(57)【要約】原子間力顕微鏡、詳細には光束検出システムに対して、重要な新規特徴及び長所を提供する改良であり、部分的に走査プローブ顕微鏡にも適用可能な改良である。具体的な特徴としては、入射光及び反射光に対する対物レンズの異なる領域の使用、光学ブロックの三次元の動きを可能にする屈曲部、ハウジング及び光学ブロックを複合材料又はセラミックで形成すること、光束が平面に垂直入射しないように構成要素を配置すること、カンチレバーと試料との間及びカンチレバーと収束レンズとの間において、カンチレバーの振動の８５０Ｈｚを超える共振振動数を与えること、及び、入射光束を５μｍ以下のスポット、好ましくは３μｍ以下のスポットに収束させることが含まれる。
2004536315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、試料上に配置可能なカンチレバーと、光源からの光束を入射光束として前記カンチレバーの表面上に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する測定ヘッドにおいて、
（ａ）収束レンズの中心軸と実質的に揃わない中心軸を有する前記入射光束を前記カンチレバー上に収束させるためのレンズ、
（ｂ）前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素を構成すること、
（ｃ）前記光学系を収容する統合型光学ブロックを前記ハウジング内に設け、且つ、前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける屈曲部を設けること、
（ｄ）前記ハウジング及び前記光学ブロックを、高い剛性、非常に低い熱膨張、又はそれらの両方の特性を有する複合材料又はセラミックで形成すること、
（ｅ）前記カンチレバーと試料との間又は前記カンチレバーと前記収束レンズ系カンチレバーとの間の機械的経路の振動の実効共振振動数が約８５０Ｈｚを超えること、及び、
（ｆ）前記カンチレバー上の収束スポットが少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有すること、
の少なくとも１つを含む改良がなされた測定ヘッド。
【請求項２】
光学系が光源からの光束を入射光束としてレンズを通してカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として前記レンズを通して光検出器に向かわせる測定ヘッドにおいて、
前記入射光束が、前記収束レンズの中心軸と実質的に揃わない中心軸を有するよう改良がなされた測定ヘッド。
【請求項３】
ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置の測定に用いられる、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項４】
少なくとも１つのカンチレバーの動き又は位置の測定に用いられる、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項５】
原子間力顕微鏡に用いられる、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項６】
フォース・プラーである、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項７】
前記レンズが多素子レンズである、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項８】
前記レンズが非球面レンズである、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項９】
前記光源がレーザ又は高輝度ダイオードである、請求項２に記載の測定ヘッド。
【請求項１０】
反射面を有するカンチレバーの撓みを測定するための光学系であって、
前記光学系が入射光束として前記カンチレバーに向かわせて反射光束を生じさせる光束を生じる光源と、
前記反射光束を検出する検出器と、
を含み、
前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素が構成された、
光学系。
【請求項１１】
前記反射光束をレンズから前記検出器に向かわせるためのミラーを更に含む、請求項１０に記載の光学系。
【請求項１２】
前記反射光束を更に収束させるための円柱レンズを更に含む、請求項１０に記載の光学系。
【請求項１３】
迷光を遮断しつつ前記反射光束を前記検出器へと通過させるための干渉シールドを更に含む、請求項１０に記載の光学系。
【請求項１４】
ハウジングと、
光学系を保持するための前記ハウジング内の統合型光学ブロックと、
前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける屈曲部と、
を含む測定ヘッド。
【請求項１５】
前記屈曲部が、第１の横位置で前記光学ブロックに固定され、且つ、前記第１の横位置から離間した１つ以上の第２の横位置で前記ハウジングに固定された、請求項１４に記載の測定ヘッド。
【請求項１６】
前記屈曲部が、中心で前記光学ブロックに固定され且つそこから側方で前記ハウジングに固定された平板の形態である、請求項１５に記載の測定ヘッド。
【請求項１７】
前記屈曲板が、その周囲に沿った複数箇所で前記ハウジングに固定された円盤の形態である、請求項１６に記載の測定ヘッド。
【請求項１８】
垂直可動焦点部材と、前記光学ブロックの前記ハウジングに対する横方向の移動を防止しつつ垂直移動及び回動を可能にするために、前記第１の横位置で前記焦点部材及び前記屈曲部の対向する面の間に受容された、前記焦点部材と前記屈曲部とを接続する球体部材と、を含む、請求項１５に記載の測定ヘッド。
【請求項１９】
前記光学ブロックの焦点微調整垂直移動を可能にするための、前記焦点部材に接続され且つそこから延出するレバーを含む、請求項１８に記載の測定ヘッド。
【請求項２０】
前記ハウジングに、前記レバーが貫通して延出するスロットが形成された、請求項１９に記載の測定ヘッド。
【請求項２１】
前記球体部材がステンレス鋼ボールである、請求項１８に記載の測定ヘッド。
【請求項２２】
前記焦点部材及び前記屈曲部の前記対向する面の少なくとも一方が前記ステンレス鋼ボールと接触するサファイアコーティングを有する、請求項２１に記載の測定ヘッド。
【請求項２３】
ハウジングと、該ハウジング内の走査プローブ要素とを有する走査プローブ顕微鏡において、前記ハウジング及び前記走査プローブ要素が、高い剛性、非常に低い熱膨張、又はそれらの両方の特性を有する複合材料又はセラミックで形成されるような改良がなされた走査プローブ顕微鏡。
【請求項２４】
前記ハウジング及び前記走査プローブ要素が複合材料で形成される、請求項２３に記載の改良。
【請求項２５】
前記複合材料が１０ＧＰａ以上の弾性係数を有する、請求項２４に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項２６】
前記複合材料が４０ＧＰａ以上の弾性係数を有する、請求項２４に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項２７】
前記複合材料が１００ＧＰａ以上の弾性係数を有する、請求項２４に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項２８】
前記複合材料が１０-5／℃未満の熱膨張係数を有する、請求項２４に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項２９】
前記複合材料が５×１０-6／℃未満の熱膨張係数を有する、請求項２４に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３０】
前記複合材料がカーボン複合材料である、請求項２４に記載の改良。
【請求項３１】
前記複合材料がカーボン−カーボン複合材料である、請求項２４に記載の改良。
【請求項３２】
前記複合材料がカーボン−エポキシ複合材料である、請求項２４に記載の改良。
【請求項３３】
前記ハウジング及び前記走査プローブ要素がセラミックで形成される、請求項２３に記載の改良。
【請求項３４】
前記走査プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡である、請求項２３に記載の改良。
【請求項３５】
前記走査プローブ顕微鏡が走査トンネル顕微鏡である、請求項２３に記載の改良。
【請求項３６】
ハウジングと、
試料上に配置可能なカンチレバーと、
光束がレンズによって前記カンチレバー上のスポットとして収束された、前記カンチレバーの撓みを測定するための光学系と、
を含む原子間力顕微鏡であって、
前記カンチレバーと前記試料との間又は前記カンチレバーと前記収束レンズとの間の機械的経路の実効共振振動数が約８５０Ｈｚを超える、
原子間力顕微鏡。
【請求項３７】
前記カンチレバーに対して前記試料を支持する走査器と、
前記走査器に直接向かうよう動的に割出しされる、前記ハウジングに接続されたカンチレバーホルダーと、
を更に含む、請求項３６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３８】
前記機械的経路の少なくとも一方の前記実効共振振動数が５ｋＨｚを超える、請求項３６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３９】
