(57)【要約】【課題】カンチレバーと音響源との間隔に対する共振影響感度を減少させる。【解決手段】本発明の１つの態様によると、プローブ１２に基づく装置のカンチレバー２２は、超音波音響エネルギーのビームが向けられ音響放射圧が加えられることによってたわむ。エネルギーは超音波アクチュエータ１６によって生成される。送られるビームを好ましくは円筒形レンズ３６を用いて集束することにより、１次元で密に集束され２次元では集束されないビーム３４を提供する。本発明の他の態様によると、ＲＦ信号生成器などのパワー源を作動させ、音響往復時間に対して短いまたは同等な時間スケールで音響放射のスペクトルを拡散させる。【選択図】図１
2004198427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーを含むプローブと、
実質的に線形に集束された音響エネルギーのビームを前記カンチレバーに向けるように構成され、実質的に一定の力を該カンチレバーに加えて該カンチレバーを駆動する音響アクチュエータと、を備え、
前記線形に集束されたビームは、実質的に、前記カンチレバーの幅と、該カンチレバーに位置合わせ不良がある場合に該カンチレバーを包含するのに十分な各カンチレバー端からの距離とにわたって延びるように大きさが決められていることを特徴とするプローブ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプローブ装置において、
拡散周波数振動信号を前記音響アクチュエータに送信するように構成された信号生成器を更に含み、
前記拡散周波数振動信号は、不要な共振影響を減少させることを特徴とするプローブ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプローブ装置において、
前記カンチレバーの少なくとも１つの自由端部が、液体に浸されるように構成されていることを特徴とするプローブ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプローブ装置において、
カンチレバーたわみを検出するように構成された検出システムを更に備えることを特徴とするプローブ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプローブ装置において、
前記カンチレバーおよび前記検出システムは、サンプルホルダに向かい合った共通の側に配置されており、
前記音響アクチュエータは、実質的に線形に集束された音響エネルギーの前記ビームを前記カンチレバーに生成するための円筒形レンズを含むことを特徴とするプローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローブ装置に関し、より詳細には、超音波アクチュエータにより生成される音波圧力の使用を通じてカンチレバーを駆動するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、サンプルとカンチレバープローブの先端との間の相互作用の監視を通じて、サンプルの表面を原子レベルで特徴化するように設計された、プローブに基づく装置のカテゴリーの代表的なものである。この相互作用は、主に先端とサンプルの間の走査動作であり、これにより表面の特徴に関するデータが得られ、サンプル領域の画像の生成に用いられる。画像データは、一般に、サンプルのラスタ走査を介して得られる。
【０００３】
ＳＰＭの特定の種類は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として知られており、これは、高さ、光の吸収、磁性、または他の測定可能な特性等の、サンプルの局部特性を測定することにより機能する。結果として生じる画像は、互いに重なって位置する情報の多くの列または行からなるため、テレビジョンスクリーン上の画像に似たものとなる。
【０００４】
ＡＦＭは、さまざまなモードで動作するように設計されており、このモードは、非接触モード、接触モード、およびタッピングモードとしても知られている振動モードを含む。非接触モードでは、ＡＦＭは、引力に基づく測定値からトポグラフィー画像を生成する。この設計では、先端はサンプルに接触しない。非接触モードは、液体内では効果的に機能しない。
【０００５】
ＡＦＭの設計では、特に重要な領域は、カンチレバーのたわみまたは振動を起こす外力の提供に用いられるメカニズムである。クオリティファクタQは、カンチレバーの共振曲線の鋭さを表わす。大きいQによる共振は、比較的小さな励振力により、比較的大きな振幅のカンチレバー振動に励振することができる。空気または他のガス状環境での動作では、一般的なピエゾ電気駆動器が、カンチレバーを駆動して、容易に識別されカンチレバーやピエゾ電気駆動器自体の取り付けなどの寄生共振ピークから区別される共振ピークを生むための十分な励振力を提供する。
