動的撓曲部配列を組み込んだ支持台を有する走査型プローブ顕微鏡
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）（２００）は、圧電管への電圧印加によって３平面に移動可能であるプローブ（１４）が装着された圧電アクチュエータベースの管スキャナ（１２）を有する。１組の撓曲部（４０）は管の変位とともに撓曲し、撓曲部に装着された歪み計（７４、７６、７８、８０）が撓曲部の撓曲を測定して、対象物の走査中の管の変位に関するフィードバックを提供する。歪み計と撓曲部は、単一の制約体が自由度毎に提供され、制約体が互いに少なくとも略直交している動的感知フレームまたは配列を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して顕微鏡、より詳細には、サンプル走査中の走査装置の変位を測定する装置を有する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などの電気機械式走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭおよび力走査型プローブ顕微鏡（ＦＳＰＭ）などの電気機械式走査装置は通常、サンプルを走査する、あるいは他の形でサンプルと相互作用するプローブを用いて特徴またはサンプルの画像を生成するために使用される。スキャナはプローブおよび／またはサンプルを水平面またはＸ−Ｙ面で相互に移動させて、プローブをサンプル上の所望の位置に配置し、プローブおよび／またはサンプルは垂直またはＺ方向に相互に移動させて計測する。スキャナは所望の計測を行うためにサンプル上の１つまたはそれ以上の異なる位置にプローブを配置することができる、あるいはラスター走査として周知のパターンでサンプル全体にプローブを前後させることができる。プローブがサンプルに対して移動する機器もあれば、サンプルがプローブに対して移動する機器もある。さらに別の機器では、スキャナはプローブとサンプルの両方を並進させる別個のアクチュエータを含む。例えば、いくつかの機器では、Ｘ−Ｙアクチュエータがサンプルをプローブに対して並進させ、Ｚアクチュエータがプローブをサンプルに対して並進させる。スキャナは通常、スキャナを支持する走査ヘッドまたは台、場合により光学顕微鏡の部品などの他の装置の内部または上に載置される。サンプルとプローブ間の相互作用はプローブの位置の関数として記録され、これらの記録された相互作用はサンプルの一部分を表すデータを捕捉するために使用される。
【０００３】
プローブとサンプルの相互作用がプローブの位置の関数として記録されるため、プローブの位置もまたサンプルの各採取中に正確に把握されねばならない。原子および亜原子規模での撮像の際、サンプリング位置間の変位は極めて小さいため、プローブの位置を極めて正確に知ることが要求される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＰＭの中にはスキャナに供給された電圧を用いてサンプル上の所望の位置にプローブを配置する開ループ制御を利用して、サンプルに対するプローブの位置を判定するものもある。他のＳＰＭには、この開ループ制御を、スキャナの変位測定値を利用する閉ループ制御と置き換える、あるいは閉ループ制御で補完するものもある。サンプルの走査中にプローブの変位を正確に測定するために多数のセンサおよび測定技術が開発されているが、これらのセンサには多くの欠点がある。例えば、多数のセンサが原子および亜原子プローブに必要な感度を欠くことが分かっており、過度に大きいか感知範囲が限定されており、あるいは変位測定の精度に悪影響を及ぼし得る干渉に極めて弱い。
【０００５】
よって、当該技術においては、サンプル走査中、電気機械式走査装置のプローブの変位を極めて正確に測定する装置がなお必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔かつ総括的に述べると、本発明の一態様による電気機械式走査装置は、少なくとも２つ、好ましくは３つの相互に直交する次元でのＳＰＭスキャナの変位を感知することができるセンサ配列を含む。好適なセンサ配列は、１０ｋＨｚ等の比較的高い帯域幅と１ｎｍ等の比較的低いノイズでのスキャナの変位を測定または感知することができる。センサ配列は、比較的小型で、１０ｍＷと電力損失が低いと考えられる。
【０００７】
本発明の一態様によると、第１のすなわちＸ方向と第２のすなわちＹ方向に移動するように適合させた圧電アクチュエータを有するスキャナを含む走査型プローブ顕微鏡が提供される。走査型顕微鏡は、それぞれ第１および第２の方向のアクチュエータの変位を感知するように構成された第１のセンサおよび第２のセンサをさらに有する。第１および第２のセンサは、各センサが特定の方向へのアクチュエータの変位に関する情報を、別の方向への変位を感知させない状態で提供するように、互いに分離された別個の出力信号を提供する。
【０００８】
本発明の別の態様によると、ＳＰＭは走査ヘッドのヘッダ内の開口部から延在し、管に印加された電圧に応答してＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動可能であるスキャナを有する。走査ヘッドは、スキャナの作業端が結合された基部を含むセンサ載置配列をさらに備える。基部は、Ｚ方向のスキャナの変位に応答して撓曲するように構成される。ロッドは基部に結合され、スキャナからさらに間隔をおいて略隣接する基部から上方に延在する。ロッドは、ＸまたはＹ方向のアクチュエータの変位に応答して撓曲する。歪み計の配列は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向のスキャナの変位を独立して測定する。アクチュエータは好ましくは、圧電要素、より好ましくは圧電管を備える。
【０００９】
その結果生じる構造は、単一の制約体が自由度毎に提供され、制約体が互いに少なくとも略直交している（すなわち非縮退で）動的な感知のフレームまたは配列を提供する。
本発明のさらに別の態様によると、圧電管スキャナに選択的に通電して、相互に略直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に管スキャナの作業端を並進させるＳＰＭの作動方法が提供される。該方法は、管アクチュエータアセンブリから機械的に分離されたセンサ載置配列を用いて管の作業端の移動を監視することをさらに含む。監視は、管スキャナの作業端の並進運動を、そこに結合されたセンサ載置配列の運動に変換することを含む。撓曲部を用いて、移動はＸ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサが、それぞれＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に載置されたセンサ載置配列の一部分に集中させられる。管スキャナの作業端の移動はそれぞれＸ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサを用いてＸ、Ｙ、およびＺ方向で直接監視される。
【００１０】
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴、および利点は、当業者において、以下の詳細な説明および添付図面から明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および具体例は、本発明の好適な実施形態を示す一方で、限定的なものではなく例示的なものとして提供されると理解するべきである。本発明の精神を逸脱せずに、本発明の範囲内で多くの変更および修正が可能であり、本発明はこれらの修正をすべて含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の好適な例示的な実施の形態を添付図面に示しており、図中、類似の参照符号は類似の部分を示す。
【図１】本発明の好適な実施形態に従って構成された台または走査ヘッドを組み込んでいるＡＦＭの概略図である。
【図２】図１のＡＦＭの走査ヘッドの斜視図である。
【図３】図２のＳＰＭのＸ−Ｙ撓曲部モジュールの斜視図である。
【図４】図３のＸ−Ｙ撓曲部モジュールの下部斜視図である。
【図５】図２のＳＰＭのＺ撓曲部モジュールの上部斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図５は、本発明の一実施形態に係る台または走査ヘッド１０を示す。走査ヘッド１０は、原子または亜原子規模での対象物の走査および撮像に十分適した原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）２００（図１）の形状のＳＰＭの一部分を形成する。ただし、走査ヘッド１０、および添付の請求項の範囲に属する他の走査ヘッドは他の機器とともに使用可能であると理解される。
【００１３】
図１を参照すると、本実施形態のＡＦＭ２００は、構成部品の中でも特に、アクチュエータアセンブリ、ＸＹＺアクチュエータアセンブリまたはスキャナ１１２、ならびに制御ステーション２２０を含む。スキャナ１１２はサンプル２２２上に載置され、サンプル２２２の下部移動端にプローブ２１２を保持する。プローブ２１２は、片持ち梁２１４と、片持ち梁２１４の自由端部に載置された先端部とを有する。プローブ２１２は、この場合、プローブの共振周波数またはその近傍で振動するようにプローブ２１２を駆動するために使用される振動アクチュエータまたはドライブ２１６に結合される。一般的に電子信号は、ＡＦＭ制御ステーション２２０の制御下で交流信号源２１８から、好ましくは自由振動振幅Ａ０でプローブ２１２を振動させるドライブ２１６まで印加される。
