(57)【要約】      （修正有）【課題】プローブ顕微鏡のプローブを照射するための装置及び方法を提供する。【解決手段】プローブ顕微鏡のプローブを照射するための装置であって、放射ビーム４０ａ，４０ｂ，４０ｃを受信しそれをプローブ上に方向付けるように構成されたレンズ４８と、レンズ４８の光軸に相対的な、放射ビーム４０ａ，４０ｂ，４０ｃがレンズ４８に進入する入射角度を時間とともに変化させるための走査システムを備える。走査システムは、放射ビーム４０ａ，４０ｂ，４０ｃをレンズ４８に向かって反射させるよう操縦可能なミラー４４ａ，４４ｂと、ミラー４４ａ，４４ｂを回転させるためのミラーアクチュエータ４４ｃ，４４ｄとを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ顕微鏡のプローブを照射するための装置であって、
放射ビームを受信しそれを前記プローブ上に方向付けるように構成されたレンズと、
前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるための走査システムと、
を備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記装置は、前記プローブを駆動するための作動システムであり、
前記装置は、更に、前記放射ビームの強度を変調させるための変調システムを備える装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記ビームは、反射された検出ビームを生成するために前記プローブから反射される検出ビームであり、
前記装置は、更に、前記反射された検出ビームを前記プローブから受信し前記反射された検出ビームから前記プローブの移動を検出するように構成された検出システムを備える装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置であって、
前記走査システムは、前記プローブの移動を追跡するために、前記ビームを移動させるように構成される、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、更に、
前記プローブを試料表面にわたって移動させるように動作可能であるプローブドライバを備え、
前記追跡システムは、前記ドライバによって引き起こされる前記プローブの移動を追跡するために、前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるように構成される、装置。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載の装置であって、
前記走査システムは、前記ビームを前記レンズに向かって反射させるビーム操縦ミラーと、前記ビーム操縦ミラーを回転させるためのミラーアクチュエータとを含む、装置。
【請求項７】
請求項３及び６に記載の装置であって、
前記レンズは、作動放射ビームを受信しそれを前記プローブ上に方向付けるようにも構成され、
前記装置は、更に、前記作動放射ビームの強度を変調させるための変調システムを備え、
前記ビーム操縦ミラーは、前記検出ビーム及び前記作動放射ビームの両方を前記レンズに向かって反射させる、装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置であって、
前記走査システムは、電気光学変調器又は音響光学変調器を含む、装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置であって、更に、
前記レンズを平行移動させるためのレンズドライバを備える装置。
【請求項１０】
請求項５及び９に記載の装置であって、
前記レンズドライバは、前記プローブドライバによって引き起こされる前記プローブの移動を追跡するために、前記レンズを平行移動させるように構成される、装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置であって、
前記走査システムは、前記プローブが試料から情報を得るのに伴って、前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるように構成される、装置。
【請求項１２】
走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブと、
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の装置と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１２に記載の顕微鏡であって、
前記プローブは、前記ビームが前記プローブを加熱し前記プローブを光熱効果によって変形させるように構成された、熱膨張係数が異なる２つ以上の材料を含む、顕微鏡。
【請求項１４】
プローブ顕微鏡のプローブを照射する方法であって、
放射ビームを生成することと、
前記ビームをレンズによって受信することと、
前記ビームを前記レンズによって前記プローブ上に方向付けることと、
前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させることと、
を備える方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記方法は、前記プローブを駆動する方法であり、
前記方法は、更に、前記放射ビームの強度を変調させることを備える方法。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の方法であって、
前記ビームは、前記プローブを加熱し、前記プローブを光熱効果によって変形させる、方法。
【請求項１７】
請求項１４、１５、又は１６に記載の方法であって、更に、
前記プローブを移動させることと、
前記プローブの前記移動を追跡するために、前記ビームの入射角度を時間とともに変化させることと、
を備える方法。
【請求項１８】
請求項１４ないし１７のいずれか一項に記載の方法であって、
前記プローブは、試料の表面の上を移動され、前記ビームの強度は、前記試料の表面の形状をたどるように変調される、方法。
【請求項１９】
請求項１４ないし１８のいずれか一項に記載の方法であって、
前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度は、前記ビームの中心を前記プローブ上のそれぞれ異なる場所に順次方向付けるために変化される、方法。
【請求項２０】
請求項１４又は１９に記載の方法であって、
前記ビームは、反射された検出ビームを生成するために前記プローブから反射される検
出ビームであり、
前記方法は、更に、前記反射された検出ビームを前記プローブから受信し前記反射された検出ビームから前記プローブの移動を検出することを備える方法。
【請求項２１】
請求項１９及び２０に記載の方法であって、
前記検出ビームは、前記反射された検出ビームから異なるモードの運動を検出するために、前記プローブ上のそれぞれ異なる場所に順次方向付けられる、方法。
【請求項２２】
請求項２０又は２１に記載の方法であって、更に、
前記レンズにおいて作動放射ビームを受信しそれを前記プローブ上に方向付けることと、
前記作動放射ビームの強度を変調させることと、
前記レンズの光軸に相対的な、前記作動放射ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させることと、
を備える方法。
【請求項２３】
請求項１４ないし２２のいずれか一項に記載の方法であって、更に、
前記プローブによって走査される試料から情報を得ることを備え、
前記プローブが前記試料から情報を得るのに伴って、前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度が時間とともに変化される、方法。
【請求項２４】
請求項１４ないし２３のいずれか一項に記載の方法であって、更に、
前記レンズを平行移動させることを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、プローブ顕微鏡を照射するビームを走査する方法と、そのような方法で使用するための装置とに関するものである。
【０００２】