前記機械的経路の少なくとも一方の前記実効共振振動数が１０ｋＨｚを超える、請求項３６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４０】
前記機械的経路の少なくとも一方の前記実効共振振動数が２０ｋＨｚを超える、請求項３６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４１】
光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系を有する原子間力顕微鏡において、前記入射光束を、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有する収束スポットを前記カンチレバー上に形成するよう収束する改良がなされた原子間力顕微鏡。
【請求項４２】
前記スポットが少なくとも１つの寸法において３μｍ以下のサイズを有する、請求項４１に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４３】
ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡において、
（ａ）収束レンズの中心軸と実質的に揃わない中心軸を有する前記入射光束を前記カンチレバー上に収束させるためのレンズを設けることと、
（ｂ）前記光学系を収容する統合型光学ブロックを前記ハウジング内に設け、且つ、前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける屈曲部を設けることと、
により、サイズが縮小された収束スポットが得られるように改良された原子間力顕微鏡。
【請求項４４】
前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素が構成された、請求項４３に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４５】
前記ハウジング及び前記光学ブロックが、高い剛性、非常に低い熱膨張、又はそれらの両方の特性を有する複合材料又はセラミックで形成された、請求項４４に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４６】
前記入射光束が、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有するスポットを前記カンチレバー上に形成するよう収束される、請求項４５に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４７】
前記スポットが少なくとも１つの寸法において３μｍ以下のサイズを有する、請求項４６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４８】
前記カンチレバーと前記試料との間の機械的経路及び／又は前記カンチレバーと前記収束レンズとの間の機械的経路の振動の実効共振振動数が約８５０Ｈｚを超える、請求項４６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４９】
前記カンチレバー用のカンチレバーホルダーが設けられ、前記カンチレバーに対して試料を支持する走査器が設けられ、前記カンチレバーホルダーが前記走査器に直接向かうよう動的に割出しされる、請求項４８に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５０】
光源からの光束を入射光束としてナノ機械オブジェクト又はオブジェクトのナノサイズ要素の表面上に向かわせると共に前記表面から反射光束として光検出器に向かわせることにより、前記ナノ機械オブジェクト又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置を測定するための光学系において、
（ａ）収束レンズの中心軸と実質的に揃わない中心軸を有する前記入射光束を前記表面上に収束させるためのレンズを設けること、
（ｂ）前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素を構成すること、
（ｃ）前記光学系を収容する統合型光学ブロックを前記ハウジング内に設け、且つ、前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける屈曲部を設けること、及び、
（ｄ）前記入射光束を、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有するスポットを前記表面上に形成するよう収束すること
の少なくとも１つを含む改良がなされた光学系。
【請求項５１】
光源からの光束を入射光束としてカンチレバー表面に向かわせると共に該カンチレバー表面から反射光束として光検出器に向かわせることにより、前記カンチレバーの動きを測定するための光学系であって、前記光源と前記表面との間に配置されたレンズを含み、前記レンズの第１の領域が前記入射光束の経路上にあり、前記レンズの第２の領域が前記反射光束の経路上にあり、前記入射光束及び反射光束の少なくとも実質的な部分が前記レンズにおいて実質的に重ならない、光学系。
【請求項５２】
カンチレバーの表面から反射された光束を検出するための光学系であって、
前記光学系が入射光として前記表面に向かわせて反射光を生じさせる光束を生じる光源と、
前記反射光束を検出する検出器と、
を含み、
前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素が構成された、
光学系。
【請求項５３】
ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置を測定するための光学系であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内の統合型光学ブロックと、
前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける屈曲部と、
を含む、光学系。
【請求項５４】
前記屈曲部が、第１の横位置で前記光学ブロックに固定され、且つ、前記第１の横位置から離間した１つ以上の第２の横位置で前記ハウジングに固定された、請求項５３に記載の光学系。
【請求項５５】
前記屈曲部が、中心で前記光学ブロックに固定され且つそこから側方で前記ハウジングに固定された平板の形態である、請求項５４に記載の光学系。
【請求項５６】
前記屈曲板が、その周囲に沿った複数箇所で前記ハウジングに固定された円盤の形態である、請求項５５に記載の光学系。
【請求項５７】
垂直可動焦点部材と、前記光学ブロックの前記ハウジングに対する横移動を防止しつつ垂直移動及び回動を可能にするために、前記第１の横位置で前記焦点部材及び前記屈曲部の対向する面の間に受容された、前記焦点部材と前記屈曲部とを接続する球体部材と、を含む、請求項５４に記載の光学系。
【請求項５８】
前記球体部材がステンレス鋼ボールであり、前記焦点部材及び前記屈曲部の前記対向する面の少なくとも一方が前記ステンレス鋼ボールと接触するサファイアコーティングを有する、請求項５７に記載の光学系。
【請求項５９】
ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡の操作方法において、
（ａ）収束レンズの中心軸と実質的に揃わない中心軸を有する前記入射光束に前記レンズの第１の領域を通過させて前記入射光束を前記カンチレバー上に収束させると共に、前記反射光束に前記レンズの第２の領域を通過させて前記反射光束を前記検出器に向かわせる工程、
（ｂ）前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素を構成する工程、
（ｃ）前記光学系を前記ハウジング内の統合型光学ブロック内に設け、且つ、屈曲部を用いて前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける工程、
（ｄ）前記カンチレバーと試料との間の機械的経路及び／又は前記カンチレバーと前記収束レンズとの間の機械的経路の振動の実効共振振動数が約８５０Ｈｚを超えるように、前記カンチレバー用のカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーに対して試料を支持する走査器とを設け、且つ、前記カンチレバーホルダーを前記走査器に動的に直接取り付ける工程、及び、
（ｅ）前記光束を、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有するスポットを前記カンチレバー上に形成するよう収束させる工程
の少なくとも１つを含む改良がなされた方法。
【請求項６０】
光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための少なくとも１つの収束レンズを含む光学系を有する原子間力顕微鏡の操作方法において、前記入射光束の中心軸を、前記収束レンズの中心軸と実質的に揃わないよう構成する工程を含む改良がなされた方法。
【請求項６１】
