(57)【要約】プローブ（５）を平面内で変位させるための横方向シフト手段（１）、プローブ（５）を平面に対して垂直な方向に変位させるための垂直方向シフト手段（４）、及び試料（６）を受け入れるための試料支持体（１１）を含む計測アッセンブリ（１００）を備えた走査型プローブ顕微鏡用の装置及び方法を提供する。試料支持体（１１）が集光器光路（１０）の端部の領域に配置されるように、集光器光路（１０）が計測アッセンブリ（１００）を通して形成される。
2005504301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測プローブ（５）を平面内で変位させるための横方向シフト手段（１）と、計測プローブ（５）を前記平面に対して垂直な方向に変位させるための垂直方向シフト手段（４）と、試料（６）を受け入れるための試料支持体（１１）とを含む計測アッセンブリ（１００；２００）を備えた、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型原子間力顕微鏡用の装置において、
前記試料支持体（１１）が集光器光路（１０）の端部の領域内に配置されるよう、前記計測アッセンブリ（１００；２００）を通して集光器光路（１０）が形成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記集光器光路（１０）は、前記計測アッセンブリ（１００；２００）のほぼ中央に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記集光器光路（１０）は、前記横方向シフト手段（１）を通して形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記集光器光路（１０）は、前記横方向シフト手段（１）の開口部（７０）を通して形成されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記垂直方向シフト手段（４）は、前記集光器光路（１０）に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記垂直方向シフト手段（４）は、前記集光器光路（１０）の周囲に配置された複数の垂直方向シフト要素を含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記集光器光路（１０）は、垂直方向軸線と実質的に平行に延びることを特徴とする、請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記集光器光路（１０）は、集光光が実質的に円錐形の集光円錐体形状で前記試料支持体（１１）に向かって拡がることができるように形成されていることを特徴とする、請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記集光器光路（１０）は保持部材（３）を通して形成され、前記垂直方向シフト手段（４）は、この保持部材（３）上に配置されており、前記保持部材（３）は、少なくとも一部が透明材料で形成されていることを特徴とする、請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記保持部材（３）は、前記集光器光路（１０）に関してほぼ中央に配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記保持部材（３）はフレーム部材（２）によって保持されており、前記集光器光路（１０）は前記フレーム部材（２）の開口部（７０）を通して形成されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の装置。
【請求項１２】
計測光線を前記プローブ（５）に向かって偏向するため、光学的偏向手段（２４）の少なくとも一区分が前記集光器光路（１０）の範囲内に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至１１のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記光学的偏向手段（２４）の少なくとも前記区分が透明材料で形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記光学的偏向手段（２４）は、前記集光器光路（１０）に関してほぼ中央に配置されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