JP2011107157A - 遠方領域の光学顕微鏡の透明インタフェイスを備えた複数プレートのチップまたはサンプルをスキャンする再現可能なスキャンプローブ顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スキャンされるプローブ顕微鏡に関し、チップをスキャンする一つのプレート(12.1)および、サンプルをスキャンする第2のプレート(12.2)を含み、スキャンされるプローブ顕微鏡の光軸は、標準の光学顕微鏡への組み込みを自由に許可する。
【選択図】図12
Description
この発明の分野は、新規な超薄型のスキャン用プローブ顕微鏡の設計であり、以前に利用されなかった特徴を有し、容易に動作し、種々の異なる動作モードで柔軟的に再構成されるものである。この発明は、上方またはその反転方向に遠方領域の光学顕微鏡に完全に調和することを可能にしつつ、プローブがスキャンされる顕微鏡での新規な能力を可能にする。この発明はまた、低温の光学式のクライオスタット(低温器)に容易に導入し、そして、種々のアクセサリの使用を許可する。この発明はまた実行されるべきチップのスキャン方法の多様性を可能にする。
スキャンされるプローブ顕微鏡(SPM)は過去20年間で、多くの段階の発達をとげてきた。これらの顕微鏡の発達での重要な転機は、写真で以前から長年にわたって使用されてきた、チューブの圧電体スキャナーの適用であった。このスキャナーは、最初、原子顕微鏡(AFM)[G.Binning and D.P.E.Smith, Rev.Sei.Instrum. 57,1688(1986)]で用いられた。これは、同様な顕微鏡(一般的にSPMとして分類される)の全体の変形の発達における方法に結びついた。
この発明の一つの好ましい実施例は、図1、2に示され、チューニングフォーク(1.1および2.1)がフォークホルダー(2.2)上にマウントされる。フォークホルダー上のチューニングフォークの装着は、複数の方向の内のひとつであってもよい。そのチューニングフォークは、図1および2で示したように用いることができ、または、この発明に基づき、サンプルへの方位に対していずれの方向にも設置できる。図3において、チューニングフォークを、記入した3つの軸で図式的に示す。サンプルおよびチップ軸も示した。そのチューニングフォークは、そのz軸を、サンプルのz軸と平行にして配置でき、あるいは、チューニングフォークの他のいずれかの軸を、サンプルのz軸と平行にして配置でき、他の方位も可能である。チューニングフォークの振動はチューニングフォークのy軸に沿う。
フラットまたは他のスキャナーへの統合を可能にし、およびチップまたはサンプルのSPMを可能にする、チップスキャンのフィードバックのための別の方法は、標準ビーム偏向方法論に基づき、その方法論では、ダイオードレーザビームがAFMセンサのカンチレバーから反射され、そして、位置検知器に入射される。これは、AFMフィードバックで最も広く用いられている方法である。このような方法をチップのスキャンに適用する際の重大な問題は、カンチレバー上にビームを維持して、チップがスキャンされる間、安定な方法でカンチレバーからまたは直線状のチップから反射を起こさせることである。一般的な解決は、チップがスキャンする時にビームの位置を調整する複雑なミラーシステムを用いる。しかし、これは、カンチレバー構造のチップを扱っている時、標準の光学顕微鏡で直接に見る場合に比べ、サンプルのトップを不明瞭にする。この発明のチップおよびサンプルスキャンの顕微鏡の部分として、ビーム偏向フィードバックのための二つの新規な方法が開発されており、標準となっていた複雑なミラーシステムを用いることなく、チップのスキャンを可能にしている。
光ファイバーのような導波管がSPMセンサに基づくAFMとして採用される時に用いることのできる第3の一般的なフィードバック方法を図11に示す。この図において、レーザービーム(11.1)は、AFMセンサとして機能するカンチレバー構造のファイバー内に注入される。チップ(11.2)は変調されるので、光はチップ領域から反射して、光が注入された方向に沿ってバックする。その反射された光はまた、ファイバー内で変調され、変調されたリターン信号の位相および振幅が適切に検出され、そしてフィードバック信号として用いられる。
2.2 フォークホルダー
4.1 ファイバー
4.2 カンチレバー
6.2 チップ
6.3 ホルダー
