JP2005506519A - 測定装置における移動の切り離し及び測定のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などの測定装置（１００）は、３つの直交方向への移動を制御するアクチュエータ（１０４）を有する。好適には圧電アクチュエータである、アクチュエータのＸ−Ｙ部分（２２０）は、Ｘ，Ｙ方向への移動を制御し、アクチュエータのＺ方向（２２２）はＺ方向への移動を制御する。アクチュエータには湾曲部材（２３２）が取り付けられ、アクチュエータのＺ部分による好適でないＸ，Ｙ方向の移動を防止するために、基準構造体（１１１）に載置される。好適には２つの鏡（２４０，２４２）が湾曲部（２３２）に載置される。ＳＰＭの走査において、光ビームはこれら鏡に向けて指向される。湾曲部（２３２）がＺ方向に移動するときには、鏡のうちの１つが偏向されて反射光を検出器を貫通して移動させ、湾曲部及び針のＺ位置の変化を表示する信号を生成する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）及びその他の関連する測定装置に関する。より詳細には、本発明はプローブの移動を測定する装置及び方法、例えばＳＰＭに関し、そのようなプローブの寄生移動に伴う欠点を最小限にするものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は一般に生物学的試料或いは半導体試料等の試料の表面形状を、オングストロームの単位まで高精度に測定するために利用される。図１Ａ，１Ｂには２個の走査型プローブ顕微鏡の一般的な形状が示されている。走査型プローブ顕微鏡は尖った針を有する測定プローブ組立物を試料表面に走査しつつ、表面の１個以上の性質を測定するように作動する。図１Ａ，１Ｂに示された例は原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）であり、測定プローブ組立物１２は尖った針１４を有し、針１４は可撓性カンチレバー１６に取り付けられる。一般的には、圧電管（以後、圧電管という）等のアクチュエータが用いられて、測定プローブ１２と試料表面とを相対的に移動させる。圧電管は、管（図１Ｃの符号２９）の内側及び外側に載置された電極に電圧が付与された時に、１つ以上の方向に移動する装置である。
【０００３】
図１Ａにおいて、測定プローブ組立物１２が圧電管アクチュエータ１８に取り付けられることにより、プローブが支持体２２に固定された試料２０上を走査させられる。図１Ｂは別の実施形態を示しており、プローブ組立物１２は所定位置に保持されており、圧電管アクチュエータ２４に結合された試料２０がその下を走査させられる。図１Ａ，１ＢのいずれのＡＦＭの例においても、レーザ光線２６がカンチレバー１６の裏側で反射させられて位置感知検出器２８に向けられることにより、カンチレバー１６の屈曲が測定される。
【０００４】
これらの装置において依然として懸念されていることは、如何に装置の精度を向上させるかということである。これらの顕微鏡ではオングストロームの単位まで表面形状を測定可能であるため、試料及びプローブの相対的な配置が重要である。図１Ｃは図１Ａの装置の作動を示しているが、いわゆるＸ軸及びＹ軸移動部、すなわちより一般的にはＸ−Ｙ管である圧電管アクチュエータ１８の上部３０に載置された電極２９に適切な電圧（Ｖｘ或いはＶｙ）が付与されると、その上部は図示されたＸ軸及びＹ軸の２軸方向に屈曲する。電極２９の向こう側にある管１８の下部３２に電圧（Ｖｚ）が付与されると、いわゆるＺ軸移動部、すなわちより一般的にはＺ管である下部が概して縦方向に延出或いは収縮される。このようにして、部分３０、３２及びプローブ（或いは試料）が左右、前後、そして上下に移動させられる。このような装置では、３段階で自由に移動することができる。図１Ａに示す装置では、一端が顕微鏡枠（例えば図１Ｄの３４）に固定されており、管１８の自由端は試料２０に対して３直交方向に移動し得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
残念なことに、圧電管及び他種類のアクチュエータには欠点がある。例えば、圧電管は意図された方向のみに移動しないことがある。図１Ｄは好適ではないが多く発生する場合を示している。（図１Ｃに符号２９が付された内側電極及び外側電極の間に適正な電圧が付与されることにより）圧電管アクチュエータ１８はＺ方向に移動するように基準されたが、その基準に応答して、Ｚ管１８はＺ方向だけでなくＸ方向及び・或いはＹ方向にも移動する。図１ＤにΔＸとして示されたこのような好ましくない寄生移動により、走査型プローブ顕微鏡により得られる測定精度が制限される。Ｙ方向における同様の寄生移動もまた多く生じる。寄生移動の程度は管の構造及び管素材の不均一さに応じて変化するが、一般的に本装置により要求される精度を得るために排除することはできない。
【０００６】
圧電管により駆動されたプローブ或いは試料２０の移動を監視する現在の方法は、このようなＸ及びＹ方向の誤差を補償する程発展していない。この装置では一般的に、Ｘ−Ｙ管及びＺ管に電圧を付与した後に実際にプローブが移動した距離を測定することにより較正が行われる。従って、Ｘ−Ｙ管及びＺ管に付与された電圧により圧電管の自由端の位置が推測される。しかしながら、プローブ（図１Ｂに示す装置では試料）が配置されたＺ管によりもたらされる（Ｘ、Ｙ）位置の誤差は必然的に予測不可能であるので、Ｚ管或いはＸ−Ｙ管に付与された電圧を測定するだけでは排除することはできない。
【０００７】
さらに、圧電管やその他の種類のアクチュエータは概して、既知の電圧が付与されたときに、意図された方向へ予期された方法で移動しない。付与された電圧と正確に比例してアクチュエータが移動するのが理想的な作動である。その代わりに、圧電管を含むアクチュエータは非線的に移動する。すなわち、感度（例えば付与電圧毎の移動ナノメートル）は電圧が増加する毎に変化する。また、感度はヒステリシスの影響も受ける。最も一般的なのは、増加する電圧変化への応答性は、それまでにアクチュエータに付与されてきた電圧の過程に依存する。従って、ヒステリシスの影響により大きく且つ重大な移動が引き起こされ、基準された移動への応答性に数分後まで影響を与える。
【０００８】
また、走査型プローブ顕微鏡における縦方向の測定は一般的に、上昇或いは降下する試料の表面に応答してプローブを上方或いは下方へ移動させることにより実施される。例えば、ＡＦＭがタッピングモード（登録商標）で作動させられる際には、実際の縦方向の測定値は、試料の表面をたたく時に一定の震動振幅を維持するためにプローブが縦方向に移動した平均距離であり、一方、ＡＦＭが接触モードで作動させられる際には、縦方向の測定値は、カンチレバーの針と試料表面の間において特定の大きさの力を維持するためにプローブが移動した距離である。この距離は、圧電管に付与された電圧を記録した後、管の較正された感度ナノメートル毎ボルトを掛けることにより数学的に計算される。しかしながら、上述したように、この感度は一定ではなく、管にこれまでに付与された電圧に依存する。そのため、管に付与された電圧を利用して管の縦方向の移動を計算すると、常に実際の移動に対して誤差が生じることになる。このような誤差は直接的に試料表面の形状を測定する際の誤差となる。
【０００９】
従って、測定装置のアクチュエータ（例えばＺ管）によりもたらされる、不都合な寄生移動などの影響を最小化することにより、プローブ或いは試料の移動を制御する装置及び方法が必要とされる。さらに、例えば意図した移動が実現されたが否かを追跡するなどの井戸下移動の強度を測定するための装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、例えばＳＰＭやプロファイラなどの測定装置のアクチュエータ（例えばＺ管）によりもたらされる、寄生移動に伴う欠点を最小化するための、測定プローブの移動を制御する装置及び方法に関する。
【００１１】
本発明の一実施形態によると、測定装置のＺ方向切り離し／測定組立物は、第１直交方向及び第２直交方向に制御によって移動するように形成された第１アクチュエータステージと、第１アクチュエータステージに組み込まれ、或いは結合されるとともに、第１及び第２直交方向と直交する第３直交方向へと制御によって移動する第２アクチュエータステージとを備えた、圧電若しくは歪電アクチュエータ組立物を有する。また、組立物は第１端部及び第２端部を備えた基準構造体を有し、第１端部は第２アクチュエータステージの移動に対して固定される。組立物はまた、基準構造体の第２端部に固定された多棒連結組立物と、第２アクチュエータステージ及び多棒連結部材に取り付けられた連結部材とを有する。第２アクチュエータステージ及び結合部材は、連結組立物を第２アクチュエータステージの第１及び第２方向への移動から略切り離して第３直交方向へ移動させる。
