(57)【要約】  圧子の新規なタイプが説明される。この装置は、高分解能および別様に優れた押込み測定をもたらすために、原子間力顕微鏡法の幾つかの感知要素および構造的要素を、押込みプローブ、従来のダイヤモンド、および別様のものを使用するように設計されたモジュールばかりでなく、従来とは異なった設計とも組み合わせる。
2009531656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧子プローブを駆動するために使用可能なアクチュエータと、圧子プローブを制御する撓み装置の動きを測定するために使用可能な光テコ検出システムとを具備する、原子間力顕微鏡に搭載されるモジュールと、
圧子プローブであって、前記プローブの動きを試料に対して垂直な軸に制約する一体構造型３次元板ばね撓み装置の中心シャフトに装着された圧子プローブと、
前記中心シャフトのｚ軸の動きを、前記光テコ検出システムによって測定可能な角変化に変換する機械式変換器アセンブリと、
を備えるナノ圧子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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エム・ダオ（Ｍ．Ｄａｏ）、エヌ・チョラクープ（Ｎ．Ｃｈｏｌｌａｃｏｏｐ）、ケイ・ジェイ・ヴァン・ヴィリエット（Ｋ．Ｊ．Ｖａｎ  Ｖｌｉｅｔ）、ティー・エイ・ヴェンカテシュ（Ｔ．Ａ．Ｖｅｎｋａｔｅｓｈ）、およびエス・スレシュ（Ｓ．Ｓｕｒｅｓｈ）著、「計装先鋭押込みにおける順方向および逆方向問題の計算モデル化（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｆｏｒｗａｒｄ  ａｎｄ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｐｌｏｂｌｅｍｓ  ｉｎ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ  ｓｈａｒｐ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）」、アクタ・マテリアリア（Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒ）、２００１年、第４９（１９）巻、ｐ．３８９９−３９１８
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エス・エイ・ジョイス（Ｓ．Ａ．Ｊｏｙｃｅ）およびジェイ・イー・ヒューストン（Ｊ．Ｅ．Ｈｏｕｓｔｏｎ）著、「境界張力顕微鏡法用に力フィードバック制御を組み込む新規の力センサ（Ａ  ｎｅｗ  ｆｏｒｃｅ  ｓｅｎｓｏｒ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ−ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストルメント（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）、１９９１年、第６２（３）号、ｐ．７１０−７１５
エス・エイ・エス・アシフ（Ｓ．Ａ．Ｓ．Ａｓｉｆ）、ケイ・ジェイ・ワール（Ｋ．Ｊ．Ｗａｈｌ）、およびエル・ジェイ・コルトン（Ｒ．Ｊ．Ｃｏｌｔｏｎ）著、「容量性負荷−変位変換器による力変調を使用するナノ押込みおよび接触剛性測定（Ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｕｓｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｌｏａｄ−ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）」、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストルメント（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）、１９９９年、第７０（５）号、ｐ．２４０８−２４１３
ジェイ・シー・ヘイ（Ｊ．Ｃ．Ｈａｙ）およびジー・エム・パール（Ｇ．Ｍ．ｐｈａｒｒ）著、「ナノ押込みデータの分析に使用される基礎的関係式の臨界試験（Ａ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｒｅｌａｔｉｏｎｓ  ｕｓｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｄａｔａ）」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．）、１９９９年、第１４（６）巻、ｐ．２２９６−２３０５
ケイ・ジェイ・ヴィリエット（Ｋ．Ｊ．Ｖｌｉｅｔ）、エル・プルチュリック（Ｌ．Ｐｒｃｈｌｉｋ）、およびジェイ・エフ・スミス（Ｊ．Ｆ．Ｓｍｉｔｈ）著、「押込みフレーム・コンプライアンスの直接測定（Ｄｉｒｅｃｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｆｒａｍｅ  ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．）、２００４年、第１９巻、ｐ．３２５−３３１