【０００６】
逆に、水などの液体で作動するカンチレバーは、振動するカンチレバーを液体が湿らせるため、非常に低いQを有する。一般的なピエゾ電気駆動器は、カンチレバーを十分に励振して、容易に位置確認され寄生共振から区別される共振ピークを生むための十分な利得を持たない。
【０００７】
このため、音響駆動器によるカンチレバーの駆動が考えられてきた。この設計では、カンチレバーおよびピエゾ電気駆動器が、隔置された関係で共通ヘッドに取り付けられる。ヘッドは、流体セルの上に取り付けられ、カンチレバーは流体セル内に延び、セル内のサンプルと相互作用する。ピエゾ電気駆動器を信号生成器により励振して、音波を生成することができ、この音波は、流体セルのガラス壁を通り、セル内の流体を通り、カンチレバーへと伝播して、カンチレバーに振動を起こさせる。
【０００８】
この種類の音響駆動器は、さまざまな欠点を有する。例えば、集束されない音響エネルギーが、カンチレバーやピエゾ電気駆動器の取り付け、流体セル、更には流体などの、システムの他の多くの構成要素に衝突し、これらの構成要素での共振を励振する。これらの共振をカンチレバーの共振から区別することは、困難な場合がある。また、音響駆動器が十分な作動力を有する動作周波数の選択が限られており、カンチレバーの共振を音響アクチュエータの動作周波数に合致させることは困難となる場合がある。使用者が、カンチレバー共振と重ならない共振を選択すると、測定値が不安定となる場合がある。
【０００９】
カンチレバーとアクチュエータの間に、位置合わせ誤差が存在し得ることが認められており、これにより、ピンポイント精度が、音響ビームがカンチレバーに衝突しないという結果をもたらす場合がある。
【００１０】
製造の間、またはカンチレバープローブを交換する際に、プローブの位置合わせ不良が発生する場合がある。特に、動作中に、カンチレバーが有する先端が損傷または破損し、交換が必要となることが知られている。通常、カンチレバーおよび先端は、単一のユニットとして提供され、ユニット全体が新しいカンチレバー／先端アレンジメントと交換される。この交換作業は機械的な作業であり、位置合わせ手順に、ある程度の不正確さが存在する。従って、カンチレバー／先端アレンジメントが挿入され、集束ピンポイント（すなわち小径）ビームが用いられると、位置合わせ不良によって、アクチュエータとカンチレバーの間に不適切な相互作用をもたらす場合がある。この問題を修正するために、ビーム（すなわち直径）を拡大することが提起されている。その他の背景技術として、特許文献１〜３及び非特許文献１〜４が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００４１６５７Ａ１号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／００４１６６９Ａ１号
【特許文献３】米国特許第４，９２８，３１６号
【非特許文献１】オナラン  Ａ．グクル他、”Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  ｏｆ Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｉｎ Ｆｌｕｉｄｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，ＩＥＥＥ  ２００２，ｐｐ．３５６−３５９
【非特許文献２】フリードマン  ニル、”Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｗｉｔｈ  Ｖｅｒｙ  Ｆａｓｔ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｃａｎｓ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２４，２０００／１２／１５，ｐｐ．１７６２-１７６４
【非特許文献３】バセルト  デビッド博士、”Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ  １９９３  ｂｙ  Ｄａｖｉｄ Ｂａｓｅｌｔ，ｐｐ．１−１０
