(57)【要約】  走査型プローブ顕微鏡内の振動を積極的に減衰させる技術が開示される。ＳＰＭの機械アセンブリにおいて、共振を含むさまざまな機械的移動が起きると、特に高速用途に対して悪い影響を及ぼす。この移動を補償すべくアクチュエータが用いられる。アクチュエータは、ｚ方向にのみ動作しても、あるいは、他の方向に動作してもよい。アクチュエータは、アンチノードの位置に配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体によって支持されるサンプルを押圧することに依存する検知システムにおいて、前記支持体における力を測定することと、
アクチュエータを用いて運動を補償することにより、前記運動を減衰することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記検知システムは、原子間力顕微鏡の複数の構成要素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検知システムは、測定用カンチレバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記測定することに基づき補償を決定し、前記補償を用いて前記アクチュエータへの出力を生成するようコントローラを用いることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記測定することと、前記用いることとは、別々の構造で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記測定することと、前記用いることとは、その運動に基づき出力信号を生成し、印加される信号に基づき移動できる単一の構造で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記測定することは、前記支持体による特定の移動の位置を決定することと、前記位置における移動を補償することとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記特定の移動の位置は、アンチノードである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記アクチュエータを用いることは、運動方向に関し第１の方向に向けられた第１のアクチュエータを用いることと、前記第１のアクチュエータに対し直角に向けられた第２のアクチュエータを用いることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記サンプルを着脱可能なホルダに配置することをさらに含み、前記測定することは、前記着脱可能なホルダにおける運動を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記測定することは、常時接触型原子間力顕微鏡において測定することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記測定することは、走査チップ原子間力顕微鏡において測定することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記アクチュエータを、重量を用いてさらに補償することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記コントローラは、運動がないことを決定し、運動がないことが検出された場合は何の措置も取らないよう動作する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記力は、移動、位置、速度、および／または、加速度のうちの１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
原子間力顕微鏡内でサンプルを保持する支持体の移動量を示す入力を受信することと、
前記入力が移動はないことを表すかどうかを決定することと、
前記入力が移動はないことを表す場合、何の措置も取らないことと、
前記入力が、移動が検出されたことを表す場合、前記移動を補償する信号を生成することと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記信号を用いて前記移動を補償するようアクチュエータを駆動することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記アクチュエータは、前記入力も生成する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記入力は、前記アクチュエータとは別のセンサにより生成される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記支持体による特定の移動の位置を決定すべく測定することと、前記位置における移動を補償することと、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記特定の移動の位置は、アンチノードである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記アクチュエータを用いることは、運動方向に関し第１の方向に向けられた第１のアクチュエータを用いることと、前記第１のアクチュエータに対し直角に向けられた第２のアクチュエータを用いることとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記サンプルを着脱可能なホルダに配置することをさらに含み、前記測定することは、前記着脱可能なホルダにおける運動を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記測定することは、常時接触型原子間力顕微鏡において測定することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記測定することは、走査チップ原子間力顕微鏡において測定することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記アクチュエータを、重量を用いてさらに補償することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
接触することにより測定されるべきサンプルのための支持体と、
前記支持体の運動を測定し、測定された運動を示す出力を生成するセンサと、
前記センサから前記出力を受信し、前記出力に基づく信号を生成するコントローラと、
前記信号に基づき前記支持体の前記運動を減衰するように、前記コントローラからの前記信号により駆動されるアクチュエータと、
を備える補償システム。
【請求項２８】
前記支持体のセンサは、原子間力顕微鏡の複数の構成要素を含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記サンプルを測定する測定用カンチレバーをさらに備える、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記測定に基づき補償を決定し、前記補償を用いて前記アクチュエータに対する出力を生成するようコントローラを用いることをさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記センサと前記アクチュエータとは別々の構造である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３２】
