(57)【要約】本発明は、走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置に関する。この作動および検知装置は、２つのピンを有する音叉（２１）と、たとえばばね手段である接続手段（２３）と、探針先端部（２２）とを含む。この先端部（２２）は、接続手段（２３）によって音叉（２１）のピン双方に接続される。音叉（２１）は、振動する機械的共振器として使用される。ピンの運動は接続手段（２３）を介して先端部（２２）の運動に変換され、この先端部の運動面はピンの運動面と異ならせることができる。
2004528569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置であって、２つのピン（４６、７６、１０６、２０６、３０６）を有する音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）と、探針先端部（２２、３２、４２、６２、８２、２０２、３０２）を有する接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３）とを含み、
先端部（２２、３２、４２、６２、８２、２０２、３０２）は、接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）を介して音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）の前記２つのピン（４６、７６、１０６、２０６、３０６）双方に接続される、走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置。
【請求項２】
接続手段（２３、３３、８３、１０３）は、本質的に前記接続手段（２３、３３、８３、１０３、２０３、３０３）の対称軸である規定軸を備えた形状を有し、前記対象軸は、音叉（２１、３１、８１、２０１）の対称軸上に配置されるまたは平行である、請求項１に記載の作動および検知装置。
【請求項３】
接続手段（４３、６３）は、本質的に前記接続手段（４３、６３）の対称軸である規定軸を備えた形状を有し、前記対称軸は音叉（４１、６１）の対称軸に垂直である、請求項１に記載の作動および検知装置。
【請求項４】
先端部（６２、８２、２０２、３０２）が向く方向は、接続手段（６３、８３）の対称軸に平行である、請求項２または３に記載の作動および検知装置。
【請求項５】
先端部（２２、３２、４２、２０２、３０２）が向く方向は、接続手段（２３、３３、４３、１０３）の対称軸に垂直である、請求項２または３に記載の作動および検知装置。
【請求項６】
先端部の、音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）の２つのピン（４６、７６、１０６、２０６、３０６）への前記接続に加え、さらなる接続点（２０９、３０９）を特徴とし、このさらなる接続点で、プローブ先端部（２２、３２、４２、２０２、３０２）は接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）を介して音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）に接続される、請求項１または２に記載の作動および検知装置。
【請求項７】
先端部の、音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）の２つのピン（４６、７６、１０６、２０６、３０６）への前記接続に加え、さらなる接続点（２０９、３０９）を特徴とし、このさらなる接続点で、プローブ先端部（２２、３２、４２、２０２、３０２）は接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）を介して音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）に接続される、請求項１または３に記載の作動および検知装置。
【請求項８】
前記さらなる接続点（２０９、３０９）は、作動および検知装置へのまたは作動および検知装置からの外部信号の結合のための結合手段として使用され、前記外部信号は好ましくは音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）の駆動信号から独立したものである、請求項６または７に記載の作動および検知装置。
