(57)【要約】  力走査型プローブ顕微鏡、即ちFSPM（１００）と、それに関連する、試料（１１６）上で力測定を行う方法とは、直交する３方向に試料（１１６）を動かすように試料（１１６）を支持する表面を持った圧電スキャナー（１１８）を備える。FSPM（１００）はまた、前記表面に垂直な方向の試料（１１６）の運動を測定すると共に、閉ループ位置フィードバックを行うように対応する位置信号を生成する変位センサ（１６２）を備える。更に、プローブ（１０８）が圧電スキャナー（１１８）に対して固定されており、撓み検知装置（１２３）を用いてプローブ（１０８）の撓みを検知する。FSPMはまた、制御器（１２８）を備えている。この制御器（１２８）は、位置信号に基づいてスキャナー駆動信号を生成すると共に、データ取得の間力曲線測定パラメータを変更することができるユーザ定義入力に従って動作するのに適している。
2005512100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ平らな走査面を規定するほぼ直交する二つの軸方向におけるスキャナー運動を生成する圧電チューブと、
前記走査面にほぼ垂直な第３軸の方向のスキャナー運動を生成する撓み圧電ステージとを備え、
前記圧電ステージが前記圧電チューブに結合されていることを特徴とする圧電スキャナー。
【請求項２】
第３軸の方向の運動を検知すると共に、対応する位置信号を生成する変位センサを更に備える請求項１に記載のスキャナー。
【請求項３】
前記位置信号がチップ−試料間距離を表す請求項２に記載のスキャナー。
【請求項４】
前記変位センサが静電容量センサである請求項２に記載のスキャナー。
【請求項５】
前記変位センサがプローブ顕微鏡のプローブと試料との間に結合されている請求項２に記載のスキャナー。
【請求項６】
前記試料と前記プローブの一方が該スキャナーに結合されている請求項５に記載のスキャナー。
【請求項７】
該スキャナーが、プローブと、該プローブの運動を検知するプローブ運動検知装置とを有するプローブ顕微鏡の中に置かれ、該スキャナーによって試料を前記プローブに対して移動させ、前記変位センサが前記ステージに取り付けられている、請求項２に記載のスキャナー。
【請求項８】
制御器を更に備え、
該制御器が前記ステージを駆動する制御信号を生成し、該制御信号がユーザ定義入力に応じて生成される請求項７に記載のスキャナー。
【請求項９】
前記ステージが前記位置入力信号に応じて第３軸方向のスキャナー運動を生成する請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１０】
第３軸方向のスキャナー運動が前記ユーザ定義入力によって定義される運動とほぼ一致するように、前記制御信号が前記ステージを駆動する請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１１】
前記ユーザ定義入力が所定のスキャナー運動と対応しており、第３軸方向のスキャナー運動が前記所定のスキャナー運動とほぼ同じであるように、前記制御信号が前記ステージを駆動する請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１２】
前記ユーザ定義入力が位置対時間によって定義されたパスである請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１３】
前記ユーザ定義入力が力対時間によって定義されたパスである請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１４】
前記ユーザ定義入力がトリガー条件を備える請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１５】
前記トリガー条件が、所定の力、所定の力変化、および所定の力勾配のいずれか一つで
ある請求項１４に記載のスキャナー。
【請求項１６】
測定パラメータによって規定された力曲線測定動作の間、前記プローブ運動検知装置が、前記プローブと前記試料の間の相互作用に相当する前記プローブの運動を検知し、前記測定パラメータを変更するように前記トリガー条件が前記プローブ運動によって満足される請求項１５に記載のスキャナー。
【請求項１７】
前記位置信号に応じて駆動信号を生成して、ユーザ定義入力に対応する第３方向のスキャナー運動を生じる、閉ループフィードバック制御器を更に備える請求項２に記載のスキャナー。
【請求項１８】
前記ステージが前記第１面内のスキャナーの運動を機械的に増幅するように置かれている請求項１に記載のスキャナー。
【請求項１９】
前記圧電チューブと前記ステージの一方が試料に結合されるように構成されている請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２０】
前記ステージが試料に結合されるように構成され、前記圧電チューブが該試料を前記走査面内で移動させる請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２１】
前記圧電ステージによって生成されたスキャナー運動に加えて第３軸方向のスキャナー運動を生成する圧電Z アクチュエータを更に備える請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２２】
前記圧電チューブが前記アクチュエータと前記ステージの中間に配置されている請求項２１に記載のスキャナー。
【請求項２３】
前記圧電チューブが前記Z アクチュエータと前記ステージによって支持されている請求項２１に記載のスキャナー。
【請求項２４】
前記スキャナーがプローブ顕微鏡のプローブと試料との間の相対運動を生じる請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２５】
前記プローブが該スキャナーと結合され、前記試料が前記プローブに対して固定されている請求項２４に記載のスキャナー。
【請求項２６】
表面を有する試料と相互作用するプローブを有するプローブ顕微鏡であって、
ほぼ直交する３方向の前記試料と前記プローブの間の相対運動を生じる圧電スキャナーと、
前記表面に垂直な方向の相対運動を測定すると共に、対応する位置信号を生成する変位センサと、
前記圧電スキャナーに対して固定されたプローブと、
該プローブの動きを検知するプローブ運動検知装置と、
前記位置信号に基づいてスキャナー駆動信号を生成する制御器とを備える顕微鏡。
【請求項２７】
前記変位センサが前記スキャナーに取り付けられている請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項２８】
前記変位センサが前記プローブと前記試料との間に結合されている請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項２９】
前記スキャナー駆動信号が、スキャナー運動を定義する所定のユーザ定義入力に応じて
生成される請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項３０】
前記ユーザ定義入力が位置対時間によって定義されたパスである請求項２９に記載の顕微鏡。
【請求項３１】
前記ユーザ定義入力がトリガー条件を備える請求項２９に記載の顕微鏡。
【請求項３２】
前記トリガー条件が、所定の力、力変化、および力の変化率のいずれか一つである請求項３１に記載の顕微鏡。
【請求項３３】
前記スキャナー駆動信号が手動ユーザ定義入力に応じて生成される請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項３４】
前記スキャナー駆動信号が、力対時間によって定義されたパスである所定のユーザ定義入力に応じて生成される請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項３５】
試料上で力曲線測定を行う方法であって、
プローブを有するプローブ顕微鏡を設ける工程と、
前記試料の表面にほぼ垂直な方向の所期運動を定義するユーザ定義入力に応じて前記プローブと前記試料との間の相対運動を生成する工程と、
前記相対運動を検知すると共に、前記相対運動を対応する所期運動と比較する工程と、
前記試料が前記プローブと相互作用するときに前記プローブに働く力を測定する工程と、
前記測定ステップに応じて力曲線測定パラメータを変更する工程とを備える方法。
【請求項３６】
前記検知ステップに応じて前記プローブと前記試料との間の相対運動を生成するステップを更に備える請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記測定工程が前記プローブの運動を検知するステップを備える請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記変更工程を前記ユーザ定義入力に基づいて行う請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記力曲線測定パラメータが前記生成工程に関する方向である請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記力曲線測定パラメータが前記生成工程に関する速度である請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記力曲線測定パラメータが、所定時間量の間前記生成工程を休止することである請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記ユーザ定義入力が力対時間によって定義されたパスである請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
少なくとも二つの時間点に対して行われた前記測定工程に基づいて力勾配を決定する工程を更に備える、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記生成工程を前記変更工程の前に中断する請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記測定工程を少なくとも二つの時間点に対して実行し、前記変更工程を所定の力変化に応じて実行する請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記変更工程が予め決定されている請求項３５に記載の方法。
【請求項４７】
前記変更工程が、複数の時間点に対応する測定された力が、時間の関数としての所定の力プロファイルに対応するように、前記試料と前記プローブとの間の距離を調節する工程を備える請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記調節工程を力フィードバックループを用いて実行する請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
時間の関数としての前記試料と前記プローブとの間の距離を測定する工程を更に備える請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
前記変更工程が、位置対時間によって定義されたユーザ定義パスに従って前記プローブと前記試料との間の距離を制御する工程を備える請求項３５に記載の方法。
【請求項５１】
前記生成工程をセンサ付きZ ステージによって実行する請求項３５に記載の方法。
【請求項５２】
前記センサ付きZ ステージが圧電チューブスキャナーに結合され、該チューブスキャナーが第３軸にほぼ垂直な面の走査運動を行う請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
試料上の力曲線測定を行う方法であって、
ユーザ定義入力に従ってプローブと前記試料との間の距離を調節するための駆動信号を生成する工程と、
前記距離を測定する工程と、
前記測定ステップに応じて前記駆動信号を制御する工程と、
前記生成ステップに応じて、前記プローブに働く力を検知する工程と、
前記検知ステップに応じて力測定パラメータを変更する工程とを備える方法。
【請求項５４】
前記ユーザ定義入力が自動入力である請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ顕微鏡、より詳しくは、チップ−試料間の相互作用力を検知するプローブ顕微鏡（PM）装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジーの進歩が、単一分子を含む多様な試料についての機械的実験を可能にしたので、基本的な分子相互作用を直接研究することができる。詳しくは、アクチンフィラメントやDNA などの生物分子の機械的特性が、これらの研究を実施するための計器類の進歩につながった。この点に関しては、現在使用されている、力範囲と動作範囲の異なるシステムと方法には、磁気ビード、光ピンセット、ガラス製微細針、生体膜力プローブ（BFP ）、走査型プローブ顕微鏡法（SPM ）、および原子間力顕微鏡法（AFM ）がある。
