JP2006105979A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波環境ノイズに対して感度が低い原子間力顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料載台は試料を支持するように構成されている。カンチレバー・マウントは、走査先端を有する機械的カンチレバーを機械的に固定するように構成されている。カンチレバー力検出器は、電気カンチレバー力誤差信号を生成するように構成されている。カンチレバー・フィードバック・システムは、前記電子カンチレバー力誤差信号に応答する方式で前記機械的カンチレバーを電気機械的に駆動するように構成されている。試料載台フィードバック・システムは、前記電子カンチレバー力誤差信号に応答する方式で前記試料載台を電気機械的に変位するように構成されている。前記カンチレバー・フィードバック・システムと前記試料載台フィードバック・システムとは、電子カンチレバー力誤差信号を並列に受け入れるように接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子間力顕微鏡と原子間力顕微鏡を操作するための方法に関する。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、試料の表面の走査画像を生成するための高分解能デバイスである。ＡＦＭの１つの形式は、細い先端を有する可とう性のカンチレバーと、偏位検出器と、試料載台と、カンチレバーおよび試料載台フィードバック／駆動システムとを有する。ＡＦＭは、試料の表面の上でカンチレバーの先端を機械的に走査させることによって、画像を生成する。走査中に、偏位検出器はカンチレバーの曲げの量を測定する。この曲げの量は、試料がカンチレバーの先端に行使する垂直の力、すなわち試料カンチレバー力に関係する。捜査中に、フィードバック／駆動システムは、この試料カンチレバー力を初期の状態に回復させるための動きを生成する。ＡＦＭは、走査中に予め選択した設定点の値で試料カンチレバー力を保つために必要な先端変位を記録することによって、試料の表面のトポグラフィ画像を生成する。

ＡＦＭのなかには、フィードバック・システムが入れ子式の構成で能動電子カンチレバー制御装置と能動電子試料載台制御装置を有するものもある。入れ子式の構成では、カンチレバー制御装置が偏位検出器からの誤差信号に応答する。誤差信号は、先端の上に試料によって行使される力と予め選択した設定点の値との差にほぼ比例する。したがって、誤差信号はカンチレバーの曲げの量におおよそ比例する。誤差電圧に応答して、カンチレバー制御装置はほぼ比例した電圧を発生し、圧電デバイスを駆動してカンチレバーの回復変位を発生する。入れ子式のフィードバック・システムでは、試料載台制御装置がカンチレバー制御装置によって発生した駆動電圧を受け取る。この駆動電圧に応答して、試料載台制御装置は、他の圧電デバイスを駆動して試料載台の復元変位を起こすための電圧を発生する。共にカンチレバーと試料載台との回復変位は、試料の表面によって先端に行使される力を予め選択した設定点の値に回復する。

多くのＡＦＭが、試料の表面に対して垂直の分解能が非常に高い、例えば１ナノメートル（ｎｍ）よりもすぐれ、または０．１ｎｍよりもすぐれた試料表面の画像を生成する。このような高い分解能を得るために、ＡＦＭのための設定は、一般的に環境振動ノイズを制限しなければならない。このようなノイズの１つの源泉は、ＡＦＭが設定される部屋のフロアの低周波振動、すなわち建物のノイズである。通常、ＡＦＭのための設定は、建物のノイズを減衰するための機械的隔離および音響ノイズを除去するための音響ボックスを含む。多くの場合、環境ノイズは、ＡＦＭによって得ることができる高い走査速度および／または深さ分解能を制限する。

さまざまな実施形態において、低周波環境ノイズに対して感度が低い原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が提供されている。ＡＦＭは、カンチレバー・フィードバック制御装置および試料載台・フィードバック制御装置の両方を有する。これらのフィードバック制御装置は並列構成状態で接続され、こうして両制御装置は、試料がカンチレバーに行使する力の誤差を示す電圧信号を受信する。この並列構成は、一般的な入れ子式構成よりも効果的に、試料載台にかかる低周波の電気的および機械的ノイズの衝撃を抑制する。特に、並列構成は、建物と音響ノイズに関連する低周波における試料載台における共振機械的振動モードの励振を減少させる。したがって、低周波環境ノイズ遮蔽の使用を少なくすることが可能になり、こうしてさらにアクセス可能なＡＦＭ設定がもたらされる。