【請求項９】
音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）の運動は、前記接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）を用いて先端部（２２、３２、４２、６２、８２、２０２、３０２）の運動に変換される、請求項１から８のいずれかに記載の作動および検知装置。
【請求項１０】
音叉（２１、３１、４１、６１、８１、９１、２０１）のピン（４６、７６、１０６、２０６、３０６）の運動面は、先端部（２２、３２、４２、６２、８２、２０２、３０２）の運動面と異なる、請求項９に記載の作動および検知装置。
【請求項１１】
前記接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）は、前記接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）の対称軸または対象面に関して対称である、請求項１から１０のいずれかに記載の作動および検知装置。
【請求項１２】
前記接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３）はＵ字型またはＶ字型である、請求項１１に記載の作動および検知装置。
【請求項１３】
前記接続手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）および先端部（２２、３２、４２、６２、８２、２０２、３０２）は同じ材料を含む、請求項１から１２のいずれかに記載の作動および検知装置。
【請求項１４】
前記接続手段はばね手段（２３、３３、４３、６３、８３、９３、１０３、２０３、３０３）である、請求項１から１３のいずれかに記載の作動および検知装置。
【請求項１５】
ばね手段は、板またはリーフばね（２３、４３、１０３、２０３、３０３）、固体材料であって弾性を有するワイヤまたはストリップ（６３、８３）である、請求項１４に記載の作動および検知装置。
【請求項１６】
板ばね（２３、４３、１０３）の全長は１５０−６５０μｍであり、前記板ばねの２つの脚（２５、３５）の幅ｗは３０−１００μｍであり、これらの脚（２５、３５）の各々は、音叉（２１、３１、４１、９１）のピン（４６、１０６）に取付けられる、請求項１５に記載の作動および検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は走査プローブ顕微鏡の分野に関する。より具体的には、本発明は独立クレームに開示された走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
微細加工され、探針先端部が取付けられたカンチレバーは、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）といった走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の主な構成部品の１つである。ＳＰＭの測定モードはいわゆる「動的」モードである。このモードでは、先端部を試料表面に接近させ、カンチレバーをその共振周波数に近い周波数で振動させる。他の測定モード、たとえばいわゆる「タッピング」または間欠コンタクトモードでは、先端部を、カンチレバーが振動しているときに、表面に接触させる。試料を走査する間に、先端部と試料表面の特徴との間の距離が変動する。この変動が、先端部と表面との間の、たとえばファンデルワールス力といった相互作用力の勾配の変化を引き起こす。結果として生じる、カンチレバーの機械的特性、たとえば共振周波数、位相、振動振幅およびＱ値の変化を、たとえば偏光検出システムといった外部システムを用いて検出する。通常、カンチレバーと試料表面との間の距離をフィードバックシステムによって制御して固有の特性を一定値に保つ。
【０００３】
