処理を「接触判定処理」と称する。例えば、判定部１０は、光検出部３２から出力される第１検出信号が示すたわみ量が第１の範囲を超えた場合に、プローブ１ａが試料Ｓの表面に接触したと判定してもよい。例えば、判定部１０は、光検出部３２から出力される第２検出信号が示すねじれ量が第２の範囲を超えた場合に、プローブ１ａが試料Ｓの表面に接触したと判定してもよい。

【0032】

判定部１０は、光検出部３２から出力される第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、プローブ１ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する。なお、以下の説明において、プローブ１ａが試料表面に対して離間したか否かを判定する処理を「離間判定処理」と称する。

【0033】

制御部１１は、移動駆動部２を制御することでプローブ１ａと試料Ｓとの相対的な移動量を制御する。一例として、走査型プローブ顕微鏡Ａは、試料表面における、予め設定された複数の測定点のみにおいて、プローブ１ａを接触させることで、試料表面を間欠的に走査する。制御部１１は、カンチレバー１と試料Ｓとを所定の速度である接近速度Ｖで接近させる接近動作を実行する。接近動作中において接触判定処理が実行され、制御部１１は、プローブ１ａが試料表面に接触したと判定された場合には、接近動作を停止させる。制御部１１は、接近動作を停止させた後において、カンチレバー１と試料Ｓとを相対的に所定の距離である退避距離Ｌだけ引離すことでプローブ１ａと試料Ｓとを離間させる引離し動作を実行する。制御部１１は、予め設定された複数の測定点のそれぞれにおいて、接近動作と引離し動作とを行うことで試料表面を間欠的に走査する。接近速度Ｖ及び退避距離Ｌは、予め設定される。

【0034】

本実施形態の接近動作及び引離し動作の一例を説明する。制御部１１は、プローブ１ａと試料表面とを接触させるための接触動作信号をＺ方向駆動装置２１に出力する。Ｚ方向駆動装置２１は、接触動作信号を受信すると、予め設定された接近速度Ｖで試料Ｓを上昇させる。これにより、カンチレバー１と試料表面とが接近する。判定部１０は、接近動作中において、接触判定処理を実行する。制御部１１は、接触判定処理によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定された場合には、Ｚ方向駆動装置２１に対する接触動作信号の出力を停止する。これにより、Ｚ方向駆動装置２１は、試料Ｓを上昇させる接近動作を停止させる。接近動作は、カンチレバー１と試料Ｓとが接近速度Ｖで接近させる動作であればよく、予め設定された接近速度Ｖでカンチレバー１を下降させる動作であってもよい。接近動作は、カンチレバー１を下降させ、且つ、試料Ｓを上昇させる動作であってもよい。

【0035】

制御部１１は、接触判定処理によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定された場合には、プローブ１ａ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２１に出力する。Ｚ方向駆動装置２１は、引離し動作信号を受信すると試料Ｓを下降させる。これにより、制御部１１は、試料Ｓをプローブ１ａから引き離す方向に退避距離Ｌだけ動作させて、試料表面がプローブ１ａに接触している状態から退避させる。

【0036】

制御部１１は、ＸＹスキャナー２２に駆動信号を出力することで、次の測定位置の直上に位置する測定下降位置にプローブ１ａを移動させる。

【0037】

測定部１２は、プローブ１ａと試料表面とが接触している状態で、試料表面の形状を測定する。例えば、測定部１２は、接触判定処理によりプローブ１ａが試料表面に接触したと判定された場合には、接近動作において試料Ｓがプローブ１ａに対して相対的に移動した距離を測定する。これにより、測定部１２は、試料Ｓの表面形状を測定する。例えば、測定部１２は、プローブ１ａと試料表面とが接触している状態における接触動作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１２は、試料台Ｈの変位をセンサーにより直接計測するものであってもよい、試料台Ｈの高さをセンサーにより直接計測するものであってもよい。