前記入射光束に前記レンズの第１の領域を通過させて前記入射光束を前記カンチレバー上に収束させる工程と、前記反射光束に前記レンズの第２の領域を通過させて前記反射光束を前記検出器に向かわせる工程とを更に含み、前記入射光束及び前記反射光束が前記レンズにおいて実質的に重ならない、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記反射光束が前記レンズを通過しないよう前記レンズを切断する工程を更に含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６３】
前記反射光束に干渉シールドを通過させる工程を更に含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６４】
前記反射光束の経路上に、前記反射光束を検出器に向かわせるためのミラー又はプリズムを配置する工程を更に含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６５】
光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための少なくとも１つの収束レンズを含む光学系を有する原子間力顕微鏡の操作方法において、前記入射光束の中心軸を前記レンズの中心軸に実質的に揃える工程と、前記入射光束の経路と前記反射光束の経路とを分離するために、前記反射光束の経路上に、少なくとも前記入射光束の一部分と交差するようミラー又はビームスプリッタを配置する工程と、を含む改良がなされた方法。
【請求項６６】
ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡の操作方法において、前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素を構成する工程を含む改良がなされた方法。
【請求項６７】
ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡の操作方法において、前記光学系を前記ハウジング内の統合型光学ブロック内に設け、且つ、屈曲部を用いて前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける工程を含む改良がなされた方法。
【請求項６８】
前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける前記工程が、屈曲部を、第１の横位置で前記光学ブロックに固定し、且つ、前記第１の横位置から離間した１つ以上の第２の横位置で前記ハウジングに固定する工程を含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡の操作方法において、前記カンチレバーと試料との間の機械的経路及び／又は前記カンチレバーと検出システムとの間の機械的経路の振動の実効共振振動数が約８５０Ｈｚを超えるように、前記カンチレバー用のカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーに対して試料を支持する走査器とを設け、前記カンチレバーホルダーを前記走査器に動的に直接取り付ける工程を含む改良がなされた方法。
【請求項７０】
ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡の操作方法において、前記光束を、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有するスポットを前記カンチレバー上に形成するよう収束させる工程含む改良がなされた方法。
【請求項７１】
前記スポットが少なくとも１つの寸法において３μｍ以下のサイズを有する、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
光束を入射光束として走査プローブ顕微鏡のプローブに向かわせると共に前記プローブから反射光束としてハウジング内の光学系の光検出器に向かわせる方法において、
（ａ）前記入射光束にレンズの第１の領域を通過させて前記入射光束を表面上に収束させ、且つ、前記反射光束に前記レンズの第２の領域を通過させて前記反射光束を前記検出器に向かわせる工程であって、前記入射光束及び前記反射光束が前記レンズにおいて実質的に重ならない工程、
（ｂ）前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素を構成する工程、
（ｃ）前記光学系を前記ハウジング内の統合型光学ブロック内に設け、且つ、屈曲部を用いて前記光学ブロックを前記ハウジングに取り付ける工程、及び、
（ｄ）前記光束を、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有するスポットを前記表面上に形成するよう収束させる工程
の少なくとも１つを含む改良がなされた方法。
【請求項７３】
光束を入射光束としてカンチレバー表面に向かわせると共に前記カンチレバー表面から反射光束として光検出器に向かわせる方法において、
前記入射光束にレンズの第１の領域を通過させて前記入射光束を表面上に収束させる工程と、
前記反射光束に前記レンズの第２の領域を通過させて前記反射光束を前記検出器に向かわせる工程と、
を含み、前記入射光束及び前記反射光束が前記レンズにおいて実質的に重ならない、改良がなされた方法。
【請求項７４】
ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置を測定するために、光束を光学系内の光検出器に向かわせる方法において、前記光源から前記検出器へと移動する前記光束が、発散又は収束される場合を除き、平面に垂直入射しないように、前記光学系の構成要素を構成する工程を含む改良がなされた方法。
【請求項７５】
光束を入射光束として表面に向かわせると共に前記表面から反射光束としてハウジングに収容された光学系内の光検出器に向かわせる方法において、屈曲部を用いて統合型光学ブロック内の前記光学系を前記ハウジング内に取り付ける工程を含む改良がなされた方法。
【請求項７６】
光束を入射光束として表面に向かわせると共に前記表面から反射光束としてハウジングに収容された光学系内の光検出器に向かわせる方法において、前記光束を、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下のサイズを有するスポットを前記表面上に形成するよう収束させる工程を含む改良がなされた方法。
【請求項７７】
前記スポットが１つの寸法において３μｍ以下のサイズを有する、請求項３６に記載の方法。
【請求項７８】
ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置を測定するために測定ヘッドを操作する方法において、検出システムと前記ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素との間の機械的経路を、前記機械的経路の振動の共振振動数が８５０Ｈｚを超えるよう構成する工程を含む改良がなされた方法。
【請求項７９】
ナノ機械オブジェクト又はオブジェクトのナノサイズ要素と試料との間の相互作用を測定するために測定ヘッドを操作する方法において、前記試料と前記ナノ機械オブジェクトとの間の機械的経路を、前記機械的経路の振動の共振振動数が８５０Ｈｚを超えるよう構成する工程を含む改良がなされた方法。
【請求項８０】
光学系が光源からの光束を入射光束として収束レンズを通してカンチレバーの表面に向かわせる原子間力顕微鏡において、前記収束レンズが少なくとも１つの非球面光学面を有することを含む改良がなされた原子間力顕微鏡。
【請求項８１】
光学系が光源からの光束をカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射された光束を検出器に向かわせる原子間力顕微鏡において、迷光を遮断しつつ前記反射光束を前記検出器へと通過させるための干渉シールドを含む改良がなされた原子間力顕微鏡。
【請求項８２】
ハウジング及び１つ以上の圧電移動装置を含む走査プローブ顕微鏡用の改良された走査器であって、前記ハウジングが複合材料で構成されることを含む改良がなされた走査器。
【請求項８３】
前記複合材料がカーボン−カーボン複合材料である、請求項８２に記載の走査器。
【請求項８４】
少なくとも１つの収束レンズを含む光学系が、光源からの光束をオブジェクトの表面に向かわせると共に前記オブジェクトから反射された光束を検出器に向かわせる、ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置を測定するための測定ヘッドにおいて、前記光源と前記収束レンズとの間の構成要素であって前記光源及び前記収束レンズも含む全構成要素を収容する統合型光学ブロックを含む改良がなされた測定ヘッド。
【請求項８５】
前記統合型光学ブロックが、高い剛性、非常に低い熱膨張、又はそれらの両方の特性を有する材料で構成された、請求項８４に記載の測定ヘッド。
【請求項８６】
前記統合型光学ブロックが、２．５ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する材料で構成された、請求項８４に記載の測定ヘッド。
【請求項８７】
前記統合型光学ブロックが、２．０ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する材料で構成された、請求項８４に記載の測定ヘッド。
【請求項８８】
前記統合型光学ブロックが、１．５ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する材料で構成された、請求項８４に記載の測定ヘッド。
