(57)【要約】本発明による走査型プローブ顕微鏡(scanning probe microscope)は、互いに完全分離されて、固定フレーム上に物理的に別の位置に取り付けられる二つの相異なるスキャナ(別名“走査ステージ”と称する)を使用する。一つのスキャナ(“ｘ−ｙスキャナ”と称する)は平面(別名“ｘ−ｙ平面”と称する)上にあるサンプルを走査するが、もう一つのスキャナ(“ｚスキャナ”と称する)は探針を平面に垂直な方向(別名“ｚ方向”と称する)に(カンチレバー(cantilever)の自由端に支持される)走査する。二つのスキャナが互いに分離されることにより、各スキャナが他のスキャナに影響を及ぼさず(固定フレームに対して相対的に)働くことができるようになる。
2005517911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡であって、
固定フレーム；
前記固定フレームに取り付けられた第１スキャナと、前記第１スキャナに取り付けられて平面上に前記第１スキャナにより移動可能なサンプルチェック；
物理的に前記第１スキャナから分離されて、前記固定フレームに取り付けられた第２スキャナ；及び
前記第２スキャナにより支持されて、前記サンプルチェックの移動平面に垂直な線に沿って前記第２スキャナにより移動可能なカンチレバーと、前記カンチレバーの自由端に取り付けられた探針を含むことを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバー上に配置された反射器；
前記反射器に向かう光源；及び
前記反射器により反射された光源からの光の一部を受光するために配置された光検出器をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記光検出器は前記第２スキャナ上に装着されることを特徴とする、請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記光検出器はステージ上に装着されて、前記ステージは前記固定フレーム上に装着されて；
前記光源は前記ステージに装着されて；
前記第２スキャナは前記ステージに装着されることを特徴とする、請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記探針の移動線に沿って、前記固定フレームにより支持される対物レンズとカメラをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記第２スキャナは静電圧電アクチュエータ(stacked piezoelectric actuator)を含むことを特徴とする、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記第２スキャナにより提供された前記探針の移動に係わる固定された位置に、前記固定フレームにより支持されるミラーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記ミラーは、前記探針の移動線に平行に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記ミラーは、前記探針の前記移動線に対し角度を成して配置されることを特徴とする、請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記ミラーは第１ミラーであって、前記走査型プローブ顕微鏡は、前記第１ミラーに平行な、前記固定フレームにより支持される第２ミラーをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記第１ミラーと前記第２ミラーの各々は、前記所定の直線の対向する面に設置されることを特徴とする、請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記カンチレバー、前記第１ミラー及び前記第２ミラー上に位置された反射器により反射された光源からの光を受光するために、前記第２ミラーに対向して配置された光検出器をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記第１スキャナはｘ−ｙ屈曲ステージを含むことを特徴とする、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記サンプルチェックは平面でのみ前記第１スキャナにより移動可能であり；前記カンチレバーの前記固定端は、前記第１スキャナによる前記サンプルチェックの前記移動平面に垂直な方向にのみ、前記第２スキャナにより移動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
