(57)【要約】  光学対物レンズと走査型プローブ顕微鏡（SPM）ヘッドとを有する倒立顕微鏡用の試料容器保持機構を提供する。倒立顕微鏡は、該倒立顕微鏡の対物レンズが下方から試料容器に接近するための通路が提供されるように寸法決めされた開口部が形成された試料容器を支持するためのプラットフォームを含む。保持機構は、プラットフォーム内に形成された真空領域を提供し、該真空領域は気圧によって真空発生器と結合される。真空領域内に負圧が形成されることにより、SPMヘッドの動作振動数範囲における試料容器のフロアの振動が防止される、又は実質的に低減される。【選択図】図2
2018526686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
倒立顕微鏡用の試料容器保持機構であって、光学対物レンズ、及び試料容器内の試料の走査を行うように構成された走査型プローブ顕微鏡（SPM）プローブと制御システムとを含むSPMヘッドを有し、該SPMヘッドは、該制御システムを利用して該SPMプローブの制御された動きを動作可能に生成し、該制御された動きは動作帯域幅内で該試料表面をトラッキングし、該試料容器保持機構は：
該試料容器を支持するためのプラットフォームであって、該SPMヘッドの動作中に該試料容器が上に置かれる表面を提供するプラットフォームと、
該プラットフォームに形成された開口部であって、該倒立顕微鏡の該対物レンズが該試料容器に下方から接近するための通路を提供するように寸法決めされた開口部と、
該試料容器のフロアと該プラットフォームの表面とを含むバウンダリを有する少なくとも一つの真空領域であって、該少なくとも一つの真空領域はそれぞれ真空発生器の動作によって該真空領域内の動作負圧を促進するために気圧によって該真空発生器に結合されている少なくとも一つの真空領域と、を含み、
該少なくとも一つの真空領域は、該SPMヘッドが動きを生じさせる動作を行う間、該動作負圧が、該試料容器のフロアを、該SPMプローブの制御された動きに起因する動作帯域幅内のすべての音響励起から実質的に隔離させるように、該開口部に実質的に近接して位置する少なくとも一部分を含む、前記試料容器保持機構。
【請求項２】
前記少なくとも一つの真空領域は、前記開口部に近接して位置する内側シールと、該開口部に対して遠位に位置する遠位シールとを含み、該内側及び遠位シールはそれぞれ前記試料容器のフロアとの緊密な接触を維持するように配置されて、該真空領域を密封する、請求項1記載の試料容器保持機構。
【請求項３】
前記少なくとも一つの真空領域は、前記表面に平行な基準平面に環状断面を有する単一の真空領域である、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項４】
前記少なくとも一つの真空領域はそれぞれ、前記表面に平行な基準平面に環状断面を有する真空チャネルを含む、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項５】
前記内側シール及び前記遠位シールの少なくとも一つはＯリングを有する、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項６】
前記内側シール及び前記遠位シールの少なくとも一つは、前記プラットフォーム上に形成された機械加工された表面を含む、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項７】
前記遠位シールは単一の連続シールを含む、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項８】
前記内側シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸から固定の半径方向距離に位置する、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項９】
前記内側シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸から最大半径方向距離に位置し、該最大半径方向距離は該開口部の半径の半分以下である、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項１０】
前記内側シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸から最大半径方向距離に位置し、該最大半径方向距離は該開口部の半径の20％以下である、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項１１】
前記内側シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸から最大半径方向距離に位置し、該最大半径方向距離は該開口部の半径の１0％以下である、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項１２】