ある実施形態は、試料載台と、カンチレバー・マウントと、カンチレバー力検出器と、カンチレバー・フィードバック・システムと、試料載台フィードバック・システムとを含む装置を特色とする。試料載台は試料を保持するように形成されている。カンチレバー・マウントは、走査先端を有する機械的カンチレバーを機械的に固定するように形成されている。カンチレバー力検出器は、電気的カンチレバー力誤差信号を発生するように構成されている。カンチレバー・フィードバック・システムは、カンチレバー力誤差信号に応答する方式で機械的カンチレバーを電気機械的に駆動するように構成されている。試料載台フィードバック・システムは、カンチレバー力誤差信号に応答する方式で試料載台を電気機械的に変位させるように構成されている。カンチレバー・フィードバック・システムと試料載台フィードバック・システムは、カンチレバー力誤差信号を受信するように並列に接続されている。

別の実施形態は、原子間力顕微鏡のための装置を特色とする。この装置は、試料載台と、カンチレバー・マウントと、カンチレバー力検出器と、カンチレバー・フィードバック・システムと、高域フィルタと、電気機械的駆動装置とを含む。試料載台は試料を支持するように形成されている。カンチレバー・マウントは、走査先端を有する機械的カンチレバーを機械的に固定するように形成されている。カンチレバー力検出器は、電気的カンチレバー力誤差信号を発生するように構成されている。この信号は、試料によって先端に行使される力を実質的に表す。カンチレバー・フィードバック・システムは、誤差信号を受信して、受信された誤差信号に応答して先端を電気機械的に駆動するように構成されている。高域フィルタは、誤差信号に応答してフィルタリングされた駆動信号を発生するように構成されている。電気機械的駆動装置は、フィルタリングされた駆動信号を受信して、このフィルタリングされた駆動信号に応答してカンチレバーの一部分を変位させるように構成されている。

ある実施形態は、原子間力顕微鏡の操作方法を特色とする。この操作方法は、試料の表面にわたって可とう性の機械的カンチレバーの先端を横方向に走査させることを含む。走査を実施しながら、この方法は、試料によってカンチレバーの上に行使される力を実質的に表す誤差信号を発生することを含む。走査を実施しながら、この方法は、誤差信号に応答する方式で電気機械的駆動装置によって機械的カンチレバーを駆動することを含む。電気機械的駆動装置によって駆動するステップは、実質的なゼロ周波数成分なしにカンチレバーの変位を起こさせる。

図および本文において、同様な参照番号は同様な機能を有する要素を示す。

図において、実施形態をよりよく図示するために、さまざまな機構の相対的サイズを拡大または縮小してもよい。

さまざまな実施形態を、詳細な記載と図によって説明する。しかし、本発明はさまざまな形で実施されることができ、図および詳細な記載において説明された実施形態に限定されるものではない。

図１は、試料１２の表面１０を結像するために構成されたＡＦＭ８である。ＡＦＭ８は、可とう性機械的カンチレバー１４と、カンチレバー力検出システム１６と、試料載台１８と、能動カンチレバー・フィードバック・システム２０と、能動試料載台フィードバック・システム２２と、画像プロセッサ２４とを含む。

機械的カンチレバー１４は細い先端２６を含む。走査中に、この細い先端２６は、試料表面１０と接触しているかまたは表面１０上を振動、例えば定期的に表面１０を打つ。接触走査モードおよび振動走査モードの両方中に、試料１２の表面１０は、垂直の力を先端２６に、すなわちy方向に沿って行使し、こうして垂直の力を機械的カンチレバー１４の自由端に行使する。接触走査モードでは、垂直の力は機械的カンチレバー１４の曲げの量に影響する。振動走査モードでは、表面１０によって先端２６に行使される垂直の力は、先端２６の振動の振幅に影響する。表面１０の段部、バンプ、または谷部にわたる先端２６の走査は、接触走査モードにおけるカンチレバーの曲げの量を変え、先端２６の振動の振幅を変える。

振動モードでは、加算器が高域フィルタ４６と増幅器４８との間に配置される。加算器は、ＡＣ駆動信号と圧電駆動装置５０を制御するために使用される信号とを合計する。また振動モードでは、ダイオード検出器が、整流器、例えば電圧二乗器を含み、これに低域フィルタが続き、この低域フィルタはＡＣ駆動信号を除去して、カンチレバー力誤差電圧信号出力ポート３６を生成する。