ＵＳ２００９０３２７０６（Ａ１）は、検出ビームが走査レンズを透過され、次いでカンチレバーによって反射又は散乱され検出器によって受信される、高速走査型プローブ顕微鏡について記述している。レンズは、その運動が先端の運動と同期するように、スキャナによって平行移動される。このようにして、レンズによって形成される焦点スポットは、可動カンチレバーを追跡する。レンズの使用は、異なる波長の光でレンズを照射するときに、色収差に起因する問題を引き起こす恐れがある。また、レンズは、重いことがあり、これは、レンズを素早く移動させることを困難にし、顕微鏡の動作速度を制限する。
【０００３】
本発明の第１の態様は、プローブ顕微鏡のプローブを照射するための装置であって、放射ビームを受信しそれをプローブ上に方向付けるように構成されたレンズと、レンズの光軸に相対的な、ビームがレンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるための走査システムと、を含む装置を提供する。
【０００４】
本発明の第２の態様は、プローブ顕微鏡のプローブを照射する方法であって、放射ビームを生成することと、ビームをレンズによって受信することと、ビームをレンズによってプローブ上に方向付けることと、レンズの光軸に相対的な、ビームがレンズに進入する入射角度を時間とともに変化させることと、を含む方法を提供する。
【０００５】
本発明の第１及び第２の態様は、ビームの入射角度が迅速に且つ正確に変化される改善されたシステム及び方法を提供する。角度の変化は、プローブの運動を追跡するために利用されてよく、このような運動は、通常は、レンズの光軸に対して直角な少なくとも一成分を有する。これは、ビームが可動プローブを追跡することを可能にし、その結果、大きな試料が迅速に走査されることを可能にする。或いは、入射角度は、プローブ上のそれぞれ異なる場所にビームの中心を順次方向付けるために変化されてよく、プローブは、静止していてよい、又は動いていてよい。
【０００６】
ビームは、プローブを変形させる作動ビームを含んでいてよい。ビームによって引き起こされるプローブの変形は、プローブの曲り、ねじり、又はその他の任意の運動であってよい。この場合、作動ビームは、プローブを加熱させて光熱効果によって変形させることが好ましい。本明細書で使用される「光熱効果」という用語は、一般論として、プローブの加熱によって引き起こされるプローブの変形を意味し、プローブのこのような加熱は、プローブの照射によって誘発される。或いは、作動ビームは、放射圧などのその他の何らかのメカニズムによってプローブを変形させてよい。放射圧は、高反射性のプローブ被覆及び理想では何らかの形の空洞と併せて使用することができ、上記空洞として考えられるものに、プローブに取り付けられたミラーなどがある。
【０００７】
装置は、（通常はプローブを変形させることによって）プローブを駆動するための作動システムを含んでいてよく、該作動システムは、更に、放射ビームの強度を変調させるための変調システムを含む。同様に、方法は、更に、プローブを駆動する方法を含んでいてよく、該方法は、更に、放射ビームの強度を変調させることを含む。
【０００８】
このような作動システムに追加して、装置は、更に、プローブの移動を検出するための検出システムを含んでいてよい。好ましくは、検出システムは、検出ビームを使用し、該
検出ビームは、変調された作動ビームをプローブ上に焦点合わせするレンズと同じレンズによって、プローブ上に焦点合わせされる。好ましくは、走査システムは、プローブの移動を追跡するために検出ビームを移動させ、それによって、検出ビームが方向付けられるプローブ上の場所を維持する。変調されたビームと同様に、これは、レンズの光軸に相対的な、検出ビームがレンズに進入する入射角度を時間とともに変化させることによって達成されてよい。
【０００９】
走査システムは、プローブの移動を追跡するためにビームを移動させ、それによって、ビームが方向付けられるプローブ上の場所（又は複数の場所）を維持する追跡システムを含んでいてよく、上記プローブの運動は、通常は、レンズの光軸に対して直角な少なくとも一成分を有する。このような場合、装置は、プローブを移動させるために走査コントローラによって動作可能であるプローブドライバを含むのが通常である。通常は、プローブドライバによって引き起こされるプローブの移動は、試料の面に平行な試料表面を横切る移動である。追跡システムは、通常は、プローブドライバとは独立に動作可能である。追跡システムによって引き起こされるビームの運動は、プローブドライバによって引き起こされるプローブの運動と同期されてよい。
【００１０】
走査システムは、ビームをレンズに向かって反射させるビーム操縦ミラーと、該ビーム操縦ミラーを回転させるためのミラーアクチュエータとを含む。好ましくは、ミラーアクチュエータは、ビーム操縦ミラーを回転軸を中心として回転させるように構成され、該回転軸は、レンズの後焦点面内にある。好ましくは、ビーム操縦ミラーは、ミラーの面を定める反射性の表面を有し、ミラーアクチュエータは、ミラーの面内にある回転軸を中心としてビーム操縦ミラーを回転させるように構成される。随意として、ミラーは、回転されるとともに平行移動もされる。或いは、走査システムは、電気光学変調器又は音響光学変調器を含んでいてよい。
【００１１】
装置は、プローブを含むプローブ顕微鏡の一部として提供されてよい。プローブは、ビーム（又は各ビーム）がプローブを加熱し該プローブを光熱効果によって変形させるように構成された、熱膨張係数が異なる２つ以上の材料を含んでいてよい。
【００１２】
プローブ顕微鏡は、材料科学及び生物学的研究、工業検査、半導体ウエハ及びマスクの検査及び再考察、複数のバイオマーカを検出するためのバイオセンシング、走査プローブが基板上に化合物を堆積させるディップペンナノリソグラフィなどのナノリソグラフィ、又はプローブがヒータを有することによって温度が独立に引き上げられてポリマ基板を融解させることを可能にし、次いでプローブによるインプリント動作によって２進数を表すくぼみを生成するデータストレージなどの（ただし、これらに限定はされない）、数々の適用において使用されてよい。
【００１３】
通常は、プローブ顕微鏡は、プローブによって試料から情報を得るように動作される。試料から得られる情報は、トポグラフィ情報又はその他の任意の種類の情報（試料若しくは試料表面に関する化学的情報及び機械的情報など）であってよい。プローブ及び顕微鏡は、更に、適切な相互作用力を通じて磁場又は電場などのその他の試料特性を測定するように適応されてよい。或いは、走査型プローブ顕微鏡は、プローブによって、例えば材料を除去する、又は試料上に化合物を堆積させる若しくは試料上にデータを記憶させるなどのように材料を追加することによって、試料を操作又は変更するように動作されてよい。
【００１４】
通常は、プローブ顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡である。走査運動は、プローブを移動させることによって及び／又はプローブが相互作用している試料を移動させることによって達成することができる。
【００１５】
顕微鏡は、プローブによって走査される試料の画像を集めるための画像収集モジュールを含んでいてよい。
【００１６】
ビームは、反射された検出ビームを生成するためにプローブから反射される検出ビームを含んでいてよく、装置は、更に、反射された検出ビームをプローブから受信し該反射された検出ビームからプローブの移動を検出するように構成された検出システムを含む。この場合は、作動ビームはなく、プローブの運動は、圧電ドライバなどのその他の何らかの手段によって達成される。レンズへの検出ビームの入射角度の変化は、反射された検出ビームから異なるモードのプローブ運動を検出するために、又は２つの場所（例えば、カンチレバーの基部寄り及びカンチレバーの先端寄り）におけるプローブの高さ若しくは角度を検出し、これらの２つの場所間における高さ若しくは角度の差を、及びしたがってプローブの偏向の角度を決定するために、検出ビームをプローブ上のそれぞれ異なる場所に順次方向付けてよい。
【００１７】
ビームは、レンズに進入するのに伴って、平行化されてよい。或いは、ビームは、レンズに進入するのに伴って、非平行化（例えば分岐）されてよい。この場合、ビームの入射角度は、その平均の（ビームの幅全体で平均化された）入射角度として定義することができ、方法は、レンズの光軸に相対的な、ビームがレンズに進入する入射角度を時間とともに変化させることを含む。
