(57)【要約】【解決手段】走査型プローブ顕微鏡は、駆動力に対して機械的に応答するプローブを含む。信号生成器は、駆動力を生成するアクチュエータに、プローブを繰り返し試料に向かわせる及び試料から遠ざからせるようにアクチュエータを促すための駆動信号を提供する。検出システムは、プローブから反射された光と、高さ基準ビームとの間の経路差の指標になる高さ信号を出力するように構成される。画像処理装置は、高さ信号を使用して試料の画像を形成するように構成される。信号処理装置は、プローブが試料に接近する際にプローブを監視するように及びプローブが試料と相互作用する表面位置を検出するように構成される。表面位置の検出に応答し、信号処理装置は、駆動信号を修正するように信号生成器を促す。【選択図】図１
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【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、
駆動力に対して機械的に応答するプローブと、
前記駆動力を生成するアクチュエータに、前記プローブを繰り返し試料に向かわせる及び試料から遠ざからせるように前記アクチュエータを促すための駆動信号を提供するための信号生成器と、
前記プローブから反射された光と、高さ基準ビームとの間の経路差の指標になる高さ信号を出力するように構成された検出システムと、
前記高さ信号を使用して前記試料の画像を形成するように構成された画像処理装置と、
前記プローブが試料に接近する間に前記プローブを監視するように及び前記プローブが前記試料と相互作用する表面位置を検出するように構成された信号処理装置と、
を備え、
前記表面位置の検出に応答し、前記信号処理装置は、前記駆動信号を修正するように前記信号生成器を促す、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記信号処理装置は、前記プローブが試料に接近する間に前記高さ信号を監視するように及び前記プローブが前記試料と相互作用する前記表面位置を検出するように構成される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記高さ基準ビームは、試料位置との間に既知の関係を有する基準点から反射される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記信号生成器は、プローブ振動運動を生成するためのものであり、前記信号生成器は、波形生成器であり、前記駆動信号は、前記プローブを前記表面に向かわせる及び前記表面から遠ざからせる周期的駆動力を提供するためのものである、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記検出システムは、干渉計を含む、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記信号処理装置は、位置信号の変化率を監視するように及び前記位置信号の変化率が既定の閾値を既定の時間間隔にわたって下回る時点において得られた前記位置信号から表面位置の前記指標を得るように構成される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記プローブは、熱膨張の異なる二種類の材料を含み、前記アクチュエータは、照明源である、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記信号処理装置は、プローブ振動の振幅の変動を検出するように及び前記振幅を所望の値に維持するためにプローブと試料との隔たりを調整するようにも構成される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記駆動信号は、前記プローブを完全後退位置と表面位置との間で繰り返し試料に向かわせる及び試料から遠ざからせるように前記アクチュエータを促すための信号であり、前
記信号処理装置は、前記表面位置と前記完全後退位置との間の距離を所定の値に維持するために前記プローブと試料との間の隔たりを調整するようにも構成される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、更に、
前記アクチュエータ又は第２のアクチュエータに、前記プローブの１つ以上の二次振動を励起するように前記アクチュエータ又は前記第２のアクチュエータを促すための第２の駆動信号を提供するための第２の信号生成器を備え、
前記信号処理装置は、前記プローブの前記二次振動の振幅、位相、及び周波数の指標になる相互作用信号を生成するように構成された表面相互作用検出器を含み、前記信号処理装置は、前記プローブが試料に接近する間に前記相互作用信号を監視することによって前記表面位置を検出するように構成される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記駆動信号は、一連のパルスを含み、前記駆動信号の各パルスは、前記プローブを前記試料から遠ざからせるよりも低い速度で前記プローブを前記試料に向かわせるように前記アクチュエータを促すように、非対称的である、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記試料の前記画像は、複数の画素を含み、各画素は、前記試料に向かう及び前記試料から遠ざかる前記プローブの運動の所定の一サイクルにわたって前記プローブの前記運動にしたがって変動する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡であって、
前記試料の前記画像は、複数の画素を含み、各画素は、前記試料に向かう及び前記試料から遠ざかる前記プローブの運動の一サイクル中のみの前記プローブの運動から導出される、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
試料の画像を形成する方法であって、
（ａ）繰り返し前記試料に向かう及び前記試料から遠ざかるようにプローブを駆動するために使用される駆動信号を生成するステップと、
（ｂ）前記プローブから反射された光と、高さ基準ビームとの間の経路差の指標になる高さ信号を測定するステップと、
（ｃ）前記高さ信号を使用して、前記試料の画像を形成するステップと、
（ｄ）前記プローブが前記試料に接近する間に前記プローブを監視して、前記プローブが前記試料と相互作用する表面位置の指標を得るステップと、
（ｅ）前記表面位置の指標に応答し、前記駆動信号を調整するステップと、
を備える方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記プローブは、ステップ（ｄ）において、前記高さ信号を監視することによって監視される、方法。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の方法であって、
前記駆動信号は、前記プローブを前記試料から後退させるように調整される、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、
前記試料の前記画像を構築するために、前記高さ信号をプローブ横方向位置と関連付けるステップを備える方法。
【請求項１８】
請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法であって、更に、
前記プローブの１つ以上の二次振動を励起させるために使用される第２の駆動信号を生成するステップを備え、
前記ステップ（ｄ）は、前記プローブの前記二次振動の振幅、位相、及び周波数の指標になる相互作用信号を生成することと、前記プローブが試料に接近する間に前記相互作用信号を監視して、前記表面位置を検出することとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ顕微鏡観察の分野に関するものであり、特に、試料に向かうこと及び試料から遠ざかることを繰り返すプローブを用いた顕微鏡の新規の動作モードに関するものである。
