(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を分析するためのＡＦＭであって、
その上に配置されたＺ−位置決め要素と、そこに取り付けられて、走査動作中に試料とほぼ連続的に接触する先端部とを有する自己駆動型カンチレバーと、
前記自己駆動型カンチレバーの垂直方向の偏位に応じて、前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する第１のフィードバック回路と、
前記カンチレバー制御信号に応答して、位置制御信号を生成する第２のフィードバック回路と、前記第１のフィードバック回路は前記第２のフィードバック回路内に入れ子になっていることと、
前記位置制御信号に応答して、自己駆動型カンチレバー及び試料のうちの一方の位置決めを行って、自己駆動型カンチレバーと試料との間隔を変更するＺ−位置アクチュエーターとを備えるＡＦＭ。
【請求項２】
前記Ｚ−位置決め要素が圧電材料である請求項１に記載のＡＦＭ。
【請求項３】
前記第１のフィードバック回路が、前記自己駆動型カンチレバーの垂直方向の偏位を検知する偏位検出器を備え、かつ対応する偏位信号を生成する請求項２に記載のＡＦＭ。
【請求項４】
前記第１のフィードバック回路が、前記偏位信号に応じて誤差信号を生成する差動増幅器をさらに備えている請求項３に記載のＡＦＭ。
【請求項５】
前記第１のフィードバック回路が、前記カンチレバー制御信号を生成するために、前記誤差信号にゲインを付与する制御装置をさらに備えている請求項４に記載のＡＦＭ。
【請求項６】
前記ゲインは、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインのうちの少なくとも１つによって特徴づけられる請求項５に記載のＡＦＭ。
【請求項７】
前記Ｚ−位置決め要素が、前記カンチレバー制御信号に応答して、前記誤差信号を実質的にゼロにする（ｎｕｌｌ）ように、前記自己駆動型カンチレバーの垂直方向の偏位をもたらす請求項４に記載のＡＦＭ。
【請求項８】
前記偏位検出器が光検波器及びレーザを備えている請求項３に記載のＡＦＭ。
【請求項９】
ＡＦＭがマウントを備え、かつ前記自己駆動型カンチレバーが、前記マウントに取り付けられた第１の端と、前記先端部を支持する第２の先端とを有する請求項１に記載のＡＦＭ。
【請求項１０】
前記自己駆動型カンチレバーが前記カンチレバー制御信号に応答して、前記先端部と試料の表面との間におけるほぼ一定の力を維持する請求項９に記載のＡＦＭ。
【請求項１１】
前記カンチレバー制御信号が試料のトポグラフィを示す請求項１に記載のＡＦＭ。
【請求項１２】
自己駆動型カンチレバーとＺ−位置アクチュエーターとを有する探針式ＡＦＭにより試料を画像化する方法であって、
自己駆動型カンチレバーによって、試料の表面を所定の走査速度で走査する工程と、
前記走査工程に応じて、カンチレバーの偏位を検知して、対応する偏位信号を生成する工程と、
第１のフィードバック回路によって、前記偏位信号に応じた前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する工程と、
自己駆動型カンチレバーに前記カンチレバー制御信号を付与して、前記走査工程中に自己駆動型カンチレバーと表面との間におけるほぼ一定の力を維持する工程と、
第２のフィードバック回路によって、前記カンチレバー制御信号に応じた位置制御信号を生成する工程と、前記第１のフィードバック回路が前記第２のフィードバック回路内に入れ子になっていることと、
Ｚ−位置アクチュエーターに前記位置制御信号を付与して、前記走査工程の間に試料を位置決めする工程とを備える方法。
【請求項１３】
前記カンチレバー制御信号が、表面の高周波トポグラフィの特徴を示す請求項１２に記載の画像化方法。
【請求項１４】
前記検知工程が光検波器及びレーザを使用して行われる請求項１２に記載の画像化方法。
【請求項１５】
前記検知工程が、光学のビームバウンス技術及びインターデジタル回折格子技術のうちの１つを使用して行われる請求項１４に記載の画像化方法。
【請求項１６】
前記走査速度が５００μｍ／秒未満である場合、位置制御信号のみが試料のトポグラフィを示す請求項１３に記載の画像化方法。
【請求項１７】
前記カンチレバー制御信号を使用して自己駆動型カンチレバーを第１の方向に移動させ、かつ前記位置制御信号を使用してＺ−位置アクチュエーターをほぼ第１の方向と反対の第２の方向へ移動させて、自己駆動型カンチレバーのゼロの正味移動を達成し、その後、前記カンチレバー制御信号と前記位置制御信号とを比較することにより、自己駆動型カンチレバーをＺ位置アクチュエーターにて較正する工程をさらに備える請求項１３に記載の画像化方法。
【請求項１８】
周期的モードにおいて試料の表面を分析するためのＡＦＭであって、
その上にＺ−位置決め要素が一体化された自己駆動型カンチレバーと、
前記自己駆動型カンチレバーを振動させる発振器と、
走査動作中に、前記自己駆動型カンチレバーの垂直方向の偏位に応じて、前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する第１のフィードバック回路と、
前記カンチレバー制御信号に応答して位置制御信号を生成する第２のフィードバック回路と、前記第１のフィードバック回路は前記第２のフィードバック回路内に入れ子になっていることと、
前記位置制御信号に応答して、前記自己駆動型カンチレバー及び試料のうちの一方を位置決めして、自己駆動型カンチレバーと試料との間隔を変更させるＺ−位置アクチュエーターとを備え、
前記自己駆動型カンチレバーは、前記カンチレバー制御信号に応答して、探針の振動のパラメータをほぼ一定に維持するＡＦＭ。
【請求項１９】
前記発振器が前記Ｚ−位置決め要素に振動電圧を直接印加して、前自己駆動型カンチレバーを振動させる請求項１８に記載のＡＦＭ。
【請求項２０】
前記Ｚ−位置決め要素が圧電材料を含む請求項１９に記載のＡＦＭ。
【請求項２１】
前記位置制御信号が表面のトポグラフィの低周波成分を示し、かつ
前記カンチレバー制御信号が表面のトポグラフィの高周波成分を示す請求項１８に記載のＡＦＭ。
【請求項２２】
低周波成分が、表面のトポグラフィの傾斜を含んでいる請求項２１に記載のＡＦＭ。
【請求項２３】
前記カンチレバー制御信号が表面のトポグラフィを写像するために使用される請求項１８に記載のＡＦＭ。
【請求項２４】
周期的モードにおいて、自己駆動型カンチレバー及びＺ位置アクチュエーターを有する探針式ＡＦＭによって試料を画像化する方法であって、
その上に一体化されたＺ−位置決め要素を備えた自己駆動型カンチレバーによって試料の表面を走査する工程と、
前記走査工程の間に、自己駆動型カンチレバーの偏位に応じて偏位信号を生成する工程と、
前記Ｚ−位置決め要素に振動駆動電圧を印加して、自己駆動型カンチレバーを振動させる工程と、
第１のフィードバックループによって、前記偏位信号に応じて、前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する工程と、
前記カンチレバー制御信号に応じて、試料に関する自己駆動型カンチレバーの位置をサーボ制御することによって、自己駆動型カンチレバーの振動に関連したパラメータを一定に維持する工程と、
第２のフィードバックループによって、前記カンチレバー制御信号に応じて位置制御信号を生成する工程であって、前記第１のフィードバックループは前記第２のフィードバックループ内に入れ子になっている工程と、
前記位置制御信号に応じて、Ｚ−位置アクチュエーターを制御する工程とを備える画像化方法。
【請求項２５】
前記カンチレバー制御信号が第１のフィードバック回路によって生成され、前記位置制御信号は第２のフィードバック回路によって生成され、前記第１のフィードバック回路は前記第２のフィードバック回路内に入れ子にされており、かつ前記第２のフィードバック回路は、前記第１のフィードバック回路より低速で作動する請求項２４に記載の画像化方法。
【請求項２６】
Ｚ−位置アクチュエーターが、試料のＺ位置を制御するピエゾチューブアクチュエーターである請求項２４に記載の画像化方法。
【請求項２７】
Ｚ−位置アクチュエーターが、熱アクチュエーターである請求項２４の画像化方法。
【請求項２８】
前記Ｚ−位置決め要素が酸化亜鉛を含み、自己駆動型カンチレバーは、ケイ素から形成された長尺状部材を備える請求項２７に記載の画像化方法。
【請求項２９】
