(57)【要約】  微小機械共振器（ＲＭＭ）と、該共振器から突出する、原子間力顕微鏡法のための先端部Ｐ１とを備える、原子間力顕微鏡法のためのプローブＳＭであって、該プローブは、上記共振器（ＲＭＭ）の振動の体積モードを選択的に励起する手段ＥＬ１も備えることを特徴とし、上記原子間力顕微鏡法のための先端部Ｐ１、Ｐ１’は、上記振動の体積モードの波腹点ＰＶ１と概ね一致して上記共振器から突出することを特徴とする、原子間力顕微鏡法のためのプローブＳＭ。そのようなプローブＳＭ’を備える原子間力顕微鏡。そのようなプローブの使用を含む原子間力顕微鏡法。【選択図】図２
2010526284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小機械共振器（ＲＭＭ）と、該共振器から突出する、原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１、Ｐ１’）とを備える、原子間力顕微鏡法のためのプローブ（ＳＭ’、ＳＭ’’）であって、該プローブは、
前記共振器（ＲＭＭ）の振動の体積モードを選択的に励起する手段（ＥＬ１）も備えることを特徴とし、且つ
前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１、Ｐ１’）は、前記振動の体積モードの波腹点（ＰＶ１）と概ね一致して前記共振器から突出することを特徴とする、原子間力顕微鏡法のためのプローブ（ＳＭ’、ＳＭ’’）。
【請求項２】
前記振動の体積モードにおいて前記微小機械共振器（ＲＭＭ）の振動を検出する手段（ＥＬ２）も備える、請求項１に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項３】
前記微小機械共振器の振動を検出する前記手段（ＥＬ２）は、静電容量センサ及び圧電センサから選択される、請求項２に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項４】
前記共振器の振動の体積モードを選択的に励起する前記手段（ＥＬ１）は、静電容量アクチュエータ及び圧電アクチュエータから選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項５】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）は平面構造を呈し、前記振動の体積モードは、前記共振器の平面変形モードである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項６】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）は、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲にあり、好ましくは０．０５μｍ〜５μｍの範囲にある厚みを呈する、請求項５に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項７】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）はディスク又はリングの形をとる、請求項５又は６に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項８】
前記振動の体積モードは楕円モードである、請求項７に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項９】
前記ディスク又はリングの形をとる微小機械共振器は、０．１μｍ〜２００μｍの範囲にある外径（Ｒｅｘ）を呈する、請求項７又は８に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１０】
前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）は、前記微小機械共振器（ＲＭＭ）の平面内で、該微小機械共振器の外形（Ｃ）から延在する、請求項５〜９のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ（ＳＭ’）。
【請求項１１】
前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１’）は、前記微小機械共振器（ＲＭＭ）の平面と角度を成す、請求項５〜９のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ（ＳＭ’’）。
【請求項１２】