カンチレバー力検出システム１６は、試料１２の表面１０によって先端２６の上に行使された垂直の力を測定する。行使された力はカンチレバーの曲げの量を決定するので、カンチレバー力検出システム１６はまたカンチレバー１４の曲げの量も測定する。カンチレバー力検出システム１６は、出力ポート３６においてカンチレバー力誤差電圧を発生させるように構成されている。本明細書で、出力電圧は、出力電圧が実質的に、カンチレバー先端２６に行使される実際の垂直力と予め選択された垂直力の値との差を示す場合に、カンチレバー力誤差電圧と呼ばれる。特に、カンチレバー力誤差電圧は力の使用可能な範囲におけるこの差の単調な関数である。また、一定の設定点電圧まで、カンチレバー力誤差電圧は、先端２６に行使される垂直試料力が小さいときには小さくて、先端２６に行使される垂直試料力が大きいときには大きい。例えば、設定点電圧の減算まで、カンチレバー力誤差電圧は、試料表面１０によって先端２６の行使される力にほぼ比例する。

同様に、カンチレバー力誤差電圧は、カンチレバー曲げの使用可能な範囲についてのカンチレバー曲げの量においては、すなわち設定点値までは単調である。カンチレバー力誤差電圧はまた、カンチレバー曲げの量が小さいときには小さく、カンチレバー曲げの量が大きいときには大きい。したがって、カンチレバー力誤差電圧をカンチレバー偏位誤差電圧とも呼ぶことができる。

カンチレバー力検出システム１６は、レーザ２８と、一対のミラー３０、３１と、アレイ型フォトダイオード検出器３２と、電圧減算器３４とを含む。レーザ２８は光ビームを発生し、この光ビームはミラー３０で反射し、カンチレバー１４の反射性裏側の上に焦点を結ぶ。光ビームはカンチレバー１４の反射性裏側で反射し、ミラー３１によってフォトダイオード検出器３２に向けて方向を変更される。フォトダイオード検出器３２は空間的に区分されて、受け入れられた光ビームの位置を検出する。ビームの位置から、フォトダイオード検出器３２は、受け入れられた光ビームの角偏向を表す出力電圧を発生するように構成されている。したがって、フォトダイオード検出器３２は、カンチレバー１４の曲げの量を測定する出力電圧、すなわちカンチレバー偏位誤差電圧または力誤差電圧を発生する。電子減算器３４は、フォトダイオード検出器３２の出力電圧から設定点電圧Ｖｓを減算して、適切にゼロになる出力ポート３６において誤差電圧を発生する。次いで、出力ポート３６において、電圧信号は実質的に、表面１０によって先端２６に行使される実際の力と、カンチレバー１４が予め選択された曲げの状態にあった場合に表面１０によって先端２６に行使されるはずの力との差を表す。

あるいくつかの実施形態においては、カンチレバー力検出システムは、当業者には周知の別の技術に基づいたものである。

図１〜２を参照すると、試料載台１８は、試料プラットフォーム３８と、圧電駆動装置４０と、金属コネクタ４１とを含む。試料載台３８は、試料１０を三次元で保持および変位の両方を行うために剛体の支持体を提供する。圧電駆動装置４０は、可とう性金属コネクタ４１と固定された支持体４２とに機械的につながっている。ともに、圧電駆動装置４０と金属コネクタは、試料プラットフォーム３８を固定された支持体４２に機械的に連結する。適切な駆動電圧に応答して、圧電駆動装置４０はｘ軸とｚ軸とに沿って横方向走査移動を生じさせて、例えば試料１２の表面１０のラスタ走査を起こさせる。別の適切な駆動電圧に応答して、圧電駆動装置４０はまた、ｙ軸に沿った試料プラットフォーム３８と試料載台１８との垂直回復変位を生じさせる。

図３を参照すると、各圧電駆動装置４０は、圧電シリンダ４３と４対の制御電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを含んでいる。電極の対Ａ〜Ｄは圧電シリンダ４３の周囲の周りに位置している。シリンダ４３の向い合う側にある電極の対、すなわち対（Ａ、Ｂ）または対（Ｃ、Ｄ）の両端間に適切な電圧を印加することに応答して、圧電シリンダ４３は対を連結する方向に沿って曲がる。調整された曲げ運動によって、図２における圧電駆動装置４０の対面する対は、試料プラットフォーム３８と試料１２の横方向走査と垂直回復変位を生じさせる。