前記長尺状部材をほぼ垂直方向に屈曲させるために、自己駆動型カンチレバーを加熱する工程をさらに備える請求項２８に記載の画像化方法。
【請求項３０】
前記加熱工程が自己駆動型カンチレバー上に配置された発熱素子を使用して行われる請求項２９に記載の画像化方法。
【請求項３１】
前記カンチレバー制御信号を使用して、表面のトポグラフィを写像する工程をさらに備える請求項２４に記載の画像化方法。
【請求項３２】
周期的モードにおいて、探針式ＡＦＭによって試料を画像化する方法であって、
その上に一体化されたＺ−位置決め要素を有する自己駆動型カンチレバーと、ピエゾチューブＺ−位置アクチュエーターとを準備する工程と、
前記Ｚ−位置決め要素によって、前記自己駆動型カンチレバーをカンチレバー共振周波数及び所定の振動振幅にて振動させる工程と、
前記自己駆動型カンチレバーによって試料の表面を走査する工程と、
前記走査工程に応じて偏位信号を生成する工程と、
第１のフィードバックループによって、前記偏位信号に応じた前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する工程と、
前記カンチレバー制御信号に応じて、前記振動振幅を一定に維持する工程と、
前記カンチレバー制御信号を誤差信号として第２のフィードバックループ内で使用して、Ｚ−位置アクチュエーターを制御する工程とを備え、前記第１のフィードバックループは前記第２のフィードバックループ内に入れ子になっている方法。
【請求項３３】
前記振動工程が、前記Ｚ−位置決め要素に振動電圧を直接印加することにより行われる請求項３２に記載の画像化方法。
【請求項３４】
前記走査工程が５００μｍ／ｓｅｃより一般に大きな速度で行われる場合、前記カンチレバー制御信号は試料のトポグラフィを示す請求項３２に記載の画像化方法。
【請求項３５】
探針式ＡＦＭによって試料の表面を分析する方法であって、
（１）ケイ素からなる長尺状部材と、（２）酸化亜鉛からなるＺ−位置決め要素とを有する自己駆動型カンチレバーを準備する工程と、
前記自己駆動型カンチレバーをカンチレバー共振周波数及び所定の振動振幅で振動させる工程と、
前記自己駆動型カンチレバーで表面を走査する工程と、
前記走査工程に応じて偏位信号を生成する工程と、
第１のフィードバックループによって、前記偏位信号に応じた前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する工程と、
前記カンチレバー制御信号に応じて、前記振動振幅をほぼ一定値に維持する工程と、
第２のフィードバックループ内において、前記カンチレバー制御信号を誤差信号として使用して、位置制御信号を生成する工程と、前記第１のフィードバックループは前記第２のフィードバックループ内に入れ子になっていることと、
前記位置制御信号に応じて、前記自己駆動型カンチレバーを加熱して、前記自己駆動型カンチレバーのＺ−位置を制御する工程とを備える方法。
【請求項３６】
周期的モードにおいて、その上に一体化されたＺ−位置決め要素を備える自己駆動型カンチレバーとＺ−位置アクチュエーターとを有する探針式ＡＦＭによって試料を画像化する方法であって、
前記Ｚ−位置決め要素に振動駆動電圧を印加して自己駆動型カンチレバーを振動させ、カンチレバーの先端部を試料の表面と断続的に接触させる工程と、
自己駆動型カンチレバーの偏位に応じて、偏位信号を生成する工程と、
第１のフィードバックループによって、前記偏位信号に応じて、前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する工程と、
前記カンチレバー制御信号に応じて、試料に対する自己駆動型カンチレバーの位置をサーボ制御することにより、自己駆動型カンチレバーの振動に関連するパラメータを一定値に維持する工程と、
第２のフィードバックループによって、前記カンチレバー制御信号に応じて、位置制御信号を生成する工程であって、前記第１のフィードバックループは前記第２のフィードバックループ内に入れ子になっている工程と、
前記カンチレバー制御信号に応じて、Ｚ−位置アクチュエーターを制御する工程とを備える方法。
【請求項３７】
前記印加工程が、先端部を試料の表面上の一点と断続的に接触させる請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
周期的モードにおいて、Ｚ−位置決め要素を一体的に備える自己駆動型カンチレバーとＺ−位置アクチュエーターとを有する探針式ＡＦＭによって試料を分析する方法であって、
前記走査工程の間において、自己駆動型カンチレバーの偏位に応じて、偏位信号を生成する工程と、
前記Ｚ−位置決め要素に振動駆動電圧を印加して自己駆動型カンチレバーを振動させる工程と、
第１のフィードバックループによって、前記偏位信号に応じて、前記自己駆動型カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する工程と、
前記カンチレバー制御信号に応じて、試料に対する自己駆動型カンチレバーの位置をサーボ制御することにより、自己駆動型カンチレバーの振動に関連するパラメータを一定値に維持する工程と、
第２のフィードバックループによって、前記カンチレバー制御信号に応じて、位置制御信号を生成する工程であって、前記第１のフィードバックループは前記第２のフィードバックループ内に入れ子になっている工程と、
前記位置制御信号に応じて、Ｚ−位置アクチュエーターを制御する工程とを備える方法。
【請求項３９】
試料の表面を分析するためのＡＦＭであって、
自己駆動型カンチレバーと、
走査動作中に、前記カンチレバーの垂直方向の偏位に応じて、カンチレバーを制御するカンチレバー制御信号を生成する第１のフィードバック回路と、
前記カンチレバー制御信号に応答して位置制御信号を生成する第２のフィードバック回路と、前記第１のフィードバック回路は前記第２のフィードバック回路内に入れ子になっていることと、
前記位置制御信号に応答して、前記カンチレバー及び試料のうちの一方を位置決めして、カンチレバーと試料との間隔を変更させるＺ−位置アクチュエーターとを備え、
前記自己駆動型カンチレバーは、前記カンチレバー制御信号に応答して、カンチレバー動作のパラメータをほぼ一定に維持し、
前記位置制御信号が表面のトポグラフィの低周波成分を示し、かつ、前記カンチレバー制御信号が表面のトポグラフィの高周波成分を示し、
前記低周波成分が、表面のトポグラフィの傾斜を含んでいるＡＦＭ。
【請求項４０】
ＡＦＭを周期的モードで作動させている場合、前記パラメータはカンチレバーの振動である請求項３９に記載のＡＦＭ。
【請求項４１】
ＡＦＭを接触モードで作動させている場合、前記パラメータはカンチレバーの偏位である請求項３９に記載のＡＦＭ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（本発明の技術分野）
本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に関し、特に、ＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーターと自己駆動型カンチレバーとを組み合わせて、大幅に増大された描画速度で高品質画像を提供するＡＥＭ及びその方法に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
原子間力顕微鏡（「ＡＦＭ」）は、ハンスマ（Ｈａｎｓｍａ）らに付与された米国特許第ＲＥ３４，４８９号（「ハンスマ」）に記載されているように、一種の走査探針型顕微鏡（「ＳＰＭ」）である。ＡＦＭは、高分解能の表面測定機器である。一般的な２つの種類のＡＦＭとして、接触モード（反発モード（ｒｅｐｕｌｓｉｖｅ  ｍｏｄｅ）としても公知）ＡＦＭと、周期的モードＡＦＭ（本願では度々、タッピングモード（ＴａｐｐｉｎｇＭｏｄｅ、商標）ＡＦＭと呼ぶ）とがある。（ＴａｐｐｉｎｇＭｏｄｅ（商標）はニューヨーク、プレーンビュー所在のヴェーコ・インスツルメンツ社（Ｖｅｅｃｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ．）の登録商標であることに留意されたい。）
【０００３】
接触モードＡＦＭは、Ｈａｎｓｍａに詳細に記載されている。一般に、接触モードＡＦＭは、可撓性のカンチレバーと先端部とを有する探針によって特徴づけられる。ＡＦＭは、試料表面上に先端部を直接置き、次に、表面を側方に走査することにより作動する。走査すると、カンチレバーは試料表面の高さ変動に応じて撓み、その後、それらの高さ変動は試料表面を写像するためにＡＦＭ偏位検出システムによってモニターされる。Ｈａｎｓｍａに記載されるように、一般的には、そのような接触モードＡＦＭの偏位検出システムは光学ビームシステムである。