記プローブ（５）は別の保持部材（７）に固定されており、この別の保持部材（７）の少なくとも一区分は前記集光器光路（１０）内に配置されており、前記別の保持部材（７）の前記少なくとも一区分は透明材料で形成されていることを特徴とする、請求項１乃至１４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記別の保持部材（７）は、垂直方向シフト手段（４）に連結されるとともに、開口部を有する別の保持部材（８）に固定されており、前記集光器光路（１０）はこの開口部を通して形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
プローブ（５）を平面内で変位させるための横方向シフト手段（１）と、プローブ（５）を前記平面に対して垂直な方向に変位させるための垂直方向シフト手段（４）とを含む計測アッセンブリ（１００）を備えた、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型原子間力顕微鏡の試料支持体（１１）上の試料（６）を、光学顕微鏡で顕微鏡検査するための方法において、
前記試料支持体（１１）上の前記試料（６）を照光するための集光光を集光器光路（１０）に沿って前記計測アッセンブリ（１００）を通して案内することを特徴とする方法。
【請求項１８】
プローブ（５）を平面内で変位させるための横方向シフト手段（１）と、プローブ（５）を前記平面に対して垂直な方向に変位させるための垂直方向シフト手段（４）とを含む計測アッセンブリ（２００）を備えた、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型原子間力顕微鏡の試料支持体（１１）上の試料（６）を、光学顕微鏡で顕微鏡検査するための方法において、
前記試料（６）から出た光を前記計測アッセンブリ（１０）に沿って前記計測アッセンブリ（２００）を通して案内することを特徴とする方法。
【請求項１９】
独立型走査型プローブ顕微鏡での請求項１乃至１６のうちのいずれか一項に記載の装置、又は請求項１７又は１８に記載の方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）用の装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型原子間力顕微鏡（ＳＦＭ）（ＡＭＦ−原子間力顕微鏡）は、走査型プローブ顕微鏡の一形態である。走査型プローブ顕微鏡の重要な応用分野は、試料表面の表面形状を、高い横方向解像度及び垂直方向解像度で決定することである。本明細書中で「横方向解像度」という用語は、検査が行われる表面の平面内での解像度をいう。この平面に対して垂直な方向を垂直方向と呼ぶ。垂直方向に関して、表面の表面形状は、垂直方向解像度によって決定される。検査されるべき試料の、表面形状以外の、弾性や付着力等の特徴も計測することができる。ニアフィールド（近接場）光学顕微鏡もまた、走査型プローブ顕微鏡に属するものである（ＳＮＯＭ：走査型ニアフィールド光学顕微鏡）。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡では、プローブと検査されるべき試料との間の間隔を調節することができ且つ非常に正確に計測することができなければならない。例えば、走査型プローブ検査に関連して使用されるプローブは、カンチレバーと呼ばれる計測ビームである。カンチレバーと検査を受ける試料との間の力は、特に走査型原子間力顕微鏡の計測パラメータとして評価され、力は、最も簡単な場合、レナード−ジョーンズ電位によって説明することができる。力の検査には幾つかの方法がある。最も簡単な場合、プローブの移動量（excursion）を計測する。走査型原子間力検査では、カンチレバーを使用する場合、プローブは、代表的には、薄いばねポールとして設計されている。カンチレバーが振動するように励起させる計測方法が同様に知られている。その場合、結果的に発生した振動の振幅の減衰を制御する。既知の計測方法では、カンチレバーと検査される試料との間の相互作用を計測するということが共通している。本明細書中で使用されているように、「走査型プローブ検査」という用語には、これらの方法全て、及びこれらの方法を使用する夫々の顕微鏡が含まれる。
【０００４】