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の背景にある原理は、試料表面と、該表面に極めて接近するように位置決めされるプローブ先端との間の相互作用を監視することによって、上記試料表面のマップ又は画像を得ることである。試料表面を機械的に走査することによって、関心領域における相互作用を特徴付けるデータを集め、マップ又は画像を生成することができる。
【０００３】
ＳＰＭの特定の例は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であり、この顕微鏡では、試料と、プローブの鋭い先端との間の相互作用の力が監視される。代表的なＡＦＭのプローブは、その基部をサポートに固定され且つその反対側の（自由）端に先端を伴う小型のカンチレバーを含む。プローブ先端が試料に極めて接近されたときに、試料と先端との間には、相互作用力が生じる。もし、先端が、例えば振動するなどのように運動しているならば、相互作用力は、この運動を何らかの形で変化させる。もし、先端が、静止しているならば、相互作用力は、先端を試料表面に相対的に変位させる。
【０００４】
走査の過程中、先端は、特徴付けられるべき試料の領域にわたって移動される。三軸（ｘｙｚ）高解像度スキャナは、通常、試料とプローブとの間に相対的な運動を生じさせ、試料及び／又はプローブサポートのいずれかを駆動する。スキャナは、統合された１つのユニットであってもよいし、又は個々のアクチュエータ又はアクチュエータ群からなっていてもよい。例えば、ＡＦＭには、試料を移動させるための複合型のｘ、ｙ方向アクチュエータと、プローブを移動させるための別個のｚアクチュエータとを含むものがある。従来、ｘｙ平面は、試料の面に概ね対応するようにとられ、ｚ方向すなわち垂直方向は、プローブと試料との間の隔たりを調整可能な方向であるようにとられる。
【０００５】
スキャナは、通常、積層型の又は筒状の圧電アクチュエータを用いる。これらのアクチュエータは、圧電性材料に印加される電圧に基づいて移動を生じさせるものであり、これは、機械的なしなりを使用して誘導することができる。ＷＯ０２／０６３３６８及びＷＯ２００４／００５８４４に記載されているような別のスキャナは、機械的に共振する構造の運動を利用して、１つ以上のｘｙ走査成分を生成している。
【０００６】
プローブ先端の位置及び／又は運動のいずれかに対する相互作用力の影響が、走査の過程中に監視される。従来の接触モードＡＦＭ動作では、監視される相互作用力は、一定に保たれる。すなわち、プローブに対するその影響が観察され、フィードバックシステムが、観察されたパラメータを所定の値すなわちフィードバックシステムの設定点に戻すべく、あらゆる変化に応答して試料とカンチレバーの基部との隔たりを調整するように動作する。この調整（従来、垂直方向すなわち「ｚ」方向への移動）に関連したデータは、集められ、試料の表面全域にわたるマップ又は画像を構築するために使用することができる。
【０００７】
ＡＦＭによって形成された画像の解釈は、ある程度、調査対象表面の特質に依存する。表面トポグラフィは、総じて、画像に対して最も大きく寄与するものであり、試料の高さは、プローブによって走査される間、プローブによって厳密に追跡される。しかしながら、表面の疎水性や親水性、粘弾性などの特性もまた、画像に対して寄与すると考えられる。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も適応させることができる。
【０００８】
ＡＦＭは、様々な撮像モードで動作するように設計することができる。接触モードでは、プローブは、試料に極めて接近した状態にとどまり続ける。動的（すなわち非接触）モードでは、プローブは、通例はたわみモード又はねじれモードにおけるカンチレバーの共振周波数である周波数で振動する。
【０００９】
接触モードなどにおいて、もし、静止した先端が、表面を特徴付けるために使用されるならば、相互作用力の変化は、走査の過程中に、カンチレバーの曲がり又はたわみを通じて監視される。先端と表面との間の相互作用力の変化に伴って、先端は、表面に向かうように又は表面から遠ざかるように駆り立てられ、これは、プローブのカンチレバー部分をその長さに沿って曲がらせる又はしならせる。
【００１０】
カンチレバーのたわみは、通常、光てこシステムによって監視される。この文脈において、たわみとは、カンチレバーの上面の傾きを言い、これは、カンチレバーの曲がりの指標を提供するためにＡＦＭによって使用される。光ビームが、先端の上方において、カンチレバーの上面に向けられ、分割されたダイオードすなわち四分割フォトダイオードなどの位置有感検出器に向かって反射される。光ビームの生成には、多くの光源が使用されてよい。通常は、可視線放射又は赤外線放射を出力するレーザーダイオードが使用される。或いは、Ｈｅ  Ｎｅレーザ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、ＬＥＤ、又は出力された光ビームを平行化する及び／若しくはスポットに焦点合わせすることができるその他の光源が使用されてよい。
【００１１】
或いは、ＡＦＭは、動的モードで動作することができる。プローブは、その共振周波数の１つで又はその近くで振動され、試料とプローブとの相互作用の変動が、プローブの運動に対して影響を及ぼす。具体的には、一定の平均的相互作用を維持するために、これらの振動の振幅、位相、及び周波数を監視して、プローブと試料との隔たりを調整することができる。
【００１２】
振動プローブの使用は、そのプローブが断続的にのみ試料に極めて接近されることを意味する。これは、先端と試料表面との間の横力を減少させるという効果を有する。接触モードでは、生体試料又はポリマなどの柔らかい材料を撮像する場合に、プローブが表面にわたって移動されるのに伴って発生する横力が、試料表面を破壊する恐れがある。すると、とられたあらゆる測定結果が無意味になる、又は少なくとも、変形された表面に関するものになる。これらの横力は、もろいプローブ先端を破壊する恐れもある。もろい先端の例として、試料表面内の狭い溝を探査するために使用される高アスペクト比のもの、すなわち幅に比べて長さが長いものが挙げられる。また、動的モードで動作するＡＦＭは、多くの場合、より多くの材料特有情報を抽出することができる。
【００１３】
ＡＦＭは、多くの異なるモードで構成及び使用できることがわかる。なお、ここでは、接触モード及び動的モード、並びに原子間力顕微鏡観察に関する上記の説明が、プローブ顕微鏡観察の分野への概略紹介を提供するためのものであること、及び本発明の適用分野に対するいかなる制限の示唆も決して意図していないことが、念頭に置かれるべきである。
【００１４】
ＡＦＭは、その動作モードにかかわらず、大気、液体、又は真空などの様々な環境のなかで、絶縁性及び伝導性の種々様々な試料の画像を原子スケールで得るために使用することができる。通常、これらのＡＦＭは、圧電アクチュエータと、光てこたわみ検出器と、シリコン製造技術を使用して作成された極小のカンチレバーとを用いる。これらのＡＦＭの高解像力及び多用途性は、工業検査、半導体製造、生物学的研究、材料科学、及びナノ
リソグラフィなどの多様な分野でその用途を見いだすことを可能にした。
【００１５】
本発明の第１の態様は、プローブ顕微鏡においてプローブ運動を生成するための走査型プローブ顕微鏡を提供する。該システムは、駆動力に対して機械的に応答するプローブと、駆動力を生成するアクチュエータに、プローブを繰り返し試料に向かわせる及び試料から遠ざからせるように上記アクチュエータを促すための駆動信号を提供するための信号生成器と、プローブから反射された光と、高さ基準ビームとの間の経路差の指標になる高さ信号を出力するように構成された検出システムと、高さ信号を使用して試料の画像を形成するように構成された画像処理装置と、プローブが試料に接近する間にプローブを監視するように及びプローブが試料と相互作用する表面位置を検出するように構成された信号処理装置とを含み、表面位置の検出に応答し、信号処理装置は、駆動信号を修正するように信号生成器を促す。