前記センサと前記アクチュエータとは、その動きに基づき出力信号を生成する単一のデバイスであり、印加される信号に応じて移動できる、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３３】
前記単一のデバイスは、圧電スタックである、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記センサは、前記支持体による特定の移動の位置を決定し、前記アクチュエータは、前記位置における移動を補償する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３５】
前記特定の移動の位置は、アンチノードであり、前記アクチュエータは、前記アンチノードのそれぞれに、複数のアクチュエータ要素を１つずつ含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記アクチュエータは、運動方向に関し第１の方向に向けられた第１のアクチュエータ部分と、前記第１のアクチュエータ部分に対し直角に向けられた第２のアクチュエータ部分とを含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３７】
前記サンプルを保持する着脱可能なホルダをさらに備え、前記センサは、前記着脱可能なホルダにおける運動を測定する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３８】
前記複数の構成要素は、常時接触型原子間力顕微鏡の一部である、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３９】
前記複数の構成要素は、走査チップ原子間力顕微鏡の一部である、請求項２８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記アクチュエータに結合される質量要素をさらに備える、請求項２７に記載のシステム。
【請求項４１】
原子間力顕微鏡を操作する方法であって、
支持構造に結合され、サンプルをカンチレバーに関して移動させる第１のマイクロアクチュエータを作動させることと、
前記支持構造における変化を測定することにより、前記支持構造へと移動する運動量を検知することと、
前記支持構造の運動を減衰させる量だけ第２のマイクロアクチュエータを作動させることと、を含み、
前記マイクロアクチュエータは、前記作動させることによって前記運動量を前記支持構造に移動させるよう結合される、
方法。
【請求項４２】
前記第１および第２のマイクロアクチュエータは、圧電アクチュエータである、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００６年２月２３日に出願された米国特許仮出願第６０／７７６、３８５号の優先権を主張する、２００７年２月２２日に出願された米国実用特許出願第１１／６７８，０１８号の優先権を主張し、その開示内容を本出願の一部とみなし、（参照により本出願に）組み込む。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡は、サンプル表面に関し、カンチレバー端部の尖ったプローブをラスタ走査することにより得られる情報に基づき表面微細形状（および他のサンプル特徴）の画像を生成すべく用いられるデバイスである。カンチレバーの偏向、または、ラスタ走査の間に検出されるその振動の変化は、サンプルの形状的（または他の）特徴に対応する。偏向、または、振動の変化は、一般的に光学レバー処置によって検出され、それによって、光ビームは、光学レバーと同じ基準フレーム内のカンチレバーに導かれる。カンチレバーから反射されたビームは、位置敏感検出器（ＰＳＤ）を照明する。カンチレバーの偏向または振動が変化すると、ＰＳＤにおける反射スポットの位置も変化し、ＰＳＤからの出力に変化をもたらす。カンチレバーの偏向または振動を一定の予め設定された値に維持すべく、偏向または振動における変化は、一般的に、サンプルに対してカンチレバーのベースの垂直位置における変化を誘発する。このフィードバックが、ＡＦＭ画像と呼ばれる、原子間力顕微鏡からの画像を生成する。
【０００３】
原子間力顕微鏡は、多数の異なるイメージングモードで操作されうる。接触モードでは、カンチレバーのチップは、サンプル表面と接触している。振動モードでは、チップは、サンプル表面と接触しないか、時々接触するだけである。
【０００４】
図１は、原子間力顕微鏡におけるアクチュエータの使用への１つの従来技術のアプローチを示す。サンプル１は、ｚアクチュエータ２に取り付けられる。可撓性カンチレバー６のベース７は、ｘｙアクチュエータ８に取り付けられ、ｘｙアクチュエータ８は、ヘッドフレーム９に取り付けられる（「ｘｙ」は、アクチュエータの水平のＸＹ平面における移動を示し、「ｚ」は、アクチュエータの垂直方向における移動を示し、「Ｘ」、「Ｙ」および「Ｚ」は、互いに直交する方向である）。ｚアクチュエータ２と結合されたｘｙアクチュエータ８は、プローブ５とサンプル１との間における３次元すべての方向での相対移動を提供する。ｚアクチュエータ２は、計測器のフレーム４に取り付けられた構造３により支持される。カンチレバー６は、プローブ５とサンプル１との間の相互作用に応じて偏向する。この偏向は、ＰＳＤ１０によって測定される。ＰＳＤ１０の出力は、コントローラ１１によって収集される。一般的には、コントローラ１１は、信号の処理や、カンチレバーの偏向、増幅、位相などの量、または他のパラメータの抽出を行う。これらの値は、多くの場合、ディスプレイデバイス１２に表示される。さらに、コントローラ１１は、その後、サンプル特性に応じてカンチレバー６のベース７とサンプル１との相対位置を変化させるフィードバックループを操作しうる。
【０００５】
原子間力顕微鏡によるサンプルの正確なキャラクタリゼーションは、ＸまたはＹ方向のいずれかに走査する一方で、サンプル表面に対してカンチレバーのベースを、サンプルを正確に特徴付けるのに十分な速度で動かす原子間力顕微鏡の能力によってしばしば制限される。
【０００６】
この動作速度は、しばしばバンド幅という言い方で表現される。要求されるバンド幅は、望ましい画像サイズ（画素での）、および、各画素の獲得率に基づく。以下の表１は、さまざまなイメージング態様に必要なバンド幅を示す。例えば、一秒に２５６×２５６画素の画像を完成するのに必要なバンド幅は、１３１ｋＨｚである。
【０００７】
表１：高速原子間力顕微鏡に要求される閉ループバンド幅（ＢＷ）
【表１】
2009528516.tif 000003
【０００８】
サンプル表面における大きいものも小さいものも、すべての特徴の高さを正確に測定すべく、ｚアクチュエータは、カンチレバーのベースと、サンプル表面との間に高さが大きい範囲をカバーする相対移動を提供できる能力を有していなくてはならない。すなわち、縦に大きく移動できなければならない。ｚアクチュエータは、多くの従来の原子間力顕微鏡における走査管でありうる。例えば、Ａｓｙｌｕｍ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ＭＦＰ−３Ｄ原子間力顕微鏡などの他の顕微鏡では、ｚアクチュエータは屈曲部である。そのパーツは、最大表面特徴さえも測定できるほどにカンチレバーを上下に移動させるのに十分な大きさでなければならない。
【０００９】