顕微鏡装置であって、
ステージに装着されて、前記ステージの移動方向に、線形移動に限定されるスキャナ；
前記スキャナにより支持されて、自由端を有するカンチレバー；及び
前記ステージにより支持されて、前記ステージの移動方向に平行な軸を有する対物レンズを含むことを特徴とする、顕微鏡装置。
【請求項１６】
前記対物レンズの前記軸に平行で、前記カンチレバーの自由端を通過する線に沿って、前記カンチレバーと前記対物レンズとの間に前記ステージにより支持される反射器；及び
前記反射器に向かって、前記軸から横に並んで配置されて、且つ前記ステージにより支持される光源をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の顕微鏡装置。
【請求項１７】
前記レンズの軸は、前記線と同一軸であることを特徴とする、請求項１５に記載の顕微鏡装置。
【請求項１８】
前記カンチレバーに配置された反射器；
前記反射器に向かう光源；及び
前記反射器により反射された前記光源からの光の一部を受光するために位置された光検出器をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の顕微鏡装置。
【請求項１９】
サンプルを評価するための方法であって、
第１方向にカンチレバーの自由端に取り付けられた探針を移動させる段階；
前記探針の移動なしに前記第１方向に垂直な平面上でサンプルを移動させる段階；及び
少なくとも一つの前記移動作用の間に前記カンチレバーの撓みを測定する段階を含むことを特徴とする、方法。
【請求項２０】
前記探針の移動と同時に光検出器を移動させる段階をさらに含み、前記光検出器の移動距離は前記探針の移動距離と同一であって、ステアリングミラーは前記探針と前記光検出器の各々の移動中に固定された状態に保持されることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscope(ＳＰＭ))は、ナノスケールの科学及び技術において強力な器具である。ＳＰＭの数多い種類の中で、原子間力顕微鏡(Atomic force Microscope(ＡＦＭ))は一番幅広く使用されており、最も基本となる顕微鏡である。従来ＡＦＭの中の一つがPhys. Rev. Lett. 56,930(1986)文献のG. Binning、C. Quate、Ch. Gerberの論文に掲載されている。その後ＡＦＭの改善が続けられ、その利用可能性と便利性が向上された。通常使用される構成において、従来のＡＦＭはマイクロマシニングにより製作されたカンチレバー(cantilever)を使用して、このカンチレバーの先端部には鋭い針が取り付けられていて、圧電チューブを用いてサンプルやカンチレバーを走査する。ＡＦＭは、レーザー光線をカンチレバーに照射して、反射された光線をPosition Sensitive Photo Detector(ＰＳＰＤ)により検出してカンチレバーの撓みを測定する(Appl. Phys. Lett 53, 2400(1988)のG. MeyerとN. M. Amerの論文参照)。
【０００３】
このような構成のＡＦＭは高い垂直感度を有し、比較的容易に実施できる。入射レーザー光線を、カンチレバー上を照射するように調節して、反射された光線をＰＳＰＤの中央に調整するために、精巧な螺子を用いた調整メカニズム(aligning mechanism)が使用される。このような調整メカニズムと共にレーザー、ＰＳＰＤ及びカンチレバーを含む探針ユニットは相応の質量を有するため、ＡＦＭが精度を維持しながら高速で探針ユニットを走査することは難しい。従来の技術において、典型的なｘ走査速度は０．１Ｈｚないし４Ｈｚの範囲にあり、必要なｚサーボ帯域幅は１００Ｈｚないし１ｋＨｚである。このような走査速度は収容可能な範囲であるが、以下に説明する理由により充分ではない。従って、ある従来のＡＦＭにおいて、探針ユニットは固定された状態に維持されて,サンプルをｘ、ｙ及びｚ軸に沿って走査した。本明細書に全体的な内容を参考資料として引用する米国特許第５，１５７，２５１号(Albrechtら)及び米国特許第５，２３７，８５９号(Elingsら)を参照する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術の場合、大きいシリコンウェハのような大形サンプルは、垂直サーボ周波数応答に対しｚ方向に充分迅速に、例えば１ＫＨｚ程度に走査されることができない。