【００１６】
本発明の更なる態様は、試料の画像を形成する方法を提供する。該方法は、繰り返し試料に向かう及び試料から遠ざかるようにプローブを駆動するために使用される駆動信号を生成するステップと、プローブから反射された光と、高さ基準ビームとの間の経路差の指標になる高さ信号を測定するステップと、高さ信号を使用して、試料の画像を形成するステップと、プローブが試料に接近する間にプローブを監視して、プローブが試料と相互作用する表面位置の指標を得るステップと、表面位置の指標に応答し、駆動信号を調整するステップとを含む。
【００１７】
先行技術のＳＰＭは、カンチレバーの基部を移動させる働きをする又はそれ以外の形でプローブと試料表面との平均相互作用を維持する働きをするｚ位置フィードバックシステムを組み入れていることが知られている。動的モードで動作する代表的なＡＦＭの場合は、プローブは、振幅及び周波数が一定の駆動信号で振動する。これとは対照的に、本発明は、プローブの運動を、その駆動信号を通じて直接的に、通常は画素ごとに修正する。先行技術の動的モードＡＦＭは、ｚ位置フィードバックシステムが振動の周波数、位相、又は振幅をその設定点に維持しようと試みる限り、プローブ振動運動を修正していると見なすことができる。この先行技術による修正は、しかしながら、その駆動信号を通じてではなく、プローブと試料との間の隔たりを変化させることによって達成される。本発明は、より柔軟なシステムを提供するものであり、該システムでは、プローブ運動は、単に維持されるのみならず、撮像されている試料の特性に応えて適応される。この概念は、以下、「適応性駆動」として言及される。プローブ運動は、別のｚ位置調整システムによって又は別のｚ位置調整システムとは無関係に実現されてよく、このようなｚ位置調整システムは、駆動信号に補正値を加えることによって又は別の作動メカニズムの動作によって動作することができる。
【００１８】
表面位置は、プローブが試料と相互作用する位置であり、通常は、プローブが試料に接触した又は試料に接近したと見なすことができる位置である。
【００１９】
信号処理装置は、通常は、表面位置の検出の際に（すなわち、表面位置の検出の直後に、又は表面位置の検出のすぐ後で且つ駆動信号サイクルの次の繰り返しの前に）駆動信号を修正するように信号生成器を促す。
【００２０】
通常、駆動信号は、表面位置の検出がないときに（すなわち、試料の不在下における自由空間のなかで）従うであろう自由空間振幅を伴う非修正波形を有するのが通常であり、駆動信号の振幅は、表面位置の検出に応答し、この自由空間値から減少される。
【００２１】
アクチュエータは、温度バイモルフプローブを加熱し該プローブをたわみによって（すなわち、その長さに沿ってしならせることによって）移動させる照明器又はその他の加熱
メカニズムを含んでいてよい。或いは、アクチュエータは、プローブをたわませることなく移動させる圧電アクチュエータをプローブの基部に含んでいてよい。
【００２２】
プローブがたわむ場合は、例えば光てこシステムの利用によって、プローブのたわみ又は傾きの角度の指標になる検出信号を監視することによって、表面位置を検出することができる。したがって、この例では、顕微鏡は、画像を導出する基になる高さ信号を生成するための干渉計ベースの高さ検出器と、表面位置を検出するために使用されるたわみ信号を生成する別個のたわみ検出器とを動作させることができる。第２の例では、表面位置は、高さ信号を監視することによって検出されてよく、これは、プローブがその移動に伴ってたわむか否かによらずに表面位置が検出されることを可能にする。したがって、第２の例では、高さ信号は、表面位置を検出すること及び（直接的又は間接的に）画像を形成することの、２つの目的に使用される。
【００２３】
検出信号は、プローブから反射された光と、通常はこれもまた光ビームである高さ基準ビームとの間の経路差の指標になる高さ信号を出力するように構成される。通常、高さ信号は、試料を搭載されるステージに相対的なプローブの高さの指標になる。
【００２４】
高さ基準は、試料位置との間に既知の関係を有する基準点から反射されてよく、検出システムは、好ましくは干渉計である。
【００２５】
高さ信号は、画像を形成するために、画像処理装置によって数々のやり方で使用することができる。例えば、試料の画像は、複数の画素を含んでいてよく、各画素は、試料に向かう及び試料から遠ざかるプローブ運動の所定の一サイクルについて表面位置が検出されるときに、高さ信号の値にしたがって変動する。或いは、画像の各画素は、各サイクルについて１つのデータサンプルからではなく、プローブ運動の一サイクル中におけるそのプローブ運動の延長部分にわたって高さ信号から集められた複数の高さデータサンプルから導出することができる。例えば、表面位置が検出される前及び／又は後にプローブ運動の延長部分にわたって複数の高さデータサンプルが集められてよく、これらのサンプルは、材料特性（弾力性など）の値を決定するために分析することができ、その材料特性は、画像の画素として使用することができる。このようにして、試料全域にわたる材料特性の画像又はマップを形成することができる。
【００２６】
画像は、通常、複数の画素を含み、これらの画素は、一列に又は複数の列に並べられてよく、（必ずしも必要ではないが）好ましくは規則的な配列に並べられる。画素は、密集されてもよいし、又は疎に配されてもよい。
【００２７】
画素は、単純に、様々な場所における試料の高さを示してもよいし、又は試料の弾力性若しくはその他の何らかの材料特性などの、試料のその他の何らかの特性を示してもよい。
【００２８】
通常、各画素は、試料に向かう及び試料から遠ざかるプローブ運動の一サイクル中のみの高さ信号からとられた１つ以上のデータサンプルから導出される。例えば、各画素は、特定の一サイクルについて信号処理装置によって表面位置が検出された時点における高さ信号にしたがって変動すると考えられる。
【００２９】
信号処理装置は、理想を言うと、位置信号（高さ信号又はその他の何らかの信号であってよい）の変化率を監視するように、及び位置信号の変化率が既定の閾値を既定の時間間隔にわたって下回る時点において得られた位置信号から表面位置の指標を得るように構成される。
【００３０】
駆動信号は、プローブを完全後退位置と表面位置との間で繰り返し試料に向かわせる及び試料から遠ざからせるようにアクチュエータを促す。通常、信号処理装置は、表面位置と完全後退位置との間の距離を所定の値に維持するために、プローブと試料との間の隔たりを調整するようにも構成される。この調整は、例えば、１つ以上のサイクルにわたって高さ信号の振幅を使用してプローブ運動を監視することによって達成されるかもしれない。或いは、調整は、表面位置が検出された時点における駆動信号の大きさを検出することによって達成されるかもしれない。通常、隔たりは、表面位置と完全後退位置との間の距離を所望の値に維持するために、２つ以上のサイクルの過程にわたって調整される。この隔たりは、プローブの周期的駆動によって達成可能であるよりも広い範囲にわたってプローブと試料とを互いに向かわせる及び互いから遠ざからせるように動作可能である圧電ドライバなどの別個のアクチュエータによって調整することができる。或いは、隔たりは、プローブを駆動して試料に向かわせる及び試料から遠ざからせるものと同じアクチュエータによって調整することができる。通常、所定の値は、自由空間振幅（すなわち、試料の不在下におけるプローブ運動の２つの端点間の振幅）のおおよそ半分である。
【００３１】