【非特許文献４】オナラン  Ａ．グクル他、”Ｔａｐｐｉｎｇ  Ｍｏｄｅ ａｎｄ  Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎ  Ｌｉｑｕｉｄｓ  Ｕｓｉｎｇ ａｎ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  Ａｃｔｕａｔｅｄ  ｂｙ Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８０，Ｎｏ．２１，２００２／５／２７，２００２  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｐｐ．４０６３−４０６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のことから、位置合わせ不良のために、ピンポイント音響ビームの使用に関連した懸念があることがわかる。しかしながら、更なる問題は、ビームを広げて位置合わせ不良を修正すると、音響源とカンチレバーの間に、不要な反射や共振の増加を起こす点である。これらの共振は、カンチレバーと音響源の間隔の変化により共振条件が変化するにつれて、カンチレバーに伝えられる音響力に強い変化をもたらすことがある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、カンチレバーを含むプローブと、実質的に線形に集束された音響エネルギーのビームを前記カンチレバーに向けるように構成され、実質的に一定の力を該カンチレバーに加えて該カンチレバーを駆動する音響アクチュエータと、を備え、前記線形に集束されたビームは、実質的に、前記カンチレバーの幅と、該カンチレバーに位置合わせ不良がある場合に該カンチレバーを包含するのに十分な各カンチレバー端からの距離とにわたって延びるように大きさが決められているプローブ装置である。
【００１４】
本発明の１つの態様によると、プローブに基づく装置のカンチレバーは、超音波音響エネルギーのビームがカンチレバーに向けられ、音響放射圧がカンチレバーに加えられることによってたわむ。エネルギーは、音響アクチュエータによって生成される。送られるビームを好ましくは円筒形レンズを用いて集束することにより、１次元で密に集束され２次元では集束されないビームを提供する。本発明の他の態様によると、ＲＦ信号生成器などのパワー源を作動させ、音響往復時間に対して短いまたは同等な時間スケールで音響放射のスペクトルを拡散させる。このような設計は、カンチレバーと音響源との間隔に対する共振影響感度を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１を参照すると、本発明によるカンチレバーたわみシステムを含んだＡＦＭ１０が示されている。ＡＦＭ１０は、セル１４内に含まれた液体内で作動するように構成されたプローブ１２と、音波を生成するための超音波アクチュエータ１６と、検出システム（１８，２０）とを含む。プローブ１２は、カンチレバー２２と、カンチレバー２２の自由端に取り付けもしくは備えられた先端２４を含む。カンチレバーは、１つの実施形態ではシリコン製であり、いくつかのバネ定数および対応する基本共振を持つことがある。一例では、０．１４８Ｎ／ｍのバネ定数を持つカンチレバーは、水中では約４．６ｋＨｚの基本共振を持つ。
【００１６】
カンチレバー２２の基部は、光学的に透明なプローブ支持部２６に固定されている。プローブ支持部２６は、市販のＡＦＭスキャンヘッド２８にはめ込むことができる。流体セル１４は、プローブ１２が近くに位置しているスキャンヘッド２８の下に配置されている。超音波を透過させる基板３０は、好ましくはガラスやシリコンのような硬質基板でできており、プローブ１２の下に配置され、流体セル１４を支持する。超音波アクチュエータ１６は、好ましくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）トランスデューサで形成されており、基板３０の底面に取り付けられているが、これには適切な出力を生成する他の材料を使用してもよい。あるいは、超音波アクチュエータを、基板の側面に、カンチレバーに直接対面させて配置することもできる。超音波トランスデューサを集束装置として形成し、流体環境から電気的に分離して、超音波を透過させる基板の必要性をなくすこともできる。
【００１７】
超音波アクチュエータ１６は、ＲＦ信号生成器３２によって駆動され、ビーム３４を生成する。ビーム３４は、レンズ３６により集束され、カンチレバー２２を基板３０から離れるようにたわませる。ＲＦ信号生成器３２は、ＲＦ信号の振幅を時間とともに変化させる任意の変調入力を有する。変調信号は、方形波、正弦波、三角波、または任意の時間変化変調とすることができる。ＲＦ信号生成器は、また、ＲＦ信号のベースライン（未変調）パワーの制御を可能とする入力または内部調整器を有する。
【００１８】
スキャンヘッド２８は、ＸＹアクチュエータおよびＺアクチュエータを含む場合があり、これらは、プローブ１２に流体セル１４内のサンプル（図示せず）をスキャンさせる。あるいは、スキャンヘッド２８は動かさず、基板３０を駆動して、スキャンヘッド２８に対してスキャンさせることもできる。
【００１９】