前記内側シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸に対して、該開口部の半径と揃えて配置される、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項１３】
前記遠位シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸から固定の半径方向距離に位置する、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項１４】
前遠位シールは、前記開口部の中心を通過し、かつ前記対物レンズの光軸に沿って配向された基準中心軸から最小半径方向距離に位置し、該最小半径方向距離は該試料容器の半径の少なくとも90％である、請求項2記載の試料容器保持機構。
【請求項１５】
前記プラットフォームは、前記試料容器のフロアが、真空領域のバウンダリではない少なくとも一つの部分を含み、該少なくとも一つの部分はそれぞれ面積が前記開口部よりも小さくなるように配置される、請求項1記載の試料容器保持機構。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの真空領域は、前記プラットフォームに形成された複数の真空チャネルを含み、前記開口部に実質的に近接して位置する第1の真空チャネルのセットを含む、請求項1記載の試料容器保持機構。
【請求項１７】
前記少なくとも一つの真空領域は、隣接する真空チャネルと前記試料容器の周辺との間に最大間隔を有する第2の真空チャネルのセットをさらに含み、該最大間隔は前記開口部の直径よりも小さい、請求項16記載の試料容器保持機構。
【請求項１８】
前記少なくとも一つの真空領域は、前記プラットフォームに形成され、かつ前記開口部の直径よりも小さい距離だけ互いに離間した複数の真空チャネルを含む、請求項1記載の試料容器保持機構。
【請求項１９】
前記SPMヘッドが動作する間、前記動作負圧が形成されることにより、前記試料容器のフロアの共振振動数が、前記SPMプローブの制御された動きの動作帯域幅よりも高くなる、請求項1記載の試料容器保持機構。
【請求項２０】
前記試料容器はシャーレである、請求項1記載の試料容器保持機構。
【請求項２１】
前記倒立顕微鏡の前記対物レンズの開口数は0.2よりも大きい、請求項１記載の試料容器保持機構。
【請求項２２】
前記倒立顕微鏡の前記対物レンズの開口数は0.5よりも大きい、請求項１記載の試料容器保持機構。
【請求項２３】
倒立顕微鏡であって、
光学対物レンズと、
試料容器内の試料の走査を行うように構成され、かつ動作振動数範囲で振動成分を含む動きを動作可能に生成する走査型プローブ顕微鏡（SPM）プローブを含むSPMヘッドと、
試料容器保持機構であって、
該試料容器を支持するためのプラットフォームであって、該SPMヘッドの動作中に該試料容器が上に置かれる表面を提供するプラットフォームと、
該プラットフォームに形成された開口部であって、該倒立顕微鏡の該対物レンズが該試料容器に下方から接近するための通路を提供するように寸法決めされた開口部と、
該試料容器のフロアと該プラットフォームの表面とを含むバウンダリを有する少なくとも一つの真空領域であって、該少なくとも一つの真空領域はそれぞれ真空発生器の動作によって該真空領域内の動作負圧を促進するために気圧によって該真空発生器に結合されている少なくとも一つの真空領域と、を含む試料容器保持機構を含み、
該少なくとも一つの真空領域は、該SPMヘッドが動きを生じさせる動作を行う間、該動作負圧が、該試料容器のフロアを、該SPMプローブの制御された動きに起因する動作帯域幅内のすべての音響励起から実質的に隔離させるように、該開口部に実質的に近接して位置する少なくとも一部分を含む、前記倒立顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は全般的に走査型プローブ顕微鏡法に関し、より具体的には、走査型プローブ顕微鏡モジュールを有する倒立顕微鏡と共に使用する、シャーレなど試料容器を保持するための機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
倒立顕微鏡の使用は、試験管内で液状の試料を検査する必要のあるライフサイエンスその他の分野において広く普及している。倒立顕微鏡は、試料をシャーレなどの試料収容容器の底部を介して観察する。光路には、容器の下に配置された対物レンズが含まれる。最適な光学特性を得るため、試料容器は、高透明度の材料、通常はガラスから構成され、試料を観察する際に介する容器の底部は、一般的には実用可能な限り薄く形成されており、170マイクロメートル程度に形成されることも多い。これにはいくつかの理由がある。第一に、容器の薄い底面を薄くすることで、倒立顕微鏡の光学系において多数の開口部を使用することが可能になる。これによって作動距離が非常に短くなるため、対物レンズを容器の底部に位置する試料に非常に近く配置する必要がある。また、薄い容器底部は、試料の観測に蛍光を用いることを可能にする。ガラスは紫外線波長を自然に吸収するため、容器の底部を非常に薄くすることにより、試料から対物レンズへのこれらの波長の伝搬の改善が容易になる。
