(57)【要約】  原子間力顕微鏡と原子間力顕微鏡を用いた光誘起力検出方法とは、光子源からの光を、光誘起力勾配を発生させるチップ−サンプル界面に利用するが、この勾配は、原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動モードの共振周波数を測定することで検出される。【選択図】図１
2020507089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブチップを有するカンチレバーと、
光誘起力勾配を発生させるチップ−サンプル界面を照射する光子源と、
前記カンチレバーの振動を感知する変位検出器と、
感知された前記カンチレバーの振動を利用して前記カンチレバーの振動モードの共振周波数を測定することにより、前記光誘起力勾配を検出する信号処理回路と
を備える、原子間力顕微鏡。
【請求項２】
変調信号を生成して前記光子源を変調周波数で変調することにより光誘起力を変調し、これにより前記カンチレバーの前記共振周波数を周波数変調する信号発生器をさらに備える、請求項１に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】
前記カンチレバーをその振動共振のうちの一つで振動するように駆動する駆動信号を生成するカンチレバードライバであり、前記駆動信号の周波数が前記カンチレバーの共振周波数の変化を追跡するカンチレバードライバと、
前記駆動信号を周波数復調して光誘起力信号を導出することにより、前記光誘起力勾配を検出する周波数変調（ＦＭ）復調器と、
をさらに備える、請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】
前記カンチレバードライバが、その駆動信号に対するカンチレバー振動の位相を測定する位相同期ループを用いて、前記カンチレバーの前記共振周波数を追跡し、前記駆動信号と前記カンチレバー振動との間に固定された位相関係を維持するように前記駆動信号の周波数を調整する、請求項３に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５】
前記カンチレバーを前記カンチレバー共振周波数付近の固定された周波数で駆動する駆動信号を生成するカンチレバードライバをさらに備え、前記信号処理回路が、駆動信号の前記固定された周波数に対する前記カンチレバーの振動の位相を測定して前記光誘起力信号を駆動することにより、前記光誘起力勾配を検出する、請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項６】
前記光子源が、第２の変調周波数で変調またはパルス形成される、請求項２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項７】
前記第２の変調周波数が、前記カンチレバーの第２の振動モードに対応する、請求項６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項８】
前記第２の変調周波数が、前記カンチレバーの２つの振動モード間の差周波数または和周波数に対応する、請求項６に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項９】
前記カンチレバーが第１の振動モードで振動するように駆動され、光誘起力信号が、第２の振動モードの振動の振幅を測定することにより生成される、請求項８に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１０】
原子間力顕微鏡を用いて光誘起力を検出する方法であって、
光誘起力勾配を発生させるチップ−サンプル界面を光子源からの光で照射するステップと、
前記原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動を感知するステップと、
前記カンチレバーの感知された振動を使用して前記カンチレバーの振動モードの共振周波数を測定することにより、前記光誘起力勾配を検出するステップと、
を含む、光誘起力検出方法。
【請求項１１】
前記光子源を変調周波数で変調することにより光誘起力を変調し、これにより前記カンチレバーの前記共振周波数を周波数変調するステップをさらに含む、請求項１０に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１２】
駆動信号を用いて前記カンチレバーをその振動共振のうちの一つで振動させるステップであって、前記駆動信号の周波数が前記カンチレバーの前記共振周波数の変化を追跡するステップと、
前記カンチレバーに対する前記駆動信号を周波数復調して光誘起力信号を導出することにより、前記光誘起力勾配を測定するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１３】
前記駆動信号の周波数の追跡が、
その駆動信号に対する前記カンチレバー振動の位相を測定し、前記駆動信号と前記カンチレバー振動との間に固定された位相関係を維持するために前記駆動信号の周波数を調整する位相同期ループによって行われる、請求項１２に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１４】
前記カンチレバーを、カンチレバー共振周波数付近の固定された周波数で駆動するステップと、