一つの知られた計測方法では、カンチレバーに作用する力は、光スポット原理（光ポインター）を適用することによって検出される。この原理によれば、計測光線、特にレーザービームをカンチレバーに差し向け、所望であれば、焦合を行う。カンチレバーの湾曲に応じて、光ビームが、カンチレバー又はこのカンチレバーに連結された構造部材のいずれかからの入射光の方向に関して特定の角度で反射される。反射された光ビームを、少なくとも二つのセグメントを含む検出器表面を備えた光ダイオードに差し向ける。二つのセグメントのところで受け取られた光信号の差が、計測光ビームが二つのセグメント間の中間から離れていることを示す。中間点は、反射された光ビームの等しい部分が両セグメントに当たる場所に配置されているものと定義される。カンチレバーの湾曲は、反射された光ビームが両セグメントに亘って等しく分割されるという点について変化を生じさせる。これに加えて、カンチレバーの捩れを検出するのが所望であれば、四つのセグメントを持つ光ダイオードを使用してもよい。これにより、反射された光ビームの位置を光ダイオード上で二つの方向で決定することができる。カンチレバーのばね定数を知ることにより、カンチレバーと検査される試料との間の力をカンチレバーの湾曲の計測値に基づいて決定することができる。
【０００５】
走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバーは、例えば、シリコンで形成されていてもよい。同様に、ＳｉＮ３又はダイヤモンド等の材料を使用してもよい。基本的には、光スポット法による計測方法は、カンチレバーや計測チップを形成する材料とは無関係である。
【０００６】
カンチレバーを用いて試料を走査する場合には、通常、試料及びカンチレバーを相対的に移動することによって試料とカンチレバーとの間の垂直方向距離を正確に調節しなければならない。この方法では、例えば、一定の力の比（force ratio）を調節してもよい。間隔を調節するために圧電要素を使用してもよい。計測中、カンチレバーは、試料に関して横方向への走査型の移動を同時に実行する。原理的には、試料又はカンチレバーのいずれを移動してもよい。カンチレバーを移動する場合には、これを「独立走査型プローブ顕微鏡」と呼ぶ。しかしながら、カンチレバーを横方向に移動し且つ検査されるべき試料を垂直方向に移動してもよく、又はこの逆であってもよい。
【０００７】
現在、独立走査型プローブ顕微鏡に関連して光スポット原理を実施する二つの方法が知られている。一方の方法では、光スポットの全ての構成要素を空間内の三つの方向全てに沿って移動する。この場合、光スポットはカンチレバーの移動から独立しており、カンチレバーの湾曲を簡単に示すことができる。この種の方法は、計測光線を発生する光源を調節するための様々な設定手段を必要とするため、有利ではない。結果的に得られる機械的構造の全質量を移動しなければならず、計測システムの機械的共振周波数が大幅に、特に垂直方向で低下する。機械的構造を全て組み込まなければならないけれども空間的な余裕は少ない。
【０００８】
第２の種類の方法では、空間内の三つの方向全てに沿ってカンチレバーだけを移動する。しかしながら、この場合には、計測光線がカンチレバーにこのカンチレバーの移動時に当たっており、これから反射されることを確かめるために計測を行わなければならない。反射された計測光線を光ダイオード上に結像することは、特に、カンチレバーによって大きな面積を走査することを必要とする計測が行われる場合、計測光線の横方向トラッキングが行われないと不可能である。計測光線のトラッキングについて様々な方法が提案されてきた。これらの方法は、反射された計測光線の強さが変わらないようにする上で、又はカンチレバーの移動時にほんの僅かしか変化しないようにする上で成功を収めた。カンチレバーが湾曲しない場合には、反射された計測光線により得られた光ダイオード信号は、完全に又はほぼ完全に一定である。しかしながら、この方法には、計測光線の横方向トラッキングにより、存在する垂直方向計測エラーを同時に補正することができないという欠点がある。垂直方向計測エラーは、カンチレバーが計測光線の入射方向に対して直角に配向されずに僅かに傾斜している場合に生じる。
【０００９】
