(57)【要約】【課題】  走査すべき試料の領域に対して位置合わせするのを容易にし、プローブを試料の表面に安全且つ迅速に接近させるのを容易にし、そして試料の速い走査を容易にする。【解決手段】  振動子を或る周波数範囲にわたって動作させ、電流の振幅を周波数範囲にわたって決定し、或る周波数を電流対周波数曲線から選択し、光学顕微鏡を用いて振動子に接続されたプローブを走査されるべき試料表面の領域に対して位置決めし、振動子がプローブを振動させるにつれてプローブを試料に向けて移動させる。更に、振動しているプローブが試料のほぼ１００ナノメートル内へ移動されたとき、振動子により生成された音響周波数を検出し、プローブが試料の近傍に移動されたとき原子間力相互作用を検出し、プローブが試料の近傍にあることが検出された後で試料を走査する。【選択図】  図１１
2005140782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面の像を形成する走査型プローブ顕微鏡であって、
信号を生成する振動子を有するセンサと、
前記センサに接続されたプローブと、
前記センサに取り付けられた前記プローブの位置を見る光学顕微鏡と、
前記プローブを前記試料に対して走査する手段と、
前記センサに接続され、前記センサにより生成された信号をモニタリングするセンサ電極と、
前記センサ電極により生成された信号に応答して、前記プローブを前記試料の表面に向けて又はそれから離れるよう移動させる手段と
を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記振動子が共振結晶振動子である請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記共振結晶振動子が水晶交差振動子である請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記共振結晶振動子が自励型である請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記水晶交差振動子が自励型である請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
外部変調器が前記共振結晶振動子の近傍に設けられ、
前記変調器を駆動するため励振信号を供給する励振回路を更に備える
請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
外部変調器が前記水晶交差振動子の近傍に設けられ、
前記変調器を駆動するため励振信号を供給する励振回路を更に備える
請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記走査型プローブ顕微鏡が、磁力顕微鏡モード及び静電力顕微鏡モードから選択されたモードで動作可能であり、
前記センサにより生成された信号を用いて、磁気性質及び静電気性質の特性の中からそれぞれ選択された試料の特性を決定する
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
迅速なプローブ交換を容易にする前記センサ用ホルダを更に備える請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記振動子が実質的にその共振周波数で動作される請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記共振周波数が４００ｋＨｚより大きい請求項１０記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記振動子が、前記プローブを試料の表面に対してほぼ平行に振動させることにより剪断力モードで動作する請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
カンチレバーを更に備え、
前記プローブが、前記カンチレバーに取り付けられ、
前記カンチレバーが、次いで前記センサに取り付けられて、前記プローブを前記センサへ接続する
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
プローブを試料に対して走査する前記手段が、第１の電気機械トランスデューサ及び第２の電気機械トランスデューサを備え、
前記第１の電気機械トランスデューサが第１の共振周波数を有し、
前記第２の電気機械トランスデューサが、第１の共振周波数より実質的に低い第２の共振周波数を有し、
センサ電極により生成された信号に応答して前記プローブを前記試料の表面に向けて又はそれから離れるよう移動させる前記手段が、第１の共振周波数より実質的に高い第３の共振周波数を有する第３の電気機械トランスデューサを備える
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
第１の電気機械トランスデューサが、Ｘ方向に走査し、且つ共振周波数Ｒ（Ｘ）を有し、
第２の電気機械トランスデューサが、Ｙ方向に走査し、且つ共振周波数Ｒ（Ｙ）を有し、
第３の電気機械トランスデューサが、Ｚ方向に走査し、且つ共振周波数Ｒ（Ｚ）を有し、
Ｒ（Ｚ）>>Ｒ（Ｘ）>>Ｒ（Ｙ）である
請求項１４記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記電気機械トランスデューサが圧電セラミック・アクチュエータである請求項１５記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
第１の電気機械トランスデューサが音声コイルであり、
第２及び第３の電気機械トランスデューサが圧電セラミック・アクチュエータである
請求項１５記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
センサ電極により生成された信号に応答して前記プローブを前記試料の表面に向けて又はそれから離れるよう移動させる前記手段が、
第１の制御信号を生成する第１のフィードバック・ループと、
第１の共振周波数を有する第１の電気機械トランスデューサと、
第２の制御信号を生成する第２のフィードバック・ループと、
第２の共振周波数を有する第２の電気機械トランスデューサとを備え、
第１の共振周波数が第２の共振周波数より低い
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
第１の電気機械トランスデューサを用いて、前記試料の表面に関して前記センサをレベル調整し、それにより第２の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動の範囲が小さい請求項１８記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２０】
第１及び第２の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動が、第３の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動に対して直交しており、それにより第３の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動の範囲が小さい請求項１４記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２１】