前記固定された周波数の駆動信号に対する前記カンチレバーの振動の位相を測定して光誘起力信号を導出することにより、前記光誘起力勾配を測定するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１５】
前記光子源を第２の変調周波数で変調するステップをさらに含む、請求項１１に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１６】
前記第２の変調周波数が、前記カンチレバーの第２の振動モードに対応する、請求項１５に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１７】
前記第２の変調周波数が、前記カンチレバーの２つの振動モード間の差周波数または和周波数に対応する、請求項１５に記載の光誘起力検出方法。
【請求項１８】
前記カンチレバーが第１の振動モードで振動するように駆動され、光誘起力信号が、第２の振動モードの振動の振幅を測定することにより生成される、請求項１７に記載の光誘起力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１７年１月３０日出願の米国仮出願第６２／４５２，３０７の優先権を主張し、その内容は参照として本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、カンチレバー共振モードの振幅の変化を介した、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＡＦＭ）による力と力勾配の検出は、真空での空気減衰が低く、機械的Ｑ値が高いため、真空中で（非常に敏感であるが）、遅い応答を有する。
【０００３】
従来の光誘起力顕微鏡（Ｐｈｏｔｏ−ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＰｉＦＭ）は、振幅感知（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ）に依存する。レーザ光は、カンチレバーの共振を直接励起するか、または第１の励起共鳴と混合して第２の共振を励起する周波数で変調される。いずれにしても、信号は応答の振幅から導出され、応答の速度はＱ値によって制限される。真空では、Ｑ値が高いと応答時間が必要以上に遅くなる可能性がある。従来のＰｉＦＭの説明については、例えば、参照により本明細書に組み込まれる、ノウォク（Ｎｏｗａｋ）等による「光誘起力顕微鏡によるナノスケール化学イメージング（Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｂｙ  ｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｄ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」（Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ２，ｅｌ５０１５７１，２０１６）を参照されたい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
原子間力顕微鏡と原子間力顕微鏡を用いて光誘起力を検出する方法とは、光子源からの光を、光誘起力勾配（ｐｈｏｔｏ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｆｏｒｃｅ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）を発生させるチップ−サンプル界面（ｔｉｐ−ｓａｍｐｌｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：先端−試料界面）に利用するが、この勾配は、原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動モードの共振周波数を測定することで検出される。
【０００５】
一実施形態による原子間力顕微鏡は、プローブチップ（ｐｒｏｂｅ  ｔｉｐ：探針先端）を有するカンチレバーと、光誘起力勾配を発生させるチップ−サンプル界面を照射する光子源と、カンチレバーの振動を感知する変位検出器（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、カンチレバーの感知された振動を使用してカンチレバーの振動モードの共振周波数を測定し、光誘起力勾配を検出する信号処理回路と、を備える。
【０００６】
一実施形態による、原子間力顕微鏡を用いて光誘起力を検出する方法は、光誘起力勾配を発生させるチップ−サンプル界面を光子源からの光で照射するステップと、原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動を感知するステップと、カンチレバーの感知された振動を使用してカンチレバーの振動モードの共振周波数を測定することにより、光誘起力勾配を検出するステップと、を含む。
【０００７】
本発明の実施形態の他の態様および利点は、本発明の原理の例として示される添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態によるＦＭ−ＰｉＦＭシステムのブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態によるＦＭ−ＰｉＦＭシステムのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による、原子間力顕微鏡を使用する光誘起力を検出する方法のフローチャートである。