【0038】

第１設定部１３は、試料Ｓの表面形状が測定される前において、接近速度Ｖを設定する。第１設定部１３は、接近動作が停止された際に、プローブ１ａと試料Ｓとの接触によって試料Ｓに加えられる力が予め設定された第１の力Ｆｍａｘを超えないように設定される。第１の力Ｆｍａｘは、試料Ｓに加えることが許容される力の最大値である。第１の力Ｆｍａｘの情報は、予め制御装置４において格納されている。第１の力Ｆｍａｘは、例えば試料Ｓの材質、試料Ｓに対して許されるダメージ等に基づいて決定され得る。例えば、第１の力Ｆｍａｘの情報は、入力装置５によって制御装置４に対して出力される。

【0039】

第２設定部１４は、試料Ｓの表面形状が測定される前において、退避距離Ｌを設定する。第２設定部１４は、試料Ｓの表面における一以上の箇所とプローブ１ａとの間の吸着力Ｆａｄを直接的又は間接的に計測する。第２設定部１４は、計測した一以上の吸着力Ｆａｄに基づいて、退避距離Ｌを設定する。

【0040】

表示制御部１５は、第１の力Ｆｍａｘと第２の力Ｆｒｅｆとを設定するためのユーザインタフェースを有する設定画面１００を表示装置６に表示させる。

【0041】

入力装置５は、制御装置４に接続されている。入力装置５は、ユーザからの入力を受け付けて、当該入力に係る情報（以下、「入力情報」という。）を制御装置４に出力する。例えば、入力装置５は、タッチパネル、キーボード等に代表されるハードウェアキー、マウス等のポインティングデバイスである。前記入力装置は、マイク等の音声による操作入力を受け付けてもよい。

【0042】

表示装置６は、制御装置４に接続されている。表示装置６は、制御装置４から出力される情報を表示画面に表示する。

【0043】

以下において、第１設定部１３における接近速度Ｖの設定方法を説明する。

【0044】

第１設定部１３は、以下の式（１）で表される速度Ｖｘに基づいて設定される。第１設定部１３は、以下の式で表される速度Ｖｘを接近速度Ｖに設定してもよい。第１設定部１３は、以下の式で表される速度Ｖｘ以下の任意の値を接近速度Ｖに設定してもよい。

【0045】

Ｖｘ＝Ｃ×（（Ｆｍａｘ－Ｆｒｅｆ）／Ｋ）／Ｔ…（１）

【0046】

Ｃは所定の定数である。Ｋは、カンチレバー１のバネ定数である。Ｔは、接触判定処理によってプローブ１ａが試料表面に接触したと判定されてから接近動作が停止されるまでのタイムラグである。第２の力Ｆｒｅｆは、接触判定処理によってプローブ１ａが試料表面に接触したと判定されたときにカンチレバー１に加わる力である。換言すれば、第２の力Ｆｒｅｆは、接触判定処理によってプローブ１ａが試料表面に接触したと判定されたときの押し付け力である。したがって、判定部１０は、接触判定処理において、カンチレバー１に第２の力Ｆｒｅｆが加わったときのたわみ量やねじれ量を検出することでプローブ１ａが試料表面に接触したと判定している。

【0047】

例えば、移動駆動部２は圧電素子を用いたスキャナーを有している。圧電素子には不可避的な応答遅れが存在する。すなわち、当該圧電素子を用いて接近動作を行っている場合において、接近動作の停止（接近動作から直接引き離し動作に移行する場合を含む）を指示する信号を制御装置４から取得してから実際に停止するまでにおいてタイムラグを有する。このタイムラグの間も接近動作が継続されるため、最終的には、試料Ｓへのプローブ１ａの押し付け力が第２の力Ｆｒｅｆ以上になり得る。よって、前記応答遅れを加味して接近速度Ｖを設定する必要があるが、現在においては、接近速度Ｖは、ユーザの経験に基づく判断等によって設定されている。したがって、接近速度Ｖは、最適な値に設定されていない場合がある。その結果、現在において、試料Ｓに過度な力が加えられることを防止しつつ、試料表面の形状を測定する測定時間を短縮化できていない。本実施形態の制御装置４は、移動駆動部２などによって発生する応答遅れを含むタイムラグＴを加味して、押し付け力が予め設定された第１の力Ｆｍａｘを超えないように式（１）に基づいて設定する。これにより、制御装置４は、接近速度Ｖを最適な値に設定することができ、測定時間の短縮化に寄与することができる。タイムラグＴは、移動駆動部２によって発生する応答遅れだけに限定されず、たとえば電子回路に起因する遅れ、検出系に起因する遅れ、制御系に起因する遅れ等の任意の遅れを含み得る。したがって、圧電素子が用いられていない場合等にも本実施形態により開示される思想を適用することができる。