【請求項８９】
前記統合型光学ブロックにガスが充填されて密封された、請求項８４に記載の測定ヘッド。
【請求項９０】
前記ガスが温度変化に対して安定した屈折率を有する、請求項８９に記載の測定ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査プローブ装置の分野に関する。詳細には、本発明は、カンチレバーの撓みの測定に用いられる原子間力顕微鏡の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査プローブ装置は、金属、半導体、鉱物、ポリマー及びバイオマテリアル等といった広範な材料のイメージングを行うための、優れた道具であることが証明されている。ＡＦＭでは、力が作用すると撓むカンチレバーによって、力が測定される。このカンチレバーの撓みは、検出システムによって、通常は、入射光束をカンチレバー上にスポットとして収束させ、反射光束をセグメント化された検出器に向かわせることにより、感知される。分子の構造及び力学を判定するためにこれらの分子を引き抜く目的で、「フォース・プラー（force puller）」と呼ばれる特殊なＡＦＭが構築されている。最近では、薬品検出装置としても、ＡＦＭのようなカンチレバー及びカンチレバーアレイが用いられている。この動作モードでは、カンチレバーの１つ以上の面に、薬品に感度がある層が塗布される。ターゲット分子が検出されると、カンチレバーのナノ機械的特性に影響がでる。即ち、カンチレバーの撓み及び／又は共振振動数が変化する。
【０００３】
導入以来、ＡＦＭ及びカンチレバー式検出装置はますます進化し、より小さな力を測定し、より小さなカンチレバーを用いるようになっている。このことにより、計測器の感度に関する問題が生じている。科学分野の研究者が試料の測定又は操作のために必要とする、より小さいカンチレバー及びより小さい力に対処するために、より高い感度とより小さいスポットサイズとを備える必要がある。近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（ＳＩＣＭ）、及びその他の様々な走査プローブ顕微鏡で用いられる光学プローブの動きの監視にも、類似の検出技術が用いられている。ナノテクノロジー分野の成長も、ナノメートル規模及びそれ以下に及ぶ広範な各種オブジェクトの位置及び／又は動きの精密測定に十分な動機を与える。
【０００４】
次に挙げる米国特許は、本発明に関連するものである。米国特許第５，８２５，０２０号「小さい入射光束スポットを生じるための原子間力顕微鏡（Atomic force microscope for generating a small incident beam spot）」、米国特許第＃ＲＥ０３４４８９号「オプションの交換可能流体セルを有する原子間力顕微鏡（Atomic force microscope with optional replaceable fluid cell）」及び米国特許第４，８００，２７４号「高解像度原子間力顕微鏡（High resolution atomic force microscope）」。次に挙げる刊行物は、本発明に関連するものである。（１）ビアニら（Mario B. Viani, et al.），「単一分子の力の分光測定用の微小カンチレバー（Small cantilevers for force spectroscopy of single molecules）」，応用物理学会誌（Journal of Applied Physics），第８６巻，第４号，ｐ．２２５８−２２６２。（２）シェイファーら（Tilman E. Schaffer, et al.），「微小カンチレバーに対する原子間力顕微鏡の検出感度の特徴付け及び最適化（Characterization and optimization of the detection sensitivity of an atomic force microscope for small cantilevers）」，応用物理学会誌（Journal of Applied Physics），第８４巻，第９号，ｐ．４６６１−４６６６。（３）シェイファーら（Tilman E. Schaffer, et al.），「微小カンチレバー用の原子間力顕微鏡（An atomic force microscope for small cantilevers）」，ＳＰＩＥ−光工学国際学会（SPIE-The International Society for Optical Engineering），第３００９巻，ｐ．４８−５２。（４）ウォルターズら（D.A. Walters, et al.），「原子間力顕微鏡法用の短いカンチレバー（Short cantilevers for atomic force microscopy）」，科学器具類のレビュー（Review of Scientific Instrumentation），第６７巻，第１０号，ｐ．３５８３−３５９０。（５）シェイファーら（T.E. Schaffer, et al.），「原子間力顕微鏡のカンチレバーを液中で振動させる研究（Studies of vibrating atomic force microscope cantilevers in liquid）」，応用物理学会誌（Journal of Applied Physics），第８０巻，第７号，ｐ．３６２２−３６２７。（６）ウォルターズら（Deron A. Walters, et al.），「微小カンチレバーを用いた原子間力顕微鏡法（Atomic force microscopy using small cantilevers）」，ＳＰＩＥ−光工学国際学会（SPIE-The International Society for Optical Engineering），第３００９巻，ｐ．４３−４７。上記の特許及び刊行物の全てを参照して本明細書に援用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、カンチレバーの動きを測定するための任意の光学システムに汎用的に適用可能であると共に特にＡＦＭに適用される、反射光束の光学的な追跡及び検出のための改良を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
詳細には、本発明は、既存のＡＦＭヘッドを超える重要な新規特徴及び長所を有する改良されたＡＦＭヘッドを提供する。特に新規な特徴は、入射光及び反射光に対して１つの対物レンズの異なる領域が用いられる新規な光路の使用である。このＡＦＭの第２の新規な特徴は、光学レバー検出システムの、光源と末端の収束レンズとの間の、光源及び収束レンズも含む全光学素子を、非常に小さく剛性の高いパッケージ内に収容した統合型光学ブロックである。別の新規な特徴は、ＡＦＭの光源からの光束が、強く発散又は収束された場合を除き、平面に垂直入射しないことである。更なる新規な特徴は、光学ブロックの三次元の動きを可能にする三次元屈曲部（flexure）である。別の新規な特徴は、ＡＦＭの性能に最も影響する２つの機械的経路である、カンチレバーから試料までの機械的経路及びカンチレバーと収束レンズとの間の機械的経路に対して、８５０Ｈｚを超える共振振動数を可能にすることである。これは、走査器上の試料とカンチレバーとの間の直接的な機械的経路を設けるために、カンチレバーホルダーを圧電走査器の上に直接向かわせるよう動的に割出しすることによって補助される。ＡＦＭ及びＳＴＭ並びに他の走査プローブ顕微鏡を改良する更に別の新規な特徴は、走査プローブ顕微鏡のハウジング、光学ブロック及びその他の構成要素を構成するために複合材料又はセラミックを用いて、所望の高い剛性及び低い熱膨張係数を与えることである。
【０００７】
これらの特徴の１つ以上を用いた結果として、従来可能であったよりも小さい収束スポットを有するＡＦＭを達成できる。本発明の特定の実施形態では、カンチレバー上に、少なくとも１つの寸法において５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下のサイズのスポットを形成するよう入射光束が収束されるＡＦＭの改良が提供される。
【０００８】
本発明の改良の多くは、ナノ機械オブジェクトの、又はオブジェクトのナノサイズ要素若しくは構造の、動き又は位置を測定する光学システムに広く適用可能である。
【０００９】
本発明の上記及びその他の態様及び長所は、以下の詳細説明及び添付の図面に関してより良好に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、カンチレバー並びに他のナノ機械装置及び要素の撓みの測定に使用可能な測定ヘッドが提供される。この測定ヘッドの最も一般的な用途は、原子間力顕微鏡の検出ヘッドとしてのものであるが、この測定ヘッドは、装置の動作のためにナノメートル規模の動きが重要となる場合の要素又はオブジェクトである、任意のナノサイズ要素若しくは構造又はナノ機械オブジェクトの動きを精密に測定するために用いることも可能である。更に、この測定ヘッドの主要要素の多くを用いて、ナノメートル規模の任意の対象物の縦及び／又は横の動きを測定するための改良された能力を提供できる。
【００１１】
