JP2017523440A - 走査型プローブ顕微鏡ヘッドの設計 - Google Patents

Abstract

ＳＰＭヘッドに、プローブ（２０７）と、その上にプローブが取り付けられるカンチレバー（２０６）が組み込まれる。カンチレバーは、カンチレバーの自由端（２０５）の付近に平坦な反射面（２０４）を有する。カンチレバーは、機械マウント（２０３）から延び、シングルモード光ファイバ（２０２）が機械マウントによって支持されて、反射面に関する法線からある角度（２１０）にあるビーム軸（２１２）を提供する。

Description

関連出願の参照
本願は、本願と共通の出願人による、２０１４年７月２２日に出願された、ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＰＲＯＢＥ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ ＨＥＡＤ ＤＥＳＩＧＮと題する米国仮特許出願第６２／０２７，３８５号の優先権明細書を主張するものであり、その開示を本願に援用する。

本開示の実施形態は一般に、走査型プローブ顕微鏡検査法の分野および、特にビーム軸とカンチレバーの反射面の法線との間に導入されたオフセット角を取り入れた、走査型プローブ顕微鏡に組み込まれるヘッドに関する。

走査型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＳＰＭ）は、物理的プローブを物体に関してかざして走査することにより、画像を形成する。これは、プローブか物体の何れを移動させて実行してもよい。原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＡＦＭ）とその多くの派生製品において、プローブはカンチレバーの端に取り付けられ、これもまた物体に関してかざして走査する。物体との相互作用によりプローブにかかる力が、カンチレバーを偏向させる。すると、カンチレバーの偏向が光学的または電気的方法によって測定される。電気的方法、例えば圧電検出、ピエゾ抵抗検出、容量式検出、および走査型トンネル顕微鏡検査法は、感度、複雑さ、およびコストの制約によって実際にはほとんど使用されていない。光学的方法は、光の振幅または位相の何れかを測定することによってカンチレバーの偏向を判断する。光の位相を測定するには、光検出の前に、参照ビームとの干渉を利用して位相シフトを振幅シフトに変換する必要がある。光学的干渉法もまた、感度、複雑さ、およびコストの制約によって実際にはほとんど使用されていない。光の振幅の変化を検出することが最も簡単であり、したがって、カンチレバーの偏向を測定するために最も一般的に使用されている方法である。

標準的なカンチレバーＳＰＭでは、レーザからの光はカンチレバーの端の付近で反射され、その振幅が位置感知検出器により測定される。平坦な反射面は、カンチレバーそのものであっても、カンチレバーに取り付けられたミラーであってもよい。カンチレバーは、プローブに加えられる力の大きさを反射面の角変位に機械的に変換する。すると、反射が反射面のこれらの角変位を、２倍の大きさである光ビームの角変位に変換する。反射面からの伝播により、これらの角変位が光ビームの空間変位に変換され、するとこれが位置感知検出器によって測定される。

最も標準的なカンチレバーＳＰＭの設計は大きいヘッドを有し、これはレーザと、検出器と、これらをカンチレバーの基部に取り付ける機械的構造と、を含む。この機械的構造の振動とドリフトによって追加の角および空間変位が発生し、これがプローブの力に関する小さい角変位に対する感度を限定する。物体走査型カンチレバーＳＰＭにおいて、ヘッドの小型化によりいくつかの利点が得られる。主な利点は、振動およびドリフトに対する耐性の改善である。他の利点は、特定の用途に関するヘッドの大きさと質量の要求を満たせることである。例えば、光学顕微鏡でのＳＰＭの用途において、寸法がより小さければ、短い動作距離で高開口数の対物レンズを使用することが可能となり、その結果、空間解像度と集光効率が改善される。ヘッド走査型カンチレバーＳＰＭにおいて、ヘッドを小型化することにより、上記以外の追加の利点も提供される。１つの追加の利点は、共振周波数とそれに関連するヘッド走査速度を大幅に高められることである。他の追加の利点は、圧電素子およびモータ駆動素子の大きさを縮小し、それらに関連する電力需要を減らすことができる点である。