6.4 強磁性ガイド
6.5 マウント
6.6 磁石
7.3 極小変換デバイス
7.4 共通ホルダー
8.1 照明用ファイバー
8.2 集光用ファイバー
10.1 SPMセンサ
11.1 レーザビーム
12.1 プレート
12.3 レンズ
12.4 サンプルステージ
12.5 ステッピングモータ
12.6 サンプル
13.1 プレート
13.2 ダイオードレーザ
14.2 液体セル
Claims (66)
- トップのスキャナープレートおよび下部のスキャナープレートを有する2枚のプレートがスキャンされるプローブ顕微鏡であり、一方のプレートがチップのスキャンを可能にし、他方がサンプルのスキャンを可能にし、スキャンされるプローブ顕微鏡の軸は、スキャンされるプローブ顕微鏡の軸がトップ、底部または双方で自由を要求するビーム導入システムへの組み込みが自由である装置。
- トップのプレートを底部のプレートに対してヒンジ構造にでき、DCまたは他のモータにより、粗いアプローチが引き起こされる請求項1記載の装置。
- 前記トップのプレートは、底部のプレートの上に単に載置され、そして、二つのプレートスキャナーが大きいz範囲を持つ能力を含む、DCモータまたは他の手段により粗いアプローチが引き起こされる請求項1記載の装置。
- トップのプレートが、光軸を自由に維持する一方、正規のビーム偏向を有するものに置き換えられる請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- サンプルをスキャンすること、チップをスキャンすること、および二つのチップが同時に操作されることを可能にする3つのプレートを備える装置。
- 単一プレートのチップスキャナーがスキャンされるプローブ顕微鏡の装置であり、正規の顕微鏡に取り付けられたものを含む、いずれかの選択されたスキャン用ステージで動作できる装置。
- 冷却器の容器内で動作し、その容器内でサンプルが4°K程度に冷却される請求項1〜6のいずれかに記載の装置。
- 単一プレートのチップスキャナーまたは複数プレートのチップ及びサンプルスキャン用システム、またはサンプルスキャン用システムを含み、スキャンされる顕微鏡またはスキャン機構のプローブのカンチレバーが、トップからの放射ビームを不明瞭にせず、この結果、スキャンされるプローブ顕微鏡のチャンネルに加え、光学、電子光学またはイオンビーム照明または、顕微鏡、リソグラフおよび/または分光モードで用いることのできる、原子、イオン又は分子ビーム導入システムである顕微鏡からの照明のチャンネルを許可する請求項1〜7のいずれかに記載の装置。
- 熱または電子またはイオンビームまたは原子ビームまたは分子ビームの堆積システムに基づく、いずれかの薄いフィルム堆積システムに挿入できる請求項8記載の装置。
- サンプルがサンプルスキャン用プレート内に保持され、そして、標準ビーム偏向技術を用いて動作するが、レンズでの観察で妨害されない装置の光軸を有する、チップスキャン用プレートおよび/またはトッププレートのいずれかの内部のチップマウント内にチップが保持される請求項1〜6、8のいずれかに記載の装置。
- 固体没入レンズを用いる請求項10記載の装置。
- シリコンカンチレバー技術で製作された近領域の光学エレメントを用いる請求項10記載の装置。
- 無開口の近領域をスキャンする顕微鏡のための開口無しのプローブを用いる請求項10記載の装置。
- 光集中用プローブとして、トップから底部から導かれたビームを不明瞭にするカンチレバーを持たない、偏向極小チップのプローブを用いる請求項1〜10のいずれかに記載の装置。
- 減衰波の光学顕微鏡に結合できる請求項1〜14のいずれかに記載の装置。
- 正規のレンズまたはファイバープローブまたは一体レンズを有するファイバーを用い、ビームをスキャンするかステージをスキャンする、共焦点光学顕微鏡に結合できる請求項1〜15のいずれかに記載の装置。
- スキャンされるプローブシステムで使用できるいずれかのプローブとともに使用でき、そして、カンチレバーが上方からまたは下方からのビームを不明瞭にしない、すべてのプローブを含み、原子の力、近接領域および遠方領域の光学用プローブ、化学液体の供給または吸引用の極小のマイクロピペットのプローブ、電気的測定または電磁放射の収集または分配または熱プローブまたは電磁プローブまたは、スキャンされる顕微鏡のための他のプローブおよびプローブの結合を含む請求項1〜16のいずれかに記載の装置。