随意として、駆動システムは、更に、上記アクチュエータ又は第２のアクチュエータに、プローブの１つ以上の二次振動を励起するように上記アクチュエータ又は上記第２のアクチュエータを促すための第２の駆動信号を提供するための、更なる信号生成器を含んでいてよい。信号処理装置は、プローブの二次振動の振幅、位相、及び周波数の指標になる相互作用信号を（例えば、高さ信号を監視することによって又はたわみ検出器などの第２の検出システムを使用して）生成するように構成された表面相互作用検出器を含み、信号処理装置は、プローブが試料に接近する間に相互作用信号を監視することによって表面位置を検出するように構成される。第２の駆動信号は、カンチレバーの１つ以上のたわみモード又はねじれモードの共振周波数で動作するように構成されるのが理想的であり、近接検出器は、動的先端−試料間相互作用検出システムを含むように構成されるのが理想的である。随意として、プローブは、光熱効果によってプローブを駆動するために、第１のアクチュエータによって第１の場所を照射され、第２のアクチュエータによって第２の場所を照射される。
【００３２】
通常、駆動信号は、一連の駆動パルスを含む。好ましくは、各パルスは、プローブを駆動して表面に向かわせる傾斜、すなわち単調に増加する波形と、その後に続く、プローブを駆動して表面から遠ざからせる傾斜、すなわち単調に減少する波形である。
【００３３】
随意として、駆動信号は、一連の駆動パルスを含み、これらの駆動パルスの少なくとも幾つかは、駆動信号が実質的に一定にとどまる待機期間によって次の駆動パルスから隔たれている。
【００３４】
第１の実施形態では、待機期間によって隔たれている駆動パルスもあれば、隔たれていない駆動パルスもある。第２の実施形態では、全ての駆動パルスが、待機期間によって隔たれている。全ての駆動パルスが待機期間によって隔たれている第２の実施形態では、全ての待機期間が次パルスの期間の５０％を超えていることが好ましい。
【００３５】
通常、少なくとも幾つかの待機期間の期間は、その待機期間のすぐ後に続く次パルスの期間の５０％を超えている。
【００３６】
随意として、少なくとも幾つかの待機期間は、次パルスの期間の１００％を超えていてよい。
【００３７】
次に、添付の図面を参照にし、ほんの一例として、本発明の実施形態が説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明にしたがった、カンチレバー駆動システムを取り入れたプローブ顕微鏡を示した概略図である。
【図２】高さ検出器及びたわみ検出器を更に詳細に示した概略図である。
【図３】図３（ａ）および（ｂ）は、本発明にしたがったシステムにおける、カンチレバーへの理想的な駆動信号及びカンチレバーの応答の例をそれぞれ示したグラフである。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、試料表面との関連におけるプローブの移動と、プローブ駆動信号の強度と、平均プローブ高さを維持するＺ圧電駆動信号とをそれぞれ等しい時間間隔で示した図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にしたがった、カンチレバー駆動システムを取り入れた走査型プローブ顕微鏡を示した概略図である。
【図６】本発明の第３の実施形態にしたがった、カンチレバー駆動システムを取り入れたプローブ顕微鏡を示した概略図である。
【図７】本発明の第４の実施形態にしたがった、カンチレバー駆動システムを取り入れたプローブ顕微鏡を示した概略図である。
【図８】対称駆動信号及び代替の非対称駆動信号の場合における駆動信号の強度を示した図である。
【図９】図９（ａ）は段を伴う試料のプロフィールを示し、（ｂ）は駆動信号の強度を示し、及び（ｃ）は高さ検出器の出力を示した図である。
【００３９】
図１は、直接的な高さ検出システムを動作させるように構成されたプローブ顕微鏡５０を示している。顕微鏡５０は、温度バイモルフプローブ４２によって表面を調査される試料１４を支えるように適応された可動ステージ１２を含む。走査能力は、２つの従来の駆動システムによって提供される。すなわち、ｘ、ｙスキャナ２４は、走査コントローラ２６によって、試料の（ｘ、ｙ）平面におけるプローブの相対的運動を提供するように動作可能であり、圧電ドライバを含むｚ位置決めシステム１８は、プローブの周期的駆動によって達成可能であるよりも広い範囲にわたってプローブと試料とを互いに向かわせる及び互いから遠ざからせる（ｚ方向）ように動作可能である。
【００４０】
プローブ４２は、カンチレバー梁４２ａと、該カンチレバー梁４２ａの末端を向くように位置付けられ一点に向かって先細る先端４２ｂとを含む。カンチレバー梁４２ａのもう一方の端（基端すなわち近接端）は、取り付け台によって支えられている。この実施形態では、ｚ位置決めシステム１８は、プローブ取り付け台につながれている。或いは、ｚ位置決めシステム１８は、試料ステージ１２につながれることも可能である。
【００４１】
プローブ先端４２ｂは、カンチレバー梁の自由端に位置付けられ多くは円錐状又は三角錐状である三次元構造を含む。先端は、調査対象とされている表面との最も近い相互作用点である一点に向かって先細る。カンチレバーは、先端を除き、それ自体が梁であり、その一端において先端を支え、もう一方の端を顕微鏡装置によって保持されている。カンチレバー及び先端は、あわせてプローブとして言及される。
【００４２】
プローブは、シリコン又はシリコン窒化物から作成されるのが一般的である。通常、カンチレバー４２ａは、長さがおおよそ５０〜２００μｍであり、幅が２０〜５０μｍであり、厚さがおおよそ０．２〜２μｍであるが、このサイズは、もちろん、用途にしたがって可変である。形状もまた、可変であり、通常は、矩形又は三角形であり、後者の場合、その頂点付近に先端がある。先端４２ｂは、通常、その基部において５μｍであり、高さが３〜１０μｍであり、端の曲率半径が２〜２０ｎｍである。使用に際しては、先端の端にある鋭い点が、試料１２に向けられる。近年は、より速い撮像速度での使用のために、更に小型のプローブが製造されている。これらのプローブは、長さがおおよそ５〜２０μ
ｍであって幅が３〜１０μｍであるカンチレバーと、それに相応して小さい先端とを有する。
【００４３】
先端４２ｂを取り付けられたカンチレバー梁の端の上面（背面）に向けられる光ビームを発するように、光源２８が構成される。カンチレバーの背面から反射された光は、位置有感検出器（ＰＳＤ）３０に伝搬する。該検出器３０は、通常は分割されたダイオードすなわち四分割フォトダイオード（ＰＤ）であり、カンチレバーのたわみ（ＤＦＬ）角度を表す出力を生成する。
【００４４】
光源２８は、通常はレーザであり、カンチレバーの先端の上面に向けられる光ビームと、ステージの上面から反射される基準ビームとを発する。反射に際し、これらの光ビームは、干渉計を含むプローブ高さ検出器５２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形成されるように、十分にコヒーレント（可干渉性）である。これは、２つのビーム間の経路差の測定値を提供し、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背面の瞬時高さの指標を提供する。
【００４５】
図２は、ＰＳＤ３０及び高さ検出器５２を更に詳細に示している。光源２８からの光は、ビーム分割器１０２によって、入射ビーム１７６と基準ビーム１０４とに分割される。入射ビーム１７６は、対物レンズ１７８によって、カンチレバーの背面４２ｃに焦点合わせされる。カンチレバーからの反射後、反射ビームは、第１のビーム分割器１８２によって分割される。第１の成分１８４は、たわみ検出器３０に向けられ、第２の成分１８６は、高さ検出器５２に向けられる。
【００４６】
干渉計高さ検出器５２の内部では、カンチレバーから反射されたビーム１８６が、ビーム分割器１０６によって分割される。基準ビーム１０４は、適切に位置決めされた再帰反射計１０８に向けられ、その後、ビーム分割器１０６に向けられる。再帰反射計１０８は、試料の垂直（ｚ）位置に相対的に固定された光路長を提供するように位置合わせされる。ビーム分割器１０６は、エネルギを吸収するコーティングを有しており、入射ビーム１８６及び基準ビーム１０４の両方を分割し、相対的な位相シフトが９０度である第１及び第２の干渉図を作成する。これら２つの干渉図は、第１及び第２の光検出器１１２及び１１４によってそれぞれ検出される。