【０００４】
一般的に、試料表面に対するカンチレバーの固定端の高さは、側方への走査中に所定のカンチレバー撓み量を維持するように作動するフィードバック信号によって調節される。この所定量のカンチレバーの撓みは、設定値と呼ばれる目標値を有している。一般的には、カンチレバーの撓みの設定値を生成するための基準信号は、フィードバックループの１つの入力に付与される。フィードバックループによって生成されたフィードバック信号をシステム内のアクチュエーターに付与して、カンチレバーと試料との間の相対的な高さを調節することによって、カンチレバーの偏位を設定値において一定に維持することが可能である。カンチレバー先端部の側方位置に対する調整量（カンチレバーの撓みを設定値で維持するために付与されるフィードバック信号を観測することにより得られる）をプロットすることによって、試料表面を写像することが可能である。
【０００５】
ＡＦＭの第２の一般的なカテゴリー、つまり周期的モード、すなわちタッピングモード（商標）ＡＦＭは、カンチレバーの振幅を利用して、とりわけ、走査中に試料に作用する力を低減する。接触モードＡＦＭとは対照的に、周期的モードの探針先端部は、先端部が表面を横切って走査させられると、単に断続的に試料表面と接触するか、または試料表面と相互作用する。周期的モードＡＦＭは、エリングス（Ｅｌｉｎｇｓ）らに付与された米国特許第５，２２６，８０１号、同第５，４１２，９８０号及び同第５，４１５，０２７号に記載されている。
【０００６】
米国特許第５，４１２，９８０号では、探針がカンチレバーの共振周波数で、またはその近傍で振動させられる周期的モードＡＦＭが開示されている。周期的モードにおいて画像化する場合、接触モードにおけるカンチレバーの偏位の要求値と同様に、使用される特定のカンチレバーに関連した要求先端部振動振幅が存在する。カンチレバー振動のこの要求振幅は、一般的には所望の設定値で一定に維持される。作動時、これは、振動の要求振幅に対応する信号を受信するための設定値入力を有するフィードバックループの使用によって行われる。フィードバック回路は、試料表面のトポグラフィ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）に探針を従わせるようにフィードバック制御信号をＺアクチュエーターに付与することにより、カンチレバーマウントまたは試料のいずれかの垂直方向の位置をサーボ制御する。
【０００７】
一般的には、先端部の振動振幅は、２０ｎｍピーク−ピーク値を越えるように設定され、試料表面と衝突または相互作用することにより、各サイクルでカンチレバーが損失するエネルギーよりはるかに高い値でカンチレバーアームにおけるエネルギーを維持する。これは、探針先端部が試料表面に張り付くのを防止するという付加的な利点をもたらす。最後に、試料の高さデータを得るために、周期的モードＡＦＭは、確立された設定値を維持するために生成されるＺアクチュエーターフィードバック制御信号をモニターする。先端部の振動振幅の検知された変化及び生成されたフィードバック制御信号は、特定な表面のトポグラフィ特性を示す。これらの変化をカンチレバーの側方位置に対してプロットすることによって、試料の表面を写像することが可能である。
【０００８】
とりわけ、ＡＦＭは、集積回路及びデータ記憶装置産業における製造環境にて有用な計測ツールとして認められるようになってきた。ＡＦＭのより広範囲な使用を制限している要因は、演算技術に関連してＡＦＭの描画速度が遅いために、装置当たりのスループットが限定されることである。試料表面のトポグラフィを測定するためにＡＦＭを使用することは多くの場合において望ましいが、一般的にはＡＦＭの速度は製造に付与するには遅すぎる。例えば、ほとんどの場合、ＡＦＭ技術では、一般的な生産速度とペースを合わせるには多数の装置が必要になる。その結果、表面測定のためにＡＦＭ技術を使用することによって、一般に１回の測定当たりのコストが高いシステムがもたらされる。ＡＦＭ技術に関連した不都合の原因としては多くの要因があり、それらについて以下で議論する。
【０００９】
本質において、ＡＦＭの画像化は、概して、測定の帯域幅範囲が物理的制限となるような試料表面のトポグラフィの物理的測定法である。画像化される領域上を探針がラスター走査することによって画像が形成される。接触モード及び周期的モードの双方において、探針の先端部を走査サイズ及び走査周波数の積と等しい速度で試料表面を横切って走査させる。前述したように、試料表面に対する一定の力（接触モード）または振動振幅（周期的モード）を維持するために、試料表面に対するカンチレバーの固定端の高さは、走査中、一般的に走査速度より非常に早い速度で調整され得る。
【００１０】
とりわけ、選択されたカンチレバーの特定用途のための帯域幅要件は、一般に予め決定されている。したがって、高さ調整の帯域幅（以下、ｚ軸帯域幅またはＺ位置帯域幅と呼ぶ）は先端部速度並びに試料のトポグラフィに依存することに留意すると、要求されるＺ位置の帯域幅は、一般に所与の試料トポグラフィに対する最大走査速度を制限する。
【００１１】
さらに、これらのフィードバックシステムにおけるＡＦＭの帯域幅は、通常、システムの任意の１つの成分のオープンループ帯域幅より低い。特に、任意の成分の３デシベルのロールオフ周波数に接近すると、応答の位相は、振幅応答特性のあらゆる損失の前に、著しく遅延される。システムにおけるすべての成分の位相遅延の合計がループを不安定にするのに十分に大きくなる周波数が、ループの最終的な帯域幅限界である。ＡＦＭを設計する際、最低応答帯域幅を示すループの成分は一般的に集中的に設計改善される必要があるが、ループの任意の部分における位相遅れを低減することにより、全体としてＡＦＭの帯域幅が増大されるであろう。
【００１２】
特に接触モードＡＦＭを参照すると、カンチレバー偏位検出機器の帯域幅は、先端部の試料との相互作用によるカンチレバーの機械的な共振によって制限される。この帯域幅はカンチレバーの剛性に従って増加する。例え、画像化する力が損なわれても、カンチレバーの機械的共振が偏位検出機器の帯域幅における制限要因でなくなるように、とりわけこの剛性を十分に高くし得る。
【００１３】
しかしながら、接触モードにおいては、Ｚ位置アクチュエーターは依然Ｚ位置帯域幅を制限する。特に、ＡＦＭのためのＺ位置アクチュエーターは、一般的にそれらの大きなダイナミックレンジ及び高い感度のために選択されるピエゾチューブアクチュエーターまたはピエゾ積層アクチュエーターである。このようなデバイスは、試料と接触してもたらされるＡＦＭカンチレバーの機械的共振よりはるかに低い、一般的には１ｋＨｚ程度の、機械的共振を有することにより、Ｚ位置帯域幅を制限する。
【００１４】
マナリス（Ｍａｎａｌｉｓ）らは、カンチレバービームにＺ位置アクチュエーターを組み入れることにより、接触モードの画像化を加速することが可能であることを実証した（マナリス、ミンネ（Ｍｉｎｎｅ）、及びクオート（Ｑｕａｔｅ）、「一体化されたアクチュエーター及びセンサを備えたカンチレバーを用いた高速画像化のための原子間力顕微鏡(Atomic force microscopy for high speed imaging using cantilevers with an integrated actuator and sensor) 」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６８巻（６）、８７１〜３ページ（１９９６年））。ＺｎＯのような圧電膜がカンチレバーの先端側上に堆積された。該膜は、カンチレバーをバイモルフとして作用させ、その結果、応力に依存する電圧を印加することによって、カンチレバーは湾曲する。１度またはそれ以下の角度による、このカンチレバーの湾曲は、数ミクロンのＺ位置決め範囲をもたらす。さらに、カンチレバー上にＺ位置アクチュエーターを設けることにより、接触モードＡＦＭのＺ位置帯域幅を一桁以上増大させる。
【００１５】