【０００３】
ここ20年ほどの間、倒立顕微鏡に原子間力顕微鏡（AFM）モジュールが追加され、AFM機能が追加された。AFMモジュールは、本明細書ではAFMヘッドとも呼ばれる。AFMは、カンチレバー微細構造の端部に取り付けられた、微細加工されたプローブ先端を用いて試料を「感じる」顕微鏡の一種である。AFMは、ナノスケールで試料を観察することができる。本開示のコンテキストにおいてナノスケールという語は、1マイクロメートル未満のサイズを指す。現在の高性能AFMは、サブナノメートルの解像度で試料を撮像し、操作することができる。AFM技術により、サンプルを分子スケール、時には原子スケールでさえ研究することができ、細胞膜、DNA構造などの構造に対する優れた洞察が得られる。AFMによって得られる他の関連性のある利点は、物体の高さを測定して3次元画像を生成し、試料の機械的特性を調べ、ナノスケールで試料を操作する能力である。
【０００４】
AFMヘッドを操作する際、プローブ先端がナノスケールで重要となるファンデルワールス力、毛細管力、静電力その他の力によって試料と相互作用するように、プローブ先端を試料の表面に近接させる。カンチレバーのたわみが観測され、AFMプローブの高さを試料のトポグラフィに追従するように継続的に調整する制御システムへの入力として用いられる一方で、プローブによって試料の表面が走査される。このようにAFMプローブによって試料を走査しながらプローブの横座標（x, y）、及び縦座標（z）を記録することで、試料の三次元画像が生成される。そのようなAFMの一例が、米国特許第6,057,546号に記載されており、その開示は引用により本明細書中に組み込まれている。
【０００５】
特に、AFM画像中に存在する高レベルのノイズは、倒立顕微鏡におけるAFMヘッドの使用について長い間存在する問題の一つである。従来、この問題は、AFM走査の速度を遅くして、安定した状態で機器を動作させることによって対処されてきた。従って、試料の非常に小さな領域の画像を取得することにさえも、20分程度又はそれ以上の時間を要していた。このように長期化した走査時間は、特にバクテリア又は他の微生物など生きた試料について、AFMヘッドの使用を厳しく制限する。
【０００６】
ノイズの問題に対処するために用いられる別のアプローチは、特定のAFM機器用にカスタマイズされたより小さなスライド状容器を代わりに用いて、シャーレを全く用いないようにすることである。ただし、倒立顕微鏡のユーザの多くは標準的なシャーレを試料容器として用いることの利便性を好むため、このアプローチは望ましくない。
【０００７】
したがって、AFM機器、特に倒立顕微鏡とシャーレ試料容器と共に使用する場合のAFM機器の使用を改善して、そのようなアプリケーションにおいて遭遇するノイズに対処するための解決策が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
（発明の概要）
本発明の態様は、倒立顕微鏡用の試料容器保持機構を提供する。倒立顕微鏡は、光学対物レンズと、走査型プローブ顕微鏡（SPM）ヘッドとを有する。試料容器保持機構は、試料容器を支持するためのプラットフォームと、プラットフォームに形成された開口部とを含む。該プラットフォームは表面を提供し、SPMヘッドの動作中に試料容器がその上に置かれる。該開口部は、倒立顕微鏡の対物レンズが下方から試料容器に接近するための通路を提供するような大きさである。
【０００９】
SPMヘッドは、制御システムを利用してSPMプローブの制御された動きを動作可能な態様で生じさせ、制御された動きは動作帯域幅内で試料表面をトラッキングする。試料容器保持機構は以下を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態において、試料保持機構は、試料容器のフロアとプラットフォームの表面とを含むバウンダリを有する少なくとも一つの真空領域を含み、該少なくとも一つの真空領域はそれぞれ真空発生器に気圧によって結合され、真空発生器の動作によって該真空領域内の動作負圧を促進する。該少なくとも一つの真空領域は、開口部に実質的に近接して位置する少なくとも一つの部分を含むため、SPMヘッドの動作によって動きが生じる間、動作負圧によって、試料容器のフロアは、SPMプローブの制御された動きに起因する動作帯域幅内の音響励起から実質的に隔離される。
【００１１】
関連する実施形態では、真空領域がプラットフォームに形成され、該プラットフォームはプラットフォームの表面に形成され開口部周辺に近接して配向された窪みを含む。真空領域は、気圧によって真空発生器と結合している。真空領域は、開口部に近接して位置する内側シールと、開口部に対して遠位に位置する遠位シールとを含む。該内側シール及び該遠位シールはそれぞれ、試料容器のフロアとの緊密な接触を維持するように配置されて、真空領域を密封し、真空発生器の動作によって真空領域内の動作負圧が促進される。
【００１２】