図１を再度参照すると、能動カンチレバー・フィードバック・システム２０は、能動電子カンチレバー制御装置４４と、高域フィルタ４６と、増幅器４８と、圧電駆動装置５０とを含む。能動電子カンチレバー制御装置４４は、調整可能な増幅を有する比例型または比例プラス差動型電圧増幅器である。能動電子カンチレバー制御装置４４は、カンチレバー力検出システム１６の出力ポート３６から受け入れられる変位誤差電圧に実質的に比例する出力電圧を発生する。高域フィルタ４６は、能動電子カンチレバー制御装置４４によって発生する電圧の低周波数部分とゼロ周波数部分とを除去する。高域フィルタ４６は、その低周波数カットオフが試料載台１８の機械的共振以下になるように調整される。例示的な高域フィルタ４６は、例えば３０〜５００ヘルツまたはそれ以下の低い周波数カットオフを有することもある。増幅器４８は高電圧比例増幅器であり、これは、高域フィルタ４６からの出力電圧を増幅して、圧電駆動装置５０を駆動するために適した範囲に、例えば１００〜３００ボルトにする。圧電駆動装置５０は、例えばスラブまたは積み重ね式の圧電構造であり、その垂直すなわちｙ方向の高さは、増幅器４８から受け入れる駆動電圧に応答するように伸縮する。スラブおよび積み重ねデバイスの比較的剛体の形のために、圧電駆動装置５０は、少なくとも、一般的に能動電子カンチレバー制御装置４４によって発生する電圧信号の低周波数については、機械的共振は有しない。したがって、圧電駆動装置５０は駆動電圧に対して実質的に線形および瞬間的な応答を有する。圧電駆動装置５０は、機械的カンチレバー１４の一端部とカンチレバー・マウント５２との間に機械的支持体を形成し、カンチレバー・マウント５２は、圧電駆動装置／機械的カンチレバー組立体を固定された支持体に固定する。この理由で、圧電駆動装置５０の高さの変動は、機械的カンチレバー１４の取り付け端部の垂直位置を調節し、これによって、試料１２の表面１０によって先端２６に行使される力を調節する。

能動試料載台フィードバック・システム２２は、能動電子試料載台制御装置５４と、増幅器５６と、圧電駆動装置４０とを含む。能動電子試料載台制御装置５４は、ｙ軸に沿った試料載台１８の回復変位を起こさせるため、およびｘ軸とｚ軸とに沿った試料載台の走査変位を生じさせるために構成された出力電圧信号を発生する。回復変位に関しては、能動電子試料載台制御装置５４は、積分増幅器または積分プラス比例増幅器を含む。増幅器は、カンチレバー力検出システム１６の出力ポート３６から力誤差電圧を受け入れるために接続されている。誤差電圧に応答して、能動電子試料載台制御装置５４は、実質的に誤差電圧の一時的積分である出力電圧を発生する。この出力電圧は、試料プラットフォーム３８によって、したがって試料載台１８によってｙ軸の垂直変位を駆動する。これらのｙ軸変位は、カンチレバー１４に行使される時間平均力をゼロに回復するために設計され、すなわちこうして時間平均力誤差電圧はゼロに近づく。走査運動に関しては、能動電子試料載台制御装置５４は、圧電駆動装置が試料載台１８による横方向ｘ軸およびｙ軸操作運動、例えばラスタ走査運動を発生するようになる出力信号を生成する。増幅器５６は、能動電子試料載台制御装置５４からの出力電圧を増幅して、圧電駆動装置４０を駆動するために適した範囲にする高電圧増幅器である。

画像プロセッサ２４は、走査中の能動電子試料載台制御装置５４の駆動電圧の測定値から、試料１２の表面１０のトポグラフィ画像を生成する。画像プロセッサ２４は、ｘ方向とｙ方向との駆動電圧を使用して、走査中の試料載台１８または試料プラットフォーム３８の頂表面の横方向位置を決定する。ある実施形態では、画像プロセッサ２４は、ｙ方向駆動電圧を使用して、試料１２の表面１０上における特色の垂直高さ、すなわち試料載台１８の頂表面の垂直位置からの垂直高さを決定する。代替案として、画像プロセッサ２４は、カンチレバー１４と試料載台１８両方の駆動電圧から、表面１０上の特色の垂直高さを決定する。この実施形態では、画像プロセッサ２４は、試料載台１８の頂表面の垂直高さから先端２６の垂直高さを差し引き、この場合、これらの高さは、能動電子試料載台制御装置５４と能動電子カンチレバー制御装置４４とによってそれぞれ発生する駆動電圧から決定される。これら２つの電子制御装置５４、４４の駆動電圧を使用することによって、試料特色の高さをより急速に決定することが可能になる。このような方法は、図７〜８で下に示すように、走査時間を、カンチレバーの圧電駆動装置５０をその初期の高さに完全に回復させるために必要な時間よりも早くすることを可能にする。