しかしながら、このようなＡＦＭは、他の公知のＡＦＭでは懸念されなかった、Ｚ位置決めに関する新たな問題を提示する。例えば、カンチレバーに一体化されたＺアクチュエーターの範囲は、多くのＡＦＭ試料を画像化するために要求される範囲よりも小さい。さらに、各カンチレバーの位置決め感度が異なるので、先端部の磨耗または破損ために探針が変更される度に、ＡＦＭを再較正する必要がある。さらに、低周波において感度が望ましくない非線形性を呈する場合もある。これらの問題により、市販のＡＦＭにおけるＺアクチュエーターとして一般に使用するには、カンチレバーに一体化されたＺアクチュエーターは不十分な選択肢となり得る。
【００１６】
さらに、上記にもかかわらず、多くのＡＦＭの画像化の用途においては、接触モード操作の使用は容認できない。先端部と試料表面との間の摩擦は、画像化される領域を破損するとともに、先端部の鋭利性を低減することがある。従って、本発明によって予期される用途の多くにおいて、好ましい動作モードは周期的モード（つまりタッピングモード（登録商標））である。しかしながら、周期的モード検出に関連した帯域幅制限は、一般的に、接触モード操作に関連した帯域幅制限よりはるかに大きい。
【００１７】
周期的、すなわち非連続的接触モード操作においては、ＡＦＭカンチレバーは定常状態振動において共振ビームとして作用させられる。カンチレバーに力が付与される場合、その力は、振動振幅または周波数のいずれかの変化として測定され得る。周期的モード操作に関連した潜在的な１つの問題は、この力に対する応答の帯域幅はｌ／Ｑ（Ｑが固有共振ピークの「Ｑファクタ」である）に比例するが、測定の力に対する感度は固有共振ピークのＱに比例するということである。多くの画像化の用途においては、帯域幅が走査速度の主要な制限要因であるので、増大した描画速度を許容するように、Ｑは低くなるように設計されている。しかしながら、カンチレバーのＱを低減することにより、相応して力の検出感度が低減され、その結果、ＡＦＭ画像にノイズを導入してしまう。
【００１８】
周期的モード操作において最適の走査速度に満たないことの一因となるさらなる要因は、振幅誤差信号が最大の大きさを有しているという事実である。あるトポグラフィの特徴に関して、走査ＡＦＭ先端部は、落ち込んでいる縁部（ｄｒｏｐｐｉｎｇ  ｅｄｇｅ）上を通過する。これが起こると、カンチレバーの振動振幅は、表面上におけるタッピングによって制限されていない自由大気振幅（ｆｒｅｅ−ａｉｒ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）に増大するであろう。この時、制御ループの誤差信号は自由大気振幅と設定振幅との差となる。この場合、誤差信号は最大値にあり、試料表面から先端部の距離がさらに増大しても増加しない。トポグラフィマップは相応して歪まされる。
【００１９】
最後に、周期的モードにおける制御ループの極大ゲインは移相によって制限されて、それにより、さらにループ帯域幅を制限する。これらの不都合を考慮して、原子間力顕微鏡のためのＺ位置測定は一般的には、最大の誤差信号と極大ゲインとの積によって制限されるスルー速度であるように特徴付けられる。
【００２０】
その結果、周期的モードにおける走査速度が著しく増大させられるべき場合、ＡＦＭ技術は興味深い問題を提起した。メルツら（メルツ（Ｍｅｒｚ）、マルティ（Ｍａｒｔｉ）、及びミリネク（Ｍｌｙｎｅｋ）、「力のフィードバックによるマイクロカンチレバー応答の調整（Regulation of a microcantilever response by force feedback）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６２（１９）巻、２３４４〜６頁、（１９９３年））（以下「メルツ」）によって提案された１つの一般解は、既存の周期的モードＡＦＭに関するものではなかったが、固有共振の感度を保持しながらカンチレバーの有効なＱを減少させる方法を有した。この方法では、カンチレバーへのドライバの振幅がカンチレバーの測定された応答に基づいて修正されるように、フィードバックループがカンチレバー共振ドライバに付与される。この技術は、共振するカンチレバーの有効なＱを修正する役目を果たし、以下において「能動的減衰」と称される。メルツは、先ずカンチレバービーム自身とは異なる熱膨張特性を有する金属層でカンチレバーを被覆して、カンチレバーを熱的に励振することにより能動的減衰を行う。その後、フィードバック信号に応じて、メルツはカンチレバー上におけるレーザ入射を調整して、修正された駆動力を付与した。
【００２１】
残念ながら、この機構は既存の周期的モードＡＦＭにおいて実施するためには実用的ではない。この種の一般的なＡＦＭでは、カンチレバーは、機械的に実装されている基板からその共振によりカンチレバーを駆動するために使用されるピエゾ結晶に延びている。ピエゾ結晶を備えた基板を振動させることによるか、または基板をピエゾ結晶を一体化した機械的実装構造体と交換して、その後、ピエゾ結晶を励振させてカンチレバーを駆動することにより、カンチレバーは共振して駆動される。能動的減衰がこのような構造体に付与される場合、カンチレバーの機械的共振以外の機械的共振が起され、能動的減衰フィードバックのゲインは有効なカンチレバーＱを著しく改善するために十分に増加され得ない。さらに、メルツの設計は、とりわけ、変調レーザーは単にカンチレバーを一方向に偏位させるという事実により、本発明によって企図されるシステムのためには、非常に複雑であり、かつ柔軟性がない。これは、出力を処理する際に説明されなければならない周波数倍増効果（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｏｕｂｌｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）を導入する。全体として，接触モードＡＦＭに関するものであることに加えて、メルツシステムは複雑で、わずかに信頼できる測定値を望ましくない低速で生ずる。
【００２２】
全体として、ＡＦＭの画像化の分野は、接触モード及び周期的モードの双方で動作可能であり、かつ速い描画速度で高品質な画像を実現するシステムを必要としていた。特に、周期的モードＡＦＭに関して、カンチレバーのもの以外の機械的共振を起こさせることなく、能動的減衰を備えた共振カンチレバーの有効なＱを修正することが可能であるシステムが特に望まれる。結果として、システムは走査／描画速度を最大限にするようにカンチレバー応答のＺ位置帯域幅を最適化し、依然、機器感度を保持するはずである。
【００２３】
（目的及び概要）
本発明は、ＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーター及び自己駆動型Ｚ位置カンチレバー（双方とも周期的モード及び接触モードで操作可能）を適当な入れ子型フィードバック制御回路と組み合わせて、高速画像化及び正確なＺ位置測定を達成する。最も一般的には、アクチュエーターの各々に付与されるフィードバック信号は、走査速度及び試料トポグラフィに依存して、独立してモニターされて試料表面のトポグラフィを示す。
【００２４】
本発明の一実施形態では、標準Ｚアクチュエーターは、試料表面の傾斜を含む試料のより低周波のトポグラフィ特徴に従うが、自己駆動型カンチレバーは表面のトポグラフィの高周波成分に従う。好ましくは、２つのフィードバックループが使用される。第１のフィードバックループは、カンチレバーの先端部と試料表面との間における比較的一定な力を維持するために自己駆動型カンチレバーを制御する。第２のフィードバックループは、第１のフィードバックループより低速度で、標準Ｚアクチュエーターを制御し、（１）自己駆動型カンチレバーをその動作Ｚ範囲内に維持すること、または、（２）低周波トポグラフィに従う場合にカンチレバーの位置決め感度の直線性を維持すること、のいずれかに役立つ。この実施形態は、さらに走査速度が十分に低下される場合、一般に５００μｍ／秒未満の場合、正確な高さ測定のためにＺアクチュエーターが排他的に使用されることを可能にする。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態によれば、周期的モード（つまりタッピングモード（商標））で作動するＡＦＭは、カンチレバーのもの以外の機械的共振を導入することなく、自己駆動型アクチュエーターを振動させるシステムにおいて、ＡＦＭ用Ｚアクチュエーター及び自己駆動型カンチレバーを適当なフィードバック制御と組み合わせる。特に、自己駆動型カンチレバーは、カンチレバーに物理的に連結されたピエゾ結晶を振動させることによって振動するのではなく、その上に配置された圧電材料を直接励振することによってその共振にて振動する。これは、上記でなければ存在する結合経路における機械的共振を排除する。