【０００９】
詳細な説明全体にわたって、類似の参照符号は類似の要素を識別するのに使われることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
参照により本明細書に組み込まれる、アルブレヒト（Ａｌｂｒｅｃｈｔ）等による「顕微鏡の力感度向上のための高Ｑ値カンチレバーを使用した周波数変調検出（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｈｉｇｈ−Ｑ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｆｏｒ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）」（Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ６９，  ｐｐ．  ６６８−６７３，  １９９１）に既に示されているように、振動の振幅ではなく、カンチレバーの共振周波数のシフトを測定することにより、高Ｑ値によって引き起こされる速度制限を回避する。実際、応答信号を高速で生成できるだけでなく（主に周波数の測定に使用されるシステムの速度によって制限）、Ｑ値が高いほど信号対雑音比および感度が向上する。
【００１１】
通常の光誘起力顕微鏡（ＰｉＦＭ）では、カンチレバーの２つの別個の共振（２つの振動固有モード）が使用される。カンチレバーの固有モードは、カンチレバーのさまざまな部分が同じ周波数で一緒に動くようなカンチレバーの固有振動（ｎａｔｕｒａｌ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）であり、ここで異なる部分はすべて同じ周波数で正弦波的に動き、その振幅はすべて互いに比例して増加または減少する。２つのモードのうちの一方は、トポグラフィカルイメージ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ  ｉｍａｇｅ）の非接触モードまたはタッピングモード（通常のＡＦＭイメージング）生成に使用され、他方は、光誘起力（ＰｉＦ）の感知に使用される。ＰｉＦは、可変光源からの光をチップ／サンプル界面に集束することにより誘導される。波長に依存した光の吸収がサンプル内で発生し、これは、チップとサンプルとの間に作用する正味の力（ｎｅｔ  ｆｏｒｃｅ）および力勾配（ｆｏｒｃｅ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）の変更を引き起こす。レーザを、感知モード周波数（すなわち、ＰｉＦＭに使用されるモードの周波数）、または好ましくはトポグラフィーの感知とＰｉＦＭに使用される２つのモードの周波数間の差周波数（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）のいずれか一方に変調することにより、ＰｉＦＭの感知モードが励起される。通常のＰｉＦＭでは、ＰｉＦＭモードでのカンチレバー振動の振幅が、ＰｉＦの大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を示す信号として使用された。
【００１２】
機器が非接触モードで作動するとき、ＰｉＦは、強い勾配（力はチップの頂点からの距離に応じて急激に減少）を有する牽引力（ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ）を引き起こし、このため、ＰｉＦ勾配は、カンチレバーの振動モードの共振周波数を下方に（すなわち、より低い周波数に）シフトさせる。ＰｉＦが高いほど勾配が大きくなり、周波数シフトの大きさが大きくなる。
【００１３】
これにより、ＰｉＦ信号は、カンチレバーの特定のモードの周波数シフトから導出できる。２つのカンチレバー振動モードを使用する必要はないが、そうすることは選択肢である。
【００１４】
周波数シフトを介してＰｉＦを測定する場合の一つの課題は、ＰｉＦから生じる周波数シフトを、トポグラフィカルイメージング（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ）に同時に使用されるファン・デル・ワールズ力（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ  ｆｏｒｃｅ）から生じる周波数シフトから分離することである。これは、レーザ光（およびそれに伴うＰｉＦ）を、トポグラフィーの追従のための関心領域よりも高いが、トポグラフィーのイメージングに使用されるモードの周波数よりも十分低い周波数で変調することによって達成される。トポグラフィーの追従の関心領域は、典型的には数十または数百ヘルツ程度である。
【００１５】
例えば、カンチレバーのゼロ次機械的共振がトポグラフィーのイメージングに使用され、このモードが２００ｋＨｚの共振周波数を有する場合、レーザは１ｋＨｚで変調できる。トポグラフィーのイメージングに使用されるサーボループのパラメータが、サーボ帯域幅が１ｋＨｚを大きく下回るように設定されている場合（典型的に、１分あたり最大数フレームのかなり遅いイメージングの場合）、サンプル上のカンチレバーの高さは、トポグラフィックサーボシステムが応答するには急激に変化するため、ＰｉＦの影響を受けない。カンチレバーは、１ｋＨｚの繰り返し数（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）でパルス状にサンプルに向かって引き寄せられる。チップがサンプルに向かって引き寄せられると、レーザのパルス化に伴い牽引力勾配が大きくなり、その結果、カンチレバーの共振周波数は、各パルスで下向きにシフトする。したがって、カンチレバーの共振周波数は、１ｋＨｚで周波数変調される。