【００１２】
本発明のさらなる実施形態において、Ｚ軸切り離し／測定組立物は、固定端部及びこの固定端部に相対して３つの直交方向に平行移動するように形成された自由端部を有した長手方向軸を備えた長尺状アクチュエータを有する。さらに、組立物は、互いに相対して平衡移動されるように拘束された第１連結部材及び第２連結部材を有する多棒連結装置とを含み、第１連結部材は基準構造体に固定されているとともに、第２連結部材はアクチュエータの縦軸と略平行な方向へ移動させられる。組立物は更に、第１端部及び第２端部を有する結合部材を含み、第１端部はアクチュエータの自由端付近においてアクチュエータに固定されており、第２端部は第２連結部材に固定される。結合部材は力、従ってアクチュエータの長手方向軸にほぼ平行の方向での移動を伝達することに適する。
【００１３】
本発明のさらに異なる実施形態において、測定装置組立物の長手状アクチュエータの自由端部における位置合わせの誤差を減少させるための方法は、プローブ組立物をプローブ支持組立物上に支持する工程を有する。さらに、同方法は、プローブ支持組立物を第１端部において測定装置の基準構造体に支持する工程を有し、基準構造体は、長手状アクチュエータの長手方向への伸長或いは収縮にほぼ反応しない。この方法はさらに、基準構造体を長手状アクチュエータの長手管の屈曲から切り離す工程を有する。アクチュエータを駆動するときには、測定装置は、長手方向への伸長及び収縮部分を縦方向及び横方向に同時に屈曲させる。この方法は、プローブ支持組立物に縦方向への屈曲を伝達すると同時に、管の長手方向への伸長及び収縮部分に生じた横方向への屈曲による、プローブ支持組立物の横方向への屈曲を阻止すべく、動作する。
【００１４】
本発明の好適実施形態のさらなる態様において、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などの測定装置においてアクチュエータの移動を測定するための装置は、光ビームを生成する光源を有する光学測定装置と、ビームの方向をアクチュエータの移動に応じて変化するように形成されている測定装置とを有する。装置は、ビームの位置を検出し、アクチュエータの移動を指示する信号を生成するためのセンサを有する。
【００１５】
本発明のさらなる態様において、測定装置はアクチュエータ及び基準構造体に結合された可動の棒組立物を有し、棒組立物はビームを偏向させるために適した反射面を有する。さらに、棒組立物は偏向されたビームの方向を変化させるためにアクチュエータの移動に応答可能である。
【００１６】
さらなる好適な実施形態において、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などの測定装置におけるアクチュエータの移動を測定するための方法は、アクチュエータと基準構造体とに連結された可動棒組立物を提供する工程を有する。この方法はさらに、アクチュエータの移動に応じて可動棒組立物の移動を測定する工程を有し、可動棒組立物の移動は前記アクチュエータの移動を指示する。
【００１７】
本発明のさらなる好適な実施形態において、アクチュエータによって生じ、それに結合されたカンチレバー針に伝達された移動が、アクチュエータにおいて意図した方向とは異なる方向への同装置の移動をほぼ切り離すことを確実に行うための装置は、アクチュエータに可撓性の棒若しくは部材（即ち結合部材）を介して結合された湾曲部を有する。結合部材は意図した方向のみに移動を伝達することに適することによって、測定装置の少なくとも一部、例えばアクチュエータでの寄生移動に伴う欠点を最小化させる。この装置は、固定された基準構造体を有し、これに湾曲部も取り付けられる。好適には湾曲部材は４本の連結棒からなり、対向する垂直の連結棒は力に応じてＸ−Ｙ平面にほぼ垂直のままに維持されるため、結合部材によって移動は、垂直、即ち「Ｚ」方向に伝達され、この結果は少なくとも部分的には基準構造体の湾曲部の結合に起因する。
【００１８】
好適な実施形態のさらなる態様において、針を一定の方向に移動させるためのアクチュエータを有した、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などの測定装置において、基準組立物は、一定方向の方向とは異なる方向への同装置の針からの移動をほぼ切り離し、基準構造体と、同基準構造体及びアクチュエータに結合された針支持組立物とを有し、針は針支持組立物に取り付けられている。さらに、装置は対向する端部を有した可撓性棒を有し、対向端部のうちの一方はアクチュエータに結合され、及び他方は針支持組立物に結合され、可撓性棒、基準構造体、及び針支持組立物は、針からの顕微鏡の一定方向と異なる方向への移動を協働して切り離すために適切である。
【００１９】
さらに、可撓性棒は好適には、一定方向になされた移動よりも、一定方向とは異なるあらゆる方向になされた移動に応じてより柔軟である。
本発明に係る上記或いはそれ以外の目的、特徴、効果は、以下の詳細な説明と図面から本技術分野に属する者には理解できる。しかしながら、詳細な説明や特定の例は本発明の好適な実施形態を示しているが、一例に過ぎず、それらに限定されるべきではない。本発明の精神から逸脱することなく請求の範囲内において多くの変更や修正を行うことができ、本発明はそのような修正を含むものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
初めに、図２には走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１００が示されている。顕微鏡はアクチュエータ組立物１０４が取り付けられる支持体１０２を備えた架台を有する。また、試料台１０６が支持体１０２に固定されており、試料１０８を収容するように形成されている。アクチュエータ組立物１０４はアクチュエータ１１０と、基準組立物１１１とを含み、基準組立物１１１は他の構造体の中でアクチュエータ１１０を包囲する長手状の基準構造体１１２と、プローブ組立物１１３とを有する。基準構造体１１２は管状であるとともに、アクチュエータ１１０の縦軸と略同一軸線上にある縦軸を有するのが好ましい。アクチュエータ１１０は圧電性或いは電歪性であり、管アクチュエータ或いはナノ位置決めシステム分野において周知である他の種類のアクチュエータが用いられる。
【００２１】
プローブ組立物１１３は、アクチュエータ装置１０４の下方自由端１０５において取り付けられているとともに、取り付けられる針１１５を備えたカンチレバー１１４を有する。制御に際して、針１１５が試料１０８の表面に亘り走査されることにより、試料の表面特性（例えば形状）を判定する。走査はプログラム制御信号（例えば適正電圧）により駆動されるアクチュエータ１１０により操作されて、典型的にはセンサ１０９から送信される閉ループ信号に応答して、アクチュエータ１１０によりプローブ組立物１１３を延出及び収縮させ、即ちカンチレバー１１４を試料に近づけ或いは遠ざけるように移動させるとともに、アクチュエータ１１０が試料１０８の表面に亘り２次元において横方向に移動させられる。その結果、アクチュエータ１１０は好ましくはプログラム制御に基づいて、３直交方向にカンチレバー１１４を移動させる。便宜上、プローブ組立物１１３を試料１０８に向けて延出し或いは試料１０８から収縮させることをＺ方向の移動というとともに、試料表面に亘る横方向の動きをＸ方向及びＹ方向の移動という。Ｘ軸及びＹ軸は互いに直交するとともに、試料１０８の表面と実質的に平行な面を形成する。この定義は単に３直交方向を示すために便宜的に利用される。
【００２２】
次に、本実施形態の相違点を説明するために図３を参照する。図３には、アクチュエータ１１０の圧電Ｚ管２２２の移動を監視する測定装置が示されている。好ましくは、測定装置１２０は操舵機構１２２を有するとともに、アクチュエータ１１０と基準枠１２４とを結合し、枠１２４はアクチュエータ１１０に対して固定される。また、操舵機構１２２はプローブ組立物（図示なし）が取り付けられるプローブ支持組立物として作用する。制御に際してけられる。操舵機構１２２は、アクチュエータ１１０の移動に応じて光ビームの方向を変化させる。検出センサ１２８はこのビームの方向変化を検出する。この場合、管２２２はＺ管であるため、光ビームの方向変化はアクチュエータの縦方向の移動を示す。