【０００３】
数ピコニュートン（pN = 10-12 N）程度の力感度を有するAFM は、表面間の基本的な力相互作用を探査する優れた手段である。AFM は、金属プローブなどのシステムと絶縁性雲母表面との間のファンデルワールス引力および静電引力／斥力の性質と、窒化珪素・ダイヤモンド・アルミナ・雲母・ガラス・黒鉛などの材料を有する絶縁性試料および導電性試料上での絶縁性プローブの性質を探査するために使用されてきた。他の応用には、親水性珪素表面、非晶質炭素表面、および、滑らかなSiO2表面の上での毛管凝縮の形成または抑制を含む、粘着・摩擦・磨耗の研究がある。
【０００４】
より詳しくは、生物分子に対して、力はしばしば重要な基本的かつ構造上のパラメータである。いくつか例を挙げれば、DNA 複製、蛋白質合成、薬物相互作用などの生物学的処理は、分子間力によって大きく左右される。しかしながら、この力は極めて小さい。ピコニュートン程度の感度を有するSPM がこの相互作用を分析するために使用されてきた。この点に関しては、SPM が、非常に小さな試料を分析するために特に有用な情報を提供する力曲線を生成するために、一般的に使用されている。
【０００５】
構造と機能と力の間の関係に関する知識は進化しつつあり、そのため、特にSPM を用いた単一分子力分光法が、単一生物分子のその自然環境における構造および機能上の調査のための万能分析ツールとなってきた。例えば、SPM による力分光法は、異なるレセプターリガンド・システムの結合力を測定し、蛋白質ドメインの可逆展開を観察し、原子間結合フリップのレベルでの多糖類の弾力性を調査するために使用されてきた。また、分子モータとその機能、DNA の仕組み、薬物における蛋白質などのDNA 結合剤の働きもまた観察されている。更に、SPM は、生物標本上でのナノ機械測定（例えば、弾性）を行うことができるので、細胞力学・蛋白質力学などの学科に関するデータを提供することができる。
【０００６】
AFM 力測定を行うもう一つの主な用途は、ナノ規模の薄膜とクラスタの機械的特性の研究が興味の対象である材料科学にある。例えば、集積回路などの微細構造物が微細化しつづけているので、薄膜の機械的動作を材料の既知の特性から探究することはますます不正確になっている。従って、コンピュータの速度を高め、メモリおよび記憶装置の容量を大きくすることが引き続き要求されるので、金属およびその他の一般に使用される材料のナノ規模の仕組みを理解することがますます重要となっている。
【０００７】
原子間力顕微鏡（AFM ）などの計器を含むPMは、一般に先の尖ったチップと弱い力を使って、試料の表面を原子レベルの寸法まで特徴づける装置である。一般に、AFM は、試料の表面に導かれて試料の特徴の変化を検知するチップを持ったプローブを備えている。この場合、チップと試料との間の相対的な走査運動を行うので、表面特徴データを試料の特
定領域にわたって取得することができ、対応する試料表面図を生成することができる。しかしながら、PMには、同様にプローブを用いて試料特性を特徴づけるが走査はしない分子力プローブ（MFP ）などの装置もある。
【０００８】
AFM の一つの応用においては、試料かプローブのいずれかを、プローブのカンチレバーの運動に関する信号に応じて、試料表面に比較的垂直に上下移動させ、特定のイメージ作成パラメータを維持するように（例えば、定値振動振幅を維持するように）、試料をその表面にわたって走査する。この方法においては、この垂直運動に関するフィードバックデータを格納したのち、測定される試料特徴に対応した試料表面のイメージ、例えば、表面トポグラフィーを構成するために使用する。他の種類のイメージは、カンチレバー運動あるいはその信号の変形版（即ち、撓み、振幅、位相、摩擦など）の検知により直接生成されるので、厳密にはトポグラフィカルイメージではない。
【０００９】
トポグラフィカルイメージ作成などの表面特徴イメージ作成のほかに、AFM は、試料とその表面のナノ機械的特性や他の基本的な特性を探査することができる。また、AFM の応用は、コロイド力の測定から、DNA の仕組みを分析するための個々の蛋白質における酵素の働きの監視までの応用に及んでいる。
【００１０】
生物学的試料を測定する場合、例えば、試料の剛性を測定することが有用である。一例としては、DNA から塩結晶を分離するためや、硬質表面からDNA を分離するために行われる。本発明の被譲渡人に譲渡された特許文献１の中に、原子間力顕微鏡が記載されており、その顕微鏡においては、システムが試料の局部剛性（力分光）とトポグラフィーの両方を作図することができる。好ましい実施においては、試料の剛性図は、走査の間、チップと試料の間の力を調節することによって得られ、この調節は、チップと試料の間の平均力を一定に保ちながら、試料の垂直位置を調節することにより行われる。チップに働く力の尺度であるカンチレバーの撓曲は、カンチレバーの裏面から反射される光ビームの屈折を検知する光検知器によって測定される。簡単な例では、本特許のAFM と力分光装置がガラス表面上にあるDNA を研究するために用いられてきた。力を調節してから試料の剛性をイメージすることは、粗いトポグラフィクイメージを有するガラスなどの表面が、DNA などのその上の軟質分子が容易にイメージされるようにする平坦な剛性イメージを持つことになるという利点がある。
【００１１】
とりわけ、プローブ顕微鏡の重要な要素はその顕微鏡用センサ、即ちプローブである。プローブは微小カンチレバーを備え、その設計と組み立てはこの分野で周知のものであり、一般的に珪素、窒化珪素、またはガラスで形成され、一般的な寸法は、長さが10〜1000ミクロンの範囲にあり、厚みが0.1 〜10ミクロンの範囲にある。プローブはまた「チップ」を備え、このチップは、特にAFM においては、一般的に、試料方向に延びるカンチレバーの自由端の近くにある先の尖った突起である。プローブ顕微鏡法の更に一般的な分野においては、チップは、無くてもよく、また、何らかの他の形状・サイズのものにして、特定の種類、大きさ、または幾何学的配置のチップ−試料間相互作用を制御したり、もっとアクセスできるようにしてチップ表面を化学的に変化させるようにしてもよい。
【００１２】
プローブ顕微鏡の第２の重要な要素は走査機構（「スキャナー」）であり、それはプローブと試料との間の相対運動を生じる。そのようなスキャナーは、試料に対してチップを動かすか、チップに対して試料を動かすか、その両方の何らかの組み合わせを行うことができることは当業者にとって周知のことである。また、プローブ顕微鏡には、スキャナーがほぼ直交する三方向の運動を一般的に生じる走査型プローブ顕微鏡と、ほぼ直交する三より少ない方向の運動を生じるスキャナーを有する計器（即ちMFP ）の両方がある。
【００１３】
図１A 〜１E および図２に、SPM を使用した力分光法を示す。より詳しくは、図１A 〜
１E は、プローブ１０のチップ１４と試料１６との間の力が、試料上の選択点（X, Y）において、チップ−試料間距離が試料表面にほぼ垂直な方向に調節されるときに、プローブ１０のカンチレバー１２をどのように撓ませるかを示している。図２は、力の大きさを試料位置の関数、即ち力曲線またはプロファイルとして示している。
【００１４】
図１A において、プローブ１０と試料１６は接触しておらず、試料を試料表面にほぼ垂直に動かすことによって両者の間の距離が狭められる。ゼロ力がチップ−試料接近のこの点において測定され、このことは、図２の曲線の平坦部分A に反映されている。次に、プローブ１０は遠距離引力（または斥力）をうけて、表面と接触するまで下方（または上方）に撓む。この結果を図１B に示す。より詳しくは、チップ−試料間距離が狭められるとき、チップ１４は、試料からの十分な引力に出会うならば、「一足飛び」に試料１６と接触することができる。その場合、それに対応するカンチレバー１２の曲げが、図２の記号B で示された曲線部で示すように、力プロファイル上に現れる。
【００１５】
次に図１C において、チップ１４が試料１６と接触するとすぐに、カンチレバーがそのゼロ（非撓み）位置まで戻り、試料を更にプローブ１０に向かって移動させるときに上方に動く。プローブ１０のカンチレバー１２が十分硬ければ、プローブチップ１４は試料の表面に入り込むことができる。特に、この場合、力曲線の「接触部分」の傾斜または形状が、試料表面の弾性についての情報を提供することができる。図２の曲線のC 部分がこの接触部分を示す。
【００１６】
図１D において、プローブ１０のカンチレバー１２に望ましい力値まで負荷をかけた後、試料の変位を逆にする。プローブ１０が試料から引き戻されるとき、チップ１４が表面１６に直接付着しているか、チップ１４と試料１６が、例えば、両端がチップ１４と試料１６に付着している分子を介して結合している。この付着または結合がカンチレバー１４を力に応じて下方に撓ませる。図２の力曲線は、カンチレバー１４のこの下方向の曲げをD 部分で示している。最後に、図２の記号E で示された部分において、上記付着または結合が壊れ、プローブ１０が、図１E に示すように、試料１６から離れる。特に有用な情報が、付着を壊すか結合された分子を引き伸ばすために必要な力の測定を含む、力曲線測定のこの部分に含まれている。
【００１７】
上に述べた試料力測定の一例を図３に示す。この図では、DNA ２０の二つの相補鎖がそれぞれチップ表面２２と試料表面２４に固定されている。チップ−試料間距離を調節することによって、図２に示すような力曲線を生成することができる。その結果、DNA の二重連鎖分子を引き伸ばし解くために必要な力とエネルギーの量的測定を図にすることができる。
【００１８】
つまり、簡単な力曲線が、チップが試料表面上の点に接近し、そこからから後退するときにプローブのチップに働く力を示す。「力体積」として知られるもっと複雑な測定が、試料領域全体にわたって上述されたように得られる数多くの力曲線によって規定される。各力曲線を試料表面上の固有のX-Y 位置において測定し、数多くのX-Y 点についての曲線を組み合わせて、力データの三次元アレイまたは体積とする。体積内の点における力値は、その位置（x, y, z ）でのプローブの撓みである。
【００１９】
この例は具体的には、カンチレバーの撓みを力の尺度として使用するAFM 力測定に関するものであるが、ほぼ同様なプローブ・計器・アルゴリズムを用いて測定できる他の物理化学特性があることは当業者にとって明らかであろう。
【特許文献１】米国特許第5,224,376 号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
SPM はそのような測定をするのに特に有用であるが、既知のシステムには固有の問題がある。より詳細には、一般的なSPM は、チップまたは試料を移動させながらトポグラフィクイメージを生成すると共に力測定を行う従来の微小運動圧電スキャナーを使用する。圧電スキャナーは、このスキャナーの圧電材料上に置かれた電極に電圧をかけたときに微小量だけ移動する装置である。全体的にみて、そのような圧電スキャナーによって生成される運動は全く予想可能ではないため、そのようなスキャナーにはかなりの限界がある。
【００２１】
圧電スキャナー３２を備えた従来のAFM ３０を図４に示す。スキャナー３２はX-Y 部分３４とZ 部分３６を有する圧電チューブスキャナーである。この配置において、スキャナー３２のＺ部分３６は試料４２を支持するのに適合している
力測定を行うために、スキャナー３２の部分３４は、試料４２をAFM ３０のプローブ４４に対して、選択された位置（x, y）まで移動させる。前に述べたように、スキャナー３２を作動させるために、部分３４，３６はその上に置かれた電極（例えば、X-Y 部分に対しては３８と４０）を有し、この電極は制御器から適当な電圧差を受け取り、この電位差が、印加されたときに望ましい運動を生じる。次に、図１A 〜１E および図２に示された力曲線測定に関連して述べたように、Z 部分３６を作動させて試料４２をプローブ４４のチップ４６に向かって移動させる。また、チップ４６が試料４２と相互作用を起こすと、プローブ４４のカンチレバー４８が撓む。この撓みを撓み検知システム５０で測定する。検知システム５０は、光ビームL をカンチレバー４８の反射性裏面に向けるレーザ５１を備えている。ビームL はカンチレバー４８で反射し、反射したビームL はビームステアリングミラー５２と接触し、このミラーがビームL をセンサ５４に向ける。センサ５４は次に、カンチレバーの撓みを示す信号を生成する。カンチレバーの撓みは力に関係しているので、撓み信号を変換し、力として図式化される。