【００１４】
制御ステーション２２０は通常、データ取得とＡＦＭの制御というタスクを実行する、少なくとも１つのコンピュータおよび関連の電子装置とソフトウェアから成る。制御ステーション２２０は単一の一体化ユニットで構成する、あるいは電子装置およびソフトウェアの分散化アレイで構成することができる。制御ステーションは、標準的なデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、産業用コンピュータ、および／または１つまたはそれ以上の組み込みプロセッサを使用することができる。
【００１５】
プローブ２１２は、アクチュエータアセンブリまたはスキャナ１２を用いて、サンプル２２２に近づいたりサンプル２２２から離れたりするように作動させることができる。スキャナ１２は、制御ステーション２２０によるフィードバックを介して制御することができる。さらに、プローブ２１２に連結されたスキャナ１２が図示されているが、スキャナ１２またはその一部分は、サンプル２２２を２つまたはそれ以上の相互に直交する方向に移動させるために採用することができる。
【００１６】
動作時、プローブ２１２が振動させられ、サンプル２２２と接触させられる際、プローブ２１２の振動の変化を検出することによってサンプル特性を監視することができる。具体的には、ビーム（図示せず）がプローブ２１２の裏側に向けられ、その後、４象限光検出器などの検出器２２６に向かって反射される。ビームが検出器を横断して並進する際、適切な信号が、信号を処理してプローブ２１２の振動の変化を判定する制御ステーション２２０へと送信される。制御ステーション２２０は通常、先端部２１６とサンプルとの間の力を一定に維持し、通常はプローブ２１２の振動の設定値の特性を維持するための制御信号を生成する。例えば、制御ステーション２２０は、しばしば振動振幅を設定値Ａｓに維持して、先端部２１６とサンプルとの間の略一定の力を確保するために使用されることがある。代替的には、設定値の位相または周波数を使用することもできる。制御ステーション２２０から収集データを受信し、走査中に得られたデータを処理して上述の地点選択、曲線適合、および距離判定動作を実行するワークステーションも設けられる。そのワークステーションは、制御ステーション２２０自体、別個の内蔵コントローラ、別個の外付けコントローラ、またはその３つの任意の組み合わせとすることができる。ワークステーションが２つまたはそれ以上のコントローラの組み合わせから構成される場合、好ましくは互いに、例えば配線によって、またはイーサネット（登録商標）接続を介して接続される。
【００１７】
次に図２を参照すると、走査ヘッド１０は、図１のＡＦＭ２００のスキャナ１２と、スキャナ１２に結合され、スキャナ１２の並進を監視するセンサを支持する動的載置配列３５とを含む。スキャナ１２は、プローブ２１２を制御してＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動させるための電流を選択的に供給することができる任意の装置を備えることができる。好ましくは、圧電スタックなどの圧電アクチュエータアセンブリ、または、より好ましくは、圧電管アクチュエータアセンブリまたは単に「管スキャナ」を備える。管スキャナは、機械的に簡単であり、優れた動的性能を有するという利点を提供するが、スタックアクチュエータよりも反りやヒステリシスを起こしやすい。本明細書に記載のセンサアセンブリは、そのような悪影響に対処するためのフィードバックを提供するために使用することができる。
【００１８】
本実施形態のスキャナ１２を形成する圧電管アクチュエータアセンブリはＡＦＭ内で現在使用されているものの典型であり、重ねて載置された上側アクチュエータ１４と下側アクチュエータ１６とを含む。上側アクチュエータ１４は上端で剛性の台またはヘッダ２８上に載置され、下端で下側アクチュエータ１６を支持する。該アクチュエータは、電圧が印加されるとＸ−Ｙ面で管スキャナ１２を変位させる電極２０、２２を担持する。アクチュエータ１４は、測定用に所望のサンプルの位置全体にプローブ１２を配置するために使用することができる、および／またはラスターパターンでサンプル２２上でプローブを前後に走査するように制御することができる。なお、これに関連して、本明細書でアセンブリ１２を「スキャナ」または「管スキャナ」と称しているのは便宜上であり、動作時にサンプル上を前後するようにプローブを走査させねばならないというわけではないと理解すべきである。
【００１９】
アクチュエータ１６の下端はスキャナ１２の作業端を形成し、それによってその作業下端でプローブ２１２を支持する。該アクチュエータは、通電すると、スキャナ１２の作業端、ひいてはプローブ２１２をＺ方向に変位させる電極２４を担持する。これに関連して、プローブ２１２は、Ｘ−Ｙアクチュエータ１４の電極２０、２２に通電することによってＸ軸およびＹ軸に沿って移動させＺアクチュエータ１６の電極２４に通電することによってＺ軸に沿って移動させることができる。よって、本願のため、ＸおよびＹ方向のスキャナ１２の移動はサンプルの測定面に略平行な走査面を画定し、Ｚ方向のスキャナ１２の移動は走査面に略直交する。
【００２０】
特に図２を参照すると、図５にさらに示されるように、動的センサ載置配列３５はスキャナ１２の作業端に結合され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向のスキャナ１２の並進運動をトランスデューサによって感知される運動に変換する。センサ載置配列３５は、スキャナ１２に結合された基部３０、基部３０から上方に延在し管スキャナ１２から間隔をおいて配置された細長ロッド３２、３４、およびＸ、Ｙ、およびＺの運動を相互に分離し、それぞれＸ、Ｙ、およびＺ方向の配列３５の各部分の局所的運動に集中させる撓曲部を含む。センサは、相互に独立して、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向の正確な変位測定値を得るために、それらの部分の移動を直接監視する。センサは例えば、光学三角測量、シャッタ、または非点収差原理を利用するセンサのような種々の光学式変位センサ（ＯＳＤ）のうちの任意のものであってもよい。リニア可変式変位トランスデューサ（ＬＶＤＴ）を備えることもできる。ただし、歪み計センサが現在は好ましい。極めて正確な位置情報を提供することに加えて、上記センサは、比較的低コストであり、質量が小さいことで先端部スキャナの最低基本共振周波数への影響が極めて少なく、熱放散が小さいことでスキャナの漂動への影響が極めて小さいという利点を備える。個々の歪み計は任意の適切な形状を取ることができる。また、所望範囲のアクチュエータの移動に対して比較的高い感度と、比較的低いノイズとを有するべきである。半導体歪み計が本実施形態で利用されているが、金属薄膜の歪み計または歪みの関数として抵抗を変化させる代替的な装置を使用することもできる。この目的とＳＰＭスキャナでの使用とに適した歪み計センサは、例えば、米国特許第５，６４１，８９７号および米国公開出願第２００８／００１ １０６４号に開示されており、両者の主題は参照により本明細書に組み込まれている。
【００２１】
センサ載置配列３５のロッド３２は、基部３０に接続された下端３６と、第１の撓曲部モジュール４０に接続された上端３８とを有する。同様に、ロッド３４は、基部３０に接続された下端４２と、第２の撓曲部モジュール４６に接続された上端４４とを有する。撓曲部モジュール４０についてのみ説明を行うが、撓曲部モジュール４６も同様に構成されると理解される。
【００２２】
さらに図３を参照すると、撓曲部モジュール４０は、ロッド３２の上端３８に接続された載置ブロック４８を有する。下側撓曲部５０は載置ブロック４８に結合される、あるいは他の形で載置ブロック４８と共に形成され、概して、載置ブロック４８の上面５６から上方に延在する下側撓曲部材５２、５４を備える。このように、実際には、面５６は下側撓曲部５０のための支持部を形成する。下側撓曲部材５２、５４は、下側撓曲部５０のために面５６から上側支持部５８まで上方に延在する。上側支持部５８は好ましくは、上側撓曲部６４が結合する隆起平面６２を含む略平面状ブロック６０と一体的に形成される。上側撓曲部６４は、面６２から脚部７２を介してヘッダ２８に結合されたヘッダブロック７０まで上方に延在する上側撓曲部材６６、６８を含む。図２に示されるように、上側撓曲部６６、６８は、下側撓曲部材５２、５４の配向に対して９０度回転させられる。
【００２３】