これらの撓みはカンチレバーにかかる力に関係し、力ｖｓ距離の曲線を測定するため、イメージング中にフィードバックネットワークによって制御されるべき力を測定するために用いることができ、並びに、磁力顕微鏡測定、ケルビンプローブ顕微鏡測定、非接触型ＡＦＭ及び、カンチレバーの撓みの測定を要する他の任意の装置を含む従来の原子間力顕微鏡ヘッドに対して既に確立された多くの用法のために、用いることができる。
【００１２】
詳細には、本発明は、次に示す改良の１つ以上を提供する。これらの全てはＡＦＭに適用可能であり、幾つかは、より汎用的に光学システムに適用可能であり、別の幾つかは、一般的にＡＦＭやＳＴＭ等の走査プローブ顕微鏡に適用可能である。ＡＦＭに関して示される改良は次の通りである。
I．入射レーザ光がレンズの中心軸と揃わない。
II．小さく剛性の高い統合型光学ブロックが、光源から末端の収束レンズまでの全光学素子を収容し且つ含む。
III．屈曲部（flexure）により光学ブロックの三次元の動きが可能である。
IV．複合材料又はセラミックが用いられる。
V．収束又は発散の場合を除き、光束が平面に垂直入射しない。
VI．カンチレバーと試料との間及びカンチレバーと収束レンズとの間の重要な機械的経路が、８５０Ｈｚを超え得る共振振動数を有する。
VII．入射光束が３ミクロン以下のスポットを形成する。
本発明は、他の幾つかの革新的な点を含み、それらについては以下において適宜説明する。
【００１３】
I．入射レーザ光がレンズの中心軸と揃わない
微小カンチレバーＡＦＭ測定ヘッドの重要課題の１つは、入射光束と反射光束との分離である。この理由は、微小カンチレバーＡＦＭは、カンチレバー上に収束光の微小スポットを形成するために、開口数（ＮＡ）が高い光学（系）を必要とするという問題があるからである。開口数が高い光学系とは、一般的に、焦点距離が短いレンズがカンチレバーに非常に近接して配置されることを意味する。これにより、カンチレバーから反射された光束が検出器に向かって通過するスペースがほとんどない。上述の米国特許第５，８２５，０２０号は、入射光束と出射光束とを分離するための１つの方法を提供している。入射光束は偏光され、収束レンズを通り、カンチレバーから反射され戻って同じ収束レンズを通り、次に、反射光束は１／４波長板によって分離経路に向けられる。
【００１４】
以下に述べるように、本発明は、１／４波長板を必要とせずに、これとは異なる独自の方法でこの問題を解決する。図１及び図２は、本発明によるＡＦＭのハウジング１２に収容された光学系１０を示している。光源１６からの光束１４はコリメータレンズ１８を通る。光源は、レーザダイオード、ヘリウムネオンレーザ、光ファイバに接続されたレーザ若しくはレーザダイオード、垂直共振器型面発光レーザ、高輝度ダイオード若しくは発光ダイオード、又は光束を生じる他の光源であってよい。固体光源の場合には、理想的には、光源は、３０ｕｍ以下の規模の非常に小さい発光領域を有するべきである。
【００１５】
コリメータレンズ１８から出た光束は、対物レンズ２２の半分を通る入射光束２０として続き、対物レンズ２２は入射光束２０をカンチレバー２４上に収束させる。図示されるように、光学系１０は、空気中、他の気体中又は真空中で動作するよう使用可能である。米国特許第Ｂ１Ｒｅ３４，４８９号のものと同様のガラス製カンチレバーホルダーを用いて、検出システムが、流体に浸されたカンチレバーの動きを測定できるようにすることも可能である。カンチレバー２４から出た反射光束２６は対物レンズ２２の他方の半分を通り、検出器へと向かう。対物レンズ２２と検出器との間には、後で簡単に説明する他の光学構成要素も存在する。このように、本発明は、入射光束と出射光束とを分離するための非常に簡単且つ簡潔な方法に備えている。入射光束２０は、レンズの中心軸から外れて対物レンズ２２に当たるので、光束は、レンズの光軸に対して非ゼロの角度でレンズから出る。この好ましい実施形態にように、カンチレバーが光軸に対して垂直に保持されれば、カンチレバーから反射された出射光束２６も、光軸に対して同様の角度をなす。これらの２つの非ゼロの角度は、共に、分離されるべき入射光束と出射光束との間に空隙を設ける。好ましい実施形態では、入射光束２０と反射光束２６とは実質的に重ならない。入射光束２０がレンズ２２の中心軸からかなり離れて配置される場合には、レンズから出てカンチレバーに向かう光束は、かなり急角度で横方向移動する。このことは、ＡＦＭにおいて、試料から反射又は拡散されたいかなる迷光も、検出器に当たる可能性が低い経路に沿うよう向けられるという別の長所を有する。この迷光は、ＡＦＭ測定において光学干渉を生じることがあり、それについては後で更に説明する。
【００１６】
図２Ａに示されるように、好ましい実施形態では、対物レンズ２２上の入射光束２０の位置は、入射光束２０と出射光束２６とが重ならないように選択される。本発明の範囲に含まれる多くの類似の実施形態がある。例えば図２Ｂでは、反射光束２６がレンズを通って戻らないように、対物レンズ２２が概ね半分に切断される。図２Ｃに示される別の実施形態（好ましい実施形態ではない）では、入射光束と出射光束とが僅かに重なるように構成される。この実施形態は、ＮＡが高い光束を提供してより小さな収束スポットを生じ得ると共に／或いは、より小さな対物レンズの使用を可能にし得るものである。図２Ｄには、第４の別の実施形態が示されている。この実施形態では、入射光束がレンズの中心軸と概ね揃うように構成される。しかし、この場合には、入射光束の経路上に、入射光束を部分的に遮断するビームスプリッタ又はミラーが配置される。すると、ビームスプリッタ又はミラーによって、反射光束の一部が検出器へと向けられる。勿論、この概念には、類似の結果を生じることが可能な、本発明の範囲内の多くの変形がある。
【００１７】
図２Ａの好ましい実施形態に戻ると、対物レンズ２２から出た出射光束２６は、小ミラー２８で反射され、光学干渉シールド３０を通過し、次に光学円柱レンズ３２を通過し、検出器３４に当たる。光学干渉シールド３０は、カンチレバー２４から反射された一次光束２６を通し且つ他の光を遮断するよう配置される。シールド３０は非反射性であり且つ迷光の拡散及び／又は反射を最小限にするために吸収性であるのが理想的である。迷光は、環境光及び検出器からの光、並びに、光学面及び／又は機械的なハウジング構成要素の表面から拡散又は反射された光束を含む複数の源に起因し得る。干渉シールドはこの迷光を遮断し、力ｖｓ距離曲線中に波として現れる干渉効果を低減する。小ミラー２８は、光束を方向転換させるために全反射が用いられる小プリズムであってもよい。カンチレバーの曲がりに反応した光束の移動に対して垂直な軸における光束のサイズを収束又は別様で抑制するために、オプションで光学円柱レンズが用いられる。
【００１８】
II．統合型光学ブロック
図３は、統合型光学ブロック４０内に保持された図１の構成要素を示している。光学ブロックは、光源と末端の収束レンズとの間の、光源及び収束レンズも含む全光学素子を収容している。これらの構成要素を単一の統合型ブロック内に設けることにより、封入された光学素子の配置を最適化し、適切な位置に任意に固定することができる。この構成では、この測定ヘッドの性能に寄与する重要な光学要素が互いに対して固定されたままにできるので、光学的な性能がユーザの調整に影響されない。米国特許第５，８２５，０２０号等の従来技術の微小カンチレバーＡＦＭ測定ヘッドは、少なくとも１つのレンズを光路上の１つ以上の他のレンズに対して平行移動させることにより、収束スポットをＡＦＭカンチレバー上に配置する。例えば、米国特許第５，８２５，０２０号の図７について考える。この図では、ねじ７２を調節することにより、レンズ６２が末端の収束レンズ６０に対して移動して、収束スポットを平行移動させる。同様に、図９のねじ１８４及び１８６は、光源を、他の多くの光学素子に対して平行移動させる。この構成では、コリメートされたレーザ光が収束レンズの異なる部分を通って横方向移動し、最適ではない角度でレンズに当たることがあるので、光学性能が低下する。これは、ユーザがレーザスポットの位置を調節すると、レーザスポットのサイズが変化するという結果を生じる。
【００１９】
本発明の統合型光学ブロック４０では、収束スポットをカンチレバーに向けて操作すると全ての重要な光学素子が一緒に動くので、従来技術を超える改良が提供される。（この三次元屈曲部である操作機構については次節で説明する。）従って、この技術により、測定ヘッドが、測定ヘッドの全調節範囲にわたって小さい焦点を維持することができる。オプションとして、この光学ブロックに、温度変化に対して安定した屈折率を有する気体を充填して密封してもよい。これにより、周囲の空気の温度変化による光束の歪みが防止される。
【００２０】
好ましい実施形態では、統合型光学ブロック４０には、接着剤で本体４４に取り付けられたブリッジ部品４２がある。このブリッジ及び本体は、２つの構成要素を共に固定する任意の方法で取り付けられてもよい。ブリッジ４２及びベース４４は、単一片から加工又は形成されてもよい。次節で説明する、光束をカンチレバーに向けて操作可能にする革新的な三次元屈曲部を組み合わせるための接点が、ブリッジ４２によって設けられる。好ましい実施形態では、光源１６は、ブリッジ部品４２の下に取り付けられる。統合型光学ブロックの更なる詳細は、第III節及び第IV節で説明する。
【００２１】
III．屈曲部が光学ブロックの三次元の動きを可能にする