典型的には、カンチレバーを、カンチレバーチップに取付けられた圧電スラブを用いて振動させる。タッピングモードで使用される、従来のカンチレバーのばね定数ｋは通常、振動周波数５−３００ｋＨｚの場合、ｋ＝１−１００Ｎ／ｍである。ばね定数の低いカンチレバーが好ましい。その理由は、ばね定数が低ければ、先端部の動作中の損傷または磨耗が少ないからである。高スループットまたは高速ＳＰＭ測定においては、共振周波数の高いカンチレバーが好ましい。一例として、もし十分な振動振幅、たとえば１μｍまでの振動振幅が与えられていないならば、たとえばばね定数が０．１Ｎ／ｍ未満の値の場合、非常に軟らかいカンチレバーを、空気中での動的モードの測定に使用することは難しい。試料表面の水は、たとえば先端部を表面に拘束し、２度と解放しない。カンチレバーに取付けられた圧電スラブは、もしカンチレバーをそのカンチレバーの第１の共振周波数と異なる周波数で振動させていれば、先端部を効果的に十分に励起させることができない。このようなシステムの、すなわち圧電スラブおよびカンチレバーチップの周波数は、このシステムの第１の共振周波数より高い周波数では効果的でない。
【０００４】
ＳＰＭの他の実現化例においては、微細加工されたカンチレバーの代わりに、水晶音叉が使用される。音叉は、主として電子回路のために開発された電気的構成部品である。音叉は、大きさが数ｍｍの小さな機械的共振器であり、Ｑ値が非常に高い、すなわち、加えられた力に対する感度が非常に高い。音叉は、たとえば電気コンダクタンスの測定により共振特性を比較的容易に利用できるため、ＳＰＭ応用例には魅力ある候補である。音叉を用いるＳＰＭ応用例では、ＳＰＭ先端部を、音叉のピンの一方に取付ける。この先端部は、たとえば文献米国特許６，０９４，９７１号および欧州特許第０８６４８４６号に開示されているように、ピンに対して横向きにまたはピンの上端に取付けられる。このようなカンチレバーシステムの欠点は、先端部が音叉のピンの一方に直接固定されていることが原因である。音叉の対称性が崩れるのである。このために、機械的Ｑ値が減少し、加えられた力に対する感度が低くなる。さらに、先端部の振動振幅は常に音叉自身の振動振幅と同一である。加えて、こういったプローブは、従来の微細加工されたカンチレバーと比較して非常に硬い、すなわち、先端部は動作中簡単に損傷してしまう。音叉共振器のピンの典型的なばね定数は、共振周波数が約３０ｋＨｚの場合、１．８ｋＮ／ｍである。
【０００５】
本発明の目的は、既存の走査プローブ顕微鏡の、特に音叉共振器を用いる走査プローブ顕微鏡の欠点を克服する、走査プローブ顕微鏡のための作動および検知装置を提供することである。
【０００６】
特に、本発明の目的は、音叉および微細加工されたカンチレバーを含む、作動および検知装置を提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、従来技術の音叉共振器のＱ値および／または共振周波数を向上させる、対称型作動および検知装置を提供することである。
【０００８】
上記の目的は、請求の範囲で規定された作動および検知装置によって達成される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
本発明の作動および検知装置は、たとえば音叉といった、２つのピンを有するフォーク状の装置と、探針先端部を備えた接続手段とを含み、先端部は、この接続手段を介してフォーク状の装置の上記２つのピン双方に接続される。このフォーク状の装置は、振動する機械的共振器として使用される。ピンの運動は、上記接続手段を介して、探針先端部の運動に変換され、この先端部の運動面は、ピンの運動面と異ならせることができる。作動および検知装置は、好ましくは、たとえば原子間力顕微鏡といった走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）において用いられる。
【００１０】
先端部が音叉の２つのピンに接続されていることの１つの利点は、音叉の対称性が維持できることである。このようにして、音叉のＱ値を、従来技術の音叉ＳＰＭのＱ値より大幅に高くすることができ、たとえば、音叉は加えられた力に対する感度が遥かに高い。
【００１１】
先端部は、たとえば板ばねまたはリーフばね、シート材料、フォイルまたはワイヤなどの反発弾性部品といったばね手段のような、可撓性および弾性を有する接続手段を用いて、音叉のピンに接続できる。接続手段の小さな質量が音叉に加わることにより、音叉の共振周波数が低下する傾向がある。このことは、従来技術の音叉ＳＰＭにおいても生じる。しかしながら、本発明では、接続手段は、音叉にさらなる剛性をもたらし、音叉の共振周波数を高める。この効果は、加わる質量の効果よりもはるかに顕著である。したがって、音叉の共振周波数は、当初の値より高くなり、このことは、たとえば高速ＳＰＭには好ましい。システムの特性は、接続手段が取付けられた音叉を用いることによって著しく向上させることができる。