走査型プローブ顕微鏡で計測を行う場合、多岐に亘って分析を行うために光学顕微鏡を使用して光透過（transillumination）を使用して試料を検査するのが望ましい場合が多い。これを行うため、最適の結果を得るために試料を集光光（condenser light）で照光しなければならない。しかしながら、独立走査型プローブ顕微鏡を用いた上述した光スポット原理の方法では、走査型プローブ顕微鏡によって計測されるように試料が試料支持体（スライド）上に位置決めされた場合、集光光による照光を行わずに光学顕微鏡によってプローブを検査することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、集光光による照光に基づいて、走査型プローブ検査及び光学検査によって試料を同時に検査することができる走査型プローブ顕微鏡用の改良装置及び改良方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、本発明によれば、独立項である請求項１に記載の装置及び独立項である請求項１７に記載の方法によって達成される。
【００１２】
本発明の要旨は、詳細には、走査型プローブ顕微鏡用の計測アッセンブリを横切る集光器光路（condenser light path）の設計である。計測アッセンブリは、例えばカンチレバーによって具体化されたプローブを平面内で変位させるための横方向シフト手段と、プローブを平面に対して垂直方向に変位させるための垂直方向シフト手段と、検査されるべき試料を受け入れるための試料支持体とを含む。試料支持体は、計測アッセンブリを通して形成された集光器光路の端部の領域に配置されている。ここで説明した装置により、試料支持体に置かれた試料を、走査型プローブ顕微鏡及び光学顕微鏡の両方で、集光光による照光に基づいて、試料を異なる検査間で支持体から取り外す必要なしに、検査することができる。詳細には、両計測は同時に行われる。計測アッセンブリを通して形成された集光器光路により、光学顕微鏡によって検査を行うために試料支持体上の試料を集光光で照光できる。集光器光路を計測アッセンブリを通して形成することにより、一方では、走査型プローブ顕微鏡による検査に必要な構造的構成要素をコンパクトな形態で、且つ安定した構造を提供するように形成することができ、これによって、走査型プローブ顕微鏡による検査を高精度で行うことができる。他方、集光光は光学顕微鏡で一般的であるように試料に向かって拡がり、光学的偏向手段によって逸らされることがない。かくして、走査型プローブ顕微鏡による高精度の検査と、集光光による照光を含む光学顕微鏡による光学顕微鏡計測とを組み合わせることが可能になる。
【００１３】
本発明の別の利点は、集光器光路が提供する可能性、即ち集光光による照射なしで試料を顕微鏡で検査することにある。この目的のため、試料を検査するための光を顕微鏡が受け取り、これを試料から集光器光路に沿って顕微鏡に広げる。この種の光学顕微鏡検査には垂直方向照光顕微鏡を使用することができる。この場合、集光器光路は、一種の観察チャンネルとして使用され、これは、試料の走査型プローブ顕微鏡検査中にも利用できる。
【００１４】
本発明の便利な変更により、集光器光路を計測アッセンブリのほぼ中央を通過するように形成する。かくして、計測アッセンブリの構成要素を集光器光路のできるだけ近くに配置することができ、これは、計測アッセンブリ構造を安定化させ、振動に対する抵抗を高めるのを補助する。
【００１５】
本発明の有利な実施の形態では、集光器光路は、横方向シフト手段を通過するように工夫されているのがよい。本発明の好ましい実施の形態では、集光器光路を横方向シフト手段の開口部を通って延ばすことにより、横方向シフト手段が光路に及ぼす影響をほぼ完全になくすことができる。計測アッセンブリの安定性は、本発明の有利な実施の形態において、垂直方向シフト手段を集光器光路に隣接して配置することにより、改善される。
【００１６】
本発明を便利に更に発展させることにより、機械的性質を最適化した構造が得られる。本発明によれば、垂直方向シフト手段は、集光器光路の周囲に配置された複数の垂直方向シフト要素を含む。
【００１７】
便利な更なる発展により、集光器光路が垂直方向軸線と実質的に平行に延びているため、試料の光学検査を正確に実施するのが容易になる。別の発展では、集光器光路を、走査型プローブ顕微鏡検査でカンチレバーに差し向けられる計測光線と実質的に平行に延ばす。
【００１８】
本発明の便利な変更により、集光光による照光を従来の光学顕微鏡で一般的であるように確実に拡げることができ、試料支持体に向かう実質的に円錐形の集光円錐体のように集光器光路を形成することにより、障害をできるだけ少なくする。これを行うため、走査型プローブ顕微鏡の構造要素は、集光の円錐形の拡がりを大きくするように設計される。
【００１９】