【００２３】
詳細には、操舵機構１２２はＺ管２２２に取り付けられる第１端部と第２端部１３２とを備えた結合棒すなわち第１連結部材１３０を有する移動可能な棒組立物を含む。操舵機構１２２はまた、対向する端部を備えた移動棒すなわち第２連結部材１３４を有する。その第１端部は第１旋回点１３３において連結部材１３０の第２端部１３２に回転可能に取り付けられる。移動棒１３４の反対側の端部は点１３６において固定基準枠１２４に回転可能に取り付けられる。移動棒１３４の表面１３８は光ビーム「Ｌ」を反射させるように形成されている。第２反射面は或る角度において固定基準枠１２４の内面１４２に取り付けられる固定鏡１４０を有し、移動棒１３４に向けて入力光ビーム「Ｌ」を偏光させる。また、光ビームを受け入れるために、固定基準枠１２４は入力光ビームを受け入れるように形成された第１孔１４４と、棒１３４により反射させられた後のビームを固定基準枠１２４を通り検出器１２８に向けるように形成された第２孔１４６とを有する。
【００２４】
制御に際しては、アクチュエータ１１０の作動に応じて（例えば、図３において「Ａ」と印されたＺ方向へ）、アクチュエータの移動は結合棒１３０を介して移動棒１３４に伝達される。これにより、移動棒１３４は第２旋回点１３６を中心として概して時計回りに回転する。その結果、発光ビームはＺ管２２２の非作動時と異なる角度で検出器１２８に向けて偏向させられる。この光ビーム「Ｌ」の方向変更は、図３において「Ｂ」線により示されており、アクチュエータの移動量を示す。詳細には、アクチュエータ１１０がプローブ（図示していないが、移動棒１３４の底面１３９に結合されるのが好ましい）をＺ方向に移動させると、偏向光ビームがセンサ１２８と接触する位置を記すことによりシステムによりＺ方向における移動量が検出される。
【００２５】
図３Ａ〜３Ｃには、図３に示す測定装置１２０の他の実施形態が示されている。図３Ａにおいて、測定装置１５０は圧電アクチュエータ組立物１５２と相対的に固定された光源１２６を含む。圧電アクチュエータ組立物１５２は、下部Ｚ管アクチュエータ部すなわちステージ１５６に結合された上部Ｘ−Ｙアクチュエータ部すなわちステージ１５４を含む。この場合、Ｚ管１５６の移動が監視される。
【００２６】
測定装置１５０はまた、Ｚ管１５６に結合されるレンズ１５８を有する。特に、レンズ１５８が光源と光源１２６の略反対側に配置されるセンサ１２８の中間となるように光源１２６は配置される。制御に際しては、Ｚ管１５６が作動させられて特定方向（この場合「Ｚ」）に移動させられると、レンズ１５８はそれに対応して移動する。センサ１２８は光源１２６と同様に固定されているので、レンズ１５８から出力された「Ｌ」光ビームがセンサ１２８と接触する位置の測定は、アクチュエータ１５２の移動を示すことになる。レンズの倍率は以下の式と等しい。
【００２７】
Ｍ＝ｌ＋ｉ／ｏ ・・・（式１）
ここで、ｉはセンサ１２８からレンズまでの直交距離であり、ｏはレンズ１５８から光源１２６までの直交距離である。
【００２８】
図３Ｂでは、図３Ａのようにレンズ１５８ではなく光源１２６がアクチュエータ１５２に取り付けられており、アクチュエータ１５２の移動が測定される（この場合、Ｚアクチュエータ１５６）。本実施形態では、測定装置１５１は取付台１６２を介してアクチュエータ１５６に取り付けられる光源１２６と、アクチュエータ１５２及び光源１２６と相対的に固定されるセンサ１２８とを有する。また、レンズ１６４は光源１２６及びセンサ１２８の中間に配置されており、その倍率は以下の式と略等しい。
【００２９】
Ｍ＝ｉ／ｏ ・・・（式２）
ここで、ｉはレンズ１６４とセンサ１２８の間の直交距離であり、ｏは光源１２６とレンズ１６４の間の直交距離である。Ｚ管が作動させられると共に光源１２６も移動して、光線はレンズ１６４を通過し、Ｚ管１５６が作動させられていない時に光線がセンサ１２８に向けられる点から離れた点に向けられる。センサ１２８はこの移動を検出して、アクチュエータ１５６の移動量を示す対応した信号を出力する。
【００３０】
図３Ｃは光学測定装置の更に別の実施形態を示しており、測定装置１５３はアクチュエータ１１０（例えば圧電管２２２）及び固定枠１２４（好ましくは管状でありアクチュエータ１１０を包囲する）の間において、アクチュエータ１１０及び管状の固定枠すなわち基準構造体１２４の縦軸と概して平行な方向に「Ｌ」光ビームを向ける。測定装置１５３は対向する両端部を有する連結部材１７０を含み、その第１端部は第１旋回点１７４においてアクチュエータ１１０（例えばＺアクチュエータ）と結合されており、第２端部は第２旋回点１７６において固定枠１２４と回転可能に結合されている。制御に際しては、光ビーム「Ｌ」が連結部材１７０の反射面１７８に向けられると、ビームは固定枠１２４の内面に向けて反射させられる。図３の実施形態と同様に、固定枠１２４は反射ビームの通路となる孔１８０を有しており、ビームをセンサ１２８と衝突させる。アクチュエータ１１０が作動させられると、連結部材１７０は回転して、ビームが反射させられる角度が変化する。これにより、反射或いは出力させられたビームはアクチュエータの非作動時とは異なる位置においてセンサ１２８と衝突する。センサ１２８により検出された位置は、上述したようにアクチュエータ１１０の移動量を示す。
【００３１】
図４には、アクチュータによりもたらされて、そのアクチュエータに結合された片持ちプローブに伝達される移動を、アクチュエータの意図された方向以外の方向への移動から確実に分離する、すなわちアクチュエータの寄生移動から確実に分離する装置２００を示す。一般的に、アクチュエータ１１０は可撓性棒すなわち部材（すなわち結合部材２０６）を介して湾曲部２０４と連結されている。結合部材２０６は意図された方向のみの移動を伝達するように形成されており、これによりアクチュエータ１１０等の計測装置における寄生移動に関連する悪影響を最小化する。図４においては、例えばアクチュエータ１１０はＺ管アクチュエータであることが好ましい。従って、この場合には結合部材２０６はアクチュエータ１１０により発生させられるＺ方向の移動を伝達するが、Ｘ及びＹ方向の移動は概して伝達しないように構成される。図４における他の説明においては、アクチュエータ１１０はＺ管アクチュエータである。
【００３２】
次に、装置２００は湾曲部２０４も取り付けられる固定基準構造体２０８を有する。湾曲部２０４は４本棒連結装置を有する平行四辺形であることが好ましく、棒連結装置は、対向する縦方向の連結部材２１０、２１２が力、従って棒２０６により縦すなわちＺ方向に伝達される移動に応じてＸＹ平面に略直交する状態を維持するべく移動するように構成されている。湾曲部２０４によるこの移動は、図７を参照して以下に詳述するように、点２１５、２１６、２１７、２１８を中心とした回転である。
【００３３】
また、湾曲部２０４の対向する縦連結部材がこのように確実に移動するように、可撓性部材２０６はアクチュエータ１１０の縦方向の移動を伝達する程度の剛性を有するが、例えば湾曲部２０４からアクチュエータ１１０のＸ−Ｙ方向における寄生移動を切り離す程度の柔軟性を有するように構成される。可撓性部材２０６は例えば長さが約３ミリメートル、直径が０．２ミリメートルとされる。プローブ２１４は湾曲部２０４の連結部材２１０に結合される。その結果、ＳＰＭのプローブ２１４はアクチュエータ１１０の作動に応じて略意図された方向、この場合にはＺ方向のみに移動する。本実施形態においては、基準枠２０８はＸ−Ｙアクチュエータ組立物（例えば図５の符号２２０）に結合されているので、基準枠２０８はＸ−Ｙアクチュエータ組立物と共に移動して、この意図されたＸ−Ｙ方向の移動を湾曲部２０４に伝達する。その結果、プローブ２１４はＸ及びＹ方向に移動することが可能となる。棒２０６はＸ及びＹ方向への移動に応じて概して柔軟性を有しているので、棒２０６により上記Ｘ−Ｙ方向への意図された移動が阻害されることはない。このような切り離し装置は図２、図５、図７のＡＦＭに採用されており、従って、装置の詳細な記述及びその作用は共に以下に詳述する。
【００３４】
図２及び図７に示すように、電磁放射線源１２６（例えばレーザ）は支持体１０２に固定されている。制御に際しては、源１２６がアクチュエータ組立物１０４の下部１０５に光を向け、検出器１２８は源１２６からの光線を下部１０５において反射した後に受光することにより、アクチュエータの移動量を検知する。しかも電磁放射線検出器１２８は支持体１０２と相対的に固定されており、測定装置３００の一部（代わりに、例えば図３の符号１２０を参照）として設けられることにより、アクチュエータ１１０の少なくとも一部の移動量を判定する。