多くのアクチュエータの動作範囲は、デバイスの物理的寸法と共通の尺度を持つ。もちろんこれは圧電アクチュエータに関する場合である。例えば、トーキン社から購入できる圧電スタックアクチュエータの場合、最大移動範囲は、名目上、スタックの長さが５ｍｍでは４．６ｕｍ、１０ｍｍでは９．１ｕｍ、２０ｍｍでは１７．４ｕｍである。したがって、移動範囲が大きくなると、アクチュエータも大きくなってしまう。アクチュエータが大きくなれば動きも遅くなる。
【００１０】
アクチュエータの動作速度を特徴付ける１つの方法は、アクチュエータの共振周波数である。上記の圧電スタックは、それぞれ、およそ２６１ｋＨｚ、１３８ｋＨｚ、６９ｋＨｚの共振周波数を有する。ただし、これらの３つのスタックに用いられる圧電材料は、同じであるとする。共振周波数の変化は、主に、サイズの違いによって質量が異なることによる。
【００１１】
見積もられた共振周波数は、空のスタックに対するものである。これら空のスタックを支持構造に取り付けるか、または、屈曲部に組み込むことは、実質的に、共振周波数をさらに低下させることになる。さらに、任意の質量を圧電スタックに取り付けることにより、共振周波数はさらに低下するであろう。
【００１２】
実際には、これは、アクチュエータが、表面を正確に観測するのに十分な速度でサンプルまたはカンチレバーのベースのいずれかを動かすことができない可能性があることを意味する。これによって、サンプルおよび／またはプローブのいずれかが損傷するか、または、面微細形状の正確性が損なわれることになる。このような結果をもたらさないようにすべく、原子間力顕微鏡は、一般的に、ｚアクチュエータがサンプルの面微細形状変化に対応できるようになるまでは、ＸおよびＹ方向の走査速度を減少させることになる。
【００１３】
一般的に、原子間力顕微鏡の操作者は、フィードバックループゲインを増大させてｚアクチュエータの応答を増加させることによって操作を開始する。しかしながら、ｚアクチュエータは、ある時点で共振し始め、その共振動作がアクチュエータ支持構造内に寄生振動を生成し、アクチュエータの応答の位相を入力に変化させてしまう。これらの寄生振動および位相変化は、計測器の能力を低下させ、また、画像および生成された他のデータの品質も損なう。
【００１４】
図１に示された作動スキームは、チップとサンプルとの間の相対移動を提供するのに共通してに用いられる数多くの動作スキームの代表例である。この例は、原子間力顕微鏡の操作者がフィードバックループゲインを増大させてｚアクチュエータの応答を増加させるときに起きることを分析するための有益なモデルを提供しうる。フィードバックループゲインを増大させることにより、ｚアクチュエータ２は垂直方向またはｚ方向にさらに拡張される。しかしながら、このさらなる拡張は、支持構造３における反力を増大させることになる。
【００１５】
図２は、図１の左下の部分をさらに詳細に示す。図２では、図１に示すように、サンプル１は、ｚアクチュエータ２により支持される。図２では、ｚアクチュエータ２が拡張してサンプル１を距離ΔＺｓａｍだけ移動させる反力が示されている。この移動は、サンプルから発せられる力Ｆｓａｍを必要とし、それによってサンプルは加速する。ニュートンの第二法則は、支持構造３から発せられる対応する反力が存在することを暗示している。この反力により、支持構造にはいくらかの偏向ΔＺｓｕｐが生ずることになる。支持構造が撓曲することにより環状となり、サンプルの運動（ΔＺｓａｍ）は小さくなり、サンプルの差動バンド幅も概ね縮小する。
【００１６】
画像獲得のスピードアップの結果を獲得するための１つのアプローチでは、カンチレバーのエラー信号がスキャン範囲全体で変化するのを許容してきたが、平均値は、セットポイントに維持している（ＡｌｂｒｅｃｈｔおよびＱｕａｔｅによる）。このアプローチによって、フィードバックループの役目は格段に簡単になり、走査の高速化を実現する。しかしながら、この技術を用いたエラーパラメータにおける大きな変化は、チップを鈍らせるまたは損傷させる、および、サンプルを損傷させるなど、これらに限定されないが、有害な効果を伴う。
【００１７】
他のアプローチは、「入れ子状」アクチュエータを用いることであった。大きな、比較的長い低速アクチュエータが、小さくて短く、高速のアクチュエータと共に使用される。これによって、これによって、小さく高速のアクチュエータは小さい表面変化に対応し、大きいアクチュエータは、大きくて高さのある変化に対応するので、ＸＹ走査範囲全体での高速の画像獲得が実現する。このアプローチの１つの例は、Ｓｕｌｃｈｅｋ他、および、Ｒｏｇｅｒｓ他によるカンチレバーに内蔵される酸化亜鉛圧電アクチュエータである。これらの差動カンチレバーは、カンチレバーのベースとサンプル表面との間の距離を制御する一般的なアクチュエータと共に、カンチレバーのベースと一定に維持されるべきサンプル表面との間の有効距離を、カンチレバーのプローブがサンプルを特徴付けるのと同時に実現する。これらのカンチレバーを用いて３８ｋＨｚのバンド幅が実証されている。
【００１８】
起動されたカンチレバーのアプローチは、いくつかの問題点も生じる。高速と低速のフィードバックループを組み合わせることは必ずしも簡単なことであるとはいえない。２つのフィードバックループを調整することは、単一のループを調整するよりはるかに時間がかかり、やっかいなことである。操作者に求められる複雑さを考慮すれば、多くの場合、走査速度のゲインはむしろゆるやかである。サンプルの正確な特徴づけを得るための最終データを組み合わせることは、さらに複雑で、計装エラーやアーチファクトを起こしやすい。起動されたカンチレバーは、必然的にかなり硬直し、ソフトなサンプルのイメージングを難しくする。原子間力顕微鏡の強みの１つである、流体におけるイメージングは、カンチレバーとの直接的な電気的接続を必要条件とするので、起動されたカンチレバーと一緒に実装することは難しい。サンプルの質量が、起動されたカンチレバーの設計値と異なる質量を有するものに変化すると、高速画像獲得の効果を得る能力は著しく低下しうる。最終的には、起動されたカンチレバーが共振しても、その性質が当然寄生振動および位相のずれを引き起こし、その結果、データの品質が低下し、カンチレバーおよび／またはサンプルの損傷を招く。
【００１９】
原子間力顕微鏡の画像獲得を高速化しつつも寄生振動および位相のずれを最小限にとどめる他のアプローチは、反動が最小限のアクチュエータを平衡型構成で作製することであり、この場合、計測器のフレームに移動する運動量は本質的に存在しない。一般的に、この構成は、平衡型アクチュエータの設計、構造、および、材料特性におけるいかなるささいな不具合も補正する追加の制振材の使用を含む。平衡型アクチュエータによるアプローチは、Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ他、Ａｎｄｏ他、および、Ｍａｓｓｉｅによって用いられている。１つの弱点は、このシステムは、開ループシステムであるということである。例えば、起動された質量が通常サンプルに見られるように変化する場合、あるいは、圧電感度がよくあるように経年変化する場合、バランスは悪くなり、効果は薄れてくる。
【００２０】
図３は、バランスアクチュエータのアプローチを示す。図１と同様に、サンプル１は、ｚアクチュエータ２に取り付けられ、ｚアクチュエータ２は、計測器４のフレームに取り付けられた支持構造３によって支持される。ただし、この場合、支持構造３の下には二次ｚアクチュエータ１３が配置され、この二次ｚアクチュエータ１３には任意の質量１４が取り付けられる。さらに、二次アクチュエータのための可変ゲインドライブ１５が存在してもよい。ｚアクチュエータ２も可変ゲインドライブ１５を有する二次ｚアクチュエータ１３と同様の（または同じ）フィードバック信号により駆動される。可変ゲインドライブ１５および質量１４によりもたらされるゲインは、支持構造３へと移動する運動量が実質的に０であるように選定される。具体的には、ｚアクチュエータ２のベースにより支持構造３にかけられる力は、二次ｚアクチュエータ１３のベースによりかけられる力と大きさが等しく、反対方向になる。
