(57)【要約】標本の表面の特徴を抽出する装置における、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーであって、末端部分で伸張及び収縮できる第１及び第２組み立て部品を備える。上記末端部分は、検出器からの信号に応じて実質的に同時に伸張及び収縮する。これにより、第１及び第２組み立て部品の運動量の釣り合いが取られ、プローブホルダーの正味の運動量が実質的にゼロに成る。プローブホルダーの運動量の釣り合いを取ることは、装置内の寄生的な発振を減少させる。これにより、性能が向上する。
2004523748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標本の表面に作用するプローブを有する装置であって、
伸張及び収縮する第１及び第２組み立て部品を有し、第１組み立て部品によりプローブが動かされ、第２組み立て部品は、第１組み立て部品の駆動部とは反対の向きに同期して動作する方向に向けて配置され、これによりＺ作動装置の正味の運動量が作動上実質的にゼロになるものであるＺ作動装置を含む装置。
【請求項２】
上記第１及び第２組み立て部品がピエゾ作動装置である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記ピエゾ作動装置が、ピエゾ電気チューブ、ピエゾ電気スタック、又は、ピエゾ電気バイモルフで構成される請求項２に記載の装置。
【請求項４】
上記第１及び第２取り付け部品は、ボイスコイル作動装置、静電気作動装置、電気制限型作動装置、又は、磁力制限型作動装置で構成される請求項１に記載の装置。
【請求項５】
更に、中央支持部材を備え、上記第１及び第２取り付け部品が当該中央支持部材の反対側に支持されている請求項１に記載の装置。
【請求項６】
更に、プローブ取り付け台を備え、当該プローブ取り付け台は、第１取り付け部品により収納されている請求項１に記載の装置。
【請求項７】
更に、釣り合い重りを備え、当該釣り合い重りは、第２取り付け部品により収納されている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記プローブ取り付け台と第１組み立て部品が、合計で、釣り合い重りと第２取り付け部品の運動量と実質的に同じだけの運動量を持つ請求項７に記載の装置。
【請求項９】
上記第１組み立て部品とプローブ取り付け台の質量が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの質量と、実質的に同じである請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
上記第１組み立て部品とプローブ取り付け台の質量が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの質量と、異なる請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
標本の表面を測定する装置であって、当該装置は、
Ｘ作動装置、Ｙ作動装置、及び、Ｚ作動装置を有する走査部品と、上記Ｚ作動装置に取り付けられた向かい合う第１及び第２組み立て部品とを備え、
上記第１及び第２組み立て部品は、各々がＺ軸方向に伸張及び収縮でき、第１組み立て部品が伸張及び収縮する時、第２組み立て部品は、第１組み立て部品の運動量の釣り合いを取るものである。
【請求項１２】
更に、上記第１組み立て部品にプローブ取り付け台を備え、当該プローブ取り付け台は、片持ち棒のプローブを取り付ける請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
上記Ｘ，Ｙ，Ｚ作動装置は、走査チューブ及び走査フレクサの何れか一方を有する請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
更に、上記第２組み立て部品に取り付けられた釣り合い重りを備える請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
上記第１組み立て部品とプローブ取り付け台の運動量の合計が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの運動量の合計と実質的に同じである請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
上記第１組み立て部品とプローブ取り付け台の質量の合計が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの質量の合計と実質的に同じである請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
上記第１組み立て部品とプローブ取り付け台の質量の合計が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの質量の合計が異なる請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
プローブを用いて、標本表面の特徴を抽出する作動装置を有し、上記作動装置は、表面に向かう方向又は離れる方向に伸張及び収縮することができる装置であって、当該装置は、
上記作動装置により収納された共通の中央支持部材と、
上記共通の中央支持部材により収納された第１組み立て部品であって、上記表面に向かい方向又は離れる方向に伸張及び収縮する末端を備えるもと、
上記共通の中央支持部材により収納された第２組み立て部品であって、上記表面に向かい又は離れる方向に伸張及び収縮する末端を備え、
上記第１及び第２組み立て部品は、実質的に同期して共に拡張し、共に収縮するものである。
【請求項１９】
上記第１及び第２組み立て部品がピエゾ作動装置で成る請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
上記ピエゾ作動装置が、ピエゾ電気チューブ、ピエゾ電気スタック、又は、ピエゾ電気バイモルフで構成される請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
上記第１及び第２取り付け部品は、ボイスコイル作動装置、静電気作動装置、電気制限型作動装置、又は、磁力制限型作動装置で構成される請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
更に、第１組み立て部品の末端部分に収納された取り付け部品を備え、上記取り付け部品は、（ｉ）プローブ取り付け台と、（ｉｉ）上記台に収納された固定端を持ち、上記固定端から配置された標本に向かって間隔を空けて設けられた針を含む片持ち棒のプローブと、第２組み立て部品の末端部分に収納される釣り合い重りを備える請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
上記第１組み立て部品と組み立て部品の運動量の合計が、第２組み立て部品と釣り合い重りの運動量の合計と実質的に同じである請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
更に、作動装置に接続されているベースと、