【００４７】
理想を言うと、光検出器信号は、位相差が９０度である相補的なサイン信号及びコサイン信号である。更に、これらの信号は、直流オフセットを有さず、等しい振幅を有し、カンチレバーの位置及びレーザ２８の波長にのみ依存することが望ましいとされる。２つの光検出器信号が、振幅を等しくし且つ同じ直角位相にある状態で完全に同調してはいない結果として生じる誤差に対する補正値を決定及び適用するために、光路差を変化させつつ光検出器１１２、１１４を監視する既知の方法が使用される。同様に、直流オフセットレベルもまた、当該分野で知られる方法にしたがって補正される。
【００４８】
これらの光検出器信号は、専用のハードウェアとして又はプログラムされたコンピュータとして提供可能である従来の干渉計、フリンジカウント装置又はフリンジ細分割装置での使用に適している。直角位相フリンジカウント装置は、カンチレバーの位置の変位を、λ／８の精度で測定することができる、すなわち、５３２ｎｍの光に対して６６ｎｍの精度で測定することができる。信号のアークタンジェントに基づく既知のフリンジ細分割技術は、ナノメートルスケール又はそれ未満のスケールへの精度の向上を可能にする。
【００４９】
２つのコヒーレントビームの間の経路差を抽出する干渉法は、当該分野でよく知られており、したがって、これ以上の詳細な説明は省略される。
【００５０】
上述された実施形態では、基準ビーム１０４は、試料のｚ位置に相対的に固定された光路長を有するように構成される。したがって、基準ビーム１０４は、試料１４を搭載されるステージ１２の表面から反射されること、又はステージ１２の位置にリンクされた位置を有する再帰反射計から反射されることがありえる。基準経路長は、プローブから反射されたビームがたどる経路の長さよりも長くてもよいし、又は短くてもよい。或いは、反射器と試料ｚ位置との間の関係は、固定されている必要がない。このような一実施形態では、基準ビームは、試料のｚ位置との間に既知の（しかしながら変動する）関係を有する固定点から反射されると考えられる。先端の高さは、したがって、干渉法によって測定された経路差と、固定点に対する試料のｚ位置とをもとにして推定される。
【００５１】
本明細書で説明される干渉計は、ホモダインシステムの一例である。説明されるこの特定のシステムは、この用途に対して数々の利点を提供する。２つの位相直角干渉図の使用は、複数のフリンジにわたって、したがって広い変位範囲にわたって、カンチレバー変位を測定することを可能にする。ビーム分割器１０６における位相シフトコーティングの使用は、干渉計を、例えば光ビームがカンチレバーから反射される間の偏光の変化から生じる偏光効果に対して低感度にする。これらの原理に基づく干渉計の例が、ＵＳ６６７８０５６及びＷＯ２０１０／０６７１２９に記載されている。光路長の変化を測定することができる代替の干渉計システムもまた、本発明で利用可能である。適切なホモダイン偏光干渉計が、ＥＰ１８９２７２７に記載されており、適切なヘテロダイン干渉計が、ＵＳ５１４４１５０に記載されている。
【００５２】
検出システムによって抽出された高さ情報は、ｚ方向におけるプローブの真の瞬時高さを表している。これは、先端に相対的なプローブ基部の位置、すなわちたわみとは無関係である。したがって、たわみ（又はその他のフィードバックパラメータ）は、走査の過程中にその平均値付近で変動することを許される一方で、干渉法による高さ測定とは別個のものである。
【００５３】
図１に戻り、プローブの周期的運動は、信号生成器５４によって生成される。該信号生成器５４は、光を、生成器５４によって設定された強度変動を伴って、温度バイモルフカンチレバー４２に向かわせる。バイモルフ材料の熱膨張が様々に異なる結果、プローブは、基本的に垂直（ｚ）方向に試料に向かう及び試料から遠ざかる周期的なたわみ運動を生じる。
【００５４】
プローブの周期的運動は、カンチレバーの共振周波数よりも低い周波数に設定される。該運動は、先端を試料表面に向かわせ次いで試料表面から遠ざからせることを繰り返す限り、周期的であってもよいし、又は非周期的であってもよい。言い換えると、先端の前後運動のサイクルは、一定の期間によって時間的に相隔たれていてもよいし、又は規則的間隔の画素格子をサンプリングするのではなく試料の表面全体にわたって不規則的間隔の複数点をサンプリングするために、一定ではない期間によって相隔たれていてもよい。
【００５５】
この実施形態では、温度バイモルフプローブへの照射が、そのプローブを移動させるための駆動メカニズムを提供する。この目的には、代替の駆動メカニズムも適しており、例えば、カンチレバーに一体化された若しくはプローブの基部に取り付けられた圧電アクチュエータ、又は適切に適応されたプローブによる磁場若しくは電場を通じた作動、又は音響励起を使用した作動、又は抵抗性で誘導性のマイクロ波加熱若しくは放射線照射加熱などのその他の温度バイモルフ加熱方法も適している。
【００５６】
測定の過程中に、プローブは、照明器４６によってサイクルを与えられ、表面が検出されるまで試料表面に向かって移動される。そして、この点において、プローブは、後退され、その表面検出点における高さが記録される。次いで、ｘ、ｙドライバ２４による制御
下においてプローブを移動させつつこのプロセスを繰り返すことによって、表面高さの画像が作成される。この移動は、総じてラスタパターンにしたがうが、あらゆるｘ、ｙ順序にしたがうことがありえる。ｚ位置決めシステム１８は、表面の上方におけるプローブ基部の高さを制御し、プローブの周期的振幅を設定平均レベルに維持するように動作される。ここで、「プローブの周期的振幅」は、各サイクルについての完全後退位置と表面検出点との間の高さの差である。更に、ｚ位置決めシステム１８は、プローブの周期的運動を大幅に超過した範囲を有しており、そうして、試料の傾き及び全体的な特徴に対応することを可能にしている。
【００５７】
高さ検出器５２から得られた信号は、この顕微鏡５０のなかで、二度の解析的計算を経る。必要な処理能力を提供するために、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）が構成される。当該分野で知られるように、デジタル信号処理（ＤＳＰ）又は専用のアナログ若しくはデジタルの電子的方法などの、代替の信号処理技術が使用されてもよい。本発明にしたがってセットアップされた顕微鏡では、プローブの周期的運動は、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚの周波数範囲を有するのが通常であり、データ記録のサンプリング周波数は、１００ＭＨｚ程度である。その結果、プローブ運動の各サイクルは、１，０００回から１０，０００回の程度でサンプリングされ、これは、高さ検出器信号を解析して所要の情報を得るのに十分過ぎるほどである。二度の解析的計算は、１つのＦＰＧＡのなかで実施されてよいが、明瞭さを期するために、図１では、別々の処理ユニットによって実施されるものとして示されている。
【００５８】
顕微鏡のｚ位置調整システムで使用するためのデータを抽出するために、プローブ周期的振幅処理ユニット５６が使用される。高さ信号におけるプローブサイクルの振幅が抽出され、ｚ調整値を決定するためのパラメータとして使用される。振幅処理ユニット５６からの出力は、コントローラ５８に入力され、該コントローラ５８は、ｚ位置ドライブ１８の調整を指示し、該ドライブ１８は、すると、プローブの基部を移動させ、プローブサイクルの振幅をその設定点に戻す。従来のＡＦＭと異なり、設定点の値は、画素位置ごとに確立されるのではないと考えられる。ｚ調整パラメータは、各プローブサイクル中に抽出されると考えられるが、次の測定値が抽出される前にヌル位置に到達している必要はない。実際、高速の走査速度では、相次ぐ測定点間におけるこのような調整は不可能だと考えられる。プローブ運動が維持される平均振幅値は、複数のプローブ測定サイクルにわたって導出されるのが通常である。なお、ｚ位置調整システムの動作は、画像形成に不可欠である従来のＡＦＭとは大きく異なることが強調されるべきである。Ｚ位置調整は、所定のサイズのカンチレバー及びプローブと、ｚ位置調整が不要であろう低い傾き又は小さい高さ変動を伴う或る種の平面状の試験片とに対して適応性駆動がその最適な範囲内で動作することができることを保証するためにのみ用いられる。