本発明の有利な実施の形態は、集光器光路が保持部材によって形成され、垂直方向シフト手段が保持部材上に配置され、この保持部材の少なくとも一部が透明な材料で形成されていることにより、目的とする装置の構造をコンパクトにする上で役立つ。透明材料で形成された保持部材は、保持部材が集光の拡がりに及ぼす影響を最小にする。
【００２０】
本発明のこの他の有利な発展によれば、保持部材はフレーム部材によって保持されていてもよく、集光器光路はフレーム部材の開口部を通して形成されていてもよい。走査型プローブ顕微鏡装置の様々な構成部品を、集光光による照光の通常の拡がりを妨げることなく、フレーム部材に取り付けることができる。
【００２１】
計測光線を計測ビーム上に偏向するため、光学的偏向手段の少なくとも一区分が集光器光路の範囲内に配置された本発明の便利な変更により、光学顕微鏡検査用の集光光による照光及び走査型プローブ検査用の計測光の等方向性入射を行うことができる。
【００２２】
光学的偏向手段が集光の拡がりに及ぼす影響は、光学的偏向手段の少なくとも前記区分が透明材料で形成されている場合、本発明の別の有利な発展に従って最小にすることができる。
【００２３】
光学的偏向手段を集光器光路に関してほぼ中央に配置することによって、集光光及び計測光の入射を最適にすることができる。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態によれば、プローブを別の保持部材に固定し、他の保持部材の少なくとも一区分を集光光内に配置し、前記他の保持部材の少なくとも一区分を透明材料で形成する。これにより、走査型プローブ顕微鏡検査用プローブが中央に安定して位置決めされることを最も良く保証することができる。
【００２５】
他の保持部材が集光光の通常の拡がりの邪魔にならないように他の保持部材を固定することは、本発明の好ましい別の発展では、垂直方向シフト手段に連結されており且つ集光器光路が横切る開口部を持つ別の保持部材に他の保持部材を取り付けることによって行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明について、実施の形態を参照して以下に詳細に説明する。
【００２７】
図１は、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型原子間力顕微鏡用の計測アッセンブリ１００を概略的に示す。このアッセンブリは横方向シフトユニット１を含み、この横方向シフトユニット１により、この横方向シフトユニット１に連結された他の構造要素を図１の紙面に対して垂直方向に延びる平面内で正確に移動させることができる。横方向シフトユニット１は、例えば、圧電要素を含んでもよい。しかしながら、詳細には、平面内で正確に変位することができる限り、任意の所望の種類の装置を使用することができる。フレーム部材２が横方向シフトユニット１に取り付けられている。図１に示す走査型プローブ顕微鏡の構成のこの他の構造部材は、横方向シフトユニット１により横方向に移動自在であるようにフレーム部材２に取り付けられている。
【００２８】
ガラスプレート３がフレーム部材２上に保持されている。好ましくは圧電構造要素によって具体化された複数の垂直方向シフトユニット４がガラスプレート３に取り付けられている。垂直方向シフトユニット４は、集光器光路１０内に延びないように、少なくとも邪魔にならないように配置されている。それにも拘わらず、垂直方向シフトユニット４は、高度の安定性を提供するため、集光器光路１０にできるだけ近付けて配置される。
【００２９】
走査型プローブ顕微鏡検査を実施するために設けられた、走査型プローブ顕微鏡の場合の、いわゆるカンチレバーによって具体化されたプローブ５は、垂直方向シフトユニット４によって、垂直方向に、即ち横方向シフト平面に対して垂直方向に正確に位置決めされる。即ち、プローブ５と試料６との間の距離を高精度で調節して計測することが必要とされる。プローブ５は、ガラス本体７に取り付けられており、このガラス本体７は環状部材８によって複数の横方向シフトユニット４に連結されている。計測アッセンブリ１００を液体下での用途にも適したものとするため、空気から水への所定の移行部が与えられなければならない。これは、集光器光路１０を妨げないように寸法が定められたガラス本体７によって可能となる。ガラス本体７には、好ましくは、プローブ５を試料の平面に関して所定の傾斜で設置できるように溝が形成されている。
【００３０】