下側撓曲部５０または「下側撓曲部要素」の撓曲部要素５２、５４は、Ｘ−Ｙ管１４の通電時、Ｘ方向のロッド３２の変位に応答してＸ方向に撓曲して、Ｘ方向に移動するように配向される。その移動は、下側撓曲部５０に載置された歪み計センサによって感知される。より具体的には、Ｘ方向の管１２の移動は基部３０によって受け止められ、ロッド３２を登り下側撓曲部５０まで並進する。下側撓曲部要素５２、５４の撓曲は一連のＸ軸歪み計７４、７６、７８、および８０を通って伝達される。好適な実施形態では、４つの歪み計が使用され、一対の歪み計が下側撓曲部材５２、５４の対向側に載置される。しかしながら、４つより少ない、または４つより多い歪み計を使用することができると理解される。撓曲部材の両面上に一対の歪み計を使用して、たとえ各歪み計が受ける歪みがほぼ同一であっても、両方の歪み計による歪み読取値に相違を生じさせる可能性のある温度や他の要因を補正することが好ましい。Ｙ方向のロッド３２、ひいては管スキャナ１２の移動を感知する上側撓曲部６４も好ましくは、撓曲部材６６、６８の対向側に載置された４つの歪み計８２、８４、８６、および８８を含む。したがって、４つの歪み計がＸおよびＹ軸の各々に提供される。
【００２４】
図４に示されるように、歪み計７４は、歪み計７４と歪み計７６とを接続するため、載置ブロック４８の傾斜外表面９２に載置された読み取り端子９０と、ブロック６０の下側に載置された端子または橋絡接点９４との間に相互接続される。歪み計７４は読み取り線９６によって端子９０に接続され、ワイヤ線９８によって橋絡接点９４に接続される。同様にして、歪み計７６は載置ブロック４８の傾斜面９２に接続された端子１００に接続され、橋絡接点９４にも接続される。歪み計７６は読み取り線１０２によって端子１００に接続され、ワイヤ１０４によって橋絡接点９４に接続される。図示しないが、歪み計７８、８０も同様に対応する読み取り線によって読み取り端子に接続され、橋絡接点によって直列に接続されると理解される。橋絡接点の使用によって、単一の計器ではなく２つの計器、例えば計器７４および７６を直列で使用することができると認識される。歪み計８２は、ブロック６０の上面に載置された端子または橋絡接点１０６と、ヘッダブロック７０の下側に載置された読み取り端子１０８との間に接続される。図３に示されるように、歪み計８２は線１０９によって橋絡接点１０６に接続され、読み取り線１１６によって読み取り端子１０８に接続される。同様に、歪み計８４は、ブロック６０の上面に載置された橋絡接点１０６とヘッダブロック７０の下側に載置された読み取り端子１１２との間に接続される。歪み計８４は線１１４によって橋絡接点１０６に接続され、読み取り線１１６によって読み取り端子１１２に接続される。図示しないが、歪み計８６、８８も同様に対応する読み取り線によって読み取り端子に接続されると理解される。したがって、Ｙ軸歪み計はＸ軸歪み計と同様、各組が相互に直列に配置された２つの歪み計を含む２組の歪み計で提供される。２つの計器を直列で用いることにより、上で言及したように、測定プロファイルの対称性が提供され、熱結合が相殺される。さらに、ＸおよびＹ軸の各々に対して４つの歪み計を使用することによって、本発明の本実施形態は、歪みを感知するが、温度変化、振動、および歪み測定値に影響を及ぼし得る他の要因にほぼ応答しない、あるいは最小限にしか応答しないホイートストンブリッジ配列を提供する。
【００２５】
撓曲部、ひいては歪み計の位置は、Ｘ方向の管１２の変位に関連する撓曲が下側撓曲部５０に集中するように選択される。同様に、Ｙ方向の管１２の変位は上側撓曲部６４に集中する。これに関連して、その積層構成は好都合なことに、Ｘ運動を下側撓曲部５０に局在させ、Ｙ運動を上側撓曲部６４に局在させる。また、好適な実施形態では、ロッド３４は、ロッド３２に関して上述した撓曲部と類似する撓曲部と対応づけられる。これに関連して、ＸおよびＹ方向の移動毎に８つの異なる歪み測定値が採取される。さらに、各撓曲部は、面内にあるときに比較的高い追従性を提供しつつ、面外運動に抵抗するように構成される。よって、ＸおよびＹ方向の力および運動は互いに分離され、感知精度を向上させる。
【００２６】
上述したように、管スキャナ１２は３つの略垂直軸すべてに移動可能である。さらに図５を参照すると、上記基部３０は、管スキャナ１２およびロッド３２、３４にそれぞれ接着された外側および内側リング１１９および１３０から成る。リング１１９および１３０は、撓曲部要素１２３によって架橋された環状開口部１２１によって分離され、略半円状であり、管スキャナ１２の下側台１６を収容する開口部１２２を集約的に画定する一対の撓曲部プレートまたは脚部１１８、１２０の方向に向かう。間隙１２４は撓曲部プレートの対向端間に画定され（図示されない別の間隙は、間隙１２４から１８０度離れて画定されると理解される）、一対の歪み計１２６、１２８が間隙１２４を横断する。間隙１２４に対向する間隙（図示せず）が好ましくは、一対の歪み計（図示せず）によって架橋される。ロッド３２は撓曲部プレート１２０に接続され支持され、ロッド３４は撓曲部プレート１２２に接続され支持される。
【００２７】
先に概説したように、基部３０は、管スキャナ１２が固定され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向にスキャナ１２と共に移動する内側リング１３０も含む。撓曲部要素１２３は内側リング１３０と外側リング１１９とを相互接続し、外側リング１１９の脚部１１８、１２０を管スキャナ１２の移動に追従させる。これに関連して、内側リング１３０がＺ方向に移動すると、対応して撓曲部要素１２３が捩れ、脚部１１８および１２０間を相互接続するビーム１２９が屈曲する。その屈曲はビーム１２９によって支持された歪み計１２６、１２８によって検出される。ロッド３２、３４が縦方向に極めて剛性であるために、各々の脚部１１８、１２０の中央部分は管スキャナをＸおよびＹ方向に追従するがＸ方向には追従しない一方で、撓曲部モジュール４０、４６はスキャナ１２の端部をＸおよびＹ方向に移動させる。したがって、スキャナ１２は単一ユニットとしてＸおよびＹ方向に移動するが、管スキャナがＺ方向に移動すると基部３０は屈曲する。この屈曲モーメントは基部３０の最も弱い地点、すなわち歪み計１２６、１２８が配置されたビーム１２９に集中する、あるいは局在化する。特に、Ｚ撓曲部はスキャナ１２の移動をすべて吸収する。したがって、センサアセンブリおよびその装着台によって管スキャナ１２に追加される移動質量は、Ｚ撓曲部の移動部分に限定される。よって、センサアセンブリが管のＺ帯域幅に及ぼす影響は極めて小さいものである。Ｚ撓曲部は、追加の組の撓曲部、ビーム、およびスキャナの中心線を中心に対称に配置された歪み計を含むと理解される。
【００２８】
さらに、ロッド３２、３４は各々の撓曲部プレート１２０、１２２と結合されるため、ロッド３２、３４はＸおよびＹ方向の管１２の運動に正確に追従する。その結果、各ロッドは撓曲部プレートの端部と一緒に、ロッドの端部の位置を動的に突き止める三脚を有効に形成する。したがって、ロッドは高周波でも管の変位に応答して正確に移動する。これにより、システムの帯域幅が増大する。
【００２９】
Ｘ、Ｙ、およびＺの歪み計から得られる歪み情報が端末から読み取られ、制御ステーション２２０（図１）に送信されて、Ｘ、Ｙ、およびＺの管スキャナ１２の端部の実際の位置に関する正確な情報が得られる。次に、この情報は、ヒステリシス、クリープ、および圧電材料の略非線形な応答による移動の走査の際に、非線形性を補正するための管スキャナ１２へのフィードバックなどの様々な目的に利用することができる。歪み計およびそれらの動的載置構造の配列により、１０ｋＨｚまたはそれ以上の帯域幅で変位の測定が可能になる。歪み計と管スキャナ１２との分離、および撓曲部材同士の分離により、ノイズが１ｎｍ以下に低減される。測定に歪み計を使用することで、電力損失が１０ｍＷ未満程度と極めて低くなる。
【００３０】
本発明はサンプルの変位を感知する１つまたはそれ以上のセンサを有する顕微鏡システムと共に利用することもでき、管の変位に関する情報をサンプルの変位に関する情報と併せて使用して、画像データ取得を較正する、あるいは画像データ取得工程中のプローブの移動、例えば、参照によりその開示が本明細書に組み込まれている米国特許第７，０４４，００７号に記載されるようなＦＳＰＭを使用するデータ取得中の力曲線測定パラメータの変化をリアルタイムで制御することができると理解される。
【００３１】
さらに、上記の説明から、本発明の好適な実施形態が動的な感知フレームまたは配列を提供すると理解される。これに関連して、好適な実施形態は、自由度毎に単一の制約体があり、制約体が互いに少なくとも略直交している感知配列を提供する。各軸運動におけるロッドおよびヒンジも同様である。ロッドは、屈曲の剛性と比較して、軸に沿って極めて剛直である。ロッドの端部にヒンジ（例えば、撓曲部または玉継手）を設けることで屈曲応力が軽減される。この構造には多数の利点がある。例えば、動的感知フレームは高い剛性を有し、重量は比較的軽いため、スキャナの動力を向上させる。また、歪みが十分に集中し、感度が高く、歪み計信号に対して高感度、高分解能、および低ノイズである。動的構造は、２つまたはそれ以上の制約体が互いに競合または対向するシステムと比較して極めて安定している。したがって、過度に制約されたシステムに付随する熱ドリフトを解決する。
【００３２】
また、本明細書での「直交する」という用語の使用は、自由度、または制約体が相互に連結されないことを指すと理解される。例えば、直交する制約体の配列を有する動的構造では、例えばＸ軸に沿った１方向への移動、すなわち歪みを制約することで、例えばＹ軸に沿った別の方向への移動が生じたり、制限されたりすることはない。これに関連して、本明細書で使用される「直交する」という用語は、直交軸が相互に９０度と定義される特別な場合に限定されない。それに代わって制約体が作用する方向は、９０度よりも大きく、または小さく補正することが可能である。
