JP2009069168A - 原子間力顕微鏡法及び他の用途用の測定ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】具体的な特徴としては、入射光及び反射光に対する対物レンズの異なる領域の使用、光学ブロックの三次元の動きを可能にする屈曲部、ハウジング及び光学ブロックを複合材料又はセラミックで形成すること、光束が平面に垂直入射しないように構成要素を配置すること、カンチレバーと試料との間及びカンチレバーと収束レンズとの間において、カンチレバーの振動の850Hzを超える共振振動数を与えること、及び、入射光束を5μm以下のスポット、好ましくは3μm以下のスポットに収束させることが含まれる。
【選択図】図1
Description
の性能に最も影響する2つの機械的経路である、カンチレバーから試料までの機械的経路及びカンチレバーと収束レンズとの間の機械的経路に対して、850Hzを超える共振振動数を可能にすることである。これは、走査器上の試料とカンチレバーとの間の直接的な機械的経路を設けるために、カンチレバーホルダーを圧電走査器の上に直接向かわせるよう動的に割出しすることによって補助される。AFM及びSTM並びに他の走査プローブ顕微鏡を改良する更に別の新規な特徴は、走査プローブ顕微鏡のハウジング、光学ブロック及びその他の構成要素を構成するために複合材料又はセラミックを用いて、所望の高い剛性及び低い熱膨張係数を与えることである。
I.入射レーザ光がレンズの中心軸と揃わない。
II.小さく剛性の高い統合型光学ブロックが、光源から末端の収束レンズまでの全光学素子を収容し且つ含む。
III.屈曲部(flexure)により光学ブロックの三次元の動きが可能である。
IV.複合材料又はセラミックが用いられる。
V.収束又は発散の場合を除き、光束が平面に垂直入射しない。
VI.カンチレバーと試料との間及びカンチレバーと収束レンズとの間の重要な機械的経路が、850Hzを超え得る共振振動数を有する。
VII.入射光束が3ミクロン以下のスポットを形成する。
本発明は、他の幾つかの革新的な点を含み、それらについては以下において適宜説明する。
微小カンチレバーAFM測定ヘッドの重要課題の1つは、入射光束と反射光束との分離である。この理由は、微小カンチレバーAFMは、カンチレバー上に収束光の微小スポットを形成するために、開口数(NA)が高い光学(系)を必要とするという問題があるからである。開口数が高い光学系とは、一般的に、焦点距離が短いレンズがカンチレバーに非常に近接して配置されることを意味する。これにより、カンチレバーから反射された光束が検出器に向かって通過するスペースがほとんどない。上述の米国特許第5,825,020号は、入射光束と出射光束とを分離するための1つの方法を提供している。入射光束は偏光され、収束レンズを通り、カンチレバーから反射され戻って同じ収束レンズを通り、次に、反射光束は1/4波長板によって分離経路に向けられる。
図3は、統合型光学ブロック40内に保持された図1の構成要素を示している。光学ブロックは、光源と末端の収束レンズとの間の、光源及び収束レンズも含む全光学素子を収容している。これらの構成要素を単一の統合型ブロック内に設けることにより、封入された光学素子の配置を最適化し、適切な位置に任意に固定することができる。この構成では、この測定ヘッドの性能に寄与する重要な光学要素が互いに対して固定されたままにできるので、光学的な性能がユーザの調整に影響されない。米国特許第5,825,020号等の従来技術の微小カンチレバーAFM測定ヘッドは、少なくとも1つのレンズを光路上の1つ以上の他のレンズに対して平行移動させることにより、収束スポットをAFMカンチレバー上に配置する。例えば、米国特許第5,825,020号の図7について考える。この図では、ねじ72を調節することにより、レンズ62が末端の収束レンズ60に対して移動して、収束スポットを平行移動させる。同様に、図9のねじ184及び186は、光源を、他の多くの光学素子に対して平行移動させる。この構成では、コリメートされたレーザ光が収束レンズの異なる部分を通って横方向移動し、最適ではない角度でレンズに当たることがあるので、光学性能が低下する。これは、ユーザがレーザスポットの位置を調節すると、レーザスポットのサイズが変化するという結果を生じる。
光学ブロック40は、新規な三次元円盤状屈曲部52でハウジング12に取り付けられている。この屈曲部は、収束スポットをカンチレバーや他のナノ機械オブジェクト上へと操作するために、光学ブロックを光源の中心軸上の点回りの二つの軸上で回動させるように設計されている。この三次元屈曲部によって、光学ブロックが光源の軸に沿って一次元に独立して平行移動するのも可能となる。これにより、焦点調節、即ち、収束スポットの高さをカンチレバー又は他のナノ機械オブジェクトの平面に揃えることができる。
上述した部品及び統合型光学ブロック10、11は、カーボン複合材料で形成される。この材料の長所は剛性が高いことであり、剛性は密度で割り算した弾性係数の平方根で求められる。また、この材料は熱膨張係数が非常に低い。これらの特質はどちらも走査プローブ顕微鏡に非常に望ましい。これらの長所の一方又は両方を有する別の複合材料も、走査プローブ顕微鏡に有用であろう。従って、本発明の一実施形態は、AFMやSTM等の走査プローブ顕微鏡のハウジング、光学ブロック、走査器、及び他の構成要素を作成するための複合材料の使用である。