【００１８】
レンズをそれが放射ビームを受信するのに伴って平行移動させるための、レンズドライバが提供されてよい。レンズドライバは、レンズの光軸の位置を時間とともに変化させるために、レンズを平行移動させてよい。レンズのこの平行移動は、例えば、プローブによって走査されている試料の面（従来、ＸＹ面として知られる）に平行に移動するプローブを追跡するためには、上記ＸＹ面に平行であってよい。通常は、レンズのこの平行移動は、光軸に直角である。或いは、レンズの平行移動は、例えば、走査動作中における試料の高さ変化を調整するためには、試料に向かう又は試料から離れる移動であってよい（従来、Ｚ方向として知られ、通常は、レンズの光軸に平行な方向である）。レンズは、走査システムがビームの入射角度を変化させるのと同じときに又は異なるときに、レンズドライバによって平行移動されてよい。
【００１９】
通常は、プローブは、プローブによって走査される試料から情報を得るために動作される（走査運動は、プローブを移動させることによって及び／又は試料を移動させることによって達成される）。通常は、走査システムは、プローブが走査されるのに伴って、レンズの光軸に相対的な、ビームがレンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるように構成され、試料から情報を得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
次に、添付の図面を参照にして、本発明の実施形態が説明される。
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態にしたがった、ｚ作動システムを組み込んだ代表的な原子間力顕微鏡の構成要素を示した概略図である。
【図２】図１のｚ作動システムの図であり、プローブが試料表面にわたって走査される間に第１、第２、及び第３のレーザビームがプローブの局所領域上に入射される追跡システムの詳細を示している。
【図３ａ】図２に示されたビーム操縦システムの拡大図である。
【図３ｂ】図２に示されたビーム操縦システムの拡大図である。
【図４】３本のビームをカンチレバー上に焦点合わせしている対物レンズの拡大図である。
【図５】別々の４つの光源によって照射されているカンチレバーを上から見た概略図である。
【図６】３本の作動ビームの変調強度を示した図である。
【図７】異なる幾何学形状を有するプローブ上における、ｚ作動システムによる３本のビームの好ましい位置決めを示した図である。
【図８】代替の温度バイモルフプローブの概略図であり、ｚ作動システムによる３本の作動ビームの好ましい位置決めを示している。
【図９】ＡＯＭ又はＥＯＭを組み込んだ代替のｚ作動システムの概略図である。
【図１０】本発明の更なる一実施形態にしたがった顕微鏡を示した図である。
【図１１】プローブのラスタ走査運動を示した図である。
【図１２】ミラーの回転軸がレンズの後焦点面内にある構成を示した図である。
【図１３】ミラーの回転軸がレンズの後焦点面内にない構成を示した図である。
【図１４】ミラーが回転されるとともに平行移動もされる構成を示した図である。
【図１５】検出ビームが対物レンズの光軸からずれている検出ビーム構成を示した図である。
【図１６】検出ビームが対物レンズの光軸からずれている検出ビーム構成を示した図である。
【図１７】検出ビームが対物レンズの光軸からずれている検出ビーム構成を示した図である。
【００２２】
＜実施例の詳細な説明＞
図１を参照すると、本発明にしたがった、ｚ作動システムの一実施形態を組み込んだ新規の顕微鏡１０が示されている。顕微鏡１０は、プローブ１６によって調査される試料１４が載せられたステージ１２を含む。プローブ１６は、カンチレバー梁１６ａと、微細な一点に向かって先細ってカンチレバー梁の末端寄りに位置付けられた先端１６ｂとを含む。カンチレバー梁のもう一方の端（基端）は、取り付け台に固定される。取り付け台及びプローブ１６は、圧電ｘｙドライバ１８に接続され、該ドライバは、試料１４の面（ｘ、ｙ）において試料表面にわたってプローブ１６を移動させるために、走査コントローラ２０によって動作可能である。
【００２３】
カンチレバー１６ａは、温度バイモルフと呼ばれるタイプである。すなわち、カンチレバー１６ａは、熱膨張が異なる２種類（又はそれ以上）の材料で構成される。通常は、これは、シリコン又はシリコン窒化物のベースを金又はアルミニウムで被覆したものである。被覆は、カンチレバー１６ａの先端からその長さに沿って裏側を被覆する。
【００２４】
作動光源２２は、追跡システム２４を介してカンチレバーの被覆面上に方向付けられる強度変調された放射ビームを生成する。光の波長は、被覆材料による吸収を優れたものにするように選択される。光学システム（不図示）は、これらのビームをカンチレバー１６ａ上のそれぞれ異なる場所に方向付ける。プローブ照射及び光源構成の選択肢については、後ほど更に詳しく論じられる。この概観目的では、カンチレバーの曲げを導入するために及びしたがって先端のｚ位置を調整するためにバイモルフプローブ１６が照射されることが理解されれば十分である。
【００２５】
検出システム２６は、プローブ先端１６ｂの偏向角度を示すプローブ運動信号を集めるように動作する。検出システム２６内では、検出光源（図１では図示されていない）が光ビームを発し、該ビームは、追跡システム２４を介して、先端が取り付けられたカンチレバー梁１６ａの端の上面（裏面）上に方向付けられる。カンチレバーの裏面から反射された光は、偏向検出器（この図では明示されていない）に伝搬する。該検出器は、通常は、分割フォトダイオードであり、カンチレバーの偏向を表す出力を生成する。なお、カンチレバーの裏面から反射されたこの光は、図を簡潔にするために、図１、又は図３ａ、又は図４では示されていないことに留意せよ。検出システムの出力は、プローブ振動の振幅に
関する情報を抽出するために、プロセッサ２８によって分析される。プロセッサ２８は、或いは、プローブ位置を示す例えば偏向又は位相などのその他のパラメータを抽出するように動作されてもよい。フィードバックコントローラ３０は、測定された振動振幅に応答してフィードバック信号３１を出力する。該フィードバック信号３１は、プローブ−試料間の間隔の調整において一定の振動振幅を維持するために、プローブ位置の調整を指示するために使用される。プローブ位置のこの調整は、以下では、ｚ位置フィードバックと呼ばれる。画像収集プロセッサ３２は、フィードバックコントローラ３０からフィードバック信号３１を受信する。該フィードバック信号３１は、顕微鏡１０によって得られた試料表面に関する情報を表しており、ｘｙ走査パターンの知識と併せて試料１４のマップを構築するために使用される。通常は、フィードバック信号及びしたがってマップは、試料の表面に関する高さ情報を提供する。
【００２６】
上記のように、カンチレバー１６ａは、温度バイモルフ構造であり、その材料は、加熱されたときに経る膨張に差がある。一実施形態では、カンチレバー１６ａは、シリコン窒化物をアルミニウムで被覆して作成される。作動光源２２は、この特定の被覆に対する吸収スペクトルの最大値又はピークにある１つ以上の波長の光を発する。例えば、波長は、約８１０ｎｍにおけるアルミニウム吸収ピークの付近であってよい。その他の被覆／波長の組み合わせを使用することも可能であり、例えば、金は、５００ｎｍ未満の光において、より高い吸収を有する。この光がカンチレバー１６ａの被覆面に入射すると、アルミニウムがシリコン窒化物よりも大きく膨張し、これは、先端を試料に向かって下向きに移動させるようにカンチレバーを曲がらせる。もし、照射強度が上げられた場合、先端１６ｂは、試料表面に更に近づくように移動される。反対に、もし、強度が下げられた場合、曲りは減少し、先端１６ｂは、試料から遠ざかるように移動される。
【００２７】
被覆材料及びベース材料の組み合わせが異なる場合は、照射を受けたときに、同じ又は反対の方向に様々なレベルの曲げを引き起こすだろうことが明らかである。作動光源２２は、信号発生器３４によって制御され、該信号発生器３４は、フィードバックコントローラ３０につながれている。信号発生器３４は、したがって、作動光源２２から発せられる光の強度を制御するように動作可能であり、これは、ひいては、温度バイモルフプローブによって呈される曲りの程度を（その材料仕様に関係なく）決定し、したがって、走査の過程において先端−試料間の間隔を律する。