エム・アール・ヴァンラディンハム（Ｍ．Ｒ．ＶａｎＬａｎｄｉｎｇｈａｍ）、ジェイ・エス・ヴィラルービア（Ｊ．Ｓ．Ｖｉｌｌａｒｒｕｂｉａ）、およびジー・エフ・メイヤー（Ｇ．Ｆ．Ｍｅｙｅｒ）著、「ＡＦＭを使用する重合体のナノスケール押込みにおける最近の進歩（Ｒｅｃｅｎｔ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ＡＦＭ）」、実験力学に関するＳＥＭＩＸ国際会議の議事録、（米国コネチカット州ベセル（Ｂｅｔｈｅｌ））、ソサエティー・フォ・エンジニアリング・メカニクス・インコ−ポレーション社（Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｉｎｃ．）、２０００年、ｐ．９１２−９１５
エム・アール・ヴァンラディンハム（Ｍ．Ｒ．ＶａｎＬａｎｄｉｎｇｈａｍ）、ジェイ・エス・ヴィラルービア（Ｊ．Ｓ．Ｖｉｌｌａｒｒｕｂｉａ）、およびアール・カマラ（Ｒ．Ｃａｍａｒａ）著、「原子間力顕微鏡を使用する計装押込みのための測定先端形状（Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｔｉｐ  ｓｈａｐｅ  ｆｏｒ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）」、メジャメント・サイエンス・アンド・テクノロジー（Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）、２００５年、第１６巻、ｐ．２１７３−２１８５
ケイ・ダブリュー・マクエルハネイ（Ｋ．Ｗ．ＭｃＥｌｈａｎｅｙ）、ジェイ・ジェイ・ヴラサック（Ｊ．Ｊ．Ｖｌａｓｓａｋ）、およびダブリュー・ディー・ニックス（Ｗ．Ｄ．Ｎｉｘ）著、「深さ感知押込み試験用の圧子先端幾何学形状および押込み接触面積の決定（Ｄｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｄｅｎｔｅｒ  ｔｉｐ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｃｏｎｔａｃｔ  ａｒｅａ  ｆｏｒ  ｄｅｐｔｈｓｅｎｓｉｎｇ  ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．）、１９９８年、第１３（５）巻、ｐ．１３００−１３０６
ワイ・スン（Ｙ．Ｓｕｎ）、ティー・ベル（Ｔ．Ｂｅｌｌ）、およびジェイ・スミス（Ｊ．Ｓｍｉｔｈ）著、「ナノ押込み負荷曲線を使用する圧子先端半径および負荷フレーム・コンプライアンスの較正（Ｉｎｄｅｎｔｅｒ  ｔｉｐ  ｒａｄｉｕｓ  ａｎｄ  ｌｏａｄ  ｆｒａｍｅ  ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ  ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｃｕｒｖｅｓ）」、フィロソフィカル・マガジン速報誌（Ｐｈｉｌ．Ｍａｇ．Ｌｅｔｔ．）、１９９９年、第７９（９）、巻ｐ．６４９−６５８
エル・ダイソン（Ｒ．Ｄｉｓｏｎ）、エル・ケニング（Ｒ．Ｋｏｅｎｉｎｇ）、ジェイ・フー（Ｊ．Ｆｕ）、ティー・フォルベルガー（Ｔ．Ｖｏｒｂｕｒｇｅｒ）、およびビー・レネガー（Ｂ．Ｒｅｎｅｇａｒ）著、「原子間力顕微鏡法による精確な次元計測学（ａｃｃｕｒａｔｅ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｗｉｔｈ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、ＳＰＩＥ会報（ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃ．）、２０００年、第３９９８巻、ｐ．３６２−３６８
エヌ・シュワルツァー（Ｓｃｈｗａｒｚｅｒ，Ｎ．）著、アメリカ機械工学会の研究論文（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＡＳＭＥ）、２０００年、第１２２巻、ｐ．６７２
エス・シェイコ（Ｓｈｅｉｋｏ，Ｓ．）、エム・モラー（Ｍｏｌｌｅｒ，Ｍ．）、イー・ロイフェカンプ（Ｒｅｕｖｅｋａｍｐ，Ｅ．）、エイチ・ザンドベルゲン（Ｚａｎｄｂｅｒｇｅｎ，Ｈ）著、フィジカル・レビュー・ビー（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ）、１９９３年、第４８巻、ｐ．５６７５
ジェイ・クリーブランド（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｊ．）およびエス・マリーン（Ｍａｒｉｎｅ，Ｓ．）著、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストルメント（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．）１９９３年、第６４巻、ｐ．４０３