カンチレバーＳＰＭの光路は、シングルモード光ファイバを通じて光を案内することによって、２つまたそれ以上の独立したサブシステムに分割できる。ヘッドからレーザおよび検出器を取り外し、これらをファイバの終端に設置することによって、ヘッドの寸法を大幅に縮小し、内部の熱ドリフト発生源を除去できる。シングルモード光ファイバは、双方向導波路として機能してレーザ光の供給と集光の両方を行うことができるため、１つのファイバしか必要とならない。標準的なシングルモードファイバの基本モードにおける光の伝播は電磁界分布を有し、これは平坦な同位相波面を有するガウス振幅関数として近似できる。ファイバ端面から射出した場合、電磁界分布はガウスビーム方程式により近似的に表すことができ、ビームウェストがファイバ端面の位置にある。ビーム半径は光軸からの半径であり、ここでは光強度が数学的定数であるｅの二乗で減少する。ビーム半径の最小値はウェスト部にあり、これはファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）の半分である。レイリ範囲は、ビームウェスト位置からの光軸に沿った距離であり、ここでは光強度がウェストにおいてそのピーク値の半分となる。

シングルモード光ファイバは特定のＳＰＭヘッド設計において、図１に示されるように、ヘッドの大きさをシングルモード光ファイバ１０２、機械マウント１０４、およびシングルモード光ファイバに関してマウント１０４によって位置付けられたプローブカンチレバー１０６のみに縮小するために使用されてきた。これらの設計では、プローブカンチレバー上の反射面の縦方向の変位に関連する光の位相の変化が、戻り光を参照光で干渉することによって測定される。反射面はビーム軸に対して垂直で、したがって、反射面からの光をできるだけ多くファイバに戻すように設計される。妥当な効率を保つために、反射面の直径はファイバのＭＦＤより大きくなければならず、ファイバ端面と反射面との間の距離はファイバのＭＦＤに関するレイリ範囲よりずっと短くするべきである。このようなカンチレバー並進ＳＰＭヘッドの設計では、ファイバモードは入射光と反射光のための導波路としての役割を果たすにすぎない。

したがって、ファイバ端面とカンチレバー反射面との間の動作距離を長くすることができ、戻り光の振幅を角変位で変化させる走査型プローブ顕微鏡ヘッドを提供することが望ましい。

本明細書に記載されている実施形態は、プローブと、その上にプローブが取り付けられるカンチレバーと、を有するＳＰＭヘッドを開示する。カンチレバーは、カンチレバーの自由端の付近に平坦な反射面を有する。カンチレバーは、機械マウントから延び、シングルモード光ファイバが機械マウントによって支持され、反射面に関する法線からある角度で延びるビーム軸を提供する。

上述の特徴、機能、および利点は、本発明の各種の実施形態において個別に実現でき、または別の実施形態においては組み合わせてもよく、その詳細は、以下の説明と図面を参照することによって理解できる。

先行技術のＳＰＭヘッドの側面図である。 第一の実施形態であるカンチレバー回転ＳＰＭヘッドの側面図である。 ファイバモードに再び結合される反射面から戻る光パワーの結合を表すガウス関数のグラフである。 図３Ａのガウス関数の導関数のグラフであり、単位変位角あたりのパワーの変化（ｄＰ／ｄθ）を示し、これは小さい角変位の場合、小さい信号増幅値を表す。 第二の実施形態である、コアレスファイバレンズを含むカンチレバー回転ＳＰＭヘッドの側面図である。 カンチレバー上の第一のミラーサイズの斜視図である。 改良型カンチレバー上の第二のミラーサイズの斜視図である。 第三の実施形態である、グレーデッドインデックスファイバレンズと、ビーム偏向用反射および透過端面を持つコアレスファイバを含むカンチレバー回転ＳＰＭヘッドの側面図である。 第四の実施形態である、流体セル内に浸漬されたカンチレバー回転ＳＰＭヘッドの側面図である。 ガウスパワー関数の３次元グラフであり、カンチレバーミラー面は、球面座標角（θ、Φ）で表される２つの独立した方向に傾斜できるが、極角θに対する依存性のみを有することを示す。 図８Ａのガウス関数の導関数の３次元グラフであり、単位変位角あたりのパワーの変化（ｄＰ／ｄθ）を球面座標角（θ，Φ）に関して示す。 位置感知ファイバを有する屈曲ヘッドを組み込んだ第五の実施形態の斜視図である。 図９Ａの実施形態の側面図である。 図９Ａのヘッドを利用する顕微鏡システムのブロック図である。