上記ベースに接続されている共通の中央支持部材とを含み、
上記共通の中央支持部材は、電気的に非導体であり、上記作動装置は、中空で、かつ、引き伸ばされたものであり、末端部分を有し、かつ、その末端部分からのびる複数のピンを備え、
上記ベースは、上記複数のピンを受ける大きさの対応する複数の装置を特定するものであり、上記作動装置とベースは機能的に接続されているものである請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
プローブを用いて標本の表面の特徴を抽出する装置であって、上記装置は、
作動装置により収納され、末端部分を有する第１組み立て部品であって、上記表面に対して伸張及び収縮を行うことのできるものと、
作動装置により収納され、末端部分を有する第２組み立て部品であって、上記表面に対して伸張及び収縮を行うことができるものと、
プローブの上記表面に対する位置に対応する信号を生成する検出器と、
上記検出器及び上記第１及び第２組み立て部品に機能的に接続された第１制御装置であって、上記第１及び第２組み立て備品の末端部分は、上記検出器の信号に応じて実質的に同期して拡張又は収縮し、第１予定速度でプローブを上記表面に関して移動させ、
上記第１制御装置及び作動装置に機能的に接続された第２制御装置であって、第２予定速度でプローブを上記表面に関して移動させるものであり、上記第１予定速度は第２予定速度よりも速いものである。
【請求項２６】
更に、上記標本に向かい、及び、離れる方向に動作できる作動装置を備える請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
更に、上記第１組み立て部品の末端部分に収納された取り付け部品を備え、上記取り付け部品は、（ｉ）プローブ取り付け台と、（ｉｉ）上記台に収納された固定端を持ち、上記固定端から配置された標本に向かって間隔を空けて設けられた針を含む片持ち棒のプローブと、第２組み立て部品の末端部分に収納される釣り合い重りを備える請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
上記第１組み立て部品と取り付け部品の運動量の合計が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの運動労の合計に実質的に等しい請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
上記第１組み立て部品と取り付け部品の質量の合計が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの質量の合計に実質的に等しい請求項２５に記載の装置。
【請求項３０】
上記第１組み立て部品と取り付け部品の質量の合計が、上記第２組み立て部品と釣り合い重りの質量の合計が異なる請求項２５に記載の装置。
【請求項３１】
上記第１及び第２制御装置が、比例動作、積分動作、微分動作を行う制御装置である請求項２５に記載の装置。
【請求項３２】
上記第１位制御装置は、検出信号に応じた第１制御信号を生成し、これにより、第１及び第２組み立て部品の末端部分を拡張又は収縮させ、かつ、第１制御信号は、第２制御信号を生成する第２制御装置に、標本表面に関して作動装置を動かす第２制御信号を生成させる請求項２５に記載の装置。
【請求項３３】
上記第２制御装置は、第１制御信号によって検出器の生成した信号がゼロに減少しない場合に、第２制御信号を生成する請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
上記第１組み立て部品は、動作範囲があり、第１制御装置及び第２制御装置は、第１組み立て部品をその動作範囲の実質的中心に維持する請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
上記第１制御装置は、検出器の信号に応じて第１制御信号を生成し、これにより、プローブを、１μｍの範囲内で標本表面に関して移動させ、第２制御装置に第２制御信号を生成さ、これにより、作動装置を１５μｍの範囲内で標本表面に関して移動させる請求項２５に記載の装置。
【請求項３６】
プローブを用いて標本の表面の特徴抽出を行う装置であって、上記装置は、
作動装置により収容され、かつ、表面に向かう方向及び離れる方向に、伸張及び収縮可能な末端部分を備える第１取り付け部材と、
作動装置により収容され、かつ、表面に向かう方向及び離れる方向に、伸張及び収縮可能な末端部分を備える第２取り付け部材と、
標本の表面に関してプローブの位置に対応する信号を生成する検出器と、
検出器と第１及び第２組み立て部品とに機能的に接続された第１制御装置であって、第１及び第２組み立て部品の末端部分を、検出器の信号に応じて伸張又は収縮し、かつ、プローブを表面に関して第１予定速度で移動させるものであり、上記第１及び第２組み立て部品の末端部分が、検出器からの信号に応じて、実質的に同期して共に伸張し、又は、共に収縮し、
検出器及び作動装置に機能的に接続された第２制御装置であって、上記作動装置に、表面に関してプローブを蒸気第１予定速度よりも速い第２予定速度で移動させるものである。
【請求項３７】
上記第１制御装置は、比例動作、積分動作、微分動作を行う制御装置であり、第２制御装置は、比例動作、積分動作、微分動作を行う制御装置であり、第１制御装置は、第２制御装置が作動装置に用意するよりも、第１及び第２組み立て部品に対して比較的迅速に応答を行うものである、請求項３６の装置。
【請求項３８】
更に、（ｉ）検出器に機能的に接続され、かつ、比較的高い周波数の信号を第１制御装置に出力するように、当該第１制御装置に機能的に接続されているハイパスフィルタと、（ｉｉ）検出器に機能的に接続され、かつ、比較的低い周波数の信号を第２制御装置に出力するように、当該第２制御装置に機能的に接続されているローパスフィルターとを備え、第１制御装置は、高い周波数の信号に応じて第１制御信号を生成し、これにより、第１及び第２組み立て部品の末端部分を伸張又は収縮させ、第２制御装置は、低い周波数の信号に応じて第２制御信号を生成し、標本の表面に向かう方向又は離れる方向に作動装置を動作させる請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
更に、（ｉ）検出器に機能的に接続され、かつ、比較的高い周波数の信号を第１制御装置に出力するように、当該第１制御装置に機能的に接続されているハイパスフィルタと、（ｉｉ）検出器に機能的に接続され、比較的低い信号を第２制御装置に出力するように、当該第２制御装置に機能的に接続されているローパスフィルタとを備え、第１制御装置は、高い周波数の信号に応じて第１制御信号を出力し、これにより、第１及び第２組み立て部品の末端部分を伸張又は収縮させ、約１μｍの範囲で標本の表面に関してプローブを移動させ、第２制御装置は、低い周波数の信号に応じて第２制御信号を生成し、標本の表面に向かう方向又は離れる横行に作動装置を動作させて、約１５μｍの範囲で標本の表面に関してプローブを移動させ、上記低い周波数の信号と高い周波数の信号は協同して標本表面に向けてプローブを移動させる請求項３６に記載の装置。
【請求項４０】