ダブリュー・ジェイ・オリバー（Ｏｌｉｖｅｒ，Ｗ．Ｊ．）、マテリアルズ・リサーチ（Ｍａｔｅｒ．ｒｅｓ．）、２００１年、第１６巻、ｐ．３２０２
ディー・ジェイ・ストーン（Ｓｔｏｎｅ，Ｄ．Ｊ．）著、マテリアルズ・リサーチ（Ｍａｔｅｒ．ｒｅｓ．）、１９９８年、第１１巻、ｐ．３２０７
ティー・シュワルツァー（Ｔ．Ｓｃｈｗａｒｚｅｒ）、エヌ・リヒター（Ｎ．Ｒｉｃｈｔｅｒ）、およびユー・ベック（Ｂｅｃｋ，Ｕ．）著、固体薄膜（Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ）、２０００年、第３７７−３７７８巻、ｐ．３６６
「エヌ・ピー・インディコート研究所最終報告（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｎ．Ｐ．Ｉｎｄｉｃｏａｔ  Ｆｉｎａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ）：ナノ押込みによる薄膜および皮膜の硬度ならびに係数の測定（Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｒｄｎｅｓｓ  ａｎｄ  Ｍｏｄｕｌｕｓ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｂｙ  Ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）」、インディコート最終報告における（ｉｎ  Ｉｎｄｉｃｏａｔ  Ｆｉｎａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ）、（英国ミドルセックス、テディントン（Ｔｅｄｄｉｎｇｔｏｎ、Ｍｉｄｄｌｅｓｅｘ））国立物理学（Ｎ．Ｐ．）研究所、ナショナル・フィジカル・ラボラトリ編２００１年
ティー・チュドバ（Ｃｈｕｄｏｂａ，Ｔ．）およびエヌ・シュワルツァー（Ｓｃｈｗａｒｚｅｒ，Ｎ．）、エラスチカ（ＥＬＡＳＴＩＣＡ）、ソフトウェア・デモンストレーション・パッケージ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｓｍｅｃ．ｄｅ．で入手可能、バージョン２、２００１年、ｔ．ｃｈｕｄｏｂａ＠ａｓｍｅｃ．ｄｅ．
エル・サナ（Ｓａｎａ，Ｒ．）およびダブリュー・ニックス（Ｎｉｘ，Ｗ．）著、アダ・マテリアリア（Ａｄａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ）、２００２年、第５０巻、ｐ．２３
【背景技術】
【０００２】
ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）は、カンチレバー端部上の先鋭なプローブを試料の表面に対してラスタ走査することによって入手された情報に基づいて、表面微細構成（および他の試料特徴）の画像を作成するために使用される装置である。ラスタ走査中に検出されるカンチレバーの撓み、またはその振動の変化が、試料の微細構成の（または他の）特徴構造に対応する。撓みまたは振動の変化は典型的に、光ビームを光テコと同じ基準座標系中のカンチレバー上に誘導する光テコ配置によって検出される。カンチレバーから反射されたビームに位置検知型検出器（ＰＳＤ）を照射させる。カンチレバーの撓みまたは振動が変化すると、ＰＳＤ上の反射スポットの位置が変化して、ＰＳＤからの出力に変化を引き起こす。カンチレバーの撓みまたは振動の変化は典型的に、撓みまたは振動を一定の事前設定値に維持するために、試料に対するカンチレバー基部の垂直位置に変化を誘発させる。このフィードバックこそが、ＡＦＭ画像を作成するものである。ＡＦＭは、カンチレバーの先端が常に試料表面と接触している接触モードと、その先端が表面と接触していないかまたは不連続的にしか接触しない振動モードとを含めて、幾つかの様々な撮像モードで動作可能である。
【０００３】
ＡＦＭでは一般に、例えば、試料表面に対してプローブをラスタ走査するために、または試料表面に対してカンチレバー基部の位置を変化させるために、アクチュエータが使用される。アクチュエータの目的は、プローブと試料との間に相対移動をもたらすことである。様々な目的および様々な成果のために、試料または先端を駆動したり、もしくは両方の何らかの組合せを駆動したりすることが有用でありうる。またＡＦＭではセンサも一般に使用される。センサを使用して、アクチュエータによって引き起こされる動きを含めて、ＡＦＭの様々な構成要素の動きを検出する。