この問題点を説明するために、米国特許第５，４６３，８９７号の２カラム、１９ないし２４行を参照する。また、J. Appl. Phys. 76, 796(1994)のP. K. Hansma、B. Drake、D. Grigg、C. B. Prater、F. Yashar、G. Gurley、V. Elings、S. Feinstein及びR. Lalの論文を参照する。この問題点を解決するためにレーザー光線をカンチレバーの移動に従うようにして、カンチレバーを走査させることができる。簡便な方法は調整メカニズムを小型化して、全体探針ユニットを走査することがある。このようなAFM(SPM)は、USA, CA 94089, Sunnyvale, 1171 Borregas Avenueに所在のVeeco Metrology GroupのTM Microscopes社から利用可能な“AutoProbe M5”走査型プローブ顕微鏡で実施されており、 www.tmmicro.comのインターネット上に記載されている。
【０００５】
しかし、このような小型化された探針ユニットは依然として相応な質量を有するため、ｚサーボ応答を減少させる。また、レーザー光線を小型螺子により調整することが困難で、特殊な道具を使わなければならない。もう一つの方法は、レーザー光線がカンチレバーの移動に従いながら反射された光線がＰＳＰＤ上の同一点に当たるように、チューブスキャナにレンズを取り付けることである。このようなチューブスキャナは、USA, CA 93117, Santa Barbara, 112 Robin Hill Roadに所在するVeeco Metrology GroupのDigital Instruments社から利用可能な“Dimension 3100”走査型プローブ顕微鏡で実施されており、www.di.comのインターネット上に記載されている。また、米国特許第５，４６３，８９７号(Praterら)の全体の内容を本明細書に参考資料として含む。また、J. Appl. Phys. 76, 796(1994)のP. K. Hansma、B. Drake、D. Grigg、C. B. Prater、F. Yashar、G. Gurley、V. Elings、S. Feinstein及びR. Lalの論文を参照する。しかし、この方法では、レーザー光線がカンチレバーを完全に従うことができなく、反射された光線がＰＳＰＤの正確な同一点に存在し難いため、ｘ−ｙで走査する間、測定エラー及び追跡力変異(tracking force variations)を招来する。
【０００６】
また、大抵のＡＦＭは、走査エラー及び低い走査速度という共通の問題点を有している。従来技術で一般的に使用された圧電チューブ型スキャナ(piezolectric tube-based scanner)は、ｘ、ｙ、ｚの３次元のいずれか一方向にのみ独立的に動ける直交３次元アクチュエータではない。ｘ、ｙ移動は、チューブの撓みによるため、ｘ-ｙ軸とｚ軸との間のクロストーク(crosstalk)と非線形性が存在する。ＡＦＭは、本明細書に全体的な内容を参考資料として引用しようとする、米国特許第５，２１０，４１０号(Barrettら)に記載の圧電チューブの固有非線形性を校正するために位置センサーを使用している。また、R. BarrettのRev. Sci. Instrum. 62, 1393(1991)論文を参照する。しかし、チューブ屈曲(tube flexing)によるｚクロストークは除去されず、測定エラー及び背景屈曲効果(background curvature effect)を引き起こす。三角スキャナを使用するのは、非線形性及びクロストークの問題点をあまり改善することができない。さらに、圧電チューブスキャナは低い共振周波数(通常１ｋＨｚ以下)を有し、従来の探針ユニットを高速で駆動させるほど強い力を持たない。
【０００７】
スキャナの直交性を向上させるために、米国特許第６，３１０，３４２号、第６，０５７，５４６号及び第５，８５４，４８７号(これら特許の各々の全体的な内容を本明細書に参考資料として含む)には、ｘ−ｙ走査用屈曲ステージ(flexure stage)を使用する従来技術が掲載されている。しかし、Braunsteinらにより提起されたｚスキャナはｘ−ｙスキャナに取り付けられるため、約１００Ｈｚ程度のｘ−ｙスキャナの共振周波数より速く移動することができない。
【０００８】