検出システム１８、２０は、スキャン中にカンチレバーのたわみを検出する。検出システムは、カンチレバー２２の上に配置されたレーザ１８と、カンチレバー２２の上面から反射されたレーザ光を受けるように構成された光検出システム２０とを含む。従来のように、光検出器２０からの信号を、ＲＦ信号生成器３２の動作を制御するためのフィードバックとして使用し、スキャン中に、大きさおよび／またはフェーズなどの、所望のカンチレバーたわみの特性を維持することができる。
【００２０】
開放された媒体内で音波ビームの経路に配置された平面標的は、単位面積当たりで時間平均された力を受けることが知られている。この圧力は、「ランジュヴァン音響放射圧」（Ｌａｎｇｅｖｉｎ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ＡＲＰ）として知られている。この圧力の適用により加えられる力を用いて、プローブ１２などのプローブに基づく装置のカンチレバーをたわませる。ＡＲＰは、標的表面における平均エネルギー密度Ｕに関係する。平面波に基づく単純モデルとして、焦点面において、通常、振幅Ｐｉの時間調和音響圧力波が液体に浸されたカンチレバーに投射されること、および、複合圧力反射係数Γで波が反射されることが推測できる。この反射係数は、集束ビームに含まれるべき平面波の投射スペクトルの加重平均だと考えられる。この場合、カンチレバー表面における時間平均エネルギー密度は、次の式で得られる。
【数１】
2004198427.tif 000003
ここで、ρは流体の密度であり、ｃは液体内での音の速度であり、Γは反射係数の絶対値を示す。投射ビームの平均強度は、Ｉi＝Ｐi2／（２ρｃ）で得られるという関係を用いて、カンチレバー２２へのランジュヴァン放射圧Ωは、強度の点から次のように表すことができる。
【数２】
2004198427.tif 000004
投射波の伝播方向においてカンチレバーに加えられる合計の力は、放射圧力を積分することによって求めることができる。その結果、加えられる力の合計は、カンチレバー２２に投射される平均の力に比例する。なお、上の論述は、ビーム内および流体媒体内の超音波エネルギーの吸収を無視している。流体媒体内での吸収の場合は、音響の流れを誘発することができる。このメカニズムにより誘発される流体の流れは、カンチレバーへの追加的な力を生成することができる。カンチレバーでの損失は一般的に非常に少ないので、無視することができる。なお、式１および式２は、空気中でのカンチレバー作動の適用にも当てはまる。空気中での音の速度は、約３３０ｍ／ｓ足すΓ〜３であることから、同じ量の力を、１／５の音響パワーで、カンチレバーに加えることができる。
【００２１】
前述のように、また、ここで図２Ａおよび図２Ｂにより詳細に示すように、既存のシステムでは、集束音響ビーム４０を、円形のフレネルレンズを用いて極度に小さな直径で生成して、ピンポイントビームまたはスポットを、カンチレバー４２の自由端（すなわち、先端４４の近くなど）に加えることができる。位置合わせが適切な場合、カンチレバーを適切にたわませるための十分なエネルギーが加えられる。しかしながら、図２Cに示すように、位置合わせ不良が存在する場合、音響ビーム４０は、エネルギーをカンチレバー４２に加えない。
【００２２】
この問題を避けるための代わりの動作は、例えば、図３Aおよび図３Bに示すように、ビームを広げることである。しかしながら、この代わりの動作は、音響ビーム５０が、エネルギーをカンチレバー５２に加えている間に、不要な反射音響信号５４をも生成するという問題をもたらす。これは、カンチレバーと音響源の間隔がわずかに変化しただけでも、カンチレバーに加わる力を強く変化させる。
【００２３】
これらの問題を改善するために、１つの実施形態では、図１のレンズ３６は、基板３０の表面に微細機械加工された線形セグメントからなるフレネルレンズなどの、円筒形レンズとなっている。この実施形態のレンズ３６は、図４に示すように、一次元では密に集束され他次元では集束されない線形ビーム６０（他の図ではビーム３４として示す）を生成する。その結果、レンズ３６は、カンチレバー２２の自由端またはカンチレバー２２の長さに沿った他の関連する領域に、力を加える。当然ながら、レンズ３６の焦点距離を変化させて、物理的な設計の制約に適応させ、アクチュエータをカンチレバーのより近くまたはより遠くに設置することができる。
【００２４】
円筒形レンズをＡＦＭ１０とともに導入することにより、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、線形音響ビームのカンチレバーへの衝突が確実に行われると同時に、外来波により生じる不要な反射干渉を最小限にする。線形ビーム６０の長さは、好ましくは、カンチレバー６２の幅にカンチレバー６６の両端から延びる距離６４を加えた長さと等しくして、機械的位置合わせ不良を許容させる。一般的な機械的位置合わせ不良の具体的な値は、特定のプローブ設計に従って変化するものであり、製造業者から得ることができる。この方法で線形ビームの大きさを決めることにより、位置合わせ不良がある場合でも、一貫した力をカンチレバーに加えることができる。