試料の表面の像を形成する走査型プローブ顕微鏡であって、
信号を生成する振動子を有するセンサと、
前記センサに接続されたプローブと、
前記プローブを前記試料に対して走査する手段とを備え、
前記走査する手段が、第１の電気機械トランスデューサ及び第２の電気機械トランスデューサを有し、
第１の電気機械トランスデューサが第１の共振周波数を有し、第２の電気機械トランスデューサが第１の共振周波数より実質的に低い第２の共振周波数を有し、
前記センサに接続され、前記センサにより生成された信号をモニタリングするセンサ電極と、
前記センサ電極により生成された信号に応答して、前記プローブを前記試料の表面に向けて又はそれから離れるよう移動させる手段とを更に備え、
前記移動させる手段が、第１の共振周波数より実質的に高い第３の共振周波数を有する、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２２】
第１の電気機械トランスデューサが、Ｘ方向に走査し、且つ共振周波数Ｒ（Ｘ）を有し、
第２の電気機械トランスデューサが、Ｙ方向に走査し、且つ共振周波数Ｒ（Ｙ）を有し、
第３の電気機械トランスデューサが、Ｚ方向に走査し、且つ共振周波数Ｒ（Ｚ）を有し、
Ｒ（Ｚ）>>Ｒ（Ｘ）>>Ｒ（Ｙ）である
請求項２１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２３】
前記電気機械トランスデューサが圧電セラミック・アクチュエータである請求項２１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２４】
第１の電気機械トランスデューサが音声コイルであり、
第２及び第３の電気機械トランスデューサが圧電セラミック・アクチュエータである
請求項２１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２５】
第１及び第２の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動が、第３の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動に対して直交しており、それにより第３の電気機械トランスデューサが前記プローブに与える運動の範囲が小さい請求項２１記載の査型プローブ顕微鏡。
【請求項２６】
前記センサに取り付けられた前記プローブの位置を見る光学顕微鏡を更に備える請求項２１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２７】
走査型プローブ顕微鏡を動作させて試料の表面の走査を開始する方法であって、
振動子を備えるセンサを設けるステップと、
前記振動子を或る周波数範囲にわたって動作させるステップと、
電流の振幅を前記周波数範囲にわたって決定するステップと、
或る周波数を電流対周波数曲線から選択するステップと、
光学顕微鏡を用いて、前記振動子に接続されたプローブを、走査されるべき試料表面の領域に対して位置決めするステップと、
前記振動子が前記プローブを振動させるにつれて、前記プローブを前記試料に向けて移動させるステップと、
前記の振動しているプローブが前記試料のほぼ１００ナノメートル内へ移動されたとき、前記振動子により生成された音響周波数を検出するステップと、
前記プローブが前記試料の近傍に移動されたとき原子間力相互作用を検出するステップと、
前記プローブが前記試料の近傍にあることが検出された後で前記試料を走査するステップと
を備える方法。
【請求項２８】
前記振動子が動作される周波数が、走査のため用いる周波数と異なる請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記プローブがラスタ走査中に再トレースの際前記表面に追随しないように前記プローブを持ち上げるステップを更に備える請求項２７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、振動走査型プローブ顕微鏡に関する。詳細には、本発明の一実施形態は、振動走査型プローブ顕微鏡システム、及び試料の高速走査のための方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
参考文献
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１１）Pohl：米国特許Ｎｏ．４，８５１，６７１
１２）Karrai：米国特許Ｎｏ．５，６４１，８９６
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１８）Schnell他：米国特許Ｎｏ．４，３５９，８９２
１９）Poirier：米国特許Ｎｏ．５，５７４，２７８
２０）Edwards他：米国特許Ｎｏ．６，０９４，９７１
２１）M.Weinmann、R.Radius、F.Assmus及びW.Engelhardt：センサ及びアクチュエータ（Sensors and Actuators）、A、Vol.37, No.38、１９９３年、７１５−７２２頁
２２）G.M.McClelland、R.Erlandsson及びS.Chiang：原子間力顕微鏡：一般原理及び新しい実現方法（Atomic Force Microscopy: General Principles and a New Implementation）、IBM Tech. Disc. Bull., Vol.30, No.6、１９８７年１１月、３４３頁以下参照
２３）F.J.Giessibl：水晶音叉を利用した、力顕微鏡及びプロフィロメトリのための高速の力センサ（High-Speed Force Sensor for Force Microscopy and Profilometry Utilizing a Quartz Tuning Fork）、Appl. Phys., Lett. Vol.73, No.26、１９９８年１２月２６日、３９５６−３９５８頁
２４）A.Simon、R.brunner、J.O.White、O.Hollricher及びO.Marti：近視野走査型光学顕微鏡に対するメガヘルツ周波数での剪断力距離制御（Shear-Force Distance Control at Megahertz Frequencies for Near-Field Scanning Optical Microscopy）、Rev. Sci. Inst, Vol.72, No.11、２００１年１１月、４１７８−４１８２頁
２５）Y.Seo、J.H.Park、J.B.Moon及びW.Jhe：高周波数ディザイリング・プローブを用いた高速走査型剪断力顕微鏡（Fast-Scanning Shear-Force Microscopy Using a High-Frequency Dithering Probe）、Appl. Phys., Lett. Vol.77, No.26、１９９８年１２月２５日、４２７４−４２７６頁