【００３３】
本発明を実行する発明者によって企図される最適な形態を上述したが、本発明の実施はそれに限定されない。基礎となる発明の概念の精神および範囲を逸脱することなく、本発明の特徴の様々な追加、修正、および再構成を行うことができるのは明白であろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して顕微鏡、より詳細には、サンプル走査中の走査装置の変位を測定する装置を有する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などの電気機械式走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＰＭおよび力走査型プローブ顕微鏡（ＦＳＰＭ）などの電気機械式走査装置は通常、サンプルを走査する、あるいは他の形でサンプルと相互作用するプローブを用いて特徴またはサンプルの画像を生成するために使用される。スキャナはプローブおよび／またはサンプルを水平面またはＸ−Ｙ面で相互に移動させて、プローブをサンプル上の所望の位置に配置し、プローブおよび／またはサンプルは垂直またはＺ方向に相互に移動させて計測する。スキャナは所望の計測を行うためにサンプル上の１つまたはそれ以上の異なる位置にプローブを配置することができる、あるいはラスター走査として周知のパターンでサンプル全体にプローブを前後させることができる。プローブがサンプルに対して移動する機器もあれば、サンプルがプローブに対して移動する機器もある。さらに別の機器では、スキャナはプローブとサンプルの両方を並進させる別個のアクチュエータを含む。例えば、いくつかの機器では、Ｘ−Ｙアクチュエータがサンプルをプローブに対して並進させ、Ｚアクチュエータがプローブをサンプルに対して並進させる。スキャナは通常、スキャナを支持する走査ヘッドまたは台、場合により光学顕微鏡の部品などの他の装置の内部または上に載置される。サンプルとプローブ間の相互作用はプローブの位置の関数として記録され、これらの記録された相互作用はサンプルの一部分を表すデータを捕捉するために使用される。
【０００３】
プローブとサンプルの相互作用がプローブの位置の関数として記録されるため、プローブの位置もまたサンプルの各採取中に正確に把握されねばならない。原子および亜原子規模での撮像の際、サンプリング位置間の変位は極めて小さいため、プローブの位置を極めて正確に知ることが要求される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＰＭの中にはスキャナに供給された電圧を用いてサンプル上の所望の位置にプローブを配置する開ループ制御を利用して、サンプルに対するプローブの位置を判定するものもある。他のＳＰＭには、この開ループ制御を、スキャナの変位測定値を利用する閉ループ制御と置き換える、あるいは閉ループ制御で補完するものもある。サンプルの走査中にプローブの変位を正確に測定するために多数のセンサおよび測定技術が開発されているが、これらのセンサには多くの欠点がある。例えば、多数のセンサが原子および亜原子プローブに必要な感度を欠くことが分かっており、過度に大きいか感知範囲が限定されており、あるいは変位測定の精度に悪影響を及ぼし得る干渉に極めて弱い。
【０００５】
よって、当該技術においては、サンプル走査中、電気機械式走査装置のプローブの変位を極めて正確に測定する装置がなお必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔かつ総括的に述べると、本発明の一態様による電気機械式走査装置は、少なくとも２つ、好ましくは３つの相互に直交する次元でのＳＰＭスキャナの変位を感知することができるセンサ配列を含む。好適なセンサ配列は、１０ｋＨｚ等の比較的高い帯域幅と１ｎｍ等の比較的低いノイズでのスキャナの変位を測定または感知することができる。センサ配列は、比較的小型で、１０ｍＷと電力損失が低いと考えられる。
【０００７】
本発明の一態様によると、第１のすなわちＸ方向と第２のすなわちＹ方向に移動するように適合させた圧電アクチュエータを有するスキャナを含む走査型プローブ顕微鏡が提供される。走査型顕微鏡は、それぞれ第１および第２の方向のアクチュエータの変位を感知するように構成された第１のセンサおよび第２のセンサをさらに有する。第１および第２のセンサは、各センサが特定の方向へのアクチュエータの変位に関する情報を、別の方向への変位を感知させない状態で提供するように、互いに分離された別個の出力信号を提供する。
【０００８】
本発明の別の態様によると、ＳＰＭは走査ヘッドのヘッダ内の開口部から延在し、管に印加された電圧に応答してＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動可能であるスキャナを有する。走査ヘッドは、スキャナの作業端が結合された基部を含むセンサ載置配列をさらに備える。基部は、Ｚ方向のスキャナの変位に応答して撓曲するように構成される。ロッドは基部に結合され、スキャナからさらに間隔をおいて略隣接する基部から上方に延在する。ロッドは、ＸまたはＹ方向のアクチュエータの変位に応答して撓曲する。歪み計の配列は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向のスキャナの変位を独立して測定する。アクチュエータは好ましくは、圧電要素、より好ましくは圧電管を備える。
【０００９】
その結果生じる構造は、単一の制約体が自由度毎に提供され、制約体が互いに少なくとも略直交している（すなわち非縮退で）動的な感知のフレームまたは配列を提供する。
本発明のさらに別の態様によると、圧電管スキャナに選択的に通電して、相互に略直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に管スキャナの作業端を並進させるＳＰＭの作動方法が提供される。該方法は、管アクチュエータアセンブリから機械的に分離されたセンサ載置配列を用いて管の作業端の移動を監視することをさらに含む。監視は、管スキャナの作業端の並進運動を、そこに結合されたセンサ載置配列の運動に変換することを含む。撓曲部を用いて、移動はＸ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサが、それぞれＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に載置されたセンサ載置配列の一部分に集中させられる。管スキャナの作業端の移動はそれぞれＸ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサを用いてＸ、Ｙ、およびＺ方向で直接監視される。
【００１０】
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴、および利点は、当業者において、以下の詳細な説明および添付図面から明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および具体例は、本発明の好適な実施形態を示す一方で、限定的なものではなく例示的なものとして提供されると理解するべきである。本発明の精神を逸脱せずに、本発明の範囲内で多くの変更および修正が可能であり、本発明はこれらの修正をすべて含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の好適な例示的な実施の形態を添付図面に示しており、図中、類似の参照符号は類似の部分を示す。
【図１】本発明の好適な実施形態に従って構成された台または走査ヘッドを組み込んでいるＡＦＭの概略図である。
【図２】図１のＡＦＭの走査ヘッドの斜視図である。
【図３】図２のＳＰＭのＸ−Ｙ撓曲部モジュールの斜視図である。
【図４】図３のＸ−Ｙ撓曲部モジュールの下部斜視図である。
【図５】図２のＳＰＭのＺ撓曲部モジュールの上部斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図５は、本発明の一実施形態に係る台または走査ヘッド１０を示す。走査ヘッド１０は、原子または亜原子規模での対象物の走査および撮像に十分適した原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）２００（図１）の形状のＳＰＭの一部分を形成する。ただし、走査ヘッド１０、および添付の請求項の範囲に属する他の走査ヘッドは他の機器とともに使用可能であると理解される。
【００１３】
図１を参照すると、本実施形態のＡＦＭ２００は、構成部品の中でも特に、アクチュエータアセンブリ、ＸＹＺアクチュエータアセンブリまたはスキャナ１１２、ならびに制御ステーション２２０を含む。スキャナ１１２はサンプル２２２上に載置され、サンプル２２２の下部移動端にプローブ２１２を保持する。プローブ２１２は、片持ち梁２１４と、片持ち梁２１４の自由端部に載置された先端部とを有する。プローブ２１２は、この場合、プローブの共振周波数またはその近傍で振動するようにプローブ２１２を駆動するために使用される振動アクチュエータまたはドライブ２１６に結合される。一般的に電子信号は、ＡＦＭ制御ステーション２２０の制御下で交流信号源２１８から、好ましくは自由振動振幅Ａ０でプローブ２１２を振動させるドライブ２１６まで印加される。
【００１４】