【００３５】
図７を詳細に説明すると、測定装置の源１２６は、組立物１０４の下部１０５の方向へビームを偏向させるように配置された鏡３０２に略垂直に光ビームを向ける。光源１２６と鏡３０２の間に焦点レンズ３０４を配置するのが好ましい。その後ビームは鏡３０６を介してセンサ１２８（例えば位置検知光ダイオード）の方向へ偏向させられる。より精確な測定を実施するために、円柱形状を有するレンズ３０８が鏡３０６とセンサ１２８の間（或いは源１２６とセンサ１２８の間の所望する位置）に配置されてもよい。
【００３６】
図２及び図７に示すように、例えば試料表面における形状変化を監視し、ＳＰＭ操作モードに応じて適切なフィードバックを実施するために、電磁放射線源１０７（図２）は支持体１０２に固定される。源１０７はアクチュエータ１１０を介してプローブ組立物１１３に設けられたカンチレバー１１４の表面に支持された鏡１１７に放射線を向ける。次に、鏡１１７は検出器１０９（図２）に放射線を向ける。代わりに、鏡１１７はカンチレバー１１４後側（前側）の磨かれた部分であってもよい。検出器１０９はプローブ１１４により反射させられた光線を受光した後、例えば本技術分野において周知のようにプローブ１１４の偏向を表す信号を出力する。
【００３７】
アクチュエータ組立物１０４全体が図５に詳細に示されている。再度、アクチュエータ組立物１０４はアクチュエータ１１０（圧電管が好ましい）及び基準組立物１１１を有しており、後述するように基準組立物１１１は基準構造体１１２、結合取付台２２８、可撓性棒結合部材２３０、湾曲部２３２及び細穴が形成された円盤２５０を有する。本発明の実施形態においては、アクチュエータ１１０は２部分により形成されており、その１個はプログラム制御に基づいてアクチュエータの軸と直角な平面上を横方向に屈曲するように構成された第１部分２２０である。このため、これをＸ−Ｙ管という。アクチュエータ１１０はまた、プログラム制御に基づいて管の縦軸と略平行な方向に延出或いは収縮するように構成されたＺ管アクチュエータ２２２を有する。これらのアクチュエータの制御手段に関する記述は、例えば米国特許第６，００８，４８９号及び他の関連する明細書に記載されている。
【００３８】
圧電アクチュエータ１１０の２個の管２２０、２２２は、アクチュエータ１１０を包囲するようにアクチュエータ１１０に固定された円形の鍔部２２４の近辺において端部同士が結合されている。組立物１０４はＸ−Ｙ管２２０の上部に固定されたフランジ２２６により走査型プローブ顕微鏡の枠１０２（図２）に結合されるのが好ましい。本実施形態においては、基準組立物１１１の管状部材すなわち長手状基準構造体１１２は、アクチュエータ１１０の少なくともＺ管の周囲において延出し、鍔部２２４に固定される。鍔部２２４はまた、上部及び下部アクチュエータ部分において或いはそれらの接合点の付近でアクチュエータ１１０に固定される。Ｘ−Ｙ管２２０はプログラム制御に基づいて駆動されると、アクチュエータ１１０の縦軸と略直角な方向に屈曲する。鍔部２２４及び構造体１１２はＸ−Ｙ管２２０の底部付近においてアクチュエータに固定されているのでそれらもまた横方向に屈曲する。
【００３９】
他方では、Ｚ管２２２がプログラム制御に基づいて駆動されても鍔部２２４を延出させたり収縮させたりすることはない。従って、構造体１１２は鍔部２２４に結合されているので、延出或いは収縮することはない。Ｚ管２２２は構造体１１２と相対的に延出或いは収縮することにより、Ｚ管２２２の下端（自由端）における両者の相対位置が実質的に変化することになる。
【００４０】
半球形の結合取付台２２８がＺ管２２２の下端に固定されており、Ｚ管２２２が延出及び収縮するときにＺ管２２２と共に移動する。基準組立物１１１はまた、結合取付台２２８に固定される可撓性棒結合部材２３０を有する。棒２３０はＺ管２２２が延出及び収縮するのに応じて構造体１１２に対して延出或いは収縮するように構成される。
【００４１】
図７において、可撓性棒結合部材２３０の下端はプローブ支持組立物すなわち基準組立物１１１の湾曲部２３２に固定されている。湾曲部２３２は固形の素材塊により形成されるとともに、アルミニウム或いは同様の軽合金から構成されるのが好ましい。湾曲部２３２は概して移動棒組立物すなわち４本棒連結装置の形状を有する。これらの連結部材は図７において２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄとして示されている。
【００４２】
可撓性棒結合部材２３０は湾曲部２３２の連結部材２３２Ｂに固定されている。例えばＺ管２２２がＡ方向に収縮する時には、棒２３０はＺ管２２２の自由端と共に移動する。Ｚ管２２２が収縮するので、棒２３０はアクチュエータの上端に向けて上方へ引っ張られる。これにより、連結部材２３２ＢはＺ管２２２の端部が上方へ移動する距離と略同じ距離だけ上方へ移動する。
【００４３】
連結部材２３２Ｂは可撓性接続部２３３及び２３４においてそれぞれ連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃに支持されている。連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃはそれぞれ可撓性接続部すなわち連結装置２３６及び２３８において連結部材２３２Ｄと結合されている。連結部材２３２Ｂが図７の鎖線に示すように弛緩位置から上方（再度Ａ方向）に引き上げられると、連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃは連結部材２３２Ｂにより一端が上方へ屈曲させられる。連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃの他端は接続部２３６及び２３８の周囲を概して回転する（鎖線に示す）。
【００４４】
連結部材２３２Ａ及び２３２Ｃは略同じ長さを有することが好ましく、相互に平行とされる。同様に、連結部材２３２Ｄ及び２３２Ｂは略同じ長さを有し、相互に平行とされるのが好ましい。連結部材２３２Ｄは構造体１１２の下端に固定される。Ｚ管２２２が上方或いは下方へ移動する時には構造体１１２は（Ｚ管２２２の上方においてアクチュエータ１１０に固定された鍔部２２４に接続されているため）上方或いは下方へ移動しないので、Ｚ管２２２の上方或いは下方への伸長或いは収縮により、湾曲部２３２の４本棒連結装置は接続部２３３、２３４、２３６、２３８の周囲を屈曲する。好ましくは、各連結部材の厚みｔ１は約０．９ミリメートルであり、各接続部の厚みｔ２は約０．０８ミリメートルである。
【００４５】
従って、連結部材２３２Ａ〜２３２Ｄにより構成される４本棒連結装置が上方或いは下方へ屈曲させられる時には、平行四辺形の配置を形成するとともに、連結部材２３２Ｂは実質的に回転することなく、移動するだけである。その結果、好ましくは連結部材２３２Ｂは単に上方或いは下方へ移動するだけとなる。
【００４６】
制御に際しては、源１２６からの電磁放射線は測定装置３００の鏡２４０により反射されるのであるが、鏡２４０は湾曲部２３２、特に連結部材２３２Ｄに載置されている。この光線は下方へ反射されて、再度、今度は湾曲部２３２、特に連結部材２３２Ｃに固定された鏡２４２により反射される。鏡２４２により反射された光線は検出器１２８に向けられ、検出器２３８は反射光が検出器１２８と衝突した位置を示す信号を出力する。検出器１２８により出力される信号は、湾曲部２３２の４本棒連結装置の屈曲の程度に応じて変化する。
【００４７】
詳細には、図７における湾曲部２３２の弛緩位置と鎖線により示される上方への屈曲位置とを比較すると、連結部材２３２Ｂの上方への屈曲により連結部材２３２Ｃは接続部２３８の周囲を回転する。これにより、鏡２４２は接続部２３８の周囲を回転する。この鏡２４２の移動によりビームは、湾曲部が弛緩位置にある状態で鏡２４２を反射させられる時と異なる角度において、鏡２４２を反射させられる。その結果、鎖線により示されるように、ビームは検出器１２８上において当初の位置から離れた位置に移動する。検出器１２８と衝突する光線の位置が変化することにより検出器１２８により出力される信号が変化し、これにより、連結部材２３２Ｄが固定された構造体１１２の自由端に対して連結部材２３２Ｂが上方或いは下方へ移動していることを示す。