【００１６】
この周波数変調は、２つの方法のうちの一方で検出することができる。１）モードがカンチレバーの共振周波数での自己発振器動作として駆動される場合、この自己発振カンチレバーは周波数変調（ＦＭ）により変調された波形を生成する。この波形は、さまざまな従来のアナログ（周波数弁別器）またはデジタル（周波数カウントまたは周期タイミング）方法でＦＭ検出できる。２）モードが固定周波数で駆動される場合（例えば、サンプルと相互作用していないときにモードの中心周波数付近で駆動される場合）、周波数のシフトにより、駆動信号とカンチレバーの実際の振動との間で位相変化が生じる。本明細書で使用される「付近（ｎｅａｒ）」という用語は、±１０ヘルツの周波数を意味する。この位相（ｐｈａｓｅ）は信号として使用できる。この第２のアプローチの変形は、この位相を使用して位相同期ループを制御し、駆動周波数をカンチレバーの共振周波数に追従させるものであり、この場合、振動の周波数をＦＭ復調して信号を導出することができる。
【００１７】
周波数を測定することが位相を測定することよりもより速い信号応答を提供するということに留意しなければならない。位相の瞬間的な変化は意味がないのに対し、周波数の瞬間的な変化は許容される。応答速度は、周波数の測定に使用される検出器の速度、およびシステムに存在する位相雑音によって制限される。
【００１８】
ＦＭ出力信号は、レーザ変調周波数（この例では１ｋＨｚ）でのＡＣ成分を含み、このＡＣ信号の振幅は、ＰｉＦ相互作用の振幅に対応する。
【００１９】
ここで図１を参照すると、本発明の実施形態による、高Ｑ値の真空での使用に適したＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００のブロック図が示されている。ＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００は、ＦＭ−ＰｉＦＭシステムの様々な構成要素を制御し、撮像のために、結果として生じるＰｉＦ信号を処理するコンピュータ１０２を備える。ＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００は、プローブチップ１０６を有するカンチレバー１０４と、圧電変換器（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）またはディザピエゾ（ｄｉｔｈｅｒ  ｐｉｅｚｏ）１０８と、位相同期ループ（ｐｈａｓｅ  ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ；ＰＬＬ）カンチレバードライバ１１０と、変位センサ（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒ）１１２とをさらに備える。ディザピエゾ１０８は、カンチレバー１０４上に振動を生じさせて、プローブチップがサンプルの画像化のために関心サンプル１１４上を移動するとき、プローブチップ１０６を、例えばカンチレバーの共振モードの１つで振動させる。ディザピエゾ１０８は、ディザピエゾに駆動信号を提供するＰＬＬカンチレバードライバ１１０によって駆動される。ＰＬＬカンチレバードライバ１１０は、光源、例えばレーザダイオード、および光検出器、例えばフォトダイオード検出器（図示せず）を使用してカンチレバー１０４の振動を光学的に感知する変位センサ１１２に接続される。ＰＬＬカンチレバードライバ１１０は、プローブチップ１０６とサンプル１１４との間に作用する力勾配に起因するカンチレバー１０４の共振周波数の変化を追跡する駆動信号を生成し、これはＰｉＦを含み得る。この周波数追跡は、その駆動信号に対するカンチレバー振動の位相を測定し、且つ、駆動信号とカンチレバー振動との間の固定位相関係を維持するために駆動信号の周波数を調整する、ＰＬＬカンチレバードライバ１１０内の位相同期ループによって達成される。プローブチップ１０６を有するカンチレバー１０４、ディザピエゾ１０８、ＰＬＬカンチレバードライバ１１０、および変位センサ１１２は、原子間力顕微鏡で一般的に見られる構成要素である。
【００２０】
ＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００は、この実施形態では可変レーザである光子源１１８にＰｉＦ変調信号を提供する信号発生器１１６をさらに備える。ＰｉＦ変調信号の周波数は、トポグラフィーの追従のための関心領域（例えば、典型的に数十または数百ヘルツ（Ｈｚ））よりも高いが、トポグラフィーのイメージングに使用されるモードの周波数（またはトポグラフィーのイメージングに複数のモードが使用される場合、より低いモード周波数）よりも十分低い。例えば、ＰｉＦ変調信号の周波数は、１キロヘルツ（ｋＨｚ）から２００キロヘルツ（ｋＨｚ）の範囲であり得る。可変レーザ１１８の波長は、波長の範囲を掃引してＰｉＦ対波長のスペクトルを生成できるように、コンピュータ１０２によって制御される。可変レーザ１１８に印加されるＰｉＦ変調信号は、可変レーザがＰｉＦ変調信号の周波数でオンになるように、可変レーザをオンおよびオフにする。可変レーザからのビームは、プローブチップ／サンプル界面に向けられてＰｉＦを生成する。