制御ステーション２２０は通常、データ取得とＡＦＭの制御というタスクを実行する、少なくとも１つのコンピュータおよび関連の電子装置とソフトウェアから成る。制御ステーション２２０は単一の一体化ユニットで構成する、あるいは電子装置およびソフトウェアの分散化アレイで構成することができる。制御ステーションは、標準的なデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、産業用コンピュータ、および／または１つまたはそれ以上の組み込みプロセッサを使用することができる。
【００１５】
プローブ２１２は、アクチュエータアセンブリまたはスキャナ１２を用いて、サンプル２２２に近づいたりサンプル２２２から離れたりするように作動させることができる。スキャナ１２は、制御ステーション２２０によるフィードバックを介して制御することができる。さらに、プローブ２１２に連結されたスキャナ１２が図示されているが、スキャナ１２またはその一部分は、サンプル２２２を２つまたはそれ以上の相互に直交する方向に移動させるために採用することができる。
【００１６】
動作時、プローブ２１２が振動させられ、サンプル２２２と接触させられる際、プローブ２１２の振動の変化を検出することによってサンプル特性を監視することができる。具体的には、ビーム（図示せず）がプローブ２１２の裏側に向けられ、その後、４象限光検出器などの検出器２２６に向かって反射される。ビームが検出器を横断して並進する際、適切な信号が、信号を処理してプローブ２１２の振動の変化を判定する制御ステーション２２０へと送信される。制御ステーション２２０は通常、先端部２１６とサンプルとの間の力を一定に維持し、通常はプローブ２１２の振動の設定値の特性を維持するための制御信号を生成する。例えば、制御ステーション２２０は、しばしば振動振幅を設定値Ａｓに維持して、先端部２１６とサンプルとの間の略一定の力を確保するために使用されることがある。代替的には、設定値の位相または周波数を使用することもできる。制御ステーション２２０から収集データを受信し、走査中に得られたデータを処理して上述の地点選択、曲線適合、および距離判定動作を実行するワークステーションも設けられる。そのワークステーションは、制御ステーション２２０自体、別個の内蔵コントローラ、別個の外付けコントローラ、またはその３つの任意の組み合わせとすることができる。ワークステーションが２つまたはそれ以上のコントローラの組み合わせから構成される場合、好ましくは互いに、例えば配線によって、またはイーサネット（登録商標）接続を介して接続される。
【００１７】
次に図２を参照すると、走査ヘッド１０は、図１のＡＦＭ２００のスキャナ１２と、スキャナ１２に結合され、スキャナ１２の並進を監視するセンサを支持する動的載置配列３５とを含む。スキャナ１２は、プローブ２１２を制御してＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動させるための電流を選択的に供給することができる任意の装置を備えることができる。好ましくは、圧電スタックなどの圧電アクチュエータアセンブリ、または、より好ましくは、圧電管アクチュエータアセンブリまたは単に「管スキャナ」を備える。管スキャナは、機械的に簡単であり、優れた動的性能を有するという利点を提供するが、スタックアクチュエータよりも反りやヒステリシスを起こしやすい。本明細書に記載のセンサアセンブリは、そのような悪影響に対処するためのフィードバックを提供するために使用することができる。
【００１８】
本実施形態のスキャナ１２を形成する圧電管アクチュエータアセンブリはＡＦＭ内で現在使用されているものの典型であり、重ねて載置された上側アクチュエータ１４と下側アクチュエータ１６とを含む。上側アクチュエータ１４は上端で剛性の台またはヘッダ２８上に載置され、下端で下側アクチュエータ１６を支持する。該アクチュエータは、電圧が印加されるとＸ−Ｙ面で管スキャナ１２を変位させる電極２０、２２を担持する。アクチュエータ１４は、測定用に所望のサンプルの位置全体にプローブ１２を配置するために使用することができる、および／またはラスターパターンでサンプル２２上でプローブを前後に走査するように制御することができる。なお、これに関連して、本明細書でアセンブリ１２を「スキャナ」または「管スキャナ」と称しているのは便宜上であり、動作時にサンプル上を前後するようにプローブを走査させねばならないというわけではないと理解すべきである。
【００１９】
アクチュエータ１６の下端はスキャナ１２の作業端を形成し、それによってその作業下端でプローブ２１２を支持する。該アクチュエータは、通電すると、スキャナ１２の作業端、ひいてはプローブ２１２をＺ方向に変位させる電極２４を担持する。これに関連して、プローブ２１２は、Ｘ−Ｙアクチュエータ１４の電極２０、２２に通電することによってＸ軸およびＹ軸に沿って移動させＺアクチュエータ１６の電極２４に通電することによってＺ軸に沿って移動させることができる。よって、本願のため、ＸおよびＹ方向のスキャナ１２の移動はサンプルの測定面に略平行な走査面を画定し、Ｚ方向のスキャナ１２の移動は走査面に略直交する。
【００２０】
特に図２を参照すると、図５にさらに示されるように、動的センサ載置配列３５はスキャナ１２の作業端に結合され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向のスキャナ１２の並進運動をトランスデューサによって感知される運動に変換する。センサ載置配列３５は、スキャナ１２に結合された基部３０、基部３０から上方に延在し管スキャナ１２から間隔をおいて配置された細長ロッド３２、３４、およびＸ、Ｙ、およびＺの運動を相互に分離し、それぞれＸ、Ｙ、およびＺ方向の配列３５の各部分の局所的運動に集中させる撓曲部を含む。センサは、相互に独立して、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向の正確な変位測定値を得るために、それらの部分の移動を直接監視する。センサは例えば、光学三角測量、シャッタ、または非点収差原理を利用するセンサのような種々の光学式変位センサ（ＯＳＤ）のうちの任意のものであってもよい。リニア可変式変位トランスデューサ（ＬＶＤＴ）を備えることもできる。ただし、歪み計センサが現在は好ましい。極めて正確な位置情報を提供することに加えて、上記センサは、比較的低コストであり、質量が小さいことで先端部スキャナの最低基本共振周波数への影響が極めて少なく、熱放散が小さいことでスキャナの漂動への影響が極めて小さいという利点を備える。個々の歪み計は任意の適切な形状を取ることができる。また、所望範囲のアクチュエータの移動に対して比較的高い感度と、比較的低いノイズとを有するべきである。半導体歪み計が本実施形態で利用されているが、金属薄膜の歪み計または歪みの関数として抵抗を変化させる代替的な装置を使用することもできる。この目的とＳＰＭスキャナでの使用とに適した歪み計センサは、例えば、米国特許第５，６４１，８９７号および米国公開出願第２００８／００１ １０６４号に開示されており、両者の主題は参照により本明細書に組み込まれている。
【００２１】
センサ載置配列３５のロッド３２は、基部３０に接続された下端３６と、第１の撓曲部モジュール４０に接続された上端３８とを有する。同様に、ロッド３４は、基部３０に接続された下端４２と、第２の撓曲部モジュール４６に接続された上端４４とを有する。撓曲部モジュール４０についてのみ説明を行うが、撓曲部モジュール４６も同様に構成されると理解される。
【００２２】
さらに図３を参照すると、撓曲部モジュール４０は、ロッド３２の上端３８に接続された載置ブロック４８を有する。下側撓曲部５０は載置ブロック４８に結合される、あるいは他の形で載置ブロック４８と共に形成され、概して、載置ブロック４８の上面５６から上方に延在する下側撓曲部材５２、５４を備える。このように、実際には、面５６は下側撓曲部５０のための支持部を形成する。下側撓曲部材５２、５４は、下側撓曲部５０のために面５６から上側支持部５８まで上方に延在する。上側支持部５８は好ましくは、上側撓曲部６４が結合する隆起平面６２を含む略平面状ブロック６０と一体的に形成される。上側撓曲部６４は、面６２から脚部７２を介してヘッダ２８に結合されたヘッダブロック７０まで上方に延在する上側撓曲部材６６、６８を含む。図２に示されるように、上側撓曲部６６、６８は、下側撓曲部材５２、５４の配向に対して９０度回転させられる。
【００２３】
下側撓曲部５０または「下側撓曲部要素」の撓曲部要素５２、５４は、Ｘ−Ｙ管１４の通電時、Ｘ方向のロッド３２の変位に応答してＸ方向に撓曲して、Ｘ方向に移動するように配向される。その移動は、下側撓曲部５０に載置された歪み計センサによって感知される。より具体的には、Ｘ方向の管１２の移動は基部３０によって受け止められ、ロッド３２を登り下側撓曲部５０まで並進する。下側撓曲部要素５２、５４の撓曲は一連のＸ軸歪み計７４、７６、７８、および８０を通って伝達される。好適な実施形態では、４つの歪み計が使用され、一対の歪み計が下側撓曲部材５２、５４の対向側に載置される。しかしながら、４つより少ない、または４つより多い歪み計を使用することができると理解される。撓曲部材の両面上に一対の歪み計を使用して、たとえ各歪み計が受ける歪みがほぼ同一であっても、両方の歪み計による歪み読取値に相違を生じさせる可能性のある温度や他の要因を補正することが好ましい。Ｙ方向のロッド３２、ひいては管スキャナ１２の移動を感知する上側撓曲部６４も好ましくは、撓曲部材６６、６８の対向側に載置された４つの歪み計８２、８４、８６、および８８を含む。したがって、４つの歪み計がＸおよびＹ軸の各々に提供される。