【００２２】
SPM のための標準的な圧電スキャナーは通常、ほぼ直交する三方向に移動することができ、そのサイズを変更して、一般的には数ナノメータの走査範囲を、X-Y 平面において数百ミクロン、Z 軸において一般的に１０ミクロン未満にすることができる。更に、AFM の特定の実行に従い、スキャナーは、カンチレバーの下で試料を移動させるか、試料の上でカンチレバーを移動させるかのいずれかのために用いられる。
【００２３】
SPM における現在の一般的なスキャナーに関する上述の方法と限界は多くの場合、XY運動が一般的に周期的であり、Z 方向の動きの相対的測定を用いることが容認される従来のイメージ作成モードにおいてプローブ顕微鏡を用いる応用において容認される。
しかしながら、力分光実験は一般に、特にZ 軸（試料表面にほぼ垂直な軸）における相対的なチップ−試料間運動の更に厳密な制御を要求する。
【００２４】
一般的な圧電スキャナーは直線運動を示さない。即ち、動作範囲なら、ピエゾへの印加駆動電圧の任意の変化が、異なる領域における異なる大きさの運動を生じる。一般的な圧電スキャナーはまた、一般的にヒステリシス運動を示す。即ち、特定の電圧段差をスキャナーに加えたのち、その段差を逆に正確に再びたどるならば、スキャナーが、伸張と後退で異なる位置パスをたどることがわかる。圧電スキャナーはまた、「クリープ」する。このことは、圧電スキャナーが、印加駆動電圧が変動を停止したのち、ある時間、伸張または後退し続けることを意味する。圧電チューブスキャナーはまた、一般的にZ 軸方向の低共振周波数を有している。このことは、スキャナーが役立つ動作速度範囲上の深刻な限界を表すことは当業者にとって明らかである。これは、圧電材料が、共振周波数を通過したりその近くにある複雑な振動を受けるためである。
【００２５】
これらの限界のいずれか一つまたはそれ以上のものは、明らかにチップ−試料間運動の整合性を危うくするので、収集された対応データは余り役に立たない。これらの限界を克
服することは本発明の重要な目的の一つである。
【００２６】
これらの問題に対処する、相対的なチップ−試料間運動の別の方法があるが、それらは新しい問題を生じる可能性がある。例えば、センサをこの分野における周知の種々の方法によって圧電スキャナーに結合することができる。そのようなセンサは、制御電圧が運動を表すという通常の前提が多ければ多いほど、より正確な運動記録を生じることができる。しかしながら、スキャナーにセンサを追加することは、これらの望ましくない運動だけを検出し、補正しないことになる。しかしながら、そのようなセンサ付きスキャナーは、運動を位置の変化の間監視すると共に、印加駆動電圧を必要に応じて調節して、運動の実際の経路を制御信号によって指定された経路に一層厳密に一致させる、閉ループフィードバック構成において用いることができる。そのようなセンサ付き閉ループスキャナーは、ピエゾ作動型撓みステージ（ステージ）として知られるスキャナーの別の機械設計と共に最も一般的に実現される。このステージには、ステージの運動を一つの軸に制限すると共に、ステージを機械的に強化することを主たる目的とした、ステージの運動についての機械的制約（撓み）がある。この設計はまた、圧電チューブ設計よりも明らかな、センサを含めるための可能性を提示している。だが、いずれも実現可能性はある。この撓みステージは、同様な範囲の圧電チューブスキャナーに対するステージの共振周波数を増加させるという別の利点を提供する。
【００２７】
それにもかかわらず、上記のものが三軸全てにおける閉ループ撓みステージを含む設計を提案しているようにみえるが、実際にはそのような設計は重大な欠点を有している。三軸撓みステージ設計の短所の中には、三軸撓みステージが、制約機構とセンサの追加質量と体積のために、同様な範囲の一般的な圧電チューブスキャナーよりもかなり大きくなるということがある。実際、設計が大きければ大きいほど、外部の振動源と音響雑音源をスキャナーの運動に結びつけ易くなり、このことは力分光法に対するスキャナーの有用性を著しく低下させる。閉ループ撓みステージはまた、同様な範囲の圧電チューブスキャナーよりも著しく高価である。
【００２８】
従って、三軸全てのための撓みステージの使用は、小型・低雑音で比較的安価な計器の設計にとって望ましくない。
また、従来の力曲線測定を行うために用いられる方法についての欠点もある。実験的には、力曲線測定は、図５A に示すように、Z 軸スキャナーの電極に、例えば、周期的な三角波電圧パターンを印加することによって行われる。この三角波駆動信号は、スキャナーを縦方向に伸張させたのち収縮させ、プローブと試料の間の相対運動を生じる。このようなシステムにおいては、三角波の振幅のみならず周波数を制御できるので、研究者は、AF
M カンチレバーチップが力測定の間移動する距離と速度を直線的に変化させることがで
きる。図５B に図５A に示したものと同様の駆動信号を示す。しかしながら、この場合においては、駆動信号はZ スキャナー運動の方向の各変化と変化の間に休止を含んでいる。いずれの場合も、駆動信号は周期的である。しかしながら、しばしば、例えばある試料の複雑な機械モデルに対応する力を分析するための、チップ−試料間距離を調節する速度、休止期間（例えば、表面上のチップと分子の間の分子結合を可能にする）などを含む力測定のパラメータを、非周期的な方法で変化させることが望ましい。この点に関しては、従来のシステムがしばしば、非周期的な測定を行う場合の柔軟性に欠けることに注目すべきである。従って、力測定を行う場合の柔軟性が改善されたシステムが望まれていた。例えば、チップ−試料間の力の具体的な変化または変化率、あるいは、チップ−試料間の力の具体的な値が、当の試料に関する何らかの特性を示すことができる。従って、具体的な測定条件に応じて力曲線測定パラメータ（例えば、移動の速度）を変えることが望ましいであろう。あるいは、例えば、位置（距離）対時間のパスをたどる代わりに、望ましい力プロファイルを生じるように位置（距離）が制御される、力対時間のパスをたどることが望ましいかも知れない。
【００２９】
概して、プローブ顕微鏡で力測定を行う分野は、比較的小さなパッケージの中に含まれ、Z 運動の正確な制御を伴う大きなZ 軸範囲を備え、比較的高い共振周波数を有するスキャナーを備えたシステムを必要とした。また、この分野は、測定される特定の力に従って、および、力測定を行う場合の柔軟性を最大にするための特定のプロファイルに従って、力測定を行うことができるシステムを必要とした。力分光法のための基本的要件ではないが、SPM をベースにしたシステムを、動作のモードを簡単に切り換えることによって従来のAFM 測定（例えば、トポグラフィー）を行うことができるようにすることもできる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
好ましい実施態様は、撓みZ ステージと圧電チューブXYスキャナーを組み合わせた力走査型プローブ顕微鏡（FSPM）を提供することによって、従来技術システムの欠点を克服する。より詳しくは、適切なチップ−試料間位置決めを維持し、それにより力曲線測定の整合性を最大にするために、Z アクチュエータステージをセンサ付きとする。また、FSPMは、ユーザ定義位置／力プロファイルに従って動作するよう適合することと、力測定パラメータをトリガー条件に応じて変化させる能力を有することによって、より正確な位置決めと共に改善された力測定を行うための能力を利用する。これらの自動制御機能に加えて、FSPMはまた、ユーザに、触覚または聴覚警報などの警報フィードバックに従って、チップ−試料間距離を操作させる手動制御装置を備えている。力分光法のための基本的要件ではないが、プローブ顕微鏡をベースにしたFSPMを従来のAFM モードで動作するようにすることもできる。
【００３１】
好ましい実施態様の第１の側面によれば、圧電スキャナーは、ほぼ平坦な表面（走査平面）を規定する二つのほぼ直交する軸の方向のスキャナー運動を生じる圧電チューブを備えている。更に、スキャナーは、走査平面にほぼ垂直な第３軸の方向におけるスキャナー運動を生じる撓み圧電ステージを備えている。また、圧電ステージを圧電チューブと結合させるのが好ましい。
【００３２】
好ましい実施態様のもう一つの側面によれば、センサは、第３軸方向の運動を検知し、対応する位置信号を生成する変位センサを備えている。
本実施態様のもう一つの側面においては、スキャナーは、プローブと、プローブの運動を検知する検知装置とを有するプローブ顕微鏡内に配置される。試料は、スキャナーが相対的なチップ−試料間運動を生じるように位置決めされ、変位センサはステージ上に取り付けられる。
【００３３】
好ましい実施態様の更なる側面によれば、ステージとセンサがデータ取得制御システムに接続されており、このデータ取得制御システムはステージを駆動する制御信号を生成する。また、この制御信号はユーザ入力に応じて生成されるのが好ましく、このユーザ入力は、トリガーを含むことができる位置または力のプロファイルであることができる。
【００３４】
好ましい実施態様の別の側面によれば、ユーザ入力が、望ましいスキャナー運動に対応し、制御信号が、第３軸方向のスキャナー運動が望ましいスキャナー運動とほぼ同じになるように、ステージを駆動する。
【００３５】
好ましい実施態様の更なる側面によれば、力走査型プローブ顕微鏡（FSPM）は、試料をほぼ直交する３方向に動かすように試料を支持する表面を有する圧電スキャナーを備えている。FSPMはまた、表面にほぼ垂直な方向における試料の動きを測定すると共に、閉ループ位置フィードバックを行うよう対応する位置信号を生成する変位センサを備えている。更に、プローブが圧電スキャナーに対して固定されている一方、プローブ運動検知装置がプローブの運動を検知するために使用されている。FSPMはまた、位置信号に基づくスキャ
ナー駆動信号と、データ取得の間に力曲線測定パラメータを変更できるユーザ定義入力とを生成するデータ取得制御システムを備えている。
【００３６】
本発明の更なるもう一つの側面においては、試料上で力曲線測定を行う方法が、プローブを有するプローブ顕微鏡を備えるステップを有している。次に、この方法は、試料の表面にほぼ垂直な方向の所期運動を定義するユーザ定義入力に応じてプローブと試料間の相対運動を生じる。更に、本方法は、相対運動を検出するステップと、その相対運動を対応する所期運動と比較するステップを備える。また、試料がプローブと相互作用するときにプローブの運動を測定し、それに応じて測定パラメータを変更することができる。
【００３７】
本発明のもう一つの側面によれば、試料上で力曲線測定を行う方法が、プローブと試料間の距離をユーザ定義入力に従って調節するための駆動信号を生成するステップを備える。更に、本方法は、上記距離を測定するステップと、駆動信号を測定ステップに応じて制御するステップを備える。その後、プローブの運動を生成ステップに応じて検知する。本法は更に、検知ステップに応じて測定パラメータを変更するステップを備える。
【００３８】
本発明のこれらおよび他の目的・特徴・利点は、以下の詳細な記述と添付図面とから当業者にとって明らかとなるであろう。しかしながら、その詳細な記述と具体例は、本発明の好ましい実施態様を示しているが、説明のためのものであってそれに限定されるものでないことは理解されるべきである。本発明の範囲内で本発明の精神から逸脱することなく多くの変更が可能であり、本発明はすべてのそのような変更を含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明の好ましい典型的な実施態様を添付図面に示す。添付図面を通して同一参照数字は同一部品を表す。
最初に図６に、高度のデータ取得柔軟性をもって力体積測定を含む高精度の力測定を行う力走査型プローブ顕微鏡（FSPM）１００を示す。FSPM１００は、原子間力顕微鏡（AFM ）１０２、データ取得制御システム１０４、およびユーザインターフェース１０６を備えている。プローブ顕微鏡１０２は、基板１１２から延びるカンチレバー１１０を有するプローブ１０８を備えている。カンチレバー１１０は、カンチレバー１１０にほぼ直角に延びるようにチップ１１４が結合された自由端を備えている。プローブ１０８は、従来のプローブ保持器などの支持器（図示せず）の中に置かれているので、一まとめにしてプローブ組品と呼ぶ。
【００４０】