２６）Schnell他：米国特許Ｎｏ．４，３５９，８９２。
【０００３】
従来技術の説明
伝統的な顕微鏡は、光子又は電子のような電磁放射を物体の表面上に焦点合わせすることにより物体の拡大された像を生成する。光学顕微鏡及び電子顕微鏡は、光学顕微鏡の場合に１０００×程度の倍率で、また電子顕微鏡の場合には１００，０００×程度の倍率で、物体の表面の２次元の拡大した像を容易に発生することができる。強力な像形成道具であるにも拘わらず、得られた像は、典型的には、物体の表面に平行な平面にある。そのような顕微鏡は、非平面の物体表面の垂直寸法、例えば、表面の形体（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の高さ及び深さを容易に提供しない。
【０００４】
１９８０年代に開発された走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、尖ったプローブを用いて、物体の表面を拡大する。走査型プローブ顕微鏡により、物体の表面のトポグラフィーを、１，０００，０００×程度の非常に高い倍率で像形成することができる。走査型プローブ顕微鏡の拡大は、３次元、即ち、デカルト座標系でＸ−Ｙ平面及び垂直のＺ次元で得られる。Binnig及びRohere（１）、即ち、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の発明者が確認したように、この強力な技術の起源は、スタイラス・プロファイラ（ｓｔｙｌｕｓ  ｐｒｏｆｉｌｅｒ）にある。
【０００５】
より詳細に考えると、物体の垂直表面の形体（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の拡大、即ち、物体の表面から垂直方向に延在するそれらの非線形の形体は、歴史的に、スタイラス・プロファイラにより測定されてきた。初期のスタイラス・プロファイラの一例が図１に示されている。Ｓｈｍａｌｚ（２）により１９２９年に発明されたこのスタイラス・プロファイラは、光学的レバー・アームを利用して、カンチレバーの端部に取り付けられた尖ったプローブの動きをモニターする。表面の拡大されたプロフィールは、プローブの動きを感光紙上に記録することにより生成される。この種の「顕微鏡」は、１０００×より大きい倍率でプロフィール「像」を生成した。
【０００６】
スタイラス・プロファイラの共通の問題は、物体の表面の形体との衝突からプローブが曲がる可能性があることである。そのような「プローブの曲がり」は、プローブが表面上の比較的大きな形体に遭遇したとき起きるプローブ上への水平力の結果である。この問題は、最初、Ｂｅｃｋｅｒ（３）により１９５０年に、そして後にＬｅｅ（４）により対処された。Ｂｅｃｋｅｒ及びＬｅｅの両方は、物体の表面より上のヌル位置からプローブを振動させてから表面に接触させることを提案した。Ｂｅｃｋｅｒは、物体の表面の像を形成するため振動しているスタイラスを用いたプロフィール生成方法を用いるとき、像の詳細はプローブの鋭さに依存することに言及した。
【０００７】
Ｙｏｕｎｇ（５）は、非接触タイプのスタイラス・プロファイラを実証した。トポグラファイナー（Ｔｏｐｏｇｒａｆｉｎｅｒ）と呼ばれる彼のプロファイラでは、Ｙｏｕｎｇは、尖った金属プローブと物体の表面との間の電子電界放出電流が導電性物体に関してプローブ−試料距離に非常に依存することを用いた。トポグラファイナーでは、プローブは、そのプローブを表面より上で垂直方向に移動させるため用いられる圧電セラミック上に直接取り付けられた。電子フィードバック回路が、電子電界放出をモニターし、そしてプローブ−試料間隙を固定した状態に維持するよう圧電セラミックを駆動するため用いられる電流を印加した。また、圧電セラミックを用いて、プローブは、表面から固定の間隙で水平（Ｘ−Ｙ）平面で走査された。プローブのＸ−Ｙ及びＺ位置をモニタリングすることにより、物体の表面の３次元像が構成された。Ｙｏｕｎｇの計測器の分解能は、トポグラファイナーの振動により制限された。
【０００８】
Ｂｉｎｎｉｇ及びＲｏｈｒｅｒは、Ｙｏｕｎｇのトポグラファイナーに非常に似た計測器の振動を制御することにより、尖ったプローブと試料との間の電子トンネル電流をモニタリングすることが可能となった。電子トンネル電流は電子電界放出より遙かに敏感であるので、プローブは、物体の表面に非常に近接して走査することができた。その結果は驚くべきものであった。Ｂｉｎｎｉｇ及びＲｏｈｒｅｒは、ＳＴＭを用いて、試料の表面の個々の珪素原子の像を形成することができた。ＳＴＭが科学研究にとって基本的進歩と考えられたにも拘わらず、それは、試料が導電性であることが必要であったので、適用を制限した。
【０００９】
導電性試料の像を形成するための走査トンネル顕微鏡の発明の前に、試料の表面上で一定の力を維持するためフィードバック・システムを用いたスタイラス・プロファイラが、Ｓｃｈｎｅｌｌ他（１８）により開示された。Ｓｃｈｎｅｌｌのデバイスでは、Ｓｃｈｎｅｌｌは、センサを用い、且つフィードバック電子回路を用いて、物体の表面上のプローブの力を測定した。彼は、圧電材料を用いて、プローブを表面の上方で上下に移動させて、当該力を一定に維持することができた。このデバイスを用いて、走査しながら、試料上で一定の力を維持することが可能となり、非導電性試料及び柔らかい試料の像を形成することができるようになった。
【００１０】
Ｂｉｎｎｉｇ及びＱｕａｔｅ（７）が原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を実証したとき主要な改善が生じた。超小型のプローブ・チップをカンチレバーの端部に用いて、ＡＦＭは、極端に高い空間的分解能を達成した。最初に、カンチレバーの動きは、カンチレバーのたわみを検知するため尖ったプローブを有するＳＴＭを用いてモニタリングした。しかしながら、Ｓｈｍａｌｚが最初に用いた光学システムに類似の「光レバー（ｌｉｇｈｔ  ｌｅｖｅｒ）」の設計をカンチレバーの動きを測定するため用いることができるであろうことを直ぐに知った。ＡＦＭについてのそれらの初期刊行物において、Ｂｉｎｎｉｇ及びＱｕａｔｅは、カンチレバー（又は試料）を走査するときカンチレバーを表面より上で振動させることによりＡＦＭの感度を改善することができるであろうことを提案した。
【００１１】
ＡＦＭにおいてカンチレバーを振動させる技術の最初の実証は、Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ（８）によってであった。彼のデバイスでは、Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅは、光学干渉計を用いて、カンチレバーの振動の振幅又は位相の変化を測定し、プローブと試料との間の力を調整した。この光学的技術を用いて、０．３ｎｍと３００ｎｍとの間の振動振幅を達成した。プローブが試料の表面と各振動で密接に接触するようになるので、Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅは表面上の材料の特性を検知することができた。フォトレジストとシリコンとの差を容易に観察することができた。