【００４８】
特に、鏡２４０、２４２は、検出器１２８により検知される光線が部材１１２の横方向の屈曲を略免れるように、相互に配置されることが好ましい。図面に示される実施形態においては、このような屈曲を免れるために個々に及び集合的に貢献する幾つかの構造的部材がある。特に、測定装置３００の鏡２４０に衝突する光線の通路と略平行な通路において検出器１２８に光線を戻すように鏡２４０及び２４２が配置されており、従って、コーナーキューブレトロリフレクターに類似したものを形成する。Ｚ管２２２が移動すると、鏡２４０、２４２は移動した状態であっても概して直交関係を維持し、従って、Ｚ方向の移動を正確に測定することができる。この精度に貢献する他の特徴としては、鏡２４０と衝突する光線の通路と、鏡２４２を反射させられた光線の通路とが試料（図２において符号１０８）の表面と略並行とされている。
【００４９】
例えばＸ―Ｙ管２２０（図５）が作動することにより、構造体１１２が試料の表面を横切って横に屈曲した時には、鏡２４０及び２４２もまた屈曲する。これは部材１１２に対してＺ管２２２が上方或いは下方へ移動しているか否かに拘らず実行される。ビームの鏡２４０への入力方向或いは鏡２４２からの出力方向及びこれらの鏡の相対的な位置決めに起因して、検出器１２８に衝突する信号は実質的に横方向への屈曲により変化することがなく、検出器１２８は湾曲部２３２の高さを示す信号を出力し続ける。従って、試料上のプローブは概してエラーを有することがない。
【００５０】
したがって、上述の装置は意図されたＺ方向へのＺ管２２２の移動を切り離すが、アクチュエータ組立物１０４の下端１０５の自由な横方向への移動を許容するために利用される。アクチュエータ組立物１０４の下端において、基準構造体１１１は４個の取付ピン２５２（図６）を備えた差込円盤２５０を有しており、差込円盤２５０は連結部材２３２Ｂの下部に固定される。また、プローブ組立物１１３はピン２５２が差し込まれ或いは引き抜かれるプローブ基板１０１（図７の鎖線で示す）を有し、プローブ基板１０１は差込円盤２５０上で保持される。プローブ組立物１１３はまた、プローブ基板１０１に一端が固定されたカンチレバー１１４と、カンチレバー１１４の自由端に取り付けられた針１１５とを有する。
【００５１】
図２及び図７に示すように、光源１０７（図２）は光を発生させ、その光はアクチュエータ１１０を通り下方へ移動し、鏡１１７により反射させられて検出器１０９（図２）に戻される。カンチレバー１１４が取付ピンの周囲を上方或いは下方へ屈曲させられる時は常に、鏡１１７はカンチレバー１１４の固定端の周囲を回転し、光源１０７により発生させられた光線は検出器１０９に対して移動する。この移動により、検出器１０９により発生させられるカンチレバー１１４の屈曲の大きさの変化を示す信号が変化して、プローブ組立物１１３と試料表面１０９の間の力及び・或いは距離の関係も変化する。
【００５２】
一般的には、試料表面の異なる位置における種々の形状の高さを決定するために、プローブ組立物１１３は試料１０８の表面を横方向に横切り移動する。制御に際して、プローブを横方向に移動させるために、Ｘ−Ｙ管２２０（図５）に電気信号が付与されると、アクチュエータ組立物１０４の下部１０５は試料に対して屈曲させられる。Ｘ−Ｙ管２２０は付与される信号に応じて、プローブ組立物１１３を試料表面に亘る２直交方向へ移動させる。
【００５３】
Ｚ方向を切り離す装置の他の実施形態では、図４及び図７に示す平行四辺形の湾曲部を利用するのではなく、円盤形状の湾曲部すなわち図８Ａに示す薄膜３１０が採用される。薄膜３１０はその外辺部において基準構造体１１２に結合されており、外辺部湾曲領域を形成する周縁接続部すなわち細長溝３１２を有する。更に、薄膜３１０はプローブ組立物（例えば図２の符号１１３）が取り付けられる底面３１４を有する。薄膜３１０は細長溝３１２における撓みに起因して、縦方向の力に応じてその力がプローブ組立物に伝達されるのを許容するが、Ｚ管２２２のＸ−Ｙ方向への移動を切り離すことにより、Ｚアクチュエータにより生じるプローブ組立物の移動は確実にＺ上に保持される。
【００５４】
結合部材すなわち部材２３０は制御に際して、例えばＸ方向及びＹ方向への転位に応じて概して可撓性を有するとともに、Ｚ方向への転位に応じては概して剛性を有するものであり、アクチュエータ１１０を薄膜３１０と結合するために利用される。薄膜３１０はその周縁全体において基準構造体１１２と結合されているので、アクチュエータ１１０の縦軸と直交する方向への転位には概して反応せず、このような転位をプローブ組立物から切り離す。上記Ｘ方向及びＹ方向への転位は可撓性を有する結合部材２３０により吸収されるので、Ｚ管２２２の寄生移動の影響を最小化することができる。反対に、アクチュエータ１１０により発生させられて基準構造体１１２により伝達される横方向への移動は、要求されたとおりにプローブへ伝達される。理想的には、図８Ｂに示す薄膜３１０は金属或いはポリマー或いはその他の適切な材料により構成される。
【００５５】
図８Ｂは図８Ａに示されたものと同様にＺ方向を切り離す湾曲部の他の実施形態を示すものであり、互いに略直交するように配置された一対の十字線３２２、３２４がそれらの対向端部において取付リング３２６に取り付けられており、取付リング３２６は基準構造体（例えば図８Ａの符号１１２）に取り付けられる。また、アクチュエータ１１０と十字線３２２、３２４の交差点とを結合するために結合要素、すなわち部材（図８Ａの符号２３０）が採用されている。更に、プローブ組立物は十字線３２２、３２４に結合されており、十字線３２２、３２４に対応した態様で動く。
【００５６】
円盤型の部材３１０と同様に、十字線３２２、３２４は概してＸ方向及びＹ方向への転位を切り離すとともにＺ方向への転位を伝達するために利用される。制御に際して、十字線３２２、３２４及び部材２３０は相互に作用して、取り付けられたＺ管アクチュエータにより発生させられる縦方向の移動を取り付けられたカンチレバープローブに伝達するが、Ｚ管アクチュエータのＸ−Ｙ方向への転位（これらの転位は概して部材２３０により吸収される）を切り離す。これにより、プローブ組立物の移動は確実に概してＺ上に保持される。
【００５７】
続いて、図９には本発明におけるアクチュエータ組立物１０４の別の実施形態が示されている。詳細には、アクチュエータ組立物４００はＸ−Ｙ方向への移動（例えばＸ−Ｙアクチュエータ２２０のＸ−Ｙ方向への移動）をＺアクチュエータ２２２によりもたらされる縦方向への移動量の測定値から切り離す。アクチュエータ組立物４００はアクチュエータ１１０と基準組立物４０１とプローブ組立物（図示なし）とを有し、アクチュエータ１１０は圧電管アクチュエータを有するのが好ましい。更に、圧電管アクチュエータはＸ−Ｙ管２００及びＺ管２２２を有する。
【００５８】
基準組立物４０１は締金４０４を備えた円形取付台４０２と、アクチュエータ２２０、２２２の縦軸と略平行に且つその縦軸から離れた縦軸を備えたロッド４０６を有する。締金４０４はロッド４０６の第１端部４０８をアクチュエータ１１０の結合部材２２４と結合するために採用される。ロッド４０６の第２端部４１０は基準構造体４０１の湾曲部４１２と結合されている。湾曲部４１２はＺ管２２２に結合されている。湾曲部４１２は２個の接続部４１４、４１６を有する。また、鏡４１８、４２０はその反射面が概して相互に直交するように湾曲部４１２に取り付けられており、図７と共に上述した構造と同様に、コーナーキューブレトロレフレクターに類似した構造を形成する。反射部材４１８、４２０は前面鏡であることが好ましい。
【００５９】
制御に際して、光源１２６により発生させられた光ビームは鏡４２０に向けられる。鏡４２０は鏡４１８に向けてビームを反射させる。また、鏡４１８は検出器１２８に向けてビームを反射させて、縦方向の屈曲量を測定する。Ｚ管２２２が作動させられると、湾曲部４１２の鏡４１８が取り付けられた部分が接続部４１４、４１６の周囲を回転し、鏡４１８は移動量を示す角度においてビームを反射させる。特に、試料を走査するための（例えばＸ−Ｙ管２２０により発生させられる）アクチュエータ１１０の横方向への移動は、Ｚ方向の測定から切り離される。とりわけ、ロッド４０６はＺ管２２２の頂部上でアクチュエータ１１０の一点において締金４０４により取り付けられているので、Ｚ管２２２の移動から独立している。その結果、ロッド４０６はＸ−Ｙ管２２０が駆動させられている時には移動するが、Ｚ管２２２が駆動させられている時には移動しない。湾曲部４１６がＺ管２２２の縦方向への移動に応じて接続部４１６、４１８の周囲を回転すると、プローブの縦方向への移動はＸ−Ｙ管２２０により同時に生じる移動にも拘らず正確に測定される。これは、主として常時鏡４１８、４２０が概して相互の直交関係を維持していることに起因する。その結果、Ｚ方向の測定は管２２０により生じるＸ−Ｙ方向への移動から切り離される。