【００２１】
類似した動作は、平衡型屈曲部を含む多くの他の方法において実現されうる。同様に支持体へ移動する運動量を実質的に０まで減少させることを目的とした多くの方法を知るためには、米国特許６、４５９，０８８  Ｂ１、および、６，３２３，４８３  Ｂ１を参照されたい。この方法では、アンドーらによる多くの変形例も用いられている。
【００２２】
図３の平衡型アクチュエータのアプローチは、開ループシステムであり、均衡を保っている対向するアクチュエータに焦点を合わせて注意深く設計されているので、支持構造内で共振が起きることは回避される。しかしながら、開ループシステムは、不利な点もある。図３に示すようなシステムの実験結果では、通常原子間力顕微鏡で起きるようにサンプル１の質量が変化すると、バランス条件をもはや満たさなくなり、運動量は、アクチュエータ２および１３の移動によって支持構造３へと移動する。その結果、このアプローチが回避しようとするまさに共振を誘発してしまう。さらに、アクチュエータの感度は、経時変化または環境条件に応じて変化することがありえ、それによっても上記問題は引き起こされる。最終的に、開ループの平衡型アプローチは、極めて徹底的な製造管理を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
平衡型アクチュエータのアプローチにおける変形例は、近年アンドーらによって提案されており、ドライブのモデル、さもなければ開ループアクチュエータ２および１３のドライブにおける「ダミー」アクチュエータ（役割上そう呼ばれる）を含むことによってそれらの欠点を克服しようと試みられている。しかしながら、この解決策は、アクチュエータのどちらかが「ダミー」アクチュエータから逸れ始めるときにその欠点が露呈する。アンドーの変形例は、新規のアクチュエータ動作を補償するシステムの運動を測定および自動的に補正するメカニズムを何ら提供しない。
【００２４】
寄生振動および位相のずれを誘発せずに画像獲得を高速化する課題に対する最近のアプローチは、コデラ他によるものである。彼らは、Ｑ制御のアイデアに基づき、平衡型スキャナの共振を減衰させる方法を提案している。彼らの方法は、「偽スキャナ」をｚアクチュエータの駆動回路に導入することにより、ドライブの位相が調整されることによってアクチュエータの共振の振幅を減少させている。このアプローチは、アクチュエータの動作が予めプログラム化されていなければならず、たとえそうであったとしても、その特性が変化すると、減衰効果はもはや最適に機能しなくなる。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
カンチレバー型計測器の動作において高速アクチュエータを用いることにより生成される計測器内部への惰性力の効果を積極的に減衰させる装置、および、該装置を用いる方法が開示される。
【００２６】
本願明細書中に開示されるシステムおよび技術は、カンチレバー型計測器、特に、プローブが微細表面形状の高さを測定できるようにする原子間力顕微鏡のための新規なサンプルおよび／またはプローブホルダを提供する。
【００２７】
本願明細書中に提供されるシステムおよび技術は、アクチュエータにより生成される計測器内部への惰性力の効果を減衰させることができ、それは、操作者の目にはなるべく見えないような、そして製造がより簡単なシームレスな方法で行われる。減衰は、アクチュエータにより生成された力に対する装置の反応を測定する知的解釈と、それらの測定された力の補償に基づく妥当な方法で達成される。
【００２８】
一側面では、これらの技術を実装する技術およびシステムは、高速走査で表面形状をより正確にイメージングできる新規なカンチレバー型計測器を提供する。
【００２９】
他の側面では、これらの技術成果は、計測器の内部構造における寄生振動を減少させることにより、高速走査でサンプルパターンを測定できるカンチレバー型計測器を提供する。
【００３０】
他の側面では、本願明細書中に記載される技術成果は、カンチレバー型計測器において、高速ｚアクチュエータにより生成された寄生振動が減衰されるようにし、より優れたパフォーマンスを可能にする。
【００３１】
本願明細書中に記載される動作モードおよび計装のさらなる側面は、カンチレバー型計測器における圧電チューブの下端での使用を可能とすべく、十分低質量および／または小さい寄生振動の高速アクチュエータを提供することができる。
【００３２】
本願明細書中で実証されるアプローチは、高速起動、および、入れ子状または平行なフィードバックループにおける動作によってカンチレバー型計測器を改良することができる。
【００３３】
他の側面では、本願明細書中に記載されたスキームは、計測器の内部動作により、または、外部ソース、衝撃、外乱、または、ノイズから生じた振動を無効にする能力を有するカンチレバー型計測器を提供する。
【００３４】
本願明細書中に記載される技術成果のさらなる特徴は、カンチレバー型計測器内の１つ以上の位置における振動を検知でき、計測器内に設計されたアクチュエータにより積極的に減衰できることである。
【００３５】
本願明細書中に記載される技術および物理的な実装の特徴は、検知および起動のどちらも単一のデバイスに組み込まれることにより、積極的な減衰の設計および実装がシンプルになり、コストおよび複雑さが低減されることである。
【００３６】
本技術は、計測器の異なるポイント間の相対的な振動を減衰させるのに役立つ。
【００３７】
本願明細書中に記載される計装および技術の利点は、減衰の積極的な制御によって、起動される対象の質量とは実質的に関係なく性能を向上させることである。
【００３８】
さらなる利点は、振動の積極的な制御がどのようにうまく実行されているかの情報が操作者に提供され、それによって、操作者は、計測器の環境または動作パラメータを修正してパフォーマンスを最適化できることである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】起動されたサンプル−従来技術の単一のｚ軸アクチュエータを示す。
【００４０】
【図２】反力−ｚ軸アクチュエータの動作およびその支持構造を示す。
【００４１】
【図３】平衡型起動サンプル−従来技術の平衡型アクチュエータを示す。
【００４２】
【図４】減衰された起動サンプル−本発明の一実施形態を示す。
【００４３】
【図５】補償力−寄生振動を積極的に減衰するフィードバック手順を示す。
【００４４】
【図６】応答スペクトル−積極的な減衰方法および装置を従来技術と比較した測定値を示す。
【００４５】
【図７】自己検知−二次アクチュエータが自己検知する一実施例を示す。
【００４６】
【図８】より高いモード−支持構造において基本モードより高いモードが励起されている状況を示す。
【００４７】
【図９】より高いモードの減衰−支持構造において基本的なモードおよびより高次なモードを励起する技術を示す。
【００４８】
【図１０】より高いモードの減衰−支持構造において直交するモードを積極的に減衰する技術を示す。
【００４９】
【図１１】屈曲部の実装１−サンプルが着脱可能なパックまたはホルダに支持される一実施形態を示す。
【００５０】