【００５９】
表面検出ユニット６０は、第２の解析的計算を実施する。該解析は、プローブの先端が試料表面と相互作用するサイクル内の点の指標を提供する。本発明の第１の実施形態では、プローブ速度、又は等しくは高さ信号の変化率は、先端が表面に遭遇して相互作用しはじめるのに伴って減少する。表面位置の指標は、したがって、高さ信号の変化率が設定期間にわたって閾値未満に減少する各サイクル内の点から抽出される。
【００６０】
表面検出ユニット６０の出力は、各プローブサイクル期間のなかでプローブが試料表面と相互作用するところのプローブの高さである。すなわち、この出力は、画像を構成するために使用することができるプローブのｘ、ｙ位置における表面高さの測定値を提供するものである。各データ点は、測定された表面高さを表しており、走査コントローラ／画像プロセッサ２６に出力される。この測定値は、画像プロセッサ２６のなかで走査ｘ、ｙ位置に対応付けられ、そうして、画像上の点すなわち画素を形成する。
【００６１】
表面検出点が決定されたら、表面検出ユニット６０は、信号生成器５４にトリガ信号を送信する。これに応答し、信号生成器５４は、先端を試料から後退させるために、照明器４６に送信されるべき信号を修正する。このアプローチによる利益は、ひとたび試料表面が検出されたらプローブを後退させることによって、従来のＡＦＭ動的動作モードと異なり、測定サイクルのなかの全ての点において、プローブと試料との間の相互作用力が精密に制御されることである。本発明の第１の実施形態では、最大の力は、基本的に、後退のトリガ前に高さの変化率が閾値を下回ることを許される期間によって設定される。
【００６２】
上述のように、もし、所要の全てのデータ値が高さ信号から抽出されるならば、明らかに、たわみ検出器３０は不要であり、顕微鏡システムから取り除くことができる。
【００６３】
適応性駆動システムの効果及び挙動が、図３との関連のもとで更に検討される。図３（ａ）には、時間の経過に伴う照明器の強度変動が示されている。実線７２は、適応性駆動を伴わない状況を表しており、破線７４は、適応性駆動の効果を示している。明瞭さを期するために、波形生成器５４は、単純に直線的に一定比率で増加し次いで減少する信号を生成するものと想定される。この信号は、当然ながら、対応する照射強度の変動を誘発するあらゆる変動であることが可能である。この信号に応答して、照明器４６は、対応する形で強度を増減させる光を発する。この強度変動は、図３（ａ）に示されている。
【００６４】
プローブ４２に入射する光の強度が増加するにつれて、コーティング（金）とプローブ材料（シリコン窒化物）との熱膨張の差が、プローブの片側をもう一方の側よりも膨張させる。これは、更に、プローブを試料表面に向かって下向きに移動させる。なお、金のコーティングは、先端とは反対の側であるカンチレバーの上側に施されていることに留意せよ。図３（ａ）に示された照射パターンについて、図３（ｂ）に、プローブ高さ応答の変動７６が示されている。実線７８は、適応性駆動を伴わない状況を表しており、破線８０は、適応性駆動を伴う状況を示している。
【００６５】
波形生成器５４によって生成される信号が増大するにつれて、照明器４６から発せられる光の強度は増加し、それに応じ、試料の上方におけるプローブ先端の高さが減少する。サイクルのなかの点８２では、プローブ高さの変化率が閾値を下回る時間が設定期間に達し、表面検出ユニット６０によって検出される。したがって、トリガ信号が波形生成器５４に送信される。これに応答し、波形生成器５４は、その出力信号の大きさを増加させることを止めて、その代わり、その大きさを減少させはじめる。照明器によって発せられる光の強度７４は、減少しはじめる。その結果、プローブの高さ８０は増加しはじめて、試料表面から遠ざかる。信号は、そのサイクルの最小値に強度が達したら、サイクルの残りの期間にわたってこのレベルに維持される。プローブは、それに応じ、その位置を、サイクルの残りの期間にわたって表面から最も遠いサイクル点に維持する。
【００６６】
適応性駆動を伴う状況７４、８０と、適応性駆動を伴わない状況７２、７８との間の差は、図３において明らかである。図３（ｂ）には、表面検出点８２が示されている。適応性駆動を伴わない状況７８では、プローブの高さは、プローブが表面に接触するのに伴って、これ以上は変化しないことがわかる。しかしながら、プローブは、増していく力によって、試料に向かって駆り立てられ続ける。この力は、試料又はプローブのいずれかを損傷させるのに十分である恐れがある。一方で、適応性駆動を伴う場合は、プローブの運動は、過剰な力と表面の変形若しくは改質とを制御及び阻止するように修正されている。
【００６７】
修正された周期の終わりに、駆動信号が実質的に一定にとどまる及びプローブが後退された状態にとどまる待機期間７５を導入する必要はない。次のプローブ振動周期は、照射強度がその最小値に到達したら、直ちに開始させることができるだろう。これは、しかしながら、隣り合う２つの駆動パルスの間でシステムの駆動周波数を交互させる影響を有す
ると考えられ、不安定化を示す恐れがある。待機期間の長さは、表面検出点に依存し、該時点は、更に、試料の高さに依存する。この例では、待機期間７５は、待機期間のすぐ後に続く次パルスの期間の約４０％である。しかしながら、もし、表面検出点８２がこれよりも高いならば、表面に接近するために費やされる時間が短くなるゆえに、次サイクルのための待機期間は長くなると考えられる。
【００６８】
適応性駆動の制御には、本明細書で説明される照射駆動に代わる駆動システムが使用されてもよいが、照射駆動が非常に好ましいとされる。温度バイモルフカンチレバーの照射は、代替の圧電駆動によって提供されるよりも直接的なプローブ運動制御ルートであり、スルーレート及び先端位置の応答時間を向上させる。
【００６９】
適応性駆動の重要な特徴は、各駆動サイクルの離散性及び独立性である。その結果、本発明にしたがった適応性駆動による直接的な利益は、高い相互作用力の結果としてプローブ又は試料が損傷される可能性を、相互作用力の精密な制御を提供することによって減らせることである。副次的な利益は、より柔軟な向上された表面プロフィール測定と、それゆえのより優れた画像解像度及び恐らくはより迅速な画像取得時間とを可能にすることである。適応性駆動は、高アスペクト比の先端によって動作して半導体素子に見られる狭い線特徴及び溝特徴などの変化の激しい表面トポグラフィを伴う試料を撮像するときに、とりわけ有利である。
【００７０】
試料表面８８上の段状特徴８６に遭遇するときのプローブ運動を理想的に表したもの８４が、図４（ａ）に示されている。適応性駆動を伴うときの照射強度信号変動が、図４（ｂ）に示されており、ｚアクチュエータ位置調整が、図４（ｃ）に示されている。この例示は、プローブ運動の一例を表したものに過ぎない。プローブ運動は、プローブに付与される移動と、ある程度はプローブと試料表面との間の相互作用とに応じ、多くの波形にしたがうと考えられる。
【００７１】