本明細書の目的では、別途に特定されない限り、「アクチュエータ」という用語は、ピエゾ駆動撓み、ピエゾ管、ピエゾスタック、ピエゾブロック、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、容量型モータ、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めて、入力信号を物理的動きに変換する広範な数多くの装置を指し、「位置センサ」または「センサ」という用語は、容量センサ、誘導センサ（渦電流式センサを含む）、差動変圧器（「高精度位置測定用の線形可変差動変成器（Ｌｉｎｅａｒ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）」と題する同時係属出願の米国特許出願公開第２００２／０１７５６７７（Ａ１）号および第２００４／００７５４２８（Ａ１）号、ならびに「デジタル電子機器を備える線形可変差動変圧器（Ｌｉｎｅａｒ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」と題する米国特許出願公開第２００４／００５６６５３（Ａ１）号（これらの出願は、これによりその全体が参照によって組み込まれるものとする）に説明されているようなもの）、可変インダクタンス、光干渉計、光偏向検出器（ＰＳＤとして上で言及されたもの、ならびにこれによりその全体が参照によって組み込まれる「計測学的装置における動きを分離しかつ測定する装置および方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｓｏｌａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」と題する米国特許出願公開第２００３／０２０９０６０（Ａ１）号および米国特許出願公開第２００４／００７９１４２（Ａ１）号に説明されたもの）、歪みゲージ、ピエゾセンサ、磁歪センサ、および電歪センサを含めて、変位、速度、または加速度を電気信号に変換する装置を指す。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
広範な材料に関して非常に精確で定量的な特徴付けをもたらすナノ圧子が開発された。この新規のナノ圧子は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）プラットフォームにおいて実施可能であるが、ＡＦＭカンチレバーによって実施されうる押込みとは異なり、本発明は、押込み先端を試料の中へ垂直に駆動する。変位および力は、最適化されたＬＶＤＴ（線形可変差動変成器）センサおよび光テコをそれぞれに使用して測定されるが、同装置は、ＡＦＭを使用して実施される測定に存在する不正確さ（例えば、非線形性）を排除し、これによって、市販の圧子に比べて感度および分解能を大幅に向上させる。最高級品領域にあるＡＦＭ能力を組み込むこの高度定量ツールは、薄膜、皮膜、重合体等を含めて、非常に多様な材料の特徴付けにおいて新たな分野を切り開くものである。言及したように、本ナノ圧子は、ＡＦＭプラットフォームにおいて実施可能であり、アサイラム・リサーチ・コーポレーション社のモルキュラー・フォース・プローブ−３Ｄ  ＡＦＭの元々の計測学的能力と統合されるとき、それは、すべて同じ計器設定を使用して、使用者が定量的押込み測定を実施し、かつ圧子先端形状ならびに押込み容積およびプロフィルに関する定量的ステートメントを作成することを可能にする。
【０００５】
ＡＦＭプラットフォームに加えて、この新規のナノ圧子は、カンチレバーに基づく他の計器においても実施可能である。カンチレバーに基づく計器には、ＡＦＭ、分子力プローブ計器（１Ｄまたは３Ｄ）、高分解能プロフィルメータ、および化学的または生物学的感知プローブのような計器が含まれる。便宜上、本明細書はＡＦＭに焦点を合わせる。しかし、本発明によって対処された問題および提示された解決策は、ナノスケールの動きを有する他の計器および計測学的用途にも応用可能であることが理解されるべきである。
【０００６】
本明細書に説明されるシステムおよび技法は、市販のツールで現時点において可能であるよりも適切に押込みおよび関連するパラメータの定量的測定を可能にする、ナノスケール計測に新規な装置を提供するものである。
【０００７】
以下に本発明の具体的内容をさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の１つの好ましい実施形態が図１に示されており、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭに搭載される本発明を具現化するモジュールの断面図を示す。図１のパネル（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれが、モジュール垂直中心シャフト回りに９０度回転されたモジュールを示し、その中心シャフトの末端は、試料が表面上に付着されうるステージ３０７の上方に位置決めされた圧子プローブ３０３になっている。本発明の本実施形態は、ＡＦＭの既存のセンサおよび構造体の一部または全部を直接利用することを可能にする。
【０００９】