【００１２】
光レバー測定技術は、ＡＦＭにおけるカンチレバーのたわみを測定するのに適している。しかしながら、光レバーは、顕微鏡のカンチレバーに関してレーザ・ビームのような光源を正確に位置合わせすることが必要なので用いることが難しい場合がある。
【００１３】
プローブと試料との間の力を測定するための光レバーの代替は、Ｐｏｈｌ（１１）により最初に提案された振動する水晶を用いることである。更に、Ｄｒａｎｓｆｅｌｄ（１３）は、振動する水晶を用いて、振動する水晶と試料の表面との間の音波を測定することができることを実証した。しかしながら、音波は、プローブが表面から５〜６マイクロメートルより大きいことを必要とする。Ｋａｒｒａｉ（１２）は、音叉水晶を用いて、近視野走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）において光ファイバと試料との間の間隙を制御することができることを実証した。後にＤｕｎｃａｎ（１５）（２０）は、針を音叉水晶に直接取り付けることができ、プローブが試料の表面に対して垂直に振動することを示した。しかしながら、Ｄｕｎｃａｎのデバイスは、プローブが試料に「タップを立てる（ｔａｐ）」ことを必要とし、従って尖ったプローブを壊す危険があった。
【００１４】
Ｗｅｓｔ（１４）は、音叉をカンチレバーと共に用いて、プローブを「非接触」モードで振動させて、原子的段丘（ａｔｏｍｉｃ  ｔｅｒｒａｃｅｓ）の像を形成することが可能であることを示した。より最近、Ｇｉｅｓｓｉｂｌ（２３）は、試料の表面に対して垂直に振動する水晶を用いて、原子解像度を達成することができることを実証した。
【００１５】
前述した力センサに加えて、市販の原子間力顕微鏡は、動作に必要である幾つかの構成要素を有する。これらは、走査の初期化の前に走査すべき試料の領域を選択するためプローブを試料に対して移動させるＸ，Ｙ，Ｚトランスレータ（移動装置）（ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）、及び試料の表面を走査している間にプローブ又は試料を正確に移動させる高解像度ｘ，ｙ，ｚスキャナを含む。走査する領域にわたりプローブを位置決めするのを助けるための光学顕微鏡は、必須ではないが、しかし非常に有用である。
【００１６】
より詳細に考慮した図２は、主サブシステムの相対的配置を示す原子間力顕微鏡のブロック図である。ＡＦＭは基台１を含み、その上にＸ−Ｙトランスレータ１及びＺトランスレータ３が取り付けられる。図２に示されるように、Ｚトランスレータ３は、第１のＺトランスレータ３Ａ及び第２のＺトランスレータ３Ｂを備え、それによりＡＦＭスキャナ４を試料ホルダ６上に配設された試料５に対して傾けることができる。プローブ７がカンチレバー８に取り付けられ、当該カンチレバー８がＡＦＭスキャナ４に取り付けられている。図２に示されるように、ＡＦＭスキャナ４は、ｘ，ｙ，ｚスキャナを収容して、プローブ７を走査し且つプローブ７と試料５との間に一定の力を維持する。代替として、ｘ，ｙ，ｚスキャナをＸ，Ｙ，Ｚトランスレータと関連付けることができる。カンチレバー８の端部を見るため光学顕微鏡９を含むことが好ましく、そのカンチレバー８の端部には、プローブ７がＡＦＭスキャナ４の開口９′を介して取り付けられて、それによりオペレータがプローブ７を像形成すべき試料の領域の上方に位置決めするのを可能にする。
【００１７】
走査プローブ型顕微鏡は、伝統的顕微鏡と比較して多くの利点を有するが、主要な欠点は、像を完成するため必要とされる時間量である。１つの問題は、プローブを試料の表面に近づけたり又はその逆を行うことがプローブが表面に衝突するのを避ける注意を必要とすることである。プローブの先端部を接近させる間にプローブを試料により損傷させないことを保証するため、「ウッドペッカー（ｗｏｏｄｐｅｃｋｅｒ）」型の接近が通常用いられる。その接近に従って、微細ｚ圧電セラミックがプローブを１０マイクロメートル移動させることができる場合、Ｚトランスレータ・モータを用いて、プローブを２マイクロメートル移動させる。モータが２マイクロメートル・ステップを移動させた後で、ｚ圧電セラミックを延伸させて、表面を検出したかどうかを見る。この手順が何度も何度も繰り返される。従って、その技術は、表面へ数ミリメートル移動するのに５〜６分かかる。
【００１８】
また、走査プローブ型顕微鏡の走査速度を改善する試みが行われてきた。例えば、Ｑｕａｔｅは、表面を、ＳＴＭを用いて１秒以下で走査した。しかしながら、走査された範囲は、非常に小さく、そして商業的応用にとって有効でなかった。走査プローブ型顕微鏡の製造者は、より速い走査プローブ型顕微鏡を開発するため幾つかの試みを行った。しかしながら、市販製品は速い走査に要求される重要な問題を解決しなかったので、進歩が制限された。例えば、市販製品の圧電セラミック・スキャナは、走査中に生成される振動のため分離する場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従って、プローブの損傷の危険を避けながらプローブを試料の表面に対して迅速に位置決めするのを可能にする走査プローブ型顕微鏡を提供することが望ましいであろう。また、走査プローブ型顕微鏡において速い走査を提供することが望ましいであろう。更に、オペレータが像形成すべき試料の領域を容易に選択することが可能であることが望ましいであろう。
【００２０】
本発明の様々な実施形態に従った走査プローブ型顕微鏡は、プローブを、走査すべき試料の領域に対して位置合わせするのを容易にし、プローブを試料の表面に安全且つ迅速に接近させるのを容易にし、そして試料の速い走査を容易にする。
【００２１】
本発明の目的は、用いるのに容易であり、試料を非常に迅速に走査し、そして広範囲の応用を有する走査プローブ型顕微鏡を提供することにある。本発明の一実施形態は、革新的な検知及びフィードバック電子機器、ソフトウエア及び機械的サブシステムと組み合わさって、センサのため、結晶振動子、例えば、水晶交差振動子を用いる振動走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の一実施形態は、試料の表面の像を形成する走査型プローブ顕微鏡システムであって、信号を生成する振動子（ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を有するセンサと、前記センサに接続されたプローブと、前記センサに取り付けられた前記プローブの位置を見る光学顕微鏡と、前記プローブを前記試料に対して走査する手段と、前記センサに接続され、前記センサにより生成された信号をモニタリングするセンサ電極と、前記センサ電極により生成された信号に応答して、前記プローブを前記試料の表面に向けて又はそれから離れるよう移動させる手段とを備える走査型プローブ顕微鏡システムを提供する。
【００２３】