次に、試料１１６が従来の方法で圧電スキャナー１１８上に取り付けられている。試料１１６は、例えば、対象の物質の単一分子を含むことができる。好ましい実施においては、スキャナー１１８はほぼ直交する三方向X 、Y 、Z に試料を動かすために使用される。とりわけ、X 、Y 方向の動きは試料１１６の測定表面に一般的に平行な走査平面を規定し、Z 方向の動きは走査平面にほぼ垂直である。本発明によって考えられた力測定を行う重要な側面は、チップと試料が特定の走査位置（x, y）において相互作用するようにチップ−試料間距離を正確に調節することである。この点に関しては、チップと試料の両方を動かすいくつかの組み合わせが、相対的な3-D 動作を行うために実行可能であろう。
【００４１】
好ましい実施態様によれば、そして以下に更に詳細に述べるように、スキャナー１１８はX-Y チューブスキャナー１２０を備えている。このスキャナーは、AFM シャーシ（図8 に示す１６０）に取り付けられ、走査平面、即ち、スキャナー１１８の上面と試料表面にほぼ平行な平面内で試料１１６を動かす。その結果、チューブ１２０は、試料の選択された点を、プローブ１０８のチップ１１４の下に、それに従って、位置付けるように動作する。スキャナー１１８はまた、X-Y チューブ１２０によって支持され、図１０に概略示されるセンサ付きZ アクチュエータ１２２を備えている。
【００４２】
FSPM動作の間、センサ付きZ アクチュエータ１２２は、試料１１６とプローブ１０８の間の相互作用を生じながら、試料１１６をプローブ１０８のチップ１１４に向けて移動させ（接近させ）、チップ１１４からはなす（後退させる）。その点に関しては、プローブチップ１１４と試料１１６が相互作用するとき、カンチレバー１１０が撓む。この撓みはスキャナー１１８によって与えられるZ 動作の関数（例えば、１またはそれ以上の接近／後退周期）として測定可能であり、対応するデータを用いて力曲線を図式化できる。
【００４３】
撓みを測定する好ましい方法は、光源１２４が発生した光ビームL をカンチレバー１１０の裏面に向ける撓み検出装置１２３を使用することである。ビームL はカンチレバー１１０で反射され検知器１２６に向かう。検知器１２６は、例えば、反射されたビームの位置に基づく撓み検知信号を生成する従来の４電池光検知器とすることができる。この信号はデータ取得制御システム１０４に送信される。このデータ取得制御システム１０４は、以下に更に詳しく述べるように、閉ループ構成内にあるスキャナー１１８と通信して、特定のイメージ作成パラメータセットに基づいてチップ−試料間距離を調節する。光ビームは、低雑音、低干渉性長さの光の光源（例えば、レーザまたは超発光ダイオード）によって生成するのが好ましい。
【００４４】
とりわけ、そのようなプローブ顕微鏡は、撓み以外の何らかの他のプローブ運動（例えば、振動運動）が測定されるモードか、あるいは、プローブの運動（即ち、撓み）が何らかの外部力（即ち、レーザ圧力）の印加によってある設定値で維持されるため、この外部力の大きさがチップ−試料間相互作用に関係しているモード、のいずれかで動作可能である。
【００４５】
図９と図１０に関連して以下に更に詳細に述べるように、X-Y スキャナー１２０は、適当なカップリングを介してセンサ付きZ アクチュエータまたはステージ１２２に結合されている圧電チューブスキャナーであるのが好ましい。一方、センサ付きZ アクチュエータ１２２は、金属の塊で構成され、対象方向、即ち、この場合においては垂直またはZ 方向の制約された運動を与える撓み点を有する圧電撓みステージアクチュエータであるのが好ましい。チューブスキャナーと撓みステージアクチュエータの組み合わせには、以下に詳細に述べる走査範囲、予測可能、反復可能運動、および高共振周波数を含む、力測定を行う場合の重大な利点がある。
【００４６】
引き続き図６において、データ取得制御システム１０４はスキャナー１１８と通信して、特定の力測定パラメータに従ってスキャナーを作動させる。より詳しくは、制御システムは、力制御器１２８と、AFM 制御器１３０と、コンピュータ１３２を備えている。力制御器１２８は、チップ−試料間距離を調節するように動作すると共に、望ましいZ アクチュエータ運動を、試料１１６の実際の運動またはチップ−試料間距離を直接監視するセンサ（図８の１６２）からのフィードバックを介して確実に維持するように動作する。力制御器１２８はまた、スキャナー１１８の運動を制御するSPM 制御器１３０に結合されて、例えば、選択されたSPM 動作モード（例えば、振動モード）を用いてトポグラフィーイメージを得るために、表面特徴をイメージする。
【００４７】
力制御器１２８とSPM 制御器１３０は更にコンピュータ１３２と通信する、このコンピュータ１３２は、本発明の少なくともいくつかの実施態様において、望ましい実験に従って制御器１２８、１３０に命令を与える。一般に、広範囲の試料の上での力測定を行う場合の柔軟性を達成する（図１３A 〜C 、図１５A 〜C 、および図１７とそれに対応する記述を参照）と共に、データの永久記録を得るように、望ましい力測定パラメータがデータ取得制御システム１０４に伝達される。
【００４８】
信号の正確な性質とルーチンおよび参照される種々の制御器は余り重要でないことに注目しなければならない。例えば、制御チャンネルとデータチャンネルはアナログ信号またはディジタル信号として送信することができる。三つの通常の制御器／コンピュータへの制御機能の分離は、ハードウェアまたはソフトウェアの単一制御器／コンピュータで全く同様に達成することができる。手短に言えば、当業者は、基礎となる発明の概念の精神と範囲から逸脱しない、説明された制御・データ取得アルゴリズムのための実施の他の枠組みを容易に考えることができる。
【００４９】
この点に関しては、力測定パラメータは、ユーザフィードバックインターフェース１０６から、自動制御用コンピュータ１３２へか、直接に手動制御用力制御器１２８への通信に従って、変更可能である。例えば、制御システム１０４によって行われる制御は、図１２〜１７に関連して以下に詳細に述べるように、オペレータの望ましい力測定に従って、ユーザ波形入力１３４またはユーザトリガー入力１３６によって規定できる。一方、望ましい力測定パラメータのコンピュータ制御を行わずに、これらのパラメータを、機械式フィードバックユーザインターフェース１４０を介して、力制御器１２に直接伝達することができる。
【００５０】
システム１００の機械式フィードバックユーザインターフェース１４０は、ユーザが手動でスキャナー１１８の作動を調節できるように力制御器１２８に接続されている。従って、ユーザはそれ相応にチップ−資料間距離を調節することができる。機械式フィードバックインターフェース１４０は、試料１１６をプローブ１０８のチップ１１４と相互作用させるように試料を（あるいは特定の実施に対しては適宜プローブを）移動させるためにユーザが手動で操作する回転式ノブ１４２のような操作可能装置を備えるのが好ましい。この方法で、ユーザは、警報として手動インターフェース１４０にフィードバックされる測定された力に基づいて、試料１１６に関する資料構造と特性を本質的に「感じる」ことができる。好ましい実施態様においては、この警報信号は操作ノブ１４２に関する特徴、例えばトルク、を警報するために使用することができる。オペレータはそれから、チップ−試料間距離を調節して、分子を伸ばしたり、蛋白質ドメインの展開／再折りたたみを観察したり、その他のことをしたりする。手動インターフェース１４０はまた、検知される力に関する量的値をFSPMオペレータが監視することができるように、ディスプレイ１４４を備えることが好ましい。
【００５１】
また図６において、コンピュータ１３２はディスプレイ１３８と接続されていて、FSPMオペレータに実際の力、力体積、またはSPM イメージデータを提示する。また、システム１０４のコンピュータ１３２はキーボード／マウスまたは他の適当なユーザインターフェース１４６と通信して、これらの種々のオプションが、例えば、グラフィカルユーザインターフェース（GUI ）（図示せず）を介してオペレータによって選択されるようにする。
【００５２】
図７は、FSPM１００を更に詳細に示す。詳しくは、好ましい実施態様の力フィードバック機構を示す。データ取得制御システム１０４の力制御器１２８はZ 位置駆動／フィードバックループ１４８を備えている。このZ 位置駆動／フィードバックループ１４８は、閉ループ制御ブロック１５０、好ましくは、比較回路と利得段（図示せず）を含む従来のアナログ回路を有し、このアナログ回路は、アクチュエータ１２２の直線運動、言い換えれば、ユーザ入力によって定義された望ましいZ 運動に対応する運動、を維持するために圧電撓みZ アクチュエータ１２２を制御する駆動信号を生成する。制御ブロック１５０は、二つの入力に基づいてZ ステージ駆動信号を生成する。この入力の一つは、センサ付きZ アクチュエータ１２２によって測定される実際のZ 運動であり、もう一つは、以下に詳細に述べるようなZ 位置入力波形１５４として、コンピュータ１３２から自動的に、あるいは手動入力装置１４０から手動で、送信される望ましいアクチュエータ運動である
望ましいZ アクチュエータ運動に関して、対応する力曲線測定を行う場合の柔軟性は、
Z アクチュエータ１２２を介してチップ−試料間距離を制御することによって達成される。アクチュエータ１２２のこの運動は、前に述べたように（図５A ）、周期性三角波などの力曲線測定を行うための標準的入力によって定義できる。この入力は、更に複雑なユーザ定義入力とすることもできる。例えば、撓み力フィードバックブロック１５２をZ 位置波形ブロック１５４と共に使用して、図１４、１５A 〜C 、１６、および１７を用いて示され説明されたように、特定の力または力プロファイルを維持するか、「トリガー」条件に応じて力測定パラメータを変化させることができる。あるいは、Z 位置波形ブロック１５４が適当なプロファイルをコンピュータ１３２に入力し、コンピュータ３２がそれから力制御器１２８と通信して、ある期間にわたって所定のZ 位置プロファイルを規定することができる（図１２および１３A 〜C ）。あるいはまた、Z アクチュエータ１２２を自動制御して選択された力測定を行わずに、手動入力装置１４０を介してオペレータによって、力データの取得の間、望ましいアクチュエータ運動を手動制御することができる。
【００５３】
図６と７において、動作中、チップ−試料間距離を（好ましい実施態様においてはZ アクチュエータ１２２を動作させることによって）調節するので、プローブ１０８は試料１１６と相互作用する。その結果、プローブ１０８のカンチレバー１１０の運動が変化し、この運動の変化を検知器１２６が検知する。検知器１２６は、前に述べたように、コンピュータ１３２に送信されるプローブ運動信号を生成する（例えば、検知器１２６がスプリットフォトダイオードの場合は、量(A-B) / (A+B) が撓みを規定する）。コンピュータ１３２は検知器測定回路１５８を備えており、この検知器測定回路１５８は、撓み検知信号を受信し、それに応じてプローブ１０８に働く力を判定する。コンピュータ１３２の撓み力フィードバックブロック１５２がそれから、特定の力が維持されているかどうか（力プロファイル入力）、あるいは、トリガー条件が満足されているかどうかを判定する。それに応じて、フィードバックブロック１５２が適当な制御信号を生成し、力制御器１２８（図６）に送信する。力制御器１２８はZ ステージ駆動信号を生成して、その特定の力測定のためのユーザ仕様に従ってアクチュエータ１２２の移動を制御する、即ち、以下に詳しく述べるように、Z 運動の方向、速度などの力測定パラメータを維持するか変更する。コンピュータ１３２はまた、オペレータによって（更に好ましくはGUI を介して）選択可能な一つまたはそれ以上のZ 位置入力波形を有して、ユーザが実施される特定の実験に従ってZ ピエゾの作動を柔軟に制御できるようにする（図１２および図１３A 〜C ）。
【００５４】
制御ブロック１５０入力への位置入力は、Z アクチュエータ１２２の実際の運動であり、センサ（図8 の１６２）によって測定される。力測定の間、このセンサはZ アクチュエータ１２２の運動を測定し、力制御器１２８の制御ブロック１５０へ送信する関連Z アクチュエータ位置信号を生成する。制御ブロック１５０はそれから、Z アクチュエータ１２２の実際の移動が、コンピュータ１３２または手動入力装置１４０によって与えられた、命令Z 作動運動と同じ（即ち線形）であるかどうかを判定する。もしそうでなければ、制御ブロック１５０は適当なZ ステージ駆動信号を生成して、ユーザ入力に対応していないすべてのZ 移動を訂正する。このようにして、チップ−試料間距離の調節精度を維持する。
【００５５】