標本の表面に作用するプローブであって、速いＺ作動装置及び遅いＺ作動装置により標本の表面に関して移動されるプローブを有し、装置内の寄生的な共振を除去する方法であって、
プローブの位置に関する信号を第１制御信号に変換し、プローブを高速に移動させるＺ作動装置に出力し、
上記第１制御信号を第２制御信号に変換し、プローブを低速で移動させるＺ作動装置に出力し、
高速なＺ作動装置の運動量の釣り合いを取り、高速なＺ作動装置の正味の運動量の運動量をゼロする工程でなる。
【請求項４１】
高速で移動しているプローブにより第１制御信号がゼロの場合、第２制御信号はゼロである請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
速いＺ作動装置と同じ速度において、Ｚ作動装置の質量と同じで、かつ反対向きの質量により釣り合いが取られている請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
遅いＺ作動装置に結合されている速いＺ作動装置を有し、上記速い作動装置は、標本の表面に作用するプローブを動かすものである装置内において、寄生的な共振を除去する方法であって、
表面に関してプローブを移動する際に生じる速いＺ作動装置の運動量を、速いＺ作動装置において同期して生じた、上記Ｚ作動装置の運動量に等しく、かつ、反対の運動量によって、釣り合いを取る工程より成る方法。
【請求項４４】
上記等しく、かつ、反対の運動量は、速いＺ作動装置と同じ速度のときに、Ｚ作動装置の質量と同じ移動質量により生成される請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
上記等しく、かつ、反対の運動量は、速いＺ作動装置のＸ倍の速度で動作している時に、速いＺ作動装置の１／Ｘの移動質量により生成される請求項４３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、度量衡システムで使用する運動量の釣り合いが取られたプローブ・ケースに関し、特に、標本の表面をナノレベルで測定するのに用いられる走査プローブ顕微鏡に関する。特に、本発明は、埋め込みＺや非埋め込み平行フィードバックループなど、迅速かつ正確に標本の表面を走査するものに関する。また、本発明は、上記システムにおけるプローブ・ケースの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の装置の構成部品の小型化は、臨界表面の高解像度な特徴抽出をより重要にする。度量衡学の分野において、例えば、針の型彫器及び走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）といった、表面特性測定装置は、定型的な地形測量及び臨界表面の他の特性測定に用いられている。針の型彫器及び走査プローブ顕微鏡は、実際、製造工程中又は製造後に、半導体装置やデータ記録媒体等の工業装置の臨界表面を測定する点検具として、しばしば用いられている。経済的に実行するために、これらの針の型彫器及び走査プローブ顕微鏡は、迅速、かつ、正確に、繰り返し、高い信頼性を持って測定を行えなければならない。上記度量衡学の道具の正確さ、精密さ、再現性、信頼性は、特に強く求められているものである。上記表面特徴抽出装置は、製造されている製品及び装置よりも小さな寸法の特徴を、迅速、かつ、正確に表し、製造品質を確保し、製造上の問題を正確に調査分析する。製造工程で臨界形状が小さくなるため、要求された寸法を維持するには、走査プローブ顕微鏡及び針の型彫器の正確さと速さを改善する必要がある。
【０００３】
便宜上、以下に続く議論及び明細書は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を中心に行う。この点に関して、本発明により示された課題とその解法は、表面修正器具（surface-modification instrument）やマクロ作動装置（micro-actuated devices）を含む他の測定装置により導き出された問題に適用することもできる。
【０００４】
典型的なＡＦＭは、プローブを有する。上記プローブは、自在片持ち棒と、上記片持ち棒の自由な端に取り付けられている針を備える。上記プローブは、標本を有する共通の支持構造の上に典型的に取り付けられている走査台の上に、取り付けられている。典型的な走査台は、ＸＹ作動装置とＺ作動装置を含む。ここで、“Ｘ”、“Ｙ”は、水平なＸＹ平面を表し、“Ｚ”は、垂直方向を表す。“Ｘ”、“Ｙ”、“Ｚ”は、互いに直交する。典型的なＺ作動装置は、ＸＹ作動装置の上に取り付けられ、上記プローブを支持するものであり、これによりプローブをＸＹ平面に直交するＺ軸方向に移動する。（ＸＹＺ軸の定義は、一般的なものであるが、軸の名称及びその方向の選択は自由である。）
【０００５】
複数のＡＦＭは、接触モード及びタッピング・モードを含む異なる標本の特徴抽出モードにおいて使用される。接触モードにおいて、片持ち棒の針は、標本の表面に置かれ、片持ち棒の方向角は、針が標本の表面を走査することにより測定される。結果として得られる画像は、標本表面の詳しい形状図である。タッピング（ビィーコ器具（Veeco Instruments）社の登録商標である）モードにおける標本の特徴抽出において、片持ち棒は、その共振周波数付近で機械的に振動し、これにより、上記針は、標本の表面を繰り返したたく、換言すれば、標本に相互に作用し合う。実例として、エリング（Elings）等による米国特許Ｎｏ．５２６６８０１、Ｎｏ．５４１２９８０、Ｎｏ．５５１９２１２を参照。
何れの標本の特徴抽出モードにおいても、針と標本間の相互作用は、片持ち棒の方向角の振れ幅、位相、周期といった全てセンサにより測定されるプローブ・ベースの操作パラメータへの認識可能な影響を含むものである。この点に関して、結果として生じるセンサにより生成された信号は、特定のプローブ操作パラメータを一定に維持するため、Ｚ作動装置に対する帰還信号として用いられる。
接触モードにおいて、特定のパラメータは、片持ち棒の方向角である。タッピング・モードにおいて、特定のパラメータは、片持ち棒の振幅、位相及び周波数である。上記帰還信号は、また、表面の特徴抽出の測定に関して有益なものである。例えば、タッピング・モードにおいて、上記帰還信号は、片持ち棒の振幅を、標本の表面の高さや他の標本の特徴を抽出するために、一定に維持するのに用いられる。
【０００６】
生体の標本、ポリマー、フォトレジスト、金属、薄いフィルム、シリコンウェハ、及び、他の表面を分析する際において、標本の表面の特徴抽出を正確に行う能力は、しばしば、Ｘ又はＹ方向に走査する際に、表面を正確に測定するのに十分な速さで、表面に対して針を上下移動させるＡＦＭの能力により制限される。
この能力は、本質的な２つの理由により現在の装置では不充分である。
【０００７】
標本の表面上の大小全ての高さを正確に測定するため、Ｚ作動装置は、針を高さ方向に広い範囲にわたり移動する、即ち、垂直方向に大きく上下させる能力を持たねば成らない。これは、Ｚ作動装置が、この譲受人の３次元シリーズのＡＦＭヘッドのような走査チューブであるのか、あるいは、この譲受人の度量衡シリーズのＡＦＭヘッドのような屈曲したものであるのかによらず、最も大きな表面形状であっても十分に測定できるように針を上下移動させるのに十分な大きさを必要とするものである。