光学ブロック４０は、新規な三次元円盤状屈曲部５２でハウジング１２に取り付けられている。この屈曲部は、収束スポットをカンチレバーや他のナノ機械オブジェクト上へと操作するために、光学ブロックを光源の中心軸上の点回りの二つの軸上で回動させるように設計されている。この三次元屈曲部によって、光学ブロックが光源の軸に沿って一次元に独立して平行移動するのも可能となる。これにより、焦点調節、即ち、収束スポットの高さをカンチレバー又は他のナノ機械オブジェクトの平面に揃えることができる。
【００２２】
好ましい実施形態では、円盤状屈曲部は鋼鉄で作られているが、アルミニウム、銅、ベリリウム銅若しくはチタン等の他の金属、又は十分な剛性を有する他の材料で作ることも可能である。細目ねじの形態の垂直可動焦点部材５４は、ステンレス鋼又は他の精密ボール５８及び力を中心に保つためのねじ山付きソケット６０を介して屈曲部５２の中心を押圧する。この好ましい実施形態では、円盤状屈曲部５２は平たい円形板の形態である。別の実施形態では、ばね定数を低減することによって屈曲運動方向への移動を増加させるために、円盤状屈曲部は切抜き部を有してもよい。屈曲部は必ずしも円形でなくてもよいが、平面内運動に対しての剛性は平面外運動と比べてかなり高い剛性を有するべきである。
【００２３】
ねじ山付きソケット６０は、光学ブロック４０の上に固定された対応するねじ山付きナット６２にねじ込まれることにより、円盤状屈曲部を光学ブロック４０の中心に固定する。好ましい実施形態では、円盤状屈曲部５２は、ナット６２から側方遠位に、その周囲に沿った複数の位置６４において、ねじ等の固定具を用いてハウジング１２に固定される。或いは、円盤状屈曲部５２の周囲は、例えば溶接、留め金具による適切な位置への保持、接着剤又は他の類似の手段等といった他の様々な方法で固定されてもよい。ボール５８を、垂直可動焦点部材５４及び円盤状屈曲部５２のソケット６０の向かい合う面の間に受容させることにより、光学ブロック４０の垂直方向への上下移動及びハウジング１２に対する回動を可能にしつつ、光学ブロック４０の横方向の平行移動が防止される。
【００２４】
光学ブロック４０の焦点微調整垂直移動を可能にするために、焦点微調整レバー５６は、そこから延びる垂直可動焦点部材５４に接続されている。ハウジング１２には細長い横方向のスロット６６（図１も参照）が形成されており、焦点微調整レバー５６はスロット６６を通って延出している。
【００２５】
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、ボール５８との滑らかな転がり接触のために、焦点部材５４及び円盤状屈曲部５２のソケット６０の向かい合う面の一方又は両方に、それぞれ６８及び７０のサファイアコーティングを施してもよい。
【００２６】
周囲がハウジング１２に固定された円盤状屈曲部５２の中心に、滑らかに転がるボール５８によって接続された、垂直可動焦点微調整部材５４の上述の構成は、円盤状屈曲部５２を垂直に偏向するためにレバー５６を回転させる際の光学ブロック４０の横方向の動きを回避しつつ、回動を可能にするので、レーザ光束２０をカンチレバー２４又は複数のカンチレバーのうち選択された１つと揃えるために横方向に移動させることができる。
【００２７】
図４及び図５をより詳細に参照すると、レバー５６は、光学ブロック４０全体を、カンチレバーホルダー７２の溝７６内にある固定ねじ７４によってカンチレバーホルダー７２に固く取り付けられたハウジング１２に対して移動させるので、焦点微調整機構として作用する。カンチレバーホルダーの他方の側にある類似の溝（図示せず）は、ハウジング１２に取り付けられた２つのボール（図示せず）に接触している。これは、カンチレバーホルダー７２を保持してカンチレバー２４をハウジング１２に対して固定するための半ば動的な装着部を構成する。レバー５６が光学ブロック４０をハウジング１２に対して移動させるので、これにより光学ブロック４０がカンチレバー２４に対して移動し、焦点微調整機構を提供する。従来のＡＦＭは、しばしば、焦点調整を行うと、寄生性の横方向の動きによりスポットも移動され、焦点調整の間に収束スポットがカンチレバーからずれるという問題を有する。本発明の、レバー５６及び革新的な三次元屈曲部によって可能となる焦点微調整の動きは、光学系の焦点の動きを単一の平行移動軸に実質的に制限できるようにするので、他の従来のＡＦＭの焦点微調整の動きよりも優れている。これにより、ユーザは、光のスポットを長さ５μｍ程度で非常に小さいカンチレバー上に保持しつつＡＦＭ測定ヘッドの焦点を調整できる。
【００２８】
図３及び図５は、横方向位置決めねじ３６及び３７の両方が見える顕微鏡の図である。これらの位置決めねじは、光学ブロック４０を押圧し、（例えば米国特許第５，８２５，０２０号２４の図２に示されているカンチレバーチップ上の）複数のカンチレバーのうち選択されたカンチレバーに対して相対移動させ、レーザスポットを所望のカンチレバー上に位置決めする。屈曲部５２が位置決めねじ３６及び３７をしっかりと押圧するように、屈曲部５２に予め荷重を加えることもできる。このようにして、屈曲部５２は、光学ブロック４０をカンチレバー２４に対して三次元に移動させて、入射レーザ光２０をカンチレバー２４上に位置決めし且つ収束させることができる。この構成は、ほとんどのＡＦＭで用いられているレーザ操作システムより優れている。ほとんどのＡＦＭは、直交する２つの方向にレーザ光を操作する二軸動的傾斜台を用いている。このような装置は、例えば、ニューポート・コーポレーション（Newport Corporation）、メレス−グリオット（Melles-Griot）及び他の多くの会社から入手可能である。これらの二軸傾斜台は、例えば長さが５０μｍを超えるより大きなカンチレバーを有するＡＦＭに対しては良好に機能するに十分な分解能を有する。残念ながら、特に長さが１０μｍ未満の非常に短いカンチレバーに対しては、これらを手動調整に用いるのはより困難になる。一般的な動的傾斜台は、収束スポットの動きを、調節アクチュエータの動きと比べて拡大するレバーアームを有する。この拡大（２倍以上であることが多い）により、ユーザは調節ねじを、収束したレーザ光を移動させたい量よりも更に小さく動かすことが必要である。本発明は、２つのレーザ調節ねじ３６及び３７が統合型光学ブロック４０の底部に非常に近接して配置された、改良された光束操作装置を提供する。この構成は２つの長所を有する。第１に、傾斜台を非常に小型に保ちつつ傾斜台のレバーの拡大が低減される（好ましい実施形態ではおよそ１．２５）。第２に、レーザスポットの位置を制御する機械的経路が実質的に短縮される。即ち、レーザスポットの横方向の位置は、カンチレバーの僅か数ミリメートル上に取り付けられたねじによって決定される。図４を参照すると、この機械的経路の長さは、実際にはねじ３６（及び図示されていない３７）の端部の直径及びカンチレバーホルダー７２の厚さのみによって制限される。
【００２９】
対物レンズ２２はねじ山付きスリーブ８１に装着され、ねじ山付きスリーブ８１は、光学ブロック４０に接着されたレンズ装着部８３にねじ込まれる。ねじ山付きスリーブ８１をレンズ装着部８３にねじ込むことにより、カンチレバー２４上の焦点を荒調整することができる。
【００３０】
図３に示されるように、コリメータレンズ１８（図２の切取り図に示す）に対する光源１６の調節を可能にする、比較的厚いレーザ位置決め屈曲部４６も存在する。光源１６はこのレーザ位置決め屈曲部４６に装着され、適切な位置にねじ４８で固定されるか又は接着剤で取り付けられる。対物レンズ２２と協働してカンチレバー２４上に適切なスポットを生じる、良好にコリメートされた光束、あるいは発散光又は収束光を生じる目的で、レーザ位置決め屈曲部４６を本体４４に対して屈曲させ、光源１６とコリメータレンズ１８との距離を変えるために、別のねじ５０が用いられる。次に、この良好にコリメートされた光束は対物レンズ２２を通過する。好ましい実施形態では、この第２の屈曲部は、光源によって生じる熱の放熱板として作用するように熱伝導性が高い材料で作られる。
【００３１】
別の実施形態では第２の屈曲部はなくてもよい。別の一実施形態では、コリメータ及び光源を、それらを非常にコリメートされた出射光束を形成するための最適な位置に位置決め可能にする組立て治具内に配列してから、これらの構成要素を適切な位置に接着してもよい。
【００３２】
IV．複合材料又はセラミックの使用
上述した部品及び統合型光学ブロック１０、１１は、カーボン複合材料で形成される。この材料の長所は剛性が高いことであり、剛性は密度で割り算した弾性係数の平方根で求められる。また、この材料は熱膨張係数が非常に低い。これらの特質はどちらも走査プローブ顕微鏡に非常に望ましい。これらの長所の一方又は両方を有する別の複合材料も、走査プローブ顕微鏡に有用であろう。従って、本発明の一実施形態は、ＡＦＭやＳＴＭ等の走査プローブ顕微鏡のハウジング、光学ブロック、走査器、及び他の構成要素を作成するための複合材料の使用である。
【００３３】
適切な複合材料としては、強度が高い樹脂、グラスファイバー、グラファイト、カーボン、ホウ素、石英等のモジュラスが高い繊維、及び、優れた高温耐性、耐炎性及び電気特性を特徴とするアラミド（aramid）繊維（即ち芳香族ポリアミド繊維）から作られる複合材料が挙げられるが、これらに限定されない。適切な複合材料は５ＧＰａ〜３００ＧＰａの引張弾性係数によって特徴づけられ、これは使用中に十分に高い熱安定性を示す。特定の実施形態では、複合材料は１０ＧＰａ以上の弾性係数を有する。更に好ましい実施形態では弾性係数は４０ＧＰａ以上であり、更に好ましい実施形態では弾性係数は１００ＧＰａ以上である。最も繊維強度が高い複合材料はカーボン繊維によって達成される。カーボン繊維は、エポキシの素地又は好ましくはグラファイトの素地に埋め込まれてもよい。連続した繊維の配向は任意の空間軸に沿わせることが可能であるが、少なくとも１つの面において半等方性の設計が好ましい。幾つかの複合材料は、軸ごとに異なる熱膨張係数を有する。このような材料を用いる場合には、熱膨張係数が低い軸が、カンチレバーと試料との間の機械的経路の最も長い軸に沿って配向されるように材料を位置決めするのが好ましい。