図８に、スキャナー１１８、より詳しくはZ アクチュエータ１２２、のセンサ特徴面を示す。システム１００のSPM １０２はシャーシ１６０を備え、このシャーシ１６０に、撓み検知システム１２３と、プローブ１０８と台１１７を含むプローブ組品とが結合されている。シャーシ１６０はまた、それに固定されたスキャナー１１８を支持している。また、スキャナー１１８のX-Y 方向への移動が圧電チューブスキャナー１２０によって与えられる一方、Z 方向への移動が撓み圧電アクチュエータ１２２によって与えられる。Z アクチュエータ１２２の移動を監視するために、センサ１６２がアクチュエータ１２２に好ましく結合されている。センサ１６２は、コンデンサの極板間距離の変化によって生じる静電容量変化を測定することによってZ アクチュエータ１２２の移動（従って、試料１１６
の移動）を測定する静電容量センサであるのが理想的である。図１０に、静電容量変位センサ１６２の極板の配置を簡単に示す。上部極板１６３が撓みステージ１２２の静止部分に固定されている一方、下部極板１６４がステージ１２２の移動可能部分１６８に固定されている。その結果、Z アクチュエータ１２２を作動させる、移動可能部分１６８（従って試料）の動きが、極板１６３，１６４間の垂直距離を変化させる。この距離の変化を測定して、実際のZ 移動が測定静電容量の対応する変化を生じていることを知る。とりわけ、Z アクチュエータ１２２からの撓みステージが強固であるので、Z アクチュエータ１２２を作動させたときに、極板１６３，１６４間距離がその表面領域に沿って一定に保たれる（即ち、それらはその平行関係を維持する）。また、センサ１６２は、平行極板コンデンサが好ましいけれども、圧電Z ステージの基準部分と移動可能部分とに機械的に結合されたピエゾ抵抗センサなどの別の種類のセンサ（即ち、LVDTや歪ゲージセンサ）であってもよい。
【００５６】
上に述べたように、チップ／試料の位置決めにおける誤差は、AFM システムの全てまたは一部に作用し得るヒステリシス、クリープ、熱膨張などの残留機械効果により生じることがあり得る。力測定を行う場合、重要なのはチップ−試料間距離であるので、これらの効果を除去するか最小にする配置が望まれていた。この点に関しては、図８にも示された、上述のセンサ配置に対する別案に、試料とプローブ自身の間に静電容量センサなどの全システム近接センサ１６５を結合してチップ−試料間距離の直接測定を行う方法がある。その結果、試料１１６とチップ１１４の間の実際のチップ−試料間距離をセンサ１６５で測定することによって、位置フィードバックループ１４８（図７）が高度の位置決め精度を維持する。そのような全システム近接センサ１６５は本質的に、ヒステリシス、クリープ、熱膨張などの効果を除去する。なぜなら、これらの効果は試料とプローブ組品に関して同時に生じるからである。静電容量センサの平行極板が試料とプローブ組品にそれぞれ結合されているならば、これらの潜在的な損害効果は、チップ−試料間距離を測定するとき、互いに相殺し合う。
【００５７】
次に、力分光スキャナー１１８の詳細図を図９に示す。スキャナー１１８は、以後X 、Y 、Z 方向の動きと呼ぶ直交する三方向の試料（例えば、図６の１１６）の動きを与える。スキャナー１１８が試料１１６をプローブ１０８（図６）の下で動かすように動作することと、X 、Y 方向の動きが、試料の表面にほぼ平行な平面を規定することに注目しなければならない。また、力測定は特定の試料位置（x, y）で行われるけれども、XY平面内の動きが試料の異なる領域を分析するために必要とされる。試料の種々のXY位置において力曲線を生成することによって、それから例えば力体積イメージを生成することができる。
【００５８】
スキャナー１１８は、シャーシ（図8 の１６０）に結合された、位置測定のための基準としての働きをなすスキャナー取り付け台１６９を備える。スキャナーコア１７２はスキャナー取り付け台１６９から上方に延びると共にそれに結合されている。スキャナーコア１７２は、圧電チューブスキャナー１２０と撓みZ アクチュエータ１２２を囲み保護するチューブ構造をなしている。スキャナーコア１７２は、金属、理想的にはINVAR などの市販の鉄鋼で作るのが好ましい。
【００５９】
Z アクチュエータ１２２はXY-Zカップリング１７４を介してXYチューブスキャナー１２０に結合されている。XY-Zカップリング１７４は、チューブスキャナー１２０の上面に置かれ、撓みZ アクチュエータ１２２をXYチューブスキャナー１２０に従来方法で固定するための取り付け表面１７６を備えたキャップである。アクチュエータ１２２を組み立てる場合、結合されるスキャナー部分のそれぞれの中心を通過する軸は一般に同一直線上にある。
【００６０】
この配置において、XYチューブスキャナー１２０の移動は撓みZ アクチュエータ１２２
の対応する動きを生じる。とりわけ、Z アクチュエータ１２２の下にチューブスキャナー１２０を置くことによって、チューブスキャナー１２０によって生成されるX-Y 動作がスキャナー１１８の自由端１７８で増幅される。
【００６１】
とりわけ、好ましい実施態様において用いられるスキャナー１２０などの従来の圧電チューブスキャナーは運動の範囲を制限するので、スキャナー１１８だけによって与えられる走査範囲（即ち、XY平面内）が目標よりも小さくなる。しかしながら、図６に（図９により詳しく）示された好ましい設計においては、スキャナー１１８によって動かされる物体が、チューブスキャナー１２０によって支持されたセンサ付きアクチュエータ１２２の長さにほぼ等しい距離だけチューブスキャナー１２０から離れているという理由で、XY走査範囲を大きくすることができる。言い換えれば、スキャナー１１８は、スキャナー１１８が持つXY範囲を機械的に増幅する。
【００６２】
その結果、チューブ１２０と動かされる物体、この場合はスキャナー１１８の自由端１７８に置かれた試料、との間の距離が大きければ大きいほど、増幅度が大きくなる。この点に関しては、XYチューブスキャナーが生じるスキャナー１１８の自由端１７８の動きを更に増幅するために、図９に示すように円筒状のZ 延長部１８０を備えることができる。Z 延長部１８０は、取り付けフランジまたはリング１８８を介してZ アクチュエータ１２２の上面部１８６に固定された第１端部１８２と、試料保持器１８５を支持するように構成された第２端部１８４とからなる互いに対向する端部を有している。X-Y チューブスキャナー１２０およびZ アクチュエータステージ１２２と同様に、Z  延長部はスキャナー
１１８の中心軸と同一直線上にある中心軸を有している。試料保持器は、米国特許No.Re34,485 に示されるようなこの技術における従来のものである。圧電Z アクチュエータ１２２と同様に、Z 延長部１８０はINVAR 製が好ましい。延長部１８０の質量を最小にするためと、それによりスキャナー１１８の強度を落とすのを防ぐために、複数の穴１９０がその中に形成されている。
【００６３】
図１０に、前に述べたようにZ 位置フィードバックを与えるのに適した、力分光スキャナー１１８の一般的な撓みZ アクチュエータステージ１２２を図式的に示す。Z アクチュエータ１２２は、図９に示されるようにXY-Zカップリング１７４によってX-Y チューブスキャナー１２０に結合されている取り付け表面１９２を備えている。Z アクチュエータ１２２は、Z 方向、即ち表面１２０に垂直な方向の制約された運動を与えるように結合された固定部分またはフレーム１６６と移動可能部分１６８とを作るために除去された部分を有する金属ブロック（例えば、INVAR)であるのが好ましい。固定部分１６６と移動可能部分１６８はそれぞれ、力が金属塊に加わったときに金属塊の動きを可能にする脆弱点で結合されている。詳しくは、金属ブロックは、垂直方向またはZ 方向に垂直な平面（即ち、XY平面）内の移動可能部分１６８の動きを制限する一方、垂直方向の部分１８０の動きを可能にするように形成された一連の撓み点１９４，１９６，１９８，２００を備えている。
【００６４】
より詳しくは、撓み点１９４，１９６，１９８，２００のそれぞれは、移動可能部分１６８の移動／取り付け表面１７０上に取り付けられた試料（図６の１１６）を、取り付け表面１７０に垂直な方向に移動させるために「屈曲」可能な金属製ウェブを備えている。また、撓み点１９４，１９６，１９８，２００は固定部分１６６に結合されていて、スキャナー１１８の中央移動可能部分１６８を支持している。
【００６５】
移動可能部分１６８は取り付け表面１７０と下部接触表面２０２を規定する。この下部接触表面２０２は、好ましくは、固定部分１６６の表面２０６と接触表面２０２の間にある、Z アクチュエータ内に取り付けられた圧電スタック２０４と接続する。圧電スタック２０４は、この圧電スタック２０４の圧電材料上に置かれた電極に印加された適切な電圧
に応じて、選択された方向の運動を生じる従来の圧電部品である。圧電スタック２０４は印加された電圧信号に応じて伸張し収縮するので、機械運動が表面２０２を介してZ アクチュエータ１２２の中心部分１６８に伝達される。その結果、撓み点１９４，１９６，１９８，２００が撓むので、部分１６８が縦方向に動く。この場合、圧電スタック２０４は、制御電圧に応じて取り付け表面１２０にほぼ垂直な方向に動くように構成されている。
【００６６】
上述したように、アクチュエータ１２２によって与えられるZ 方向の動きを測定するため、静電容量変位センサの第１極板１６４が、Z アクチュエータ１２２の移動可能部分１６８に固定されている一方、対向する極板１６３がZ アクチュエータ１２２の固定部分１６６の表面１６５に取り付けられている。その結果、固定部分１６６に対する移動可能部分１６８の動きを、静電容量変位センサ１６１の極板１６３，１６４間の垂直距離D の変化による静電容量の変化として正確に測定できる。より詳しくは、静電容量は極板間距離分の１に比例する。即ち、C = eA/Dである。ここで、D は平行極板間の垂直距離であり、Z 移動の尺度となる。とりわけ、センサ１６１の極板１６２，１６４はリングであるのが好ましい。
【００６７】
動作において、変位信号がセンサ１６１によって与えられ、Z 位置フィードバックループ１４８にフィードバックされて、圧電スタック２０４に印加された電圧が所期運動を生じたかどうかが判定される。所期運動を生じていなければ、１回またはそれ以上、訂正Z ステージ駆動信号を生成して、試料１１６の所期運動を生じさせることができる。また、好ましい実施態様のこの側面は、力測定を行う場合の柔軟性を達成するのに重要なスキャナーの正確な制御を可能にする。このことを以下に述べる。
【００６８】
とりわけ、図１０に示す撓みZ アクチュエータ１２２は、図８に示す概略図に従って構成される。しかしながら、上に述べたように、表面１７０に結合された試料が垂直方向に移動されるとき、非直線性、ヒステリシス、クリープ、ドリフトなどが、アクチュエータ１２２によって与えられるZ 運動に影響を与え、それにより位置決め／間隔空け問題を生じる。従って、図８の想像線で示されたセンサ配置が、特定の実験などを行う一定の環境条件のもとで実際のZ 運動を測定するために好ましいかもしれない。
【００６９】
スキャナー１１８はまた、x, y走査範囲内の最適性能と、小さいパッケージ内の真のZ 運動とを達成する高共振周波数三次元アクチュエータである。後者の点については、センサ付きZ アクチュエータ１２２の高さは約２インチであるので、アクチュエータ１２２が圧電XYチューブスキャナー１２０と結合されると、スキャナー１１８は、従来のXY-Zチューブスキャナーとほぼ同じパッケージ内に維持される。
【００７０】
全体的にみて、スキャナー１１８はかなりのX-Y 範囲と共に大きなZ 位置範囲を生じる一方、小さなパーケージ内に収容される。また、スキャナー１１８はZ 検知に容易に適合する。この結果、スキャナー１１８はチップ−試料間距離の閉ループ監視を行うのに適している一方、雑音問題を最小にすると共に、力測定を行う場合に特に重要であるZ 位置決め（ピエゾによって駆動される機械的撓みに対して簡単な圧電スタックまたはチューブ）に関する高共振周波数を有する。
【００７１】
次に、力分光スキャナー１１８の別の構成を図１１A 〜１１C に示す。図１１A において、スキャナー２１０は、XYチューブ２１６上に取り付けられた撓みZ アクチュエータ２１４の上面に置かれた分割Z アクチュエータ（チューブまたはスタック）２１２を備えている。XYチューブ２１６がスキャナー２１０の最下層に配置されているので、前に述べた理由により比較的広範囲のXY走査能力が達成される。Z チューブ２１２は試料（図示せず）を収容するのに適しており、試料の表面にほぼ垂直な運動を生じて、ユーザの要求に従ってチップ−試料間距離を調節する。この配置において、撓みZ アクチュエータ２１４が