【００２５】
線形ビームから円筒形レンズへ向かう波のエネルギーのいくらかは、ある程度、多重反射による定在波の不要な増加をもたらすが、投射エネルギーのほとんどは、カンチレバーの外側に当たって拡散され、反射の増加を最小限にする。また、このような集束システムでは、回折損失がより大きく、往復音響反射が、未集束の平面波照射のための共振よりも小さな共振を生じる。
【００２６】
円筒形レンズの導入は不要な反射を大きく減少させるが、それでも反射波によるいくらかの共振が存在することが認識されている。
【００２７】
特に、反射された放射波がカンチレバーへ帰ってくるための往復伝播時間は、通常、アクチュエータを駆動するために用いられる非常に狭い帯域（すなわち、単一の周波数）のＲＦトーンバーストの持続時間よりも短いため、カンチレバーへの反射波および非反射波の投射は、コヒーレントに干渉すると理解される。この干渉は、建設的または破壊的となり得る。カンチレバーと音響源の間隔が音波長の４分の１ほど小さく変化するだけで、共振条件が変化する。これらの共振は、カンチレバーと音響源の間隔が小さく変化しただけでも、カンチレバーに加わる音響圧力を強く変化させる。
【００２８】
本実施形態によると、カンチレバーに投射される１つまたは複数の音響ビームの音響パワー密度に対する共振の効果を、著しく減少させることを可能にし、これは、検出される読取りの不正確さを低下させる。これを達成するためのアプローチは、多重周波数および／または周波数ＲＦ電圧パルスを用い、異なる周波数の共振および反共振により生じる音響パワー変動が互いに中和し合う傾向を持つように作動させる。
【００２９】
不要な反射率の効果を減少させるための第１のアプローチは、１つの周波数コンポーネントの共振により生じるパワー変動が、他の周波数コンポーネントの反共振により生じる変動を、実質的にオフセットまたは中和するように、またはその逆に、アクチュエータを多重周波数ＲＦトーンバーストで駆動することである。より詳細には、図６に示される二重トーン駆動器７０を参照すると、レンズ基板３０およびトランスデューサ１６の共振を無視した場合、１つの周波数ｆ1が流体内で共振し、他の周波数ｆ2が反共振するカンチレバー位置レベルを、レンズ表面の中央部分（すなわち、レンズ３６の「音響中心」）からのカンチレバーの変位Ｉiの関数として決定できることが理解される。
【００３０】
ともに音響源に適用すると、ｆ1の共振およびｆ2の反共振により生じるパワー変動は、互いに中和し合う傾向を持ち、それによって検出されるたわみ値の不正確さを減少させる。
【００３１】
あるいは、更に、ＲＦ駆動パルスの周波数内容を増加させることができる。例えば、図７に示すように、ミキサ８０を用いて、１５０ＭＨｚキャリアなどのＲＦキャリアを、約２０ＭＨｚの周波数を持つ周期的な擬似ランダムビットシーケンス信号と混合し、スイッチまたは変調器８２によりトランスデューサ１６に加えられる駆動パルスを、約１３０ＭＨｚ〜約１７０ＭＨｚの範囲の多数のＲＦ周波数で構成させることができる。擬似ランダムビットシーケンス信号は、適切に、擬似ランダムビット生成器８４によって供給され、擬似ランダムビット生成器８４は、アクチベータ（ａｃｔｉｖａｔｏｒ）のデータ速度（すなわち、データビットを変調器８２に加える速度）で動作し、それによってトランスデューサ１６に加えられる駆動パルスのＲＦパワーを実質的に均一にさせる。提供された値は、単に例証のために用いられ、具体的な値は、特定の実施に依存すると理解される。
【００３２】
あるいは、ＲＦキャリア周波数を変調するために、線形チャープ信号を用いることができる。この実施形態は、高速で変調されるキャリア周波数とともに実行することが好ましい。他の選択肢は、トランスデューサ１６の駆動に、変調されたデータ、本質的には「ホワイト」ＲＦノイズ、を用いることである。
【００３３】
図６の二重トーンの実施形態では、２つの周波数コンポーネントｆ1およびｆ2の振幅を必要に応じ調整して、それらの共振および反共振が、カンチレバーにおける音響パワーを、実質的に同等および反対に変動させることができる。しかしながら、広スペクトルまたは拡散スペクトルＲＦ源を、図７に示すように用いると、このＲＦ源の設計はより簡素となり、その結果、周波数スペクトル全体にわたって比較的平らな振幅を持つこととなる。
【００３４】