前記振動の体積モードは、１０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲にあり、好ましくは５０ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲にある、真空中の共振周波数を呈する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１３】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）は、前記振動の体積モードの場合に、１０３〜１０５の範囲にあり、好ましくは５×１０３〜５×１０４の範囲にある、真空中の品質係数を呈する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１４】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）は、前記振動の体積モードの場合に、１０２〜５×１０４の範囲にあり、好ましくは１０３〜１０４の範囲にある、水中の品質係数を呈する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１５】
前記振動の体積モードは、前記微小機械共振器（ＲＭＭ）の前記外形（Ｃ）上に少なくとも１つの節点（ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３、ＰＮ４）を呈し、前記共振器は、該共振器を支持構造（ＳＴＳ）に固定する固定手段（ＬＦ１、ＬＦ２、ＬＦ３、ＬＦ４）を呈し、該固定手段は前記節点（ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３、ＰＮ４）と一致するように配置される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１６】
前記共振器を前記支持構造に固定している単一の固定手段を備え、前記固定手段はビームの形をとる、請求項１５に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１７】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）は対称な構造を呈し、前記プローブは、前記先端部（Ｐ１）の慣性モーメントに概ね等しい慣性モーメントを有すると共に前記構造の対称性を保つように配置される少なくとも１つの釣合わせ構成要素（Ｐ２）を呈する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１８】
少なくとも前記微小機械共振器（ＲＭＭ）及び前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１、Ｐ２）は一体に形成される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項１９】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）、前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）、前記静電センサ（ＥＬ２）及び前記静電アクチュエータ（ＥＬ１）は一体に形成される、請求項３及び４に従属する場合の請求項１８に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項２０】
少なくとも前記微小機械共振器（ＲＭＭ）及び前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）はシリコンから形成される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項２１】
前記微小機械共振器（ＲＭＭ）は、該微小機械共振器ための支持構造を構成するビーム（ＳＴＳ）の端部に配置される、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡法のためのプローブ。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載のプローブ（ＳＭ’、ＳＭ’’）を備える原子間力顕微鏡。
【請求項２３】
原子間力顕微鏡法の方法であって、該方法は、
請求項１〜２１のいずれか一項に記載のプローブ（ＳＭ’、ＳＭ’’）の、原子力間顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）を、画像を形成するための表面（ＳＩ）に接近させるステップと、
励起するために設けられる手段（ＥＬ１）を用いることによって前記プローブの微小機械共振器（ＲＭＭ）の振動の体積モードを選択的に励起するステップであって、該振動の体積モードは或る共振周波数を呈する、励起するステップと、
前記画像を形成する表面（ＳＩ）と前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）との間に作用する力によって引き起こされるような前記振動の体積モードの前記共振周波数における変化を検出するステップとを含む、原子間力顕微鏡法の方法。
【請求項２４】
原子間力顕微鏡法の方法であって、該方法は、
請求項１〜２１のいずれか一項に記載のプローブ（ＳＭ’、ＳＭ’’）の、原子力間顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）を、画像を形成するための表面（ＳＩ）に接近させるステップと、