チップ−試料間距離の粗調整を行う一方、Z チューブ２１２を実行してチップ−試料間距離即ち試料の動きの微調整を行うことができる。このことは繊細な試料を扱うときに特に望ましい。あるいは、Z チューブは、「fly-fishing 」として文献に述べられたものと同様のモードなどの種々の動作モードに対応するために、高周波振動によって駆動することができる。この「fly-fishing 」においては、チップ−試料間距離を減らしながら、チップを（音響または磁気「AC」またはタッピングモード（TappingMode ）を介して）比較的小さい振幅と比較的高い周波数で振動させ、プローブが表面上の単一分子を「ひっかける」か「捕まえる」という望ましい結果を得る。第２のZ 軸ピエゾの追加は同様の技術を可能にする。すなわち、ユーザが第２ピエゾを代わりに使って低振幅／高周波振動を生じることができる。
【００７２】
図１１B に示すもう一つの構成においては、スキャナー２２０は、分割圧電Z チューブ２２６と、試料が上にある圧電XYチューブ２２２との中間に置かれた撓みZ アクチュエータ２２４を備えている。前の場合と異なり、この配置においては、Z アクチュエータ２２４，２２６がXYチューブアクチュエータ２２２を動かす。従って、スキャナー２２０は図１１A に示すスキャナーの柔軟性を備える。しかしながら、移動されるべき物体即ち試料に最も近くにそれが置かれるので、スキャナーのXY範囲は狭くなる。最後に、図１１C に、撓みZ アクチュエータ２３６、XYチューブアクチュエータ２３４、および分割Z チューブアクチュエータ２３２の同様の配置を示す。この場合、撓みZ アクチュエータ２３６はSPM シャーシに固定されていて、前の実施態様よりも優れた強度を持つアクチュエータとなっている。更に、XY走査範囲は、XYチューブスキャナー２３４と試料（分割Z チューブアクチュエータの上に置かれる）との間の垂直距離が大きいという理由によって、図１１B のアクチュエータ２２０の走査範囲よりも大きい。図１１A 〜１１C の構成のそれぞれにおいて、チップ−試料間距離を最もよく判定するための好ましいZ 検知方法は、図８に想像線で示されたセンサ１６５を使って、距離の直接測定を行う。
【００７３】
好ましい実施態様のセンサを使うことによって、FSPM１００は、Z 運動が所期方向を向いていて、力曲線測定における著しい柔軟性が達成できるようになっているかどうかを監視しながら、アクチュエータ１１８のZ 運動を正確に制御する。詳しくは、図１２〜１７に示されたような好ましい実施態様の更なる側面に従って、選択されたユーザ定義入力に基づいて力測定パラメータを変化させる方法が開示されている。
【００７４】
まず図１２において、チップ−試料間距離勾配を用いてチップ−試料間調節を推進することによって力曲線測定を行う方法２５０は、まず、起動初期化ブロック２５２を備えている。次に、ブロック２５４において、定義された入力（この場合、チップ−試料間距離勾配）の第１点に対応する信号を力制御器（図７の１２８）に送信する。それからブロック２５６において、その点に対するチップ−試料間距離勾配に基づいて駆動信号を生成する。それからブロック２５８において、この駆動信号をスキャナー（図６の１１８）に加える。
【００７５】
それからブロック２６０において試料のZ 位置を測定する（図８）次に、ブロック２６２において、Z 方向の動きがユーザ定義入力に一致しているかどうかを判定する（即ち、閉ループZ 位置決め）。もし一致していなければ、Z 運動を訂正するための新しい駆動信号をブロック２６４において生成し、ブロック２５８に戻ってその新しい駆動信号をスキャナーに加える。一方、動きがユーザ定義入力に一致しているならば、ブロック２６６において、カンチレバーの撓みを測定する。このデータをブロック２６８において収集・格納したのち、その点に対する力対時間曲線として図式化する。それからブロック２５４に戻って、位置勾配の次の点に対するユーザ定義入力に対応する信号を送信する。位置勾配と力勾配を組み合わせる（ブロック２５８）ことによって、ブロック２７０において力対距離プロファイル即ち力曲線を生成する。
【００７６】
方法２５０の動作の一例を図１３A 〜１３C に示す。図１３A に示す波形はブロック２５４におけるユーザ定義入力に対応している。そして、この位置プロファイルの結果として生成されたAFM プローブチップと試料の間の対応する力を測定し、図１３B に図式化する（ブロック２６８）。とりわけ、この動作の速度は距離曲線の傾きによって規定される。また、ゼロ（０）のピエゾ位置がゼロのチップ−試料間距離に対応することと、負傾斜が、上方への、即ちプローブに向かう動きを、増加する負Z 位置として示すことに注目しなければならない。０またはそれより下のピエゾ位置は距離がゼロであることを示す。このとき、試料はAFM チップとかみ合っており、カンチレバーが試料と接触している間カンチレバーを撓ませる可能性をもって、動き続ける。この場合、プローブのチップは試料を貫通しつつあるかもしれないしそうでないかもしれず、このことは測定された力として示すことができる（図１３B)。一方、Z ピエゾが試料を下方に動かすときは（図１３A の正傾斜）、チップ−試料間距離が増加している。しかしながら、Z ピエゾをゼロ位置（初期のチップ−試料接触）を通り越して引っ込めるとき、試料がチップと結合するので、ある時間、実際のチップ−試料間距離がゼロとなり、カンチレバーが試料の下方への運動に追随するように撓む。
【００７７】
図１３A と１３B において、試料が時刻t1に出発してカンチレバーのチップに接近するとき、チップはおよそ時刻t2に力を感じ（図１３Ｂ）、そこでカンチレバーが上方へ撓み始め、この撓みはそれ相応に撓み検知システム（図６の１２３参照）によって検知される。それから撓みＺアクチュエータ１２２（図６〜１１）を更に、同じ方向に、即ち固定されたプローブに向かって、同じ速度（一定傾斜）で移動させる。撓みＺアクチュエータのこの動きは時刻t3に停止し、そこでプローブが図１３Ｂに示すように正の撓みまたは力F1を感じる。Ｚ位置を時刻t4  引く時刻t3の間一定に保ったのち（例えば、分子にチップを拘束させたのち）、撓みＺアクチュエータの動きの方向を反転させ、試料をチップから引き離す。この場合、カンチレバーの正の撓みが減少し、ピエゾがゼロピエゾ位置（時刻t5）を通過する。その位置ではチップが本質的に試料上で停止しており、Ｚアクチュエータが試料をプローブから更に引き離す。この動作が続くと、プローブのチップと試料との間の拘束が、負の撓みと対応する負の力を生じ、この負の力は値F2まで増加し（図１３Ｂ）、Ｚ方向の移動が時刻t6まで続く。とりわけ、試料がチップを拘束しなかった場合は、試料とチップ間の実際の距離はゼロにはならない。
【００７８】
時刻t6において、プローブのこの負の撓みが減少し、Ｚ運動の移動の方向が逆転するので、プローブのカンチレバーの撓みは再びゼロに近づく。この場合、titin 分子の場合においては、その分子は「再折たたみ」が可能であり、Ｚアクチュエータが再び顕微鏡チップに向かう方向に動く。対応する測定された力が試料特性を表す。この接近／撤退サイクルは、ピエゾが時刻t11 に一定速度でプローブから離れる方向に移動するまで繰り返される。その結果、Ｚアクチュエータはチップが試料から離れるまでピエゾを動かし、その離れる時刻t12 に、図１３Ｂにプロットされた力がゼロに戻る、即ちプローブのカンチレバーがそのフリーエア撓みに戻る。
【００７９】
その後、図１３Ａに示す位置勾配と、時間の関数として測定される、すなわち図１３Ａに示す選択されたチップ−試料間距離勾配に応じて測定される、対応する力データ（図１３Ｂ）とを、従来の方法で組み合わせて、図１３Ｃに示す力対距離曲線を生成する。つまり、固定プローブに対するＺアクチュエータ位置を制御することによって、撓みアクチュエータによって支持された試料の種々の特性を、ユーザの要求に従って観察・記録することができる。例えば、ある実験においては、titin 分子などの特定分子の伸張と再折りたたみの間に測定された力を、その機械的振舞いの特定のモデルに従って分析することができる。
【００８０】
図１３Ｃは図２に示すのと同様の力曲線を表す。力曲線上の二方向矢印は、接近（「ピエゾＺ」の減少、即ちチップ−試料間距離の減少）と後退（「ピエゾＺ」の増大）を示す。試料がカンチレバーに接近するときは、チップがゼロ力を感じるので、カンチレバーの撓みのないことが検知される。チップが位置z1（図１３Ａと１３Ｂの時刻t2にほぼ対応）において試料と相互作用を始めると、カンチレバーが上方へ撓み始める。この撓みは正の力として図式化される。試料がチップに向かって更に移動すると、プローブのカンチレバーは更に撓むので検出される力が増加する。チップが試料と相互作用し続けると、アクチュエータ位置が点z2に到達し、そこで動きの方向が変化する。より詳しくは、試料がチップから引き離され、そのことが、測定される力を、プローブが再びゼロ力を感じる点z2に到達するまで減少させる。
【００８１】
試料をこのゼロ力位置から更に引っ込めると、この場合チップを試料が拘束するので、試料がプローブを下方に引っ張り始め、力が反対方向に増加し始める。その後、チップがz3において試料から離れるので、プローブの撓みはそのフリーエアゼロ値に戻る。
【００８２】
もう一つのユーザ定義プロファイルを、方法３００として図１４に示す。この方法は、ユーザ定義力勾配に従って一つまたはそれ以上の力測定パラメータを制御する。この方法３００もまた、図１５Ａ，１５Ｂおよび１５Ｃの一例によって図式的に示される。起動初期化ブロック３０２の後、ブロック３０４において、勾配の特定点に対するユーザ定義力勾配信号を力制御器（図７の１２８）に送信する。次に、ブロック３０６において、力制御器が、その点に対するユーザ定義力勾配に基づいて（例えば、Ｚ動作の速度・方向・期間を選択しながら）駆動信号を生成したのち、ブロック３０８においてその駆動信号をＺアクチュエータに加える。駆動信号を加えると、ブロック３１０において、スキャナーのＺ位置を測定し、ブロック３１２において、その動きが駆動信号によって指示された動きと一致しているかどうかを判定する。一致していなければ、Ｚ運動を訂正するためにブロック３１４において駆動信号を生成する。一致していれば、ブロック３１６において、カンチレバーの撓みを測定・収集・格納してカンチレバーに作用している力を判定する。
【００８３】
次に、ブロック３１８において、その点に対する位置対力図上の位置をプロットする。ブロック３２０において、カンチレバーに働く力が、ブロック３０４において定義された特定の点に対するユーザ定義力入力（例えば以下に述べる図１５Ａ）に一致しているかどうかを判定する。力一致要求が満足されなければ、ブロック３０６に戻って、ユーザ定義入力と測定された撓みとに基づいて新しいＺステージ駆動信号（図７の撓み力フィードバックブロック１５０で生成されそこから伝達される命令）を生成する。例えば、測定された力が望ましい力よりも小さい場合は、力制御器に信号を送信して、力制御器に適当な信号をＺアクチュエータに送信するよう指示して、その点に対する正しいカンチレバー撓み（即ち、力）が達成されるように試料をもっと速く動かす。一方、力が満足していれば、ブロック３２２において、力勾配のすべての点が考慮されたかどうかを判定する。考慮されていなければ、ブロック３０４に戻って、力勾配の別の点に対する力制御信号を送信する。力勾配のすべての点に対してデータが得られたならば、ブロック３２４において、収集・格納されたデータ（力勾配と位置の図を含む）を組み合わせ、力対試料位置プロファイル（即ち、力曲線）として図式化する。
【００８４】
方法３００のわかり易い動作例を図１５A 〜１５C に示す。この図は、力曲線の取得を制御するためのもう一つの種類のユーザ定義波形入力を定義する。また、方法３００は、力勾配（図１５A ）（即ち、力の変化率）を入力することと、その力勾配を達成するために必要なピエゾの対応する位置を測定すること（図１５B ）に向けられている。より詳しくは、図１５A において、時刻t0と時刻t1の間、力をゼロ値に一定に保つ。これは一般的に、この時間範囲の間、図１５B に示すように、チップと試料を接触させようとすることに相当する。時刻t1において、図１５A の力勾配がZ ピエゾアクチュエータに動くよう命
令するので、力が時刻t1からt2まで直線的に増加する。とりわけ、図１５B に示すように、t1において、カンチレバー撓みがゼロであり、ピエゾ位置はチップ−試料間距離がゼロとなる位置にある。それから、チップが試料と接触しているプローブに向かってアクチュエータが更に動くと、カンチレバーが時刻t2引くt1の間上方に撓む。時刻t2とt3の間は力は一定に保たれるので、力制御器はZ アクチュエータを動かさない。
【００８５】