機械的カンチレバー・マウント５２、カンチレバー力検出システム１６、圧電駆動装置４０、５０、および試料載台１８を市場で購入することができる。例えば、Ｎａｎｏｎｉｃｓ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｆ Ｍａｎｈａｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐａｒｋ（Ｍａｌｃｈａ，Ｊｅｒｕｓａｌｅｍ ９１４８７ Ｉｓｒａｅｌ）（ｗｗｗ．ｎａｎｏｎｉｃｓ．ｃｏ．ｉｌ）は、商品名「ＮＳＯＭ １００」でこれらのデバイスを組み込んだユニットを販売している。このＮａｎｏｎｉｃｓのデバイスは、カンチレバー先端の振動モード走査を生成するための圧電駆動装置を含む。この圧電駆動装置は、図１のＡＦＭ８における圧電駆動装置５０として機能することができる。

図４は、ＡＦＭ８’の代替実施形態を示す。これは、設定点電圧の減算を置くことを除いて、図１のＡＦＭ８と実質的に同様である。ＡＦＭ８’では、電圧減算器３４は、能動電子試料載台制御装置５４に印加される電圧信号から一定の設定点電圧Ｖｓを減算するだけである。電圧減算のこのような配置は、高域フィルタ４６によるカンチレバー・フィードバック回路２０の動作には影響しない。また、能動カンチレバー・フィードバック回路２０と、減算器３４を含む能動試料載台・フィードバック・システム２２との両方はなお、カンチレバー力検出システム１６から並列に力誤差電圧を受け取る。

図５Ａ〜５Ｂは代替ＡＦＭ８’’、８’’’を示しており、これは図１のＡＦＭ８と同様であるが、音叉に基づくものである。ＡＦＭ８’’、８’’’では、機械的カンチレバー１４は、圧電駆動装置１４に固定された、したがってカンチレバー・マウント５２にも固定された圧電音叉である。次に、圧電駆動装置５０はカンチレバー・マウント５２に固定されている。圧電駆動装置５０は、音叉１４を予め選択された安定条件に向けて駆動する垂直変位を発生させる。

駆動回路４９と電圧発振器４７が、圧電音叉１４を駆動して近似的な共振条件の中に置く。次に、先端２６と試料１２の表面１０との間の相互作用が、音叉１４のインピーダンスの変化を介して音叉の振動の振幅と位相に影響することになる。音叉のインピーダンスを測定することによって、力検出システム１６は、走査中に振動する音叉１４に試料１０によって行使される力を電気的に測定する。インピーダンスを例えば、駆動回路４９の抵抗器Ｒにおける電流を測定することによって得ることもできる。カンチレバー力検出システム１６の別の実施形態は、音叉の駆動電圧の電流位相に対する比を使用して、試料１０によって音叉１４に行使される力を測定することができる。

力検出システム１６はまた、減算器３４への入力部の近くに整流器と低域フィルタとを含む。整流器と低域フィルタとの組み合わせは、測定されたＡＣ電流または電圧をカンチレバー力誤差電圧に変える。設定点減算の後に、カンチレバー力誤差電圧は、カンチレバー制御システム２０と試料載台制御システム２２とに並列に伝達される。

図６〜９は、試料１２の表面１０上の段部６０に先端２６が遭遇したことに応答した、カンチレバー１４と試料載台１８の動きを説明する機械的状態の順序を示す。この順序は、図６〜７に図示するように、段部６０によるカンチレバー１４の機械的偏位を含む。この順序はまた、機械的システムをその初期状態に回復する急速および緩やかな回復運動も含む。初期の急速運動は圧電駆動装置５０の拡張を起こさせる。この急速な拡張は、表面１０によって先端２６に行使される力を、段部６０と遭遇する前に先端２６に行使される力にほぼ回復する。より緩やかな運動は、カンチレバー１４と試料載台１８の頂表面とを変位させるので、圧電駆動装置はその初期高さまで戻され、先端２６上の垂直力は、段部６０と遭遇する前に先端２６に行使される力に回復される。

図６は、表面１０上の段部６０と遭遇する前の、先端２６、カンチレバー１４、および圧電駆動装置５０の初期の機械的状態を示す。この初期の機械的状態では、表面１０は垂直力を先端２６に加える。加えられた力によって、カンチレバー１４は予め選択された形状を有することになる。この形状では、ミラー３０によって方向αからカンチレバー１４の遠位端部の裏側に向けられるレーザ光は、カンチレバー１４から方向βへ反射する。初期の機械的状態では、圧電駆動装置５０は高さＤを有する。選択された初期の機械的状態では、偏位検出システム１６は、消える力誤差電圧を出力ポート３６において発生させるように構成されている。したがって、カンチレバーの圧電駆動装置５０は初期には弛緩した状態にある。