【図１２Ａ−１２Ｅ】ディメンションタイプのＡＦＭの補償Ｚ−原子間力顕微鏡のスキャンチップバージョンと互換性のある実装を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
カンチレバー型計測器は、原子間力顕微鏡、分子間力プローブ計測器（一次元または三次元）、高解像度粗面計、および、化学または生体検出プローブなどの計測器を含む。本実施形態では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を説明する。複数の実施形態は、これらのデバイスはもとより、ナノスケール用途に用いられうる他の計測器をも含む。
【００５２】
一実施形態によれば、原子間力顕微鏡の支持構造における任意の機械的振動が測定される。寄生振動によってパフォーマンスが低下するのを防ぐべく、減衰力が印加される。従来のアクチュエータであれば、表面形状がとても小さかったり、走査が高速であるとパフォーマンスは低下したが、そのような条件であっても支持構造の積極的な減衰により、著しく正確な走査を実現しうる。
【００５３】
複数の実施形態がカンチレバー型計測器、すなわち、サンプルを特徴付けるプローブを有する装置に用いられうる。装置は、原子間力顕微鏡において見られるようなｘアクチュエータ、ｙアクチュエータ、ｚアクチュエータを有しうる。アクチュエータは、原子間力顕微鏡に共通して用いられ、例えば、プローブのラスタ走査、または、サンプル表面に対してカンチレバーのベースの位置を変更する。アクチュエータは、プローブとサンプルとの間の相互移動を提供する。異なる目的および異なる結果のためには、サンプルを起動させるか、または、チップを起動させるか、あるいは、両方を組み合わせて起動させることが有益でありうる。
【００５４】
センサも原子間力顕微鏡で共通して使用される。センサは、アクチュエータによる移動を含む、原子間力顕微鏡のさまざまな構成要素の移動を検出するのに用いられる。
【００５５】
説明を明確にすべく、特に明記しない限り、用語「アクチュエータ」は、入力信号を物理的運動に変換する広範囲のデバイスのことを指し、圧電起動屈曲部、圧電チューブ、圧電スタック、ブロック、バイモルフ、ユニモルフ、リニアモータ、電歪アクチュエータ、静電モータ、容量モータ、ボイスコイルアクチュエータ、および、磁歪アクチュエータを含む。用語「位置センサ」または「センサ」は、変位、速度、または、加速度を電気信号に変換するデバイスのことを指し、容量センサ、誘導センサ（渦電流センサを含む）、差動変圧器、可変インダクタンス、光干渉計、光偏向検出器（上記のようにＰＳＤともいう）、歪ゲージ、圧電センサ、磁歪および電歪センサを含む。
【００５６】
装置は、粗面計またはアサイラムリサーチ社により製造されたＭｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｐｒｏｂｅ−１Ｄなどにおいてｚアクチュエータのみを有してもよい。これらのカンチレバー型計測器では、これらおよび他の目的は、高速フィードバックループで動作する高速アクチュエータアセンブリを含み、また、アセンブリ内の寄生振動を減衰するアクティブフィードバックループの二次アクチュエータも含むプローブ（またはサンプル）ホルダにより達成される。
【００５７】
高速アクチュエータアセンブリが低質量を有し、その結果プローブをより速く移動させることができ、より大きくて高い質量の従来のアクチュエータに装着される場合、従来のアクチュエータのフィードバックループと入れ子になっているか、または、平行なフィードバックループのいずれかの高速フィードバックループで動作しうる。
【００５８】
高速アクチュエータアセンブリは、本願明細書中ではｚアクチュエータおよび二次（または補償または減衰）ｚアクチュエータとも称される第１および第２の高速アクチュエータを備える。あるいは、追加のアクチュエータも存在しうる。アクチュエータは、固定端が共通支持体に接続されるよう配置されうる。それらが支持体の逆側、例えば、上下に取り付けられている場合、上のアクチュエータの長端部、および、下のアクチュエータの底端部は、どちらも自由に移動できる。一実施形態では、原子間力顕微鏡のカンチレバーのプローブなどの測定プローブは、サンプルに近接して配置される下のアクチュエータの底端部に直接または中間取付を介し取り付けられる。上のアクチュエータの頂端部には拮抗する質量が取り付けられても取り付けられなくてもよい。アクチュエータの一方または両方は、屈曲部に予め搭載され、加動力に応じて屈曲部を屈曲させるよう配置されうる。このような幾何配置およびフィードバックループにより、上下のアクチュエータは、反対方向に移動するよう配置される。フィードバックループは、支持構造における運動が上の（二次）アクチュエータにより減衰されるようにする。
【００５９】
他の実施形態では、サンプルは、上のアクチュエータにより運ばれ、下のアクチュエータが二次アクチュエータとして機能する。しかしながら、原理は同じである。フィードバックループは、下の（二次）アクチュエータによる支持構造体における振動の減衰を可能にする。
【００６０】
減衰の実施形態を例示する目的で、プローブが下のアクチュエータであるｚアクチュエータにより移動される単一軸のシステムが考慮されうる。原子間力顕微鏡は、プローブとサンプルとの間の相互作用を有する。フィードバックループは、この相互作用を予め設定されたレベルで維持するよう用いられうる。このフィードバックループは、ｚアクチュエータを制御し、次に、相互作用を予め設定されたバンド幅を含む予め設定されたレベルで維持するようプローブとサンプルとの間隔を調整する。または、プローブ位置は、フィードバックループとは無関係に、または、離散的事象で誘発されるフィードバックにより制御されうる。前者の例は、プローブの力−距離の曲線、および、振動駆動を含む。後者の例は、誘発される力−距離曲線、および、プローブの位置がフィードバックループにより測定されるサンプルの微細構成に対する距離に設定される測定モードを含む。
【００６１】
ｚアクチュエータが起動されると、プローブは、望ましい位置に対し垂直に移動する。この動作は、必然的に支持構造体に反力をかけ、これは、ニュートンの第二法則により、支持構造内での運動を誘発することになる。この動作は、二次アクチュエータを制御するフィードバックループを起動する他のセンサにより検出される。フィードバックループは、支持構造内におけるこの測定された運動を減衰するよう動作し、それによって、寄生振動は減少する。
【００６２】
一実施形態が図４に示される。サンプル１は、支持構造３により支持されるｚアクチュエータ２に取り付けられ、支持構造３は、計測器４のフレームに取り付けられる。支持構造３に取り付けられたセンサ１６は、支持構造３における力に対応する信号をコントローラ１１１に出力する。支持構造における力は、例えば、移動、加速度、位置および／または速度などでありうる。コントローラ１１１は、フィードバックループにおける、二次ｚアクチュエータ１３を駆動する上記信号を用いて支持構造３の振動を積極的に減衰する。
【００６３】
一実施形態では、二次ｚアクチュエータ１３は、「テスト質量」としての役目を果たす、その一端に取り付けられた小さい質量１４を有することにより、支持構造３内の反力に対するセンサ１６の感度を向上させる。
【００６４】
センサ１６が支持構造３内の移動を測定する場合、コントローラ１１１は、支持構造３内の移動を減衰させるよう、二次アクチュエータ１３を移動させるフィードバック電子部品として動作する。
【００６５】
図５は、支持構造１３における移動を検知することから始まり、その移動を減衰させることで終る一連のイベント示すフローチャートである。このフローチャートは、コントローラ１１１により、または、専用の制御回路を介し実行されうる。