時刻t3において、Z アクチュエータに試料を動かすよう命令するので、力は直線的に減少する。時刻t4において、力はゼロであるが、力制御器は続けてZ アクチュエータに試料を顕微鏡チップから引き離させる。それから、時刻t4とt5の間、同じ方向の直線的な力勾配が、撓み圧電Z アクチュエータを作動させるための力制御器に命令を与える。図１５A のt4とt5の間に示される直線的な力勾配を保つために必要なZ アクチュエータの動作は図１５B に示すように非直線的であることに注目すべきである。言い換えれば、力はチップ−試料間距離に直接比例しない。その結果、そのような力勾配を有することは、図１３Ａ〜１３Ｃに示すチップ−試料間距離勾配を用いることによって得ることができない有用な情報を提供することができる。最後に、直線的な力勾配が連続的に加えられるので、Ｚ圧電アクチュエータへのＺステージ駆動信号が、点t5まで試料をチップから引き離し続け、その時点でチップが試料表面から離れ、プローブに働く力がゼロに戻る。図１３Ａ〜１３Ｃにおけるように、図１５Ａと１５Ｂに示す時間依存曲線を組み合わせて、図１５Ｃに示す力対距離曲線を生成することができる。図１５Ｃの力曲線の注目領域は、チップの試料に対する拘束を示す時刻t4とt5の間（(t4, t5 ）で表示）にあり、このときＺピエゾはプローブから引き離される。図１３Ｃと１５Ｃに示す力対距離曲線は類似しているが、図１３Ｂと１５Ｂの測定された曲線において与えられる情報はそれぞれ、行われている特定の実験に関する固有で価値のある情報を提供することができる。
【００８６】
次に、力ＳＰＭのトリガー動作は、図１３Ａ〜１３Ｃに示すユーザ定義力勾配に非常に類似している。しかしながら、トリガーをベースにした動作は、ユーザ定義力勾配を有する場合をそのまま予め決定せずに、力勾配を特定の条件に応じてリアルタイムに変えることができる。
【００８７】
図１６においてまず、トリガー動作の方法４００は起動初期化ブロック４０２を備えている。次に、ブロック４０４において、特定点（例えば、図１７に示すようなトリガープロファイル上の特定時刻点）のための少なくとも一つの力測定パラメータに従ってＺステージ駆動信号を生成する。次に、ブロック４０６において、Ｚステージ駆動信号をＺアクチュエータに印加して、アクチュエータを特定の時間量、選択された方向と速度で動かす。次に、ブロック４０８において、試料のＺ位置を測定し、チップ−試料間距離を判定する。閉ループ位置決めの一部として、ブロック４１０において、Ｚ位置が駆動信号と一致しているかどうかを判定する。もし一致していなければ、新しいＺステージ駆動信号を生成してＺ運動をブロック４０４において定義された所期運動に一致するように訂正する。一方、Ｚ位置が駆動信号と一致していれば、ブロック４１４において、その点に対するカンチレバー撓みを測定する。次に、ブロック４１６において、対応する位置データを収集・格納する。
【００８８】
次に、トリガー条件を満足しているかどうかを判定する。満足していなければ、ブロック４０４に戻って、別の特定点、即ち次の時刻点に対する別のＺステージ駆動信号を生成する。一方、トリガー条件を満足していれば、ブロック４２０において、力曲線取得処理の少なくとも一つの力測定パラメータを変更する。トリガープロファイル（例えば、図１７）のすべてのトリガー条件が満足されると、方法４００を終了し、位置対時間図をトリガープロファイルと組み合わせて力曲線を生成する。
【００８９】
図１７に、図１６に示された方法４００に従って生成された力対時間曲線を示す。より
詳しくは、コンピュータが力制御器にＺステージ駆動信号を生成するよう命令すると、試料がＡＦＭのプローブのチップに接近し、プローブに働くゼロ力が撓み検知システムによって測定される。その後、時刻t1においてチップが試料（例えば、分子）と相互作用し始めると、力分光アクチュエータがチップ−試料間距離を狭めるので、力は値F1（正の撓み力）まで直線的に増加する。
【００９０】
時刻t2において、第１トリガー条件（所定力）がF1に等しい正の撓み力において満足される。それに応じて、t3引くt2時間、チップ−試料間距離がt2値に保たれる（例えば、チップが試料に拘束される時間を与える）。t3において、第１トリガーに基づいて、コンピュータが信号を力分光スキャナーに送信して、試料をチップから引き戻し始め、チップ−試料間距離を増加させる。t4において、ＦＳＰＭのプローブのチップは試料表面で停止しているので、測定されたプローブのカンチレバーの撓みはない。距離を更に増加すると、直線的な力勾配がt5引くt3時間測定され、チップはt4においてゼロ力点を通過する。その点において、t5において負の撓み力の検知すると、力分光スキャナーのＺ方向の動きがt6引くt5に等しい時間停止される。t6において、コンピュータは力制御器に命令して、試料を特定の速度で第２トリガーに基づいて引っ張り続けさせて、領域Ａに示す力勾配を生成する。チップ−試料間の拘束はカンチレバーを下方に撓ませ、この力を時刻t6とt7の間測定し、この間、チップがt7において試料から離れ、チップがもはや試料と相互作用しないためにチップと試料間の力が再びゼロに戻るまで、前に述べたように生成を行う。
【００９１】
力勾配を用いて試料特性を判定する端的な例を図１８Ａ〜１８Ｃに示す。図１８Ａは、図１５Ａに示したものと同様の、Ｚアクチュエータを制御するために用いられる力勾配を定義する。図１５ＢのＺ位置プロファイルによって示された硬質表面に対しては、Ｚアクチュエータを、チップ−試料間距離の接近４５０（ゼロのあと力を増加する）と後退４５２の両方についてほぼ直線的に動かす。より詳しくは、図１８Ａに示す力プロファイルに追随するために、アクチュエータはゼロ位置を示す時刻t1まで動き、そのゼロ位置でチップが試料と接触し始め、その時刻にチップに働く力が増加し始める。t1からt2までの領域において、力勾配は直線的に増加し（図１５Ａ）、Ｚアクチュエータの作動もまた直線的となり（図１５B ）、チップは硬質表面を押し付ける。ピークの力F1（時刻t2）において、撓みＺアクチュエータの動作はピークＺ1 にあるので、カンチレバーはその最大量上方に撓む。この点において、力勾配に基づく命令は、力をゼロレベルまで減らすようにＺ移動をさせることである。これに応じて、Ｚアクチュエータの運動はゼロ点（時刻t3）まで直線的であり、この点においてチップは試料表面とかろうじて接触する。試料をチップから更に引き戻すとき、試料とチップの間の拘束はないので。力はゼロのままとなる
図１２，１４、および１６に示された方法のそれぞれにおいて注目されるのは、好ましい実施態様のスキャナー１１８によって与えられる正確なＺ位置決めが、広範囲のユーザ定義入力プロファイルの使用を可能にするので、FSPM１００に、広範囲の試料の（例えば、試料モデルに基づく）特定の機械的特性を測定することを目標にさせることができるということである。
【００９２】
それに比べて、軟質表面に対しては、図１８C に示すように、プローブのチップに働く同じピーク力F1を達成するために、図１８A に示す力プロファイルが、Z ピエゾを非線形パスの中で位置Z ２まで動かし、それによってZ2の値がZ1よりも非常に大きくなり、このことにより軟質試料を示すことができる。この結果、同じ力プロファイルを用いて、二種類の試料をそれらの位置プロファイルを考えることによって調査することができる。
【００９３】
本発明を実施する本発明者によって意図される最良の方法が上に開示されているが、本発明の実施はこれに限定されるものではない。基本的な発明概念の精神と範囲から逸脱しなければ、本発明の特徴の種々の追加、変更、および再配置を行うことができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１Ａ】チップ−試料間の力を図式化できるように、表面に接近し、そこから後退するように動かされるときのSPM のプローブを示す概念図。
【図１Ｂ】チップ−試料間の力を図式化できるように、表面に接近し、そこから後退するように動かされるときのSPM のプローブを示す概念図。
【図１Ｃ】チップ−試料間の力を図式化できるように、表面に接近し、そこから後退するように動かされるときのSPM のプローブを示す概念図。
【図１Ｄ】チップ−試料間の力を図式化できるように、表面に接近し、そこから後退するように動かされるときのSPM のプローブを示す概念図。
【図１Ｅ】チップ−試料間の力を図式化できるように、表面に接近し、そこから後退するように動かされるときのSPM のプローブを示す概念図。
【図２】図１Ａ〜１Ｅに示された動作によって得られる力データを示すグラフ。
【図３】AFM チップと基板の間に結合されたDNA 試料の部分破断正面図。
【図４】従来の圧電チューブアクチュエータを備えた標準的なSPM の正面図。
【図５Ａ】力曲線測定を行うための特定の振幅と速度を有する周期的駆動信号を示すグラフ。
【図５Ｂ】Z ピエゾの動作の方向における変化と変化の間に休止を有するように特徴付けられた周期的駆動信号を示す図５Ａと同様なグラフ。
【図６】センサ付きスキャナーと、力曲線測定の柔軟性を最大にする制御システムと、機械式フィードバックユーザインターフェースとを備えた、本発明の好ましい実施態様に従う力走査型プローブ顕微鏡（FSPM）システムを示す図。
【図７】力モード制御器フィードバックシステムを備えた、好ましい実施態様のF SPMを更に示す図。
【図８】Z センサを示す、好ましい実施態様のFSPMの側面図。
【図９】図６、７、８に概略示された力分光スキャナーの正面断面図。
【図１０】図９のスキャナーにおいて好ましく実行される一般的なセンサ付きZ ステージの概略断面図。
【図１１Ａ】図６〜１０のFSPMのスキャナーの構成の別の実施態様を示す図。
【図１１Ｂ】図６〜１０のFSPMのスキャナーの構成の別の実施態様を示す図。
【図１１Ｃ】図６〜１０のFSPMのスキャナーの構成の別の実施態様を示す図。
【図１２】選択された位置勾配を持った力曲線測定を自動的に行う方法を示すフローチャート。
【図１３Ａ】Z ピエゾを駆動するために用いられるユーザ定義されたチップ−試料間距離勾配を示すグラフ。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示すようにZ ピエゾを作動させるための力対時間曲線を示すグラフ。
【図１３Ｃ】図１３Ａ，Ｂにそれぞれ示された位置とカンチレバー撓みの時間依存グラフを組み合わせることによって生成された力曲線を示すグラフ。
【図１４】選択された位置勾配を用いて力曲線測定を行う方法を示すフローチャートである。
【図１５Ａ】Z ピエゾの作動を制御するために用いられるユーザ定義力勾配を示すグラフ。
【図１５Ｂ】図１５Ａに示された力勾配入力に起因するZ ピエゾ位置プロファイルを示すグラフ。
【図１５Ｃ】図１５Ａ，Ｂに示された時間依存曲線を組み合わせることによって生成された力曲線を示すグラフ。
【図１６】１つ以上のトリガー条件に従って力曲線測定を自動的に行う方法を示すフローチャート。
【図１７】好ましい実施態様に従って、力測定動作の間、駆動信号の変化を生じるトリガー事象を示すグラフ。
【図１８Ａ】図１５Ａに示されたような力勾配の一例を示すグラフ。
【図１８Ｂ】硬質表面に対して図１８Ａに示されたユーザ定義力勾配を入力することによって生じるZ ピエゾの動きを示すグラフ。
【図１８Ｃ】軟表面に向けて図１８Ａに示されたユーザ定義力勾配を入力することによって生じるZ ピエゾの動きを示すグラフ。
【図１Ａ】
2005512100.tif 000003
【図１Ｂ】
2005512100.tif 000004
【図１Ｃ】
2005512100.tif 000005
【図１Ｄ】
2005512100.tif 000006
【図１Ｅ】
2005512100.tif 000007
【図２】
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【図３】
2005512100.tif 000009
【図４】
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【図５Ａ】
2005512100.tif 000011
【図５Ｂ】
2005512100.tif 000012
【図６】
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【図７】
2005512100.tif 000014
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005512100.tif 000017
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
2005512100.tif 000019
【図１１Ｃ】