【００２８】
作動光源２２から発せられる光の強度は、走査の進行に伴って、後ほど説明されるパラメータにしたがって変化する。基本的に、作動光源２２は、２つの異なるタイプのプローブ制御、すなわち上述のｚ位置フィードバック及びプローブ振動（後ほど更に詳しく説明される）のための駆動メカニズムを提供すると見なすことができる。すなわち、作動光源２２は、プローブの振動を駆動するように、及び走査の過程においてプローブ−試料間の間隔距離を調整するように設定される。
【００２９】
試料１４の画像を撮影するにあたり、顕微鏡は、以下のように動作される。信号発生器３４は、所望の周波数及び振幅で振動する光源信号を提供する。この信号は、作動光源２２に入力される際に、光源によって発せられる光ビームのうちの１本の強度を、信号の波長との関連のもとで変調させる。
【００３０】
この変調された光は、カンチレバー１６ａに入射されたときに、カンチレバーのたわみを引き起こし、これは、強度の変調に伴って変動する。プローブ先端１６ｂは、したがって、自由空間における駆動信号の周波数及び振幅と同じ周波数及び振幅で試料に向かうように及び試料から離れるように駆動される。これは、多くの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）適用において必要とされるプローブ振動を駆動する。動的モードで動作する代表的なＡＦＭにおいて、プローブ振動は、共鳴であってよい、又は共鳴に近くてよい。或いは、プロー
ブは、共鳴ではなく、ただし依然として高い周波数で駆動することが可能である。
【００３１】
動作にあたり、プローブ１６は、所望の自由空間振幅で振動するように、上述のように、強度変調された光ビームを照射される。信号発生器３４は、次いで、例えば、作動光源２２の１つへのその駆動信号を引き上げる。これは、後ほど更に詳しく説明される。いずれの場合も、結果として、プローブ先端１６ｂは、試料に近づくように移動される。プローブの振動振幅は、先端が表面の更に近くに移動されて表面と相互作用するのに伴って低減される。プローブ運動は、検出システム２６を使用して監視される。検出システム２６からの出力は、プロセッサ２８に引き渡され、プロセッサ２８は、検出器信号から振動の振幅を抽出する。
【００３２】
フィードバックコントローラ３０は、観測されたプローブ振動の振幅と、フィードバックコントローラ３０の設定点の振幅との間の差を算出する。コントローラ３０は、次いで、試料表面の画像を構築するために画像収集プロセッサ３２によって使用されるｚフィードバック信号を生成する。ｚフィードバック信号は、信号発生器３４にも入力される。信号発生器３４は、すると、再変調された出力を生成するために作動光源２２の１つに送信される指示信号を導出する。再変調された出力は、結果として、カンチレバーの曲りパターンを変調させ、これは、プローブ振動を維持しつつもフィードバックに応答して先端のｚ位置を効果的に調整する。
【００３３】
ｘｙスキャナ１８は、通常はラスタパターンをたどりながら、プローブ先端１６を試料の表面にわたって駆動する。作動光源２２及び高さ検出システム２６の双方からの光が、移動に伴ってプローブ上におけるそれらの位置を維持することように、走査コントローラ２０は、追跡システム２４が、スキャナ２８によって駆動される走査パターンに整合されていることを保証する。走査コントローラ２０は、スキャナ１８及び追跡システム２４の具体的な構成及び機械的挙動に応じ、それらのための異なる駆動信号を算出するだろう。先端１６ｂが、例えば、表面における高さが増した部分に遭遇したときは、その運動は、変更され、例えばプローブ振動の振幅などの被監視パラメータは、その設定点から離れる。フィードバックコントローラ３０は、プローブを試料１４から離れさせるために及びしたがって検出器２８から受信される信号をその設定点に戻すために、プローブ先端の垂直位置を光源２２の１つによって制御されるとおりに調整するように設定される。プローブ１６は、したがって、それが、表面との間に一定の（幾つかの振動にわたる）平均の相互作用を有する位置に維持される。
【００３４】
次に、図２を参照すると、ｚ作動システム２２、２４、３４の特徴が更に詳細に示されている。この例では、作動光源２２は、８１０ｎｍ付近の同じ赤外線波長の光をそれぞれ発する第１のレーザ２２ａ及び第２のレーザ２２ｂを含む。第１のレーザ２２ａからの光４０ａが、水平方向に偏光される一方で、第２のレーザ２２ｂからの光４０ｂは、垂直方向に偏光される。両レーザ２２ａ、２２ｂによって発せられる出力強度は、それぞれの駆動信号を介し、互いに独立に信号発生器３４の制御下にある。
【００３５】
偏光ビーム結合器４２は、それぞれの面に入射する２つの光源からの偏光４０ａ、４０ｂが１つの出力面から出るように方向付けられるように構成される。具体的には、ビーム結合器４２は、ビーム４０ａに対して４５度に配置された内部ミラー４２ａを有し、該ミラーは、ビーム４０ｂのＳ偏光成分は反射させるが、ビーム４０ａのＰ偏光成分は透過させる。
【００３６】
ビーム４０ｂがＳ偏光でありビーム４０ａがＰ偏光であるという事実は、制限的であるとみなされない。いずれの偏光がいずれのビームに使用されることも可能であり、実際は、円偏光も可能である。必要とされるのは、これらのビームが、ビーム結合器において結
合可能であるように別様に偏光されることのみである。
【００３７】
第２のレーザ２２ｂからの光４０ｂが所要の角度及び位置でビーム結合器４２に進入することを保証するために、第１の電動ミラー４４ａは、ミラーアクチュエータ４４ｃによって２本の直交する回転軸を中心にして操縦可能である。したがって、第１のミラー４４ａは、レーザ出力ビーム４０ａ、４０ｂが実質的に平行に又は小さな角度差で結合器から出るように調整することができる。この角度差は、図３及び図４において更に明らかである。高さ検出システム２６に使用するための第３のレーザビーム４０ｃもまた、適切な光学（不図示）によって操縦ミラーシステム４６に方向付けられる。該ミラーシステム４６は、後ほど更に詳しく論じられる。
【００３８】
第２の電動ミラー４４ｂは、結合されたｚ作動ビーム４０ａ、４０ｂを追跡システム２４に向かって方向付けられる向きにされる。第２のミラー４４ｂの角度は、レーザ出力ビーム４０ａ、４０ｂが、ビーム４０ｃに対して小さな角度差で追跡システム２４に入射し、したがって、３本のビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃが、互いの間に小さな角度差がある状態で追跡システム２４に入射するように、ミラーアクチュエータ４４ｄによって、２本の垂直な軸に対して調整することができる。ｘｙ走査システム１８によって、プローブ１６が試料表面にわたって走査されるときに、追跡システム２４は、３本のビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃが、その相対的変位を維持しつつもプローブｘｙ位置をたどることを保証するために、同様に走査される。
【００３９】
追跡システム２４から出る際に、ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、対物レンズ４８によって、カンチレバー１６ａの裏面に向かうように同時に焦点合わせされる。ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、それぞれ異なる角度でレンズシステム４８に入射するのに伴って、カンチレバー１６ａ上における横方向にずれたそれぞれの位置に焦点合わせされる。
【００４０】