本発明の光学システムの新規特徴は、光源16からの光束14、20、26が、対物レンズ22とカンチレバー24との間に流体セルがある場合のように強く発散又は収束された場合を除き、平面に垂直入射しないことである。光路の最後に位置する検出器34でさえも、反射光束26に対する垂直から角度がずれている。光源16がレーザ又はレーザに類似した光源である場合には、これによって、光源16の性能に対して有害なフィードバック効果を有する光学キャビティができるのが回避される。
この顕微鏡の別の新規特徴は、カンチレバーと試料との間及びカンチレバーと検出システムとの間の機械的経路の共振振動数が850Hzを超えることである。図10Aは、カンチレバー(又は他の走査プローブ)100と試料102との間の一般的な機械的経路の簡略図を示している。機械的経路は、図10Aに模式的に示されている1つ以上の構造単位104で構成される。この構造は任意の形状を有してよいが、カンチレバーと試料との間の距離の変化を生じる動きの通常モードを1つ以上有する。これらの動きのモードが音響又は振動エネルギーの外部ソースによって励起される場合には、カンチレバー及び試料は相互に相対移動する。カンチレバーは試料の構造又は他の特性を追跡することが意図されるので、カンチレバーと試料との間の望ましくない動きは望ましい信号に直接重ねられ、実際のカンチレバーの動きの測定を乱す又は劣化させる干渉ノイズとして作用する。
。機械的経路の固有振動数が800Hzの場合には、この干渉の減衰は(800/200)2=16である。しかし、重要な機械的経路の共振振動数が800Hzから1200Hzに押し上げられると、減衰比は(1200/200)2=36になる。更に、この構造の共振振動数を10,000Hzにできるとすれば、減衰係数は2500にもなる。この概念は、トンプソンら(James Thompson et al)による「走査プローブ顕微鏡設計の品質評価(Assessing the Quality of scanning probe microscope designs)」(「ナノテクノロジー(Nanotechnology)」12(2001)394−397)で更に詳細に説明されている。この刊行物は、AFM測定システムの共振振動数及び「振動除去率」の測定の実験的な方法についても概説している。この刊行物の技術は本発明の一部ではないが、この分析技術及び測定技術の幾つかを、本発明の測定ヘッドの性能改善を確認するために用いた。
存する。式中、Eは材料の弾性係数であり、ρは密度である。ほとんどのAFMは、アルミニウム、ステンレス鋼、Invar及びチタン等の金属から構成される。驚くことに、これらの材料の全ては、約2.6×107m2/s2という非常に類似したE/ρ値を有する。例えば、一般的なカーボン−カーボン複合材料が100GPaの弾性係数及び1800kg/m3の密度を有し得ることを考慮されたい。上述したカーボン繊維複合材料は、5.5×107m2/s2のE/ρ値を有する。従って、全く同一の構造では、カーボン繊維複合材料で作られたAFMヘッドの固有振動数は、一般的に用いられている金属材料よりも2倍以上良好になり得る。
好ましい実施形態では、単素子非球面対物レンズ22が用いられる。例えば、本願発明者は、ジェルテック(Geltech)によって製造された2.72mmの焦点距離を有する非球面レンズを用いた。各種のこのようなレンズが入手可能であり、特定の性能目標を満たすよう非球面レンズを特注で設計及び製造してもよい。この非球面レンズは、小型のパッケージ内での高い開口数と回折限界性能とを可能にする。これは、小型且つ軽量であると共に熱ドリフトに影響されにくい。これは、回折限界性能を達成するために、AFMによく用いられる他のレンズに存在する光学収差を解消又は実質的に低減している。多素子対物レンズ系を用いることも可能である。球面レンズを用いると、レンズの動作領域をレンズ表面のより小さな領域に制限するためのアパチャーをレンズの正面に追加することにより、収差を更に低減することができる。上記の改良の1つ以上を用いると、入射光束20を、5μm以下、好ましくは3μm以下の幅に収束させて、例えば3μmの幅と10μmの長さとを有するようにすることが可能なAFMを構成できる。これらの光スポットの寸法は、収束した光束のRMSスポット半径を決定するための解析ツールを提供するZemax(TM)という光学設計プログラムを用いて決定され最適化された。上記に挙げた幅は、「FFT PSF断面」と呼ばれる解析関数から得られたものであり、これは、幾何学的効果及び回折効果の両方を含む収束したレーザ光に対する点広がり関数を計算する解析である。上記の幅は、光の振幅が最大振幅の10%の点における全幅である。ここで用いたジェルテックのレンズはDVDプレーヤー用に設計されたものである。DVDプレーヤーのレンズと焦点との間の空隙及びプラスチックの光学特性は、このAFMヘッドのレンズと焦点との間の空隙及び空気又は流体の光学特性と似ているので、このレンズはAFMヘッドという非常に異なる用途で丁度許容可能に機能した。特注の非球面対物レンズを用いれば、向上した性能が得られよう。このような特注の対物レンズは、Zemaxや他の光学設計プログラムを用いて設計できよう。本発明では、このヘッドは、骨の蛋白質の力vs伸展曲線(extension curves)を測定するための力分光計として用いられた。寸法が幅3μm×長さ15μm、t共振振動数が100kHz、水中でのQ≒1.3、ばね定数20pN/nmのカンチレバーでは、60kHzの帯域幅でばね定数0.06N/mのカンチレバーで、3pN rms程度の力のノイズが得られた。3pNほどの小さい力の事象も測定できた。