図７は、先端２６と段部６０が遭遇した直後の先端２６、カンチレバー１４、および圧電駆動装置５０の機械的状態を示す。ここで、試料１２の表面１０は先端２６に比較的大きな垂直力を加える。先端２６は、より大きな力を表面１０から受け、この力はカンチレバー１４を図６の状態におけるよりもさらに大きく曲げる。この結果、方向αからカンチレバーの遠位端部の裏側に入射する光は、新たな方向β’に反射される。こうして、反射光ビームの角偏位、すなわちβ’〜βは非ゼロであり、偏位検出システム１６は、出力ポート３６において非ゼロ偏位誤差電圧を発生させる。それでも、圧電駆動装置５０はなお高さＤを有する。そのわけは、段部６０との遭遇から経過した時間は不充分であり、したがって圧電駆動装置５０は機械的に反作用できるからである。

図８は、先端２６と段部６０が遭遇した後のもっと長い時間が経過したときの、先端２６、カンチレバー１４、および圧電駆動装置５０の機械的状態を示す。特に、経過した時間は、能動カンチレバー・フィードバック・システム２０が実質的な回復機械的反作用を生成するためには十分に長いが、能動試料載台フィードバック・システム２２が実質的な回復機械的反作用を生成するためには十分に長くはない。能動カンチレバー・フィードバック・システム２０は、カンチレバー１４と圧電駆動装置５０が試料載台１８よりもはるかに軽量であり、圧電駆動装置５０は圧電駆動装置４０よりも剛性であるから、能動試料載台フィードバック・システム２２よりも速い機械的反作用を生じさせる。圧電駆動装置５０は垂直に拡張して高さＥを有し、これによってカンチレバー１４の取り付け端部の偏位を発生させ、この偏位はカンチレバーを先端２６と段部６０との遭遇の前の形状に戻すためにほぼ十分である。圧電駆動装置５０の機械的状態への変化は、カンチレバー力検出システム１６からの誤差電圧に応答して能動電子カンチレバー制御装置４４が発生させた駆動電圧に起因するものである。カンチレバー１４の機械的状態への変化によって、ミラー３０からカンチレバー１４の裏側に入射する光ビームは、ここで図６に示すものとほとんど同じ方向βに反射される。こうして、カンチレバー１４の固定端部による回復変位の短い時間に後に、カンチレバー力検出システム１６は再びカンチレバー１４の非常に小さな偏位のみを検出し、小さくて緩やかに変化する強度を有する偏位または力誤差電圧を出力ポート３６において出力する。

図９は、先端２６と段部６０が遭遇した後のかなり長い時間が経過したときの、先端２６、カンチレバー１４、および圧電駆動装置４０の機械的状態を示す。特に、経過した時間は、能動試料載台フィードバック・システム２２がより重い試料載台１８によって実質的な回復機械的反作用を生成するためには十分に長い。さらに長い時間中に、カンチレバーの圧電駆動装置５０は、圧電駆動装置５０への駆動電圧の中にゼロおよび低周波成分がないことによって、すなわち高域フィルタ４６によって、必要に応じて、その初期状態に次第に弛緩されている。圧電駆動装置５０はその駆動電圧のＡＣ性質によって緩やかに弛緩されるので、能動電子試料載台制御装置５４は圧電駆動装置４０を駆動して、試料載台１８または試料プラットフォーム３８の頂表面の高さを上げる。試料載台１８の反作用は、より長い経過時間にわたって、カンチレバー１４の反作用とカンチレバーの圧電駆動装置５０の反作用とに追いつく。偏位誤差電圧を実質的に積分する試料載台制御装置５４は、圧電駆動装置４０を駆動する。この理由で、能動試料載台フィードバック・システム２２はカンチレバー１４が図６に示すようにその元の偏位状態にあるときに、停止して、試料載台１８の頂表面を垂直に変位させる。

図１、４、５Ａ、および５Ｂの各ＡＦＭ８、８’、８’’、８’’’において、カンチレバー・フィードバック・システム２０と載台・フィードバック・システム２２は、電気的に並列の回路要素として接続された。この理由で、両フィードバック・システム２０、２２は、力検出システム１６によって発生した同じ力誤差電圧によって駆動された。図６〜９に図示するように、力誤差電圧の非ゼロ周波数スペクトルは、ＡＦＭ８、８’、８’’、８’’’の機械的摂動の後の短い時間を除いて、一般的に小さい。このような機械的摂動は、先端２６と表面１０上の段部、バンプ、もしくは谷部との遭遇に、または試料載台１８などのＡＦＭ構成要素を振動させる環境ノイズに由来する。特に、能動カンチレバー・フィードバック・システム２０は、カンチレバー１４の曲がり状態を機械的摂動前のカンチレバーの曲がり状態近くの値に戻すことによって、このような機械的摂動に対する急速な機械的反作用を引き起こす。この急速な機械的反作用は、誤差信号の非ゼロ周波数成分の続いて起こる強度を低下させ、すなわち誤差信号を一定の設定点値にまで下げる。したがって、短い反作用の時間を除いて、より小さな誤差電圧が、能動試料載台フィードバック・システム２２を非ゼロ周波数で駆動するはずである。