前述したように、ＡＦＭの走査速度が重要である。ＡＦＭの走査速度は、通常的に次に説明するｚサーボ周波数応答により制限を受ける。ｚスキャナは、適切なフィードバック制御を有しサンプルの形に従う必要がある。ｘ方向の走査速度が増加するにつれて、ｚスキャナは上下にさらに速く移動しなければならなく、ｚサーボシステムにさらに高い帯域幅を要求する。しかし、垂直サーボ周波数応答は、ｚ走査システムの共振周波数より高くはなれない。ｚ走査システムとは、ｚスキャナ、ｚスキャナ用支持構造物及びｚスキャナがｚ方向に移動させなければならない全てのものを意味する。ｚスキャナに積載される質量が大きくなるにつれて、ｚ走査システムの共振周波数は減少される。仮にｚスキャナがより高いプッシュプル(push−pull)力を有するようになると、共振周波数減少はより小さくなる。
【０００９】
典型的なＡＦＭのｚサーボシステムは数百Ｈｚ程度の帯域幅を有する。５１２Ｈｚの場合を考えてみる。２５６×２５６ピクセルの像を得る場合、ｘ方向に１Ｈｚを走査することができる(前方２５６＋後方２５６)。勿論、サンプルが平坦で隣接したデータポイント間の高さ変化が小さいとしたら、より速く走査することができる。２５６ラインのデータを収集する必要があるため、一つの走査を終了するためには２５６秒(約４分)が所要される。この４分は長い時間であるため、走査速度を増加させることが重要である。一般に、ｘ−ｙ走査速度はｘ−ｙ走査帯域幅により制限されるものではなく、ｚサーボ周波数応答により制限される。
【００１０】
ＡＦＭでは、カンチレバーを交替する必要がある。マイクロマシニングにより製造されたカンチレバーは、小型チップ(２×４ｍｍ)上に取り付けられて、ピンセットでも扱い難い。取り扱い性を向上させるために、従来技術ではカンチレバーチップがアルミニウムプレート上に取り付けられた(米国特許第５，３７６，７９０号参照)。また、TM Microscopes社のＣＰ、Ｍ５を参照する。このような従来技術のプレートは三つのスロットを有し、三つのスロットの角度は互いに１２０°を成す。これらのスロットは三つのボールと接触するようになる。チップマウントを維持するためにスプリングクリップが使用された。また他の従来技術(TM Microscopes Explorer参照；また米国特許第５，３１９，９６０号参照)では、チップマウントを付着するために磁石が使用されたが、これはチップマウントが磁石の上に直接載せられる方式であって、交替後に同一カンチレバーの位置が変わってしまう虞がある。Youngらはカンチレバーを調整するために複雑な方法を使用している(米国特許第５，７０５，８１４号参照)。
【００１１】
さらに、ＡＦＭヘッドはＡＦＭフレームから脱着が自由である必要がある。ＡＦＭヘッドの便利な取り付け及び取り外しのために、従来技術ではドブテイル溝(dovetail groove)がＡＦＭヘッド上に設けられて、ドブテイルレール(dovetail rail)がフレーム上に装着された。例えば、TM Microscopes社の原子顕微鏡ＣＰ；Digital Instruments社のDimension 3100を参照する。ＡＦＭヘッドはフレーム上に固定されなければならないため、締め螺子がドブテイル(dovetail)を固体のために使用された。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による走査型プローブ顕微鏡は、互いに完全に分離されて固定フレーム上に物理的に別個の位置に取り付けられる二つの異なるスキャナを使用する。一つのスキャナ(‘ｘ−ｙスキャナ’と称する)はサンプルの平面(‘ｘ−ｙ平面’と称する)方向を走査するが、もう一方のスキャナ(‘ｚスキャナ’と称する)は探針(‘ｚ方向’と称する)に(カンチレバーの自由端に支持される)を平面に垂直な方向走査する。二つのスキャナが互いに分離されることにより、各スキャナが他のスキャナに影響を及ぼさず(フレームに対して)移動できるということが保障される。
【００１３】
実施例によると、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの撓みを感知するために、探針を支持するカンチレバーを照明するための光源及びカンチレバーにより反射された光の一部を受光する光検出器を含む。光源と光検出器は、探針の垂直移動線から水平に離れた位置に支持されることができる。一実施例で、(プリズムのような)反射要素は探針の垂直移動線に沿って配置されて、光源は反射要素に水平に調整され、スキャナによるカンチレバーの垂直移動に係わらずカンチレバー上の同一点が(本実施例では下方に)照射される。
【００１４】