【0048】

例えば、前述のように圧電素子の応答遅れがタイムラグＴの主要因である場合、タイムラグＴの間に接近速度Ｖは徐々に減少し０に近づく（この事象を「クリープ現象」ともいう）。一例においては、タイムラグＴの間の接近速度Ｖは指数関数的に減少する。このように、Ｖが徐々に減少する場合、後述する「タイムラグＴの間の接近速度Ｖが一定」の場合に比べて所定の定数Ｃを大きくすることができる。たとえば、この場合の所定の定数Ｃは０より大きく２以下に、好ましくは１より大きく２以下に設定されてよい。一方で、圧電素子の応答遅れが電子回路の応答遅れ等に比較して十分小さい場合、プローブ１ａは一定速度で接近を続け、遅れて到達した停止指示を受けた瞬間にプローブ１ａが停止するとみなすことができる。したがって、この場合、タイムラグＴの間の接近速度Ｖは一定とみなすことができる。よって、この場合の所定の定数Ｃは１ちょうど、０より大きく１以下に、もしくは、０．９以上１以下に設定されてよい。

【0049】

以下において、第２設定部１４における退避距離Ｌの設定方法を説明する。

【0050】

第２設定部１４は、試料Ｓの表面形状が測定される前において、試料Ｓの吸着力Ｆａｄを直接的又は間接的に測定する。第２設定部１４は、測定した吸着力Ｆａｄよりも大きな力が発生するカンチレバー１のたわみ量を計算する。第２設定部１４は、計算したたわみ量を退避距離Ｌとして設定する。吸着力は、試料Ｓの表面の各位置に依存して変化することがある。そこで、第２設定部１４は、試料Ｓの表面の複数箇所において、吸着力Ｆａｄを計測してもよい。そして、第２設定部１４は、計測した複数箇所における吸着力Ｆａｄのうち、最大値である最大吸着力Ｆａｄｍａｘを抽出する。第２設定部１４は、抽出した最大吸着力Ｆａｄｍａｘよりも大きな値となるカンチレバー１のたわみ量を計算し、そのたわみ量を退避距離Ｌとして設定してもよい。

【0051】

第２設定部１４は、計測した複数箇所における吸着力Ｆａｄに対して統計的な処理を実施してもよい。例えば、第２設定部１４は、計測した複数箇所における吸着力Ｆａｄのばらつきを求め、そのばらつきを考慮して最大吸着力Ｆａｄｍａｘを求めてもよい。例えば、最大吸着力Ｆａｄｍａｘは、計測した複数箇所における吸着力Ｆａｄの平均値に対して３σ又は５σを加算した値である。σは、標準偏差である。第２設定部１４は、以下に示す式（２）より退避距離Ｌを求めてもよい。