図２は、アサイラム・リサーチ・コーポレーション社（Ａｓｙｌｕｍ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製のモルキュラー・フォース・プローブ−３Ｄ  ＡＦＭ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｐｒｏｂｅ−３Ｄ  ＡＦＭ）に搭載された、本発明を具現化するモジュール１２を示す（ＭＦＰ−３Ｄのヘッド１３のみが示されている）。図２に示された構成では、圧子モジュール１２は着脱自在であり、ヘッド１３のアクチュエータ、センサ、および光学素子を利用する。特に、ＭＦＰ−３Ｄのｚ−ピエゾ１４を使用して圧子プローブ３０３を駆動し、かつＭＦＰ−３Ｄのｚ−ＬＶＤＴ（線形可変差動変成器）センサ１７を使用して圧子プローブ３０３の変位を測定することができる。ＭＦＰ−３Ｄの位置検知型検出器１６を使用して、圧子プローブ３０３の変位を制御する撓み装置の動きを測定する。これらのセンサからのデータを使用して、圧子プローブ３０３と試料（図示せず）との間の変位と、これらの間に作用する力とを定量化することが可能である。
【００１０】
ＭＦＰ−３Ｄヘッド１３の中に搭載されている圧子モジュール１２の別の有用な特徴構造は、本モジュールが、圧子プローブ３０３および試料の光学的視像を提供するために、ヘッドの幾つかの光学的特徴構造を利用できることである。ＭＦＰ−３Ｄヘッド１３の上面視像用対物レンズ１８および操作ミラー１９は、圧子プローブ３０３および試料の両方の光学的視像を提供するためばかりでなく両者を照射するためにも、圧子モジュール１２のプリズム６と協働する。これは、圧子プローブ３０３を試料上の個々の構造体と位置合わせするために大いに有用である。
【００１１】
この圧子は、他の会社によって製造されたＡＦＭに、かつ、改造を伴うが、他のＡＦＭにも同様に搭載可能である。アサイラム・リサーチ・コーポレーション社のＭＦＰ−３Ｄは、そのヘッドの中に配置されたアクチュエータ、センサ、および光学素子が、圧子用途に適切でありかつ便利であるので、圧子に転換するのに特に適している。同じことが他のＡＦＭにも該当するし、または改造を伴えば該当しうる。
【００１２】
別途に明言された場合を除けば、本発明の以下の「詳細な説明」は、アサイラム・リサーチ・コーポレーション社のＭＦＰ−３Ｄのみならず任意のＡＦＭに搭載されうる圧子モジュールに関するばかりでなく、ＡＦＭの構成要素ではない単独型の圧子にも関する。
【００１３】
図３は、組立て前の、本発明を具現するモジュールの斜視図を示す。圧子プローブ３０３は、着脱自在のチャック３０４に取り付けられる。このチャック３０４は、使用者が多様な標準および特注の圧子プローブを使用すること、およびプローブを次々に容易に交換することを可能にする。当業者によく知られているように、これらのプローブは、ダイヤモンド、タングステン、窒化珪素、および他の物質を含めて様々な材料から形成される。チャック３０４は、圧子プローブ３０３の動きをｚ軸のみに、すなわち、試料に対して垂直方向に制約するように設計される一体構造型３次元板ばね撓み装置に装着される。他の軸における動きを排除することが、本発明で獲得可能な成果に対する主要な寄与となるものである。撓み装置３０５は、その上部が、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭの中に取り付くように設計される、保持リングを有する円形プレート３１０の底部に剛装着される。これは、ＡＦＭにおいて、カンチレバーの撓みまたは振動の変化に応答してカンチレバー基部の位置を変更するために使用されるアクチュエータ（図示せず）が、円形プレート／保持リング３１０を駆動し、かつ、この円形プレート／保持リングを介して、撓み装置３０５、チャック３０４、および圧子プローブ３０３を駆動することを可能にする。この駆動の測定は、その変位の測定にセンサ（図示せず）を使用することによって向上しうる。
【００１４】
図３に示したように、本発明を具現化するモジュールはまた、試料保持器３０７上の試料（図示せず）の斜め視像を可能にするためのプリズム３０６と、圧子プローブ３０３と、これらの間にあって、モジュールが取り付けられるＡＦＭが光学的視像システムを含むインターフェースとを具備することができる。またモジュールは、撓み装置３０５、円形プレート／保持リング３１０、およびプリズム３０６を外部汚染から保護し、かつ取扱いによる損傷を防止するために防塵カバー３０８も具備することができる。防塵カバー３０８はまた、撓み装置３０５が過剰に拡大されるのを防止するための機械的なハードストップ（図示せず）を設けることができる。測定がＡＣモードで実施されるべきときに撓み装置３０５を振動させ、よってチャック３０４および圧子プローブ３０３を振動させる振動ピエゾ（図示せず）が、カラー３２０を撓み装置３０５にねじ込む箇所に追加されうるか、または別法として円形プレート／保持リング３１０に装着されうる。
【００１５】
図４は、円形プレート／保持リング３１０上に取り付けられた撓み装置３０５の斜視図であり、チャック３０４、圧子プローブ３０３、およびプリズム３０６が組み立てられた状態で示されている。撓み装置３０５は、３つの支持端４０３と、可撓部分と、力の印加に応答して自由に動く中心シャフト４０４とを備える一体構造型３次元板ばねである。支持端４０３はそれぞれが、円形プレート／保持リング３１０に剛装着される。チャック３０４は可撓部分３０４の一端、すなわち、中心シャフト４０４に剛装着され、圧子プローブ３０３はチャック３０４に装着されて、押し込まれるべき試料に面する。
【００１６】