励起するために設けられる手段（ＥＬ１）を用いることによって前記プローブの微小機械共振器（ＲＭＭ）の振動の体積モードを選択的に励起するステップであって、該振動の体積モードは或る共振周波数を呈するステップと、
前記画像を形成する表面（ＳＩ）と前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）との間に作用する力によって引き起こされるような前記振動の体積モードの振幅における前記変化を検出するステップとを含む、原子間力顕微鏡法の方法。
【請求項２５】
少なくとも前記画像を形成する表面（ＳＩ）及び前記原子間力顕微鏡法のための先端部（Ｐ１）は液状媒体に浸漬される、請求項２３又は２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子間力顕微鏡法のためのプローブ、そのようなプローブを備える原子間力顕微鏡、及び原子間力顕微鏡法の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）は、１９８０年代から開発されており、原子レベルの解像度を達成できるようにする走査型顕微鏡技法である。トンネル効果走査型顕微鏡法とは異なり、原子間力顕微鏡法は、導電性表面の画像を形成することには限定されない。それは、原子間力顕微鏡法が、絶縁性材料、半導体材料、さらには生物学的性状の試料とともに用いるのに特に適していることを意味する。
【０００３】
基礎研究及び応用研究の数多くの分野において、さらにはマイクロエレクトロニクス産業において、この技法の用途が見いだされる。
【０００４】
従来の原子間力顕微鏡の不可欠な構成要素が、カンチレバー、すなわち一端が固定されており、他端に観測されるべき表面又は物体を指している先端部を設けられたレバーによって構成されるプローブである。そのレバーは一般的に、数十又は数百マイクロメートルの程度の長さを呈し、その先端部は、数十又は数百ナノメートルの曲率半径を有する。そのようなプローブは、一般的には単結晶シリコン又は多結晶シリコンから形成され、従来のフォトリソグラフィ技法を用いて、低コストで製造することができる。
【０００５】
プローブの先端部が或る表面に接近するとき、その先端部は、化学特性、ファンデルワールス特性、静電特性及び／又は磁気特性に由来する引力及び斥力の影響を受ける。先端部が観測されるべき物体の表面を走査している間にこれらの力を測定することによって、その表面の画像を再構成することができる。
【０００６】
先端部と物体との間に作用する力は、種々の方法で測定することができる。
【０００７】
最も簡単であり、最も古い技法（静的なＡＦＭ）では、観測は、特に光学的な手段を使用することによって、先端部を支持するカンチレバーが如何に撓むかだけを対象にする。
【０００８】
レバーの共振モードのうちの１つにおいて該レバーを振動させることによって、且つそのような力の勾配によって引き起こされる共振周波数における変化を観測することによって、さらに良好な感度を得ることができる（動的なＡＦＭ）。
【０００９】
実際には、動的な技法は一般的に、真空中又は空気中で実施される観測の場合に好ましい。液状媒体内ではレバーの振動が大きく減衰するので、この技法は液状媒体内で行なわれる観測にはあまり適していない。
【００１０】
原子力顕微鏡法の原理の概論を非特許文献１から入手することができる。
【００１１】
今日、原子間力顕微鏡法は大きな能力を有する実験的な技法である。それにもかかわらず、原子間力顕微鏡法の性能を改善することが依然として望まれている。
【００１２】
第一に、その感度を改善すること、すなわち、さらに小さな値から力を測定できるようにすることが望まれており、それは真空中、空気中又は液状媒体中で行なわれる測定に等しく当てはまる。
【００１３】
測定の時間分解能を改善して、それによって画像を極めて短時間で捕捉できるようにし、且つ動的な現象をリアルタイムに観測できるようにすることも望ましい。
【００１４】
動的なＡＦＭの場合に、レバーの振動を励起する手段及びレバーの振動を検出する手段がＡＦＭと一体に形成できるようにすることも望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】F. J. Giessibl及びC. F. Quateによる論文「Exploring the nanoworld with atomic force microscopy」（Physics Today, December 2006, pp. 44-50）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は上記の目的のうちの少なくともいくつかを達成することを目指す。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、これは、従来技術のプローブのような撓みモードの代わりに、微小機械共振器の振動の体積モードを利用することによって実現できるようになる。
【００１８】