【００６６】
図５は、５１０において分析されるセンサ１６からの入力５００を示す。５２０では、センサ値が運動の存在を示しているかどうかを決定する。もし示していなければ、何の措置も取らずに次に進む。しかし、５２０で運動が発見されれば、５３０において補償計算が実行され、二次ｚアクチュエータ１３への出力５４０が生成される。この補償は、運動を減衰させるアクチュエータ１３に対する値を生成する。
【００６７】
本実施形態の積極的な減衰のアプローチは、支持構造の誘発された運動を測定する段階と、その運動を積極的に減衰する段階とを含む米国特許第６、４５９、０８８  Ｂ１および６、３２３、４８３  Ｂ１に記載された「平衡型」アクチュエータよりかなり難しい。従来技術の平衡型アクチュエータは、支持構造への運動量移動が「実質的に０」であるように設計されている。本実施形態では、運動量の移動自体をなくしている。支持構造において運動が実質的に０である場合、センサは、いかなる運動も測定せず、フィードバックループは、第２の補償用ｚアクチュエータを起動しない。
【００６８】
図６は、図１、図３、および、図４で示されたアプローチ間の典型的な測定差を示す。これらの測定では、カンチレバープローブ５は、新たに切断されたマイカであるサンプル１と接触する。ｚアクチュエータ２が周波数範囲で励起される（またはチャープされる）ときに偏向信号が監視される。図６における曲線は、チャープされたｚアクチュエータ２により励起されるプローブ５の周波数依存応答を示す。特に、曲線１７は、プローブ５がサンプル１と接触状態にあり、ｚアクチュエータ２が励起したときのＰＳＤ１０の応答である。図６は、支持構造３における共振に対応する応答の振幅における大きなピークを示す。これらの共振は、支持構造３とｚアクチュエータ２のベースとの間の反力により駆動されている。原子間力顕微鏡によるこのようなタスクを含む多くの位置決めタスクにとって、支持構造におけるこの共振運動は非常に不都合である。
【００６９】
白抜きの四角を伴う曲線１８ａは、図６に示される、米国特許第６、４５９、０８８  Ｂ１または６、３２３、４８３  Ｂ１に記載されるような平衡型アクチュエータの応答の振幅を示す。これらの特許に記載された結果から予想されるように、共振ピークの応答の振幅１８ａは、著しく減少しており、支持構造３への運動量移動は、ゼロとはいかないまでも減少していることを暗示している。ゼロに近い曲線を得るためには、より高い許容度を有する平衡型アクチュエータを製造して、それらの位置、質量、および、運動を互いに完全に相殺する必要がある。この許容度の条件が、従来技術の平衡型アクチュエータのアプローチの不利な点である。そうではあるものの、曲線１８ａは、支持構造の運動が減少している点が望ましい。
【００７０】
この従来技術のアプローチの不利な点は、３グラムの質量がサンプル位置に導入されるときに明らかになる。結果として生じた応答の振幅曲線１８ｂ（黒塗りの四角を伴う）に示されるように、周波数応答は著しく変化する。この曲線は、かなり大きい応答を示し、現在の不平衡型アクチュエータ２および１３は、支持構造３を駆動して共振の振幅をより高くする。この動作は、望ましくない意味合いで重要である。異なる質量を処理するサンプル（またはプローブ）の一方のサンプル（またはプローブ）から他方へのスイッチングは、原子間力顕微鏡により共通して行われる。
【００７１】
曲線１９ａおよび１９ｂで示される一実施形態では、異なるサンプルを有する支持構造３の検知された運動を積極的に減衰する。曲線１９ａは、平衡型アクチュエータの曲線である曲線１８ａと同じサンプルによる応答の振幅を示す。見てのとおり、応答の振幅は、平衡型アクチュエータのアプローチから導かれるものよりいくらか大きめである。これは、本実施形態がセンサ１６を用いて、補償用フィードバックループが起動される前に支持構造３のいくらかの動作を測定するからである。そうはいっても、振幅は、単一のアクチュエータのアプローチ（曲線１７）よりまだかなり小さい。３グラムの質量が追加されると、結果として生じた曲線１９ｂは、オリジナルの曲線１９ａとはほとんど見分けつかないようになり、同等な平衡型アクチュエータ曲線（曲線１８ｂ）よりも良くなる。
【００７２】
このことは、積極的な減衰アプローチが起動された質量における変化をうまく扱うことができたことを実証している。同様に、本願明細書中に記載される積極的な方法は、アクチュエータの感度の経時変化を自動的に把握する。
【００７３】
圧電アクチュエータの課題は、それらの感度が時間、温度、および、他の環境要因に依存しうることである。支持構造の運動の積極的な測定およびフィードバック補償は、アクチュエータの動作を自動的に把握し、非常に強力なシステムをもたらす。
【００７４】
センサノイズは、積極的な減衰アプローチの効率に影響を及ぼす。平衡型アクチュエータの製造に多大な注意を払ったとしても、要所に置かれた低ノイズセンサまたは多重センサの方が、平衡型アクチュエータのアプローチより優れたパフォーマンスをもたらしうる。この種のデバイスの製造においては、たいてい実用的で実際的な効果が存在し、そのことが、すべての環境においてアクチュエータが精密であることを難しくさせる。しかしながら、このことは、積極的な減衰の設計の強みでもある。製造公差は、厳しいものとされる必要はない。構造における非対称は、１つ以上のセンサによって測定されるだろう。フィードバックループ／二次アクチュエータの組み合わせが欠点を補償するだろう。
【００７５】
いくつかの目的のために、積極的な減衰アプローチを用いる計測器の設計は、シンプルにするのが望ましい。一実施形態では、図７に示されるような自己検知アクチュエータを用いる。なお、図４のセンサ１６、および、二次ｚアクチュエータ１３は、単一の二重目的デバイス２０に置き換えられる。このデバイス２０は、センサおよび二次ｚアクチュエータを兼ねる。デバイス２０は、例えば、圧電スタックであってよく、圧電スタックは、該圧電スタックの運動を検出し、かつ、その運動を制御することにより応答する外部回路を有する。この目的のために他の技術を用いてもよいことは、当業者にはよく知られていることである。
【００７６】
二重目的デバイス２０により検知される支持構造３内の振動、および、適切な応答は、補償用電子部品２１により制御されてよい。補償用電子部品２１は、コントローラ１１１の外部にあっても内部にあってもよいが、ここでは外部にあるように示されている。
【００７７】
他の実施形態では、コントローラ１１１を用いてフィードバックループを制御し、振動を補償する。
【００７８】
小さい質量１１４が「テスト質量」として二重目的デバイス２０の端部にオプションで取り付けられることにより、支持構造３における反力に対するデバイスの感度を向上させうる。
【００７９】
二重目的デバイス２０における屈曲部または固定端の使用は、二重デバイス２０のパフォーマンスを向上させる。発明者が圧電スタックをセンサとして用い、小さい質量を「テスト質量」として端部に取り付けることにより支持構造３における反力に対するスタックの感度を向上させた場合、８ｋＨｚの支持構造の共振の１つにおけるピーク信号は２０ｍＶであった。その代わりに同じ圧電スタックが支持構造に固定および予め搭載された場合、ピーク信号は１３０ｍＶを超えるまでに増大し、６ｘを上回る進歩が得られた。より正確で強いフィードバックループを形成するには、信号は大きい方が有利であることは、当業者にはよく知られている。
【００８０】