【００１２】
本発明では、音叉のピンの運動が、接続手段の運動を生じさせる。音叉がある周波数で振動する間、接続手段は同じ周波数で振動する。接続手段、たとえばばね手段の大きな振動振幅は、接続手段がその第１の共振周波数より高い周波数で振動しているときにも得られる。例として、音叉の第１の共振周波数が５０ｋＨｚであり、ばね手段、たとえば板ばねの第１の共振周波数が８ｋＨｚの場合、板ばねは、その自由端での振動振幅をたとえば５００ｎｍとして、５０ｋＨｚで振動することができる。この接続手段の共振周波数は、音叉の共振周波数と同一である必要はなく、ユーザの要求に応じて選択できる。これは、従来技術のＳＰＭでは不可能である。ここでは、カンチレバーまたは音叉は、その共振周波数に近い周波数で振動する。カンチレバーまたはピンの相当に大きな振動振幅は、カンチレバーまたは音叉それぞれの第１の共振周波数周辺でしか得られない。
【００１３】
本発明において、好ましくは、接続手段は、本質的に接続手段の対称軸または面である
少なくとも１つの軸または面を備えた形状である。好ましくは、接続手段は１つまたはそれ以上の対称軸を有し、先端部はこうした対称軸のうち少なくとも１つの上にある。接続手段の対象軸が音叉の対称軸または面にあるかまたは平行であることが特に好ましい。接続手段、先端部および音叉が対称的に配置されていることにより、カンチレバーの完全な対称性が保たれる。このことは、音叉のＱ値を高めるだけでなく、先端部の運動を単純にする、すなわち、３つのうち１つの自由度が制限されるため先端部は面において運動する。
【００１４】
本発明の一実施例において、先端部は、少なくとも３点で、すなわち音叉の２つのピン上のまたは２つのピンでの第１の接続点およびさらなる接続点で、音叉に接続される。このさらなる接続点は、好ましくは音叉のベースに、たとえば音叉の対称軸または面に、位置する。先端部と音叉とのさらなる接続を、たとえば、先端部を外部ソースまたはユニットに結合する手段として用いることができる。結合手段は、たとえば、さもなければ電気的に分離された先端部により、好ましくは音叉の駆動信号とは無関係である電圧が先端部に与えられるコンタクトポイントといった、光学的または電子的結合場所とすることができ。これはまた、例として、たとえば走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）において用いることができるような、作動および検知装置への／からの光の光学的結合のために用いることができる。したがって、少なくともさらなる接続点を有する接続手段は、好ましくは音叉の対称性を保つように設計される。
【００１５】
音叉、接続手段および先端部は、走査プローブ装置の、単一の部品または別々の部品とすることができる。本発明の一実施例に従うと、先端部および接続手段は、マイクロ工学では周知のように、たとえば１ブロックの材料から１回のまたは数回の処理ステップで製造された、一部品である。しかしながら、先端部を、接続手段の一部とし、接続手段そのものが探針先端部として機能するようにすることもできる。その場合、接続手段に、たとえば尖鋭な端部または角を設ける。これはたとえば接続手段を三角形の形状にすることによって可能である。しかしながら、探針先端部を、何らかの適切な固定技術によって、接続手段に接着するまたは取付けることもできる。水晶または圧電音叉のように従来から利用できる音叉は、通常、電気コンタクトとして機能する金属層、たとえば金の層によって覆われている。したがって、接続手段は、他の固定技術たとえば溶接または接合によって、音叉に取付けることもできる。好ましくは、時計の応用例で用いられるような、たとえば水晶音叉のような圧電音叉が使用される。作動および検知装置の製造に使用される材料によっては、音叉は圧電性でない。これは、たとえば、音叉、接続手段および先端部が、同一材料からなる、たとえば１ブロックの材料たとえばシリコンから製造される場合に起こり得る。このような場合、音叉の少なくとも一部を、たとえば圧電層で覆うことができる。半導体または導電性材料を含む音叉の場合、ピンに静電力を加えることによってピンの運動を生じさせることが可能である。これは、たとえば、ピンの近くに対電極を設けてキャパシタを形成し、ピンと電極との間に電位を与えることによって可能である。