本発明は、したがって、微小機械共振器と、該共振器から突出する、原子間力顕微鏡法のための先端部を備える、原子間力顕微鏡法のためのプローブであって、該プローブは、上記共振器の振動の体積モードを選択的に励起する手段も備えることを特徴とし、且つ上記原子間力顕微鏡法のための先端部は、上記振動の体積モードの波腹点と概ね一致して共振器から突出することを特徴とする、原子間力顕微鏡法のためのプローブを提供する。
【００１９】
本発明の特定の実施の形態では：
・プローブは、上記振動の体積モードにおいて上記微小機械共振器の振動を検出する手段も備えることができる。
・上記微小機械共振器の振動を検出する上記手段は静電容量センサ及び圧電センサから選択することができる。
・上記共振器の振動の体積モードを選択的に励起するための上記手段は静電容量アクチュエータ及び圧電アクチュエータから選択することができる。
・上記微小機械共振器は平面構造を呈することができ、上記振動の体積モードは、上記共振器の平面変形モードである。
・上記微小機械共振器は、０．０１マイクロメートル（μｍ）〜１０μｍの範囲にあり、好ましくは０．０５μｍ〜５μｍの範囲にある厚みを呈することができる。
・上記微小機械共振器はディスク又はリングの形をとることができる。そのような状況下では、上記振動の体積モードは楕円モードとすることができる。
・上記微小機械共振器がディスク又はリングの形をとるとき、該微小機械共振器は０．１μｍ〜２００μｍの範囲にある外径を呈することができる。
・上記原子間力顕微鏡法のための先端部は、上記微小機械共振器の平面内で、該微小機械共振器の外形から延在することができる。
・上記一変形形態では、上記原子間力顕微鏡法のための先端部は、上記微小機械共振器の平面と角度を成すことができる。
・上記振動の体積モードは、１０メガヘルツ（ＭＨｚ）〜２０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲にあり、好ましくは５０ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲にある、真空中の共振周波数を呈することができる。
・上記微小機械共振器は、上記振動の体積モードの場合に、１０３〜１０５の範囲にあり、好ましくは５×１０３〜５×１０４の範囲にある、真空中の品質係数を呈することができる。
・上記微小機械共振器は、上記振動の体積モードの場合に、１０２〜５×１０４の範囲にあり、好ましくは１０３〜１０４の範囲にある、水中の品質係数を呈することができる。
・上記振動の体積モードは、上記微小機械共振器の外形上に少なくとも１つの節点を呈することができ、共振器は、該共振器を支持構造に固定するための固定手段を呈することができ、該固定手段は上記節点と一致するように配置される。特に、プローブはビームの形をとる単一の固定手段を備えることができる。
・上記微小機械共振器は対称な構造を呈することができ、上記プローブは、先端部の慣性モーメントに概ね等しい慣性モーメントを有すると共に上記構造の対称性を保つように配置される少なくとも１つの釣合わせ構成要素を呈する。
・少なくとも上記微小機械共振器及び上記原子間力顕微鏡法のための先端部は一体に形成することができる。
・有利には、上記微小機械共振器、上記原子間力顕微鏡法のための先端部、上記静電センサ及び上記静電アクチュエータは一体に形成することができる。
・少なくとも上記微小機械共振器及び原子間力顕微鏡法のための先端部はシリコンから形成することができる。
・上記微小機械共振器は、該微小機械共振器ための支持構造を構成するビームの端部に配置することができる。
本発明は、先行する請求項のいずれか一項に記載のプローブを備える原子間力顕微鏡も提供する。
【００２０】
本発明は、原子間力顕微鏡法の方法であって、該方法は、
上述したプローブを、原子力間顕微鏡法のための先端部が、画像を形成するための表面に接近させるステップと、
励起するために設けられる手段を用いることによって上記プローブの微小機械共振器の振動の体積モードを選択的に励起するステップであって、該振動の体積モードは或る共振周波数を呈する、励起するステップと、
上記画像を形成する表面と上記原子間力顕微鏡法のための先端部との間に作用する力によって引き起こされるような上記振動の体積モードの共振周波数の変化を検出するステップとを含む、原子間力顕微鏡法の方法も提供する。
【００２１】
本発明は、原子間力顕微鏡法の方法であって、該方法は、
上述したプローブの、原子力間顕微鏡法のための先端部を、画像を形成するための表面に接近させるステップと、
励起するために設けられる手段を用いることによって上記プローブの微小機械共振器の振動の体積モードを選択的に励起するステップであって、該振動の体積モードは或る共振周波数を呈する、励起するステップと、
上記画像を形成する表面と上記原子間力顕微鏡法のための先端部との間に作用する力によって引き起こされるような上記振動の体積モードの振幅における変化を検出するステップとを含む、原子間力顕微鏡法の方法も提供する。
【００２２】
特に、少なくとも上記画像を形成する表面及び上記原子間力顕微鏡法のための先端部は液状媒体に浸漬することができる。
【００２３】