フィードバックループのバンド幅を制御することは、安定性および選択性の理由から有益であろう。例えば、主な目的が特定の支持構造の共振、または、共振範囲を制御することである場合、それらの共振を囲む狭帯域幅のフィードバックループは、広帯域フィードバックループであることが好ましいだろう。また、支持構造およびセンサの力学応答と、センサ調整の電子応答とによる、広帯域フィードバックを困難にまたは不可能にする周波数依存の位相のずれがシステム内に存在しうる。この場合、バンド幅を選択することにより計測器のパフォーマンスを向上させうる。特定の周波数で補償することにより、フィードバックループは単純化し、より強固になる。フィードバックの補償を、アナログおよび／またはデジタルハイパス、ローパス、または、バンドパスフィルタの使用を含む特定の周波数範囲に限定する手段は数多く存在する。フィードバックループの数を複数にすることも有益であり、この場合、第１のループを特定の範囲における共振を減衰するために最適化し、第２のループは、別の範囲の共振を減衰するために最適化する。異なる周波数範囲に特定されるさらなるフィードバックループを用いてもよい。
【００８１】
センサとアクチュエータとの組み合わせのそれぞれに個別のフィードバックループを用いることも有益であること言えよう。この場合、フィードバックループの周波数範囲は、重複してもしなくてもよい。しかしながら、所与のフィードバックループの主な役目は、所与のセンサとアクチュエータとの組み合わせを操作することである。さまざまなセンサとアクチュエータとの間には機械的結合が存在する可能性があるので、他のセンサまたはアクチュエータからの情報も同様に、それらの特定のフィードバックループの実装に用いられうる。
【００８２】
すでに構築されているプロトタイプにおいては、支持体動作の検知構造の共振周波数は、支持構造自体の共振周波数を上回ることが利点であった。これによって、支持体の振動を減衰するためのよりシンプルなフィードバックループを使用できるようになる。そうでない場合、Ｈ無限技術などのより複雑なフィードバックスキームが実装されることにより、センサ構造の１つ以上の共振を介してさえも支持体の運動を制御する。
【００８３】
典型的な支持構造は、図４および図７に示されるシンプルな幾何配置より複雑である場合が多い。本願明細書中で考慮されるタイプの精密な計装を設計する場合に評価される必要があるパフォーマンス、製造可能性、および、品質に影響を与える多くの工学条件が存在する。さらに、計測器の振動特性を理解するのは難しいだろう。したがって、どんな支持構造にとっても、計測器のパフォーマンスを損なうさまざまな振動モードを評価し、それを制御するためにさまざまな位置に積極的な減衰を加えることが有益である。
【００８４】
設計段階において計測器の不要な振動モードを評価する技術は多数存在する。これらは、構造のコンピュータモデリング、および、レーザ振動計または他の計測器による移動の測定を含む。このような評価の後、本発明の積極的な減衰アプローチは、それらの振動を積極的に減衰すべく用いられうる。このような振動に対処する本発明のアプローチを用いた一実施形態が図８に示されている。図８の実施形態は、サンプルの変わりにペイロード２２を用いる。ペイロードは、ｚアクチュエータ２により垂直方向に移動される。図１に示された実施形態とは異なり、本実施形態は、計測器４のフレームに８８および８９の２箇所で取り付けられた支持構造２３を有する。支持構造２３に取り付けられた運動センサ８１６は、支持構造２３の上下運動を検出し、コントローラ８１１に信号を送信する。次に、コントローラ８１１は、補償用ｚアクチュエータ８１３を用いて検出された運動を減衰するよう信号を送信する。すると、補償用ｚアクチュエータ８１３では、「テスト質量」として機能する追加の質量８１４がその端部に取り付けられることにより、支持構造２３における反力に対する運動センサ８１６の感度が向上することが見られる。しかしながら、ペイロード２２は、縦軸２４に関し対称でない場合もある。補償用ｚアクチュエータ８１３が移動すると、横方向の（ねじれの）反力（トルク）が支持構造２３にかけられる。この力が破線の構造２５で示される第２のモードの振動を励起する。支持構造２５の第２のモードの振動は、２つの特定の位置２６および２７にアンチノードを有する。
【００８５】
アンチノードは、第２のモードの運動を減衰するよう補償用ｚアクチュエータを配置するために最適な場所にあってよい。図９は、この種の減衰を用いた一実施形態を示す。図８と同様に、縦軸２４に沿った支持構造２３の寄生振動は、補償用ｚアクチュエータ１３により減衰される。さらに、図９の実施形態は、図８の位置２６および２７に示される第２モードの振動のそれぞれの位置における運動を測定する追加のセンサ２８および２９を含む。これらの運動に対応する信号は、補償用ｚアクチュエータ３０および３２を制御すべくこの情報を用いるコントローラ９１１に出力される。補償用ｚアクチュエータ３０および３２のそれぞれは、任意の追加質量３１および３３を有することにより、支持構造２３における反力に対する運動センサ１６、２８、および、２９の感度を向上させる。
【００８６】
図９に示されるコントローラ１１は、中央装置であるが、センサ／補償用ｚアクチュエータの組み合わせの１つ以上をそれぞれ制御する分散型コントローラによっても同じ機能が得られる。補償用ｚアクチュエータ３０および３２の運動を制御することにより、より高いモードの振動が減衰されうる。アンチノード２６および２７に配置される二重目的自己検知アクチュエータを用いることにより、同様のパフォーマンスが得られる。このアプローチは、支持構造２３のいかなる数の振動モードにも拡張されうる。
【００８７】
他のモードを減衰する別の実施形態が図１０に示される。この実施形態では、図８に示される揺動またはねじれ運動は、主軸１０２４と直交する構成要素と共に配置されるセンサ３４およびアクチュエータ３５により補償されうる。この図では、アクチュエータ３４および追加の質量３５により補償がなされうる。追加のセンサ／アクチュエータの組み合わせは、軸１０２４と平行および／または垂直に展開されうる。
【００８８】
図１１は、サンプル１が着脱可能なパックまたホルダ１１０１上に保持されている一実施形態を示す。このホルダ１１０１は、マグネット１１０２、および、当業者にはよく知られているタイプの走査型電子顕微鏡のサンプルスタブに用いられるタイプのスタブクランプのような他の機構を用いて、サンプルに任意で固定される。サンプルパックは、上記のタイプと同様の一次アクチュエータ１１０４を含む屈曲部アセンブリ１１０３に固定される。制御電子１１に導かれると、この一次アクチュエータは、屈曲部アセンブリの一部に力をかけて屈曲部材１１０５を偏向させることにより、サンプルを力の軸に沿って移動させる。センサ１１０６Ａは、一次アクチュエータ１１０４のベース付近に固定される。このセンサの出力は、一次アクチュエータ１１０４が取り付けられる１１０８屈曲部アセンブリ１１０３の一部の変位、速度、および、加速度を測定する。他の実施形態では、別のセンサ１１０６Ｂが屈曲部アセンブリ１１０３と、取付領域１１０８との間で誘発されるひずみを測定する。そして、このセンサ信号が制御電子部品１１に用いられることにより、補償または二次アクチュエータ１１０７を駆動する。このアクチュエータの役目は、センサ１１０６Ａまたは１１０６Ｂが屈曲部アセンブリ１１０３のベース固定具で測定する振動を減衰させることである。他の実施例と同様に、センサ１１０６Ａまたは１１０６Ｂは、実際には多重センサでありうる。二次または補償用アクチュエータ１１０７は、単独で圧電要素にもなりえ、あるいは、本願明細書中のほかの場所で取り上げられたタイプの予備の質量を有することもありうる。アクチュエータ１１０７は、予め搭載されたネジ１１０９または他のデバイスと共に実装される固定のまたは調整可能な力により予め搭載されうる。