【0052】

L＝Ｆａｄｍａｘ／Ｋ…（２）

【0053】

一例として、第２設定部１４は、退避距離Ｌを設定するにあたって、制御部１１に対して信号を出力して、プローブ１ａと試料Ｓとを接触させてからプローブ１ａと試料Ｓとを引離す引離し動作を実行させる。この引離し動作中において、判定部１０は、離間判定処理を実行する。第２設定部１４は、引離し動作中において、離間判定処理によってプローブ１ａが試料表面に対して離間したと判定された場合には、離間されたと判定されたとき、又は離間されたと判定される直前の、カンチレバー１の引離しを指示した距離Ｌｘ（以下、引離し距離Ｌｘ）に基づき吸着力Ｆａｄを計測してもよい。第２設定部１４は、引離し距離Ｌｘに対してバネ定数Ｋを乗算することで力に変換することができる。引離し距離Ｌｘは、カンチレバー１のたわみ量であってもよい。第２設定部１４は、引離し距離Ｌｘ以上の値を退避距離Ｌに設定してもよい。例えば、第２設定部１４は、引離し距離Ｌｘに対して所定の定数Ｃを加算又は乗算した値を退避距離Ｌに設定してもよい。第２設定部１４は、試料Ｓの表面の複数箇所のそれぞれにおいて、引離し距離Ｌｘを計測してもよい。第２設定部１４は、計測した複数箇所における引離し距離Ｌｘのうち、最大値である最大引離し距離Ｌｘｍａｘを抽出する。第２設定部１４は、抽出した最大引離し距離Ｌｘｍａｘよりも大きな値を退避距離Ｌとして設定してもよい。

【0054】

第２設定部１４は、計測した複数箇所における引離し距離Ｌｘに対して統計的な処理を実施してもよい。例えば、第２設定部１４は、計測した複数箇所における引離し距離Ｌｘのばらつきを求め、そのばらつきを考慮して最大引離し距離Ｌｘｍａｘを求めてもよい。例えば、最大引離し距離Ｌｘｍａｘは、計測した複数箇所における引離し距離Ｌｘの平均値に対して３σ又は５σを加算した値である。

【0055】

退避距離Ｌは、プローブ１ａを試料Ｓから離間させるために、カンチレバーのバネ定数と引離し距離Ｌｘとの積により計算される力である。退避距離Ｌは、プローブ１ａと試料Ｓ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１ａと試料Ｓ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、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Ｌは、ユーザらが経験に基づき余裕を持たせた値に設定されているのが実情である。したがって、予測を超えた大きな吸着力が発生する場合には、引離し距離Ｌが不足することとなり、プローブ１ａと試料Ｓとが離間しない場合が起こり得る。本実施形態の制御装置４は、実際に吸着力を計測し、その吸着力の最大値を超える力が発生する引離し距離Ｌｘを退避距離Ｌに設定する。これにより、制御装置４は、退避距離Ｌを最適な値に設定することができ、測定時間の短縮化にも寄与することができる。

【0056】

以下において、第１設定部１３における接近速度Ｖの設定方法の流れを、図３を用いて説明する。

【0057】

表示制御部１５は、第１の力Ｆｍａｘと第２の力Ｆｒｅｆとを設定するためのユーザインタフェースである設定画面１００を表示装置６に表示する（ステップＳ１０１）。図４は、設定画面１００の一例を示す。設定画面１００は、ユーザが入力装置５を操作することによって第１の力Ｆｍａｘを入力するための入力窓１０１を有している。設定画面１００は、ユーザが入力装置５を操作することによって第２の力Ｆｒｅｆを入力するための入力窓１０２を有している。設定画面１００は、設定開始ボタン１０３を有している。ユーザは、入力窓１０１に対して第１の力Ｆｍａｘを入力し、入力窓１０２に対して第２の力Ｆｒｅｆを入力する。そして、ユーザは、設定画面１００において、入力装置５によって設定開始ボタン１０３を押下することにより、接近速度Ｖの設定を開始させることができる。

【0058】

設定開始ボタン１０３が押下されると、第１設定部１３は、入力窓１０１に入力されている第１の力Ｆｍａｘ及び入力窓１０２に入力されている第２の力Ｆｒｅｆを読み込む（ステップＳ１０２）。第１設定部１３は、読み込んだ第１の力Ｆｍａｘ及び第２の力Ｆｒｅｆを、式（１）に入力して速度Ｖｘを演算する（ステップＳ１０３）。一例として、第１設定部１３は、速度Ｖｘを接近速度Ｖに設定する。これにより、第１設定部１３は、タイムラグＴの期間の間において、第１の力Ｆｍａｘから第２の力Ｆｒｅｆを差し引いた力が試料Ｓに対して発生しない接近速度Ｖを設定することができる。