【００２４】
図４に示されるように、歪み計７４は、歪み計７４と歪み計７６とを接続するため、載置ブロック４８の傾斜外表面９２に載置された読み取り端子９０と、ブロック６０の下側に載置された端子または橋絡接点９４との間に相互接続される。歪み計７４は読み取り線９６によって端子９０に接続され、ワイヤ線９８によって橋絡接点９４に接続される。同様にして、歪み計７６は載置ブロック４８の傾斜面９２に接続された端子１００に接続され、橋絡接点９４にも接続される。歪み計７６は読み取り線１０２によって端子１００に接続され、ワイヤ１０４によって橋絡接点９４に接続される。図示しないが、歪み計７８、８０も同様に対応する読み取り線によって読み取り端子に接続され、橋絡接点によって直列に接続されると理解される。橋絡接点の使用によって、単一の計器ではなく２つの計器、例えば計器７４および７６を直列で使用することができると認識される。歪み計８２は、ブロック６０の上面に載置された端子または橋絡接点１０６と、ヘッダブロック７０の下側に載置された読み取り端子１０８との間に接続される。図３に示されるように、歪み計８２は線１０９によって橋絡接点１０６に接続され、読み取り線１１６によって読み取り端子１０８に接続される。同様に、歪み計８４は、ブロック６０の上面に載置された橋絡接点１０６とヘッダブロック７０の下側に載置された読み取り端子１１２との間に接続される。歪み計８４は線１１４によって橋絡接点１０６に接続され、読み取り線１１６によって読み取り端子１１２に接続される。図示しないが、歪み計８６、８８も同様に対応する読み取り線によって読み取り端子に接続されると理解される。したがって、Ｙ軸歪み計はＸ軸歪み計と同様、各組が相互に直列に配置された２つの歪み計を含む２組の歪み計で提供される。２つの計器を直列で用いることにより、上で言及したように、測定プロファイルの対称性が提供され、熱結合が相殺される。さらに、ＸおよびＹ軸の各々に対して４つの歪み計を使用することによって、本発明の本実施形態は、歪みを感知するが、温度変化、振動、および歪み測定値に影響を及ぼし得る他の要因にほぼ応答しない、あるいは最小限にしか応答しないホイートストンブリッジ配列を提供する。
【００２５】
撓曲部、ひいては歪み計の位置は、Ｘ方向の管１２の変位に関連する撓曲が下側撓曲部５０に集中するように選択される。同様に、Ｙ方向の管１２の変位は上側撓曲部６４に集中する。これに関連して、その積層構成は好都合なことに、Ｘ運動を下側撓曲部５０に局在させ、Ｙ運動を上側撓曲部６４に局在させる。また、好適な実施形態では、ロッド３４は、ロッド３２に関して上述した撓曲部と類似する撓曲部と対応づけられる。これに関連して、ＸおよびＹ方向の移動毎に８つの異なる歪み測定値が採取される。さらに、各撓曲部は、面内にあるときに比較的高い追従性を提供しつつ、面外運動に抵抗するように構成される。よって、ＸおよびＹ方向の力および運動は互いに分離され、感知精度を向上させる。
【００２６】
上述したように、管スキャナ１２は３つの略垂直軸すべてに移動可能である。さらに図５を参照すると、上記基部３０は、管スキャナ１２およびロッド３２、３４にそれぞれ接着された外側および内側リング１１９および１３０から成る。リング１１９および１３０は、撓曲部要素１２３によって架橋された環状開口部１２１によって分離され、略半円状であり、管スキャナ１２の下側台１６を収容する開口部１２２を集約的に画定する一対の撓曲部プレートまたは脚部１１８、１２０の方向に向かう。間隙１２４は撓曲部プレートの対向端間に画定され（図示されない別の間隙は、間隙１２４から１８０度離れて画定されると理解される）、一対の歪み計１２６、１２８が間隙１２４を横断する。間隙１２４に対向する間隙（図示せず）が好ましくは、一対の歪み計（図示せず）によって架橋される。ロッド３２は撓曲部プレート１２０に接続され支持され、ロッド３４は撓曲部プレート１２２に接続され支持される。
【００２７】
先に概説したように、基部３０は、管スキャナ１２が固定され、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向にスキャナ１２と共に移動する内側リング１３０も含む。撓曲部要素１２３は内側リング１３０と外側リング１１９とを相互接続し、外側リング１１９の脚部１１８、１２０を管スキャナ１２の移動に追従させる。これに関連して、内側リング１３０がＺ方向に移動すると、対応して撓曲部要素１２３が捩れ、脚部１１８および１２０間を相互接続するビーム１２９が屈曲する。その屈曲はビーム１２９によって支持された歪み計１２６、１２８によって検出される。ロッド３２、３４が縦方向に極めて剛性であるために、各々の脚部１１８、１２０の中央部分は管スキャナをＸおよびＹ方向に追従するがＸ方向には追従しない一方で、撓曲部モジュール４０、４６はスキャナ１２の端部をＸおよびＹ方向に移動させる。したがって、スキャナ１２は単一ユニットとしてＸおよびＹ方向に移動するが、管スキャナがＺ方向に移動すると基部３０は屈曲する。この屈曲モーメントは基部３０の最も弱い地点、すなわち歪み計１２６、１２８が配置されたビーム１２９に集中する、あるいは局在化する。特に、Ｚ撓曲部はスキャナ１２の移動をすべて吸収する。したがって、センサアセンブリおよびその装着台によって管スキャナ１２に追加される移動質量は、Ｚ撓曲部の移動部分に限定される。よって、センサアセンブリが管のＺ帯域幅に及ぼす影響は極めて小さいものである。Ｚ撓曲部は、追加の組の撓曲部、ビーム、およびスキャナの中心線を中心に対称に配置された歪み計を含むと理解される。
【００２８】
さらに、ロッド３２、３４は各々の撓曲部プレート１２０、１２２と結合されるため、ロッド３２、３４はＸおよびＹ方向の管１２の運動に正確に追従する。その結果、各ロッドは撓曲部プレートの端部と一緒に、ロッドの端部の位置を動的に突き止める三脚を有効に形成する。したがって、ロッドは高周波でも管の変位に応答して正確に移動する。これにより、システムの帯域幅が増大する。
【００２９】
Ｘ、Ｙ、およびＺの歪み計から得られる歪み情報が端末から読み取られ、制御ステーション２２０（図１）に送信されて、Ｘ、Ｙ、およびＺの管スキャナ１２の端部の実際の位置に関する正確な情報が得られる。次に、この情報は、ヒステリシス、クリープ、および圧電材料の略非線形な応答による移動の走査の際に、非線形性を補正するための管スキャナ１２へのフィードバックなどの様々な目的に利用することができる。歪み計およびそれらの動的載置構造の配列により、１０ｋＨｚまたはそれ以上の帯域幅で変位の測定が可能になる。歪み計と管スキャナ１２との分離、および撓曲部材同士の分離により、ノイズが１ｎｍ以下に低減される。測定に歪み計を使用することで、電力損失が１０ｍＷ未満程度と極めて低くなる。
【００３０】
本発明はサンプルの変位を感知する１つまたはそれ以上のセンサを有する顕微鏡システムと共に利用することもでき、管の変位に関する情報をサンプルの変位に関する情報と併せて使用して、画像データ取得を較正する、あるいは画像データ取得工程中のプローブの移動、例えば、参照によりその開示が本明細書に組み込まれている米国特許第７，０４４，００７号に記載されるようなＦＳＰＭを使用するデータ取得中の力曲線測定パラメータの変化をリアルタイムで制御することができると理解される。
【００３１】
さらに、上記の説明から、本発明の好適な実施形態が動的な感知フレームまたは配列を提供すると理解される。これに関連して、好適な実施形態は、自由度毎に単一の制約体があり、制約体が互いに少なくとも略直交している感知配列を提供する。各軸運動におけるロッドおよびヒンジも同様である。ロッドは、屈曲の剛性と比較して、軸に沿って極めて剛直である。ロッドの端部にヒンジ（例えば、撓曲部または玉継手）を設けることで屈曲応力が軽減される。この構造には多数の利点がある。例えば、動的感知フレームは高い剛性を有し、重量は比較的軽いため、スキャナの動力を向上させる。また、歪みが十分に集中し、感度が高く、歪み計信号に対して高感度、高分解能、および低ノイズである。動的構造は、２つまたはそれ以上の制約体が互いに競合または対向するシステムと比較して極めて安定している。したがって、過度に制約されたシステムに付随する熱ドリフトを解決する。
【００３２】
また、本明細書での「直交する」という用語の使用は、自由度、または制約体が相互に連結されないことを指すと理解される。例えば、直交する制約体の配列を有する動的構造では、例えばＸ軸に沿った１方向への移動、すなわち歪みを制約することで、例えばＹ軸に沿った別の方向への移動が生じたり、制限されたりすることはない。これに関連して、本明細書で使用される「直交する」という用語は、直交軸が相互に９０度と定義される特別な場合に限定されない。それに代わって制約体が作用する方向は、９０度よりも大きく、または小さく補正することが可能である。
【００３３】
本発明を実行する発明者によって企図される最適な形態を上述したが、本発明の実施はそれに限定されない。基礎となる発明の概念の精神および範囲を逸脱することなく、本発明の特徴の様々な追加、修正、および再構成を行うことができるのは明白であろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