【００３４】
好ましい実施形態では、本願発明者は、熱分解グラファイトの素地に埋め込まれたカーボン繊維で構成された強度が高いカーボン−カーボン複合材料を用いた。カーボン−カーボン複合材料の弾性係数は非常に高く、通常は、三次元「繊維フェルト」（ランダム配向された繊維）で作られた複合材料では１５〜２０ＧＰａ、単方向繊維シートで作られたものでは１５０〜２００ＧＰａの範囲である。弾性係数対密度の比が高いこの材料の選択は、後述するように機械的経路の共振振動数を８５０Ｈｚ以上に高める能力に対して大きな影響を及ぼす。更に、非常に低密度のカーボン−カーボン複合材料も幾つか入手可能である。例えば、エアロスペース・コンポジット・プロダクツ（Aerospace Composite Products）の「Ｅｔａｎ」材料は、１．３ｇ／ｃｍ3の密度を有し、これは密度が約２．７ｇ／ｃｍ3のアルミニウムのほぼ半分である。本発明の光学ブロックは三次元屈曲部の下方に懸架されているので、屈曲部の固有振動数は光学ブロックの質量によって異なる。従って、本願発明者は、非常に低密度の材料から光学ブロックを作ることにより、金属製のブロックで可能なよりも屈曲部の固有振動数を遙かに高くすることを達成できた。複合材料の密度は５ｇ／ｃｍ3未満であるのが好ましく、２．０ｇ／ｃｍ3未満であるのがより好ましく、１．５ｇ／ｃｍ3未満であるのが最も好ましい。
【００３５】
複合材料の単位体積に対する繊維の体積含有量は約２０〜７０％であり、５０％を超えるのが好ましい。単位体積当たりの繊維含有量が高い（５０％〜７０％の範囲が好ましい）と、固い材料が良好に埋め込まれた緻密な材料が得られ、粒子強度（grain-strength）の限界が高くなるという長所がある。
【００３６】
カーボン複合材料は、非常に好ましい熱膨張係数も有する。ほとんどの走査プローブ顕微鏡は、「熱によるずれ」の問題を有する。即ち、プローブと試料との間又はプローブと検出システムとの間の機械的経路が、温度の変化と共に変化する。カンチレバーと試料との間の機械的経路が温度と共に長さを変えると、この変化は、試料の表面の位置の変化として現れ、試料に対して行われる任意の測定がゆがめられる。これは、温度変化に伴う、機械的経路に用いられる材料の熱膨張又は収縮の問題である。ほとんどのＡＦＭは、アルミニウムやステンレス鋼等といった１０-5／℃程度の熱膨張係数を有する金属で作られる。熱膨張係数が低くなるよう設計された合金であるＩｎｖａｒTMで作られたＡＦＭもある。残念ながらこの材料は高価であり、加工が困難であると共に、ニッケル等のコーティングを追加して保護しない場合は時間が経つと錆びる。この従来技術のＡＦＭの問題は、カーボン繊維複合材料等の複合材料を用いることによって克服される。組成及び繊維の軸の配向によって、カーボン複合材料は正又は負の熱膨張係数を有することが可能である。これにより、非常にゼロに近い熱膨張係数を与えるよう組成を調整することができる。好ましい実施形態では５×１０-6℃未満、最も好ましくは１０-6℃未満の熱膨張係数を有するカーボン−カーボン複合材料を用いることができ、これはアルミニウムや鋼鉄のほぼ１０倍良好である。
【００３７】
好ましい実施形態のカーボン−カーボン複合材料は、例えば収束スポットの位置決めに用いられる細目ねじ等の、測定ヘッドに用いられる様々な調節ねじを保持するために、直接孔をあけてねじ切りすることが可能である。本願発明者は、カーボン−カーボン複合材料に、１インチ当たり２００個のねじ山というピッチを有する雌ねじを加工した。カーボン−カーボン複合材料は、幾分自己固定性且つ自己潤滑性の特性も有する。これは具体的には、まず調節ねじが回されると、そこにかなり強い摩擦力が生じ、ねじがその位置に保持されるという意味である。一旦運動が開始されると、ねじはかなり滑らかに高精度で調節可能である。しかし、ねじが放置されると、カーボン−カーボン複合材料は再び緩和し、ねじ山を締めつけて、調節ねじをその位置にしっかりと保持する。
【００３８】
複合材料の使用は、ＡＦＭの他の多くの構成要素にも好ましい。例えば、図９の走査器ハウジング７９も複合材料で作られてもよく、そうすることで安定性及びノイズ除去率が高くなる。
【００３９】
セラミック等の剛性が高く熱膨張係数が低いその他の材料も、走査顕微鏡ヘッドに有用な材料であろう。従って、繊維構造の繊維は、炭化ケイ素及び／又は窒化ケイ素等の非酸化物（non-oxidic）のセラミック繊維で、或いは、ケイ素、ホウ素、炭素及び窒素を含む繊維系で構成されてもよい。
【００４０】
図示されているハウジングは２つの部品で構成されているが、ハウジングは、製造の容易さ及び他の考慮事項に応じて、１つの部品又は接着剤若しくは固定具で共に固定された多くの部品で構成されてもよい。統合型光学ブロックの位置決めには、他の様々な三次元微小位置決め器を用いてもよい。
【００４１】
V．光束が平面に垂直入射しない
本発明の光学システムの新規特徴は、光源１６からの光束１４、２０、２６が、対物レンズ２２とカンチレバー２４との間に流体セルがある場合のように強く発散又は収束された場合を除き、平面に垂直入射しないことである。光路の最後に位置する検出器３４でさえも、反射光束２６に対する垂直から角度がずれている。光源１６がレーザ又はレーザに類似した光源である場合には、これによって、光源１６の性能に対して有害なフィードバック効果を有する光学キャビティができるのが回避される。
【００４２】
VI．重要な機械的経路が８５０Ｈｚを超える共振振動数を有する
この顕微鏡の別の新規特徴は、カンチレバーと試料との間及びカンチレバーと検出システムとの間の機械的経路の共振振動数が８５０Ｈｚを超えることである。図１０Ａは、カンチレバー（又は他の走査プローブ）１００と試料１０２との間の一般的な機械的経路の簡略図を示している。機械的経路は、図１０Ａに模式的に示されている１つ以上の構造単位１０４で構成される。この構造は任意の形状を有してよいが、カンチレバーと試料との間の距離の変化を生じる動きの通常モードを１つ以上有する。これらの動きのモードが音響又は振動エネルギーの外部ソースによって励起される場合には、カンチレバー及び試料は相互に相対移動する。カンチレバーは試料の構造又は他の特性を追跡することが意図されるので、カンチレバーと試料との間の望ましくない動きは望ましい信号に直接重ねられ、実際のカンチレバーの動きの測定を乱す又は劣化させる干渉ノイズとして作用する。
【００４３】
走査プローブ顕微鏡には第２の重要な機械的経路がある。即ち、カンチレバー（又は他のプローブ）と検出システムとの間の経路である。この機械的経路は図１０Ｂの簡略図に示されている。この図では、この重要な機械的経路は、カンチレバー又は他のプローブ１００とプローブ１００の位置又は動きの測定に用いられる検出システム１０８との間に配置された構造１０６で構成される。本発明の測定ヘッドの場合には、これは光束の収束スポット、カンチレバーの間の経路である。カンチレバーと光束との相対的な傾斜を生じる任意の振動モードも、測定信号に直接重なり、カンチレバーの動きの測定に同様の乱れ又は劣化を生じる。
【００４４】
一般的に、これらの機械的経路の共振振動数が高いほど、装置が外部の振動の影響を受けにくくなる。この構造の共振よりも振動数が遙かに低い外部ノイズ源の場合には、ノイズは(ｆs／ｆn)2の比率で減衰する。例えば、２００Ｈｚの機械的振動干渉源を想定する。機械的経路の固有振動数が８００Ｈｚの場合には、この干渉の減衰は(８００／２００)2=１６である。しかし、重要な機械的経路の共振振動数が８００Ｈｚから１２００Ｈｚに押し上げられると、減衰比は(１２００／２００)2=３６になる。更に、この構造の共振振動数を１０，０００Ｈｚにできるとすれば、減衰係数は２５００にもなる。この概念は、トンプソンら（James Thompson et al）による「走査プローブ顕微鏡設計の品質評価（Assessing the Quality of scanning probe microscope designs）」（「ナノテクノロジー（Nanotechnology）」１２（２００１）３９４−３９７）で更に詳細に説明されている。この刊行物は、ＡＦＭ測定システムの共振振動数及び「振動除去率」の測定の実験的な方法についても概説している。この刊行物の技術は本発明の一部ではないが、この分析技術及び測定技術の幾つかを、本発明の測定ヘッドの性能改善を確認するために用いた。
【００４５】
本発明は、１０図に示されている機械的経路の一方又は両方について、これらの重要な機械的経路の、従来のＡＦＭより高い共振振動数、特に、８５０Ｈｚを超える共振振動数を達成する。第１に、材料の選択が主要な長所である。振動の通常モードの固有振動数は、しばしば構造の幾何形状の複雑な関数であるが、通常は、(Ｅ／ρ)1/2の項に単純に依存する。式中、Ｅは材料の弾性係数であり、ρは密度である。ほとんどのＡＦＭは、アルミニウム、ステンレス鋼、Ｉｎｖａｒ及びチタン等の金属から構成される。驚くことに、これらの材料の全ては、約２．６×１０7ｍ2／ｓ2という非常に類似したＥ／ρ値を有する。例えば、一般的なカーボン−カーボン複合材料が１００ＧＰａの弾性係数及び１８００ｋｇ／ｍ3の密度を有し得ることを考慮されたい。上述したカーボン繊維複合材料は、５．５×１０7ｍ2／ｓ2のＥ／ρ値を有する。従って、全く同一の構造では、カーボン繊維複合材料で作られたＡＦＭヘッドの固有振動数は、一般的に用いられている金属材料よりも２倍以上良好になり得る。