- ファイバーおよび追加されたレーザを備えたファイバーレンズおよび溶接のための他のデバイスおよびコンポーネントまたはアセンブリのための他のデバイスのアタッチメントを含む、光学コンポーネントの自動および半自動のアセンブリのために用いられる請求項1〜17のいずれかに記載の装置。
- いずれかの顕微鏡に結合できる、スキャンされるプローブ顕微鏡であり、プローブのカンチレバーまたはスキャン機構がトップからの放射ビームを不明瞭にせず、その結果、スキャンされるプローブ顕微鏡チャンネルに加え、顕微鏡、リソグラフおよび/または分光モードで使用できる、光学、および電子光学またはイオンビーム照明システムである顕微鏡からの照明のチャンネルを可能にする請求項1〜18のいずれかに記載の装置。
- 微粒子またはチップを備えた制御された方法で、光学ビーム、電子光学またはイオンビームシステムを弱くするために、スキャンされるプローブ顕微鏡を用いることにより、いずれかの光学、電子光学またはイオンビームシステムの解像度を改善できる請求項1〜19のいずれかに記載の装置。
- 光学、電子光学またはイオンビームシステムの校正またはこのシステムのビーム下のサンプルの登録を、その存在により改善できる請求項20記載の装置。
- 波またはx線の拡散または、陰極線照明の分光を改善するために用いることができる請求項1〜19のいずれかに記載の装置。
- フィードバックのために、チップ、サンプルおよびチューニングフォークの幾何学形状のいずれかの結合にしたチューニングフォークを用い、そして、チューニングフォークにチップを接着するか接着しないかにし、そして、チップ取り付けまたはチューニングフォークへの近接取り付けを制御する請求項1〜22のいずれかに記載の装置。
- チューニングフォークへのチップ取り付けの制御が、ほぼゼロバックラッシュ移動技術に基づく請求項1〜23のいずれかに記載の装置。
- チューニングフォークは、非接触、接触および中間接触の動作モードで用いることができる請求項1〜24のいずれかに記載の装置。
- フィードバックのためにビームの分配および集光用の単一または複数のチャンネルファイバーを有するフィードバックシステムに基づくファイバーを用い、これらのファイバーは、直線状またはカンチレバー化され、そして信号の検出は振幅、位相、波長または、SPMセンサの移動をモニターするために使用できる、他の光学パラメータに基づく請求項1〜22のいずれかに記載の装置。
- フィードバックのためのビームの分配および集光用に単一または複数のチャンネルファイバーまたは導波管または他の光ガイド用デバイスを有するフィードバックシステムを持つために、ファイバーまたは導波管または他の光ガイド用デバイスを用い、これらのファイバーまたは導波管または他の光ガイド用デバイスは、直線状またはカンチレバー化され、そして、信号の検知は、振幅、位相、波長または、SPMセンサの移動をモニターするために使用できる他の光学パラメータに基づく、請求項1〜22のいずれかに記載の装置。
- 導波管先端でのサブ波長先端からの内部反射光のパラメータがフィードバック方法として用いられる請求項1〜22のいずれかに記載の装置。
- 中間接触または非接触の動作モードのためにスキャンされるプローブ顕微鏡で用いられる、チューニングフォークおよび/または圧電体のごとき共振器が、共振振動するセンサとして用いられ、原子または他の力を通じて表面を検知できるプローブに結合される請求項1〜28のいずれかに記載の装置。
- 圧電デバイス、磁歪セルまたは他のコンバータのごとき、電気から機械的移動への振動コンバータは、検出器に機械的に結合でき、その検出器は、折り曲げられた、又は直線状のカンチレバーであり、共振システムに接着され、チップの振動の検出およびその動揺が、差動増幅器および/またはロックイン増幅器により取り出される請求項29記載の装置。
- 前記表面に対するチップの特定の距離にて、位置検知器またはチューニングフォークのごとき共振器システムまたは他の同様なデバイスにより検出された時、および光、電圧などの第2の信号をモニターすることにより検出された時、サンプル表面に対するプローブチップの特定の高さでの情報にアクセスでき、前記表面に対するチップの振動周波数の基準信号を含む請求項1〜30のいずれかに記載の装置。
- 表面から特定の距離での信号および、前記表面に対するチップの全体の運動の間の信号の双方をモニターする請求項31記載の装置。