【００６０】
次に、表面の高さを決定するために、表面上方にある（或いは表面に接触する）プローブの高さが監視されるとともに制御される。
図２及び図７に示すように、ある制御モードにおいて、針１１５は試料と接触しており、カンチレバー１１４が試料上を移動することにより生じる僅かな屈曲が測定される。これを接触モードという。針１１５が上方へ屈曲すると、カンチレバー１１４及び鏡１１７が移動する。このような鏡１１７の位置変化により反射光は検出器１０９を横切り移動する（図２）。検出器１０９の出力はＺ管２２２にフィードバックされる。従って、カンチレバー１１４の撓みは検出器１０９により出力される信号の関数である。一般的な制御において、カンチレバー１１４の撓み量は、検出器１０９の出力に基づく信号に応じてＺ管２２２を延出或いは収縮させる（例えば伸長或いは短縮させる）ことにより一定に維持される。針１１５がカンチレバー１１４を上方へ撓ませるような表面の凹凸に到達して、光を検出器１０９に対して偏向させた時には、ＳＰＭはカンチレバー１１４を試料表面上或いは上方の同じ位置に戻そうとする。このようなカンチレバー１１４を元の屈曲に復帰させるためにＺ管２２２を延出或いは収縮させる性能は、図１０に示すデータ取得及び制御モジュール５００により与えられる。
【００６１】
タッピングモード^ＴＭ制御において、発振器（図示なし）は典型的には共振周波数で或いはその付近の周波数でカンチレバー１１４を上下に震動させる。プローブ組立物１１３が試料表面に接近した時には、表面１０８及び針１１５の相互作用により震動の大きさ（或いは位相）が変化する。鏡１１７により反射させられる放射線の角度もそれに従い大きさが変化して、検出器１０９上に生じる反射光の位置が変化させられる。次に検出器１０９は大きさの変化を示す信号を出力して、その信号を図１０に詳細に示す制御回路構成に入力する。次に制御回路構成は制御信号をＺ管２２２に供給して、カンチレバー１１４が所望する震動振幅に戻るまで針１１５を上下に移動させてＺ管２２２の長さを調節する。従って制御信号は試料１０８の表面形状を表す。
【００６２】
図１０に示すように、制御回路構成５００は圧電管アクチュエータ等のアクチュエータ１１０の部分２２０、２２２、検出器１２８、１０９、及び光源１２６、１０７と接続されている。制御回路構成５００は、アクチュエータドライバ５０４及び光源ドライバ５０６と接続されて、それらを駆動するデータ取得及び制御モジュール５０２を有する。アクチュエータドライバ５０４はアクチュエータ１１０の管アクチュエータ２２０、２２２に接続されている。ドライバ５０４はＸ−Ｙ管２２０を横方向へ移動させるとともにＺ管２２２を縦方向に伸長或いは収縮させるために必要な高電圧信号を出力する。光源ドライバは放射線源１２６、１０７と接続されてそれらを駆動する。制御モジュール５０２はまた検出信号調節器５０８に接続されてそこから信号を受信する。信号調節器５０８は２個の放射線検出器１２８、１０９から未処理の信号を受信して、その信号を制御モジュール５０２により読み込みが可能な信号に変換する。
【００６３】
制御モジュール５０２は制御回路５００の作動すなわちアクチュエータ１１０の作動を制御する一連の指示を有する。これには、検出信号調節器５０８から送信されて検出器１０９、１２８に入力された放射線を示す信号を受信し処理するための指示も含まれる。また、アクチュエータドライバ５０４に適切な信号を送信してアクチュエータドライバ５０４にアクチュエータ１１０の管２２０、２２２へ適切な高電圧信号を出力させるための指示も含まれる。モジュール５０２はまた、光源１０７、１２６により発光させられる放射線を光源ドライバ５０６により適切に制御するように、信号を出力してその信号を光源ドライバ５０６に送信するための指示も含む。
【００６４】
制御モジュール５０２は検出器１０９により出力される信号の変化を監視し、その信号の変化に基づいて、接触モードではカンチレバー１１４が上方或いは下方へ屈曲したと判定し、タッピングモード（登録商標）では震動振幅が増加或いは減少したと判定する。この信号に応じて、コントローラ５０２は検出器１０９により出力される信号が元のレベルに戻るまでプローブ組立物１１３を上昇或いは下降させる。これを実行するために、制御モジュール５０２は信号を出力して、その信号を圧電管アクチュエータ１１０のＺ管２２２に適用することにより、Ｚ管２２２は信号に応じて収縮或いは伸長する。このような収縮或いは伸長により、可撓性棒結合部材２３０は上方或いは下方へ引っ張られて、それに伴い連結部材２３２Ｂが上方へ引っ張られるか或いは下方へ押される。連結部材２３２Ｂはカンチレバー１１４の固定端に機械的に結合されており、その固定端を棒２３０と共に移動させる。このようなカンチレバー１１４の固定端の移動により、鏡１１７は元の向きに復帰させられて、検出器１０９に向けられる光は元の信号レベルを生じさせる。このような復帰した信号レベルは制御モジュール５０２により感知されて、Ｚ管２２２に付与される信号の変化が停止させられる。つまり、高度情報はＺ管２２２に付与される電圧から判断される。すなわち、カンチレバーを一定の振幅或いは屈曲に維持するための通常のフィードバック処理の一部としてＺ管２２２に供与される電圧が、データ獲得及び制御モジュール５０２により試料凹凸高度を示すものとして読み込まれる。
【００６５】
本発明の新規原理に伴い、正確なＺ高度情報が検出器１２８から個々に伝送されつつ、上述した通常のフィードバック処理が続けられる。すなわち、制御モジュール５０２は以下の方法に従いプローブ組立物１１３の高さを判定するために、検出器１２８により出力される信号を利用する。再度述べるが、針１１５が試料１０８の表面を亘り移動させられて、凹凸に到達する。これまでの場合のように、これは接触モードにおいてはカンチレバー１１４を上方へ撓ませ、また、タッピングモード（登録商標）においてはカンチレバー１１４の震動振幅を減少させて、検出器１０９において信号を変化させる。また、コントローラ５０２は部分２２２に入力される信号を変化させることにより、部分２２２を収縮させる。これにより、湾曲部２３２は上方へ移動させられる。図７に示すように、このような上方への移動により、鏡２４２は下方へ且つ鏡２４０から外側へ離れるよう屈曲させられて、源１２６から出力される光は検出器１２８の異なる部分に向けられる。検出器１２８に向けられた光は湾曲部２３２の高さの関数であり、すなわちカンチレバー１１４の固定端の高さの関数である。従って、このような場合は、制御モジュール５０２は検出器１２８より出力される信号を読み込み、湾曲部２３２（すなわちプローブ組立物１１３）の高度を直接判定する。
【００６６】
本実施形態ではまた、Ｚ管２２２が収縮或いは伸長する時の横方向の屈曲に起因する他の位置誤差をも防ぐ。このようなことは、試料１０８の表面高度だけでなく、高度測定が実施された位置を判定するほとんどの測定工程において重要である。本発明の背景技術において詳述したように、Ｚ管２２２は収縮或いは伸長した時に横方向へ屈曲するので望ましくない。基準構造体１１２が設けられていなければ、プローブは試料の表面に亘り僅かに前方、後方、左方向、或いは右方向へ制御されて、直接上方或いは下方へ移動させられない。湾曲部２３２及びプローブ自体と共に上方及び下方へ移動する連結部材２３２ＢはこのようなＺ管２２２の横方向への屈曲から切り離されている。連結部材２３２ＢはＺ管２２２の伸長及び収縮をプローブへ伝達するのみである。
【００６７】
湾曲部２３２の４本棒状連結装置により、プローブ自体が部材１１２に対して上方及び下方へ移動する。Ｚ管２２２が伸長或いは収縮する時に、横方向の移動を吸収するとともに、プローブ組立物１１３にその横方向の移動が伝達されないようにするのは可撓性棒結合部材２３０である。可撓性棒結合部材２３０はその全長に亘り側方へ僅かに屈曲する程度の柔軟性を有する。可撓性棒結合部材２３０は、部材２３０の横方向への屈曲がシステムに大きな誤差をもたらすことなく生じる程度の長さを有する。このようにして、部材１１２は圧電アクチュエータ１１０の縦方向の移動から切り離されているが、（Ｘ，Ｙ）平面の移動を湾曲部２３２へ伝達する。可撓性棒結合部材２３０、湾曲部２３２、そして特に連結部材２３２ＢはＺ管２２２の伸長及び収縮により生じる横方向への移動から切り離されるが、概してＺ管２２２の上下方向への移動を繰り返してその移動をプローブ組立物１１３に伝達する。