【0059】

設定画面１００は、カンチレバー１の種類及びＺ方向駆動装置２１の種類を選択する選択画面を有してもよい。第１設定部１３は、選択画面によってユーザに選択されたカンチレバー１の種類に応じてバネ定数Ｋを設定してもよい。第１設定部１３は、選択画面によってユーザに選択されたＺ方向駆動装置２１の種類に応じてタイムラグＴを設定してもよい。設定画面１００は、図５に示すように、バネ定数Ｋを入力するための入力窓２０１を有してもよい。設定画面１００は、図５に示すように、タイムラグＴを入力するための入力窓２０２を有してもよい。設定画面１００は、図５に示すように、定数Ｃを入力するための入力窓２０３を有してもよい。この場合には、第１設定部１３は、ステップＳ１０２において、入力窓２０１に入力されているバネ定数Ｋ及び入力窓２０２に入力されているタイムラグＴを更に読み込む。そして、第１設定部１３は、読み込んだ第１の力Ｆｍａｘ、第２の力Ｆｒｅｆ、バネ定数Ｋ及びタイムラグＴを、式（１）に入力して速度Ｖｘを演算してもよい。

【0060】

以下において、第２設定部１４における退避距離Ｌの設定方法の流れを、図６を用いて説明する。

【0061】

第２設定部１４は、試料Ｓの表面形状が測定される前において、予め設定された試料表面における複数の測定箇所において、吸着力Ｆａｄを計測する。制御部１１は、複数の測定箇所のうち、一つの測定箇所においてプローブ１ａを接触させて（ステップＳ２０１）、引離し動作を実行する（ステップＳ２０２）。判定部１０は、この引離し動作中において、離間判定処理を実行する。第２設定部１４は、引離し動作中において、離間判定処理によってプローブ１ａが試料表面に対して離間したと判定されたときのカンチレバー１と試料Ｓとの間の引離し距離Ｌｘを吸着力Ｆａｄとして計測する（ステップＳ２０３）。制御装置４は、すべての測定箇所に対して吸着力Ｆａｄの計測が完了したか否かを判定する（ステップＳ２０４）。制御装置４は、すべての測定箇所に対して吸着力Ｆａｄの計測が完了していない場合には、吸着力Ｆａｄの計測が完了していない測定箇所の直上の位置にプローブ１ａを移動させ（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０１～ステップＳ２０３を実行する。

【0062】

制御装置４は、すべての測定箇所に対して吸着力Ｆａｄの計測が完了した場合には、すべての測定箇所の吸着力Ｆａｄに基づいて最大吸着力Ｆａｄｍａｘを演算する（ステップＳ２０６）。そして、制御装置４は、カンチレバー１において最大吸着力Ｆａｄｍａｘよりも大きな力を発生し得るたわみ量を退避距離Ｌとして設定する（ステップＳ２０７）。

【0063】

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。

【0064】

上記移動駆動部２は、チューブ型圧電素子であってもよいし、ボイスコイル型のモータであってもよい。また、Ｚ方向駆動装置２１は、積層型の圧電素子であってもよい。

【0065】

上記制御装置４は、カンチレバー１と試料Ｓとを接近速度Ｖで接近させる接近動作を実行する。ただし、プローブ１ａと試料Ｓとの間の距離が所定値よりも大きい場合には、制御装置４は、接近速度Ｖよりも早い速度でカンチレバー１と試料Ｓと接近させてもよい。制御装置４は、プローブ１ａと試料Ｓとの距離が所定値以下の場合には、第１設定部１３で設定された接近速度Ｖで接近動作を実行してもよい。

【0066】

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡Ａは、第１設定部１３及び第２設定部１４の少なくともいずれかを有していればよい。走査型プローブ顕微鏡Ａは、第１設定部１３による接近速度Ｖの設定と、第２設定部１４による退避距離Ｌの設定との少なくともいずれかを行うことで、測定時間を短縮化することができる。

【0067】

本実施形態の接近速度Ｖの設定方法は、プローブ１ａを試料Ｓに接近させる動作を有するすべての走査型プローブ顕微鏡に対して適用可能である。したがって、本実施形態の接近速度Ｖの設定方法は、間欠的測定方法を用いる走査型プローブ顕微鏡だけに適用されるものでなく、プローブ１ａを試料Ｓに接近させてプローブ１ａのたわみやねじれから接触の有無を判定する装置のすべてに適用可能である。