追跡システム２４の詳細が、図３ａ及び図３ｂに示されている。ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、固定ミラー５２から直角ブロック５４に向かって反射される。直角ブロックは、ビーム４０ｃが進入面に法線入射する向きにされる。ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃの相対的な角度のずれは、直角ブロック５４によって維持される。ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、次いで、ビーム４０ｃに対して一定の角度の向きにされた可調整ミラー５６に伝搬する。ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、ミラー５６から対物レンズ４８に向かって反射される。ミラー５６は、図３ａに示されるように、ミラーの中心の周りに１２０度ずつ相隔てて配された３本の圧電アクチュエータ支柱５６ａに取り付けられる。３本の支柱５６ａの長さは、ミラーを平行移動させるために、まとめて調整することができる、又はミラーを２本の直交軸を中心にして回転させる若しくは傾けるために、それぞれ異なる率で調整することができる。すなわち、ミラー５６の角度は、ミラー５６を傾けることによって、２本の直交軸を中心にして調整することができる。２本の直交軸を中心にした回転は、独立に制御することができる。ミラー５６が傾くのに伴って、反射されたビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃは共に回転し、その結果、各ビームの入射角度及び入射地点は、対物レンズ４８上において横方向に移動される。ミラー５６の傾きを、ｘｙスキャナ１８による駆動に伴ってプローブ１６がたどる走査パターンに同期化させることは、３本の入射ビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃが、それぞれプローブ上におけるそれらの位置を維持することを意味する。プローブ上におけるビーム４０ａ、４０ｂ、４０ｃの位置は、レンズ４８へのビームの（入射地点ではなく）入射角度によってのみ決定されるので、プローブ上におけるスポット間の間隔は、レンズへの入射地点の変化に伴って変化することはない。
【００４１】
当業者ならば、この追跡システム２４が、４本、５本、又はそれよりも多数の光ビームが可動カンチレバーを追跡することを可能にするように適応可能であることがわかる。
【００４２】
図４は、対物レンズ４８がビーム４０ａ〜ｃをカンチレバー１６ａ上のそれぞれのスポットに焦点合わせする様子を示した概略図である。レンズ４８は、図４では１枚のレンズ素子として示されているが、複数のレンズ素子からなる組立品であってもよいことが理解される。上述のように、ミラー４４ａ、４４ｂは、ビーム４０ａ〜ｃがレンズの光軸４８ａに対して異なる入射角度で対物レンズ４８に進入するように配置される。図４に示されるように、この結果、ビーム４０ａ〜ｃは、対物レンズ４８によって、プローブ上においてその長さに沿ったそれぞれ異なる位置に焦点合わせされる。この例では、ビーム４０ｃは、光軸４８ａに平行である。なお、ビーム４０ａ〜ｃは、それぞれ、対物レンズ４８の入射瞳の直径の４分の１よりも大きい直径を有することに留意せよ。
【００４３】
光学システムは、無限光学システムであり、したがって、ビーム４０ａ〜ｄは、全て、対物レンズ４８に進入する際に平行化され、プローブ上におけるスポットの位置は、対物レンズ４８に進入する平行化ビームの角度のみに依存し、それらの横方向位置には依存しない。随意として、必要に応じてビーム４０ａ、４０ｂを平行化するために、平行化レンズ４１ａ、４１ｂが提供されてよい。無限光学システムが好まれるのは、それが、カンチレバー上におけるスポットのフォーメーションに影響を及ぼすことなくこれらのレンズ４１ａ、４１ｂが調整されること及び光学要素が追加されることを可能にするからである。代替の一実施形態（不図示）では、光学システムは、各ビームがレンズ４８に進入する際に分岐される有限光学システムであってよい。
【００４４】
図５は、ビーム４０ａ〜ｃによって照射されているカンチレバー１６ａ上のスポットを概略的に示している。スポットの中心は、互いに隔てられており、これらのスポットは、重なっていない。図５は、また、図２に示された視覚システム光源６０によって発せられるビーム４０ｄによって照射される広い領域も示している。この光源６０は、走査が実施される前にビームがプローブ１６に対して光学的に位置合わせされることを可能にする視覚システムの一部である。光源６０とは別に、視覚システムは、ＣＣＤカメラ６１、部分反射ミラー、及びＣＣＤ上に画像を形成するための筒レンズ４１ｅも有する。カンチレバー１６ａは、基板６１上に取り付けられ、上方（ｚ方向）から見られている。
【００４５】
第１のスポットは、カンチレバーの自由末端に最も近く、検出レーザビーム４０ｃの入射位置である。検出レーザビーム４０ｃは、プローブ先端が試料表面と相互作用するのに伴ってプローブの裏面の偏向を検出するために使用される非変調ビームである。したがって、検出レーザビーム４０ｃは、カンチレバーの裏面において、先端１６ｂの近くに位置決めされることが望ましい。先端１６ｂは、大半のカンチレバー設計では、カンチレバーの自由末端寄りであり、したがって、検出レーザビーム４０ｃも同様に、自由末端寄りに入射する。
【００４６】
ビーム４０ａは、プローブの偏向を駆動するように構成され（すなわち、ｚフィードバック信号３１にしたがって、走査の過程においてプローブ−試料間の隔離距離を調整し）、自由末端と基端／基板６１との中間に位置する第２のスポットでカンチレバーを照射する。ビーム４１ｂは、走査の過程においてプローブの振動を駆動し、カンチレバー１６ａと基板６１との境界の近くでカンチレバーの基端に入射する。ビーム４０ａ及びビーム４０ｂによって形成されるスポットは、同様な大きさで示されているが、振動ビーム及び偏向ビームの照射面積は、異なっていてもよい。
【００４７】
振動ビーム４０ｂ及び偏向ビーム４０ａは、図に示された位置とは異なるカンチレバー上の位置に入射されてもよく、ただし、例示された位置は、好ましい位置である。具体的には、カンチレバーの振動は、振動ビーム４０ｂをプローブカンチレバーの基部（基端）寄りに且つ基板６１の近くに方向付けることによって、最も効率的に励起されることがわかっている。これは、振動ビーム４０ｂがカンチレバーの機械的振動を効果的に駆動する
ことを可能にする。
【００４８】
広い４番目のスポットは、セットアップ中にカンチレバーを見るために使用されるカメラ６０のための照射ビーム４０ｄに由来する。これは、試料の走査中に随意にオフにすることができる。
【００４９】
図３に示された追跡システム２４は、４本のビーム４０ａ〜ｄを、全て、それらを縦方向に位置合わせしたままでまとめて追跡するように構成される。このように、４本のビーム４０ａ〜ｄは、走査の過程においてプローブが移動される間、同じ相対的向きを維持したままでカンチレバー１６ａを照射し続ける。
【００５０】
図６は、３本のビーム４０ａ〜ｃの強度変調を示したグラフである。振動ビーム４０ｂの強度は、第１の駆動信号にしたがって信号発生器３４によって変調され、この第１の駆動信号は、通常は数十ｋＨｚから数ＭＨｚまでの範囲の一定の周波数を有する正弦波９０であり、個別の詳細は、顕微鏡の構成、動作のモード、及び個別のカンチレバーに依存する。第１の駆動信号によって生成されるプローブ先端１６ｂの振動の最大振幅は、通常は１０〜２００ｎｍ程度である。偏向ビーム４０ａの強度は、プローブの振動振幅を一定に維持してプローブの先端１６ｂが試料の形状を追跡できるようにするために、第２の駆動信号にしたがって信号生成器３４によって変調され、この場合は、プローブの先端１６ｂが試料の段差の上を通過するのに伴って、９１において第２の駆動信号を変化させる。通常は、段差は、ミクロン規模のサイズを有するので、第２の駆動信号によって引き起こされるプローブ先端１６ｂの偏向の振幅は、第１の駆動信号によって引き起こされるプローブ先端の偏向の振幅よりも一桁大きい（すなわち、少なくとも１０倍である）。検出レーザビーム４０ｃは、変調されず、したがって、一定の強度９２を有する。
【００５１】
図７は、プローブの代替の幾何学的形状を示している。この構成では、カンチレバーは、Ｔ字形状であり、長手方向アーム７４が基部から自由端に伸び、その自由端を横棒７６が横切っている。この平面図からは見えないが、先端は、横棒７６上に非対称的に位置付けられ、横棒７６によって支えられている。ねじれ振動とは、ひねり運動を引き起こすためにカンチレバーがその長手方向軸を中心にして振動されることを意味する。こうすると、ずらされた先端は、該先端を垂直方向に試料表面に近づかせる及び試料表面から離れさせる小さな弧を描く。Ｔ字形状プローブのねじれ振動は、したがって、標準的な矩形プローブのたわみ振動の代替として使用されてよい。
【００５２】