さまざまな走査周波数について、先端２６と表面１０上のバンプ、段部、もしくは谷部との遭遇によって発生する力誤差電圧の電力スペクトルの多くは減衰される。特に、能動カンチレバー・フィードバック・システム２０の反作用は、低周波における、例えば試料載台１８の機械的共振に近い周波数におけるスペクトルの部分を減衰するはずである。この理由で、偏位誤差電圧の周波数スペクトルのこの部分は、試料載台１８が上記のような機械的摂動に応答して実質的な回復変位を起こす時間中に、やはりかなり減衰されるはずである。したがって、能動電子試料載台制御装置５４は、カンチレバー圧電駆動装置を有しないか入れ子式カンチレバーと試料載台フィードバック・ループとを有する同等のＡＦＭにおける試料載台制御装置の電力スペクトルよりも、試料載台１８の機械的共振周波数においてより減衰される電力スペクトルを有する、出力電圧を発生するはずである。
同様に、試料載台の機械的共振における力誤差電圧の減衰によって、環境振動ノイズに関連する望ましくない効果も減少するはずである。さもなければ、この環境振動ノイズは能動試料載台フィードバック・システム２２によって増幅されて、試料載台１８の運動を引き起こすこともある。共振周波数において、このような運動は、測定された駆動電圧と試料載台１８の上平面の実際の動きとの間の相関を減少させる。これは、ＡＦＭ８、８’、８’’、８’’’に関しては、試料載台１８の上表面のｙ方向位置を決定することに基づくトポグラフィ画像の精度を低下させることになろう。

図１、４、５Ａ、および５Ｂを参照すると、ＡＦＭ８、８’、８’’、８’’’のいくつかの実施形態が、減算器３４、カンチレバー制御装置４４、高域フィルタ４６、画像プロセッサ２４、および／または試料載台制御装置５４を、ソフトウェア式ハードウェアでデジタル的に実現している。

図１０は、ＡＦＭ、例えば図１、４、５Ａ、または５ＢのＡＦＭ８、８’、８’’、８’’’を操作するために方法７０を図解している。

方法７０は、試料の表面上を可とう性の機械的カンチレバーの先端で横方向に走査することを含む（ステップ７２）。先端は、例えば図１、４、５Ａ、および５Ｂのカンチレバー１４の先端２６であってもよい。この走査ステップは、例えば圧電駆動装置４０と能動電子試料載台制御装置５４が試料載台１８または試料プラットフォーム３８を駆動するときに、試料載台が走査に関連する横方向変位を実施するように、圧電駆動装置を駆動することを含んでもよい。走査ステップ実施のための例示的なモードには、先端が試料接触したままのモード、先端がｘ方向またはｚ方向に試料の上で規則的な振動をするモード、および先端が試料の表面に規則的に軽く打つモードがある。

方法７０は、走査中に試料によってカンチレバー上に行使される垂直力を実質的に表す誤差信号を発生することを示す（ステップ７４）。例示的な偏位検出器１６はこのような誤差信号を出力ポート３６において発生する。

方法７０は、走査中に誤差信号に応答する方式で機械的カンチレバーを電気機械的駆動装置で電気機械的に駆動することを含む（ステップ７６）。この駆動運動はゼロ周波数を持たない変位を生成する。例えば、能動電子カンチレバー制御装置４４と、高域フィルタ４６と、増幅器４８と、圧電駆動装置５０は共に、ゼロ周波数成分のない変位を生成する。特に、この変位は、圧電駆動装置５０に加えられる電圧はフィルタリングされてそのゼロ周波数成分を除去しているので、ゼロ周波数成分を持たない。

方法７０は、走査中に、試料を支持する試料載台を垂直に変位して回復移動の低周波数成分をカンチレバーに加えることを含む（ステップ７８）。例えば、能動試料載台フィードバック・システム２２は、ゼロ周波数成分を有する試料プラットフォーム３８の上表面の垂直変位を生成する。