【００２６】
上記に示唆したように、周期的モードにおける標準ＡＦＭの速度は一般に、力検出回路及びＺ位置決め装置のループ帯域幅によって制限される。標準ＡＦＭに関連したさらなる制限要因は、蓄積して、他の点では安定した作動システムのゲインを制限する、ループの様々な成分からの移相寄与に関係する。しかしながら、重要なことには、たとえ周期的モードにおけるＡＦＭの検出帯域幅が、カンチレバーの共振ピークの幅によって依然制限されていても、本発明の自己駆動型カンチレバーは、標準動作周波数では、著しく移相に寄与しない。従って、双方が同じ検出帯域幅によって制限された場合、自己駆動型カンチレバーフィードバックループはＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーターフィードバックループよりもかなり速い。特に、この実施形態はまた、周期的モード振幅偏位検出器によって生成される、より大きな誤差信号を提供することにより、ＡＦＭ用Ｚアクチュエーターフィードバックループの速度を増加させる。
【００２７】
さらに、標準のＡＦＭ用Ｚアクチュエーター及び自己駆動型カンチレバーの組合せは、高速走査周期的モードにおいてより大きな柔軟性を許容する。Ｚアクチュエーターフィードバックループがディザブルであるか、低いゲインで作動している場合、トポグラフィは自己駆動型カンチレバーへの制御信号として現れる。この制御信号はまた、好ましくは、ＡＦＭ用Ｚアクチュエーターフィードバックループのための誤差信号として作用する。その後、第２のフィードバックループのゲインが最適化される場合、つまり、Ｚアクチュエーターが、信頼性の低い出力を生成しないで、可及的に速く作動している場合、トポグラフィはＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーターのための制御信号に現れる。その結果、制御ループ内に自己駆動型カンチレバーを組込むことによって、高度に正確な測定を得る速度を増大させることが可能である。また、前記の実施形態におけるように、標準Ｚアクチュエーターは、自己駆動型カンチレバーが試料表面のトポグラフィに従う場合の走査から、傾斜または非線形性を除去するために使用することが可能である。さらに、ピエゾ積層アクチュエーターのような標準的なＺアクチュエーターの代わりとして、自己駆動型カンチレバー上に配置された熱アクチュエーターを使用することが可能である。
【００２８】
本発明の別の好ましい実施形態は、カンチレバーの機械的共振のＱを修正するために、自己駆動型カンチレバーの一体型圧電素子を使用する。作動時、前記の実施形態におけるように、カンチレバーの共振は、機械的に連結された駆動用ピエゾ結晶によってではなく、一体化されたビエゾ素子によって起こされる。カンチレバー駆動信号を提供する回路は、検知された偏位信号からのフィードバックによってレバーのＱを修正する。詳細には、偏位信号は、好ましくは９０度だけ移相されて、カンチレバー駆動信号に加算される。駆動信号のこのフィードバック成分は、カンチレバー共振の減衰（つまり能動的減衰）を修正し、それにより、Ｑを制御可能に減少または増大させる。カンチレバーＱの修正が、Ｚ位置決めのためにＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーターと同時に自己駆動型カンチレバーが使用される前記の実施形態の構造と組み合わされる場合、周期的モードにおけるＡＦＭの走査速度を一桁以上増大させることが可能である。
【００２９】
本発明のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から当業者には明らかとなるであろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すとともに、例として与えられたものであり、制限するものではないことを理解されたい。本発明の範囲内で本発明の精神から逸脱することなく、多くの変更及び修正が為され得、本発明はそのような変更をすべて包含する。
【００３０】
本発明の好ましい一般的な実施形態は、添付図面中において例証される。添付図面において、全体にわたって同一部材は同一の参照符号で示されている。
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１を参照すると、接触モードで作動するために形成された本発明によるＡＦＭ１０が示されている。ＡＦＭ１０は、ＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーター１６及び探針アセンブリー１８をそれぞれ制御する２つのフィードバックループ１２及びフィードバックループ１４を備えている。探針アセンブリー１８は、走査中に試料と相互作用する先端部２６を有する自己駆動型カンチレバー２０を備える。接触モードで走査する場合、先端部２６は、時折だけ試料から離れるが、通常は試料と連続的に接触する。例えば、ライン走査の終わりにおいて、先端部２６は試料表面から離れてもよい。先端部２６が試料の表面を走査している間、以下にさらに詳細に記載されるように、カンチレバー２０はフィードバックループ１２の出力に応答して、最終的に試料の表面のトポグラフィを写像する。
【００３１】
カンチレバー２０は、好ましくはＡＦＭマウント（図示せず）上に取り付けられた固定端２２と、固定端２２とほぼ対向して、かつ先端部２６を受容する自由先端２４とを備える。作動時、先端部２６と試料表面２８との相互作用が、カンチレバー２０の偏位をもたらす。この偏位を測定するために、ＡＦＭ１０は、好ましくは、下記の方法のうちの１つによってカンチレバー偏位を測定するための光検出システムであり得る偏位検出器３０を有している：（１）光学ビームバウンス技術（例えば、マイヤー（Ｍｅｙｅｒ）、アメール（Ａｍｅｒ）、「原子間力顕微鏡に対する新規な光学的アプローチ（Novel Optical Approach to Atomic Force Microscopy ）」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｎ．第５３巻、１０４５頁（１９８８年））、アレグサンダー（Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）、ヘルマンズ（Ｈｅｌｌｅｍａｎｓ）、マルティ、シュネイヤー（Ｓｃｈｎｅｉｒ）、エリングス（Ｅｌｉｎｇｓ）、ハンスマ（Ｈａｎｓｍａ）、ロングミア（Ｌｏｎｇｍｉｒｅ）、及びガーレイ（Ｇｕｒｌｅｙ）、「光てこを用いて実施された原子的分解能の原子間力顕微鏡（An Atomic-Resolution Atomic-Force Microscope Implemented Using an Optical Lever ）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第５巻、１６４頁（１９８９年）を参照されたい）、（２）インターデジタル回折格子技術（マナリス（Ｍａｎａｌｉｓ）、ミンネ（Ｍｉｎｎｅ）、アタラー（Ａｔａｌａｒ）、及びクォート（Ｑｕａｔｅ）、「原子の力顕微鏡のためのインターデジタルカンチレバー（Interdigital Cantilevers for Atomic Force Microscopy）」  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６９巻（２５）、３９４４〜６頁（１９９６年））、ヨラリオグル（Ｙｏｒａｌｉｏｇｌｕ）、アタラー（Ａｔａｌａｒ）、マナリス、及びクォート、「偏位センサとしてのインターデジタルカンチレバーの解析及び設計（Analysis and design of an interdigital cantilever as a displacement sensor）」、第８３巻（１２）、７４０５頁（１９９８年６月））、または（３）他の公知の光学的検出方法。これらの光学式のシステムは、一般的には、上記技術のうちの１つによって相互作用するレーザ及び光検波器（いずれも図示せず）を備えている。側方スキャナ及び垂直方向スキャナとして、非常に小さな微細加工カンチレバー（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ）及び圧電ポジショナーと共に使用された場合、本発明によって企図された種類のＡＦＭは、分子レベルまでの分解能を有することが可能であり、生物物質を画像化するのに十分に小さい制御可能な力によって作動することが可能である。