本発明の他の特徴、詳細及び利点は、一例として与えられる添付の図面を参照しながら行なわれる説明を読むと明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】従来技術において知られているタイプの原子間力顕微鏡法のためのプローブを示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａのプローブの簡略化された機械モデルの図である。
【図１Ｃ】空気中及び水中の図１Ａのプローブの共振ピークを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるプローブの立面図である。
【図３】図２のプローブの共振器の楕円振動モードを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態におけるプローブの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１Ａは、原子間力顕微鏡法のための従来技術のプローブＳＭの典型的な構造を示す。そのようなプローブは基本的には、支持構造ＳＴＳから突出する固定端レバー又は「カンチレバー」ＣＬによって構成される。レバーＣＬの遠位端（すなわち、レバーＣＬの、支持構造ＳＴＳから離れている端部）の近くに、画像を形成するための表面ＳＩに向かって上記レバーの主面から突出する先端部がある。レーザビームＦＬＩがレバーＣＬに向けられ、レバーによって反射される。レバーの任意の撓みがあると、反射されるビームＦＬＲに偏向が生じ、その偏向を４象限光検出器によって検出することができる。
【００２６】
レバーＣＬは、フォトリソグラフィ法を用いて、概ねシリコンから形成され、それは、数十〜数百マイクロメートルの範囲にある幅、同じく数十マイクロメートルの幅、及び数マイクロメートルの厚みを有する。
【００２７】
レバーＣＬは撓みモードにおいて振動することができ、それにより先端部Ｐが表面ＳＩに向かう交互運動が規定される。それゆえ、それは、「質量」ＭＳＭ及びばね定数（又は剛性）ｋＣＬによって特徴付けられる、質量−ばねタイプの機械的振動子によってモデル化することができる。そのシステムの振動は、先端部Ｐと表面ＳＩとの間に作用する力の存在によって妨害される。この妨害は、それらの力の勾配によって与えられる剛性ｋＦＡを示す付加的なばねによってモデル化することができる。妨害の作用は、システムの共振周波数ｆ０を変更することであり、その共振周波数は、
【００２８】
【数１】
2010526284.tif 000003
【００２９】
から
【００３０】
【数２】
2010526284.tif 000004
【００３１】
に変わる。図１を参照しながら説明された光学的な方法によってレバーの振動周波数を測定することができ、その測定はｋＦＡを求めると共に、それゆえ、表面ＳＩについての情報を与えるのに役に立つ。
【００３２】
そのシステムをさらに詳細に研究することによって、係数ｆ０．Ｑ／ｋＣＬが大きくなるのに応じて、力の勾配に対するシステム感度が高くなることを示すことができる。ただし、Ｑは振動子の品質係数である。結果として、一般的に、共振周波数ｆ０及び品質係数Ｑを最大にすることが望ましい。
【００３３】
具体的には、従来技術のプローブは、３００キロヘルツ（ｋＨｚ）ほどの高さの場合がる共振周波数、及び５００ほどの高さの場合がある空気中の品質係数を示し、その結果として、感度が１００ピコニュートン（ｐＮ）程度になる。それを越えると、システムに固有の限界に直面する。
【００３４】
共振周波数を高めるために、レバーＣＬの長さを短くする必要がある。しかしながら、それによりプローブを製造するのが難しくなり、特に先端部Ｐの位置決めに関して、同様に、その振動の励起及び検出に関して困難が生じる。さらに、電子フォトリソグラフィ技法が用いられる必要があるので、レバーの寸法を低減するのが難しくなり、それによりコストが増大する。
【００３５】
さらに、品質係数Ｑを高めることが望ましいであろう。レバーが支持構造に接続される場合に、レバーの全幅にわたって必然的に生じるエネルギー損失によって、このパラメータが制限されることがわかっている。
【００３６】
生物学的構造、たとえば、酵素を観測できるようにするために多くの場合に必要とされるように、図１Ａのプローブが水又は有機溶剤のような液体に浸漬されるときに、そのプローブの性能は大きく劣化する。液体の粘度、及び流体力学的なドラッグ効果によって引き起こされるエネルギーの散逸によって、共振周波数が小さくなり、そして特に品質係数が小さくなる。
【００３７】
一例として、長さＬ＝２１１μｍ、幅ｗ＝３０μｍ及び厚みｔ＝２．２μｍを呈し、１００ナノメートル（ｎｍ）の窒化シリコンに封入される、多結晶シリコンレバーについて考える。図１Ｃは、空気中（曲線ＲＡ）及び水中（曲線ＲＥ）のこのレバーの共振ピークを示す。共振周波数が、空気中の値ｆ０Ａ＝６６ｋＨｚから、水中の値ｆ０Ｅ＝２３ｋＨｚに変わること、そして同時に、品質係数Ｑが値１３９から値３に減少することを観測することができる。全体的に見て、プローブの感度が依存する係数ｆ０．Ｑ／ｋＣＬは、空気から水に移ると、１３３分の１に減少する。