本発明の別の実施形態に従って、試料の表面の像を形成する走査型プローブ顕微鏡システムであって、信号を生成する振動子を有するセンサと、前記センサに接続されたプローブと、前記プローブを前記試料に対して走査する手段とを備え、前記走査する手段が第１の電気機械トランスデューサ及び第２の電気機械トランスデューサを有し、第１の電気機械トランスデューサが第１の共振周波数を有し、第２の電気機械トランスデューサが第１の共振周波数より実質的に低い第２の共振周波数を有し、前記走査型プローブ顕微鏡システムが、前記センサに接続され、前記センサにより生成された信号をモニタリングするセンサ電極と、前記センサ電極により生成された信号に応答して、前記プローブを前記試料の表面に向けて又はそれから離れるよう移動させる手段とを更に備え、前記移動させる手段が第１の共振周波数より実質的に高い第３の共振周波数を有する、前記走査型プローブ顕微鏡システムが提供される。
【００２４】
また、本発明に従った、走査型プローブ顕微鏡を動作させて試料の表面を走査することを開始する方法の一実施形態は、振動子を備えるセンサを設けるステップと、前記振動子を或る周波数範囲にわたって動作させるステップと、電流の振幅を前記周波数範囲にわたって決定するステップと、或る周波数を電流対周波数曲線から選択するステップと、光学顕微鏡を用いて、前記振動子に接続されたプローブを、走査される試料表面の領域に対して位置決めするステップと、前記振動子が前記プローブを振動させるにつれて前記プローブを前記試料に向けて移動させるステップと、前記の振動しているプローブが前記試料のほぼ１００ナノメートル内へ移動されたとき、前記振動子により生成された音響周波数を検出するステップと、前記プローブが前記試料の近傍に移動されたとき原子間力相互作用（ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を検出するステップと、前記プローブが前記試料の近傍にあることが検出された後で前記試料を走査するステップとを備える。上記方法は更に、前記プローブがラスタ走査中に再トレースの際（ｏｎ  ｒｅｔｒａｃｅ）前記表面に追随しないように前記プローブを持ち上げるステップを備えることが好ましい。
【００２５】
本発明の前述及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照して進める様々な実施形態の以下の詳細な説明から一層容易に明らかになるであろう。
本発明の様々な実施形態が、本発明の理解を容易にするため添付図面と関係して説明されるであろう。図面において、類似の参照番号は類似の構成要素を意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は特に、走査型プローブ顕微鏡に適用可能であり、そしてこの中で本発明の様々な実施形態が説明されるであろう。本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の様々な実施形態の一構成要素が、センサである。
【００２７】
振動子は、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の様々な実施形態におけるセンサとして用いられるのが好ましい。多数の振動子、例えば、バルク結晶（ｂｕｌｋ  ｃｒｙｓｔａｌ）、音叉、又は交差振動子（ｃｒｏｓｓ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が有る。
【００２８】
音叉及びバルク結晶のような多数の種類の結晶振動子があるが、この記載の残りの部分では、結晶交差振動子を一例として説明する。
本発明の一実施形態に従って、プローブ１０は、図３に示されるように、結晶交差振動子１４の細長いアーム１２の端部に隣接して取り付けられ得る。典型的には、石英（クウォーツ）が、この種類のセンサでの振動子材料として好ましい。しかしながら、機械的に活動化されたとき電気信号を生成する任意の種類の材料を用い得る。結晶交差振動子１４を構成し得る材料の他の例は、シリコン、並びに伝統的な圧電材料、例えばチタン酸鉛を含む。
【００２９】
図３に示されるように、プローブ１０は、アーム１２から試料（図示せず）に向けて下方に延在する。センサのため水晶交差振動子１４を用いた場合、このセンサにおけるプローブ１０の主たる運動は、図３に見える双頭の矢印により示されるように、走査されている試料の表面に対して水平であって、当該表面に対して垂直でなく、一般的に「剪断力」センサと呼ばれるものを提供する。剪断力センサは、プローブ１０が試料の表面に「タップを立て」ないで、そして表面との接触に起因して容易に壊れるという危険が無いという利点を有する。
【００３０】
水晶交差振動子１４のアーム１２に取り付けられたプローブ１０の幾つかの代替形態は、図４Ａに示されるように意図されている。例えば、プローブ１０は、アーム１２の遠端部の位置１８に取り付けられ得る。代替として、プローブ１０は、アーム１２の長手方向の面上で、例えば、図４Ａにまた示されるように、右舷面２０又は左舷面２２上に取り付けられ得る。
【００３１】
幾つかの技術が、水晶交差振動子１４のアーム１２の端部に近接してプローブ１０を取り付けるため採用され得る。例えば、プローブ１０は、交差振動子１４が製造された後で、プローブ１０をアーム１２に接着することにより、アーム１２に取り付けられ得る。又は、代替として、プローブ１０は、マイクロ製造プロセスによりアーム１２上に直接製作され得る。
【００３２】
図４Ｂに示される代替実施形態においては、カンチレバー２４が、水晶交差振動子１４のアーム１２の遠端部１８に取り付けられている。次いで、プローブ１０がカンチレバー２４に取り付けられる。
【００３３】
図３に示される双頭の矢印により示されるプローブ１０の運動又は振動は、迅速な走査方向、又は迅速な走査方向に対して垂直の方向であり得る。迅速な走査方向は一連の隣接点により定義され、その一連の隣接点において、例えば、力の測定値を得て、それにより像を構成する。なお、上記一連の隣接点は、試料を走査する領域を横切る線を形成する。一例として、迅速な走査方向は、デカルト座標系を参照してＸ軸に沿っている。緩慢な走査方向は、プローブ１０が試料の領域をラスター走査するため直交方向に移動されるので迅速な走査方向に対して垂直の方向として定義される。一例として、緩慢な走査方向は、デカルト座標系を参照してＹ軸に沿っている。
【００３４】
代替として、多少好適な実施形態においては、プローブ１０の動きが、試料の表面に対して垂直であり得る。そのような動きは、当業者に周知であるように、電極を水晶交差振動子１４上に配置し且つ電流を当該電極に供給することにより達成し得る。又は、振動子１４が金属又は絶縁体から構成される場合、交番電界を生成する外部装置を用いて、また当業者に周知のように、プローブ１０の振動運動を生成し得る。外部装置は、静電気力又は磁気電気結合力により動きを引き起こし得る。
【００３５】
交差振動子をセンサとして用いる顕著な利点は、プローブ１０が交差振動子１４のアーム１２の端部に近接して配置され、それによりオペレータが光学顕微鏡を介してプローブの位置を容易に視認することを可能にすることである。光学顕微鏡は、試料上の関心ある領域に対してプローブ１０を位置決めするため用いることができる。他の機能のための光学顕微鏡の使用は、この明細書の後の方でより明らかになるであろう。
【００３６】