ねじれ振動によって確立される先端の垂直方向運動は、高速顕微鏡走査で使用されるときに、その他のモードに勝る幾つかの利点を提供する。ねじれ共振は、たわみ共振よりも高周波数である。理想を言うと、ねじれ振動周波数は、０．５〜５ＭＨｚ付近であり、たわみバネ定数は、０．２〜２Ｎｍ-1程度である（これらのパラメータは、カンチレバーの寸法を調整することによって制御することができる）。これは、表面がサンプル抽出される率が、ねじれ動作の場合の方が高いことを意味する。これは、したがって、走査速度を高めるために又は先端−試料間相互作用力の検出の感度を向上させるために使用することができる。動的撮像において見舞われる別の問題は、フィードバックシステムにおける大きな誤差（例えば表面高さの急激な変化に起因して生じる）が、ときとして、たわみ曲げ（偏向）として表面に加えられる大きな力を、試料−プローブ基部間間隔の誤差を打ち消すために増加させるかもしれないことである。動的振動を提供するためにねじれ振動モードを使用することは、動的機能性を何ら損なうことなくたわみ曲げの堅さを軽減できることを意味する。これは、印加される表面力に対する誤差の影響を軽減するとともに、もし、ねじれモードに追加してたわみ曲げが必要とされる場合に、プローブを更に大幅に変位させる。
【００５３】
ねじれ振動を励起させるために、図５の矩形プローブ設計と同様に、３本の別々のレーザビームがＴ字形状プローブの裏面上に焦点合わせされる。前述のように、検出レーザビーム４０ｃは、プローブ先端の上方のスポットに焦点合わせされる。プローブ先端が横棒７６に沿ってずれるのに伴って、検出スポット４０ｃもずれていく。振動ビーム４０ｂは、やはり、効率的な結合を保証するためにプローブと基板との間の境界においてカンチレバー７４の基端に焦点合わせされる。この実施形態では、しかしながら、スポット４０ｂは、カンチレバーの長手方向軸の右側にずれている。ずらされた位置は、ねじれ振動を最も良く励起させることを見いだされた位置である。第３のビーム４０ａは、やはり、検出ビームと振動ビームとの中間においてカンチレバー上の中心に焦点合わせされる。
【００５４】
図８は、本発明のｚ作動システムに応答するプローブの代替設計を示している。この実施形態では、基板９３が、３本のプローブ９４ａ〜ｃからなる配列を支えている。各プローブは、基板側の端における広めの領域９６ａと、自由端に至る狭めの領域９８ａとを有する。領域９６ａ、９８ａは、ともに、基部材料とは熱膨張性が異なる材料で被覆されている。
【００５５】
この実施形態では、検出レーザによって、先端の位置の上方の第１の照射スポット１００が形成される。このスポット１００は、プローブの移動を駆動するものではない。カンチレバーの２つの部分９６ａと９８ａとの間の境界には、第２のスポット１０２が焦点合わせされる。この境界は、やはり、光熱エネルギが機械的振動を励起させるのに効果的な結合場所である。このスポット１０２は、したがって、プローブ振動を駆動するレーザからのものである。第３のスポット１０４は、プローブの部分９６ａ上において基板９２寄りに焦点合わせされる。このレーザビームは、プローブ選択の役割を担うものである。すなわち、このレーザビームは、プローブ９４ａ〜ｃのうちの１つを、その他のプローブからなる面よりも下に突き出させ、走査を実施するプローブとして選択するために、プローブ９４ａ〜ｃのうちの上記１つに焦点合わせされる。前述のように、ビーム追跡システムは、プローブが試料にわたって走査される間、全てのビームがプローブに対して固定位置を維持することを保証する。第１の実施形態における、試料の形状をたどるためのプローブの偏向は、検出ビーム４０ａによって駆動される。図８の場合、形状をたどるこの偏向は、スポット１００とスポット１０２との間の第４のスポット（不図示）によって、又は（そのプローブ選択機能に追加して）スポット１０４によって、又は圧電アクチュエータなどの別の作動メカニズムによって、駆動することができる。
【００５６】
図９は、上記のような２本の変調ビーム４０ａ、４０ｂに代わって１本の変調ビーム１１０のみが使用される代替の光学構成を示している。この例では、レンズ４８へのビーム１１０の入射角度は、ビーム１１０によってプローブ上の２つの異なる場所を順次照射するために、変調器１１１によって２つの角度１１２と１１４との間で切り替えられる。変調器１１１は、好ましくは、電気光学変調器又は音響光学変調器である。変調器１１１は、プローブが照射サイクルと照射サイクルとの間で各角度において大幅に冷めることがないように、十分に頻繁に角度を切り替えることができる。例えば、プローブ上の場所と場所との間における切り替え時間は、プローブ上のそれらの場所の熱時定数未満であることが好ましい。ビーム１１０は、角度１１２で方向付けられるときは、試料の形状をたどるためにプローブを偏向させるように変調され、角度１１４で方向付けられるときは、プローブを振動させるように変調される。
【００５７】
上記の例では、ビーム１１０は、ビームが向けられている場所と同期して変調される。すなわち、ビーム１１０が角度１１２で方向付けられているときは、ビームの強度を変化させるために第１の変調が加えられ、ビームが角度１１４で方向付けられているときは、ビームの強度を変化させるために第２の変調が加えられる。代替の一例では、ビーム１１０の強度は変調されなくてよく、その代わりに、パルス幅変調と同様なやり方で、ビーム
が各場所で費やしている時間の長さを制御することよって、２つの場所の加熱を変調させることができる。すなわち、ビームが２つの場所の間で切り替わるのに伴って、ビームが各場所で費やしている時間の長さを時間とともに変化させ、そうして、各場所に送られる平均電力も変化させることができる。２つの場所が独立に変調されることを可能にするために、ビームは、切り替えサイクルの一環として第３の場所に方向付けられてもよく、この第３の場所は、プローブから外れたところ、又はプローブの一部で熱応答がないところのいずれかである。
【００５８】
更なる代替の一例では、ビーム１１０の変調は、ビームが向けられている場所と同期して変動されなくてよい。この例では、ビーム１１０は、２つの場所を別様に加熱することよりも、むしろ、広い領域にわたってエネルギを分散させることを目的として、カンチレバーの表面の上で継続的に走査される。ビーム１１０の強度は、表面の上を走査するのに伴って、（例えばプローブを振動させる目的で）変調されるが、ビーム１１０の強度は、走査運動と同期して変調されるのではない。言い換えると、ビーム１１０の強度は、１つ目の場所では第１の駆動信号にしたがって変調され２つ目の場所では第２の駆動信号にしたがって変調されるのではなく、むしろ、ビームの角度に関係なく単一の駆動信号（例えば周波数が一定の正弦波）のみにしたがって変調される。
【００５９】
例示を容易にするために、図９の実施形態では、検出ビームが示されていない。しかしながら、図２に示されたその他の様々な追加項目とともに、検出ビームもやはり必要とされる。変調器１１１は、図２における項目４２、４４ａ、及び４４ｃに取って代わる。したがって、追跡システム２４は、変調器１１１に取って代わられず、このため、ミラー５６は、プローブのラスタ走査運動を追跡するために引き続き使用される。
【００６０】
前述のように、従来のＡＦＭ走査中におけるｚ方向のプローブ運動は、２つの成分、すなわち、プローブ−試料間相互作用を監視するために使用される振動成分と、平均の相互作用強度が一定のレベルに維持されることを保証するためにフィードバック信号に応答してプローブ−試料間間隔を調整するために使用されるｚ位置決め成分とを含む。本発明の図１の実施形態では、ｚ方向の全てのプローブ運動を駆動するために、１つの作動システムが使用される。駆動信号のフィードバック成分は、画像を構築するために使用される。
【００６１】
上述の実施形態では、高さ検出システム２６は、（プローブの角度を測定する）光学レバーを使用する偏向検出に基づいていた。例えば干渉分光法に基づくなどの、代替の高さ検出システムが使用されてもよい。このような検出システムは、カンチレバーの先端の上面上に焦点合わせされるレーザビームと、ステージの上面から反射される基準ビームとを発する光源を含む。反射の際に、これらの光ビームは、干渉計を含むプローブ高さ検出器に伝搬する。レーザ光は、カンチレバーから反射された光と基準ビームとの間に干渉縞が生成されるのに十分に可干渉性である。これは、２本のビーム間の光路差又は光路差の変化の測定値を提供し、したがって、ステージ表面の上方におけるカンチレバーの裏面の瞬時高さの指標を提供する。