【００３２】
偏位検出器３０はカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗器であり得る。ピエゾ抵抗器は、該ピエゾ抵抗器の抵抗を測定するための関連するブリッジ回路を有する（トルトニーズ（Ｔｏｒｔｏｎｅｓｅ）、バレット（Ｂａｒｒｅｔｔ）、及びクォート、「ピエゾ抵抗検出を用いた原子間力顕微鏡による原子的分解能（Atomic Resolution With an Atomic Force Microscope Using Piezoresistive Detection）、Ａｐｐｉ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第６２巻、８、８３４−６頁（１９９３年）」）。これに代わって、偏位検出器３０は、自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子のインピーダンスを測定するための回路、または別の同様な関連する装置であり得る。
【００３３】
さらに図１を参照すると、ＡＦＭ１０は、設定値を有する第１の信号と、偏位検出器３０によって生成されたカンチレバー検出信号との組合せによって決定された力で作動する。詳細には、ＡＦＭ１０は、カンチレバー偏位信号から設定値信号を受信して減算し、それによって誤差信号を発生する差動アンプ３２を有する。差動アンプ３２は誤差信号をフィードバックループ１２の制御装置３４、好ましくはＰＩＤ（比例項（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）−積分項（ｉｎｔｅｇｒａｌ）−微分項（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ））制御装置に送信する。制御装置３４は、アナログまたはデジタルのいずれかにおいて実施されることが可能であり、線形のゲイン、または、より複雑な計算によって特徴づけられたゲインのいずれかを付与してもよい。詳細には、制御装置３４は、比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインの１つ以上によって定義されるゲインを誤差信号に付与することが可能である。
【００３４】
その後、制御装置３４は誤差信号に応じて、制御信号を生成し、自己駆動型カンチレバー２０上に配置された圧電素子３６に制御信号を送信する。制御装置３４からのフィードバック制御信号を用いて、カンチレバー２０の圧電素子３６のＺすなわち垂直方向位置を制御することによって、ＡＦＭ１０は、差動アンプ３２によって生成された誤差信号をゼロにする（ｎｕｌｌ）ように理想的に作動する。誤差信号がゼロにされると、先端部２６と試料表面２８と間の力は、設定値と等しいほぼ一定の値に維持される。カンチレバー２０に送信される制御信号の電圧を増加させるために、高電圧増幅器（図示せず）が選択的に使用されてもよいが、ほとんどの用途においては必要とならないことに注意されたい。
【００３５】
フィードバック回路１２の制御装置３４によってカンチレバー２０に印加された制御信号はまた、好ましくは誤差信号として、第１のフィードバック回路１２が第２のフィードバック回路１４内に入れ子になるように、第２のフィードバック回路１４に入力される。フィードバック回路１４は、制御装置３４と同様に、アナログまたはデジタルで実施することが可能であり、かつ、線形ゲインまたはより複雑な計算を有するゲインのいずれかを付与し得る第２の制御装置３８を備えている。制御装置３８は第２の入力を有し、その第２の入力は、例えばＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーター１６を制御するアクチュエーターのＺ中央点と等しい第２の設定値を有する比較信号を印加される。好ましくは、この設定値はゼロ座標値であり、よって、カンチレバー制御信号自身（制御装置３４の出力）を誤差信号にする。制御装置３４と同様に、制御装置３８（好ましくはＰＩＤ制御装置）は、比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインの１つ以上で特徴づけられるゲインによって、誤差信号（つまりその入力信号の差）を条件付ける。制御装置３８は、最終的にＺ位置アクチュエーター１６に印加される第２のフィードバック制御信号を生成して、フィードバック回路１２によって生成された制御信号の低周波成分を効果的にゼロにする。制御装置３８によってＺ位置アクチュエーター１６に出力された制御信号の電圧を増加させるために、高電圧増幅器４０を使用してもよい。また、本発明によって企図された規模のほとんどの位置検出器については、このような増幅器４０が必要である。
【００３６】
最大の走査速度で作動するために、Ｚ位置アクチュエーター１６を制御する第２のフィードバックループ１４のゲインは、０またはある小さな値に低減される。その結果、約５００ｋｍ／秒より大きな走査速度では、試料表面２８のトポグラフィは、第１のフィードバックループ１２によって自己駆動型カンチレバー２０に付与されるフィードバック制御信号として現れる。この場合、Ｚ位置アクチュエーター１６は、あらかじめプログラムされた方法で、試料表面２８の傾斜に従うか、または先端部２６の側方走査による結合を排除するように制御され得る。
【００３７】
さらに、この実施形態では、自己駆動型カンチレバー２０の感度は、標準Ｚ位置アクチュエーター１６を用いて較正され得る。感度の較正は、力偏位検出器３０によって測定されるような先端部２６の真の移動をゼロにするために、２つのアクチュエーター１６，３６を反対方向に移動させて、この真の移動をゼロにするのに要求されるそれぞれの非ゼロ制御信号を比較することによって行われる。
【００３８】
図２に移ると、タッピングモード（商標）すなわち周期的モード作動のために設計された、本発明の別の好ましい実施形態によるＡＦＭ５０が示される。図１に示した実施形態と同様に、ＡＦＭ５０は、探針アセンブリー１８の自己駆動型カンチレバー２０とＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーター１６とをそれぞれ制御する、２つのフィードバック回路（ループ）５２，５４を有している。ＡＦＭ５０は、さらに、自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子３６に振動電圧を直接印加することにより、自己駆動型カンチレバー２０を振動させる発振器５６を有している。生じたカンチレバー２０の振動は、その特定の振幅、周波数、及び位相パラメータによって特徴づけられ得る。好ましくは、ＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーター１６はピエゾチューブアクチュエーターであり、分析されるべき試料は、アクチュエーター１６の動きが試料の走査表面２８に対してほぼ垂直となるように、ピエゾチューブアクチュエーター上に配置されることに注意されたい。
【００３９】
先端部２６が試料表面２８に隣接している場合、先端部２６と試料２８との間における力の相互作用は、カンチレバー２０における振幅を変化させる。図１に示される接触モードの実施形態と同様に、偏位検出器３０は、光学ビームバウンス技術、インターデジタル回折格子技術、または当業界において公知である他の光検出方法によって、カンチレバー２０の偏位を測定する。
【００４０】
作動時、一旦、検出器３０がカンチレバー偏位に関係するデータを得ると、検出器３０は偏位信号を生成し、その後、該偏位信号は、ループ５２によってさらに処理するためにＲＭＳ−ＤＣコンバータ５８によって、ＲＭＳ振幅信号に変換される。これに代わって、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ５８の代わりとして、ロックイン検出、または他の振幅、位相、または周波数検出技術を用いてもよいことに注意されたい。
【００４１】