集光光を発生するため、集光器９が計測アッセンブリ１００の上及び横方向シフトユニット１の上に設けられる。図１では、集光器光路１０は、破線で示すような円錐形形状を有する。集光器光路１０は、集光光を通すために開口部７０が形成された横方向シフトユニット１のほぼ中央を通って、更にガラスプレート３、環状部材８及びガラス本体７を通って延びており、かくして試料支持体１１上に置いた試料６を照光する。試料支持体１１は、商業的に入手可能な顕微鏡用スライド又はペトリ皿であってもよい。集光器９は、試料支持体１１の下に配置した対物レンズ１２によって試料６を検査するのに役立つ。
【００３１】
かくして、走査型プローブ顕微鏡用の図１に示す計測アッセンブリの実施の形態により、試料６が走査型プローブ顕微鏡検査用の試料支持体１１上に置かれた場合でも、試料６を集光器で照光することができる。集光光は、代表的には、例えば集光器光路１０に沿った円錐形をなして拡がる。集光光が拡がるのを妨げないようにするため、集光器光路１０の範囲内に配置された図１による構成の構成要素には、例えば、集光光を透過させることができる開口部が設けられていてもよいし、或いはガラスプレート３やガラス本体７等のように光透過性材料で形成されていてもよい。集光器９から試料６までの光路上に光学要素を追加することによって集光光を偏向させる必要はない。このような光学的な偏向は、概して、対物レンズ１２を通して光学顕微鏡検査を行うための試料６の照光品質を低下させてしまう。
【００３２】
図１に示す計測アッセンブリによって、試料６を走査型プローブ顕微鏡で検査することができる。その目的のため、好ましくはレーザー光源によって具体化された光源２０が計測光線２１を発生し、これを焦合レンズ２２、プリズム２３及びビームスプリッター２４を通してプローブ５に差し向ける。ビームスプリッター２４の大きさ及び試料６からのその間隔は、位相差を可能にする集光器９からの光の位相リングがビームスプリッター２４の外側を通過するか、或いは全体がビームスプリッター２４を通過するのかのいずれかであるように選択される。ビームスプリッター２４のホルダ（即ちガラスプレート３）は、ガラス又は集光器９からの光が全く邪魔されずにビームスプリッター２４を透過できるようにする他の透明材料で形成されている。金属フレーム等によって、種類の異なる保持を提供することができるが、これは、集光器光路１０にとって、かなりの邪魔になる。
【００３３】
光スポット原理によれば、プローブ５に入射した計測光線２１は反射され、反射された計測光線２１ａは偏向鏡２５及び別のプリズム２６によって光ダイオード２７に案内される。この光ダイオード２７は、便利には、二つのセグメントを持つ検出器表面３２を含む。反射された計測光線２１ａの、光ダイオード２７の検出器表面３２の二つのセグメント間の分布は、プローブ５の湾曲に応じて変化する。二つのセグメントの領域で発生した信号は、プローブ５の湾曲の計測値である。プローブ５の湾曲は、プローブ５と試料６との間の相互作用の結果である。これが通常の光スポット計測原理であり、走査型プローブ顕微鏡、特に走査型原子間力顕微鏡に適用されるものであり、従って、ここではこれ以上詳細には説明しない。
【００３４】
光ダイオード２７は、調節ユニット２８によってフレーム部材２に取り付けられている。光源２０及び焦合レンズ２２は、同様に、別の調節ユニット２９によってフレーム部材２に取り付けられている。
【００３５】
図２は、図１に示す実施の形態と同様の特徴を持つ走査型プローブ顕微鏡用の計測アッセンブリ２００の概略図である。しかしながら、図１とは異なり、試料６の光学顕微鏡検査を行うため、垂直方向照光顕微鏡３０が設けられている。垂直方向照光顕微鏡３０は、試料６から拡がった光を、走査型プローブ顕微鏡検査用の計測アッセンブリ２００を通して、垂直方向照光顕微鏡３０に、実質的に円錐形の断面形状の集光器光路３１に沿って集めるのに役立つ。図１におけるように、集光器光路３１は、図２に示す計測アッセンブリ２００のほぼ中央を通り、集光器（図２には示さず）からの光が光路全体に亘って拡がるように、特に断面が十分に大きいように設計されている。試料６を垂直方向照光顕微鏡３０によって検査するとき、集光器光路３１を一種の観察チャンネル即ち一般的な光チャンネルとして使用し、このチャンネルを通って光が試料６から垂直方向照光顕微鏡３０まで拡がる。光源２０が発生する計測光線２１は、ビームスプリッター２４によって偏向されるとき、図１に示す実施の形態の場合と同様に、集光器光路３１内を集光光３１と実質的に平行に進行する。
【００３６】