【００１６】
ＳＰＭ測定では音叉を共振させる。先端部と試料面との間の相互作用力のために、音叉の機械的特性、たとえば共振周波数、位相、振動振幅およびＱ値の変化、または接続手段の変化たとえば機械的または位置的変化が生じ、検出される。圧電音叉共振器の電力源として、電流または電圧信号が音叉に与えられ、ピンの運動が生じる。種類の異なる音叉については、たとえば電磁的に共振する音叉または従来の金属音叉については、適切な電力源を選択しなければならない。音叉の機械的特性の変化または接続手段の変化の検出には、直接および間接的な方法が可能である。直接的な方法では、音叉からの内部信号を測定する、たとえば、音叉の電気コンダクタンスの変化を検知する。間接的な方法では、たとえば偏光検出システムのような、たとえば先端部と試料面との間の相互作用によって起こる接続手段の位置の変化を検出する、外部検出システムを用いる。
【００１７】
本発明に従う接続手段は、好ましくは、たとえば板ばね、固体材料の弾性のストライプのような、ばね手段として設計される。これらばね手段のばね定数の値は、０．１Ｎ／ｍより低い。実験的構成でのばね定数の典型的な値は、０．０３−８０Ｎ／ｍの範囲にあり、好ましくは０．０４−３０Ｎ／ｍの範囲にあり、たとえば０．０７Ｎ／ｍである。これは、従来技術の音叉共振器の２ｋＮ／ｍ近辺の値より遥かに低い。これはまた、従来のシリコンカンチレバーの典型的なばね定数の値１−１００Ｎ／ｍよりも低い。本発明のカンチレバーシステムはしたがって、従来技術のカンチレバーよりも遥かに軟らかい、すなわち、先端部は、たとえば動作中の損傷の頻度が低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下において、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
好ましい実施例の説明
図１は、ＳＰＭ応用例において使用される、従来技術の音叉１の２つの例を示す。先端部２は、音叉１のピンの一方に、図面左側に示すように音叉に垂直に、または図面右側に示すように音叉に平行に固定される。先端部２は、音叉に直に結合され、常にピンと同方向に運動する。後者の場合、先端部の運動は試料表面８にほぼ平行である。
【００２０】
図２に示される、本発明の第１の好ましい実施例は、ばね手段として、Ｕ字型またはＶ字型の板ばね２３、たとえば微細加工された金属、単結晶シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンまたはポリマーを含む。板ばね２３の２本の脚２５はそれぞれ、圧電音叉共振器２１の別々のピンに固定、たとえば接着または接合される。好ましくは、先端部２２は板ばね２３の一部である、すなわち、板ばね２３と同一のプロセスで製造される。先端部２２を、板ばね２３に固定、たとえば接着し、音叉および板ばねが置かれている面すなわちｘｙ面に垂直な方向すなわちｚ方向を向くようにすることができる。先端部２２は、音叉−板ばねシステムの対称面すなわちｘｚ面にある。音叉２１は、圧電性であり電極２７に接続されているため、主としてｘｙ面で振動する。先端部２２は主としてｚ軸、またはむしろｘｚ面に沿って運動させられる。先端部２２は、音叉を用いる従来のＳＰＭと異なり、ピンと同一方向に運動しない。板ばねの脚２５の厚みｔは、先端部２２が−ｚおよび＋ｚ方向に柔軟に運動しやすいように、幅ｗより小さい。先端部とたとえば試料との間に、相互作用が発生する、すなわち試料面の走査により相互作用が発生すると、音叉共振器２１の共振特性たとえば共振周波数、位相、振動振幅およびＱ値が変化する。これらの特性は、好ましくは、同じ電極２７を用いて、たとえば音叉共振器の電気コンダクタンスまたは導電性の変化を測定することにより、検出される。
【００２１】
ピン、板ばねまたは先端部の長さ、幅、厚みはすべて、サブマイクロメートルまたはマイクロメートルの範囲にあり、典型的には０．５μｍから数千マイクロメートルの範囲にある。ピンの典型的な長さは、５００−４５００μｍであり、好ましい値は１５００−３５００μｍである。ピンの厚みｔｐおよび幅ｗｐは、典型的には５０−３５０μｍの間にあり、好ましい値は、ｗｐは１５０−２８０μｍであり、ｔｐは８０−２００μｍである。板ばねの長さは、典型的には１５０μｍ−１０００μｍの間にあり、好ましい値は２５０−６５０μｍである。板ばねのｗおよびｔすなわち幅および厚みは、典型的には約０．１−１５０μｍの範囲にあり、ｗは好ましくは３０μｍと１００μｍの間、たとえば６５μｍであり、ｔの好ましい値は０．１μｍ−２０μｍ、たとえば１μｍである。ここで述べておかねばならないのは、すべてのサイズはユーザの要求または技術的問題に合うようにされる、すなわちこれらサイズは所与の例示の範囲より小さくても大きくてもよいという点である。