カンチレバー振動の作動ＲＭＳ振幅は、少なくとも部分的には、設定値によって決定される。差動アンプ３２は、コンバータ５８によるカンチレバー偏位信号出力から設定値に対応する信号を減算する。この演算の結果、差動アンプ３２によって生成された誤差信号は、制御装置３４へ入力される。制御装置（再度、好ましくはＰＩＤ制御装置）３４は、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインのうちの１つ以上を誤差信号に付与して、対応する制御信号を出力する。その後、カンチレバーが試料表面の変化しているトポグラフィの特徴を横切ると、制御装置３４はこの制御信号を自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子３６に付与して、カンチレバー２０のＺ位置を制御する。説明したように、フィードバック制御信号を付与することによって、フィードバックループ５２は、例えば、カンチレバー２０の振動振幅は設定値で維持されるように、誤差信号を最終的にゼロにする。
【００４２】
その後、加算増幅器６０は、要素３６にフィードバックカンチレバー制御信号を付与するために、制御装置３４によって出力されたフィードバック制御信号を駆動発振器５６の出力と合計する。増幅器６０により出力された合計信号の電圧を増加させるために、高電圧増幅器（図示せず）を使用して、カンチレバー２０の圧電素子３６に付与してもよいが、必須ではないことに注意されたい。
【００４３】
制御装置３４から加算増幅器６０に付与された制御信号はまた、第１のフィードバックループ５２（図１の接触モードの実施形態におけるフィードバックループ１２と同様）が、第２のフィードバックループ５４内に入れ子になるように、第２のフィードバックループ５４の誤差信号として制御装置３８へ入力される。制御装置３８は、例えばＡＦＭ用Ｚアクチュエーター１６を制御するアクチュエーターのＺ中央点と等しい第２の設定値を有する比較信号を受信する、第２の入力を有する。カンチレバー制御信号自身が誤差信号となるように、好ましくは、この設定値はゼロ座標値である。制御装置３８は、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインのうちの１つ以上を誤差信号に付与して、Ｚ位置アクチュエーター１６、従って試料のＺ位置を制御するために、対応する制御信号を出力する。この試料のＺ位置の制御は、フィードバック回路５２によって生成される自己駆動型カンチレバー制御信号の低周波成分を効率的にゼロにするように作用する。制御装置３８によってＺ位置アクチュエーター１６に付与された制御信号の電圧を増加させるために、制御装置３８の出力とＺ位置アクチュエーター１６の入力との間において高電圧増幅器４０が使用されてもよく、その高電圧増幅器４０は、本発明により企図されるスケールのほとんどの位置検出器のために必要であることに注目されたい。
【００４４】
高速走査操作の間、上記した実施形態におけるように、Ｚ位置アクチュエーター１６を制御する、第２のフィードバックループ５４のゲインは、好ましくはゼロまたはある小さい値に低減される。この周期的モードの場合では、Ｚ位置アクチュエーター１６は、例えば、あらかじめプログラムされた方法で、試料表面２８の傾斜に従うか、または先端部２６の側方走査による結合を排除するように制御され得る。第２のフィードバックループ５４のゲインが最適化されると、ループ５４による制御信号出力は試料トポグラフィを示す。その結果、走査速度に依存し、かつ特定の側方座標に対応して、ループ５２によって出力されるフィードバックカンチレバー制御信号は試料２８のトポグラフィを示す。その後、これらの信号は、試料表面の画像を作成するために、さらに処理され得る。
【００４５】
周期的モードまたは非接触モードにおけるカンチレバーの振幅検出の帯域幅は、カンチレバーの機械的共振ピークの周波数幅によって制限されており、前記周波数幅は３デシベルのロールオフ周波数によって定義される。詳細には、３デシベルのロールオフはｆ／２Ｑと等しく、前記ｆは共振ピークの中心周波数であり、Ｑはカンチレバー共振ピークのＱファクタである。そのため、共振ピークの幅は、共振ピークのＱファクタＱに比例する。
【００４６】
図３は、偏位フィードバック技術を用いて、自己駆動型カンチレバー２０のＱ（カンチレバー共振ピークのＱファクタ）をどのように変更することが可能であるかを概略的に示している。一般に、能動的減衰フィードバック回路すなわちカンチレバー駆動回路６２は、駆動発振器６６によって出力された振動電圧を変更して（かつカンチレバー２０の圧電素子３６に直接付与される）、振幅検出の帯域幅を最適化する。能動的減衰回路６２は偏位検出器３０を利用する。偏位検出器３０は、図１及び図２に示したように、好ましくはレーザ及び光検波器を備える光検出システムであり、偏位検出器３０は光学ビームバウンス技術などによってカンチレバー偏位を測定する。これに代わって、前述した実施形態では、偏位検出器３０は、（１）ピエゾ抵抗器の抵抗を測定するための関連するブリッジ回路を備えたカンチレバー２０に一体化されたピエゾ抵抗器、または、（２）自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子３６のインピーダンスを測定するための回路であり得る。
【００４７】
偏位検出器３０は、カンチレバー１８の偏位を検知すると、対応する偏位信号を能動的減衰回路６２の移相器６４に送信する。好ましくは、移相器６４は検知された偏位信号の位相を９０度だけ前進または遅延させる。この移相は、カンチレバー２０の振動動作の減衰成分として作用して、カンチレバーの機械的共振のＱを変更する。その後、移相された偏位信号は、加算増幅器６８によって、駆動発振器６６の出力と合計される。カンチレバー２０に変更済みの振動電圧を印加するに前に、増幅器７０は、加算増幅器６８の出力を自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子３６を駆動するための適切な電圧に増幅する。作動中、増幅器７０の出力は、カンチレバー１８の機械的共振で自己駆動型カンチレバー２０を駆動する。
【００４８】
移相された偏位信号に対する発振器信号振幅の相対ゲインは、カンチレバー共振のＱが変更される度合いを決定し、その結果、利用可能な帯域幅を示す。カンチレバー共振が変更される範囲を決定するために、２つの合計された信号の比率は加算増幅器６８でスケールされることが可能であることに注意されたい。これに代わって、移相器６４と加算増幅器６８の間にゲインステージ６５を挿入して、移相された信号をスケールして共振変更データを得てもよい。
【００４９】
つまり、上述したように、減衰回路６２は、Ｑを変更するために振動電圧を能動的に減衰することによって、カンチレバー２０の応答の帯域幅を理想的に最適化する。その結果、ＡＦＭは走査速度を最大限にするとともに、依然、許容可能な程度の力検出感度を維持することが可能である。
【００５０】
図４は、本発明の別の実施形態によるＡＦＭ８０を示している。ＡＦＭ８０は、ＡＦＭ５０（周期的モード構成図２）の特徴を組み込むこと、入れ子になった２つのフィードバックループ８２，５４を含む、高速走査の周期的モード作動においてカンチレバー２０のＱを修正する能動的減衰回路６２（図３）の機能を備えたＡＦＭ５０（周期的モード構成−図２）の機能を組み込んでいる。回路６２によって出力されるフィードバック信号を用いてカンチレバー２０の共振を能動的に減衰することによって、力検出帯域幅は、対応するＱの減少に比例して上昇する。全体として、Ｑの低減とＡＦＭ５０（図２）の制御機能とを組み合わせることによって、ＡＦＭ８０は、周期的モードにおいて、はるかに大きなループ帯域幅を実現し、それにより、はるかに大きな（かつはるかに商業的に実行可能な）装置当たりのスループットを達成する。
【００５１】
一般に、ＡＦＭ８０は以下のように作動する。最初は、走査操作中に偏位検出器３０によって得られた偏位信号は、能動的減衰回路６２の移相器６４によって移相された位相である。好ましくは、上記で言及したように、偏位信号の位相は、それがカンチレバー２０の振動運動の減衰成分として作用することによりカンチレバーＱを変更するように、９０度だけ前進または遅延される。その後、移相された偏位信号は、加算増幅器６８によって発振器６６の出力と合計される。
【００５２】
カンチレバー共振が変更される範囲を決定するために、２つの合計された信号の比率は加算増幅器６８でスケールされることが可能である。これに代わって、図３に関して説明したように、移相された信号をスケールするために、ゲインステージ６５を移相器と加算増幅器との間に挿入することが可能である。その後、加算増幅器６８の出力は、（増幅器７０によって）自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子３６を駆動するための適切な電圧にさらに増幅される。