Ｘ−Ｙ面で移動可能であり、プローブとサンプル支持部の一方を支持するスキャナと、
前記スキャナの前記Ｘ方向への変位を感知するように構成されたＸ軸センサと、
前記スキャナの前記Ｙ方向への変位を感知するように構成されたＹ軸センサと、
前記スキャナに結合され、前記第１および第２のセンサが前記スキャナに対して間隔をおいて載置された載置配列と、
を備え、前記載置配列が、前記センサがそれぞれ前記Ｘ方向およびＹ方向に基本的に排他的かつ独立して運動を感知するように、前記センサを機械的に相互に分離する撓曲部を含むＳＰＭ。
【請求項２】
前記スキャナが圧電管アセンブリを備える請求項１に記載のＳＰＭ。
【請求項３】
前記圧電管アセンブリが前記Ｘ−Ｙ面に垂直なＺ方向にも移動可能であり、前記Ｚ方向の前記スキャナの変位を感知するように構成されたＺ軸センサをさらに備え、前記Ｚ軸センサが前記載置配列に載置され、少なくとも基本的に排他的かつ独立して前記Ｚ方向の移動を感知するように前記Ｘ軸センサおよび前記Ｙ軸センサから機械的に分離された請求項２に記載のＳＰＭ。
【請求項４】
前記撓曲部配列がＸ軸撓曲部、Ｙ軸撓曲部、およびＺ軸撓曲部を備え、前記Ｘ軸撓曲部および前記Ｙ軸撓曲部を含む撓曲部モジュールをさらに備え、前記Ｚ軸撓曲部から前記撓曲部モジュールまで延在する細長部材をさらに備える請求項３に記載のＳＰＭ。
【請求項５】
前記Ｚ軸撓曲部から間隔をおいて配置された撓曲部支持部をさらに備え、前記撓曲部モジュールが前記細長部材に結合された第１の端部と前記撓曲部支持部に結合された第２の端部とを有する請求項４のＳＰＭ。
【請求項６】
前記第１の端部が下側撓曲部支持部を含み、前記第２の端部が上側撓曲部支持部を含み、前記Ｘ軸センサが前記下側撓曲部支持部に載置され、前記Ｙ軸センサが前記上側撓曲部支持部に載置され、前記下側撓曲部支持部が前記上側撓曲部支持部から９０度補正された請求項５に記載のＳＰＭ。
【請求項７】
前記センサの各々が歪み計アセンブリを含む請求項２に記載のＳＰＭ。
【請求項８】
前記Ｚ軸撓曲部が前記管アセンブリの対向側に沿って間隔をおいて延在する第１の脚部および第２の脚部を含み、前記Ｚ軸センサの前記歪み計アセンブリが前記第１の脚部と前記第２の脚部との間に接続された請求項７に記載のＳＰＭ。
【請求項９】
前記第１のセンサが歪み計センサアセンブリであり、前記第２のセンサが歪み計センサアセンブリである請求項１に記載のＳＰＭ。
【請求項１０】
対象物を撮像する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
圧電管スキャナであって、該圧電管スキャナに印加された電圧に応答して相互に直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動し、プローブとサンプル支持部の一方が載置された作業端を有する圧電管スキャナと、
センサ載置配列であって、前記圧電管スキャナの前記作業端が結合され、前記Ｚ方向の前記圧電管の変位に応答して撓曲する基部と、前記基部に結合され、前記圧電管スキャナに略隣接しそこから間隔をおいて配置された前記基部から上方に延在し、前記ＸまたはＹ方向のいずれかの前記圧電管スキャナの変位に応答して撓曲するロッドと、を含むセンサ載置配列と、
前記Ｚ方向の前記プローブの変位を測定する第１の組の歪み計と、前記Ｘ方向の前記プローブの変位を測定する第２の組の歪み計と、前記Ｙ方向の前記プローブの変位を測定する第３の組の歪み計とを含み、前記第１の組の歪み計が前記基部に結合され、前記第２および第３の組の歪み計が前記ロッドに結合され、前記第１、第２、および第３の組の歪み計が相互に機械的に分離された歪み計の配列と、
を備えるＳＰＭ。
【請求項１１】
前記第１、第２、および第３の組の歪み計を相互に機械的に分離する撓曲部モジュールをさらに備え、前記撓曲部モジュールがＸ軸撓曲部およびＹ軸撓曲部を含み、前記前記第２の組の歪み計が前記Ｘ軸撓曲部に結合され、前記第３の組の歪み計が前記Ｙ軸撓曲部に結合された請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記管スキャナのＸ軸運動が前記Ｘ軸撓曲部に集中し、前記管スキャナのＹ軸運動が前記Ｙ軸撓曲部に集中するように、前記Ｘ軸撓曲部および前記Ｙ軸撓曲部が相互に縦方向に積載された請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記Ｘ軸撓曲部および前記Ｙ軸撓曲部が同様に構成されるが、互いに直交して配列された請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記センサ載置配列の前記基部が、第１および第２の端部を有する第１のリング部分と、第１および第２の端部を有する第２のリング部分とを含み、前記第１の組の歪み計の第１の歪み計が、前記第１のリング部分と前記第２のリング部分との間に接続されて前記第１のリング部分の前記第１の端部と前記第２のリング部分の前記第１の端部との間の第１の間隙を架橋し、前記第１の組の歪み計の第２の歪み計が前記第１のリング部分と前記第２のリング部分との間に接続されて前記第１のリング部分の前記第２の端部と前記第２のリング部分の前記第２の端部との間の第２の間隙を架橋する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
印加電圧に応答して相互に直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動可能である圧電管スキャナと、
前記管スキャナに結合された動的載置配列であって、いずれの方向への前記管スキャナの移動からの干渉をも受けることなく、前記Ｘ、Ｙ、およびＺの各方向の前記管スキャナの変位を独立して感知することができるように、前記配列の各部分を相互に機械的に分離する第１、第２、および第３の撓曲部を有する動的載置配列と、
を備えるＳＰＭ。
【請求項１６】
前記動的載置配列が、前記圧電管スキャナの作業端が結合された基部を含み、前記基部が前記Ｚ方向の前記圧電管スキャナの変位を測定する一対の歪み計によって相互接続された第１のリング部分および第２のリング部分を有する請求項１５に記載のＳＰＭ。
【請求項１７】
前記動的載置配列が前記基部から間隔をおいて配置されたヘッダと、前記基部から前記ヘッダに向かって上方に延在するロッドと、前記ロッドと前記ヘッダを相互接続する撓曲部モジュールとをさらに備え、前記撓曲部モジュールがＸ軸撓曲部およびＹ軸撓曲部を含む請求項１６に記載のＳＰＭ。
【請求項１８】
前記Ｘ軸撓曲部に結合され、前記Ｘ方向の前記圧電管スキャナの変位を測定する一対のＸ軸歪み計と、前記Ｙ軸撓曲部に結合され、前記Ｙ方向の前記圧電管スキャナの変位を測定する一対のＹ軸歪み計とをさらに備える請求項１７に記載のＳＰＭ。
【請求項１９】
前記動的撓曲部配列および前記歪み計が、５０ｍＷ未満の熱放散で前記圧電管の変位を測定するように構成された請求項１８に記載のＳＰＭ。
【請求項２０】
前記動的撓曲部配列および前記歪み計が、約５ｎｍ未満のレベルのノイズで前記圧電管の変位を測定するように構成された請求項１８に記載のＳＰＭ。
【請求項２１】
前記動的撓曲部配列および前記歪み計が、約１ｎｍ未満のレベルのノイズで前記圧電管の変位を測定するように構成された請求項２０に記載のＳＰＭ。
【請求項２２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の作動方法であって、
圧電管スキャナに選択的に通電して、相互に直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に前記管スキャナの作業端を並進させることと、
前記管アクチュエータアセンブリから機械的に分離されたセンサアセンブリを用いて前記管スキャナの前記作業端の移動を監視することと、
を備え、前記監視ステップが、
前記管スキャナの前記作業端の移動を、作業端に結合されたセンサ載置配列の移動に変換させることと、
撓曲部を用いて、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサがそれぞれ前記Ｘ方向、前記Ｙ方向、および前記Ｚ方向に載置された前記センサ載置配列の各部分の移動を集中させることと、
前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ、および前記Ｚ軸センサを用いてそれぞれ前記Ｘ、Ｙ、およびＺ方向の前記管スキャナの前記作業端の移動を直接監視することと、
を含む方法。
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
Ｘ−Ｙ面で移動可能であり、プローブとサンプル支持部の一方を支持するスキャナと、
前記スキャナの前記Ｘ方向への変位を感知するように構成されたＸ軸センサと、
前記スキャナの前記Ｙ方向への変位を感知するように構成されたＹ軸センサと、
前記スキャナに結合され、前記第１および第２のセンサが前記スキャナに対して間隔をおいて載置された載置配列と、
を備え、前記載置配列が、前記センサがそれぞれ前記Ｘ方向およびＹ方向に基本的に排他的かつ独立して運動を感知するように、前記センサを機械的に相互に分離する撓曲部を含むＳＰＭ。
【請求項２】
前記スキャナが圧電管アセンブリを備える請求項１に記載のＳＰＭ。
【請求項３】