【００３８】
本発明が基にする着想は、撓む際にカンチレバーが振動するという原理を捨てると共に、代わりに、体積モードにおいて振動する微小機械共振器を使用することにある。そのような共振器は種々の形を呈することができるが、通常は、その外形に沿って配置される１つ又は複数の点を介して支持構造に固定されるリング又はディスクによって構成される。
【００３９】
「体積モード」は、自身の中立素分（neutral fiber）の平面（複数可）に対して対称的である共振形状（共振周波数において振動する共振器によって変形される）によって特徴付けられる振動モードであると定義することができる。たとえば、それは、撓みモードとは対照的な圧縮モード、又はそのような対称性を呈しない捩りモードとすることができる。
【００４０】
体積モードの使用は、いくつかの点において好都合である。
【００４１】
第一に、所与の構造の場合に、体積モードに関連付けられるばね定数ｋは、撓みモードに関連付けられる定数よりもはるかに高い。それゆえ、共振周波数も高くなり、ＭＨｚ、又はさらにはＧＨｚに達する場合があり、その場合でも共振器の寸法を過度に小さくする必要はない。
【００４２】
高い共振周波数を使用することは、プローブの感度の観点から好都合であるだけでなく、良好な時間分解能を得ることができるようになると共に、それにより、動的な現象をリアルタイムに観測できるようになるので好都合である。たとえば、数ＭＨｚの共振周波数によって、１マイクロ秒（μｓ）程度の時間分解能を達成できるようになる。偶然にも、生物物理学において対象となる数多くの現象がこの時間スケールにおいて生じる。
【００４３】
さらに、高い周波数において先端部が振動することによって、細胞膜のような「軟らかい」物体を探針できるようになり、これは、従来技術において知られている原子間力顕微鏡では一般的に不可能である。その粘弾性効果の結果として、そのような物体は、十分に速い速度で動いている先端部に対して硬いように見える。
【００４４】
体積モードを用いる別の利点は、いくつかのそのようなモードが、共振器の外形の周囲に節点、すなわち動きのない点を与えることである。こうして、共振器は、その節点を介して支持構造に固定することができ、それにより、固定端カンチレバーの撓みでは相対的に大きい、機械的なエネルギー損失を最小限に抑える効果がある。この結果として、品質係数Ｑが大きくなる。
【００４５】
しかしながら、振動の体積モードを用いることから生じる最も大きな利点は、液状媒体内で用いられるときに、流体力学的損失が減少することである。微小機械共振器が平面構造を呈するときに、その平面変形モード、すなわち、共振器の平面内の大部分に関して動きが生じる振動モードを利用することができる。このようにして、流体力学的な力が、典型的にはマイクロメートル単位の厚みを呈する、共振器の端面に基本的に作用する。
【００４６】
原子間力顕微鏡法のためのプローブを形成するように適合することができる、振動の体積モードを呈する微小機械共振器が、主に電気通信分野の電気機械フィルタとして用いるために、当該技術分野において知られている。一例として、以下の論文を挙げることができる。
・J. Wang、Z. Ren及びC. T-C. Nguyen著「1.156-GHz self-aligned vibrating micromechanical disk resonator」（IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 51, No. 12, pp. 1607-1628, December 2004）
・Y. Xie、S. S. Li、Z. Ren及びC. T-C. Nguyen著「UHF micromechanical extensional wine-glass mode ring resonators」（Technical Digest 2003, 2003 IEEE International Electron Devices Meeting, Washington D. C. (United States), December 8-10, 2003, pp. 953-956）、並びに
・Z. Hao, S. Pourkamali及びF. Ayazi著「VHF single-crystal silicon elliptic bulk-mode capacitive disk resonators - part I: Design and Modeling」（Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 6, December 2004, pp. 1043-1053）。
【００４７】