図５は撓み装置３０５の第２の斜視図であり、図４に示したその他の品目が割愛されている。このような撓み装置は、金属と、放電機械加工を含めて当業者によく知られた機械加工法とを使用して製造される。
【００１７】
図６は、撓み装置３０５の中心シャフト４０４の断面図を示すが、その一端にはチャック３０４が装着され（このチャック３０４に圧子プローブ３０３が装着されている）、その他端にはカラー３２０が装着されており、このカラーは、円形プレート／保持リング３１０の中心の穴に挿通されて、機械式変換器アセンブリを動作可能にするために、ＡＦＭ内部から中心シャフト４０４にアクセスできるようにする。機械式変換器アセンブリの目的は、中心シャフト４０４、チャック３０４、および圧子プローブ３０３のｚ軸直線運動を角変化に変換することであり、この角変化は、ＡＦＭにおいてカンチレバーの撓みまたは振動の変化を検出するために使用される光テコ検出器システムが測定することができる。圧子モジュールが、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭに取り付けられ、かつ円形プレート／保持リング３１０が駆動されて、それによって撓み装置３０５、チャック３０４、および圧子プローブ３０３を試料に向かって変位させるときに、第２の撓み装置、すなわち、平面撓み装置３１４（円形プレート／保持リング３１０に剛装着されている）の一端が同様に変位される。同時に、一方の側がボールベアリング機構３１８を介して中心シャフト４０４に連結されかつ他方の側が楔形状のミラー取付け台３１５に装着されて、自由に撓む平面撓み装置３１４の他端が同様に、中心シャフト４０４の変位に追従する変位によって変位される。平面撓み装置３１４の可撓端のこの変位は、ミラー取付け台３１５と、この取付け台に装着されたミラー３０９とを傾斜させて、それによって光テコ検出システム（図示せず）の光ビームを、このシステムの位置検知型検出器上の１つの箇所から別の箇所に向かうように操作し、それによって圧子プローブ３０３の変位を測定する。小さな永久磁石３２４が、ミラー取付け台３１５および平面撓み装置３１４をボールベアリング表面３１８と接触状態に維持する。
【００１８】
機械式変換器アセンブリの設計は、カンチレバー先端の撓みまたは振動が従来のＡＦＭにおいて測定されるのと殆ど同じ様態で、圧子先端３０３の動きが測定されることを可能にする。このことは、先に論じたｚ軸アクチュエータの使用と併せて、圧子モジュールが、ＡＦＭのカンチレバー保持器と容易に取り換えられることを可能にして、使用者がＡＦＭの機能を押込み専用に振り向けることを可能にする独特で有用な汎用性のある計器が得られる。
【００１９】
図７は、先の段落で論じた機械式変換器アセンブリの上方からの斜視図を示す。平面撓み装置３１４の２つの端と、円形プレート／保持リング３１０に剛装着され、したがって円形プレート／保持リング３１０の駆動と同時に変位される支持端３１６と、ボールベアリング機構３１８を介して中心シャフト４０４に連結されかつミラー取付け台３１５にも装着され、したがって中心シャフトと同時に変位される可撓端３１７とが、より明解に表示されている。また図７は、撓み装置３０５が過剰に拡大されたり、または通常の取扱いによって損傷されたりするのを防止するために、機械式変換器アセンブリの中に組み込まれたハードストップ３１１も示す。
【００２０】
平面撓み装置３１４は、押し込み撓み装置３０５に比べられるとき、非常に高い弾性コンプライアンスを有する。すなわち、平面撓み装置３１４のばね定数は、押込み撓み装置３０５のばね定数に比べて非常に低い。
【００２１】
押込み撓み装置３０５は、今まで論じてきた本発明の好ましい実施形態の性能において主要な役割を果たすことが理解されよう。異なる押込み撓み装置を使用するが、第１の好ましい実施形態と同様に、ＡＦＭのアクチュエータ、センサ、および光学素子を利用するために、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭに搭載されるように設計された本発明の第２の好ましい実施形態が、図８に、すなわち、組立て前の、本発明を具現化するモジュールの斜視図に示されている。
【００２２】
第１の好ましい実施形態の一体構造型３次元板ばね撓み装置３０５とは異なり、図８の撓み装置は、組立て型撓み装置である。しかし、先の撓み装置と同様に、図８の組立て型撓み装置は、圧子プローブ３０３の動きをｚ軸のみに、すなわち、試料に対して垂直な方向に制約するように設計されている。図８の組立て型撓み装置の可撓部分は、交互配置クランプ５０３、５０４、および５０５によって、その支持端（すなわち、外周部）が堅固に制約されている２枚の円形平面板ばね５０６および５０７の中心シャフトによって設けられる。平面板ばね５０６および５０７と交互配置クランプ５０３、５０４、および５０５とのアセンブリは、円形プレート／保持リング３１０に剛装着される。平面板ばね５０６および５０７の中心シャフトは、スピンドル５０８および５０９からなる。スピンドル５０８の上端がスピンドル５０９の下端にねじ込まれて、スピンドル５０９の下端にあるストップに対して平面板ばね５０６を固締する。スピンドル５０９の上端にあるストップが平面板ばね５０７に固定され、ストップ上方のスピンドルの部分が、円形プレート／保持リング３１０の中心の穴に挿通して、第１の好ましい実施形態に関連して上で論じた機械式変換器アセンブリが機能することを可能にするために、ＡＦＭ内部から中心シャフトにアクセスできるようにする。