別の関連する実施形態では、該少なくとも一つの真空領域は、プラットフォームに形成された複数の真空チャネルを含み、開口部に実質的に近接して位置する第1の真空チャネルのセットを含む。該少なくとも一つの真空領域は、隣接する真空チャネルと試料容器の周辺との間に最大間隔が設けられた第2の真空チャネルのセットをさらに含むことができ、該最大間隔は開口部の直径よりも小さい。
【００１３】
有利には、SPMヘッドの動作中、動作負圧が形成されることで試料容器フロアの共振振動数が動作振動数範囲よりも高くなり、その結果SPM測定におけるノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、添付図面を参照して以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を考慮することにより、より完全に理解され得る。
【図１】本発明の態様が実施される、光学顕微鏡部と走査型プローブ顕微鏡（SPM）部の両方を含む倒立顕微鏡を示す概略図である。
【図２】一実施形態に係る基本SPMシステムであって、図1の倒立顕微鏡のSPM部の一部を形成するSPMヘッドを含む基本SPMシステムを示すブロック図である。
【図３】一実施形態に係る倒立顕微鏡の一部を形成する試料保持プラットフォームであって、概略的に示すシャーレが置かれる試料保持プラットフォームの一部分を示す斜視図である。
【図４】図3に示すプラットフォーム部及びシャーレの上面図である。
【図５Ａ−Ｃ】図5A-5Cは、図4に示す断面5-5から見た、試料容器保持機構の様々な実施形態を示す断面図である。
【図５Ｄ】図5Dは、図4に示す実施形態の部分断面図であり、一実施形態に係る試料容器保持機構の動作状態におけるシャーレフロアの変形を例示的に示す。
【図６】図6A-6Bは、関連の実施形態を示す上面図であり、倒立顕微鏡の試料容器保持プラットフォームに形成された開口部の周辺に位置する複数の真空チャネルが存在する。
【図７】断面7-7から見た、図6Bに示す実施形態の断面図である。
【図８】様々な実施形態に係る、本明細書に記載の試料容器保持構成を備えた又は備えていないSPMヘッドの伝達関数の振幅及び位相スペクトルを比較して示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、様々な変更及び代替形態が可能であるが、これらの詳細は、図面に例として示されており、詳細に説明される。しかしながら、本発明を、説明された特定の実施形態に限定するものではないことを理解されたい。反対に、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲内に入るすべての変更、等価物、及び代替物を包含するものである。
【００１６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図1は、光学顕微鏡部と走査型プローブ顕微鏡（SPM）部の両方を含む倒立顕微鏡20を示す概略図である。光学顕微鏡部は従来の光学系であり、対物レンズ22、接眼光学系24、光及び付加光学系26、並びに、明瞭化のためにここでは図示されない例えばミラー、レンズ、ズーム及びフォーカス機構、ビームスプリッタ、蛍光放出光源などその他の従来の光学顕微鏡法構成要素を含む。対物レンズ22は、検査対象となる試料の下方に位置する。
【００１７】
試料は、試料容器としての機能を果たすシャーレ30に収容される。シャーレ30は、倒立顕微鏡法のコンテキストにおいてステージとも呼ばれることが多いプラットフォーム25上に載せられる。以下にさらに詳細に説明するように、プラットフォーム25は、対物レンズ22がシャーレ30の底部を介して試料を観察することのできる開口部を備える。高開口数の対物レンズにおいて、開口部は、対物レンズ22がプラットフォーム25の厚さ未満の距離でシャーレ30の底部に接近するのに十分な大きさを有する。
【００１８】
SPM部はSPMヘッド28を含み、これは、図2にさらに詳細に示されるとともに以下に説明されるより大きなSPMシステムの一部である。SPMヘッド28は、SPMカンチレバー102、プローブ104、アクチュエータ110、モニタ114、負荷アイソレータ124、追加の機械システム112、及び倒立顕微鏡20のフレームに取り付けられる筐体を含む。図2に示すSPMシステム100の他の構成要素は、SPMヘッド28とは別個に収容されてもよく、その場合、それらの構成要素は適切なケーブルを介してヘッド28に電気的に結合される。他の実施形態では、様々なこれら他の構成要素の1つが、SPMヘッド28のエンクロージャ内にも収容されるように十分に小型化される。
【００１９】
上述したように、SPMヘッドを備えた従来の倒立顕微鏡では、これまでに説明したように、SPM撮像において大量のノイズが観測される。ノイズの特定のソースの一つは、本発明者らが認識するように、シャーレ30のフロアの振動である。より具体的には、試料を走査中のSPMプローブの動きは、シャーレ30のフロアに機械的な力を伝達し、該フロアをドラムヘッドのように振動させる。一方、この振動は試料及びSPM測定と相互作用し、撮像ノイズを生じさせる。
【００２０】