本発明の更なる実施形態では、対物レンズ22をレーザ位置決め屈曲部46と類似の屈曲部に取り付け、ねじ50と類似のねじで焦点を調節することも可能である。
Claims (21)
- ハウジングと、
試料上に配置可能なカンチレバーと、
光束がレンズによって前記カンチレバー上のスポットとして収束された、前記カンチレバーの撓みを測定するための光学系と、
を含む原子間力顕微鏡であって、
前記カンチレバーと前記試料との間又は前記カンチレバーと前記収束レンズとの間の機械的経路の共振振動数が約850Hzを超えるように前記機械的経路が構成された材料を有する、
原子間力顕微鏡。 - 前記カンチレバーに対して前記試料を支持する走査器と、
前記走査器に直接向かうよう動的に割出しされる、前記ハウジングに接続されたカンチレバーホルダーと、
を更に含む、請求項1に記載の原子間力顕微鏡。 - 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が5kHzを超える、請求項1に記載の原子間力顕微鏡。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が10kHzを超える、請求項1に記載の原子間力顕微鏡。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が20kHzを超える、請求項1に記載の原子間力顕微鏡。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が2kHzを超える、請求項1に記載の原子間力顕微鏡。
- ハウジングと、光源からの光束を入射光束としてカンチレバーの表面に向かわせると共に前記カンチレバーから反射光束として光検出器に向かわせるための光学系とを有する原子間力顕微鏡の操作方法において、
前記カンチレバー用のカンチレバーホルダーと、前記カンチレバーに対して試料を支持する走査器とを設け、
前記カンチレバーホルダーを前記走査器に動的に直接取り付け、
前記カンチレバーと試料との間の機械的経路及び/又は前記カンチレバーと検出システムとの間の機械的経路の振動の共振振動数が約850Hzを超えるように、構成する材料を選択する、
工程を含む、改良がなされた方法。 - 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が2kHzを超える、請求項7に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が5kHzを超える、請求項7に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が10kHzを超える、請求項7に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が20kHzを超える、請求項7に記載の方法。
- ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素の動き又は位置を測定するために測定ヘッドを操作する方法において、
検出システムと前記ナノ機械オブジェクトの又はオブジェクトのナノサイズ要素との間の機械的経路を、前記機械的経路の振動の共振振動数が850Hzを超えるよう構成する、
工程を含む改良がなされた方法。 - 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が2kHzを超える、請求項12に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が5kHzを超える、請求項12に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が10kHzを超える、請求項12に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が20kHzを超える、請求項12に記載の方法。
- ナノ機械オブジェクト又はオブジェクトのナノサイズ要素と試料との間の相互作用を測定するために測定ヘッドを操作する方法において、
前記試料と前記ナノ機械オブジェクトとの間の機械的経路を、前記機械的経路の振動の共振振動数が850Hzを超えるよう構成する、
工程を含む改良がなされた方法。 - 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が2kHzを超える、請求項17に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が5kHzを超える、請求項17に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が10kHzを超える、請求項17に記載の方法。
- 前記機械的経路の少なくとも一方の前記共振振動数が20kHzを超える、請求項17に記載の方法。
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