本明細書に記載されている走査プローブヘッドの第一の実施形態に関して、図２に示されているカンチレバー回転ＳＰＭヘッドが使用され、その中では、シングルモードファイバ２０２のファイバモードはまた、導波路として機能することに加え、角変位検出器としても機能する。これを実現するために、オフセット角がビーム軸とカンチレバー反射面の法線との間に導入される。第一の実施形態において、オフセット角は、ファイバ２０２と、自由端２０５の付近に取り付けられたプローブ２０７を支持するカンチレバー２０６の反射面２０４と、を相互に支持するマウント２０３によって、反射面２０４の法線２０８が、入射ビーム軸２１２に関して角度２１０を有するように作られる。それゆえ、理論上、素子２１３として示されている入射ビームのビーム軸２１２と反射面の法線２０８との間の全体の角度２１０は、初期オフセット角と任意のカンチレバーが変位した場合の角度の合計である。ファイバ端面２１４は、斜めにされるか、または反射防止膜で被覆されて、端面で反射された光が戻りのファイバモードにおいて、カンチレバーの反射面による反射された、理論上、素子２１５で表される反射ビーム内の光を干渉しないようになっている。ファイバ端面を斜めにすることによって、ビームを屈折によりシフトさせ、また、これはリターンロスの防止に加えて、ビームをオフセットする方法としても使用されてよい。

反射面２０４から戻り、再びファイバモードに結合される光パワー（Ｐ）は、以下、数式の中でθと呼ぶ全体の角度２１０のガウス関数である。反射フィールドと戻りファイバモードフィールドの重なりの関数を計算することにより、以下の関数が得られ、式中、Ｐ_０は入射ビームのパワーである。

光パワー（Ｐ）は、図３Ａにおいて曲線３０２で示されている。パワーが数学的定数ｅ^２で減少する全体の角度は広がり角であり、これは光の波長をウェスト半径と数学的定数πの積で割ったものに等しい。単位角変位あたりのパワー変化（ｄＰ／ｄθ）は、上述のガウス関数の導関数をとることによって得られ、その結果、θ_０／２、すなわち広がり角の半分においてピークとなる一次エルミート・ガウス関数となる。

単位変位角あたりのパワー変化の絶対値（｜ｄＰ／ｄθ｜）は、小さい角変位では小さい信号増幅値であり、図３Ｂにおいて曲線３０４で示されている。したがって、オフセット角を広がり角の半分まで大きくすることにより、ファイバモードに再び結合されるパワーは減少するが、カンチレバーの角度の小さい変化に対する感度は高まる。オフセット角を広がり角の半分を超えて大きくすると、ファイバモードに再び結合されるパワーとカンチレバーの角度の小さい変化に対する感度は両方とも低下する。広がり角よりわずかに高いか、低い角度での動作はｄＰ／ｄθにほとんど影響を与えないが、いくつかの光学検出方式では、背景、およびしたがって、信号対ノイズ比を大きく変化させる。それゆえ、光ファイバモードの中の戻りパワーを測定することにより、位置感知検出器の機能の代わりに、単に角オフセットを導入すればよく、これにはパワーの損失が伴う。反射面での効率、パワー、および広がり角はすべて、実現可能な最大限の角度に対する感度を制限する。図２に示される実施形態に関して、妥当な効率を保つために、反射面の直径はファイバＭＦＤより大きくなければならず、ファイバ端面と反射面との間の距離をファイバＭＦＤに関連するレイリ範囲よりずっと短くするべきである。感度を最大にするためには、反射面での広がり角を、光波長を最小化すること、反射面の直径を最大化すること、それを満たすファイバＭＦＤを最大化することによって小さくするべきである。