図２は、本発明の第１の実施形態における原子間力顕微鏡法のためのプローブを示す。プローブＳＭ’は、外径Ｒｅｘ＝４０μｍ及び内径Ｒｉｎ＝３０μｍを呈する円形リングの形の微小機械共振器ＲＭＭに基づく。その共振器は、楕円タイプと言われる平面変形モードを呈する。図３は、その平衡状態にある場合（破線）を示し、及び上記体積モードにおける振動の最大振幅に対応する変形状態にある場合（実線で描かれる）のリングＲＭＭも示す。５μｍの厚みを呈する多結晶シリコンから形成されるこの共振器の場合、楕円モードにおける共振周波数は７．３ＭＨｚであり、真空中のＱ値は１０００である。その振動は典型的には、３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の波腹点において或る振幅を呈することができる。
【００４８】
図３は、リングＲＭＭの楕円振動モードが、その外形Ｃの周囲に規則的に分布する４つの節点ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３及びＰＮ４と、外形Ｃに周囲に同様に規則的に分布すると共に、その節点から４５°だけオフセットされる４つの波腹点ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３及びＰＶ４とを呈することを示す。
【００４９】
節点は、動きが０であり、４つのビームＬＦ１、ＬＦ２、ＬＦ３及びＬＦ４によって、レバーの形で支持構造ＳＴＳに共振器ＲＭＭを固定するために用いられる。節点において固定することは、機械的なエネルギー損失を制限するのに役に立つ。
【００５０】
２つの先端部Ｐ１及びＰ２は、直径方向に正反対に位置する２つの波腹点ＰＶ１及びＰＶ２に一致するように配置される。先端部のうちの一方Ｐ１は、画像を形成されるべき表面ＳＩを探針するためのものであるのに対して、他方の先端部は、用いられる振動モードに関して対称である構造を形成するための役割を果たす。楕円モードが励起されるとき、先端部Ｐ１は、径方向において往復運動を実行し、それにより、先端部Ｐ１は表面ＳＩに向かって動いたり、離れたりする。そのような条件下で、先端部と表面との間の相互作用の力が、共振器の共振周波数及び品質係数を変更する。これにより、第一に、従来技術において知られているＡＦＭプローブと同じようにして表面を特徴付けることができるようになり、第二に、先端部と表面との間の相互作用によって引き起こされる共振器の付加的な散逸を測定できるようになる。
【００５１】
楕円モードを励起するために、共振器ＲＭＭの外形Ｃ上の点に対して、そして好ましくは波腹点に対して、径方向に働く力を加える必要がある。図２の実施形態では、楕円振動モードを選択的に励起する手段が、典型的には１μｍ〜２００μｍの範囲にある幅を有し、リングＲＭＭの外側に配置され、波腹点ＰＶ３に面し、該リングの外形Ｃから間隙ＥＳ１だけ離隔して配置される円弧状の電極ＥＬ１の形で設けられる。楕円モードの共振周波数に対応する周波数の交流信号が電極ＥＬ１に加えられるとき、その楕円モードが静電効果によって選択的に励起される。微小機械システムにおいて静電的な作動タイプを使用することが知られており、たとえば、アドレスhttp://www.bibsciences.org/bibsup/j3ea/ full_HS/vol2_HS2/2/pdf/J3EAvol2_HS2_2.pdfにおいてインターネット上でアクセスすることができる、H. Camon、J. Y Fourniols、S. Muratet及びB. Estibalsによる論文「Microsystemes a actionnement electrostatique: conception, modelisation et caracterisation [ Electrostatically-actuated microsystems: design, modeling and characterization]」（J3eA, Journal sur l’enseignement des sciences et technologies de l’information et des systemes, vol. 2, Hors-Serie 2, 2(2003)）を参照されたい。
【００５２】
励起電極ＥＬ１に対して対称に配置される第２の電極ＥＬ２を用いることによって、静電容量によって振動を検出することができる。電極ＥＬ２と共振器ＲＭＭとの間に一定の電位差がかけられるとき、共振器の振動によって、間隙ＥＳ２の幅が変化し、それによりシステムの静電容量が変化し、それゆえ交流信号が生成される。
【００５３】
振動を励起及び検出する手段を含む、本発明のプローブＳＭ’は、全体として一部品で、又は「モノリシック」の形で形成することができること、及びこれは単に従来のリソグラフィ技法を用いることによって果たすことができることに留意することが重要である。これは、従来技術に比べて、本発明の別の利点を構成する。
【００５４】
数多くの変形実施形態が可能である。
【００５５】
微小機械共振器ＲＭＭは、０．１μｍ〜２００μｍの範囲にある外径Ｒｅｘと、或る幅とを有するリングの形をとることができ、その幅は、十分な機械的強度を得る必要性、及びリソグラフィを用いる製造方法に特有の技術的限界（現在は８ｎｍ程度）の両方に依存する。また、共振器はディスクの形をとることもできる。これは一般的に、環状共振器を用いる場合よりも高い共振周波数を生成する。たとえば、おそらく角が丸み帯びている多角形のプレートの形をとる共振器を用いることも考えることができるので、その形状が円形であることは不可欠ではない。同様に、楕円モードは単に、数ある中から選択することができる１つの取り得るモードにすぎない。上記で挙げられた論文は、本発明を実施するために用いることができる共振器の例を提供する。