更に、原子間力顕微鏡でセンサのため結晶振動子を用いることは更なる利点を有する。例えば、プローブ１０と試料との間を１００ｎｍ程の大きさの介在距離又は間隙で「音響」結合することから結果として生じる水晶交差振動子１４からの電気信号が存在する。音響結合の始まりが、音響周波数での振動の振幅のダンピングに起因して検出され、それにより試料に対するプローブ１０の近接さを１０ｎｍのオーダーのプローブ−試料距離内で検出し得る。次いで、プローブ１０から試料の表面までの距離が数ナノメートルまで低減されるとき、「近視野」ダンピングが「機械的」相互作用から起こり得る。これらの異なる相（ｒｅｇｉｍｅｓ）において交差振動子１４の振動の振幅のダンピングをモニタリングすることを用いて、Ｚトランスレータを制御して、表面へのプローブの衝突の危険を実質的に最小にしながら、プローブ１０を試料の表面の走査位置に迅速に移動させ得る。
【００３７】
プローブ１０は、走査型プローブ顕微鏡の走査機構に容易に取り付け得る。交差振動子１４を非常に小さくし得るので、当業者に周知であるように、振動子は、走査型プローブ顕微鏡の中に挿入することができる基板又はホルダーに装着されるのが好ましい。装着は、例えば、磁石又は機械的クリップを用いて達成し得る。また当業者に周知であるように、振動子／ホルダー組立体を走査型プローブ顕微鏡に固定状態に配置するための道具が必要なこともある。
【００３８】
本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の様々な実施形態の別の構成要素は、センサ電子装置である。センサ電子装置は、プローブ１０と走査されている試料（図示せず）の表面との間の距離を示す電気信号を生成するため設けられる。センサ電子装置は、結晶振動子、例えば、水晶交差振動子１４により生成された電気信号のａ）位相、ｂ）周波数、ｃ）振幅のうちのいずれかの変化を測定し得る。水晶交差振動子１４は、前述したように、自励振動型でもよく、また外部から振動させられてもよい。発振周波数は交差振動子の共振周波数であることが好ましい。センサ電子装置の回路例が、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示されている。
【００３９】
図５Ａに示されるように、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４からの電気信号は、演算増幅器３０により増幅され得て、そしてその増幅された信号は、位相検出器３２の入力に接続される。水晶交差振動子１４のための励振信号は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３４により供給される。ＶＣＯ３４の出力からの励振信号はまた、位相検出器３２の第２の入力に接続される。位相検出器３２は、振動子信号の位相がプローブ１０と試料との間の原子間力相互作用の結果として振動子信号の周波数の偏移を示すＶＣＯ出力信号の位相に対して変わるとき誤差信号を出力する。水晶交差振動子１４が実質的に振動子の共振周波数ｆＲで励振されることが好ましい。従って、位相検出器３２により生成された誤差信号は、原子間力相互作用に起因して共振周波数から離れる偏移に追従する。次いで、誤差信号は、ＶＣＯ３４に供給されて、ＶＣＯ３４により水晶交差振動子１４に供給された励振信号を調整して、水晶交差振動子１４の動作を振動子の共振周波数に又はその近くに維持するようフェーズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）を形成する。原子間力相互作用を示す位相／周波数誤差信号はまた、出力線３６に接続され、そして例えば、走査されている試料の表面の像を構成するよう処理される。
【００４０】
図５Ｂは、本発明の走査型プローブ顕微鏡の別の実施形態に従ったセンサ電子装置のブロック図である。図５Ａに示されるセンサ電子装置のケースにおけるように、位相／周波数誤差信号は、プローブ１０と試料との間の原子間力相互作用の結果として、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４の共振周波数から離れる偏移を追跡する。その上、周波数発生器３８は、水晶交差振動子１４の共振周波数ｆＲ近くの周波数範囲にわたる信号を供給する。周波数発生器３８を開始周波数ｆ０から終了周波数ｆｅまで掃引し且つ水晶交差振動子１４からの出力信号をモニタリングすることにより、振動子の共振周波数ｆＲを図６に示されるように決定することができる。典型的には、ソフトウエアが周波数の掃引を制御する。
【００４１】
試料を走査するとき、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４をその共振周波数ｆＲで又はその近くで動作させることは有利である。しかしながら、共振周波数から外れたところですら水晶交差振動子１４は動作するが、しかし外部の力に対する感度が減少させられる。図７は、水晶交差振動子１４を用いたとき、「接近」曲線に対する設定点周波数の影響を示す。最適の動作周波数はｆＲであることが明らかである。
【００４２】
センサ電子装置は、プローブ１０が試料の表面に接近するとき、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４により生成された信号の共振周波数の変化をモニタリングすることが好ましい。共振周波数の変化をモニタリングする方法は、共振システムの周波数を既知の周波数と比較する方法であり、ここでより詳細に説明する。
【００４３】
再び図５Ｂを参照すると、周波数発生器３８は、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４を励振する信号を提供し、それは、プローブ１０を動かし、そしてＶＣＯ信号の位相を元の周波数発生器信号のそれと比較する。位相検出器３２からＶＣＯ３４へのフィードバックにより、水晶交差振動子１４の応答速度が増大される。
【００４４】
他方、ＶＣＯ３４により生成された信号と周波数発生器３８により生成された元の信号とが同相である場合、プローブ１０は、試料の表面に向けて移動しつつある。他方、２つの信号が位相外れの状態にある場合、プローブ１０は、表面から離れるよう移動しつつある。従って、共振曲線の位相を決定することができる。そのような能力が、力／距離曲線から、又は磁力顕微鏡又は静電気力顕微鏡のようなモードから定量的情報を確立するため必要とされる。図８は、プローブ１０が硬い表面に向けて移動するときの周波数の関連した変化を示す。共振曲線は、プローブ１０がほぼ５マイクロメートルの距離から表面との接触間近まで移動されたとき実質的に変化する。図８から、プローブ接近のためそして走査のため用いられる設定点が共振曲線の左側で設定されるのが好ましいことが明らかである。
【００４５】
図５Ｃは、本発明の走査型プローブ顕微鏡の更に別の実施形態に従ったセンサ電子装置のブロック図である。図５Ｂに示されるセンサ電子装置のケースにおけるように、位相／周波数誤差信号は、プローブ１０と試料との間の原子間力相互作用の結果として、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４の共振周波数から離れるよう偏移を追跡する。その上、制御システム３９、好ましくは、ディジタル制御システムは、周波数発生器３８に接続されて、水晶交差振動子１４を励振する信号の振幅、位相及び周波数を制御する。