【００５３】
図４に関して、ＡＦＭ８０のより特定な作用に言及すると、増幅器７０の出力は自己駆動型カンチレバー２０をカンチレバー２０の固有共振と等しい周波数で駆動し、駆動周波数のＱは能動的減衰回路６２によって変更されて、全体的なループ帯域幅を増加させ、それによって走査速度／描画速度を増大する。この実施形態において、カンチレバー２０をその共振周波数で駆動するために、カンチレバー２０上に配置された圧電素子３６が使用されるので、システム内に外来の機械的共振を導入することなく、振動電圧をカンチレバー２０に直接印加することが可能である。
【００５４】
先端部２６が試料表面２８に近接すると、先端部２６と試料表面２８との間における力の相互作用は、カンチレバー２０における振幅を変化させる。その後、検知された振幅の変化に応じて偏位検出器３０によって生成された偏位信号は、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ５８によって、ＲＭＳ振幅信号に変換される。ＲＭＳ−ＤＣコンバータ５８の代わりに、特に、ロックイン検出、あるいは他の振幅、位相、または周波数検出技術を使用してもよい。
【００５５】
ＡＦＭ５０と同様に、カンチレバーの振動における作動ＲＭＳ振幅は、（少なくとも一部分は）設定値によって決定される。前記設定値は、差動アンプ３２によって、カンチレバー偏位信号から減算される。差動アンプ３２によって生成された誤差信号は、制御装置３４へ入力される。制御装置３４は、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインのうちの１つ以上を誤差信号に付与し、誤差信号をゼロするように、自己駆動型カンチレバー２０の圧電素子３６を制御することによって、カンチレバー振動の振幅が設定値と等しい値でほぼ一定に維持されることを保証する。カンチレバー２０へ信号の電圧を増加させるために、高電圧増幅器（図示せず）を使用してもよいが、必須ではない。
【００５６】
制御装置３４によってカンチレバー２０に送信された制御信号はまた、第１のフィードバックループ８２が第２のフィードバックループ５４内に入れ子になるように、第２のフィードバックループ５４の制御装置３８へ入力される。好ましくは、制御装置３８へ入力された第２の設定値は、ＡＦＭアクチュエーター１６に関連したゼロ値であり、その場合、カンチレバー制御信号は、それ自体、制御装置３８によって条件付けられた誤差信号である。再度、ＰＩＤ制御装置３８は、最終的にＺ位置アクチュエーター１６を制御するために、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインのうちの１つ以上を誤差信号に付与して、最適速度で走査する場合に、自己駆動型カンチレバーに付与された制御信号の低周波成分をゼロする。さらに、上記で強調したように、Ｚ位置アクチュエーター１６に付与された制御信号の電圧を増加させるために高電圧増幅器４０を使用してもよい。該高電圧増幅器４０は本発明によって企図されたスケールのほとんどの位置検出器に必要である。
【００５７】
つまり、ＡＦＭ８０は、減衰回路６２を用いてカンチレバー２０の有効なＱを減少させることにより、高速な画像化及び正確なＺ位置測定の双方を許容するように、ＡＦＭ用Ｚアクチュエーター１６を自己駆動型カンチレバー２０と組み合わせる。減衰回路６２は、固有共振の感度を保持しつつ、発振器６６によって出力される振動電圧信号を能動的に変更して、カンチレバー応答の帯域幅が最適化されることを保証する。さらに、特定の試料のトポグラフィ及び走査速度に応じて、他に依存しないフィードバック制御信号のうちの１つをモニターすることによって、トポグラフィを写像することが可能である。
【００５８】
図５に移ると、本発明の別の実施形態では、前の実施形態の標準ＡＦＭ用Ｚ位置アクチュエーター１６（例えばピエゾチューブアクチュエーター）を自己駆動型カンチレバーに一体化させた熱応答アクチュエーターと置き換えている。より詳細には、その別の実施形態は、１）例えばＡＦＭ基板１０７に取り付けられた第１端９４を有する自己駆動型カンチレバー９２と、２）長尺状部分９６と、３）試料の表面２８（例えば図４参照）を走査するための先端部９８を有する先端９７とを有する探針アセンブリー９０を備えている。自己駆動型カンチレバー９２は、その上に配置されたＺ位置決め要素１００も備えている。
【００５９】
本発明のこの実施形態は、好ましくはケイ素材料からなるカンチレバー９２と、好ましくは酸化亜鉛からなるＺ位置決め要素１００との間における異なる膨張係数の原理において作動する。本発明の好ましい実施形態において、熱アクチュエーター、例えば抵抗ヒータ１０４は、例えばドーピング法の使用によって、カンチレバーに一体化される。
【００６０】
作動時、熱アクチュエーター（つまり抵抗ヒータ１０４）を加熱することによって、自己駆動型カンチレバー９２がバイモルフとして作用する。特に、ケイ素製カンチレバー９２と酸化亜鉛製Ｚ位置決め要素１００との異なる熱膨張係数は、加熱されると、カンチレバー９２をバイモルフとして作用させる。この応答の効果はカンチレバー９２の領域１０６で最も顕著である。先の実施形態のＺ位置アクチュエーター１６（ピエゾチューブＺアクチュエーター）と同様に、とりわけ、アセンブリー９０（及び特に熱アクチュエーター）は比較的遅い走査速度で、高度に精密な画像化を提供することが可能である。より遅い描画速度（例えば５００μｍ／ｓｅｃ未満）で作動する場合、酸化亜鉛要素１００は熱アクチュエーターのための対照標準として使用され、その熱アクチュエーターは、例えば制御ループ５４（図４）からのフィードバック信号によって制御されている。さらに、酸化亜鉛のＺ位置決め要素１００の圧電効果は、より速い描画速度のために、カンチレバーの速い駆動を提供する。
【００６１】
全体として、標準ＡＦＭピエゾチューブＺアクチュエーターに対して熱アクチュエーターを代用することによって、自己駆動型カンチレバーの作動における垂直方向の範囲が増大され、それにより、より広範囲な垂直方向操作を必要とするトポグラフィを有する試料を画像化するための有効な代替態様を提供する。前述した実施形態の自己駆動型カンチレバーのアクチュエーターは、好ましくはＺ方向において、ほぼ２〜５μｍに等しい範囲にわたるカンチレバーの移動をもたらし、標準ピエゾチューブアクチュエーターは一般的には５〜１０μｍの範囲にわたって作動するのに対して、図５に示した熱アクチュエーターは、２０〜１００μｍにほぼ等しい範囲にわたるカンチレバーの運動を引き起こすことが可能である。この代替実施形態では、好ましくは圧電素子として酸化亜鉛を用いると記載されているが、本願に記載したような自己駆動型カンチレバー９２のＺ位置決めを提供する適切な圧電特性を有する任意の材料を使用することが可能であることに注意されたい。
【００６２】
本発明者によって企図された本発明を実施するための最良のモードを上記に開示したが、本発明の実施はそれらに制限されるものではない。本発明の根本的な概念の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の特徴の様々な付加、変更及び再配置が為されることは明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による、接触モード作動時においてカンチレバーを制御するために自己駆動型カンチレバー及びフィードバック回路を備えるＡＦＭを示す概略図。
【図２】  本発明の第２の実施形態による、周期的モード作動時においてカンチレバーを制御するために自己駆動型カンチレバー及びフィードバック回路を備えるＡＦＭを示す概略図。
【図３】  本発明による自己駆動型ＡＦＭカンチレバーと、カンチレバーのＱファクタ（「Ｑ」）を修正するカンチレバー駆動回路を示す概略図。
【図４】  本発明による、自己駆動型カンチレバーと、周期的モードにおいてカンチレバーを制御するためのフィードバック回路と、カンチレバーのＱファクタ、つまりＱを修正するためのカンチレバー駆動回路とを備えるＡＦＭを示す概略図。
【図５】  その上に熱アクチュエーターが一体化された、自己駆動型カンチレバーを備える探針アセンブリーの斜視図。
【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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