本発明の一態様によれば、シャーレ30のフロアをプラットフォーム25に強固に固定する機械的保持機構が提供される。特に、図1に示す基本的な実施形態では、シャーレ30は、倒立顕微鏡内でSPMヘッドと共に動作するように特化された真空ベースの保持機構を用いて、プラットフォーム25に固定される。このように、プラットフォーム25は、以下に詳述する特定の構造的特徴を有し、シャーレ30の下に真空領域を形成する。本開示のコンテキストにおいて、真空という語は、部分真空、すなわち、周辺圧力よりも圧力が低い領域を含む。真空は真空ライン40を介して形成され、真空ラインは、真空領域を、真空発生器44、例えば真空ポンプに気圧により連結させる。
【００２１】
図2は、SPMヘッド28を含む基本SPMシステム100を示すブロック図である。カンチレバー102は、プローブ104を保持する。プローブ104は、表面108を有する試料106を検査するのに使用される。試料106は、例えば、シャーレに収容された生物学的試料とし得る。表面108は一定のトポグラフィを有し、これは特定のアプリケーションにおいて検査の対象となる。本明細書において「トポグラフィ」という語は、試料の表面特性を含む、試料又は試料の一部分の三次元プロファイルを表すものとして定義されるが、これに限られない。
【００２２】
検査は、表面108とプローブ104の間に検出可能な相互作用を成立させるためにカンチレバー102及びプローブ104を試料に移動させてプローブ104を表面108に対して相対的に位置付けることによって、実現される。プローブ104は、例えば表面108のトポグラフィなどの試料106のトポグラフィをトラッキングしながら、試料を全体に亘って、又は試料を横断するように、走査する。トポグラフィのトラッキングには、例えば、細胞膜、分子構造など試料上に存在する特徴を追跡することが含まれるが、これに限定されない。
【００２３】
一実施形態では、図2に示すように、SPMシステム100はアクチュエータサブシステムを含み、アクチュエータ110は、該サブシステムにおいてカンチレバー102を表面108に対して移動させてプローブ104の制御された動きを生じさせることによって、プローブと試料の間の相互作用を調整する。該制御された動きはフィードバックループを用いて制御され、その動作は以下にさらに詳細に説明される。
【００２４】
一実施形態では、SPMシステム100は、プローブ104と試料106の結合を含む機械的構造によって、減衰、共振、又はそうではないプローブと試料の間の相対的動きとの相互作用が抑制又は回避されるように、構成される。例えば、アクチュエータ110はシャーシに強固に取り付けられてもよく、該シャーシにはシャーレ30も強固に取り付けられている。
【００２５】
プローブ104と表面108の相対的動きが表面108に沿うようにカンチレバー102と試料106のいずれか一方又は両方を移動させるアクチュエータを含む追加の機械システム112を設けてもよい。簡単のため、この動きは、x-y方向における、又はx軸若しくはy軸に沿った動きと呼ばれる。このx-y方向における動きは、プローブ104による表面108上の走査を容易にする。プローブ104によって試料108が走査されると、アクチュエータ110が、カンチレバー102と表面108との相対位置を調整してz軸に沿った動きを生成し、プローブと試料の相互作用を概ね一定のレベルに維持することで、プローブ104が表面108のトポグラフィをトラッキングする。振動モードシステムでは、プローブと試料の相互作用を振動周期にわたって平均化して、プローブ104が表面108上を走査する際に維持すべきプローブと試料の相互作用のレベルを表す対応スカラーを生成することができる。一種類の実施形態では、x、y、及びz軸用のアクチュエータは、圧電スタックである。関連する実施形態では、アクチュエータについても、他の圧電デバイス、電歪、磁歪、静電、誘導、及び／又はボイスコイル駆動機構から形成されるアクチュエータ、並びに入力信号に応じて動きを生じさせる他のアクチュエータを含む任意の数の代替作動技術を適用することができるが、これらに限定されない。
【００２６】
試料106に対するプローブ104の制御された動きは、プローブと試料の間のナノスケール相互作用の変化に反応する。ナノスケール相互作用の種類の例には、接触、タップ、電気力、磁力、摩擦、接着、近接場光学力、熱的力、ファンデルワールス力、若しくはその他の局所的力、及び／又は解像度が1μmよりも優れ、通常100nm未満であるスケールでマッピングされる場が含まれるが、これらに限定されない。一例として、プローブ及び試料の相対的動きを走査することにより、プローブが試料を横断するのにつれて、プローブが試料の様々なトポグラフィ的特徴に遭遇する結果、ナノスケールの相互作用は変化し得る。プローブ104及び試料106の制御された相対的動きは、表面108に対し垂直又は斜めにすることができ、並進又は回転運動成分を含むことができる。制御された動きは、システムが生成することのできる最速のトポグラフィトラッキング運動に対応する、ゼロから最大振動数までの幅広い動作帯域幅を有し、通常、アクチュエータの機構、カンチレバー、機器の構造剛性などによって制限される。
【００２７】