【００２１】
ＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００は、ＦＭ復調器１２０と、低帯域フィルタ（Ｌｏｗ  ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ：ローパスフィルタ）１２２と、トポグラフィーサーボ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ  ｓｅｒｖｏ）１２４と、ｚピエゾ、すなわちｚ方向圧電変換器１２６と、ロックイン検出器（ｌｏｃｋ−ｉｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）またはアンプ（ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１２８の形態の信号処理回路とをさらに備える。ＦＭ復調器１２０は、ＰＬＬカンチレバードライバ１１０から追跡信号を受信し、ＰｉＦに起因する変化を含む、カンチレバー１０４の周波数の変化を測定する。一実施形態において、ＦＭ復調器１２０は、カンチレバー１０４の振動周波数が基準電圧から逸脱するとき、電圧に対して変化する信号を生成する。ＦＭ復調器１２０からの出力信号は、低帯域フィルタを介して送信され、信号のより低い周波数のみを許容するが、これは、プローブチップ１０６と関心サンプル１１４との間の所望の距離を維持するために使用される。特に、低帯域フィルタリングされた信号は、トポグラフィーサーボ１２４に送信されるが、これは、プローブチップ１０６と関心サンプル１１４との間の所望の距離を維持するために、ｚピエゾ１２６を制御する。
【００２２】
ＦＭ復調器１２０の出力信号はロックイン検出器１２８にも送信され、信号発生器１１６からのＰｉＦ変調周波数信号をロックイン基準周波数として使用してＰｉＦ信号を検出する。ロックイン検出器１２８の出力は、ＰｉＦ変調周波数で変調されるＦＭ復調器出力の成分の振幅に対応する。レーザはＰｉＦ変調周波数で変調され、これによりＰｉＦはこの周波数で変調されるため、カンチレバーの共振周波数はこの周波数で周波数変調され、ＦＭ検出器の出力にはこの周波数で変調される成分が含まれる。したがって、ロックイン検出器１２８の出力は、その大きさがＰｉＦ勾配の大きさに比例する信号である。ＰｉＦ信号は、コンピュータ１０２により処理されて関心サンプル１１４の画像を生成することができる。
【００２３】
上記の説明において、トポグラフィーを追従してＰｉＦＭ信号を生成するために、単一の振動モードのみが必要であることに留意しなければならない。ＰｉＦＭ振幅信号も導出できるように、２つの個別のモードを使用することもできる。この信号の応答時間はカンチレバーＱ値によって制限されるが、この信号を、前述したＦＭモードから派生した信号と共に生成すると、使用者が希望する測定方式に応じて両方の信号を観察することができるので有用である。
【００２４】
この２モードのアプローチ方法では、レーザは２つの周波数で変調される。第１の周波数は、通常のＰｉＦＭに対応するもので、これは一般的に、トポグラフィーの感知とＰｉＦ感知に使用されるモード間の差周波数（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）であるが、２つのモードの和周波数でもあり得る。さらに、ＦＭに対して上記のように選択されたより遅い変調、たとえば１ｋＨｚが適用される。この構成において、振幅ＰｉＦ信号はＰｉＦＭモードで生成され、ＦＭ  ＰｉＦ信号は両方のモードで生成される。しかしながら、ＰｉＦモードが駆動されないため（ＰｉＦにのみ応答するため）、時々、振幅が低いかゼロになることもあり、その周波数を継続的に測定することは不可能であることに留意しなければならない。トポグラフィックモードは常に駆動されるため、その周波数が常に測定でき、これによりＰｉＦ  ＦＭ信号の生成に適している。
【００２５】
ＰｉＦ振幅信号をそれ自身のカンチレバーモードで導出する意図がない場合でも、２つの変調周波数の使用が有用であることに留意しなければならない。たとえば、レーザは短パルスしか使用できないが、最大１０ＭＨｚのパルス繰り返し数を許可すると仮定してみる。最も効率的なデューティサイクル（ｄｕｔｙ  ｃｙｃｌｅ）は、このパルス生成が最大周波数で行われるときに発生する。したがって、１０ＭＨｚおよび１ｋＨｚでの変調は、トポグラフィーのイメージングに使用されるモードでＰｉＦ  ＦＭ信号を生成するための効果的な方法である。実際には、高速パルス化レーザ（ｒａｐｉｄｌｙ  ｐｕｌｓｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）は、ＰｉＦ変調周波数で変調されたＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：連続波）供給源であるかのように扱われる。
【００２６】