このような実施例で、カンチレバーにより反射された光は一つ以上の光学要素を経て光検出器に誘導できる。例えば、ミラーはカンチレバーからの光を水平に光検出器に反射するために使用できる。この場合、ｚスキャナの移動による光検出器で検出された位置の誤差はソフトウェア的な方法により校正できる。また他の例として、互いに水平に横切って配置された二つの平行ミラーがカンチレバーと光検出器との間に使用されて、カンチレバーにより反射された光は光検出器に入射される光と同一な角度を有する。従って、この例で、光検出器上の同一点(例えば、中央)は(カンチレバーと光検出器が装着される)ｚスキャナの垂直移動に係わらず照射される。
【００１５】
また実施例によると、探針の移動線に沿って対物レンズとカメラを固定するために、光源と光検出器及びこれらの間の経路にある光学的中継要素をカンチレバーに垂直に近接に位置させることで、測定中のサンプルの直立軸上視界(direct on-axis view)を提供することができる。
【実施例】
【００１６】
図１に示したように、本発明による走査型プローブ顕微鏡３０は、ｚスキャナ１０をｘ−ｙスキャナ２０と物理的に分離する。スキャナ１０、２０は固定されている同一フレーム３５に装着されているが、対案的実施例ではスキャナ１０、２０が他のフレームに装着されることができる。また、スキャナ１０とスキャナ２０との間にｚステージ７３がある。ｚステージ７３は、ステップモーターを有する１次元移動ステージであって、サンプル表面がｚスキャナの働く範囲内に到達できるよう、(ｚスキャナに装着されたカンチレバーに取り付けられた)探針をサンプルチェック５０上のサンプルに近接させるために使用される。スキャナの装着方法に係わらず、二つのスキャナ１０、２０は物理的に互いに分離される(即ち、二つのスキャナは固定フレーム３５に結合されることを除いては機械的に結合されず、各スキャナは他のスキャナと独立されたフレームに対し相対的な運動を提供する)。
【００１７】
前記形態の走査型プローブ顕微鏡のようにｘ−ｙスキャナ２０がｚスキャナ１０から物理的に分離されるものは、Braunsteinらによる米国特許第６，３１０，３４２号、第６，０５７，５４６号及び第５，８５４，４８７号に記載のような二つのスキャナが単一ヘッドに統合されているものに比べ多数の利点を有する。二つのスキャナを備えたBraunsteinらのヘッドを使用する場合とは対照的に、ｚスキャナ１０(図１参照)が遥かに速く、且つ、より正確に移動することができる。
【００１８】
顕微鏡３０の一実施例は、サンプルチェック５０をｘ−ｙ方向にのみ走査する(即ち、例えばシリコンウェハを支持する)２次元屈曲ステージ２０(two-dimensional flexure stage)を使用し、探針カンチレバー３４をｚ方向にのみ走査する１次元圧電アクチュエータ１０を使用する。
【００１９】
屈曲ステージ２０の例は、ＰＩ社のhttp://www.pi.wsから利用可能なモデルＰ-７３０ステージである。このような屈曲ステージ２０は高い直交性を有して、ｘ−ｙ方向に大形サンプル(〜２ｋｇ)を最大１００Ｈｚ周波数まで走査することができる。この走査速度は、ｘ−ｙ軸に対する帯域幅要求条件がｚ軸に対する帯域幅要求条件より遥かに低いため、充分である。一実施例において、ｚスキャナとして使用されるスタック圧電アクチュエータ１０は適正予備荷重を受ける時、高いプッシュプル力と共に高い共振周波数(＞１０ｋＨｚ)を有する。
【００２０】
一実施例において、顕微鏡３０は、レーザー３１、レーザー光線調節器具(例えば、プリズム３２)及び光検出器(例えば、位置感知光検出器３３(Position Sensitive Photo Detector(ＰＳＰＤ)))を含む。光検出器３３はｚスキャナ１０により支持されて、ｚスキャナ１０はまたカンチレバー３４も支持する。
【００２１】
顕微鏡３０のこのような配置により、レーザー光線がｚスキャナ１０の移動に係わらずカンチレバー３４の同一点に照射されて、反射された光線は確実にＰＳＰＤの同一点に到達するようになる。従って、光検出器３３ではカンチレバー３４の撓みだけが測定される。図２の実施例において、レーザー３１とレーザー光線調節器具３２は探針ヘッドに固定されている。
【００２２】
レーザー３１からのレーザー光線はプリズム３２により反射されて、レーザー３１とプリズム３２はガラス板３７上に固定されている。ガラス板３７(とプリズム３２)のカンチレバー３４に対する角度は、ガラス板ホルダー３９の二つの対角線角に設けられた二つの螺子３８Ａ、３８Ｂにより調節される。レーザー光線が垂直方向にカンチレバー３４上に照射されるため、レーザー光線はｚスキャナ１０の移動に係わらず常にカンチレバー３４上の同一点に当てられる。