【００４６】
プローブ１０が試料の表面の一層近くへ移動するにつれ、振幅／周波数が偏移する。しかしながら、振幅／周波数の偏移が原子間力相互作用の増大に起因するのか又はその低減に起因するのかどうかを見分けることができない。振幅／周波数の変化は、どちらにしても引き起こされ得る。しかしながら、プローブ１０が周波数発生器３８により生成された新しい周波数において表面に向けて少量だけ一層近く移動され、且つ振幅／周波数の変化が測定される場合、振幅／周波数の変化の方向を決定することができ、従って、動きと振幅／周波数の変化との関係を決定することができる。
【００４７】
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示されるように、結晶振動子、例えば水晶振動子１４は、自励型である。代替として、外部変調器を結晶振動子に近接して設け、そして励振信号を供給して変調器を駆動して振動を振動子に与える励振回路を更に設ける変更が意図された。例えば、外部変調器は、ディザー（ｄｉｔｈｅｒ）圧電セラミックを備え得る。
【００４８】
試料の走査を、走査型プローブ顕微鏡、例えば原子間力顕微鏡を用いて開始することができる前に、プローブ１０が表面の形体と関連したナノスコピック力（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ  ｆｏｒｃｅ）と相互作用する試料の表面を基準とした或る距離まで移動させることが必要である。このプローブ「接近」は、従来の走査型プローブ顕微鏡では或る実質的な時間量を必要とし、従って走査型プローブ顕微鏡の有効性を低減する。
【００４９】
本発明の方法の一実施形態によれば、プローブ接近を開始する前に、そのプローブ接近のため最適な周波数設定点を選択することが好ましい。これは、周波数掃引曲線を発生し且つ周波数発生器３８のための周波数を選択することにより達成されることが好ましい。プローブ接近のため用いられる周波数が走査中の周波数とは異なり得ることが指摘されるべきである。
【００５０】
２つの技術を、プローブ接近の速度を改善するため採用し得る。最初に、図１１に示される参照番号５２により示されるように、光学顕微鏡を用いて、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４の頂部に、次いで、試料の表面に焦点を合わせる。次いで、水晶交差振動子１４のアーム１２の厚さが既知であるので、図１１に示される参照番号５４により示されるように、プローブ１０が表面から１００マイクロメートル以下になるまでプローブ１０をＺトランスレータにより表面に向けて迅速に移動させる。第２に、図１１に示される参照番号５６により示されるように、振動振幅をモニタリングしながら、プローブ１０を、制御された速度で表面に向けて進める。図１１に示される参照番号５８により示されるように、プローブ１０が表面からほぼ１００ｎｍになると、音響結合の始まりが、検出される。次いで、図１１に示される参照番号６０により示されるように、音響結合が観測されると、プローブ接近は、その速度を遅くされる。その後、図１１に示される参照番号６２により示されるように、プローブ１０が走査位置に近づくと、センサ電子装置は、原子相互作用力の始まりを検出する。
【００５１】
走査型プローブ顕微鏡が高い走査速度を有するため、結晶振動子、例えば水晶交差振動子１４、及び関連のセンサ電子装置の周波数が、高い、例えば、４００ｋＨｚより高いことが好ましい。一般的に、例えば、ＡＦＭ像のため獲得すべき各データ点に対して水晶交差振動子１４は少なくとも５回の振動があることが好ましい。走査型プローブ顕微鏡において、データ点間の最大距離は１．０ｎｍ以下であることが好ましい。２５６ラインを有し且つ１．０秒以下で走査される１０マイクロメートル×１０マイクロメートルの走査領域に対して、水晶交差振動子１４の最適共振周波数は、次のように計算され得る。
【００５２】
１０，０００ｎｍ／１ｎｍ＝１０，０００データ点
１／２５６秒＝０．０３９秒
従って、共振周波数はほぼ
１０，０００／０．００３９×５＝１２．８ＭＨｚ
である。
【００５３】
走査時間が３０．０秒まで増大することが許される場合、共振周波数はほぼ
１０，０００／０．１１７２×５＝４２６．６２１ｋＨｚ
である。
【００５４】
従って、水晶交差振動子１４の共振周波数が走査速度を増大するため４００ｋＨｚより大きい場合実質的な利点がある。例えば、図８に示されるように、水晶交差振動子１４の共振周波数は、ほぼ６２３ｋＨｚと６３４ｋＨｚとの間にあり得る。
【００５５】
図１１に示される参照番号６４により示されるように、走査型力顕微鏡、例えばＡＦＭが試料を非常に迅速に走査することができるように適合されねばならない幾つかの要件がある。最初に、試料を高速度で走査することは、信号をセンサ電子装置から受け取り、そしてプローブ１０が走査中に試料の表面の表面形体に衝突しない程十分迅速に電気機械トランスデューサを活動化させることができるフィードバック回路を必要とする。図９に示されるように、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の一実施形態は、試料４１の表面に対してプローブ１０の垂直の移動を制御するためのフィードバック回路４０を備える。フィードバック回路４０は、センサ、好ましくは水晶交差振動子１４を備える。フィードバック回路４０はまた、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃと関係して前述したセンサ電子装置を備える。フィードバック回路４０は更に、原子間力相互作用に応答してセンサ電子装置により生成される誤差信号を処理し且つ微細ｚアクチュエータ４４へ供給される制御信号を生成するためのフィードバック・ユニット４２を備える。典型的には、ＡＭＦにおいて試料４１の表面に対するプローブ１０の運動を制御するフィードバック回路４０の「最も緩慢な」構成要素は、微細ｚアクチュエータ４４、例えば、圧電セラミック・アクチュエータのような電磁トランスデューサである。微細ｚアクチュエータ４４が電磁デバイスであるので、それは、その最初の共振で１８０°位相偏移を受ける。
【００５６】
典型的には、微細ｚアクチュエータ４４の移動が大きくなればなる程、その共振周波数はより低くなる。従って、プローブ／センサを移動させる微細ｚアクチュエータ４４を出来るだけ小さくさせることが有利であり、それに付随して、微細ｚアクチュエータ４４が小さい機械的変位能力を有することが有利である。ＡＦＭでの大きいＺ移動は、典型的には、プローブ１０と試料４１との間の傾斜を考慮することを必要とする。従って、図１０に示されるように、フィードバック・ループ４０′は更に、粗なｚアクチュエータ４６、例えば、圧電セラミック・アクチュエータのような電磁トランスデューサを備え得る。
【００５７】
従って、図１０に示されるように、ゆっくりの応答及び速い応答を備えるフィードバック・ループ４０′を設けることが好ましい。２つの異なるサイズの圧電セラミックが、プローブ１０、関心の表面形体にわたり走査するための小さいセラミック、及びプローブ１０と試料４１との間の傾斜に追随する大きいセラミックを支持し得る。像は、速いフィードバック・ループからの誤差信号を処理することにより構成される。