【００４６】
本願発明者は、このカーボン複合材料を用いて、８５０Ｈｚを超える固有振動数を有するＡＦＭ測定ヘッドを構築した。デジタル・インストルメンツ／ヴィーコ・メトロロジー（Digital Instruments/Veeco Metrology）によって製造された「マルチモードＡＦＭ（MultiMode AFM）」ヘッドの適切な位置に装着されるよう構築された一実施形態は、標準的なマルチモードＡＦＭヘッドのおよそ８００Ｈｚと比べて、約１２００Ｈｚの機械的共振を有する。機械的経路の固有振動数は、経路の構成要素の寸法と対応する。即ち、小さな寸法を有する構造ほど、大きな固有振動数を有する（同一の金属の場合）。このことを念頭に置き、本願発明者は、マルチモードＡＦＭ用のＡＦＭヘッドのバージョンよりも遙かに小さい別の測定ヘッドを作成した。例えば、本発明の一実施形態は、およそ２３ｋＨｚの第１の機械的共振を有するカーボン複合材料で作られた。
【００４７】
上述したトンプソンの論文の方法を用いて、及び／又は、測定ヘッドの設計に用いたＳｏｌｉｄＥｄｇｅTMコンピュータモデル上のＤｅｓｉｇｎＳｐａｃｅTM有限要素解析ソフトウェアを用いて、共振振動数の測定を確認した。
【００４８】
本発明は、機械的経路の共振振動数の改善に有用なその他の多くの改良を実施する。図７〜図９を参照すると、好ましい実施形態では、カンチレバーホルダー７２は、走査器７８の上に直接向かうよう動的に割出しされる。本実施形態では、カンチレバーホルダー７２には流体セル８０が組み込まれており、カンチレバー２４は流体セル８０の中に配置されている。図９に示されるように、走査器７８の表面上に３つの鋼鉄ベアリングボール８２、８４及び８６が固定されており、それぞれ、カンチレバーホルダー７２の対向する面上の穴８８、溝９０及び平面部９２に対して割出しされている。その結果、米国特許第Ｂ１Ｒｅ３４，３８９号の図９又は米国特許第５，８２５，０２０号の図９のような直接型動的取付部が得られる。しかしこれは、引用した従来の設計とは異なる。従来の設計では、このような動的取付部を介して走査器に外殻が接続されており、カンチレバーホルダーは、このような動的取付部と共に、又は、取付部の中心付近のスロットに向けられた３つの溝及びそれと組み合わされる部品上の３つのボールのような他の動的取付部と共に、取付部の外殻に取り付けられていた。新設計では、カンチレバーホルダー７２が走査器７８に直接向かうよう動的に割出しされるように、走査器とカンチレバーとの間の１つの動的取付部が取り除かれている。
【００４９】
この構成は、走査器上の試料とカンチレバーとの間のより直接的な機械的経路を与え、顕微鏡を振動から切り離すのに有用な、より高い共振振動数を与える。本発明の一実施形態によれば、このようにして、試料に対する及び収束スポットに対するカンチレバーの振動の、８５０Ｈｚを超える実効共振振動数を有する第１の原子間力顕微鏡が提供される。
【００５０】
この、より直接的な経路は、試料の異なる領域に接近させるために試料に対してカンチレバーホルダーを平行移動させる、オプションの着脱自在なｘ−ｙ移動器を組み込むために用いられる。本発明の更に改良された実施形態では、この移動器は、走査器アセンブリ上に直接構成されてもよく、この場合には動的取付部は不要である。
【００５１】
VII．入射光束が５ミクロン以下のスポットを形成する
好ましい実施形態では、単素子非球面対物レンズ２２が用いられる。例えば、本願発明者は、ジェルテック（Geltech）によって製造された２．７２ｍｍの焦点距離を有する非球面レンズを用いた。各種のこのようなレンズが入手可能であり、特定の性能目標を満たすよう非球面レンズを特注で設計及び製造してもよい。この非球面レンズは、小型のパッケージ内での高い開口数と回折限界性能とを可能にする。これは、小型且つ軽量であると共に熱ドリフトに影響されにくい。これは、回折限界性能を達成するために、ＡＦＭによく用いられる他のレンズに存在する光学収差を解消又は実質的に低減している。多素子対物レンズ系を用いることも可能である。球面レンズを用いると、レンズの動作領域をレンズ表面のより小さな領域に制限するためのアパチャーをレンズの正面に追加することにより、収差を更に低減することができる。上記の改良の１つ以上を用いると、入射光束２０を、５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下の幅に収束させて、例えば３μｍの幅と１０μｍの長さとを有するようにすることが可能なＡＦＭを構成できる。これらの光スポットの寸法は、収束した光束のＲＭＳスポット半径を決定するための解析ツールを提供するＺｅｍａｘ（TM）という光学設計プログラムを用いて決定され最適化された。上記に挙げた幅は、「ＦＦＴ ＰＳＦ断面」と呼ばれる解析関数から得られたものであり、これは、幾何学的効果及び回折効果の両方を含む収束したレーザ光に対する点広がり関数を計算する解析である。上記の幅は、光の振幅が最大振幅の１０％の点における全幅である。ここで用いたジェルテックのレンズはＤＶＤプレーヤー用に設計されたものである。ＤＶＤプレーヤーのレンズと焦点との間の空隙及びプラスチックの光学特性は、このＡＦＭヘッドのレンズと焦点との間の空隙及び空気又は流体の光学特性と似ているので、このレンズはＡＦＭヘッドという非常に異なる用途で丁度許容可能に機能した。特注の非球面対物レンズを用いれば、向上した性能が得られよう。このような特注の対物レンズは、Ｚｅｍａｘや他の光学設計プログラムを用いて設計できよう。本発明では、このヘッドは、骨の蛋白質の力ｖｓ伸展曲線（extension curves）を測定するための力分光計として用いられた。寸法が幅３μｍ×長さ１５μｍ、ｔ共振振動数が１００ｋＨｚ、水中でのＱ≒１．３、ばね定数２０ｐＮ／ｎｍのカンチレバーでは、６０ｋＨｚの帯域幅でばね定数０．０６Ｎ／ｍのカンチレバーで、３ｐＮ ｒｍｓ程度の力のノイズが得られた。３ｐＮほどの小さい力の事象も測定できた。
【００５２】
更なる実施形態
本発明の更なる実施形態では、対物レンズ２２をレーザ位置決め屈曲部４６と類似の屈曲部に取り付け、ねじ５０と類似のねじで焦点を調節することも可能である。
【００５３】
対物レンズ２２は、光学ブロック４０内に接着されるレンズ取付部８３にねじ込まれるねじ山付きスリーブ８１に取り付けられるものとして説明された。上述したように、これで焦点が荒調整される。ここで取り付けられる屈曲部５２でも、オプションとして同様の焦点の荒調整を提供することが可能である。
【００５４】
本発明の更に別の実施形態では、光学ブロックではなくカンチレバーが移動される。問題となるのは、収束スポットとカンチレバーとの調整可能な相対移動である。
【００５５】
従って、本願の範囲を、上述した本発明の特定の実施形態に限定することは意図されない。当業者が本発明の開示から容易に認識するように、本明細書に記載された実施形態で用いられた手段と実質的に同じ機能を発揮する又は実質的に同じ結果を達成する既存の又は今後開発される手段を、本発明に従って用いてよい。従って、本発明はそのような手段を範囲に含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態の光路及び関連要素、並びに、例えば本発明の原子間力顕微鏡の測定ヘッドのハウジングの部分切取り図を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１の光路及び関連要素をハウジング外で示す斜視図である。
【図２Ｂ】光学測定ヘッドの別の実施形態の模式的な部分拡大図である。
【図２Ｃ】光学測定ヘッドの別の実施形態の模式的な部分拡大図である。
【図２Ｄ】光学測定ヘッドの別の実施形態の模式的な部分拡大図である。
【図３】図１の構成要素を内包した統合型光学ブロックを横から示す斜視図である。
【図４】光学ブロックの詳細を示すために図３を異なる角度から見た部分切取り図である。
【図５】ハウジングを部分的に切り取って横方向位置決めねじを示す、顕微鏡を上から見た図である。
【図６Ａ】光学ブロック及び屈曲要素の分解斜視図である。
【図６Ｂ】本発明で用いられる垂直可動焦点部材のボール接触面を示す平面図である。
【図６Ｃ】本発明で用いられる円盤状屈曲部のソケットのボール接触面を示す平面図である。
【図７】ＡＦＭのカンチレバーを収容した流体セルの位置を示す、ＡＦＭヘッドを下から見た斜視図である。
【図８】ＡＦＭハウジングから分離された流体セルを示す、ＡＦＭヘッドを下から見た斜視図である。
【図９】流体セルを走査器に直接向かわせる動的割出しを示す、図８の流体セルの底部及びそれと対向する走査器の面を示す斜視図である。
【図１０Ａ】カンチレバーと試料との間の機械的経路の簡略図である。
【図１０Ｂ】カンチレバーと試料との間の機械的経路の簡略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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