【0068】

本実施形態の退避距離Ｌの設定方法は、プローブ１ａと試料Ｓとを離間させる動作を有するすべての走査型プローブ顕微鏡に対して適用可能である。したがって、本実施形態の退避距離Ｌの設定方法は、間欠的測定方法を用いる走査型プローブ顕微鏡だけに適用されるものでなく、引離し動作を有するすべての走査型プローブ顕微鏡に適用可能である。

【0069】

上記判定部１０における離間判定処理は、公知の技術を用いてもよい。例えば、判定部１０は、特願２０１７－６３５３０に開示されている離間判定処理を用いてもよい。例えば、判定部１０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１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１ａが試料表面に対して離間したと判定してもよい。なお、所定の振幅とは、カンチレバー１のフリー状態の位置を基準として、プローブ１ａが試料表面に接触している状態におけるカンチレバー１の変位よりも小さい範囲である。例えば、離間判定処理とは、カンチレバー１の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ１ａ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１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ってもよい。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１の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ１ａ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１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。

【0070】

上記判定部１０は、カンチレバー１の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ１ａ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１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１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１ａが試料表面に対して離間したと判定してもよい。一方、判定部１０は、カンチレバー１の応答速度を超えた速度で試料Ｓをプローブ１ａ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１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１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１ａと試料表面とが接触している（離間していない）と判定してもよい。

【0071】

制御装置４は、試料表面の形状を測定するために引離し動作を実行する場合において、カンチレバー１と試料Ｓとの間の距離が第２設定部１４で設定された退避距離Ｌになるまで引離し動作を実行する。制御装置４は、試料表面の形状の測定に係るこの引離し動作中において、離間判定処理を実行してもよい。例えば、制御装置４は、カンチレバー１と試料Ｓとの間の距離が第２設定部１４で設定された退避距離Ｌになるまで引離し動作を実行した場合において、離間判定処理を実行してもよい。制御装置４は、この離間判定処理において、プローブ１ａが試料表面に対して離間していないと判定された場合には、プローブ１ａが試料表面に対して離間したと判定されるまで引離し動作を実行してもよい。そして、制御装置４は、第２設定部１４で設定された退避距離Ｌを、プローブ１ａが試料表面に対して離間したと判定されたときの引離し距離に更新してもよい。

【0072】

制御装置４は、プロセッサを備える。例えば、プロセッサは、ＣＰＵ及びＭＰＵである。例えば、制御装置４は、マイクロコントローラであってもよい。制御装置４は、不揮発性の半導体及び揮発性の半導体の少なくともいずれか一方を備えもてよい。制御装置４は、プロセッサがプログラムを実行することによって実現されてもよい。制御装置４の構成要素のうち少なくとも一部は、ハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プロセッサが実行する前記プログラムは、制御装置４を、図１から図６に関連して説明した判定部１０、制御部１１、測定部１２、第１設定部１３、第２設定部１４及び表示制御部１５として機能させる。

【0073】

例えば、上記ハードウェアは、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、及びＧＰＵ（Graphics Processing Unit）の少なくともいずれかである。上記プログラムは、予め記憶装置に格納されていてもよい。前記記憶装置は、非一過性の記憶媒体である。例えば、前記記憶装置は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）及びフラッシュメモリの少なくともいずれかである。前記プログラムは、着脱可能な記憶媒体に格納されてもよい。この場合には、前記プログラムは、記憶媒体がドライブ装置に装着されることによって前記記憶装置にインストールされてもよい。前記記憶媒体は、非一過性の記憶媒体である。例えば、前記記録媒体は、ＤＶＤ及びＣＤ－ＲＯＭのいずれかである。

【符号の説明】

【0074】

Ａ…走査型プローブ顕微鏡、１…カンチレバー、１ａ…プローブ、２…移動駆動部、４…制御装置、１０…判定部、１３…第１設定部、１４…第２設定部、１５…表示制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】