プローブ104の制御されたトポグラフィトラッキング運動は、SPMシステムが生成することのできるプローブの他の種類の動きと区別することができる。例えば、プローブ先端をタップすることで試料との相互作用が瞬間的に増加した状態と、該相互作用が瞬間的に減少した状態とを切り替えて振動する「タッピングモード」で、プローブを高速に振動させる振動モード運動を起こすことができる。この振動性の動きは、通常、制御された動きと比較して大幅に高い振動数及び非常に狭い帯域幅で発生し、試料に対するプローブの位置決めを調整する制御システムのフィードバックループによって制御されない。
【００２８】
また、プローブ104の制御された動きは、プローブを試料に対して接触(engage)及び離間(disengage)させたり、プローブと試料の相対的な位置決めをシャトルしたりするのに使用される粗い位置決めの動きとは区別される。この種類の粗動は、制御された（トポグラフィトラッキング）運動に対応する変位よりも大幅に大きい変位を提供するが、通常z軸に沿った解像度が制限されているために、実用的な走査速度で試料トポグラフィをトラッキングするのに有用ではない。
【００２９】
SPMシステム100は、フィードバック制御システムを備え、該フィードバック制御システムには、モニタ114と、プローブ104の動きを制御して表面108をトラッキングさせるコントローラ116とが含まれる。プローブと試料の相互作用は、モニタ114によってモニタされる。一実施形態では、モニタ114は、レーザビーム偏向システムによってカンチレバー102の偏向を測定する光学システムを利用する。実施形態の振動モードでは、プローブと試料の相互作用の変化は、プローブと試料の相互作用に由来する共振特性の変化による、振動の位相オフセット又は振幅のシフトなど、振動特性の変化を観測することによって検出することができる。
【００３０】
モニタ114は、プローブと試料の相互作用を示す信号115を生成し、信号115をコントローラ116に供給し、コントローラ116は、該信号115を、プローブと試料の相互作用の維持すべき量を表すセットポイント信号と比較する。コントローラ116はプローブ位置決め信号117を生成し、これは表面108のトポロジを表すものとしてアナライザ118に入力される。図2に示す実施形態では、モニタ114及びコントローラ116は、フィードバック制御トポロジを提供する。本発明の範囲及び精神においてサポートされる他の実施形態では、他の種類の制御トポロジも可能である。例えば、フィードフォワード制御システム又はモデルベースの制御システムを利用することができる。
【００３１】
増幅器120は、プローブ位置決め信号117を増幅して、カンチレバー駆動信号121を生成する。実施形態の一例では、増幅器120は、単一の回路基板上の離散及び集積電気／電子部品で実装される。他の実施形態では、増幅器120の回路は、複数の相互接続された回路基板、又は複数の別々の相互接続されたエンクロージャにまたがる。増幅器120は、内部フィードバックネットワーク122を含む。
【００３２】
図3は、一実施形態に係るプラットフォーム25の一部分を示す斜視図であり、概略的に示すシャーレ30が位置する。開口部220が示されており、シャーレ30内の試料は、対物レンズ22（不図示）の視線上にある。シャーレ30とプラットフォーム25の中間に形成された真空領域によって、シャーレ30はプラットフォーム25に強固に固定される。本実施形態では、真空発生器44（図1）などの真空発生器に気圧によって結合された真空チャネル230によって負圧が促進される。真空領域は、さらに、真空領域を周辺環境から隔離するバウンダリによって定義される。図示の実施形態では、該バウンダリは、シャーレ30の底部、プラットフォーム25の本体、開口部220に近接して位置する内側シール232、及び開口部220に対して遠位に位置する遠位シール234を含む。
【００３３】
この特定の実施形態では、真空チャネル230は、プラットフォーム25の表面にリング状の溝として形成される。様々な他の形状を適用することができることは理解されよう。同様に、真空発生器に気圧によって連結される複数の個別の真空チャネルを設けてもよい。例えば、以下に詳述する別の実施形態は、真空領域内の負圧が吸引される複数のボーリング孔を利用する。
【００３４】
図4は、図3に示すプラットフォーム部及びシャーレの上面図である。この図には、内面219を有する開口部220と、開口部220の内部に位置する対物レンズ22とが示されている。内側シール232は、開口部220の近傍に位置する。外側シール234は、真空チャネル230の反対側の面に半径方向に配置される。本実施形態では、真空領域は環状断面を有する。
【００３５】
図5A-図5Dは、断面5-5から見た様々な実施形態を示す断面図である。これらの実施形態では、プラットフォーム25は、シャーレ30が配置される円筒状ポケットを形成する凹部250を含む。凹部250によって、シャーレ30を開口部220上で中央に位置決めすることができる。この図に示すように、対物レンズ22は、シャーレ30の底部に接近するように、少なくとも部分的に開口部220に嵌合することができる。真空チャネル230は、真空242を吸引する真空発生器に通じる真空ライン40に接続されている。