【００２２】
図３は、図２で説明した作動および検知プローブの動作原理を示す。音叉３１が振動すると、ピンが、作動装置の上面図である図３の下部分からわかるように、主としてｘｙ面
で運動する。このピンの運動により、板ばね３３の脚３５各々に作用する角運動量ＭおよびＭ′が生じる。したがって、脚３５の２つの側部Ｌ１およびＬ２は、量の異なる機械的応力を受ける。この応力分布に合わせて、板ばねは、ばねのヘッド３４したがって先端部３２が、ｘｙ面から出るように変形する。そのため、先端部の運動は、作動装置の側面図である図３の上部分からわかるように、主としてｘｚ面で行なわれる。もし、たとえばＡＣ電気信号が圧電音叉共振器３１に与えられたとすると、２つのピンは逆位相で共振し、取付けられている板ばね３３を変形させる。この場合、先端部３２は、音叉の振動方向と同一方向には運動しない。好ましくは、板ばね３３の振動周波数は、音叉共振器３１の共振周波数と同一である。しかしながら、これはユーザの要求に応じて選択可能である。
【００２３】
図４において、Ｕ字型またはＶ字型の板ばね４３は、音叉４１のピンに垂直に取付けられている、すなわち、板ばねはｙｚ面にあり、音叉４１はｘｙ面にある。先端部４２は、板ばね４３のヘッドに組み込まれまたは固定され、音叉４１の対称軸すなわちｘ軸と平行に置かれている。音叉４１が共振すると、板ばね４３上の先端部４２は主としてｘ軸上でまたはｘｚ面でそれぞれ運動する。音叉４１のピン４６の捩り運動を図５に示す。図３の場合と同様に、ピン４６の運動が、板ばねの脚に角運動量ＭおよびＭ′を生じさせる。これら角運動量のため、各脚の２つの側部Ｌ１およびＬ２は、量の異なる機械的応力を受け、したがって、曲がる。脚が曲がることによって、先端部はｘｚ面で運動する。図２に示した作動装置と比較すると、音叉、板ばねおよび先端部の幾何学的配置が異なるため、作動および検知装置の、走査面に対する位置は変化する。
【００２４】
図６および８は、本発明のさらなる実施例を示す。接続手段は、固体材料の弾性のストライプ、たとえば金属、単結晶シリコン、窒化シリコン、酸化シリコンまたはポリマーのストライプである。このストライプは、ブリッジ６３、８３を形成し、音叉６１、８１の別々のピンに取付けられる、たとえば接着される。いずれの実施例でも、先端部６２、８２の向く方向により定められる先端部軸は、ブリッジを形成するストライプ６３、８３の対称面にあるまたは平行である。これらの実施例において、先端部は軸上で運動する。図６では、ブリッジの規定軸はｚ軸であり、対称面はｙｚ面である。ブリッジ６３は、音叉６１の対称面に垂直に配置される。この対称面は音叉がその面に沿って延在する面でもある。図８では、ブリッジ８３の規定方向はｘ軸であり対称面はｘｙ面である。ブリッジは、音叉８１の対称面にあるまたはこの対称面に平行に配置される。図７からわかるように、音叉６１、８１が振動している間、先端部６２、８２は、ピン７６に近づく、またはピン７６からさらに遠ざかる。この運動により、先端部は試料表面に近づくことが可能であり、かつ／または表面の走査が可能である。音叉のピン７６およびブリッジの脚７５間の角度Θの変化は、図面の左側に示すようにブリッジの側方向の伸張、または図面の右側からわかるように前方向の伸張を示している。ストライプ６３が最適可撓性を有するようにするために、その幅ｗおよび厚みｔ（図６）が選択される、すなわち、ｔはｗより小さいかまたはｗに等しい。好ましくは、ｗおよびｔの値は、約０．１−１５０μｍの範囲にあり、ｗは典型的には３０μｍ−１００μｍの間、たとえば６５μｍである。ｔの値は典型的には０．１μｍ−２０μｍ、たとえば１μｍである。ストライプ６３の２本の脚の端部間の距離は、ピンの間の距離に調整され、好ましくは数百マイクロメートルの値である。典型的な値は１５０−６５０μｍの範囲にあり、たとえば４４０μｍである。
【００２５】