【００２３】
カンチレバー３４から反射された光線は、ステアリングミラー４０(steering mirror)により反射されて、光検出器３３に到達する。図２のミラー４０は、プリズム３２を通過する垂直線に平行な位置にある探針ヘッド３６により支持される。反射された光線がＰＳＰＤ３３の中央に当たるように、対角線角にある二つの螺子４１、４２を用いてステアリングミラー４０の角度を少し調節することができる。ステアリングミラー４０が垂直に設けられているため、反射された光線はｚスキャナの移動に係わらず常にＰＳＰＤ３３の同一点に当てられて、ＰＳＰＤ３３はカンチレバーの撓みだけを検出する。
【００２４】
一実施例において、光学顕微鏡を収容するためにカンチレバー３４上の空間確保が必要となる。このため、図３に示したように、ＰＳＰＤ３３をレーザー３１より低いところに位置させる。さらに、ステアリングミラー４０から反射されたレーザー光線の経路が図３に示したように水平になるように、ステアリングミラー４０は垂直に対してある角度(例えば、４５°)で設けられる。しかし、この配置では、反射されたレーザー光線によりＰＳＰＤ３３上に形成された地点は、ｚスキャナ１０の移動により変化する。図３に示したように、ｚスキャナ１０が距離ｈを移動する時、ＰＳＰＤ３３上のレーザー光線地点の位置はｈ(１−ｓｉｎ２θ)だけの誤差が発生する。この誤差量は、カンチレバー３４がｈだけ撓む時のレーザー光線地点の変位量に比べ極めて少ない。その理由は、反射されたレーザー光線の角度変化によるＰＳＰＤ上のレーザー光線入射位置の変位が遥かに大きいからである。光線の経路変化を説明するために、図面でｈが実際より非常に大きく誇張されて示されている。例えば、カンチレバーの長さは略１００μｍであるが、ｈは数ｎｍから数μｍ程度の非常に小さい数値である。
【００２５】
この誤差はステアリングミラー４０がｚスキャナに取り付けられている一部実施例では発生しない。しかし、質量が増加するにつれてｚ−帯域幅が非常に減少するようになる。ある実施例では、ｚスキャナでカンチレバー３４とＰＳＰＤ３３だけを走査する方式は、質量をかなり増加させてｚ−帯域幅を減少させるステアリングミラー４０を走査する方式に比べ、帯域幅を増加させる。
【００２６】
ｚスキャナの移動変位ｈは既知の数量であるため、ソフトウェアを用いて誤差ｈ(１−ｓｉｎ２θ)を補正することができる。対案的方法として、もう一つのミラー４３をさらに挿入することにより前記のような誤差を除去することができるが、この新しいミラー４３の角度はステアリングミラー４０の角度に平行であり、ＰＳＰＤ３３はミラー４３に向かっている。図４の構成では、第２ミラー４３が第１ミラー４０の影響を正確に補正するため、レーザー光線はｚスキャナ移動に係わらずＰＳＰＤ３３の同一点に照射される。
【００２７】
従って、プリズム３２上の空間(図４)は図５Ａに示したように、直立軸上光学顕微鏡(direct on-axis optical microscope)の設置に利用することができる。サンプルチェック(図５Ａには図示せず)により固定されているサンプルからカメラまでの光経路は、カンチレバー３４を通過する垂直線上にある。本実施例で、この光学顕微鏡の上部４４はフォーカシングステージ４５に(柔軟支持体５１(flexible mount)を通じて)柔軟に支持されて、下部４６は二つの側面に二つの螺子４８、４９を有するＵ字形ブラケット４７(図５Ｂに図示す)により固定される。二つのスプリングプランジャ(図５Ｂに図面符号化されていない)は螺子４８側の向こう側にある下位部４６を押し出して、二つの追加スプリングプランジャは螺子４９側の向こう側にある下位部４６を押し出す。このように配置することにより、二つの螺子４８、４９だけを手動調節して光学顕微鏡をパニング(panning)することができる。ピボッティング点(pivoting point)から焦点面までの距離は２００ｍｍ以上であるが、パニング距離(panning distance)は±０．５ｍｍより小さい。従って、パニングの間、焦点面の最大変異は１μｍより小さいが、これは光学顕微鏡の焦点深さ(focal depth)内にある。
【００２８】