前記圧電管アセンブリが前記Ｘ−Ｙ面に垂直なＺ方向にも移動可能であり、前記Ｚ方向の前記スキャナの変位を感知するように構成されたＺ軸センサをさらに備え、前記Ｚ軸センサが前記載置配列に載置され、少なくとも基本的に排他的かつ独立して前記Ｚ方向の移動を感知するように前記Ｘ軸センサおよび前記Ｙ軸センサから機械的に分離された請求項２に記載のＳＰＭ。
【請求項４】
前記撓曲部配列がＸ軸撓曲部、Ｙ軸撓曲部、およびＺ軸撓曲部を備え、前記Ｘ軸撓曲部および前記Ｙ軸撓曲部を含む撓曲部モジュールをさらに備え、前記Ｚ軸撓曲部から前記撓曲部モジュールまで延在する細長部材をさらに備える請求項３に記載のＳＰＭ。
【請求項５】
前記Ｚ軸撓曲部から間隔をおいて配置された撓曲部支持部をさらに備え、前記撓曲部モジュールが前記細長部材に結合された第１の端部と前記撓曲部支持部に結合された第２の端部とを有する請求項４のＳＰＭ。
【請求項６】
前記第１の端部が下側撓曲部支持部を含み、前記第２の端部が上側撓曲部支持部を含み、前記Ｘ軸センサが前記下側撓曲部支持部に載置され、前記Ｙ軸センサが前記上側撓曲部支持部に載置され、前記下側撓曲部支持部が前記上側撓曲部支持部から９０度補正された請求項５に記載のＳＰＭ。
【請求項７】
前記センサの各々が歪み計アセンブリを含む請求項２に記載のＳＰＭ。
【請求項８】
前記Ｚ軸撓曲部が前記管アセンブリの対向側に沿って間隔をおいて延在する第１の脚部および第２の脚部を含み、前記Ｚ軸センサの前記歪み計アセンブリが前記第１の脚部と前記第２の脚部との間に接続された請求項７に記載のＳＰＭ。
【請求項９】
前記第１のセンサが歪み計センサアセンブリであり、前記第２のセンサが歪み計センサアセンブリである請求項１に記載のＳＰＭ。
【請求項１０】
対象物を撮像する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
圧電管スキャナであって、該圧電管スキャナに印加された電圧に応答して相互に直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動し、プローブとサンプル支持部の一方が載置された作業端を有する圧電管スキャナと、
センサ載置配列であって、前記圧電管スキャナの前記作業端が結合され、前記Ｚ方向の前記圧電管の変位に応答して撓曲する基部と、前記基部に結合され、前記圧電管スキャナに略隣接しそこから間隔をおいて配置された前記基部から上方に延在し、前記ＸまたはＹ方向のいずれかの前記圧電管スキャナの変位に応答して撓曲するロッドと、を含むセンサ載置配列と、
前記Ｚ方向の前記プローブの変位を測定する第１の組の歪み計と、前記Ｘ方向の前記プローブの変位を測定する第２の組の歪み計と、前記Ｙ方向の前記プローブの変位を測定する第３の組の歪み計とを含み、前記第１の組の歪み計が前記基部に結合され、前記第２および第３の組の歪み計が前記ロッドに結合され、前記第１、第２、および第３の組の歪み計が相互に機械的に分離された歪み計の配列と、
を備えるＳＰＭ。
【請求項１１】
前記第１、第２、および第３の組の歪み計を相互に機械的に分離する撓曲部モジュールをさらに備え、前記撓曲部モジュールがＸ軸撓曲部およびＹ軸撓曲部を含み、前記前記第２の組の歪み計が前記Ｘ軸撓曲部に結合され、前記第３の組の歪み計が前記Ｙ軸撓曲部に結合された請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記管スキャナのＸ軸運動が前記Ｘ軸撓曲部に集中し、前記管スキャナのＹ軸運動が前記Ｙ軸撓曲部に集中するように、前記Ｘ軸撓曲部および前記Ｙ軸撓曲部が相互に縦方向に積載された請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記Ｘ軸撓曲部および前記Ｙ軸撓曲部が同様に構成されるが、互いに直交して配列された請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記センサ載置配列の前記基部が、第１および第２の端部を有する第１のリング部分と、第１および第２の端部を有する第２のリング部分とを含み、前記第１の組の歪み計の第１の歪み計が、前記第１のリング部分と前記第２のリング部分との間に接続されて前記第１のリング部分の前記第１の端部と前記第２のリング部分の前記第１の端部との間の第１の間隙を架橋し、前記第１の組の歪み計の第２の歪み計が前記第１のリング部分と前記第２のリング部分との間に接続されて前記第１のリング部分の前記第２の端部と前記第２のリング部分の前記第２の端部との間の第２の間隙を架橋する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
印加電圧に応答して相互に直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に移動可能である圧電管スキャナと、
前記管スキャナに結合された動的載置配列であって、いずれの方向への前記管スキャナの移動からの干渉をも受けることなく、前記Ｘ、Ｙ、およびＺの各方向の前記管スキャナの変位を独立して感知することができるように、前記配列の各部分を相互に機械的に分離する第１、第２、および第３の撓曲部を有する動的載置配列と、
を備えるＳＰＭ。
【請求項１６】
前記動的載置配列が、前記圧電管スキャナの作業端が結合された基部を含み、前記基部が前記Ｚ方向の前記圧電管スキャナの変位を測定する一対の歪み計によって相互接続された第１のリング部分および第２のリング部分を有する請求項１５に記載のＳＰＭ。
【請求項１７】
前記動的載置配列が前記基部から間隔をおいて配置されたヘッダと、前記基部から前記ヘッダに向かって上方に延在するロッドと、前記ロッドと前記ヘッダを相互接続する撓曲部モジュールとをさらに備え、前記撓曲部モジュールがＸ軸撓曲部およびＹ軸撓曲部を含む請求項１６に記載のＳＰＭ。
【請求項１８】
前記Ｘ軸撓曲部に結合され、前記Ｘ方向の前記圧電管スキャナの変位を測定する一対のＸ軸歪み計と、前記Ｙ軸撓曲部に結合され、前記Ｙ方向の前記圧電管スキャナの変位を測定する一対のＹ軸歪み計とをさらに備える請求項１７に記載のＳＰＭ。
【請求項１９】
前記動的撓曲部配列および前記歪み計が、５０ｍＷ未満の熱放散で前記圧電管の変位を測定するように構成された請求項１８に記載のＳＰＭ。
【請求項２０】
前記動的撓曲部配列および前記歪み計が、約５ｎｍ未満のレベルのノイズで前記圧電管の変位を測定するように構成された請求項１８に記載のＳＰＭ。
【請求項２１】
前記動的撓曲部配列および前記歪み計が、約１ｎｍ未満のレベルのノイズで前記圧電管の変位を測定するように構成された請求項２０に記載のＳＰＭ。
【請求項２２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の作動方法であって、
圧電管スキャナに選択的に通電して、相互に直交するＸ、Ｙ、およびＺ方向に前記管スキャナの作業端を並進させることと、
前記管アクチュエータアセンブリから機械的に分離されたセンサアセンブリを用いて前記管スキャナの前記作業端の移動を監視することと、
を備え、前記監視ステップが、
前記管スキャナの前記作業端の移動を、作業端に結合されたセンサ載置配列の移動に変換させることと、
撓曲部を用いて、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、およびＺ軸センサがそれぞれ前記Ｘ方向、前記Ｙ方向、および前記Ｚ方向に載置された前記センサ載置配列の各部分の移動を集中させることと、
前記Ｘ軸センサ、前記Ｙ軸センサ、および前記Ｚ軸センサを用いてそれぞれ前記Ｘ、Ｙ、およびＺ方向の前記管スキャナの前記作業端の移動を直接監視することと、
を含む方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１】
【公表番号】特表２０１３−５０９５９２（Ｐ２０１３−５０９５９２Ａ）
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３７１１０（Ｐ２０１２−５３７１１０）
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４６９１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５９８０９
【国際公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（５１２０３８６１０）ブルカー ナノ インコーポレイテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＵＫＥＲ ＮＡＮＯ，ＩＮＣ．
【公表日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２９日（２０１０．１０．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４６９１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５９８０９
【国際公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（５１２０３８６１０）ブルカー ナノ インコーポレイテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＵＫＥＲ ＮＡＮＯ，ＩＮＣ．
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