【００３６】
真空領域265は、誘起振動から実質的に隔離された表面によって閉ざされている。本開示のコンテキストにおいて、「実質的に隔離された」とは、SPMの動作によるノイズ又はその他観察可能な振動が存在しないことを意味する。有利には、内側シール232は、SPMヘッド28の動作によって真空領域265からシャーレ30の開放底部に向けて誘起されるあらゆる振動を隔離する硬質又は半硬質のバウンダリを、シャーレ30の底部における、該シャーレ底部において誘起されるすべての動きに対抗する真空圧を利用して、作り出す。
【００３７】
開口部220の内面は、中心軸260から距離r1にある。参考として示すように、中心軸260は対物レンズ22の光軸に沿って位置しており（この例ではプラットフォーム25に対して垂直である）、開口部220を通過する。内側シール232は、中心軸260から距離r2に位置する。半径方向距離r2はシャーレ30の半径r4よりも大幅に小さいため、SPMヘッド28の動作からの音響励起を受けるシャーレ底部の振動部分が大幅に縮小する。この振動板、又は「ドラムヘッド」のサイズの減少は、SPM撮像のノイズに対する観測可能な影響に関する限り、半径方向距離r2内においてシャーレ底部における振動をすべて無視できる程度まで、振動の共振振動数を効果的に上昇させる。
【００３８】
図5Aに示す実施形態において、内側シール232及び遠位シール234はそれぞれ対応する環状溝内に配置されたОリングから形成される。また、図5Aに示すように、内側シール232は、距離r1よりも遠い距離r2に位置し、r2-r1の差分は小さいままではあるが、ゼロではない。特定の一実施形態では、距離r2-r1はr2の50％以下である。別の実施形態では、距離r2-r1はr2の20％以下である。さらに別の実施形態では、距離r2-r1はr2の10％以下である。
【００３９】
半径方向距離r3は、遠位シール234の外側と中心軸260との間の距離を表す。半径方向距離r4は、シャーレ30の公称半径を表し、テーパ壁を含んでもよい。半径方向距離r3を超えてシャーレフロア内に誘起される振動は、SPMプローブ104が動作する場所から真空領域265を介して隔離されてもよい。しかしながら、これらの振動は、シャーレ内の流体を介して試料に結合することができる。したがって、一実施形態では、遠位シール234は、距離r4-r3が最小になるように位置する。本コンテキストでは、最小距離r4-r3は、距離r3を超えたシャーレの任意の部分の振動がSPM測定に与える影響を無視することができる距離である。特定の一実施形態に係ると、半径方向距離r3は、半径方向距離r4の少なくとも90％である。別の実施形態では、半径方向距離r3は、半径方向距離r4の少なくとも95％である。
【００４０】
関連する実施形態では、真空領域265は、真空領域265のバウンダリを構成しないシャーレフロアの各領域が、対物レンズ22上のシャーレフロア部分よりも面積が小さくかつ半径r2内に収まるように、構成される。
【００４１】
図5Bに示される実施形態では、開口部220’の内面219’は、内側シール232を収容する凹部を含む。ここで、距離r1と距離r2は同一、又は僅かに異なる。本実施形態は、誘起振動の対象となるシャーレ底部の面積がより縮小するという利点を提供する。
【００４２】
図5Cに示される実施形態は、内側シール232’及び遠位シール234’がプラットフォーム25の本体からそれぞれ形成されている点を除いて、図5Aに示される実施形態と同様である。本実施形態では、シール232’及び234’は、真空242の形成及び維持を容易にするためにシャーレ30の底面と十分に密接する滑らかな上面を有する、機械加工された突起である。
【００４３】
図5Dは、図4及び図5Aに示される実施形態の部分断面図であるが、明瞭化のために様々な要素を省略している。ここで、シャーレ30の底面は、負圧の印加によって変形したように図示される。真空領域にわたって、シャーレの底部は、参照符号270で示されるように下方に変形している（変形の程度は、例示のために誇張されている）。有利には、内側及び遠位シール232及び234は、対物レンズ22の上及びSPMプローブ40の下方に位置するシャーレフロア部分の変形をすべて無視することができるように、シャーレ30に対して平衡配置で置かれる。この変形の減少は、対物レンズ22を介して試料を観察する際にそのような変形が生じさせ得る光学的歪みを抑制するのに有利である。
【００４４】
図6Aは、開口部220の周辺に位置する複数の真空チャネルを備える関連の実施形態を示す上面図である。図示のように、各真空チャネル231a-231nは円形である。しかしながら、例えば楕円形、弧状など任意の形状を用いてよいことは認識されよう。各真空チャネルは、対応するシール235a-235nによって閉ざされ、開口部220に近接して配置される。各シール235は、Оリング、ガスケットその他適切なインサートの形態であってもよく、種々の実施形態に応じて、滑らかかつ水平な機械加工面などの適切に作成された表面であってもよい。シャーレ30がプラットフォーム25上に置かれると、シャーレフロアのうち真空チャネル231上に位置する部分が真空領域のバウンダリを形成し、SPMプローブの動きの音響結合による振動から隔離される。