これらの技術を実施することにより、図５Ａおよび図５Ｂの不要な反射を更に減少させることができる。また、これらの技術を実施することにより、反射信号が実質的に中和されるので、カンチレバーをより完全に覆い、カンチレバー上で拡大するビーム（または、例えば、図３Ａ、図３Ｂで示すように、カンチレバーをより完全に覆い、カンチレバー上で拡大するビーム）を使用することができる。
【００３５】
上の考察から明らかなように、トランスデューサ１６により加えられる力は、一方向のものである。その結果、超音波ビーム３４は、カンチレバー２２を伝播方向に引きつけることはできない。カンチレバー２２を、基板から押し離すよりも、基板３０に向けて選択的に引きつけるように、ＡＦＭ１０を構成することが望まれる場合は、カンチレバー２２に、ＲＦ信号生成器３２への駆動信号がない場合に基板３０との接触を維持するバイアスを持たせて製造することができる。次に、ＲＦ信号生成器３２を駆動して、バイアスに打ち勝ち、基板３０からカンチレバー２２を押し離すことができる。次に、駆動電圧を減少させて、カンチレバー２２を基板３０に向けて動かすことができ、従って、実質的に、カンチレバー２２が基板３０に向けて引きつけられる。あるいは、いくつかの構成では、超音波アクチュエータを、カンチレバーの上および／または下の両方に配置して、片側または両側から押させることもできる。
【００３６】
先の考察は、電流概念の特定の可能性を説明している。円筒形レンズを有する超音波カンチレバーアクチュエータは、カンチレバーに加えられる直流および交流の力の両方を、非常に広い帯域幅にわたって独立制御することができる。これは、このアクチュエータの適用範囲を広くする。一例として、力変調（Ｆｏｒｃｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれるイメージング方法がある。この方法では、ＡＦＭの先端をサンプル表面に接触させ、次に交流変調力をカンチレバーに加える。次に、検出器が、カンチレバーの交流たわみの量を測定する。硬質のサンプルでは、カンチレバーは表面に食い込むことができず、たわみは検出されない。軟質のサンプルでは、超音波変調力が、先端をサンプルに食い込ませ、測定可能なカンチレバーの交流たわみをもたらす。直流力の分離制御が、ＡＦＭシステムが先端と表面の間の接触を維持するために用いる追跡力の制御を可能とする。
【００３７】
ＲＦ電圧をゆっくり変化させて、準静的な測定を実行させることもできる。準静的な力を加えるプロセスは、プロセス中のいずれかの段階で力が除去されるべきであった場合、その時間からシステムが均衡するものと考えられる。従って、電圧が変更されている間に均衡を維持するように、ＲＦ電圧を十分にゆっくり変化させることができる。この手順は、ＲＦ信号が高周波で変調され、力調整が終わる際にシステムが安定化のための時間を必要とする動的（交流）測定と対照的である。準静的測定と動的測定の間のカットオフは、通常、カンチレバーの基本共振周波数より下の周波数値であると考えられる。
【００３８】
カンチレバーたわみと駆動電圧の大きさの関係は比例しており、サンプルに関係する有益な情報を得るために使うことができる。例えば、図１のＲＦ信号生成器３２を制御して、力曲線を生成することができる。力曲線は、サンプル表面をくぼませ、サンプルとサンプルに接触するプローブとの間の結合分子を破壊するなどの効果を得るのに必要な力の大きさの指標を提供するために、しばしば使用される。従来の装置で力曲線を生成するためには、スキャンヘッド内でＺアクチュエータを作動させて、サンプルに対してプローブを駆動させる（またはサンプルから離れさせる）必要があった。超音波アクチュエータを使用すると、所望の効果が得られるまで、駆動信号をＲＦ信号生成器または他のパワー源に変調するだけで、同じ効果を得ることができる。次に、信号駆動電圧とカンチレバーたわみの既知の比例関係を使用して、力を計算することができる。別のＺアクチュエータの作動は必要でない。
【００３９】
ＡＦＭカンチレバーは、また、放射圧力に動的に応答することができ、これらの動的な応答を測定することができる。特に、ＲＦ入力信号に正弦波振幅変調を加えることにより、時間高調波の力を生成することができる。変調因子を１未満になるように選択することにより、適切なバイアス力を加えて、カンチレバーを変調周波数およびその２次高調波で作動させることができる。次に、カンチレバーのたわみを、例えばロックイン増幅器を使用して記録する。このロックイン増幅器は、変調信号を参照入力および変調周波数へのロックとして使用する。
【００４０】