【０００８】
動作範囲の広い、大きなＺ作動装置は、質量が大きくなり、作動装置としての動作は比較的遅くなってしまう。遅い作動装置は、プローブや標本を傷つけることなく、又は、測定の制度を犠牲にすることなく、適当な速度でＸ又はＹ方向に走査している間、Ｚ方向に十分な速度で移動させることができない。走査時に針が標本を押さえつける力を最小にして、針及び／又は標本に傷がつくのを防ぐことは重要である。このため、Ｘ又はＹ方向における走査速度は、必要であれば、当然であるが、針を乱暴に標本にのせることなく、表面の形状に沿って上げるように移動させることができる程度の速度に落とすことになる。この制限を克服し、Ｚ作動装置の応答性を増す現在の技術の一つは、その帰還ループの利得を増加させることである。この技術は、限られた方位でのみ動作する。というのは、上記利得が適切な量を超えた場合、Ｚ作動装置は共振し始め、上記共振がＡＦＭを通り、寄生的な振動を生じ、像の低下を招くことになる。実際、重く、大きなＺ作動装置は、その固有の物理的な制限を回復することはできない。
【０００９】
他の試みにおいては、大きなＺ作動装置から本来導き出せる以上の能力を搾り出そうとするものではない。その代わり、単独の“高速”なＺ作動装置を用いる。上記高速なＺ作動装置は、帰還ループを備え、大きなＺ作動装置が遅くて追随できなかったような細かな面の変化に迅速に針を移動させることができるものでであり、速い走査速度においても高質の像を得ることができるものである。上記高速なＺ作動装置は、小型で、上記遅いＺ作動装置に比べて軽量である。この結果、高速なＺ作動装置は、遅いＺ作動装置よりも高速な自身の（又は分配された）帰還ループにおいて作動することができる。
【００１０】
高利得において、高速なＺ作動装置の高速な走査及び運動は、像の質を低下させる寄生的な振動を生じてしまう。高速なＺ作動装置により生じる慣性力の均衡を取る装置及び方法は、大きな利益であると共に、商業的な重要性を持つものである。
【００１１】
［目的及び発明の概要］
本発明の目的は、走査プローブ顕微鏡及び／又は針の型彫器用の新しい均衡運動量プローブ・ケースであって、現在商業的に入手可能な道具よりも細かな面の形状の高さを測定することができるものを提供することである。特に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いるプローブを提供することを目的とする。
【００１２】
本発明の別の目的は、高速走査時に表面形状の正確な画像を得ることのできるＡＦＭを提供することである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、ＡＦＭの寄生的な振動を伴うことなく、高速で走査をすることのできるＡＦＭを提供することである。
【００１４】
本発明の更に別の目的は、ＡＦＭ内の高速なＺ作動装置により生じる運動量の釣り合いを取り、寄生的な振動を伴うことなく高速作動することができるようにすることである。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、十分に軽量で、ＡＦＭの走査部の下端で使用できる高速作動装置を提供することである。
【００１６】
本発明の更に別の目的は、埋め込み型又は並列帰還ループにおける操作に最適化された高速作動装置を備えたＡＦＭを提供することである。
【００１７】
以上の目的は、本発明が提供する新規でかつ進歩したＡＦＭにより達成される。上記ＡＦＭは、単独の、高速なＺ作動装置であって、高速な帰還ループにおいて操作され、上記高速なＺ作動装置の運動量の均衡を取るものである。基本的な考え方は、プローブホルダーに同期して、しかし、逆の方向に動作している釣り合い重りの運動量を用いて、動作しているプローブホルダーの運動量との釣り合いを取るものである。この場合、高速なＺ作動装置の実質的な運動量はゼロになる。これにより、プローブの運動は、支持構造及び／又はＸＹＺ走査部品の寄生的な振動を励起しない。高速なＺ作動装置は、また、軽いため、大型で重い従来のＺ作動装置よりも迅速にＺ方向に関してプローブを置くことができる。上記プローブを置く場所は、高速な作動装置の搭載されたピエゾスタック又はフレクサの一部である。高速なＺ作動装置の小型で軽い利点を採用するため、従来のＺ作動装置の帰還ループを伴う埋め込み型、又は、並列帰還ループの何れにおいても、高速な帰還ループにおいて操作される。軽量で高速なＺ作動装置と、運動量の均衡の取れた装置の組み合わせは、ごく小さな表面の特徴を、従来の遅いＺ作動装置に比べて、高速に、かつ、非常に正確に走査することを可能にする。
【００１８】
本発明は、このように、通常、標本の表面形状を抽出するプローブを備えた装置に直接適用されるものである。上記装置は、ＡＦＭのように、Ｘ作動装置、Ｙ作動装置、及び、高速なＺ作動装置を有するが、輪郭測定器のように、Ｚ作動装置だけで構成されるものであっても良い。上記装置は、また、プローブの搭載された第２Ｚ作動装置を有する。第２Ｚ作動装置は、上記高速なＺ作動装置に結合されている。第２Ｚ作動装置は、さほど重くなく、このため、上記高速なＺ作動装置よりも迅速に応答する。プローブを移動させたとき、第２Ｚ作動装置の運動量は、均衡が取られ、この結果、その動作は、他の作動装置や支持部材に実質的な振動を伝達しない。
【００１９】
高速なＺ作動装置は、高速な第１及び第２Ｚ作動装置で成り、以下、適宜、下部作動装置及び上部作動装置とそれぞれ呼ぶ。上記２つの作動装置は、固定端部が共通の中央の支持部材に取り付けられるように配置されている。これにより、上部作動装置の上端部、及び、下部作動装置の下端部は、共に自由に動作することができる。測定用のプローブ、例えば、ＡＦＭの片持ち棒のプローブは、標本近くの下部作動装置の底又は端部に直接又は中間物質を介して間接的に取り付けられている。釣合い重りは、上部作動装置の頂部又は端部に取り付けられている。上部及び下部の高速なＺ作動装置は、互いに逆の方向に同期して動作するように配置されている。プローブ台、作動装置、及び、釣合い重りは、上下の作動装置において運動量の釣り合いが取れるように配置されている。最も簡単な例としては、上部作動装置の質量を下部の作動装置の質量と同じにして、釣合い重りの質量をプローブ台の質量と同じにする。これにより、２つの作動装置は、同時に、実質的に同じ方向（逆向き）に動作するように配置される。運動量は、同じであるが、逆向きであり、質量は整合されているため、正味の運動量は、実質的にゼロになる。これにより、周囲の部品に振動が伝えられることは無くなる。より複雑な配置において、運動量は、下部作動装置の半分の動作しかしないが、倍の運動量を生じる上部作動装置を配置することにより、又は、上部及び下部の高速な作動装置の速度と質量の適切な種々の組み合わせとなる上部作動装置を配置することにより、整合される。
【００２０】
ある実施例では、第１に、下部の作動装置は、共通の中央の支持部材とプローブ台の間に置かれた第１ピエゾスタックを含み、第２に、上部の作動装置は、釣合い重りと共通の中央の支持部材との間に置かれた第２ピエゾスタックを含む。
【００２１】