計測アッセンブリ１００及び２００の夫々の全高は、集光器光路１０及び３１の夫々が設けられるために制限される。現在、商業的に入手可能な集光器についての最大作用距離は、約７０ｍｍ程度である。全高の一部は、シフトユニット１及び４の夫々が占める。従って、光スポット原理に従って計測に適用される要素は所定の機能を果たさなければならないが、計測アッセンブリ１００及び２００の夫々をコンパクトに設計するという必要条件を満たすように全体としての高さが小さくなければならない。
【００３７】
試料６及びプローブ５の上方に配置された構造部材の幾つかは、集光器光路１０及び３１の夫々を形成するように透明につくられている。これによって、及び独立原理によって、計測光線２１の経路及び反射された計測光線２１ａの経路は厳密に制限される。光スポットを形成する要素、特に光源２０、焦合レンズ２５、他の調節ユニット２９、プリズム２３、ビームスプリッター２４、並びに反射鏡２５、他方のプリズム２６、補正レンズ４７、調節ユニット２８、光ダイオード２７及びプローブ５自体、又は入射した計測光線２１を反射するためにプローブ５に固定された反射要素９１は全て、横方向シフトユニット１に機械的に連結されており、横方向シフトユニット１とともに移動する。その結果、これらの要素は、試料６の走査中、互いに関して休止状態にある。これにより、計測光線２１をプローブ５上でトラッキングする必要がない。従って、従来の技術でこれまで設けられていた補正ユニットは不要になる。補正ユニットは、光が集光器光路１０及び３１の夫々に沿って拡がることの邪魔になる。他方、光スポット要素の全ての垂直方向では、プローブ５又は入射した計測光線２１を反射するためにプローブ５に固定された反射要素９１のみが垂直方向シフトユニット４によって変位される。プローブ５のこの変位により、プローブ５を光スポット要素の残りのものに関して移動させる。これを補正するための手段を以下に図３を参照して説明する。
【００３８】
基本的には、プローブ５のところで集光器光路１０及び３１の夫々を妨げないように反射された計測光線の経路について二つの可能性がある。一つの可能性は、プローブ５を試料６の平面に関して平行に配向し、反射された計測光線をそれらの入射光路に沿って戻すことである。二つの光路、即ちプローブ５に入射する計測光線の光路及びプローブ５のところで反射された計測光線の光路を集光器光路１０及び３１の夫々の範囲の外側で分離することができ、反射された計測光線は、光ダイオードに差し向けられなければならない。分離は、例えば、偏光を区別することによって行うことができる。この手順は、プローブ５をその先端が計測アッセンブリ１００及び２００の最下点にあるように固定するのが比較的困難であるという点で不利である。これは、分析されるべき試料の表面が非常に粗い場合には、特に困難である。実際には、例えばプローブ５はカンチレバーチップに接着されているとよい。
【００３９】
しかしながら、この解決策は、例えばプローブ５の交換時に、手間のかかるジグからの取り外しを必要とする。カンチレバーチップは、更に、液体の薄膜で接着されていてもよい。しかしながら、この解決策は、あまりしっかりとしたものではない。
【００４０】
集光器光路１０及び３１の夫々を損なわないための別の解決策は、反射された計測光線２１ａが集光器光路１０及び３１の夫々の十分外に偏向される（図１及び図２参照）ようにプローブ５を試料６に関して所定の傾斜で設置することである。かくして、光ダイオード２７等の他の構造要素が集光器光路１０及び３１の夫々の邪魔になることがない。しかしながら、プローブ５を傾け過ぎると問題が生じる。これは、プローブ５のチップ形状のために、計測された値が歪む可能性が更に大きくなるためである。更に、集光器光路１０及び３１の夫々の光路の些細な局所的外乱が、光学的画像の解像度をそれに関連して損なうことがないということが分かった。従って、本発明の好ましい実施の形態では、プローブ５をほんの僅か傾け、反射された計測光線２１ａを、集光器光路１０及び３１の夫々と僅かしか干渉しない反射鏡２５によって、領域の外に出す。
【００４１】
光スポット要素の新規な構成は、独立型走査型プローブ顕微鏡による光スポット原理による計測で計測光線を補正する既知の方法を上回る追加の利点を提供する。全ての光スポット集合体が横方向に一緒に移動し、及び従って、互いに関して休止しているため、横方向の補正が必要ない。しかしながら、光スポット要素の残りのものに関するプローブ５の垂直方向移動により生じる計測値の歪みに対しては更に補正を行う必要がある。計測値のこの歪みの原因は、プローブ５の垂直方向変位で決まる、反射された計測光線２１ａの平行オフセットである。
【００４２】