超音波アクチュエータに基づくシステムは、カンチレバーを励振するための非常に広い帯域幅を持つことが開示されている。実際には、ＲＦ信号を、ＲＦ信号周波数の約１／１０にまで、またはそれ以上高く変調することが可能である。３００ＭＨｚのＲＦ周波数に対して、３０ＭＨｚのカンチレバー作動帯域幅さえも実現可能である。事実、表面が微細機械加工されたカンチレバーを用いた空気適用での１０ＭＨｚの低さあるいはより低いＲＦ周波数から、水適用での１ＧＨｚまたはより高いＲＦ周波数まで、減衰は問題にならないとされている。このカンチレバー作動帯域は、特に音響および磁気駆動器の、他のＡＦＭカンチレバーアクチュエータによって提供される作動帯域よりも、はるかに大きい。従って、超音波駆動カンチレバーを有するＡＦＭを用いて、以前は得られないと考えられていた速度でスキャンすることができる。
【００４１】
上述した種類の超音波アクチュエータを使用して、ＲＦキャリア周波数よりも著しく低い、ほとんどの所望の周波数で振動するように、ＡＦＭカンチレバーを駆動させることができる。超音波アクチュエータは、従って、ＡＦＭ内のタッピングモードアクチュエータとして直接使用することができる。超音波アクチュエータを用いたタッピングモードＡＦＭ１１０を、図８に模式的に示す。図１のより理論的な実施形態の場合と同じく、装置１１０は、従来のプローブ１１２と、超音波アクチュエータ１１６と、検出器１２０とを含む。プローブ１１２は、サンプル１２１を含む流体セル１１４内で作動するように構成されている。プローブ１１２は、支持部１２６に固定された基部を持つカンチレバー１２２と、先端１２４を有する自由端とを含む。図１の実施形態と同じく、超音波を伝達可能な基板１３０が、カンチレバー１２２の下に配置される。線形フレネルレンズなどの円筒形レンズ１２９が、基板１３０の上または中に配置される。円筒形レンズ１２９の使用により、単一次元で制御可能なビーム１３１が生じる。超音波アクチュエータ１１６は、基板１３０の底面に取り付けられ、ＡＦＭ制御器１３８の制御下で、ＲＦ信号生成器１３２により駆動される。ＲＦ信号生成器１３２は、超音波アクチュエータ１１６内でＲＦ振動を生成し、次に、その信号の振幅を、制御器１３８により供給されるタッピングモード駆動信号に応答して変調する。制御器１３８は、方形波によって駆動信号をオンまたはオフにし、あるいは、その正弦波に比例して、駆動信号の振幅を変調する。制御器１３８は、また、スキャンヘッド１２８内のＸＹＺアクチュエータを、従来の方法で駆動する。
【００４２】
従来のタッピングモードピエゾ電気駆動器をループから外し、超音波アクチュエータ１１６と交換することができる。この場合、先の段落で説明したＲＦ駆動信号を常に使用して、超音波アクチュエータ１１６を駆動する。しかしながら、好適な実施形態では、ピエゾ電気駆動器１４０を保持することができ、適切なスイッチ１４２を設けて駆動信号を選択的に送信させ、ＲＦ信号生成器１３２の出力を変調することで超音波アクチュエータを起動するか、あるいは駆動信号をＡＦＭ制御器１３８から直接ピエゾ電気駆動器１４０に送信することができる。例えば、結果としての装置は、空気または液体のいずれでも作動することができ、ピエゾ電気駆動器１４０を空気中での作動に使用し、超音波駆動器１１６を液体内での作動に使用する。
【００４３】
先に説明した装置の重要な点は、サンプルが超音波伝達可能であり、超音波アクチュエータからの超音波ビームが、サンプルを通じて、カンチレバーへ自由に伝達することである。より多用途の超音波アクチュエータ構成を、図９に模式的に示す。この実施形態では、超音波アクチュエータは、カンチレバー１６２上に配置されたサンプルホルダ１６０に取り付けられる。サンプルホルダ１６０は、一方でのカンチレバー１６２と、他方でのレーザ１６４および光検出器（図示せず）との間にも配置される。サンプルホルダ１６０は、ガラス、または光を透過し超音波エネルギーを伝達可能な他の任意の材料で作製することができる。図示した実施形態では、ＺｎＯトランスデューサ１６６がホルダ１６０に取り付けられている。線形フレネルレンズなどの円筒形レンズ１６８が、ホルダ１６０に形成または取り付けられている。ホルダの関連する位置を傾けて、対応する超音波ビーム１７０を、カンチレバー１６２の長さの横方向の単一次元として方向付ける。
【００４４】
弾性特徴化のために構成された装置２１０を、図１０に示す。装置２１０は、図８のＡＦＭのすべての構成要素を含み、プローブ２１２と、流体セル２１４と、超音波トランスデューサ２１６と、スキャンヘッド２１８と、基板２２０（内部組込みまたは上面配置された円筒形レンズ２２を有する）と、ピエゾ電気駆動器２２２とを含む。円筒形レンズ２２１の使用により、波２２３が生成される。プローブ２１２は、カンチレバー２２４を含み、カンチレバー２２４は、支持部２２６に取り付けられた基部と、先端２２８を有する自由端とを含む。装置２１０の電子部品は、ＲＦ信号生成器２３０と、ＡＦＭ制御器２３２と、制御器２３２をＲＦ信号生成器およびピエゾ電気駆動器２２２に選択的に結合するスイッチ２３４とを含む。これらは、ロックイン増幅器２３６および低周波信号生成器２３８を追加的に含む。