【００６２】
（図４、図６、及び図７においてプローブ先端の真上にある）スポット４０ｃの位置は、検出システム１６が、プローブの先端の高さを直接測定する干渉計型検出システムである場合に、特に好ましいとされる。しかしながら、もし、検出システム１６が、（プローブの角度を測定する）光学レバーであるならば、検出スポット４０ｃの位置は、あまり重要ではなく、例えば、図６のようにＴ字形状のプローブである場合は、スポット４０ｃを横棒７６全体のどこに配することも可能である。
【００６３】
図１０は、図１〜５の顕微鏡と同様な幾つかの特徴を持つ顕微鏡を示しており、等価な構成要素を示すために、同じ参照番号が使用されている。図１〜５の顕微鏡との相違は、
以下のとおりである。
【００６４】
図１の圧電ＸＹスキャナ１８が、プローブをＸ方向及びＹ方向はもちろんＺ方向にも移動させることができる圧電プローブドライバ１８ａに置き換えられる。ドライバ１８ａは、駆動信号５０によって駆動され、干渉計、静電容量センサ、又はＬＶＤＴセンサなどのセンサ（不図示）が、フィードバック信号５１を提供するために、アクチュエータ１８ａの位置を検出する。フィードバック信号５１は、走査制御システム２０によって、フィードバックループにおいて駆動信号５０を調整するために使用されてよく、これは、ドライバ１８ａが、プローブを所望の位置に駆動することを保証する。追跡システム２４におけるミラー５６は、プローブドライバ１８ａによって引き起こされるプローブのＸＹ移動を追跡するために、ビームを移動させるように構成される。
【００６５】
同様に、追跡システム２４における可傾式可変ミラー５６は、駆動信号５２によって駆動され、干渉計、静電容量センサ、ひずみゲージ、又はＬＶＤＴセンサなどのセンサ（不図示）が、フィードバック信号５３を提供するために、ミラー５６の位置を検出する。フィードバック信号５３は、走査制御システム２０によって、フィードバックループにおいて駆動信号５２を調整するために使用されてよく、これは、ミラー５６が、所望の回転位置にあることを保証する。
【００６６】
顕微鏡は、レンズ４８に取り付けられた圧電レンズドライバ５４も有し、該ドライバ５４は、レンズ４８をＸ方向及びＹ方向はもちろんＺ方向にも移動させることができる。レンズドライバ５４は、駆動信号５５によって駆動され、干渉計、静電容量センサ、ひずみゲージ、又はＬＶＤＴセンサなどのセンサ（不図示）が、フィードバック信号５６を提供するために、レンズ４８の位置を検出する。フィードバック信号５６は、走査制御システム２０によって、フィードバックループにおいて駆動信号５５を調整するために使用されてよく、これは、レンズドライバ５４が、レンズを所望の位置に駆動することを保証する。レンズドライバ５４は、プローブドライバ５４によってＸ、Ｙ、及びＺにおいて引き起こされるプローブの移動を追跡するために、レンズ４８を平行移動させるように構成される。
【００６７】
また、検出システム２６からの検出ビーム４０ｃの角度を調整するために、音響光学変調器（ＡＯＭ）５７が提供される。ＡＯＭ５７は、異なるモードの運動を検出するために、又は例えば２つの場所（例えば、カンチレバーの基部寄り及びカンチレバーの先端寄り）におけるプローブの高さ若しくは角度を検出するなどのその他の理由のために、検出ビーム４０ｃをカンチレバー１６上の２つ以上の地点の間で切り替えるように動作させることができる。この切り替えは、試料が（例えば、ラスタライン間で若しくは画素から画素へ）走査されるのに伴って生じてよい、又は同じ試料に対する２回の連続する走査の間に生じてよい。
【００６８】
図３ａの実施形態では、プローブ先端の追跡が、もっぱら可傾式ミラー５６によって実施される。この構成は、対物レンズ４８の許容角度ゆえに、限られた走査範囲を有する。広い（５ミクロンをゆうに上回る、より一般的には１０ミクロンを上回る、最も一般的には数十ミクロンを上回る）走査範囲の場合は、その他の先端追跡手段を使用することが望ましい。これは、図１０の顕微鏡において、ミラー５６を傾斜させる（速い走査速度を実現するが、走査範囲が限られる）ことと併せて圧電レンズドライバ５４（広い走査範囲を実現するが、走査速度が遅い）によって対物レンズ４８をＸＹ面内で平行移動させることによって達成することができる。この入れ子式のアプローチ(nested approach)は、特定
のタイプの検査で必要とされるような、遥かに広い走査範囲を実現することができる。
【００６９】
この入れ子式のアプローチの一例が、図１１に示されている。実線のジグザグ線５８は
、ＸＹ面内におけるプローブのラスタ走査運動を示している。鎖線５９は、レンズ４８の運動によって放射ビームに付与される低周波数の正弦波運動を示している。放射ビームのその他のＸＹ運動（特に、ラスタ走査運動５９が各ラインの終わりに急激に方向を変化させる高周波数の運動）は、ミラー５６の回転によってビームに付与される。
【００７０】
図１１の入れ子式のプローブ追跡方法は、以下のようにセットアップすることができる。先ず、ミラー５６のみによって追跡するのに十分な狭さの狭い運動範囲で走査されるラスタパターンをたどるように、プローブが移動される。レンズ４８が静止したままの状態で、ミラー５６が回転され、視覚システム６０、６１によって、走査プローブ上におけるスポットの位置が観察される。次いで、スポットがプローブ上におけるその位置を変化させることなく可動プローブを正確に追跡することができるように、ミラー駆動信号５２が調整される。次に、ミラー５６の運動が停止され、同様なやり方でプローブの運動を追跡するために、レンズ４８が平行移動され、このときは、視覚システム６０、６１を通じてスポットが観察される間に、レンズ駆動信号５５が調整される。上述のように、レンズ駆動信号及びミラー駆動信号が設定されたら、レンズ及びミラーは、図１１に示された入れ子式の運動を達成するために、同時に動作させることができる。
【００７１】
総じて、プローブのＺ運動は、レンズ４８の焦点深度未満であるが、広い走査の場合は、試料の高さに大きな変化があるかもしれず、走査中は、プローブが焦点面内にとどまるように、レンズドライバ５４を、レンズ４８を（Ｚ方向に）平行移動させて試料に向かわせる又は試料から離れさせるように動作させることもできる。
【００７２】
図１２及び図１３は、可調整ミラー５６の回転軸をミラーの面内に置くとともに対物レンズ４８の焦点にも置くことの望ましさを示した概略図であり、ここでは、ミラー５６は、検出ビーム４０ｃをプローブ上に方向付けるために使用される。なお、図１２〜１７では、図を簡略化する目的で、検出ビーム４０ｃのみが示されていることに留意せよ。しかしながら、プローブは、同じ対物レンズ４８を通じて、図１に示されるように作動ビームでも照射されてよい。
【００７３】
図１２及び図１３の両方において、プローブは、レンズ４８の前焦点面内にある。図１２の場合は、ミラー５６及びその回転軸は、レンズ４８の後焦点面（すなわち、レンズの光軸がその後焦点面と交わる点）にあるが、図１３の場合は、ミラー及びその回転軸は、後焦点面からずれている。
【００７４】
図１２において、もし、検出ビームがレンズ４８の光軸と同軸であり、プローブに直角で衝突するならば、反射されたビームは、ミラー５６による反射の前と後とで同じ経路に沿って戻ることがわかる。もし、ミラー５６が回転され、したがって、検出ビーム４０ｃがレンズ４８の光軸と同軸でなくなったならば、プローブ及びミラー５６によって反射されたビームは、シフトしない。この場合、ミラー５６は、プローブを追跡するために、（平行移動を伴わずに）純粋な回転のみで移動することができる。
【００７５】
図１３において、もし、検出ビームがレンズ４８の光軸と同軸であり、プローブに直角で衝突するならば、反射されたビームは、ミラー５６による反射の前と後とで同じ経路に沿って戻ることがわかる。ミラー５６による反射後における反射されたビームの経路は、８０で表示してある。もし、ミラー５６が回転され、したがって、プローブを照射する検出ビームがレンズ４８の光軸と同軸ではなくなったならば、プローブ及びミラー５６によって反射されたビームは、位置８０から位置８１にシフトする。このシフトは、反射ビームの角度を及びしたがってプローブの角度を測定するために反射ビームのシフト位置、すなわち横方向位置が使用される場合に、特に望ましくなく、上記測定は、通常は、例えばＷＯ２００９／１４７４５０に記載されるように、反射ビームの横方向変位を測定するこ