図５Ａ及び図５Ｂに示した実施例とは違って、一部従来の大形サンプルＡＦＭ(例えば、TM Microscopes社のM5；Digital Instruments社のDimension 3100；また、本明細書に全体の内容を参考資料として含む米国特許第５，４６３，８９７号(Praterら)と米国特許第５，７０５，８１４号(Youngら)を参考する)では、傾斜ミラーがカンチレバーと対物レンズとの間に挿入される。傾斜ミラーはスクラッチなどの欠陥を有する虞があると共に光経路を全部収容することができないため、従来技術ではこのような光学顕微鏡の特性が低下される。このような従来の光学顕微鏡では、視野(view)を上下(左右)に移動させると、対物レンズが光軸から外れてしまい、非常にぼやけた像を映すようになる。全ての光学要素(対物レンズ、チューブレンズ及びＣＣＤカメラ)を一体に固定すると焦点合わせ（panning）に動いて、間に焦点深さの変化がほとんどなくなるため、前記のようなぼやけは図５Ａ及び図５Ｂに示した実施例によりなくなる。
【００２９】
図５Ａ及び図５Ｂに示した特定実施例(他の実施例はこの特定実施例において程度の差異はあるが)は下記のような利点を有する：
１）  走査精度：ｘ−ｙ軸とｚ軸との間のクロストーク(cross talk)が全くないため、高い走査精度が得られる。
２）  サンプルの大きさ：サンプルがｘ−ｙ方向にのみ走査されるため、小形サンプルだけではなく大形サンプルも充分高速で走査することができる。
３）  走査速度：ｚスキャナは、大きい力の高い共振周波数を有すると共に、カンチレバーとＰＳＰＤだけを走査すればよいため、従来技術よりｚサーボ周波数応答が遥かに大きい。
４）  便利性：レーザー光線調節器具は探針ヘッドに固定され、このようなレーザー光線調節器具を、別途の工具を使うことなく便利且つ正確に調節できるよう、充分大きくすることができる。
５）  光視覚：カンチレバーの上側に充分な空間が確保できるため、直立軸上光学顕微鏡(direct on-axis optical microscope)を収容することができる。
６）  焦点合わせ(panning)：ブラケットを有する単一体光学顕微鏡を使用することにより、光学顕微鏡の像がさらに鮮明で明らかになる。
【００３０】
一実施例で、運動学的探針取付け器具(kinematic probe mounting mechanism)は、図６Ａ〜６Ｆに示されたようなカンチレバーチップ(cantilever chip)を保持するために磁石を使用する。探針アーム(probe arm)６１はｚスキャナ１０に取り付けられる。三つのボール６２〜６４と二つの磁石６５、６６が図６Ｂに示されたように探針アーム(probe arm)６１の端に取り付けられる。この実施例の一例は、耐磨耗性を付与するために二つのルビーボール６２、６４と一つの硬化されたステンレス鋼ボール６３を使用する。このステンレス鋼ボールはカンチレバーと信号線６８との電気的接触のためのものである。図６Ｃに示されたように、ステンレス鋼ボール６３の高さは、ルビーボール６２、６４の高さより少し低くて、また磁石６５、６６の高さは、ステンレス鋼ボール６３より少し低い。磁石６５、６６は小さいディスク状のネオジム(neodymium)であり、さらに強い保持力を有するために互いに反対極性同士取り付けられている。カンチレバーチップ６９がチップマウント７０上に付着されて、チップマウント７０は図６Ｄに示されたように、穴(hole)７１とスロット(slot)７２とを備えた薄いｍｕ金属板(mu metal plate)である。
【００３１】
チップマウント７０が探針アーム６１の端の適所に挿入されると、二つのルビーボール６２、６４は穴(hole)７１とスロット(slot)７２に各々接触して、鋼ボール６３は確実な方法で運動学的取付けを保持に、チップマウント７０の平坦面と接触する。三つのボールと磁石の頂部(height)は、ボールはチップマウント７０に接触するが、磁石はチップマウントに接触しなく磁力によりチップマウントを保持できるよう充分近接しているように、一つの手段に配置される。チップマウント７０の幅は探針アーム６１の幅よりもう少し広い。このようにチップマウントをさらに大きく設計することにより、チップマウント７０(そしてカンチレバーチップ６９)を工具を使わず容易に交替することができるようになる。
【００３２】
図６Ａ〜６Ｄに示した前述の実施例は次のような長所を有する：1)磁石ホルダーを使用することにより、工具を使用することなく容易にチップマウントを交替することができる。2)チップマウントの位置は前記二つのルビーボールにより決定される。前記二つのルビーボール間の間隔が、与えられたチップマウント次元に対する三つのスロット/三つのボール配置体の場合でより広いため、この特別な設計は探針位置において優れた再現性を有する。3)非接触モードＡＦＭにおいて、カンチレバーは通常モジュレーター６７により振動される。この設計で、モジュレーターからの振動はステンレス鋼ボールを経てカンチレバーチップに直接的に伝達されて、ここでステンレス鋼ボールはカンチレバーチップの真上に乗っている。これはカンチレバーが二つのスロット間に取り付けられている三つのスロット/三つのボール配置体に比べ有利である。振動は薄いチップマウント板自体を通じてカンチレバーに伝達されて、これは不要振動モードの原因となる。