図４に示されるような特定の実施形態において、レンズ４０２が使用されてもよい。レンズを追加することにより、ファイバＭＦＤの大きさを、感度を制限する反射面の直径に関係なく設定できる。コスト、質量、または曲げ半径の点から、大きいファイバＭＦＤが常に実現可能とはかぎらない。それに加えて、レンズによって、ファイバとレンズを反射面から、そのファイバＭＦＤに関するレイリ範囲よりずっと大きい距離だけ離して設置することができる。同じ物体空間内で複数のＳＰＭおよび光学顕微鏡を用いる用途の場合、これは機械的および光学的重複を防止することもできる。強い集光または大きい収差がなければ、入射ビームと戻りビームの電磁界分布は、ミラーによる反射とレンズにより屈折の後もガウス分布のままであるが、ビームのパラメータが変化する。レンズは、反射面の面積全体に広がり、それによって感度を犠牲にせずに高い効率を実現するように設計される。レンズは、別々に取り付けられてもよいが、レンズをファイバに直接取り付けることによって、機械マウントの設計が単純となり、それによってヘッドの寸法と質量を大幅に減少させることができる。融着接続法に基づくレンズドファイバを作るには、いくつかの方法がある。１つの方法は、グレーデッドインデックスレンズ、例えばグレーデッドインデックスマルチモードファイバの短い区間材をシングルモードファイバの端に融着接続するものである。第二の方法は、ボールレンズをシングルモードファイバの端に融着接続するものである。第三の方法は、コアレスファイバの小さい区間材をシングルモードファイバの端に融着接続し、溶融、研磨、または集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により球面を形成することによるものである。図４は、このようなレンズドファイバを示しており、これは、大きい反射面を有する標準的な通信ファイバのＭＦＤにマッチさせるのに好都合であろう。

カンチレバーの反射面はまた、カンチレバー表面からのレンズドファイバの先端の空間を受け入れるような大きさとしてもよい。図５Ａに示される例示的な実施形態において、カンチレバーの反射面２０４に物理的に取り付けられていても、または反射面上に直接形成されてもよいミラー５０２は、直径約５０μｍである。別の実施形態においては、図５Ｂに示されるような約１０μｍの、より小さいミラー５０４を、レンズの特性とファイバＭＦＤを操作してマッチさせたものを利用してもよく、それにより、異なるカンチレバー形状とすることができる。カンチレバーミラーの大きさは、ミラー上に入射するウェスト半径にマッチさせるべきであり、その結果、感度を犠牲にすることなく、高い量子効率が生成される。

図６は第三の実施形態を示しており、これはシングルモードファイバ６０４からのビーム６０２が、レンズとして機能するグレーデッドインデックスマルチモードファイバ６０６により屈折する構成である。すると、ビームはコアレスファイバ６０８の区間材の中に伝播し、ここで反射端面６１０において、全内部反射かまたは金属もしくは誘電材料コーティングの何れかによって反射され、その後、透過端面６１２を通って屈折する。端面６１０および６１２の角度は、カンチレバー６２０の反射面６１８の法線６１６からのオフセット角６１４が作られるように選択される。シングルモードファイバ６０４、グレーデッドインデックスマルチモードファイバ６０６、およびコアレスファイバ６０８は、キャリアチップ６２２上のカンチレバー６２０に関連して取り付けられる。シングルモード、グレーデッドインデックス、およびコアレスファイバの長さは前述のように、カンチレバー反射面の直径とマッチするような適当なビームの大きさと動作距離が得られるように選択される。シングルモードファイバ６０４、グレーデッドインデックスマルチモードファイバ６０６、およびコアレスファイバ６０８を統合する複合ファイバの製造は、連続して融着接続し、適当な距離で切断することにより実行される。端面の製造は、その後の機械的研磨または切断により実行される。

図７は同様の構成を示しているが、装置全体が流体セル７０２の中の水に浸漬されており、生体内で、または冷却のために、物体７００をプローブ２０７で画像化できる。この場合、高反射コーティング７０４が反射端面６１０上に提供され、反射および透過端面の角度は、流体７０６の単一でない屈折率による反射と屈折の変化に対応できるように調節される。