とによってプローブの角度を決定するために、分割フォトダイオード検出システムを使用する。
【００７６】
場合によっては、対物レンズ４８の構成ゆえに、可調整ミラー５６の回転軸を対物レンズ４８の後焦点面内に置くことが不可能かもしれない。この場合は、反射されたビームが、図１３に示されるようにシフトすることがないように、ミラー５６は、回転させるとともに平行移動させることもできる。図１４に示された一例では、ミラー５６は、回転されるとともに平行移動もされ、したがって、反射されたビームは、ミラー５６によって反射された後も、照射ビームと同じ経路をたどる。
【００７７】
図４では、カンチレバー１６は、水平方向に横たわる（すなわち、その長さがＹ方向に伸びる）ものとして示されている。また、検出ビーム４０ｃの中心は、図４では、レンズ４８の光軸４８ａと同軸であるものとして示されている。しかしながら、より一般的には、プローブ１６は、図１５に示されるように、Ｙ軸に対して鋭角θで下向きに伸びており、検出ビーム４０ｃは、図１５及び図１６にそれぞれ示されるように、光軸４８ａからＹ方向及びＸ方向にずれている。図１７は、Ｚ軸に沿って見たときのレンズ４８を示しており、光軸４８ａからのビーム４０ｃ、４０ｃ’のＸ方向及びＹ方向のずれを示している。
【００７８】
図１６に示されるように、照射ビーム４０ｃを光軸４８ａからＸ方向にずらすことは、反射されたビーム４０ｃ’が照射ビーム４０ｃと同じ経路に沿って戻ることがないことを保証する。これは、反射ビーム４０ｃ’が照射ビーム４０ｃから光学的に分離される必要なく容易に検出器に向かって方向付けられるようにするゆえに、望ましいものである。
【００７９】
以上では、１つ以上の好ましい実施形態を参照にして本発明が説明されてきたが、添付の特許請求の範囲に定められた発明の範囲から逸脱することなく様々な変更又は修正がなされてよいことがわかる。
【図１】
2018021930.tif 000003
【図２】
2018021930.tif 000004
【図３ａ】
2018021930.tif 000005
【図３ｂ】
2018021930.tif 000006
【図４】
2018021930.tif 000007
【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】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月24日(2017.10.24)
【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】
プローブ顕微鏡のプローブを照射するための装置であって、
放射ビームを受信しそれを前記プローブ上に方向付けるように構成されたレンズと、
前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるための走査システムと、
を備え、
前記走査システムは、前記ビームを前記レンズに向かって反射させるビーム操縦ミラーと、前記ビーム操縦ミラーを回転させるためのミラーアクチュエータとを含んでおり、
前記ビーム操縦ミラーは、前記ミラーアクチュエータによって回転とともに平行移動を行うことが可能である、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記装置は、前記プローブを駆動するための作動システムであり、
前記装置は、更に、前記放射ビームの強度を変調させるための変調システムを備える装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記ビームは、反射された検出ビームを生成するために前記プローブから反射される検出ビームであり、
前記装置は、更に、前記反射された検出ビームを前記プローブから受信し前記反射された検出ビームから前記プローブの移動を検出するように構成された検出システムを備える装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置であって、
前記走査システムは、前記プローブの移動を追跡するために、前記ビームを移動させるように構成される追跡システムである、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、更に、
前記プローブを試料表面にわたって移動させるように動作可能であるプローブドライバを備え、
前記追跡システムは、前記ドライバによって引き起こされる前記プローブの移動を追跡するために、前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度
を時間とともに変化させるように構成される、装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置であって、更に、
前記レンズを平行移動させるためのレンズドライバを備える装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置であって、
前記ミラーアクチュエータは、３本のアクチュエータ支柱を有しており、
前記ビーム操縦ミラーは、前記３本のアクチュエータ支柱に取り付けられており、
前記３本のアクチュエータ支柱の長さは、前記ビーム操縦ミラーを平行移動させるためにまとめて調整することができるか、または、前記ビーム操縦ミラーを２本の直交軸を中心にして回転させるまたは傾けるために異なる率で調整することができる、装置。
【請求項８】
請求項７に記載の装置であって、
前記アクチュエータ支柱は、圧電アクチュエータ支柱である、装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の装置であって、
前記アクチュエータ支柱は、前記ビーム操縦ミラーの中心の周りで１２０度ずつ隔てられている、装置。
【請求項１０】
走査型プローブ顕微鏡であって、
プローブと、
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
プローブ顕微鏡のプローブを照射する方法であって、
放射ビームを生成することと、
前記ビームをレンズによって受信することと、
前記ビームを前記レンズによって前記プローブ上に方向付けることと、
回転とともに平行移動を行うビーム操縦ミラーを用いて前記ビームを前記レンズに向かって反射させること、および、前記ビーム操縦ミラーを回転させることによって、前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させることと、
を備える方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、更に、
前記プローブを移動させることと、
前記プローブの前記移動を追跡するために、前記ビームの入射角度を時間とともに変化させることと、
を備える方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の方法であって、
前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度は、前記ビームの中心を前記プローブ上のそれぞれ異なる場所に順次方向付けるために変化される、方法。
【請求項１４】
請求項１１ないし１３のいずれか一項に記載の方法であって、更に、
前記プローブによって走査される試料から情報を得ることを備え、
前記プローブが前記試料から情報を得るのに伴って、前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度が時間とともに変化される、方法。
【請求項１５】
プローブ顕微鏡のプローブを照射するための装置であって、
放射ビームを受信しそれを前記プローブ上に方向付けるように構成されたレンズと、
前記レンズの光軸に相対的な、前記ビームが前記レンズに進入する入射角度を時間とともに変化させるための走査システムと、
前記走査システムは、前記ビームを前記レンズに向かって反射させるビーム操縦ミラーを含んでおり、
前記ビーム操縦ミラーは、３本のアクチュエータ支柱に取り付けられており、
前記３本のアクチュエータ支柱の長さは、前記ビーム操縦ミラーを平行移動させるためにまとめて調整することができるか、または、前記ビーム操縦ミラーを２本の直交軸を中心にして回転させるまたは傾けるために異なる率で調整することができる、装置。