【００３３】
ｚステージ７３を有する探針ヘッド３６のドブテイル(dovetail)組み立て体の固定メカニズムが図７Ａ〜７Ｄに示されている。下部ドブテイルレール７４がｚステージ上に固く取り付けられている。上部ドブテイルレール７５は図７Ｃに示したように可撓性構造(flexure structure)７６を有する。上部ドブテイルレール７５の上部７７はｚステージ上に固く取り付けられるが、下部７８は上部レールの各端にある二つのスクリューにより押し下げられる。左側のスクリューは通常右ねじであり、右側のスクリューは左ねじである。各スクリューは、図７Ｄに示したように、１２個の可能な角度の一つに滑走され再挿入できる脱着式(removable)ハンドルを有する。使用者は、最終９０°回転により上部ドブテイルレール７８がヘッド３６に対して固く締められる(または解除される)適切な角度を選択することができる。
【００３４】
本発明に記述の実施例は、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者により、本発明の特許請求の範囲から外れない範囲内で多様に変更及び適用することができる。
【００３５】
本発明は、前述の実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の意図と範囲により定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一様態による、ｚスキャナがｘ−ｙスキャナから分離された走査型プローブ顕微鏡を示した概念図である。
【図２】一実施例による、図１の走査型プローブ顕微鏡で使用されるレーザー、プリズム、カンチレバー光線、ステアリングミラー及び光検出器を示した側面図である。
【図３】他の実施例による、図１の走査型プローブ顕微鏡で使用されるレーザー、プリズム、カンチレバー光線、ステアリングミラー及び光検出器を示した側面図である。
【図４】また他の実施例による、図１の走査型プローブ顕微鏡で使用されるレーザー、プリズム、カンチレバー光線、ステアリングミラー及び光検出器を示した側面図である。
【図５Ａ】本発明の他の様態による、評価中のサンプルの直立軸上視界のための光学要素を含む走査型プローブ顕微鏡を示した側面図である。
【図５Ｂ】一実施例による、ブラケットにより軸上光学モジュール(on-axis optics module)の焦点ステージ上の屈曲装着(flexible mounting)を示した図５ａの５Ｂ−５Ｂ方向の側断面図である。
【図５Ｃ】ｘ−ｙスキャナと固定フレームを含む、図５ａ及び図５ｂに図示されたタイプの走査型プローブ顕微鏡の組立て体を示した側面図である。
【図５Ｄ】ｘ−ｙスキャナと固定フレームを含む、図５ａ及び図５ｂに図示されたタイプの走査型プローブ顕微鏡の組立て体を示した正面図である。
【図５Ｅ】ｘ−ｙスキャナと固定フレームを含む、図５ａ及び図５ｂに図示されたタイプの走査型プローブ顕微鏡の組立て体を示した上面図である。
【図６Ａ】カンチレバーチップマウントの運動力学的取付けのために配置された探針アームの端を示した側面図である。
【図６Ｂ】カンチレバーチップマウントの運動力学的取付けのために配置された探針アームの端を示した拡大底面図である。
【図６Ｃ】カンチレバーチップマウントの運動力学的取付けのために配置された探針アームの端を示した底側面図である。
【図６Ｄ】図６Ａ〜６Ｃの探針と共に使用するためのカンチレバーチップマウントの平面図である。
【図６Ｅ】カンチレバーチップマウントと探針アームとの組立て体を示した側面図である。
【図６Ｆ】カンチレバーチップマウントと探針アームとの組立て体を示した底面図である。
【図７Ａ】探針ヘッドとｚステージとの組立て体を示した側面図である。
【図７Ｂ】探針ヘッドとｚステージとの組立て体を示した上面図である。
【図７Ｃ】探針ヘッドとｚステージとの組立て体を示した正面図である。
【図７Ｄ】ハンドルを付着するための図７Ｂの組立て体でのスクリューの使用を示した拡大図である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【国際調査報告】
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