図９に、本発明において使用できる２つの検出原理を示す。音叉９１を、図面の左側に示すように直接的検出方法を用いる作動および検知手段として使用することができる。この音叉は、図面の右側からわかるように間接的検出方法を用いる作動手段のみとして使用することもできる。前者の場合、音叉９１の共振特性は、電極９７を介し、たとえば音叉の、その共振周波数近傍の、電気コンダクタンス、振動振幅または機械的Ｑ値の変化を測定することによって検出される。後者の場合、音叉は主として、取付けられたばね手段、すなわち、先端部を含む板ばね９３を振動させるために用いられる。外部光学検出システ
ム１０１を用いて、光信号がたとえばフォトダイオード１００を用いて検出される。この信号は、基準位置に対する板ばねの位置の変化のために偏向する。この偏向測定は、好ましくは、たとえば板ばね９３の後ろ側から反射するレーザビーム９９といった光信号によって行なわれ、板ばねの位置の変化によって、光ビームが異なる方向に偏向する。
【００２６】
試料表面９８のトポグラフ像を得るために、試料または音叉を、試料表面に平行な面すなわちたとえば図２に示すｘｙ面において、たとえばスキャナによって動かす。その間先端部は試料面９８と係合している。
【００２７】
先端部と試料の分離、すなわちｚ方向（図２参照）の運動は、スキャナまたは音叉によって行なうことができる。ＳＰＭが一定力モードで動作しているとき、音叉を用いて先端部と試料の分離を制御することができる。音叉の共振周波数は実質的に従来の圧電スキャナの共振周波数より高いため、走査速度を高めることが可能である。ＳＰＭが動的または間欠コンタクトモードで動作しているときは、重畳されたＡＣ−ＤＣ信号を音叉に与えることができ、後者は典型的には接続手段を振動させるのに用いられ、かつ先端部と試料の間隔を制御するのに用いられる（ｚフィードバック作動）。
【００２８】
図１０ａおよび図１０ｂは、作動および検知装置の実験的構成および板ばね部分の拡大図を示す。２つのピン１０６がベース１０８に取付けられて音叉を形成する。板ばねとして形成されたばね手段１０３の２つの脚がそれぞれ音叉のピン１０６に取付られている。電極の役割を果たす電気コンタクト１０７が、たとえば金で覆われたピン１０６および制御装置に接続される。音叉、たとえば水晶音叉は制御され、測定信号が、ベース１０８においてチップと一体化させることができる制御および検出装置によって検出される。
【００２９】
図１０ａおよび図１０ｂに示した実験的構成のサイズおよび値の例を挙げると、ピンは長さ２４００μｍ、厚み１３０μｍ、幅２１４μｍであり、接続手段は長さ４３７μｍ、厚み１μｍ、脚の幅６５μｍであり、先端部の高さは１０μｍであり、窒化シリコン板ばね１０３のｚ軸方向すなわち面外方向のばね定数ｋは０．０６６Ｎ／ｍである。
【００３０】
図１１は、作動および検知装置の上面および側面図を示し、先端部２０２は接続手段２０３を介し３点で音叉２０１に接続される。接続手段は、その前部分がＵ字型またはＶ字型の板ばね２０３として形成され、音叉２０１の別々のピン２０６に、たとえば接着または結合されて取付けられ、さらに音叉２０１のベース２０７に取付けられる。先端部２０２を有する板ばね２０３の前部分は、図２の第１の実施例で説明したのと同じ態様で設計され運動させることができる。板ばね２０３の脚２０５は各々、拡大領域２０８ａ、ｂとして形成された第１の接続点を含み、これによって脚は各々１つのピンに取付けられる。さらなる接続点によって、脚は音叉のベース２０７に取付けられる。このさらなる接続点は、脚２０５を接続する拡大領域２０９として形成されるが、ピン２０６の運動を妨げることはない。板ばね２０３は音叉から電気的に分離され、先端部が板ばね２０３の後ろ部分に電気的に接続される。これは、好ましくは導電性の板ばねにより実現される。電気コンタクト、たとえばワイヤ２１０は、さらなる接続点に取付けられる。この電気コンタクトを通して、たとえば電位を、音叉のための駆動信号（図示せず）からの干渉を受けずに、先端部に与えることができる。
【００３１】
接続手段を、先端部がたとえば図４または８に示す実施例のようにすなわち主としてｘ方向に運動できるように、形成することも可能である。これは、たとえば脚２０５をピンの内側に取付けて第１の接続点を形成することによって可能である。こうすれば、脚の延長部分は、音叉のベース２０７方向を向き、好ましくは、ベースに、さらなる接続点で結合されて固定される。接続手段の、特に音叉のベースに取付けられたさらなる接続点の対称的な設計のため、作動および検知装置のＱ値が大幅に変わることはない。しかしながら、さらなる接続点の非対称の配置、したがって非対称接続手段も選択することができ、また、第１の接続点に結合されたさらなる接続点を選択することができる。