【００２３】
第１の好ましい実施形態に関する場合と同様に、図８の組立て型撓み装置の中心シャフトは、スピンドル５０８の下端に剛装着されたチャック３０４と、押し込まれるべき試料に面する、チャック３０４に装着された圧子プローブ３０３とが末端を成す。組立て型撓み装置、チャック３０４、および圧子プローブ３０３は、ＡＦＭにおいて、カンチレバーの撓みまたは振動の変化に応答してカンチレバー基部の位置を変化させるために使用されるアクチュエータ（図示せず）で、円形プレート／保持リング３１０を駆動することによって駆動される。
【００２４】
図９は、組立て後における図８の撓み装置の底面側平面図である。図１０は、図８の撓み装置の平面板ばね５０６および５０７の平面図である。このようなばねは、ベリリウム銅を含む金属と当業者によく知られた機械加工法とを使用して製造される。
【００２５】
ＡＦＭのアクチュエータ、センサ、および光学素子を利用するために、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭに搭載されるように同様に設計されているが、図８の好ましい実施形態、すなわち、組立て型撓み装置の押込み撓み装置とは異なる押込み撓み装置を使用する本発明の他の好ましい実施形態が、本発明の一部を形成する。図１１から図１５は、このような他の好ましい実施形態の平面板ばねの平面図である。これらの各平面板ばねは、ばねの中心の可撓部分、外周部における支持端、および可撓部分から多様な形状を成す梁の支持端に至る連結部からなる。これらの平面板ばねの円形および他の図示された形状に加えて、任意の多角形が、適切な連結部と対にされるとき、一般に同様の成果をもたらすことになる。
【００２６】
この場合も異なる押込み撓み装置を使用するが、上で開示された他の好ましい実施形態と同様に、ＡＦＭのアクチュエータ、センサ、および光学素子を利用するために、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭに搭載されるように設計されている追加的な好ましい実施形態が、図１６に、すなわち、組立て前の、本発明を具現化するモジュールの斜視図に示されている。図８の撓み装置と同様に、図１６の撓み装置は、組立て型撓み装置であり、対応するプローブ７０３（これは光学要素でもある）の動きをｚ軸のみに、すなわち、試料に対して垂直な方向に制約するように設計される。
【００２７】
図１６の組立て型撓み装置の構成要素は、図８の組立て型撓み装置の構成要素と同様である。すなわち、２つの平面板ばね７０７および７０８が、クランプ７０５および７０６によって分離されている。しかし、図１６の組立て型撓み装置は、カンチレバー保持器の代わりにＡＦＭに本アセンブリを搭載することを容易にする、上部平面板ばね７０８をプレート７０９から分離する第３のクランプを有していない。その代わりに、平面板ばね７０８はプレート７０９に直に剛装着される。
【００２８】
図１６の組立て型撓み装置の平面板ばね７０７および７０８の中心シャフトも、図８の組立て型撓み装置の中心シャフトとは異なる。平面板ばね７０７および７０８の中心シャフトは、チャック７０４と、このチャック７０４に装着されて、押し込まれるべき試料に面するプローブ７０３とだけからなる。チャック７０４の上端が、プレート７０９の中心の穴に挿通し、第１の好ましい実施形態に関連して上で論じた機械式変換器アセンブリが機能することを可能にするために、ＡＦＭ内部から中心シャフトにアクセスできるようにする。
【００２９】
図１６の組立て型撓み装置のプローブ７０３は、現時点で当業において知られていない新規の装置であり、したがって図８の組立て型撓み装置の圧子プローブ３０３とは大幅に異なる。プローブ７０３は、圧子プローブ３０３とは異なる機能および異なる構造を有する。プローブ７０３は二重の機能を有する。すなわち、それは光学要素でありかつ押込みプローブである。光学要素として、プローブ７０３は、図１６の組立て型撓み装置が搭載されるＡＦＭヘッドの光学的視像装置システムが、押し込まれるべき試料の直接的な視像を可能にするレンズの役目をする。押込みプローブとして、プローブ７０３は、３０３のような従来的な押込みプローブに関する場合と同様に、試料に力を印加し、それを押し込む剛性要素である。この二重機能を有すると、異なる構造に対する要件を伴う。プローブ７０３のようなプローブは、非常に固くかつ光に対して透明である材料から製造されなければならない。適切な材料には、ダイヤモンドおよびサファイヤが含まれる。
【００３０】
プローブ７０３は、他の圧子変換器または押込みプローブに勝る数多くの利点を有する。これらの利点には、押し込まれるべき試料の真の上面光学的視像を入手可能にすること、押込みの正確な位置決めを可能にすること、ならびに静的および動的材料試験法によって材料の機械的振舞いの測定において従来では見られなかった分解能を可能にする低質量と高い共振周波数との組合せを有することが含まれる。