図３は、独立型走査型プローブ顕微鏡用の、詳細には走査型原子間力顕微鏡用の光スポット装置３００の概略図である。図３に示すように、プローブ４０は、Ｚ軸方向に延びる垂直方向調節ユニット４２にファスニングユニット４１によって連結される。光スポット原理に従って計測を行う場合、光源４３、焦合レンズ４５、補正レンズ４７、並びに光ダイオード４８及びその関連した回路４９を含む、図３による実施の形態の光スポット装置３００を、プローブ４０及びファスニングユニット４１並びに垂直方向調節手段とともに全体に横方向に移動する。この目的のため、光源４３、焦合レンズ４５、補正レンズ４７、光ダイオード４８及びその回路４９を、走査型プローブ顕微鏡の横方向シフトユニット（図３には示さず）に対して、図１及び図２に示す実施の形態を参照して以上に説明したように機械的に連結する。図１及び図２に示す実施の形態もまた同様に、以下に論じる補正レンズ４７を含む。重要な要因は、プローブを含む全ての光スポット集合体を横方向に一緒に変位させることができるということ、及び垂直方向において、プローブを他の集合体に関して変位させることができるということである。この場合に生じる場合がある計測誤差は、以下に説明するように補正される。
【００４３】
光源４３が発生する計測光線４４は、光源４３を離れると、先ず最初に焦合レンズ４５を通過してプローブ４０に当たり、鏡等の反射手段９１の反射面９０で反射され、これによって、反射された計測光線４６が発生し、この反射された計測光線は補正レンズ４７を通って光ダイオード４８に到達する。補正レンズ４７には、図１乃至図３におけるのと同じ参照番号が付してある。光ダイオード４８は、この光ダイオード４８が受け取った計測信号を演算処理するのに役立つ回路４９を含む。光ダイオード４８は、電子回路４９によって制御手段５０に接続されており、この制御手段５０は垂直方向調節手段４２に連結されている。垂直方向調節手段４２を再調節するため、光ダイオード４８から計測信号を受け取るのに応じた制御手段５０の補助により制御の大きさが発生する。このようにして、プローブ４０は、図３に破線で示すように垂直方向でＺ方向に変位する。
【００４４】
調節手段４２によってプローブ４０を垂直方向に変位させることにより、プローブ４０を他の光スポット要素に関して相対的に移動させる。変位後、反射された計測光線４６と平行にオフセットされた、変更された反射された計測光線４６ａが補正レンズ４７に進入する。補正レンズ４７は、変更された反射された計測光線４６ａを、反射された計測光線４６と同じ光ダイオード４８の検出器表面の領域内に差し向ける。これを行うことができるようにするため、補正レンズ４７は、ダイオード４８の検出器表面から、補正レンズ４７の焦点距離とほぼ一致する所定距離５１のところに配置されている。補正レンズ４７は、かくして、プローブが垂直方向即ちＺ方向に移動することによって生じた以上に説明した計測値の歪みを補正する。これをＺ−補正レンズと呼ぶこともできる。
【００４５】
図１及び図２に示す実施の形態の場合には、垂直方向シフトユニット４を作動させることにより、プローブ５を他の光スポット要素に関して相対的に移動させる。これは、光スポット要素のうち、プローブ５だけが垂直方向シフトユニットによって変位されるためである。かくして、補正レンズ４７によってエラーの補正が行われる。この補正レンズ４７の光ダイオード２１の検出器表面からの間隔は、補正レンズ４７の焦点距離と一致し、及び従って、平行にオフセットされた反射された計測光線２１ａにより計測結果が歪むことはない。他方、反射された計測光線２１ａを光ダイオード２７上に案内する、特に補正レンズ４７及びプリズム２６は、光ダイオード２７及び光スポット要素の残りのものとともに移動されるように、横方向シフトユニット１に対して、ファスニングユニット６０によって連結されている。
【００４６】
本明細書、特許請求の範囲及び図面に開示した本発明の特徴は、本発明を様々な態様で、個々に及び任意の組み合わせで実施する上で優れている。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】光透過顕微鏡を含む走査型プローブ顕微鏡用の計測アッセンブリの概略図である。
【図２】垂直方向照光顕微鏡を含む図１に示す計測アッセンブリの概略図である。
【図３】補正レンズシステムを含む走査型プローブ顕微鏡用の別の計測アッセンブリの概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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