ここで図２を参照すると、本発明の他の実施形態による、高Ｑ値の真空での使用に適したＦＭ−ＰｉＦＭシステム２００のブロック図が示されている。相互作用力勾配（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｆｏｒｃｅ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）を変調してカンチレバーの振動モードのＦＭ変調を引き起こすこの一般的なアプローチは、ＰｉＦＭを除く相互作用に正常に使用されてきたことに留意しなければならない。例えば、同様の変調およびＦＭ検出スキームは、参照により本明細書に組み込まれる、ザーウェック（Ｚｅｒｗｅｃｋ）等による「ケルビンプローブフォース顕微鏡の精度および解像度の限界（Ａｃｃｕｒａｃｙ  ａｎｄ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔｓ  ｏｆ  Ｋｅｌｖｉｎ  ｐｒｏｂｅ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ７１，１２５４２４，２００５）に開示されている。
【００２７】
ＦＭ−ＰｉＦＭシステム２００は、図１に示されるＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００に類似している。ＦＭ−ＰｉＦＭシステム２００とＦＭ−ＰｉＦＭシステム１００との間の唯一の構造上の違いは、ＦＭ−ＰｉＦＭシステム２００が第２の信号発生器２３０とミキサー２３２とを含むことである。コンピュータ１０２によって制御される第２の信号発生器２３０は、感知モード周波数、またはトポグラフィーの感知およびＰｉＦＭに使用される２つのモード間の差周波数で変調信号を生成する。一実施形態において、感知モード周波数は、カンチレバー１０４の共振周波数であり、これは、カンチレバーが駆動される共振周波数とは異なるカンチレバーの共振周波数である。例えば、カンチレバー１０４が２００ｋＨｚのその第１のモードで駆動されている場合、検知モード周波数は１．２ＭＨｚのその第２のモードであり得る。この例を使用すると、差周波数は、１．２ＭＨｚ−２００ｋＨｚ（すなわち０．２ＭＨｚ）で、１ＭＨｚとなる。第２の信号発生器２３０からの変調信号は、ミキサー２３２で第１の信号発生器２３０からのＰｉＦ変調信号と混合されて混合変調信号を生成し、これは可変レーザ１１８に送信されてそのオンおよびオフ状態を制御する。振幅ベース（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ−ｂａｓｅｄ；ＡＭ）のＰｉＦＭ信号は、ＰｉＦＭモード周波数でのカンチレバー振動の振動振幅を検出することにより生成される。これは、ディザ周波数と信号発生器２３０の周波数との間の和周波数または差周波数での基準信号（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｉｇｎａｌ）（図示せず）を有する他のロックイン検出器またはアンプ２３４によって検出される。この方法でＡＭおよびＦＭ  ＰｉＦＭ信号の両方が生成される。
【００２８】
カンチレバーモードと変調周波数の選択は、このアプローチ方法を使用したＰｉＦＭ検出の達成可能な速度において役割を果たす。上記の例では、２００ｋＨｚのカンチレバー固有モードと１ｋＨｚの変調周波数に対して、ＰｉＦＭ帯域幅は、１ｋＨｚ未満になるであろう。一般に、より高い変調周波数を選択し、必要に応じてより高い周波数のカンチレバー固有モードを選択すると、より高いＰｉＦＭ検出帯域幅とより速いＰｉＦＭイメージングおよび分光（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が提供される。
【００２９】
本発明の実施形態による、原子間力顕微鏡を用いて光誘起力を検出する方法を、図３のフローチャートを参照して説明する。ブロック３０２において、チップ−サンプル界面が光子源からの光で照射されて光誘起力勾配を発生させる。一実施形態において、可変レーザであり得る光子源は、第１の信号発生器からの第１の変調信号を使用して第１の変調周波数で変調される。他の実施形態において、光子源は、第１の信号発生器からの第１の変調信号と第２の信号発生器からの第２の変調信号との混合信号を使用して変調される。第２の変調信号の変調周波数は、原子間力顕微鏡のカンチレバーの第２の振動モードに対応してもよい。これとは異なり、第２の変調信号の変調周波数は、カンチレバーの２つの振動モード間の差周波数または和周波数に対応してもよい。
【００３０】
次に、ブロック３０４において、原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動が感知される。原子間力顕微鏡のカンチレバーの振動は、光学変位センサを使用して感知できる。
【００３１】
次に、ブロック３０６において、カンチレバーの振動モードの共振周波数を、カンチレバーの感知された振動を使用して測定することにより、光誘起力勾配を検出する。
【００３２】
本明細書で一般的に説明され、添付の図面に示される実施形態の構成要素は、多種多様な異なる構成で配置および設計され得る。よって、図面に表されているように、以下の様々な実施形態のより詳細な説明は、本発明の範囲を限定するものではなく、様々な実施形態の単なる代表例である。実施形態の様々な態様が図面に提示されているが、特に示されない限り、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。
【００３３】
本発明はその精神または本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態にに具現されることができる。ここに記述されている実施形態はあらゆる点において単に例示的なものであり、かつ限定されないものと考えるべきである。したがって、本発明の範囲は、これまでの記述よりは添付の特許請求範囲により示される。特許請求範囲の等価性の意味および範囲内における全ての変形はこの範囲内に包含されるものである。