【００５８】
第２に、ＡＦＭスキャナ・ヘッドは、図２に関係して前述したように、試料に対してプローブの動きを平均化する（ｌｅｖｅｌ）のを可能にするＺモータ・システムにより保持されるのが好ましい。ＡＦＭでもって走査される試料の表面上の関心の大部分の領域は深さが１００ｎｍより遙かに小さい表面形体を有するので、ｚ圧電セラミックは、例えば、０．５マイクロメートルの変位を有することが必要なだけである。０．５マイクロメートルの圧電セラミックは、従来のＡＦＭで通常用いられる８マイクロメートルの圧電セラミックよりも遙かに高い共振周波数を有する。ソフトウエア・アルゴリズムが、走査を開始する前に試料の表面に関してＡＦＭスキャナ・ヘッドをレベル調整するため用いられる。
【００５９】
第３に、最小のＺ移動を有するＸ−Ｙスキャナを用いることが好ましい。また、スキャナを備える電気機械トランスデューサは、プローブを試料の表面の上方で非常に迅速に走査することができなければならない。スキャナは、表面の上方でのプローブ１０の迅速な移動により生成される振動に耐えることができなければならない。スキャナの不所望の振動及び共振は、スキャナの急速な故障、並びに像の不所望のアーチファクトをもたらす。
【００６０】
高速走査のためスキャナ構造を最適化することは、プローブ１０のＸ及びＹ方向の移動を生じる２つの異なる大きさ又は種類の電磁トランスデューサを用いることにより達成され得る。より緩慢な走査軸に沿った移動を生じるアクチュエータの共振周波数は、より速い走査軸に沿った移動を生じるアクチュエータの共振周波数より実質的に小さいことが重要である。更に、Ｚ軸の電磁トランスデューサの共振周波数は、Ｘ軸及びＹ軸の電磁トランスデューサの共振周波数より実質的に大きくなければならない。
【００６１】
即ち、
Ｒ（Ｚ）>>Ｒ（Ｘ）>>Ｒ（Ｙ）
ここで、Ｒ（Ｚ）は、Ｚ軸アクチュエータの共振周波数であり、
Ｒ（Ｘ）は、Ｘ軸アクチュエータ（より速い走査軸）の共振周波数であり、
Ｒ（Ｙ）は、Ｙ軸アクチュエータ（より緩慢な走査軸）の共振周波数である。
上記条件に適合するとき、それらの軸のうちの１つの軸に沿った動きは、他の軸に沿った動きに影響を及ぼさないであろう。
【００６２】
Ｘ軸及びＹ軸の移動のための電磁トランスデューサは、同じ種類のアクチュエータ、例えば、圧電セラミックであり得る。又は、Ｘ軸及びＹ軸の電磁トランスデューサは、異なる種類のアクチュエータであり得る。例えば、より緩慢な動きのＹ軸アクチュエータは、通常の圧電セラミックであり得て、そしてより速い動きのＸ軸アクチュエータは、音声コイルであり得る。また、丸くされたラスタ信号の代わりに、湾曲にされたラスタ信号を用いることにより走査システムの不所望の共振を低減することも意図している。その上、プローブ１０を再トレースの際試料４１の表面から離れるよう移動させることにより走査速度を増大し得る。
【００６３】
前述の説明が本発明の特定の実施形態を参照してなされたが、これらの実施形態の変更が本発明の原理及び趣旨から逸脱することなしに行い得ることが当業者により認められるであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲により定義される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、従来のスタイラス・プロファイラを示す。
【図２】図２は、主サブシステムの相対的配置を示す従来の原子間力顕微鏡のブロック図である。
【図３】図３は、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を構成するセンサを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の様々な実施形態に従った図３に示す振動子に取り付けられたプローブの代替形態を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の別の実施形態に従った図３に示す振動子に取り付けられたカンチレバーに取り付けられたプローブを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の様々な実施形態の一つを構成するセンサ電子回路のブロック図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の様々な実施形態の一つを構成するセンサ電子回路のブロック図を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の様々な実施形態の一つを構成するセンサ電子回路のブロック図を示す。
【図６】図６は、図３に示すセンサとして用い得る振動子に関する電流対周波数曲線を示す。
【図７】図７は、図４に示すセンサを用いたときの「接近」曲線への設定点周波数の影響を示す。
【図８】図８は、プローブが堅い表面に向けて移動されるとき図３に示すセンサを構成する共振システムの周波数の関連した変化を示す。
【図９】図９は、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を構成するフィードバック・ループのブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明に従った走査型プローブ顕微鏡の一実施形態を構成する代替フィードバック・ループのブロック図である。
【図１１】図１１は、本発明に従ったプローブ接近及び走査方法の一実施形態のフロー・チャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１０  プローブ
１２  アーム
１４  結晶交差振動子（センサ）
２４  カンチレバー２４
３０  演算増幅器
３２  位相検出器
３４  電圧制御発振器（ＶＣＯ）
３８  周波数発生器
３９  ディジタル制御システム
４０  フィードバック回路
４１  試料
４２  フィードバック・ユニット
４０′  フィードバック・ループ
４４  微細ｚアクチュエータ
４６  粗なｚアクチュエータ
【図１】
2005140782.tif 000003
【図２】
2005140782.tif 000004
【図３】
2005140782.tif 000005
【図４Ａ】
2005140782.tif 000006
【図４Ｂ】
2005140782.tif 000007
【図５Ａ】
2005140782.tif 000008
【図５Ｂ】
2005140782.tif 000009
【図５Ｃ】
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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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【外国語明細書】
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