【００３２】
図１２では、先端部３０２が３点で音叉に接続された作動および検知装置の別の実施例の上面図および側面図を示す。この実施例は特に、走査型近接場光学顕微鏡、または音叉のベースから先端部３０２への直接および／または直線的接続が必要なまたは好ましい顕微鏡において使用するために設計されたものである。Ｕ字型またはＶ字型の板ばね３０３として形成された接続手段の前部分は、たとえば図２および１１においてそれぞれ説明した第１または第５の実施例と同じ態様で、一般的には設計され、運動することができる。板ばね３０３の２つの脚３０５は、音叉の２つのピン３０６に、第１の接続点３０８ａ、ｂで取付けられる。板ばね３０３の先端領域から、第３の脚に似た接続部３１０が、音叉のベース３０７に至っている。この接続部３１０は、さらなる接続点３０９で音叉のベース３０７に固定され、ベース３０７の幅全体にわたって延びている。この音叉のベースの領域において、板ばね３０３上または中に配置された導波管３１１と外部装置３１２との光結合３１３が可能である。このような外部装置３１２は、たとえばレーザ、フォトダイオードまたは光ファイバのような、たとえば光源、検出器または光導波手段である。接続手段の導波管３１１は、たとえば、ＳｉＯ2層のようなシリコン板ばね３０３の酸化部分とすることができる。図１２では、先端部は板ばね３０３に一体化した部分として示されている。先端部および導波管３１１は各々、下にある、接続手段の接続部３１０に固定された、別の部分とすることもできる。導波管は、たとえば、図１１のように、接続手段の脚の一部とする、またはこの脚に沿って配置することもできる。接続手段に取付けられたまたはその一部である先端部が向く方向は、接続手段の対称軸に平行または垂直、すなわちｘまたはｚ方向でない（規定角は０°または９０°と異なる）。先端部および接続手段の、音叉の対称軸に対する角度が、０°または９０°でないようにすることも可能である。表面に平行に走査できるようにするために、これらの角度を、作動装置の別の部分で、たとえば音叉と接続手段との間に規定角を加えることにより、または、カンチレバーと垂直面間の規定角を垂直にすることにより、補償してもよい。
【００３３】
本発明は図示した実施例に限定されない。本発明の知識を有する専門家には、その専門家の自由裁量による、このような作動および検知装置の設計のさらなる可能性がある。特に、示されている接続手段の形状および対称性または接続手段上の先端部の対称位置は、本発明の好ましい実施例に過ぎない。図面では、先端部、接続手段および音叉は全般的に、可能な組合せすべてにおいて垂直または平行である。好ましくは、音叉のベースから先端部への導波管または他の接続部は、接続手段の対称性または音叉全体の対称性が保たれるように導かれる。しかしながら、実施例はこれに限定されない。先端部の剛性をフォーク状の装置の２つのピンに与えることも可能である。音叉の共振特性のいくつかの利点が失われても、対称性プローブ構成の利点および外部検出システムを必要としないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】探針先端部を含む従来技術の音叉を概略的に示す。
【図２】本発明に従う作動および検知装置の一実施例の斜視図である。
【図３】図２の実施例の動作原理の側面図および上面図を示す。
【図４】本発明に従う第２の実施例を示す。
【図５】図４の実施例の動作原理を示す。
【図６】本発明に従う第３の実施例を示す。
【図７】図６の実施例の動作原理を示す。
【図８】本発明に従う第４の実施例を示す。
【図９】本発明において用いられる検出システムの方法を示す。
【図１０ａ】図２の実施例に従う実験的構成を示す。
【図１０ｂ】図２の実施例に従う実験的構成の接続手段領域の拡大図を示す。
【図１１】本発明の第５の実施例を示す。
【図１２】本発明の第６の実施例を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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