【００３４】
本明細書全体にわたって特徴、利点、又は類似の用語についての言及は、本発明で実現できるすべての特徴及び利点が本発明の任意の単一の実施形態であるか、又はその単一の実施形態内に存在すべきであることを意味するものではない。むしろ、特徴および利点に言及する用語は、一実施形態に関連して説明される特定の特徴、利点、または特性が本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味すると理解される。したがって、本明細書全体にわたる特徴および利点、ならびに同様の用語の議論は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態を指す場合がある。
【００３５】
さらに、本発明の記載された特徴、利点、および特性は、一つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。当業者であれば、本明細書の説明に照らして、特定の実施形態の一つ以上の特定の特徴または利点なしで本発明を実施できることを認識するであろう。他の例では、本発明のすべての実施形態に存在するわけではない追加の特徴および利点が、特定の実施形態では認識される場合がある。
【００３６】
本明細書全体にわたって「一つの実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、または同様の用語への言及は、示された実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって「一つの実施形態において」、「一実施形態にいて」、および同様の文言は、すべて同じ実施形態を指す場合があるが、必ずしもそうとは限らない。
【００３７】
本明細書の方法の動作は特定の順序で示され且つ説明されているが、各方法の動作の順序は、特定の動作が逆の順序で実行されるか、または特定の動作が少なくとも部分的に他の操作と同時に実行されるように変更されてもよい。他の実施形態では、別個の動作の命令またはサブ動作は、断続的および／または交互の方法で実現できる。
【００３８】
また、方法の動作の少なくとも幾つかは、コンピュータによる実行のためにコンピュータで使用可能な記憶媒体に格納されたソフトウェア命令を使用して実現できることに留意されたい。例えば、コンピュータプログラム製品の実施形態は、本明細書で説明されるように、コンピュータ上で実行されると、コンピュータに動作を実行させるコンピュータ可読プログラムを格納するコンピュータ使用可能記憶媒体を含む。
【００３９】
さらに、本発明の少なくとも一部の実施形態は、コンピュータまたは任意の命令実行システムによって、またはそれに関連して使用するプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能またはコンピュータ可読媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形をとることができる。この説明の目的のために、コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスによって、またはそれらに関連して使用するためのプログラムを含む、格納する、通信する、伝播する、または送信することができる任意の装置であり得る。
【００４０】
コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読媒体は、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、または半導体システム（または装置またはデバイス）、または伝播媒体であり得る。コンピュータ可読媒体の例には、半導体または固体メモリ、不揮発性メモリ、ＮＶＭｅデバイス、永続メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、固い磁気ディスク、および光ディスクが含まれる。光ディスクの現在の例には、読み取り専用メモリ付きコンパクトディスク（ＣＤ−ＲＯＭ）、読み取り／書き込み可能なコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、およびブルーレイディスクが含まれる。
【００４１】
上記の説明では、さまざまな実施形態の特定の詳細が提供されている。しかしながら、幾つかの実施形態は、これらの特定の詳細のすべてよりも少ないもので実施されてもよい。他の例では、特定の方法、手順、構成要素、構造、および／または機能は、簡潔さと明確さのために、本発明の様々な実施形態を可能にすること以上に詳細に説明されていない。
【００４２】
本発明の特定の実施形態を説明および図示したが、本発明は、そのように説明および図示した部品の特定の形態または配置に限定されるものではない。本発明の範囲は、本明細書に添付される特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義されるものとする。
【図１】
2020507089.tif 000003
【図２】
2020507089.tif 000004
【図３】
2020507089.tif 000005
【国際調査報告】
2020507089.tif 000006