別の実施例では、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーは、組み込み型帰還制御システムに組み込まれる。他の実施例では、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーは、非組み込み型の並列帰還制御システムに組み込まれる。
【００２２】
双方の帰還システムにおいて、誤り信号がＺ作動装置に送られて、プローブを垂直方向に動かした場合、第１ピエゾスタックは、伸張し、又は、収縮してプローブを所望の高さに移動させる。同時に、第２ピエゾスタックも伸張し、又は、収縮する。第２ピエゾスタックの運動量、及び、その関連する成分は、第１ピエゾスタック及びプローブを含む関連する構成物の運動量と釣り合いが取られる。
【００２３】
結果として、正味の運動量、及び、大きなシステムに作用する正味の力は除去され、これにより、寄生的な発振を除去、即ち実質的に減少させることができる。埋め込まれた帰還制御システムにおいて、誤り信号は、ＰＩＤ制御装置等の制御装置を通り、第１Ｚ作動装置へと届けられ、プローブを動かす。残りの誤り信号は、遅いＺ作動装置に送られ、更に必要なだけプローブを移動させる。この方法により、プローブは、ごく小さな面の形状の高さを、迅速に追跡し、測定することができるようになり、一方では、大きな面の形状を測定することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
上に示唆したように、走査プローブ顕微鏡、針の型彫器、または、標本の表面の情報を取得し、記録し、処理することのできる他の装置等のプローブを用いる装置により、標本表面の特徴抽出が行われる。これら全ての適用例は、本発明の範囲内に含まれるものであり、好ましい実施例は、本発明を含む原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として記述されるが、他の走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を排除するものではない。
【００２５】
図１には、本発明の運動量の均衡の取られたプローブホルダーを内包するものであり、標本の表面のデータを取得し、上記表面のデータを記録し、かつ、所望された仕事を実行するため、上記データを処理する能力を持るＡＦＭを基礎とするシステムが記載されている。
【００２６】
ＡＦＭを基礎とするシステム（図１を参照）は、片持ち棒のアーム１０２が操作可能な状態で取り付けられているＸＹＺ作動装置１００を含む。針１０４は、片持ち棒１０２の残りの端に取り付けられており、チャック１１０に取り外し可能な状態で取り付けられている標本１０８の表面１０６の特徴抽出を行う。
【００２７】
変位センサ１１２は、表面１０６上における針１０４の移動を検出し、標本の測定した固有値、例えば、標本表面の形状を表す値に比例する信号を生成する。変位センサ１１２の出力は、周知の技術により、ＡＦＭ制御／コンピュータシステム１１６に送られる。制御システム１１６は、走査及び制御信号をＸＹＺ作動装置１００に出力する。複数のＡＦＭは、通常、針１０４が標本表面１０６をなぞる力を一定（しばしば最小値）に維持しようとするモードで操作される。これは、通常、ＸＹＺ作動装置がプローブを走査するのと同じように、変位センサの出力を一定にする帰還ループを配置することにより達成される。これにより、針１０４は、標本表面１０６の重要な領域を一定の力でなぞることができる。なぞる力を一定に維持するため、ＸＹＺ作動装置１００のＺ軸方向に関する部分では、プローブ１０２を上下に動かす。本発明では、この垂直方向の動作は、ＸＹＺ作動装置のＺ軸方向に関する部分、及び／又は、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４により、標本表面１０６に沿って針１０４を昇降することによって、達成される。
【００２８】
変位センサ１１２は、レーザ及び光検出器を備えており、これらの両方は、以下、図８及び図９を用いて詳細に説明される。変位センサ１１２からの信号は、例えば、方向角、振幅、周波数、位相、又は、片持ち棒１０２及び針１０４が、標本表面１０６近傍又はこれに接しながら移動する際のこれらに類するパラメータを決めるのに用いられる。画像表示装置１１８は、機能的にコンピュータ１１６に接続されており、コンピュータ１１６からの信号に応じてビデオ映像を表示することができる。コンピュータ１１６は、また、標本画像を後で見たり解析するために保存する。
【００２９】
図２は、ＸＹＺ作動装置１００に取り付けられた本発明の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４であって、この譲受人が３次元チューブ・スキャナと呼ぶスキャン管の形態を取るものを側方より描いたものである。ＸＹＺ作動装置１００は、標準のピエゾ・チューブ・スキャナであり、円柱状のＸ、Ｙピエゾ成分で成る従来のＸＹ作動装置１２０と、円柱状のＺピエゾ成分で成るＺ作動装置１２２を含む。ＸＹ作動装置１２０は、針１０４を、標本の表面１０６の“Ｘ”，“Ｙ”方向に移動させるために適用されている。Ｚ作動装置１２２は、針１０４を、標本の表面１０６の“Ｚ”（即ち高さ）方向に移動させるために適用されている。運動量の釣り合いの取られているプローブホルダー１１４は、Ｚ作動装置１２２の下端部に取り付けられている。
【００３０】
図３は、別の実施例の、この譲受人が本発明のプローブホルダ１１４を用いる３次元度量衡スキャナと呼ぶ、曲がった形状のＸＹＺ作動装置１００Ａの概略を示す図である。好ましい実施例のＸＹ作動装置１２０Ａの成分は、Ｘ作動装置１２４及びＹ作動装置１２６を含む。Ｚ作動装置１２２Ａは、Ｙ作動装置１２６に取り付けられている。Ｙ作動装置１２６は、Ｘ作動装置１２４に取り付けられている。Ｘ作動装置１２４は、コネクタ１２８に取り付けられている。上記コネクタ１２８は、Ｘ作動装置１２４、Ｙ作動装置１２６、及び、Ｚ作動装置１２２Ａを標本表面の特徴を抽出する装置に取り付けるためのものである。
【００３１】
運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４は、作動装置１２２Ａの下端部に取り付けられている。Ｘ，Ｙ，Ｚの各作動装置１２４，１２６、１２２Ａは、それぞれ、標準で、標本の表面に沿ってプローブホルダー１１４を動かすため、フレクサ（flexure）内に取り付けられているピエゾ成分、即ち、ピエゾスタック１３０，１３２，１３４を含む。この目的のため、図示するように、Ｘ方向の作動装置であるピエゾスタック１３０及びＹ方向の作動装置であるピエゾスタック１３２は、各々、Ｘ，Ｙフレクサ１２４，１２６内に斜めに取り付けられており、Ｚ方向のピエゾスタック１３４は、フレクサ１２２Ａ内にＺ方向に取り付けられている。操作時、各ピエゾ成分、即ち、ピエゾスタック１３０，１３２，１３４は、活性化され、上記ピエゾスタック１３０，１３２，１３４は、拡張又は収縮し、標本１０８の表面１０６に沿って運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４を動かすように、各フレクサを撓ませる。
【００３２】