ロックイン増幅器２３６は、低周波信号生成器２３８からのフィードバック信号を受信し、弾性画像信号をＡＦＭ制御器２３２に送信する。従来のフィードバックを使用して、サンプル２４０に加えられる力を一定に保ち、変調周波数でのカンチレバーのたわみを監視することにより画像を形成することができる。画像は、交流信号の形を取り、ともにサンプル剛性の関数として変化する振幅およびフェーズを有する。この手順は、従って、トポグラフィーのための１つと、表面弾性のための１つとの、２つの同時画像をもたらす。この技術を用いた弾性特徴化は、既知の先行技術よりもはるかに高速で実行することができる。これは、超音波アクチュエータが、ピエゾ電気アクチュエータを用いてプローブ全体を上下に駆動することで要求される測定値を得る先行システムよりも、非常に高い帯域幅を持つという事実による。先行システムは、一般的に、数十ｋＨｚのみの最大変調周波数を持つのに対し、（上述のように）超音波アクチュエータに基づいたシステムは、数ＭＨｚのカンチレバー作動帯域幅を持つ。
【００４５】
この考察では、本発明を、主にＡＦＭ内に組み込まれたものとして説明したが、本発明は、説明した実施形態または一般のＡＦＭに限定されないと理解されるべきである。むしろ、本発明は、音響エネルギーの集束ビームをカンチレバーに向けることでカンチレバーがたわみ、超音波生成音響放射圧をカンチレバーに加える、プローブに基づくほとんどの装置に適用可能である。さまざまな異なる超音波音響アクチュエータや関連する駆動器を適用して、これらの効果を達成することができ、カンチレバーのたわみは、さまざまな技術を用いて測定することができる。また、水での実施形態など、流体におけるカンチレバーの使用に特定の有益性がある一方で、他の流体でも本適用の利点を得ることができる。これは、ガス、空気、および他の非水液体での適用ならびに真空での使用を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の概念に従って構成された音響超音波作動ＡＦＭを模式的に表わす図である。
【図２Ａ】カンチレバーと音波の相互作用を示す側面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの底面図である。
【図２Ｃ】カンチレバーと音波の位置合わせ不良を示す図である。
【図３Ａ】カンチレバーにエネルギーを衝突させる拡大音響ビームを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの底面図である。
【図４】円筒形または線形フレネルレンズによって生成されたビームを模式的に表わす図である。
【図５Ａ】カンチレバーおよび図４の円筒形レンズによって生成された音響ビームを示す側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの底面図である。
【図６】本発明の１つの態様による、二重周波数ＲＦパルス生成器により駆動され半波共振を抑制する、図１による音響アクチュエータシステムの断面図である。
【図７】多重周波数ＲＦパルスにより駆動され半波共振を抑制する、音響アクチュエータの断面図である。
【図８】本発明の更なる実施形態に従って構成され、タッピングモード動作のために構成された音響超音波作動ＡＦＭを模式的に表わす図である。
【図９】本発明の更なる実施形態に従って構成され、音響超音波アクチュエータおよび検出器がカンチレバーの共通側面に配置されたＡＦＭのための音響超音波駆動器の模式上面図である。
【図１０】本発明の更なる実施形態に従って構成され、弾性測定値を得るように構成された音響超音波作動ＡＦＭを模式的に表わす図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ＡＦＭ、１２  プローブ、１６  超音波アクチュエータ、１８，２０  検出システム、２２  カンチレバー、３２  信号生成器、１２９  円筒形レンズ、１６０  サンプルホルダ。
【図１】
2004198427.tif 000005
【図２Ａ】
2004198427.tif 000006
【図２Ｂ】
2004198427.tif 000007
【図２Ｃ】
2004198427.tif 000008
【図３Ａ】
2004198427.tif 000009
【図３Ｂ】
2004198427.tif 000010
【図４】
2004198427.tif 000011
【図５Ａ】
2004198427.tif 000012
【図５Ｂ】
2004198427.tif 000013
【図６】
2004198427.tif 000014
【図７】
2004198427.tif 000015
【図８】
2004198427.tif 000016
【図９】
2004198427.tif 000017
【図１０】
2004198427.tif 000018