領域８８ａにおいて、プローブは、直線状の接近及び後退経路をたどる。すなわち、プローブは、表面に接近し（９０ａ）、表面の検出を受けて後退される（９０ｂ）。プローブは、次いで、サイクルの残りの期間中、待機期間１００ａにわたって完全後退位置に保持される（９０ｃ）。この期間中、駆動信号は、実質的に一定にとどまる。プローブが領域８８ｂのなかの段８６に到達するのに伴って、プローブは、そのサイクルなかの早い時点で表面８８に遭遇する。照射強度が減少し（図４（ｂ））、したがって、プローブは、前よりも早く後退され、また、前よりも長い待機期間１００ｂにわたって保持される。なお、待機期間１００ｂは、各駆動パルスの開始と開始との間の合計期間Ｔが実質的に一定に維持されるように、前の待機期間１００ａよりも長くなっていることに留意せよ。また、各待機期間１００ａ、１００ｂの期間の長さは、その待機期間のすぐ後に続く次の駆動パルスの期間よりも長いことにも留意せよ。同時に、ｚ調整システムは、サイクルの振幅の変化を検出しており、ｚ位置ドライバは、応答しはじめる。表面８８の上方における平均プローブ高さを維持するために、プローブの基部が上昇しはじめ、合計のプローブ高さが増加する。ｚ位置ドライバが、２つ以上のサイクルにわたってその新しい基部位置に調整される間に（図４（ｃ）を見よ）、プローブの周期的振幅は、元の波形が回復するまで増加する（８８ｃ）。同様な効果は、段８６の終わりでも観察される。表面は、サイクル８８ｄのなかで幾らか後になり、より強い照射信号が発生するまでは、検出されない。表面の検出を受けて、強度は減少し、プローブは、この新しい表面レベルから後退される。サイクルの振幅の増大が検出され、ｚ調整システムは、幾つかのサイクルにわたり、基部を下降させてプローブをその設定点運動振幅に戻すように働く。
【００７２】
駆動信号の自由空間振幅は、図４（ｂ）において、１つのサイクルにのみ破線で１００ｃに示されている。すなわち、試料の不在下では、駆動信号は、この修正されていない自
由空間波形１００ｃにしたがっていたと考えられる。プローブの自由空間運動は、図４（ｂ）において、１つのサイクルにのみ破線で９０ｄに示されている。すなわち、もし、表面位置が検出されなかったならば、プローブは、表面の最大高さ変動の約２倍であるように選択された由空間振幅９０ｅを伴うこの修正されていない経路９０ｄをたどっていたと考えられ、したがって、プローブは、段８６から下がるときに十分に遠くに下がるように、また、段８６の高さと同じくらい深い溝に入るように駆動することができる。自由空間振幅は、数十ナノメートルから数百ナノメートルに設定されるのが通常であるが、ただし、試料のトポグラフィに依存する。なお、自由空間波形は、隣り合う各サイクルの間に待機期間を有していないことに留意せよ。
【００７３】
プローブと試料との間の隔たりは、振幅９０ｆが自由空間振幅９０ｅの約半分であるように調整することができる。或いは、プローブと試料との間の隔たりは、表面検出点が自由空間振幅９０ｅの半分のところで生じるように調整することができる。図４にあるような、直線的に接近する傾斜の場合は、これは、自由空間傾斜の大きさの半分のところである。
【００７４】
画像プロセッサ２６によって集められた試料の画像は、複数の画素を含み、画像データの各画素は、試料に向かう及び試料から遠ざかるプローブ運動の一サイクル中のみの高さ信号からサンプリングされたデータから導出される。１つの画素は、図４（ａ）に示されるように、１つ１つのサイクルから生成することができる。或いは、画素は、例えば、１つおきのサイクルから、又は２つおきのサンプルからのように、より低い率で生成することができる（ただし、依然として、プローブ運動の一サイクル中のみの、すなわち最も近いサイクル中のみの位置信号からサンプリングされたデータに基づく）。総じて、周期的運動は、変動して所望の画素収集率と同期化されることが可能である。
【００７５】
当業者にならば、図１に例示された実施形態に対して数々のヴァリエーションが導入可能であることが明らかである。例えば、ｚ位置調整は、高さ検出器５２ではなく、たわみ検出器３０の出力に基づくものであってよい。また、適応性駆動システム及びｚ位置調整システムは、ともに、照明器及びバイモルフ駆動によって実装されてもよく、これは、圧電ｚドライバ１８を冗長なものにする。すなわち、全ての調整が、バイモルフシステムを使用して実現されてよく、これは、ｚ調整システムの応答時間の増加を可能にする可能性がある。適応性駆動システムも、やはり、照射によるバイモルフ駆動に限定されない。例えば、圧電システム、磁気拘束システム、又は静電システムに基づく代替のドライバが使用されてもよく、ただし、最も利益を得るためには、システムの応答時間及びスルーレートが高いことが望ましいとされる。例えば、両方の駆動が、ともに、圧電アクチュエータの構成によって提供されてよく、そのうちの一方のアクチュエータがプローブの基部を移動させるように設定され、もう一方のアクチュエータがプローブに組み入れられそうして先端を駆動するように設定されることが可能である。或いは、圧電アクチュエータが基部を駆動し、温度バイモルフシステムが先端を駆動するために使用されてよい。更に代替の実施形態は、１つ又は複数のアクチュエータによって、両方の信号がプローブの基部を駆動するものである。図５及び図６は、これらのヴァリエーションのうちの幾つかを実行に移した本発明の代替の実施形態を示している。
【００７６】
図５は、適応性駆動を取り入れた顕微鏡９０を示している。したがって、等価な構成要素は、同様な参照符号を付されており、それらの機能に関する更なる詳細は省略される。図５の実施形態は、そのデータ処理ステムが、図１に示された実施形態と異なっている。高さ検出器５２から得られた信号は、この顕微鏡９０のなかで、三度の解析的計算を経る。必要な処理能力を提供するために、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）が構成される。当該分野で知られるように、デジタル信号処理（ＤＳＰ）又は専用のアナログ若しくはデジタルの電子的方法などの、代替の信号処理技術が使用されてもよい。
三度の解析的計算は、１つのＦＰＧＡ又はＤＳＰのなかで実施されてよいが、明瞭さを期するために、図５では、別々の処理ユニットによって実施されるものとして示されている。
【００７７】
先の実施形態に関しては、プローブ顕微鏡のｚ位置調整システム１８で使用するためのデータを抽出するために、振幅処理ユニット５６が使用されている。高さ信号における変動の振幅が抽出され、ｚ位置調整を決定する基になるパラメータとして使用される。振幅処理ユニット５６からの出力に応答し、ｚ位置ドライブ１８は、プローブの基部を移動させ、振幅をその設定点に戻す。プローブ運動が維持される平均値は、通常は、複数のプローブサイクルにわたって導出される。
【００７８】
図１の顕微鏡構成では、画像データ、及び適応性駆動のためのトリガは、ともに、表面検出器６０の出力から導出されていた。しかしながら、多くの代替ルートが可能である。図５に例示されたプローブ顕微鏡９０は、試料表面にプローブが最も接近する点、すなわち、プローブから反射されたビームの経路長よりも基準経路長が短いか又は長いかに応じてそれぞれ最も長い又は最も短い経路差のいずれかである各サイクルの極値点を監視するための、別個の相互作用処理ユニット９２を含む。相互作用処理ユニット９２は、したがって、プローブサイクルごとに、最も低い高さ測定値を見つけ、このデータが、走査コントローラ／画像プロセッサ２６に出力される。この測定値は、画像プロセッサ２６のなかで走査ｘ、ｙ位置に対応付けられ、そうして、画像上の点を形成する。
【００７９】
相互作用処理ユニット９２の代替の実装形態では、試料表面位置に関する有意な指標を提供するために、高さ信号のその他の点が使用されてもよい。例えば、サイクルの下半分中の最小速度点が利用されてよい。柔軟表面を撮像するときは、プローブ速度、又は等しくは高さ信号の変化率は、表面に遭遇して表面を変形させはじめると減少する。この場合は、したがって、プローブ高さの変化率の不連続性が観察される各高さ信号内の点から試料高さの測定値が抽出されると考えられる。
【００８０】