【００８９】
二次アクチュエータ１１０７は、非圧電アクチュエータであってもよい。センサ１１０６Ａおよび／または１１０６Ｂにより測定される運動を減衰できるいかなるアクチュエータも用いることができる。一実施形態では、屈曲部アセンブリ１１０３乃至１１０９全体でサンプルを縦またはｚ方向に動かす役割を果たす。続くアクチュエータ８への結合１１１０がサンプル１とプローブチップ５との間の相対運動をもたらす。
【００９０】
図１２Ａ乃至１２Ｅは、原子間力顕微鏡のスキャンチップバージョンと互換性のある実装を示す。これは、Ｖｅｅｃｏ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（ニューヨーク州、ウッドベリー）から販売されている「Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ」シリーズ、Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ＶＸシリーズ、および、「Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」シリーズの顕微鏡を含む。この顕微鏡は、着脱可能なプローブホルダを有し、例えば、米国特許５、７１４、６８２、６、８６１、６４９、他に記載されている。図１２Ａ乃至１２Ｅに記載されている補償型プローブホルダは、上記特許に記載されるプローブホルダに変わるものとして設計され、Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ、Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ＶＸ、および、Ｖｅｅｃｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社からの同様の商品名で市場に出されている。
【００９１】
図１２Ａは、カンチレバー６１２が実質的に紙面の外に向けられたプローブホルダサブアセンブリの図を示す。図１２Ｂは、サブアセンブリのｚ軸１２０８に関し９０度回転した同じサブアセンブリを示す。チップ７に取り付けられたプローブ５１２は、ポケット１２０３に装着される。次にこのポケットは、主アクチュエータ１２０４に取り付けられる。そして主アクチュエータ１２０４は、主中心支持体１２０５に取り付けられる。
【００９２】
図１２０１および１２１０では、主アクチュエータ１２０４の運動に応じた中心支持体１２０５の減衰は、上記タイプの検出器／アクチュエータ１２０６の組み合わせ１０２６により実現する。このアクチュエータは、それに取り付けられる任意の反応質量１２０７を有する。反応質量の代わりに、補償型サブアセンブリに関する上記実施形態と同様の屈曲部設計を用いることが可能であり、場合によっては望ましい。本実施形態では、同じ要素１２０６が中心支持体の運動の検出とその運動の補償とのどちらのためにも用いられる。図１２Ｃは、測定センサ１２２１および補償用アクチュエータ１２２２が個別の物体である、異なる実施形態を示す。上記実施形態と同様に、１２０６または１２２１のいずれかに測定される信号が、補償用アクチュエータ１２０６または１２２２いずれかの運動を制御するようフィードバックループ内で用いられる。
【００９３】
図１２Ｄおよび１２Ｅは、アセンブリ全体がＤｉｍｅｎｓｉｏｎまたは同系統のｚアクチュエータに有効に接続されるように設計された複数のソケット、アパーチャ、または、ピン１２３２を定義するベースまたはホルダ１２３１に取り付けられたサブアセンブリ１２０１および１２２０を示す。
【００９４】
上記したように、米国特許６、４５９、０８８  Ｂ１および６、３２３、４８３  Ｂ１は、支持体へと移動する運動量を実質的に０に減らすことを最大の目的とする多数の方法を示す。この方法は、アンドーらによる多数の変形例と共にも用いられてきた。本願明細書中に記載される複数の実施形態は、実施形態がフィードバック減衰機能のパフォーマンスを測定するための追加のセンサを必要としうることを主な例外として、それらの引例に記載された一般的な構造を用いてもよい。自己検知アクチュエータが用いられる場合、本願明細書中に記載される起動アセンブリは、上記引例において説明されたアセンブリとかなり似ているように見えることもある。しかしながら、パフォーマンスが実現される方法および機能はかなり異なる。
【００９５】
補償用ｚアクチュエータおよびセンサを位置決めするための１つのアプローチでは、位置は計測器内に「設計」される。他のアプローチでは、まず計測器が設計され、その後、レーザ振動計などの運動測定デバイス、または、本発明で用いられうるタイプのセンサにより、モードが実験的に測定される。振動モードが測定された後、アクティブ減衰センサおよびアクチュエータは、デバイス性能を高めるかまたは最適化する位置に置かれる。この種の用途にとっては、自己検知アクチュエータが特に有益でありうる。
【００９６】
上記ではほんの少数の実施形態しか説明しなかったが、他の実施形態も可能であり、発明者は、それら他の実施形態も本明細書の範囲内であることを意図する。明細書では、他の方法でも達成しうるさらに一般的な目的を達成する特定の例を記載する。本開示は、例示的であることを意図し、請求項は、当業者には予測可能であろうあらゆる修正または変形例を含むと意図されている。例えば、測定の分野を超えた他の用途も考えられる。
【００９７】
また、発明者は、「ための手段」という言葉を使用する請求項のみが米国特許法第１１２条第６項に基づき解釈されることを意図している。さらに、明細書からの限定が請求項に明白に含まれていないかぎり、それらは、いかなる請求項も限定しないものとされる。本願明細書中に記載されるコンピュータは、汎用、または、ワークステーションなど何らかの特定のコンピュータのいずれの、どんな種類のコンピュータであってもよい。本願明細書中に記載されるコントローラは、Ｗｉｎｄｏｗｓ  ＸＰ（登録商標）またはＬｉｎｕｘ（登録商標）を動かすＰｅｎｔｉｕｍクラスのコンピュータ、または、Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ（登録商標）のコンピュータであってよい。コンピュータは、また、ＰＤＡ、携帯電話、または、ラップトップなどのハンドヘルドコンピュータであってよい。
【００９８】
プログラムは、Ｃ、Ｊａｖａ、Ｂｒｅｗ、または、他のいかなるプログラミング言語で記述されてもよい。プログラムは、例えば、磁気または光、などの記憶媒体、例えば、コンピュータハードドライブ、メモリスティックまたはＳＤ媒体などのリムーバブルディスクまたは媒体、あるいは、他のリムーバブル媒体に存在してよい。プログラムは、また、例えば、ローカルマシンに本願明細書中に記載される動作を実行させる信号を該ローカルマシンに送信するサーバまたは他のマシンを有するネットワーク上で走らせることもできる。
【００９９】
本願明細書中で言及される特定の数値は、２０％までは上下しうる値であるが、いくらかの異なる範囲が特に言及されない限り、本出願の教示の範囲内にある値であることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【国際調査報告】
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