プローブカンチレバーの反射面は２つの独立した方向に傾斜させることができ、これらは球面座標で説明されてもよい。前述のＳＰＭ構成の実施形態に関する反射ビームのパワーは、極角（θ）に強く依存し、方位角（Φ）には実質的に依存しない。図８Ａはパワーを示し、図８Ｂは、単位変位角あたりのパワーの変化（ｄＰ／ｄθ）を、全体の角度（θとΦ）に関して示している。用途によっては、カンチレバーの角変位の小さい変化を両方向に独立して測定することが必要である。カンチレバー変位角を球面座標上に投影するには、直線から円形への変換と、ビーム軸と反射面の法線に関する角度オフセットの追加が関わる。オフセットは小さい信号増幅値を決定し、すると、これは２つのカンチレバー変位角の一次結合である。このようにして、カンチレバーの角度を独立して測定することができず、２つの数値を結合して、結果として得られる極角値、したがってパワー出力値を判断する。異なる波長または極性と、ファイバ自体もしくはファイバ以下の追加の素子の分散的または複屈折の性質を利用することにより、角度オフセットの２つの別々の集合を実現できる。これによって、２つのカンチレバー変位角を別々に測定できる。

図９Ａおよび９Ｂは、本明細書で開示されるＳＰＭヘッドのある例示的な物理的実施形態を示す。圧電プレートベンディングアクチュエータ９０２が、ベース部品９０４とヘッド部品９０６に取り付けられている。ベース部品９０４はプレートベンディングアクチュエータ９０２と位置感知ファイバ９０８の両方に物理的に取り付けられている。ヘッド部品９０６には、実質的に図６に関して説明した構成を有し、ベース部品の中を溝９１２内で延びるＳＰＭファイバ９１０が取り付けられ、ミラー面９１４を提供して、位置感知ファイバを通じて透過した位置感知ビームを反射させる。位置感知ビームはＳＰＭに関して前述したように、干渉法型でも、ビームのオフセットに基づく強度型でもよい。カンチレバー６２０を支持するキャリアチップ６２２は、図６に関して前述したＳＰＭファイバ９１０に関して位置付けられたヘッド部品９０６の底面９１６に取り付けられている。カンチレバーミラーの大きさは典型的には、前述のように１０μｍ〜５０μｍの範囲である。ビームのモードフィールド径は、カンチレバーとマッチして感度を最大にするように選択され、少なくとも１００μｍの動作距離９１６を提供するためのレンズにより、キャリアチップ、カンチレバー、およびプローブを含むアセンブリを、ファイバ９１０にぶつからずに取り付け、取り外すことが可能となる。本発明では必要な自由空間経路の距離が非常に短くてすむため、ヘッド全体の厚さは約１ｍｍであり、これによって高開口数対物レンズを備え、それに関連して動作距離の短いＳＰＭ顕微鏡検査法と高解像度光学顕微鏡法が得られる。

図９Ｃに示されるように、ＳＰＭヘッドは物体９２０の画像生成のためのヘッド走査システムに組み込まれ、電気制御システム９２２の制御下で、ベンダ９０２はヘッド９０６のためのｚ方向への単軸の高速位置決めと３軸すべての標準的な圧電素子による位置決めを提供して、カンチレバー６２０とプローブ２０７が付けられたキャリアチップ６２２の位置決めを行う。レーザ９２４は、光サーキュレータ９２８を通ってＳＰＭファイバ９１０へとレーザビームを供給し、これは前述のように、カンチレバー反射面で反射される。ＳＰＭファイバを通じて受け取られた反射ビームは、光サーキュレータにより分割され、検出器９２６に供給され、ここで、ビームのパワー測定が行われてもよく、電気制御システム内の計算ルーチンでパワーの変化を計算することにより、カンチレバーの変位角が判断されて、ポジショナへの制御フィードバックが行われる。

ここまで、本発明の各種の実施形態を特許法により必要な程度に詳しく説明したが、当業者であれば、本明細書中で開示された具体的な実施形態への変更や代替を着想するであろう。このような変更は、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲と意図に含まれる。

Claims (17)