表面検出ユニット６０は、第３の解析的計算を実施し、これは、プローブ先端が試料表面を検出するサイクル内の点の指標を提供する。通常、プローブ速度、又は等しくは高さ信号の変化率は、先端が表面に遭遇して表面を変形させはじめるのに伴って減少する。上述された速度閾値以外にも、いつ表面が検出されたかに関する代替の指標が使用可能である。例えば、表面の位置の指標は、プローブ高さの変化率の不連続性が観察される各高さサイクル内の点から抽出することができる。表面の位置は、最も接近した点としてとられることができる。このパラメータは、試料表面高さの測定値を抽出するために、相互作用処理ユニット９２によって使用されてもよいことが明らかである。もし、表面検出及び画像抽出が、ともに、共通の観測値に基づくならば、図１に示されたプローブ顕微鏡と同様に、１つの処理ユニットが使用される。表面が検出されたら、表面検出ユニット６０は、波形生成器５４にトリガ信号を送信する。これに応答し、波形生成器は、先端を試料から後退させるために、照明器に送信されるべき信号を修正する。
【００８１】
図６は、本発明にしたがった、第３の実施形態の顕微鏡９４である。図６の実施形態は、適応性駆動のために使用されるメカニズムが、図１に示された実施形態と異なっている。プローブにその共振周波数よりも低い周波数のサイクルを与えるために、信号生成器５４からの信号によって、圧電アクチュエータ９６が駆動される。表面検出ユニット６０からのトリガに応答し、信号生成器５４は、その信号を修正し、プローブを試料表面から後退させるように圧電アクチュエータ９６を促す。この実施形態は、試料と相互作用するために必要とされるプローブの設計がコーティング又はその他のアクチュエータの要件と相容れないような測定にとって好ましいと考えられる。
【００８２】
本発明の別の一実施形態では、プローブは、更なる振動運動によって駆動される。好ましくは、該運動は、数ナノメートルから数十ナノメートルの範囲であって且つたわみモード又はねじれモードの共振周波数におけるプローブの周期的振幅よりも小さいような振幅を有し、表面は、図７に例示されるように、先行技術ＡＦＭで使用されるような動的検出方式を使用して検出される。共振検出モードの持つ大きな利点は、ＡＦＭで既に見られるように、力及び力勾配の測定に対するその高い感度である。その結果、プローブが短距離の反発力及び接触力ではなくファンデルワールス力などの引力などの長距離力と相互作用しはじめたらすぐに、試料表面への接近を検出することが可能である。これらの状況下では、プローブは、プローブが表面に接近する際及び表面が検出されて戻っていく際の力を最小にするようなやり方で制御することができる。共振検出モードは、また、比較的高い周波数で動作するという利点も有し、実際は、もし、更に高い動作周波数を用いる必要があれば、より高次のモードを選択することが可能である。表面検出に関係する周波数は、プローブの、もっとずっと大振幅の準静的周期的動作に関連付けられる代表的な周波数から、十分に離すことができる。上記の議論は、ＡＦＭ及び関連のＳＰＭ検出モードを本明細書で説明された適応性駆動技術と組み合わせることによって得られる利点について、幾らかの示唆を与えているが、しかしながら、いかなる形でも、本発明の範囲を限定することは意図していない。更に、従来のＡＦＭ動的感知は、本発明のように閾値トリガとしてではなく、連続的に動作するフィードバック制御ループの一部として使用されるので、ここで使用されるＡＦＭ感知技法は、ＡＦＭが従来から用いられてきたやり方と大きく異なることが強調されるべきである。
【００８３】
この形態の表面相互作用検出器の実際の実施形態が、図７を参照にして簡単に説明される。周期信号生成器１２０が、信号を提供し、該信号は、カンチレバーのたわみ共振周波数又はねじれ共振周波数に同調される。この信号は、照明源を変調するために印加される。照明源は、図７に示されるように、周期的駆動照明器４６又は別のレーザ４６ａであってよい。レーザ４６ａからの周期的照射は、カンチレバー内に周期的な光熱応力をもたらし、これは、通常は振幅が１〜１０ナノメートルの共振を励起させる。適応性駆動は、図１と同様に動作する。プローブは、先端が表面と相互作用するまで表面に向かって進められる。相互作用は、通常は、反発力から生じるが、原則的には、存在するあらゆる力の相互作用が用いられることが可能である。結果として、振幅、位相、又は周波数の変化が発生し、これは、表面相互作用検出器１２２によって検出することができ、この信号は、前と同様に、表面検出器６０によって監視することができる。このようにして、先端は、そうでなければその構造又は試料の構造を損傷させる恐れがある力に遭遇する前に後退させることができる。当該分野では、共振検出のためのその他の検出方式が知られており、適宜に実現することが可能である。例えば、ねじれ共振が用いられ、プローブのねじれ運動が、たわみ検出器３０の四分割フォトダイオードによって監視されることが可能である。その信号経路１２１も、図７に例示されている。最後に、プローブは、自励振動子として駆動されることも可能であり、この場合、力勾配の効果は、やはり検出することができる信号の振動周波数を変調させることにある。
【００８４】
なお、レーザ４６、４６ａは、プローブ４２をその長さに沿った異なる場所で照射することに留意せよ。レーザ４６からのビーム５７は、プローブをその基部に向かって照射し、レーザ４６ａからのビーム５６は、プローブをビーム５７と高さ検出器からのビーム５５との間の中間点で照射する。ビーム５６によって照射される場所は、振動の特定の共振モードを励起させるように選択され、該共振モードは、たわみモード（この場合、ビーム５６は、プローブの中心線に中心合わせされる）であってもよいし、又はねじれモード（この場合、ビーム５６は、中心線の周りにねじれを導入するために、片側にずれている）であってもよい。
【００８５】
図８は、（ｂ）において、上記の図３及び図４に示されるような対称駆動信号の場合に
おける波形生成器５４からの駆動信号の強度を示しており、ここでは、プローブの接近速度は、いずれの側の表面位置においても後退速度と同じである。図８は、（ａ）において、代替の方法を示しており、この方法では、アクチュエータ４６が、プローブを試料から遠ざける速度ｖ２よりも低い速度ｖ１でプローブを試料に向かわせるように、駆動信号の各パルスは非対称的である。この素早い後退は、図８（ｂ）の対称的なパルス構成と比べて試料が迅速に撮像されることを可能にする。
【００８６】
図９は、（ａ）において、段１３０を伴う試料のプロフィールを示している。図９（ｂ）は、波形生成器５４からの駆動信号の強度を示している。図９（ｃ）は、高さ検出器からの出力を、すなわち段に相対的なプローブ先端の高さを示している。上記のように、表面検出器６０は、プローブ先端が試料に接触した又は試料に極めて接近したと見なすことができるサイクル内の点の指標を提供するために、図９（ｃ）の高さ信号を解析する。
【００８７】
表面検出ユニット６０から画像プロセッサ２６への出力は、各プローブサイクル期間のなかでプローブが表面を検出する又は表面と相互作用するときのプローブの高さｈ２であってよい。或いは、検出ユニット６０から画像プロセッサ２６への出力は、プローブがその完全後退位置から表面位置に到達するために費やす時間ｔ２−ｔ１であってよい。完全後退位置の高さｈ１及び試料に向かうプローブ先端の接近速度ｖ１は既知であるので、高さｈ２は、ｈ２＝ｈ１―ｖ１（ｔ２−ｔ１）として計算することができる。
【００８８】
上述された実施形態では、表面検出器６０は、画像を構築するために使用されるプローブのｘ、ｙ位置における表面高さの測定値を提供する。各データ点は、測定された表面高さを表しており、走査コントローラ／画像プロセッサ２６に出力される。この測定値は、画像プロセッサ２６のなかで走査ｘ、ｙ位置に対応付けられ、そうして、画像上の点すなわち画素を形成する。代替の実施形態（不図示）では、弾力性データ、又は試料の材料特性の指標になるその他の材料データを生成するために、プローブが試料と相互作用している期間にわたって高さ信号を監視することができ、その材料データは、画像プロセッサ２６に出力される。
【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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【国際調査報告】
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