図４及び図５は、Ｚ作動装置１２２を描いたものである。Ｚ作動装置１２２は、引きのばされたピエゾ・チューブ・スキャナであって、従来のピエゾ材でなる中空の管である。Ｚ作動装置１２２の下側の終端部１３６は、当該終端部１３６から伸びる複数のピン１３８を含む。運動量の釣り合いの取られた新規のプローブホルダー１１４は、ベース、即ち、ホルダー１４０を含む。当該ホルダー１４０は、対応する複数の装置、即ち、ソケット１４２を特定する。当該ソケット１４２は、複数のピン１３８を受け、Ｚ作動装置１２２とベース１４０とを機能的に接続するものである。更に、図５において、ベース１４０は、プローブホルダー１１４の（後に詳しく説明する）他の組み立て部品１４６，１５４を通す、中央に設けた開口部１７２を特定する。更には、Ｚ作動装置１２２の終端部１３６は、好ましくは、図５に示すように、作動装置１００が、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４に取り付けられた時、プローブホルダー１１４に、一致する、中央に設けた開口部１７４を含む。
【００３３】
図６及び図７は、図２及び図４に基づく、本発明の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーの好ましい実施例の分解斜視図である。図示された、本発明の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４Ａは、ホルダー、即ち、作動装置１００に取り付けられたベース１４０（図５を参照）、及び、上記ホルダー、即ち、ベース１４０に接続された共通の中央支持部材１４４で構成される。ベース、即ち、ホルダー１４０は、本発明の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４の第１の好ましい実施例の成分及び要素の残りを明確に記すため、図６には示していない。
【００３４】
運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４Ａは、更に、好ましくはピエゾスタック１４７で成る第１組み立て部品１４６で構成される。第１組み立て部品１４６は、共通の中央支持部材１４４の中央の凹所１４５に収納されている。第１ピエゾスタック１４７は、標本に向かって配置されている末端部分１４８を有し、Ｚ軸方向に伸張及び収縮することができるものである。プローブホルダー１１４Ａは、更に、好ましくはピエゾスタック１５１で成る第２組み立て部品１５０で構成される。第２組み立て部品１５０は、共通の中央支持部材１４４の反対側１４５’に収納されている。第２ピエゾスタック１５１は、標本から離れる方向に配置されている自由端１５２を有し、Ｚ軸方向に伸張及び収縮することができるものである。
【００３５】
第１及び第２組み立て部品１４６，１５０は、択一的に、ピエゾ電気チューブやピエゾ電気バイモルフといった他のピエゾ作動装置で構成しても良い。第１及び第２組み立て部品１４６，１５０は、また、ボイズコイル作動装置、静電気作動装置、電気制限型（electrorestrictive）作動装置、磁力制限型（magnetorestrictive）作動装置、又は、その他の適当な部品で構成しても良い。
【００３６】
第１及び第２組み立て部品１４６，１５０は、各々プローブホルダー１１４Ａの質量を最小にするが、所望された標本の表面の特徴抽出効果が得られるような質量を持つ。操作時、第１及び第２作動装置の組み立て部品１４６，１５０の自由端１４８，１５２は、後に詳しく説明する検出器からの信号に同期して応答し、共に拡張又は収縮する。更に、好ましい実施例では、作動装置の第１及び第２組み立て部品の質量は、標本の表面の特徴抽出を行っている期間中のプローブホルダー１１４Ａの操作時のピエゾスタック１４７及び１５１の運動量を釣り合わせるため、実質的に同じである。代わりの実施例において、作動装置の組み立て部品の質量は、２つの作動装置の動作範囲が異なる場合には、異なる値であっても良い。例えば、上部の作動装置の組み立て部品１５０が下部の作動装置の組み立て部品の半分の間隔で動作するように配置されている場合、上部の作動装置の組み立て部品１５０は、下部の作動装置の組み立て部品の２倍の質量にする。製品の速さに応じた倍数分の質量を有する他の効果的な組み合わせが、適宜使用される。
【００３７】
プローブホルダー１１４Ａは、更に、下部の作動装置の組み立て部品１４６の自由端１４８により収納されるプローブ取り付け部品１５４を備える。プローブ取り付け部品１５４は、プローブ取り付け台１５６、及び、当該台１５６に収納される片持ち棒のプローブ１５８で構成される。片持ち棒のプローブ１５８は、片持ち棒の基板１６０と、当該基板に収納される片持ち棒のアーム１０２とで構成される。片持ち棒のプローブ１５８は、共に図１に示されている片持ち棒のアーム１０２と、針１０４（図示せず）とを含む。プローブホルダー１１４Ａ（図示せず）は、更に、第２作動装置の組み立て部品１５０の末端部分１５２に収納された釣り合い重り１６２を含む。プローブ取り付け部品１５４と釣り合い重り１６２は、実質的に同じ質量、又は、上述したように、第１及び第２作動装置の組み立て部品の運動量が釣り合うように選択された質量を持つ。
【００３８】
組み立てられた時、アルミナ絶縁層（図示せず）が、共通の中央の支持部材１４４及び第１ピエゾスタック１４７の間、共通の中央の支持部材１４４及び第２ピエゾスタック１５１の間、第１ピエゾスタック１４７及びプローブ取り付け台１５６の間に配置される。上記絶縁層は、特に、共通の中央の支持部材が導電体でない場合には、無くても良い。
【００３９】
操作時、Ｚ作動信号により活性化された場合、第１及び第２ピエゾスタック１４７，１５９の各々は、Ｚ方向（従来通りの上下、又は、図に示す方向）に拡張又は収縮する。更に、第１及び第２ピエゾスタック１４７，１５０は、逆の向きに動かされる。これは、同一の制御信号が上記２つのピエゾスタックを逆方向に動かすように、ピエゾスタックの向きを合わせることにより達成される。または、反対の制御信号が、同じ向きで同じピエゾ極性の２つのピエゾスタックを逆方向に動かすように、ピエゾスタックの向きを合わせることにより達成される。また、各ピエゾスタックへの制御信号の値を測定することが、２つのピエゾスタックの間の感度（応答特性）の違いを補償するのに望ましい。このようにして、作動す地の組み立て部品１４６と１５０の伸張及び収縮の運動量は釣り合いがとられる。これは、当業者により直ちに実行できるものである。
【００４０】
このように、タッピング（登録商標）モード、又は、ＭＦＭ（磁気モード顕微鏡法）のようなＡ．Ｃ．画像モードを実行するため、片持ち棒のアーム１０２の共振周波数と実質的に同じ周波数の信号が、Ｚ作動装置駆動信号と共に上記第１ピエゾスタック１４７に与えられる。この方法により、第１ピエゾスタック１４７は、針１０４をＺ方向に動かすだけでなく、標本の表面で共振して、これをたたく。換言すれば、種々のＡ．Ｃ．画像モードにより標本の情報を取得することができる。
【００４１】
図７は、本発明の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーの別の実施例の分解斜視図である。ベース、即ちホルダー１４０は、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーの第２の好ましい実施例の成分又は要素の残りのものを明確に表すため、図示していない。