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【図１２】
2005512100.tif 000021
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年1月6日(2004.1.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ平らな走査面を規定するほぼ直交する二つの軸方向におけるスキャナー運動を生成する圧電チューブと、
前記走査面にほぼ垂直な第３軸の方向のスキャナー運動を生成する撓み圧電ステージとを備え、
前記圧電ステージが前記圧電チューブに結合されていることを特徴とする圧電スキャナー。
【請求項２】
第３軸の方向の運動を検知すると共に、対応する位置信号を生成する変位センサを更に備える請求項１に記載のスキャナー。
【請求項３】
前記位置信号がチップ−試料間距離を表す請求項２に記載のスキャナー。
【請求項４】
前記変位センサが静電容量センサである請求項２に記載のスキャナー。
【請求項５】
前記変位センサがプローブ顕微鏡のプローブと試料との間に結合されている請求項２に記載のスキャナー。
【請求項６】
前記試料と前記プローブの一方が該スキャナーに結合されている請求項５に記載のスキャナー。
【請求項７】
該スキャナーが、プローブと、該プローブの運動を検知するプローブ運動検知装置とを有するプローブ顕微鏡の中に置かれ、該スキャナーによって試料を前記プローブに対して移動させ、前記変位センサが前記ステージに取り付けられている、請求項２に記載のスキャナー。
【請求項８】
制御器を更に備え、
該制御器が前記ステージを駆動する制御信号を生成し、該制御信号がユーザ定義入力に
応じて生成される請求項７に記載のスキャナー。
【請求項９】
前記ステージが前記位置信号に応じて第３軸方向のスキャナー運動を生成する請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１０】
第３軸方向のスキャナー運動が前記ユーザ定義入力によって定義される運動とほぼ一致するように、前記制御信号が前記ステージを駆動する請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１１】
前記ユーザ定義入力が所定のスキャナー運動と対応しており、第３軸方向のスキャナー運動が前記所定のスキャナー運動とほぼ同じであるように、前記制御信号が前記ステージを駆動する請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１２】
前記ユーザ定義入力が位置対時間によって定義されたパスである請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１３】
前記ユーザ定義入力が力対時間によって定義されたパスである請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１４】
前記ユーザ定義入力がトリガー条件を備える請求項８に記載のスキャナー。
【請求項１５】
前記トリガー条件が、所定の力、所定の力変化、および所定の力勾配のいずれか一つである請求項１４に記載のスキャナー。
【請求項１６】
測定パラメータによって規定された力曲線測定動作の間、前記プローブ運動検知装置が、前記プローブと前記試料の間の相互作用に相当する前記プローブの運動を検知し、前記測定パラメータを変更するように前記トリガー条件が前記プローブ運動によって満足される請求項１５に記載のスキャナー。
【請求項１７】
前記位置信号に応じて駆動信号を生成して、ユーザ定義入力に対応する第３方向のスキャナー運動を生じる、閉ループフィードバック制御器を更に備える請求項２に記載のスキャナー。
【請求項１８】
前記ステージが前記第１面内のスキャナーの運動を機械的に増幅するように置かれている請求項１に記載のスキャナー。
【請求項１９】
前記圧電チューブと前記ステージの一方が試料に結合されるように構成されている請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２０】
前記ステージが試料に結合されるように構成され、前記圧電チューブが該試料を前記走査面内で移動させる請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２１】
前記圧電ステージによって生成されたスキャナー運動に加えて第３軸方向のスキャナー運動を生成する圧電Z アクチュエータを更に備える請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２２】
前記圧電チューブが前記アクチュエータと前記ステージの中間に配置されている請求項２１に記載のスキャナー。
【請求項２３】
前記圧電チューブが前記Z アクチュエータと前記ステージによって支持されている請求項２１に記載のスキャナー。
【請求項２４】
前記スキャナーがプローブ顕微鏡のプローブと試料との間の相対運動を生じる請求項１に記載のスキャナー。
【請求項２５】
前記プローブが該スキャナーと結合され、前記試料が前記プローブに対して固定されている請求項２４に記載のスキャナー。
【請求項２６】
表面を有する試料と相互作用するプローブを有するプローブ顕微鏡であって、
ほぼ直交する３方向の前記試料と前記プローブの間の相対運動を生じる圧電スキャナーと、
前記表面に垂直な方向の相対運動を測定すると共に、対応する位置信号を生成する変位センサと、
前記圧電スキャナーに対して固定されたプローブと、
該プローブの動きを検知するプローブ運動検知装置と、
前記位置信号に基づいてスキャナー駆動信号を生成する制御器とを備える顕微鏡。
【請求項２７】
前記変位センサが前記スキャナーに取り付けられている請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項２８】
前記変位センサが前記プローブと前記試料との間に結合されている請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項２９】
前記スキャナー駆動信号が、スキャナー運動を定義する所定のユーザ定義入力に応じて生成される請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項３０】
前記ユーザ定義入力が位置対時間によって定義されたパスである請求項２９に記載の顕微鏡。
【請求項３１】
前記ユーザ定義入力がトリガー条件を備える請求項２９に記載の顕微鏡。
【請求項３２】
前記トリガー条件が、所定の力、力変化、および力の変化率のいずれか一つである請求項３１に記載の顕微鏡。
【請求項３３】
前記スキャナー駆動信号が手動ユーザ定義入力に応じて生成される請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項３４】
前記スキャナー駆動信号が、力対時間によって定義されたパスである所定のユーザ定義入力に応じて生成される請求項２６に記載の顕微鏡。
【請求項３５】
試料上で力曲線測定を行う方法であって、
プローブを有するプローブ顕微鏡を設ける工程と、
前記試料の表面にほぼ垂直な方向の所期運動を定義するユーザ定義入力に応じて前記プローブと前記試料との間の相対運動を生成する工程と、
前記相対運動を検知すると共に、前記相対運動を対応する所期運動と比較する工程と、
前記試料が前記プローブと相互作用するときに前記プローブに働く力を測定する工程と、
前記測定ステップに応じて力曲線測定パラメータを変更する工程とを備える方法。
【請求項３６】
前記検知ステップに応じて前記プローブと前記試料との間の相対運動を生成するステップを更に備える請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記測定工程が前記プローブの運動を検知するステップを備える請求項３５に記載の方
法。
【請求項３８】
前記変更工程を前記ユーザ定義入力に基づいて行う請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記力曲線測定パラメータが前記生成工程に関する方向である請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記力曲線測定パラメータが前記生成工程に関する速度である請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記力曲線測定パラメータが、所定時間量の間前記生成工程を休止することである請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記ユーザ定義入力が力対時間によって定義されたパスである請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
少なくとも二つの時間点に対して行われた前記測定工程に基づいて力勾配を決定する工程を更に備える、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記生成工程を前記変更工程の前に中断する請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記測定工程を少なくとも二つの時間点に対して実行し、前記変更工程を所定の力変化に応じて実行する請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記変更工程が予め決定されている請求項３５に記載の方法。
【請求項４７】
前記変更工程が、複数の時間点に対応する測定された力が、時間の関数としての所定の力プロファイルに対応するように、前記試料と前記プローブとの間の距離を調節する工程を備える請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記調節工程を力フィードバックループを用いて実行する請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
時間の関数としての前記試料と前記プローブとの間の距離を測定する工程を更に備える請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
前記変更工程が、位置対時間によって定義されたユーザ定義パスに従って前記プローブと前記試料との間の距離を制御する工程を備える請求項３５に記載の方法。
【請求項５１】
前記生成工程をセンサ付きZ ステージによって実行する請求項３５に記載の方法。
【請求項５２】
前記センサ付きZ ステージが圧電チューブスキャナーに結合され、該チューブスキャナーが第３軸にほぼ垂直な面の走査運動を行う請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
試料上の力曲線測定を行う方法であって、
非周期的なユーザ定義入力に従ってプローブと前記試料との間の距離を調節するための駆動信号を生成する工程と、
前記距離を測定する工程と、
前記測定ステップに応じて前記駆動信号を制御する工程と、
前記生成ステップに応じて、前記プローブに働く力を検知する工程と、
前記検知ステップに応じて力測定パラメータを変更する工程とを備える方法。
【請求項５４】
前記ユーザ定義入力が自動入力である請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記第３軸の方向のスキャナー運動は試料の特性を測定すべく前記スキャナーを作動するときに非周期的である請求項１に記載のスキャナー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
一般的な圧電チューブスキャナーは直線運動を示さない。即ち、動作範囲なら、ピエゾへの印加駆動電圧の任意の変化が、異なる領域における異なる大きさの運動を生じる。一般的な圧電チューブスキャナーはまた、一般的にヒステリシス運動を示す。即ち、特定の電圧段差をスキャナーに加えたのち、その段差を逆に正確に再びたどるならば、スキャナーが、伸張と後退で異なる位置パスをたどることがわかる。圧電チューブスキャナーはまた、「クリープ」する。このことは、圧電スキャナーが、印加駆動電圧が変動を停止したのち、ある時間、伸張または後退し続けることを意味する。圧電チューブスキャナーはまた、一般的にZ 軸方向の低共振周波数を有している。このことは、スキャナーが役立つ動作速度範囲上の深刻な限界を表すことは当業者にとって明らかである。これは、圧電材料が、共振周波数を通過したりその近くにある複雑な振動を受けるためである。


【国際調査報告】
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