- このような信号を関連した方法で読み出すための能力を持つ請求項31または32に用いることのできる装置。
- 二つのプレートがスキャンされるプローブ顕微鏡を用いるスキャンされるプローブ顕微鏡の方法であり、一方のプレートがチップのスキャンを可能にし、他方がサンプルのスキャンを可能にし、スキャンされるプローブ顕微鏡の軸は、スキャンされるプローブ顕微鏡の軸がトップ、底部または双方で自由を要求するビーム導入システムへの組み込みが自由である方法。
- トップのプレートを底部のプレートに対してヒンジ構造にでき、DCまたは他のモータにより、粗いアプローチが引き起こされる請求項34記載の方法。
- 前記トップのプレートは、底部のプレートの上に単に載置され、そして、二つのプレートスキャナーが大きいz範囲を持つ能力を含む、DCモータまたは他の手段により粗いアプローチが引き起こされる請求項35記載の方法。
- トップのプレートが、光軸を自由に維持する一方、正規のビーム偏向を有するものに置き換えられる請求項34〜36のいずれかに記載の方法。
- サンプルをスキャンすること、チップをスキャンすること、および二つのチップが同時に操作されることを可能にする3つのプレートを備える方法。
- 単一プレートのチップスキャナーがスキャンされるプローブ顕微鏡の方法であり、正規の顕微鏡に取り付けられたものを含む、いずれかの選択されたスキャン用ステージで動作できる方法。
- 冷却器の容器内で動作し、その容器内でサンプルが4°K程度に冷却される請求項34〜39のいずれかに記載の方法。
- 単一プレートのチップスキャナーまたは複数プレートのチップ及びサンプルスキャン用システム、またはサンプルスキャン用システムを含み、スキャンされる顕微鏡またはスキャン機構のプローブのカンチレバーが、トップからの放射ビームを不明瞭にせず、この結果、スキャンされるプローブ顕微鏡のチャンネルに加え、光学、電子光学またはイオンビーム照明または、顕微鏡、リソグラフおよび/または分光モードで用いることのできる、原子、イオン又は分子ビーム導入システムである顕微鏡からの照明のチャンネルを許可する請求項34〜39のいずれかに記載の方法。
- 熱または電子またはイオンビームまたは原子ビームまたは分子ビームの堆積システムに基づく、いずれかの薄いフィルム堆積システムに挿入できる請求項41記載の方法。
- サンプルがサンプルスキャン用プレート内に保持され、そして、標準ビーム偏向技術を用いて動作するが、レンズでの観察で妨害されない装置の光軸を有する、チップスキャン用プレートおよび/またはトッププレートのいずれかの内部のチップマウント内にチップが保持される請求項34〜39、41のいずれかに記載の方法。
- 固体没入レンズを用いる請求項34〜43のいずれかに記載の方法。
- シリコンカンチレバー技術で製作された近領域の光学エレメントを用いる請求項34〜43のいずれかに記載の方法。
- 無開口の近領域をスキャンする顕微鏡のための開口無しのプローブを用いる請求項34〜43のいずれかに記載の方法。
- 光集中用プローブとして、トップから底部から導かれたビームを不明瞭にするカンチレバーを持たない、偏向極小チップのプローブを用いる請求項34〜43のいずれかに記載の方法。
- 減衰波の光学顕微鏡に結合できる請求項34〜47のいずれかに記載の方法。
- 正規のレンズまたはファイバープローブまたは一体レンズを有するファイバーを用い、ビームをスキャンするかステージをスキャンする、共焦点光学顕微鏡に結合できる請求項34〜48のいずれかに記載の方法。
- スキャンされるプローブシステムで使用できるいずれかのプローブとともに使用でき、そして、カンチレバーが上方からまたは下方からのビームを不明瞭にしない、すべてのプローブを含み、原子の力、近接領域および遠方領域の光学用プローブ、化学液体の供給または吸引用の極小のマイクロピペットのプローブ、電気的測定または電磁放射の収集または分配または熱プローブまたは電磁プローブまたは、スキャンされる顕微鏡のための他のプローブおよびプローブの結合を含む請求項34〜49のいずれかに記載の方法。
- ファイバーおよび追加されたレーザを備えたファイバーレンズおよび溶接のための他のデバイスおよびコンポーネントまたはアセンブリのための他のデバイスのアタッチメントを含む、光学コンポーネントの自動および半自動のアセンブリのために用いられる請求項34〜50のいずれかに記載の方法。