【００４２】
図７の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４Ｂは、上述した本発明の運動量のつりあいのとられたプローブホルダーであって、分離したタッピング・ピエゾの組み立て部品を備えるものに似ている。このように、図７において、第１組み立て部品１４６は、好ましくは、共通の中央支持部材１４４及びプローブ取り付け部品１５４Ａの間に第１ピエゾスタック１４７を含む。同様に、第２組み立て部品１５０は、釣り合い重り１６２Ａ及び共通の中央支持部材１４４の間に置かれた第２ピエゾスタック１５１を含む。
【００４３】
図７に示すプローブ取り付け部材１５４Ａは、更に、好ましくは、第１ピエゾスタック１４７及びプローブ取り付け台１５６の間に設けられる発振ピエゾ要素１８０を含むものである。発振ピエゾ要素１８０は、通常、共振周波数又はその近傍で片持ち棒のプローブを発振するのに用いられる。分離したピエゾ要素１８０を用いることは、片持ち棒のアーム１０２の共振周波数に実質的に等しい周波数の信号を励起し、タッピング・ピエゾ要素を持たない図６に示した装置に比べて強度を高めることになる。また、タッピングは、第１ピエゾスタック１４７に印加される第１Ｚ作動装置用の信号にタッピング信号を結合することにより実現される。
【００４４】
絶縁体は、必要ではないが、片方に加えるのではなく、発振ピエゾ要素１８０の両側に用いる。
【００４５】
好ましい実施例において、釣り合い重り１６２Ａは、実質的にプローブ取り付け部材１５４Ａ（タッピングピエゾ要素１８０を含む）の質量に等しく、上述した運動量の釣合いを取る効果を達成する。別の実施例において、釣り合い重り１６２Ａ、及び、プローブ取り付け部材１５４Ａの質量は、違うものであっても良い。ただし、組み立て部品の運動量が実質的に釣り合うものであることが必要である。例えば、釣り合い重り１６２Ａがプローブ取り付け部材１５４Ａの倍の質量である場合、下部の作動装置は、上部の作動装置の倍の量だけ粗く動かす。他の効果的な組み合わせ及び動作範囲は、適切に用いられるだろう。
【００４６】
適切な商業上の利用可能な接着剤は、好ましくは、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４Ａ、１１４Ｂの隣接する成分が一緒又はそうでない場合であっても、合成接着剤である。上記成分は、また、半田付けされ、溶接され、真鍮で繋ぎ合わされ、機械的に締め付けられ、押し付けられ、又は、他の均等な方法により保持されてもよい。
【００４７】
図８は、図１の方法及び装置の好ましい実施例を示す図である。描かれている装置は、操作時ＸＹＺ作動装置１００（図２）を含み、ＸＹＺ作動装置の１００を構成するＺ作動装置１２２は、標本１０８に向かって、及び、離れるように、表面１０６の特徴を抽出するために、択一的に、伸張することができる。上述した通り、ある好ましいＺ作動装置は、引き伸ばされた、管状の、中空のＺ作動装置１２２（図４及び図５を参照）である。中空のＺ作動装置１２２の側面には、十分に大きな切抜き部分１８８が設けられている。これにより、光源（図示せず）からのレーザのようなライトビーム１８９は、中空のＺ作動装置１２２を縦に通り、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４の片持ち棒のアーム１０２で反射し、検出器１９０に到達する。検出器１９０は、針１０４の変位又は振れの程度に相関する信号を生成するのに適したものである。
【００４８】
図８は、また、埋め込み型の帰還ループシステムを描いたものである。当該システムは、上述した運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４、検出器１９０、増幅器１９６、差動増幅器１９７、第１及び第２制御装置１９２，１９４、並びに、光学増幅器１９８で構成されている。第１制御装置１９２は、好ましくは、標準のＰＩＤ制御装置であり、差動増幅器１９７の出力に、機能的に作用するように、接続されている。差動増幅器１９７は、検出器１９０の増幅された出力と、標準の設定された地点の電位との差を出力する。第１制御装置１９２は、光学増幅器１９８を介してプローブホルダー１１４の第１及び第２ピエゾスタック１４７，１５１に接続されており、これにより、第１及び第２ピエゾスタック１４７，１５１の末端部分１４８，１５２を、増幅器１９７からの誤り信号に応じて同時に拡張又は収縮させて、針１０４を、標本１０８の表面１０６に向かう方向又は離れる方向に、第１予定速度で動かす。第１ピエゾスタック１４７と共に第２ピエゾスタック１５１を同時に操作することにより、拡張又は収縮時にピエゾスタック１４７により生じる運動量の取り合いを取ることができる。この利点は、装置全体における所望しない有害な寄生的な振動を除去することができることである。
【００４９】
第２制御装置１９４は、また、好ましくは、ＰＩＤ制御装置であり、第１制御装置１９２の出力、及び、ＸＹＺ作動装置１００の入力に機能的に接続されており、これにより、作動装置１００の内の拡張可能なＺ作動装置１２２を、以下に述べるように、プローブホルダー１１４のピエゾスタック１４７，１５１の操作により、全ての誤り信号がゼロに成っていない時に、プローブホルダー１１４の針１０４を、標本１０８の表面１０６に向かう方向又は離れる方向に、第２予定速度で動かす。
【００５０】
第１予定速度は、第２予定速度よりも大きな値である。換言すれば、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダー１１４の第１ピエゾスタック１４７（高速なＺ作動装置）は、Ｚ作動装置１２２よりも素早く針１０４を標本に向かう方向又は離れる方向に移動する。これは、プローブホルダー１１４がＺ作動装置よりも十分軽いからであり、高速な帰還ループがＺ作動装置の遅い帰還ループに比べて高速に走査できるからである。高速な帰還ループは、機能的に結合された、検出器１９０、増幅器１９６、差動増幅器１９７、第１制御装置１９２、光学増幅器１９８、及び、第１ピエゾスタック１４７で構成されている。高速な帰還ループは、Ｚ作動装置１２２の遅い帰還ループに比べて速い速度で機能する。遅い帰還ループは、機能的に結合された、検出器１９０、増幅器１９６、差動増幅器１９７、第１制御装置１９２、第２制御装置１９４、及び、遅いＺ作動装置１２２で構成されている。プローブホルダー１１４は、反対側の端部における運動量の釣り合いをとるように設計されている。これは、十分な利点である。というのは、結合部分から作動装置１００及び残りの装置へと向かう、プローブホルダー１１４から迷い出た振動を保持しているからである。
【００５１】