この開示、図面、および特許請求の範囲から、本発明のその他の実施形態が当業者に明らかになろう。

ＡＦＭの概略図である。 図１に示すＡＦＭの試料載台の上面図である。 図２に示す資料載台の圧電駆動装置の１つの断面図である。 ＡＦＭの別の実施形態の概略図である。 振動音叉に基づくＡＦＭの別の実施形態の概略図である。 振動音叉に基づくＡＦＭの別の実施形態の概略図である。 カンチレバー先端と試料表面の段部が遭遇することに応答して生じる機械的状態の順序を示す図である。 カンチレバー先端と試料表面の段部が遭遇することに応答して生じる機械的状態の順序を示す図である。 カンチレバー先端と試料表面の段部が遭遇することに応答して生じる機械的状態の順序を示す図である。 カンチレバー先端と試料表面の段部が遭遇することに応答して生じる機械的状態の順序を示す図である。 ＡＦＭ、例えば図１、４、５Ａ〜５ＢのＡＦＭの操作方法を示す流れ図である。

Claims (10)

1. 試料を支持するための試料載台と、
   走査先端を有する機械的カンチレバーを機械的に固定するためのカンチレバー・マウントと、
   電子カンチレバー力誤差信号を生成するためのカンチレバー力検出器と、
   前記電子カンチレバー力誤差信号に応答する方式で前記機械的カンチレバーを電気機械的に駆動するように構成されたカンチレバー・フィードバック・システムと、
   前記電子カンチレバー力誤差信号に応答する方式で前記試料載台を電気機械的に変位するように構成された試料載台フィードバック・システムであって、前記カンチレバー・フィードバック・システムと前記試料載台フィードバック・システムとは電子カンチレバー力誤差信号を並列に受け入れるように接続されている、試料載台フィードバック・システムと
   を含む装置。
2. 前記の各フィードバック・システムが、カンチレバーを予め選択された曲げ状態に回復するように構成されている請求項１に記載の装置。
3. 前記カンチレバー・フィードバック・システムが、
   前記電子カンチレバー力誤差信号を受信することに応答してフィルタリングされた電気駆動信号を発生するための電気高域フィルタと、
   カンチレバー・マウントに固定され、前記のフィルタリングされた駆動信号に機械的に応答するように連結された電気機械的駆動装置と
   を含む
   請求項１に記載の装置。
4. 前記高域フィルタが、原子間力顕微鏡の２つの走査方向に直角の方向に前記載台を機械的に発振させるために、試料の共振周波数以下の低周波カットオフを有する請求項３に記載の装置。
5. 前記試料載台制御システムが、
   前記誤差信号の受信に応答して別の電機駆動信号を発生するための能動電子試料載台制御装置と、
   前記の別の駆動信号に応答して前記試料載台の変位を引き起こすように構成された電気機械的駆動装置と
   を含む
   請求項３に記載の装置。
6. 原子間力顕微鏡用の装置であって、
   試料を支持するための試料プラットフォームと、
   走査先端を有するカンチレバーを機械的に固定するためのカンチレバー・マウントと、
   試料によって先端に行使される力を実質的に表す電子誤差信号を発生するためのカンチレバー力検出器と、
   前記誤差信号を受信し、受信された前記誤差信号に応答して前記先端を電気機械的に駆動するように構成されたカンチレバー・フィードバック・システムと、
   前記誤差信号に応答してフィルタリングされた駆動信号を発生するように構成された高域フィルタと、
   前記のフィルタリングされた駆動信号を受信して、前記のフィルタリングされた駆動信号に応答して前記カンチレバーの一部分を変位するように構成された電気機械的駆動装置と
   を含む装置。
7. 前記高域フィルタが、顕微鏡の２つの走査方向に直角の方向に前記試料プラットフォームを機械的に発振させるために、試料の共振周波数以下の低周波カットオフを有する請求項６に記載の装置。
8. 原子間力顕微鏡を操作するための方法であって、
   試料の表面上を可とう性のカンチレバーの先端で横方向に走査する工程と、
   前記走査の実施中に、試料によってカンチレバーに行使される力を実質的に表す誤差信号を発生する工程と、
   前記走査の実施中に、前記誤差信号に応答する方式で前記機械的カンチレバーを電気機械的駆動装置によって駆動する工程と
   を含み、
   前記電気機械的駆動装置による前記駆動は、実質的なゼロ周波数成分のないカンチレバーの変位を生じさせる
   方法。
9. 前記駆動が、カンチレバーの偏位を予め選択された値に向けて弛緩させるように構成された請求項８に記載の方法。
10. 前記走査の実施中に、プラットフォームが前記誤差信号に応答した運動を受けるように試料プラットフォームを別の電気機械的駆動装置によって駆動することを含み、前記運動はゼロ周波数成分を有し、試料の平均表面に直角な方向にある請求項８に記載の方法。
    

Images