【００４５】
図示の実施形態では、二つの基準を満たすために真空チャネル231が分配される：（1）複数の真空チャネル231a-231eが、シャーレ中央の、真空領域のバウンダリを構成しないシャーレ底部の面積を最小にするために、開口部220に実質的に近接して配置される（これにより、シャーレ中央における有効振動「ダイアフラム」又は「ドラムヘッド」を減少又は最小化させる）；（2）複数の真空チャネルは、シャーレフロアの他の表面領域のサイズを制限するように配置された追加の真空チャネルを含むため、SPM測定への影響が関係する限り、これらの領域における誘起振動は無視することができる。後者は、真空領域のバウンダリを構成しないシャーレフロアの任意の表面領域の最大寸法が開口部220の直径よりも小さくなるように、真空チャネルを、相互に対して、及びシャーレフロアの周辺に対して間隔を空けて配置することにより、実現される。図示のように、領域240は、隣接する真空チャネル231c、231l及び231mと、シャーレ周辺との間に位置する。非真空バウンダリ領域240の最大寸法は直線寸法241であり、真空チャネルのレイアウトに応じて開口部220の直径243よりも小さくなる。関連する実施形態では、任意の真空チャネル231とそれに隣接する真空チャネルとの間の最長距離は、開口部220の直径243よりも小さい。
【００４６】
図6Bは、開口部220の周辺に位置する多数の真空チャネル233を備えた、別の関連する実施形態を示す上面図である。各真空チャネル233はシャーレ30のフロアで終結して、真空がシャーレフロアの外面全体に接触し、これによりシャーレフロアがプラットフォーム25に密接する。また、本実施形態では、基準（1）及び（2）が満たされる。
【００４７】
図7は、図6Bに示す実施形態を示す断面図である。各真空チャネル233は真空チャンバ275に通じており、真空チャンバ275は、シャーレ30が置かれるプラットフォーム25の表面下に埋設される。真空チャンバ275は、真空発生器242に通じる真空ライン40に接続されている。
【００４８】
図8は、上述したシャーレ保持構成を有する又は有さないSPMヘッド28の伝達関数の振幅スペクトル302a及び位相スペクトル302bを示す。曲線304a及び304bは、本発明の態様に係るシャーレ保持の特徴を有さない従来の構成に関する。曲線306a及び306bは、シャーレ30をプラットフォーム25に固定するための真空領域が組み込まれた拡張システムに関する。振幅スペクトル曲線304aは、シャーレフロアの共振に起因する顕著なピーク308aを有する。位相スペクトル曲線304bは、ピーク308aに対応する位相シフト308bを有する。位相シフト308bによって位相余裕の損失が生じ、これにより、伝達関数の安定性は、シャーレ保持のソリューションを利用する拡張システムによって実現可能なものよりも大幅に低い動作振動数に制限される。
【００４９】
上で詳述した実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではない。更なる実施形態は、特許請求の範囲内にある。さらに、特定の実施形態を参照して本発明の態様を説明したが、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えることができることを当業者は認識するであろう。
【００５０】
関連分野の当業者は、本発明が上記の個々の実施形態に示されたものよりも少ない特徴を有することができることを認識するであろう。本明細書に記載の実施形態は、本発明の様々な特徴が組み合わされ得る方法をすべて網羅して示すものではない。したがって、実施形態は、相互に排他的な特徴の組み合わせではなく、むしろ、本発明は、当業者に理解されるように、異なる個々の実施形態から選択された異なる個々の特徴の組み合わせを含むことができる。
【００５１】
上記の文献を参照するいかなる引用も、本明細書の明示的開示に反する主題を組み込まないように限定される。上記の文献を参照した引用はさらに制限され、該文献に含まれる請求の範囲は、本願の特許請求の範囲に参照によって組み込まれない。しかしながら、これらの文献の請求の範囲は、特に除外されない限り、本明細書の開示の一部として組み込まれる。上記の文献を参照することによる引用はさらに限定され、その文献に提供された任意の定義は、本明細書中に明示的に含まれていない限り、参照により本明細書中に組み込まれない。
【００５２】
本発明の特許請求の範囲を解釈する目的において、特定の用語「手段」又は「ステップ」が請求項に記載されていない限り、米国特許法第112条第6項の規定は援用されない。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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