現在の形態において、図８及び図９に示した装置では、表面１０６に向かう方向及び離れる方向におけるＺ作動装置１２２の差動範囲は、約１５μｍであり、プローブホルダー１１４の第１ピエゾスタック１４７の表面１０６に向かう方向、及び、離れる方向における動作範囲は、約１μｍである。プローブホルダー１１４の第１ピエゾスタックに対するプローブの動作範囲は、約１μｍに限定されているため、プローブを、実際上、（第１ピエゾスタック１４７の全差動範囲の半分である）５００ｎｍ以上の表面の形状を明確にするのに必要な量だけ移動させることができない。この状況で、差動増幅器１９７からの誤り信号は、ゼロにすることはできず、残りの誤り信号は、第２制御装置１９４に出力される。第２制御装置１９４は、遅いＺ作動装置１２２に信号を出力して、走査された表面の形状を追跡又は明確にするように、プローブを動かす。
【００５２】
好ましくは、第２制御装置１９４に入力される残りの誤り信号は、Ｚ作動装置１２２に、針１０４を第１ピエゾスタック１４７の動作範囲（１μｍ）の中間に維持させる。片持ち棒のプローブ１５８は、第１ピエゾスタック１４７の上に取り付けられた片持ち棒のアーム１０２及び針１０４を備える。この方法において、プローブホルダー１１４は、また、特に第１ピエゾスタック１４７において、標本に向かう方向又は離れる方向に、十分に有効な動作範囲を持ち、可能な限り高速なＺ作動を供するように、Ｚ軸方向に迅速にプローブを移動すことができる。これは、確実に、針１０４を、高速な走査速度において最も小さな表面形状に追随できるようにするものである。重要なことは、第２ピエゾスタック１５１が第１ピエゾスタック１４７の運動量の釣り合いを取ることにより、それらのことが、残りの装置に寄生的な振動を与えずに実行できることである。
【００５３】
図９は、図１に示した標本１０８の表面１０６の特徴抽出を行う方法及び装置の別の実施例を示す図である。図示している装置（図９）は、操作時において、ＸＹＺ作動装置１００（図２）を含み、ＸＹＺ作動装置１００の内のＺ作動装置１２２は、択一的に、標本１０８に向かう方向及び離れる方向の何れにも伸張可能であり、標本１０８の表面１０６の特徴抽出を行う。
【００５４】
また、図８の説明に関連して、光源（図示せず）からのライトビーム１８９は、プローブホルダー１１４の片持ち棒のアーム１０２で反射して、検出器１９０に到達する。検出器１９０は、針１０４が標本の表面１０６をなぞる力を制御するため、片持ち棒のアーム１０２の変位及び振幅を特定する。
【００５５】
更に、図９は、非埋め込み型の並列帰還システムを示しており、当該システムは、上述した新規のプローブホルダー１１４、検出器１９０、増幅器１９６Ａ、作動増幅器１９７Ａ、ハイパスフィルタ２００、ロ−パスフィルタ２０２、並びに、第１及び第２制御装置１９２Ａ，１９４Ａで構成される。非埋め込み型の帰還システム（図９）の成分は、実質的には、以下のものを除いては、上述した埋め込み型の帰還制御システム（図８）において説明した。第１制御装置１９２Ａには、差動増幅器１９７Ａからの誤り信号がハイパスフィルタ１００によりろ波された後に入力される。第１制御装置１９２Ａの出力は、増幅器１９８Ａを通り、ピエゾスタック１４７に与えられる。これにより、ピエゾスタック１４７は、標本の表面１０６に向かう方向又は離れる方向に、針１０４を第１予定速度で移動させる。
【００５６】
操作時において、第１制御装置１９２Ａは、ハイパスフィルタ２００からの高い周波数成分に応答する第１制御信号を出力し、これにより、第１及び第２組み立て部品１４６，１５０（図６、図７）の末端部分１４８，１５２を拡張又は収縮させて、１μｍの動作範囲で、かつ、速い速度で標本の表面（１０６）に針１０４をなぞらせる。第１制御装置１９４Ａは、ローパスフィルタ２０２からの誤り信号の低い周波数成分に応答する第２制御信号を出力し、これにより、遅い従来の速度で１５μの動作範囲で、標本表面１０６に向かう方向又は離れる方向に針１０４を動かす。
【００５７】
これに関し、第１及び第２制御装置１９２Ａ及び１９４Ａの出力は、それぞれのＺ作動装置（ピエゾスタック１４７及びＺ作動装置１２２である）を通る。これらのＺ作動装置は、正確に測定できるが十分に速く、共同して針１０４を標本の上の適切な高さに動かす。
【００５８】
当業者には理解できるが、埋め込み型の帰還制御及び非埋め込み型の帰還制御システム用の第１及び第２制御装置１９２，１９２Ａ，１９４，１９４Ａは、必要な場合、マイクロコンピュータ又はマイクロプロセッサを用いる。
【００５９】
このように、本発明は、比較的早い高精細な標本の走査及び特徴抽出を可能にするものであり、無用の振動やシステムを不安定にすることなく、従来のシステムが提供してたものに比べて十分に速い標本の追跡を可能にするものである。
【００６０】
ここに記載されたものは、埋め込み型の帰還制御システム又は非埋め込み型の帰還制御システムに用いられた、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーである。しかしながら、いくつかの粉しい実施例と共に説明された運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーは、これらの実施例に限定されるものではない。特に、当業者であれば理解できるように、機能的な代替物は、この明細書を読んだ後に明らかとなるはずである。従って、このような全ての機能的な均等物、代替物、及び／又は、改良物は、添付する特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれるものとして、本発明の一部を形成する限りにおいて考慮されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】プローブと標本表面の距離を制御するための好ましい方法及びシステムを示す図である。図１に示すシステムは、原子間力顕微鏡、パーソナルコンピュータ、及び、上記コンピュータに接続して標本の表面の特徴抽出情報を視覚的に表示する表示装置とを含む。
【図２】図１から選択した部品を拡大して描いたものである。
【図３】本発明の異なる実施例の概略図である。
【図４】図２から選択した部品を拡大して描いたものである。
【図５】図４の斜視図であって、図２よりも拡大して描いたものである。
【図６】図４の内、運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーの分解斜視図を拡大して描いたものである。
【図７】図４の内、別の運動量の釣り合いの取られたプローブホルダーの分解斜視図を拡大して描いたものである。
【図８】標本の表面の特徴を抽出する好ましい方法及び装置の実施例を示す図である。
【図９】標本の表面の特徴を抽出する他の好ましい方法及び装置の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  ＸＹＺ作動装置、１０２  片持ち棒のアーム、１０４  針、１０６  標本表面、１０８  標本、１１４  プローブホルダー、１２２  Ｚ作動装置、１３０，１３２，１３４  ピエゾ・スタック、１４４  共通の中央の支持部材、１４６  第１組み立て部品、１５０  第２組み立て部品、１５４  プローブ取り付け部品、１５６  プローブ取り付け台、１５８  プローブ、１６２Ａ  釣り合い重り、１９２，１９２Ａ  第１制御装置、１９４，１９４Ａ  第２制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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