- いずれかの顕微鏡に結合できる、スキャンされるプローブ顕微鏡であり、プローブのカンチレバーまたはスキャン機構がトップからの放射ビームを不明瞭にせず、その結果、スキャンされるプローブ顕微鏡チャンネルに加え、顕微鏡、リソグラフおよび/または分光モードで使用できる、光学、および電子光学またはイオンビーム照明システムである顕微鏡からの照明のチャンネルを可能にする請求項34〜51のいずれかに記載の方法。
- 微粒子またはチップを備えた制御された方法で、光学ビーム、電子光学またはイオンビームシステムを弱くするために、スキャンされるプローブ顕微鏡を用いることにより、いずれかの光学、電子光学またはイオンビームシステムの解像度を改善できる請求項34〜52のいずれかに記載の方法。
- 光学、電子光学またはイオンビームシステムの校正またはこのシステムのビーム下のサンプルの登録を、その存在により改善できる請求項53記載の方法。
- 波またはx線の拡散または、陰極線照明の分光を改善するために用いることができる請求項34〜52のいずれかに記載の方法。
- フィードバックのために、チップ、サンプルおよびチューニングフォークの幾何学形状のいずれかの結合にしたチューニングフォークを用い、そして、チューニングフォークにチップを接着するか接着しないかにし、そして、チップ取り付けまたはチューニングフォークへの近接取り付けを制御する請求項34〜55のいずれかに記載の方法。
- チューニングフォークへのチップ取り付けの制御が、ほぼゼロバックラッシュ移動技術に基づく請求項34〜56のいずれかに記載の方法。
- チューニングフォークは、非接触、接触および中間接触の動作モードで用いることができる請求項34〜57のいずれかに記載の方法。
- フィードバックのためにビームの分配および集光用の単一または複数のチャンネルファイバーを有するフィードバックシステムに基づくファイバーを用い、これらのファイバーは、直線状またはカンチレバー化され、そして信号の検出は振幅、位相、波長または、SPMセンサの移動をモニターするために使用できる、他の光学パラメータに基づく請求項34〜55のいずれかに記載の方法。
- フィードバックのためのビームの分配および集光用に単一または複数のチャンネルファイバーまたは導波管または他の光ガイド用デバイスを有するフィードバックシステムを持つために、ファイバーまたは導波管または他の光ガイド用デバイスを用い、これらのファイバーまたは導波管または他の光ガイド用デバイスは、直線状またはカンチレバー化され、そして、信号の検知は、振幅、位相、波長または、SPMセンサの移動をモニターするために使用できる他の光学パラメータに基づく、請求項34〜55のいずれかに記載の方法。
- 導波管先端でのサブ波長先端からの内部反射光のパラメータがフィードバック方法として用いられる請求項34〜55のいずれかに記載の方法。
- 中間接触または非接触の動作モードのためにスキャンされるプローブ顕微鏡で用いられる、チューニングフォークおよび/または圧電体のごとき共振器が、共振振動するセンサとして用いられ、原子または他の力を通じて表面を検知できるプローブに結合される請求項34〜61のいずれかに記載の方法。
- 圧電デバイス、磁歪セルまたは他のコンバータのごとき、電気から機械的移動への振動コンバータは、検出器に機械的に結合でき、その検出器は、折り曲げられた、又は直線状のカンチレバーであり、共振システムに接着され、チップの振動の検出およびその動揺が、差動増幅器および/またはロックイン増幅器により取り出される請求項62記載の方法。
- 前記表面に対するチップの特定の距離にて、位置検知器またはチューニングフォークのごとき共振器システムまたは他の同様なデバイスにより検出された時、および光、電圧などの第2の信号をモニターすることにより検出された時、サンプル表面に対するプローブチップの特定の高さでの情報にアクセスでき、前記表面に対するチップの振動周波数の基準信号を含む請求項34〜63のいずれかに記載の方法。
- 表面から特定の距離での信号および、前記表面に対するチップの全体の運動の間の信号の双方をモニターする請求項64記載の方法。
- このような信号を関連した方法で読み出すための能力を持つ請求項64または65に用いることのできる方法。
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