【００６８】
本願の範囲は上記実施形態に関する詳述により限定されるのではなく、以下の請求の範囲により限定されるだけである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】走査針を利用するとともに３軸圧電アクチュエータ組立物を有する従来の原子間力顕微鏡を示す部分側面図。
【図１Ｂ】走査針を利用するとともに３軸圧電アクチュエータ組立物を有する従来の原子間力顕微鏡を示す部分側面図。
【図１Ｃ】原子間力顕微鏡の従来の圧電管アクチュエータを示す斜視図。
【図１Ｄ】所定方向、この場合はＺ方向へ移動するように構成された圧電アクチュエータ組立物の寄生移動を示す正面図。
【図２】本発明の走査プローブ顕微鏡組立物を示す側面図。
【図３】本発明の圧電アクチュエータの意図された移動を測定する光学検出装置の主要部を示す側断面図。
【図３Ａ】図３に示された光学検出装置の他の実施形態を示す概念図。
【図３Ｂ】図３に示された光学検出装置の他の実施形態を示す概念図。
【図３Ｃ】図３に示された光学検出装置の他の実施形態を示す概念図。
【図４】本発明に係る走査プローブ顕微鏡のプローブ組立物から顕微鏡の特定の意図された方向以外への移動を切り離すための装置の主要部を示す側断面図。
【図５】本発明の一実施形態に係る光学測定装置を有する図２の圧電アクチュエータ組立物を示す側断面図。
【図６】図５の圧電アクチュエータ組立物の下部を拡大して示す斜視図。
【図７】アクチュエータ及び対応する湾曲部の移動を鎖線に示す、図５の圧電アクチュエータ組立物の下部を示す主要部側断面図。
【図８Ａ】図４に示された装置の別の実施形態を示す断面図。
【図８Ｂ】図４に示された装置の別の実施形態を示す斜視図。
【図９】本発明の別の実施形態を示す主要部側断面図。
【図１０】発光検出器を監視し、圧電アクチュエータを制御し、且つ試料表面における走査点の３次元位置を示すデータを保存するように構成された制御回路を示す概略図。

Claims (63)

1. 第１直交方向及び第２直交方向へ制御によって移動する第１アクチュエータステージと、第１アクチュエータステージに隣接して設けられるとともに第１及び第２直交方向と直交する第３方向へ制御によって移動される第２アクチュエータステージとを有したアクチュエータと、
   第１端部及び第２端部を有する基準構造体と、第１端部は第２アクチュエータステージの移動に対して固定されていることと、
   前記基準構造体の第２端部に固定された多棒連結装置と、
   前記第２アクチュエータステージ及び前記多棒連結装置に連結された結合部材とからなり、前記第２アクチュエータステージ及び前記結合部材は、前記第１直行方向及び第２直行方向への前記第２アクチュエータステージのあらゆる移動から前記連結装置をほぼ分離する方式で前記第３の方向へ前記連結装置を移動させるように形成されている、測定装置組立物。
2. 前記アクチュエータは管状の形状をなし、ほぼ円形の断面を有する請求項１に記載の測定装置組立物。
3. 前記第１及び第２直行方向は前記第１アクチュエータステージの長手方向軸に直行する一平面内に延びる請求項２に記載の測定装置組立物。
4. 前記基準構造体は前記アクチュエータとほぼ同軸にある請求項３に記載の測定装置組立物。
5. 前記多棒連結装置はほぼ平行な２組の連結棒を備えた４本棒の平行四辺形である請求項１に記載の測定装置組立物。
6. 前記多棒連結装置は４つの可撓性接続部をさらに有し、前記４つの連結装置及び４つの接続部は１つの固形の素材塊から機械加工される請求項５に記載の測定装置組立物。
7. 前記多棒連結装置の連結棒のうちの少なくとも１本は、前記第２アクチュエータステージが伸縮するときはいつでも前記４つの接続部のうちの少なくとも１つの周りで偏向される鏡を有する請求項６に記載の測定装置組立物。
8. 前記測定装置は走査型プローブ顕微鏡である請求項１に記載の測定装置組立物。
9. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項１に記載の測定装置組立物。
10. 固定端部、及び該固定端部に相対して３つの直交方向に平行移動すべく形成された自由端部を有する長手方向軸を備えたアクチュエータと、
    互いに相対して平行移動すべく相互に拘束された第１連結棒及び第２連結棒を有する多棒連結装置と、前記第１連結棒は基準構造体に固定され、及び前記第２連結棒は前記アクチュエータの前記長手方向軸にほぼ平行は方向に平行移動すべく拘束されていることと、
    第１端部及び第２端部を有する結合部材と、前記第１端部は前記アクチュエータの自由端部近傍で固定されていることと、前記第２端部は前記第２連結棒に固定されていることと、前記結合部材は前記アクチュエータの長手方向軸にほぼ平行の方向への移動を伝達することに適していることとからなる組立物。
11. 前記アクチュエータはＺ軸移動部と、前記固定端部及びＺ軸移動部の間に設けられたＸ軸及びＹ軸移動部を有する請求項１０に記載の組立物。
12. 前記基準構造体は前記Ｚ軸移動部の平行移動から機械的に独立しており、かつ前記Ｘ軸及びＹ軸移動部に機械的に応答する請求項１１に記載の組立物。
13. 前記基準構造体は前記Ｘ軸及びＹ軸移動ステージのＸ及びＹ屈曲に応答して前記多棒連結装置をＸ方向及びＹ方向に屈曲すべく前記多棒連結装置に固定されている請求項１２に記載の組立物。
14. 前記多棒連結装置は該多棒連結装置の連結棒のうちの少なくとも１本に固定された第１の鏡と、前記多棒連結装置のさらなる連結棒に固定された第２の鏡とをさらに有する請求項１３に記載の組立物。
15. 前記組立物はシャーシ内に支持されることに適し、前記第１の鏡は前記シャーシに載置された光源からの光ビームの行路に設けられ、及び前記光を前記第２の鏡に向けて反射させるために設けられている請求項１４に記載の組立物。
16. 前記測定装置は走査型プローブ顕微鏡である請求項１０に記載の組立物。
17. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項１０に記載の組立物。
18. 長手方向軸を有し、及び顕微鏡の枠と結合するように形成された第１端部と、プローブ組立物に結合するように形成された自由端部とを備えるとともに、適切な電気的刺激が付与されたときに３つの直交方向へ制御可能に移動するように形成されている長手状アクチュエータと、プローブ組立物とを有した測定装置組立物において前記長手状アクチュエータの自由端部における位置合わせの誤差を減少させるための方法であって、
    前記プローブ組立物をプローブ支持組立物により支持する工程と、
    長手状アクチュエータの長手方向への伸長或いは収縮の影響を受けることがほぼないような、測定装置の基準構造体によって、前記プローブ支持組立物をその第１端部において支持する工程と、
    前記基準構造体を長手状アクチュエータの長手管の屈曲から切り離す工程と、
    前記長手状アクチュエータの長手方向への伸長及び収縮部分を駆動する工程と、
    駆動工程を実行した結果、長手方向への伸長及び収縮部分を縦方向及び横方向に同時に屈曲させる工程と、
    前記プローブ支持組立物に縦方向への屈曲を伝達すると同時に、管の長手方向への伸長及び収縮部分に生じた横方向への屈曲による、プローブ支持組立物の横方向への屈曲を阻止する工程とからなる、長手状アクチュエータの自由端部における位置合わせの誤差を減少させるための方法。
19. 前記長手状アクチュエータの第２部分は前記長手方向にほぼ垂直な平面における平行移動を与えるように形成されており、前記方法は、
    前記長手状アクチュエータの第２部分を駆動する工程と、
    前記第２部分駆動工程の結果前記第２部分に横方向の屈曲を生じさせる工程と、
    前記第２部分における前記横方向の屈曲を前記プローブ支持組立物に伝達する工程とをさらに有する請求項１８に記載の方法。
20. 前記プローブ組立物の屈曲をほぼ同時に監視する間に前記プローブ支持組立物の屈曲を監視する工程をさらに有する請求項１８に記載の方法。
21. 顕微鏡枠と、
    前記枠に固定された第１端部及び自由な第２端部を有した圧電アクチュエータと、
    前記圧電アクチュエータの前記自由端部の近傍に固定された第１の反射部材と、
    光を前記第１の反射部材上に光を指向させるために前記枠に相対して固定され、設けられた第１の電磁波源と、