【００５６】
共振器ＲＭＭの厚みは、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲にあることができ、０．０５μｍ〜５μｍの範囲にあることが好ましい。液状媒体内に用いられることになる共振器の場合、その厚みは薄いほうが好ましい。
【００５７】
真空中では、用いられる体積モードの共振周波数は、１０ＭＨ〜２０ＧＨＺの範囲にあることができ、好ましくは５０ＭＨｚ〜２ＧＨＺの範囲にあり、Ｑ値は１０３〜１０５の範囲にある（好ましくは５×１０３〜５×１０４の範囲にある）。水中では、共振周波数は、５ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲内にあることができ、Ｑ値は１０２〜５×１０４の範囲にある（１０３〜１０４の範囲にあることが好ましい）。
【００５８】
共振器ＲＭＭの振動を励起及び検出するのに静電的な技法を用いるのは特に好都合であるが、特殊な状況、たとえば、圧電層を用いる状況では、他の方法が好ましい場合がある。
【００５９】
図２の例では、共振器は、節点のそれぞれと一致する固定手段ＬＦ１〜ＬＦ４を呈する。エネルギー損失を最小限に抑えるために、さらに少ない数の固定手段を用いることも考えることができる。その極限では、単一の固定点だけで十分である場合もある。
【００６０】
共振器は、その外形を介して支持構造に固定されるとは限らない。たとえば、J. Wang等による上記で言及された論文は、その中央において支持される共振器の一例を示す。
【００６１】
直径方向に正反対に位置する２つの先端部Ｐ１及びＰ２を用いることは不可欠ではない。その目的は単に、構造の対称性を該構造の慣性モーメントに関して保つことであり、それゆえ、その節点及び波腹点を、より容易に求めることができるようにすることである。１つの変形形態では、先端部の形をとらない構造を釣り合わせる手段、すなわち釣合い重りを用いることができる。共振器の外形Ｃの周囲に均等に分布する複数の先端部又は釣合い重りを用いることもできる。単一の先端部Ｐ１を設けて釣合い重りを設けないことも可能であり、それにより、対称な構造ではない共振器で済ませることもできる。
【００６２】
最後に、先端部（複数可）が共振器の平面内にあり、その外形から突出することは不可欠ではない。図４は、先端部Ｐ１’及びＰ２’が共振器の平面に対して垂直に延在するプローブＳＭ’’の一例を示す。その共振器は、先端部Ｐ１’が表面ＳＩと相互作用できるようにわずかに傾けられる。そのような状況下で、先端部Ｐ’１の動きは表面ＳＩに対して概ね平行であることに留意されたい。こうして、プローブは図２の例とは異なるように動作する。これは剪断モードと呼ぶことができ、K. Karrai等による論文「Piezoelectric tip-sample distance control for near field optical microscopes」（Applied Physics Letters, April 3, 1995, Vol. 66, No 14, pp. 1842-1844）において記述される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月4日(2010.1.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
レバーＣＬは、フォトリソグラフィ法を用いて、概ねシリコンから形成され、それは、数十〜数百マイクロメートルの範囲にある長さ、同じく数十マイクロメートルの幅、及び数マイクロメートルの厚みを有する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
真空中では、用いられる体積モードの共振周波数は、１０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲にあることができ、好ましくは５０ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲にあり、Ｑ値は１０３〜１０５の範囲にある（好ましくは５×１０３〜５×１０４の範囲にある）。水中では、共振周波数は、５ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲内にあることができ、Ｑ値は１０２〜５×１０４の範囲にある（１０３〜１０４の範囲にあることが好ましい）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ｃ】
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【国際調査報告】
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