【００３１】
図１７は、組立て後における図１６の撓み装置の底面側平面図である。図１８は、図１６の撓み装置の平面板ばね７０７および７０８の平面図である。このようなばねは、ベリリウム銅を含む材料と当業者によく知られた機械加工法とを使用して製造される。
【００３２】
図１９は、ＡＦＭの光テコ検出システムにアクセスするために、本発明を具現化するモジュールが、上で説明した機械式変換器アセンブリを使用しなくても済むように設計された光テコ検出システムを示す。ミラー１９０１が、本発明の第１の好ましい実施形態の撓み装置の中心シャフト４０４、チャック３０４、および圧子プローブ３０３に剛装着されているカラー３２０に装着される。ミラー１９０１は光テコ検出システムから来る入射光ビームを反射し、このミラーが圧子プローブ３０３に対して移動すると、光テコ検出システムのＰＳＤが、その変位を測定する。追加的なレンズ１９０２が、光テコ検出システムの感度を向上させかつその較正を容易化するために、ミラー１９０１の上方に配置可能である。
【００３３】
本発明の説明された実施形態は、好ましいと考えられているにすぎず、本発明の構想を例示するものにすぎない。本発明の範囲は、このような実施形態に限定されるべきはない。他にも多様かつ多数の配置が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者によって考案可能である。
【００３４】
引用参考文献
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第５１７４１５９号  １９９１年６月２１日  ジェーコブセン（Ｊａｃｏｂｓｅｎ）ら
第５２５５５６２号  １９９２年１０月７日  ヤマモト（Ｙａｍａｍｏｔｏ）ら
第５３０５６３３号  １９９０年１２月７日  ヴァイセンバッハー（Ｗｅｉｓｓｅｎｂａｃｈｅｒ）ら
第５３５９８７９号  １９９２年１１月４日  オリバー（Ｏｌｉｖｅｒ）ら
第５８６６８０７号  １９９７年２月４日  エリングス（Ｅｌｉｎｇｓ）ら
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【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】既存のＡＦＭに装着された新規の圧子モジュールを示した平面図である。
【図２】アサイラム・リサーチ・コーポレーション社のＭＦＰ−３Ｄの中に配置された新規な圧子モジュールを示した図である。
【図３】組立て前の新規な圧子モジュールを示した図である。
【図４】新規な圧子モジュールの円形プレート／保持リングに取り付けられた撓み装置を示した図である。
【図５】新規な圧子モジュールの撓み装置を示した図である。
【図６】新規な圧子モジュールの機械式変換器システムを示した断面図である。
【図７】新規な圧子モジュールの機械式変換器システムを示した上面斜視図である。
【図８】組立て前における別の新規な圧子モジュールを示した図である。
【図９】組立て後における図８の圧子モジュールを示した底面側平面図である。
【図１０】図８の圧子モジュールの組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１０】他の圧子モジュールのための他の組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１１】他の圧子モジュールのための他の組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１２】他の圧子モジュールのための他の組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１３】他の圧子モジュールのための他の組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１４】他の圧子モジュールのための他の組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１５】他の圧子モジュールのための他の組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１６】組立て前における別の新規な圧子モジュールを示した図である。
【図１７】組立て後における図１６の圧子モジュールを示した底面側平面図である。
【図１８】図１６の圧子モジュールの組立て型撓み装置の平面板ばねを示した平面図である。
【図１９】図６に示した機械式変換器システムに取って代わるように設計された随意選択的な光テコ検出システムを示した斜視図である。
【図１】
2009531656.tif 000003
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2009531656.tif 000018
【図１７】
2009531656.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2009531656.tif 000021
【国際調査報告】
2009531656.tif 000022