    前記第１反射部材によって光が受け取られ、および反射された後に前記第１源から光を受けるために設けられ、かつ前記圧電アクチュエータの長手方向の屈曲の度合いを指示する信号を生成する第１の電磁波検出器とからなる、走査型プローブ顕微鏡組立物。
22. 自由端部及び固定端部を有し、前記固定端部において前記圧電アクチュエータの第２端部に固定されているカンチレバー針と、前記針は該針が前記圧電アクチュエータに相対して屈曲されたときに前記針と平行移動するために設けられた第２の反射部材を有することとからなる、請求項２１に記載の走査型プローブ顕微鏡組立物。
23. 前記第２反射部材から反射された光を受け取り、及び前記針の固定端部に相対する前記針の前記自由端部の屈曲の度合いを指示する信号を生成するために設けられた第２の電磁波検出器をさらに有する請求項２２に記載の走査型プローブ顕微鏡組立物。
24. 光ビームを生成する光源を有する光学測定装置と、前記測定装置は前記ビームの方向を前記アクチュエータの移動に応じて変化するように形成されていることと、
    前記ビームを検出し、前記アクチュエータの移動を指示する信号を生成するためのセンサとからなる、測定装置内のアクチュエータの移動を測定するための装置。
25. 前記光源はレーザである請求項２４に記載の装置。
26. 前記測定装置は前記アクチュエータ及び基準構造体に結合された可動の棒組立物を有し、前記棒組立物は前記ビームを偏向させるために適した反射面を有し、前記棒組立物は前記偏向されたビームの方向を変化させるために前記アクチュエータの移動に応答する請求項２４に記載の装置。
27. 前記棒組立物は前記アクチュエータに取り付けられた第１端部及び第２端部を有する第１連結棒と、前記反射面を画定するとともに、前記第２端部に回転自在に取り付けられた第１対向端部及び前記基準構造体に回転自在に取り付けられた第２対向端部を有する第２連結棒とを有する請求項２６に記載の装置。
28. 前記基準構造体は管状をなし、前記アクチュエータをほぼ包囲する請求項２６に記載の装置。
29. 前記基準構造体は前記光ビーム及び前記偏向ビームがその内部を貫通することを可能とするように形成されている請求項２８に記載の装置。
30. 前記基準構造体は内面を有する請求項２９に記載の装置。
31. 前記ビームを前記反射面に指向して導くために前記内面に固定された反射面をさらに有する請求項３０に記載の装置。
32. 前記棒組立物は対向する端部を有した連結棒を有し、第１の対向端部は前記アクチュエータに取り付けられ、前記第２の対向端部は前記基準構造体に回転自在に取り付けられる請求項２６に記載の装置。
33. 前記棒組立物は、第１及び第２の反射面を有する４本棒連結部材からなり、前記表面は入射ビームと反射ビームとはほぼ平行となるように光を反射するために配備されている請求項２６に記載の装置。
34. 前記光学測定装置は前記光源と前記センサとの中間に設けられたレンズを有する請求項２４に記載の装置。
35. 前記レンズは１＋ｉ／ｏに想到する強度を有し、ここで「ｉ」はレンズとセンサの間の直交距離と等価であり、「ｏ」は前記レンズと前記光源の間の直交距離と等価である請求項３４に記載の装置。
36. 前記光源は前記アクチュエータに載置されている請求項３４に記載の装置。
37. 前記レンズはｉ／ｏに想到する強度を有し、ここで「ｉ」はレンズとセンサの間の直交距離と等価であり、「ｏ」は前記レンズと前記光源の間の直交距離と等価である請求項３６に記載の装置。
38. 前記測定装置は走査型プローブ顕微鏡である請求項２４に記載の装置。
39. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項２４に記載の装置。
40. アクチュエータと基準構造体とに連結された可動棒組立物を提供する工程と、
    前記アクチュエータの移動に応じて前記可動棒組立物の移動を測定する工程とからなり、前記可動棒組立物の移動は前記アクチュエータの移動を指示する、測定装置におけるアクチュエータの移動を測定するための方法。
41. 前記可動棒組立物は前記アクチュエータに取り付けられた第１端部と第２端部とを有する第１連結棒と、前記反射面を画定するとともに、前記第２端部に回転自在に取り付けられた第１の対向端部および前期基準構造体に回転自在に取り付けられた第２の対向端部を有した第２連結棒とを有する請求項４０に記載の方法。
42. ビームを生成する電磁波源を有した光学測定装置と、
    前記ビームの位置を検出するセンサとからなり、
    前記アクチュエータの移動に応答して、前記光学測定装置は前記ビームの位置を変化させる、アクチュエータの移動を測定するための装置。
43. 基準枠をさらに有し、同基準枠は前記アクチュエータの長手方向軸と略同一軸線上にある長手方向軸を有する請求項４２に記載の装置。
44. 前記測定装置は前記棒組立物の第１端部にて前記アクチュエータに取り付けられ、及び前記棒組立物の第２端部にて前記基準枠に取り付けられた可動棒組立物を有し、前記棒組立物は前記センサを指向する前記ビームを反射する反射面を画定する請求項４３に記載の装置。
45. 前記基準枠は内面を有し、前記測定装置は前記ビームを前記反射面に指向して導く前記内面に固定された反射面を有し、前記反射面は前記ビームを前記センサに指向して偏向させる請求項４４に記載の装置。
46. 前記基準フレームは前記ビーム及び前記偏向ビームをその内部を貫通して通過させることを可能とさせる請求項４４に記載の装置。
47. 前記光源は前記アクチュエータに結合され、前記ビームを前記アクチュエータの移動と
    ほぼ直交させて指向させる請求項４２に記載の装置。
48. 前記測定装置は、前記ビームを前記センサに指向して焦点を合わせるために、前記光源と前記センサの中間のレンズをさらに有する請求項４７に記載の装置。
49. 前記光源は前記アクチュエータに相対して固定され、前記アクチュエータの移動にほぼ直交して前記ビームを指向させる請求項４７に記載の装置。
50. 前記測定装置は前記アクチュエータに協働して移動するレンズを有する請求項４２に記載の装置。
51. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項４２に記載の装置。
52. 針を一定の方向に移動させるためのアクチュエータを有した測定装置において一定方向の方向とは異なる方向への同装置の前記針からの移動をほぼ切り離す基準組立物において、
    基準構造体と、
    前記基準構造体と前記アクチュエータとに結合された針支持組立物と、前記針は前記針支持組立物に取り付けられていることと、
    対向する端部を有した可撓性棒と、対向端部のうちの一方は前記アクチュエータに結合され、及び他方は前記針支持組立物に結合されることと、前記可撓性棒、前記基準構造体、及び前記針支持組立物は前記針からの前記顕微鏡の前記一定方向と異なる方向への移動を協働して切り離すために適切であることとからなる、基準組立物。
53. 前記基準構造体は管状枠であり、前記アクチュエータの長手方向軸と略同軸を有した長手方向軸を有する、請求項５２に記載の装置。
54. 前記可撓性棒は、前記一定方向になされた移動よりも、前記一定方向とは異なるあらゆる方向になされた移動に応じてより柔軟である請求項５２に記載の装置。
55. 前記一定方向はＺ方向である請求項５４に記載の装置。
56. 前記針支持組立物は平行四辺形の湾曲部材である請求項５２に記載の装置。
57. 前記針支持組立物は４つの接続部を有した４本の連結棒からなる請求項５２に記載の装置。
58. 前記４本の連結棒は前記アクチュエータの前記一定方向への移動に応じて移動する請求項５７に記載の装置。
59. 前記針支持組立物は可撓性を有した円盤であり、前記可撓性円盤は前記可撓性円盤の外周のほぼ周りにて前記基準構造体に取り付けられている請求項５２に記載の装置。
60. 前記可撓性円盤は同可撓性円盤が一定方向に移動することを可能とさせる周辺の湾曲領域を有する請求項５９に記載の装置。
61. 前記針支持組立物は１対の湾曲交差ワイヤである請求項５２に記載の装置。
62. 前記針支持組立物はそれに与えられた一定の方向を指向した移動に応じて移動し、前記一定方向と異なるあらゆる方向に与えられた移動に応じてはほぼ移動しない請求項５２に記載の装置。
63. 前記測定装置は走査型プローブ顕微鏡である請求項５２に記載の装置。

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