1. 構造において、
   プローブ（２０７）と、
   前記プローブが取り付けられているカンチレバー（２０６）であって、前記カンチレバーの自由端（２０５）の付近に平坦な反射面（２０４）を有するカンチレバーと、
   機械マウント（２０３）であって、前記カンチレバーがそこから延びる機械マウント（２０３）と、
   シングルモード光ファイバ（２０２）であって、前記機械マウントによって支持されて、前記反射面に関する法線からある角度（２１０）にあるビーム軸（２１２）を提供するシングルモード光ファイバ（２０２）と、
   を含む構造。
2. レンズ（４０２）が前記ファイバと反射面との間に配置される、請求項１に記載の構造。
3. 前記レンズは、レンズドファイバとして前記ファイバに取り付けられる、請求項２に記載の構造。
4. 前記シングルモード光ファイバは、前記機械マウントによって前記カンチレバーに実質的に平行に向けられ、さらに、前記シングルモード光ファイバの反対側で前記レンズに隣接して配置されたコアレスファイバ（６０８）をさらに含み、前記コアレスファイバは、反射端面（６１０）を有し、前記カンチレバーの前記反射面に関する法線からある角度にあるビーム軸を提供する、請求項２に記載の構造。
5. 前記コアレスファイバは、前記コアレスファイバ内の屈折に対応するために、前記反射端面に関して斜めの透過端面（６１２）をさらに含み、前記カンチレバーの前記反射面に関する法線からある角度にあるビーム軸を提供する、請求項４に記載の構造。
6. 前記レンズは、グレーデッドインデックスレンズを前記シングルモードファイバの端に融着接続すること、ボールレンズを前記シングルモードファイバの端に融着接続すること、またはコアレスファイバの小さい区間材を前記シングルモードファイバの端に融着接続し、溶融、研磨、または集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により球面を形成することから選択される方法により形成される、請求項３に記載の構造。
7. 前記レンズは、グレーデッドインデックスレンズを前記シングルモードファイバの端に融着接続することから選択される方法により形成され、前記コアレスファイバは連続して融着接続され、適当な距離で切断され、端面は機械的研磨またはその後の切断により製造される、請求項４に記載の構造。
8. 前記法線からの角度は実質的に広がり角の半分である、請求項１に記載の構造。
9. 前記法線からの角度は、直角入射からの適当なオフセット角度を選択することにより、増幅とは関係なく選択される、請求項１に記載の構造。
10. 前記構造は流体セル（７０２）に浸漬される、請求項１に記載の構造。
11. カンチレバーの小さい角変位を検出する方法において、
    カンチレバーの反射面の、シングルモードファイバの光軸に関する角度をオフセットするステップであって、前記角度が前記反射面の角変位の単位変化量あたりのファイバモードに戻るパワーの変化を増幅させるようなステップと、
    パワーの変化を測定して、角変位を判断するステップと、
    を含む方法。
12. 走査型プローブ顕微鏡ヘッドの製造方法において、
    プローブを機械マウントから延びるカンチレバーに取り付けるステップと、
    シングルモード光ファイバを前記機械マウントに取り付けて、前記カンチレバーの反射面に関する法線からある角度にあるビーム軸を提供するステップと、
    を含む方法。
13. 前記シングルモードファイバを取り付ける前記ステップは、レンズを前記シングルモード光ファイバの端に位置決めするステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記シングルモードファイバを取り付ける前記ステップは、コアレスファイバを前記シングルモード光ファイバと反対側で前記レンズの付近に取り付けるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記コアレスファイバに反射端面を作るステップをさらに含み、前記反射端面は、前記カンチレバーの前記反射面に関する法線からある角度にあるビーム軸を提供する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記反射端面に関して斜めであり、前記コアレスファイバ内の屈折に対応する透過端面を作るステップをさらに含み、前記カンチレバーの前記反射面に関する法線からある角度にあるビーム軸を提供する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記シングルモードファイバを取り付ける前記ステップは、
    グレーデッドインデックスレンズを前記シングルモードファイバの端に融着接続するステップと、
    連続して、前記コアレスファイバを前記レンズに融着接続し、適当な距離で切断するステップと、
    前記反射および透過端面を機械的研磨または切断によって製造するステップと、
    をさらに含む、請求項１６に記載の方法。

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