JP3176931B2 - 自動的なプローブ交換および位置合わせを有する走査プローブ顕微鏡 - Google Patents
自動的なプローブ交換および位置合わせを有する走査プローブ顕微鏡Info
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は走査プローブ顕微鏡に関し、特に、例えば改
良されたプローブ交換および位置合わせを有する原子間
力顕微鏡のような走査プローブ顕微鏡および走査プロー
ブ顕微鏡におけるプローブ交換の方法に関する。
良されたプローブ交換および位置合わせを有する原子間
力顕微鏡のような走査プローブ顕微鏡および走査プロー
ブ顕微鏡におけるプローブ交換の方法に関する。
先行技術の論考 1.走査プローブ顕微鏡 走査プローブ顕微鏡（SPM）は試料表面に対してシャ
ープなプローブを走査して、試料表面の特性の局所的な
測定を行う。１つの一般的な例は、走査力顕微鏡として
も知られている原子間力顕微鏡であり、これは試料表面
に対して（一般的にカンチレバーと呼ばれている）曲が
り易いスプリングレバーに取付けられたシャープな針を
走査する。カンチレバーの自由端の動き、位置、角度を
測定することにより、表面の微細構成、局所的な粘着、
摩擦、弾性、磁界または電界の存在などを含む表面の多
くの特性が決定される。他のSPMには、走査トンネル顕
微鏡や走査近接場光学顕微鏡や走査静電容量顕微鏡や他
のいくつかのものが含まれる。
ープなプローブを走査して、試料表面の特性の局所的な
測定を行う。１つの一般的な例は、走査力顕微鏡として
も知られている原子間力顕微鏡であり、これは試料表面
に対して（一般的にカンチレバーと呼ばれている）曲が
り易いスプリングレバーに取付けられたシャープな針を
走査する。カンチレバーの自由端の動き、位置、角度を
測定することにより、表面の微細構成、局所的な粘着、
摩擦、弾性、磁界または電界の存在などを含む表面の多
くの特性が決定される。他のSPMには、走査トンネル顕
微鏡や走査近接場光学顕微鏡や走査静電容量顕微鏡や他
のいくつかのものが含まれる。
2.プローブ交換 これらの走査プローブ技術の多くでは、プローブは損
傷を受け、汚れ、鈍るようになる。この場合、試料の高
品質な測定を行う能力を回復するためにプローブを交換
しなければならない。先行技術では、これは古いプロー
ブを取り除いて新しいプローブを再取り付ける作業者に
より手でなされていた。プローブは小さくデリケートな
ことが多く、この作業はかなりの熟練を必要とする。デ
リケートなプローブの１例は、図３に概略的に示されて
いる原子間力顕微鏡で使用されるカンチレバー先端であ
る。典型的なカンチレバーは10−500μｍの長さ、10−5
0μｍの幅、および0.5−５μｍの厚みがあり、カンチレ
バーはほぼ1.5mm長さ×3mmの幅×0.5mm高さであるサポ
ート基板上に製造されることが多い。カンチレバーは単
一のワイヤや薄い金属ビームなどからも形成される。以
下に説明するプローブのデリケートな性質と位置合わせ
のために、SPM設計のプローブの交換の中には、パーク
・サイエンティフィック・インスツルメントに譲渡され
た米国特許第5,376,790号に説明されているように、多
くの分数がかかるものがある。この時間の間、SPM計測
器は通常使用することができないことから、最小のプロ
ーブ交換および位置合わせ時間は高い試料スループット
にとって重要である。走査プローブ顕微鏡がさらに幅広
く使用されるにしたがって、あまり熟練していない作業
者によりさらに素早く操作でき使用できる、あるいは作
業者の介在なく自動的に駆動される計測器を開発するプ
レッシャが増加してきている。
傷を受け、汚れ、鈍るようになる。この場合、試料の高
品質な測定を行う能力を回復するためにプローブを交換
しなければならない。先行技術では、これは古いプロー
ブを取り除いて新しいプローブを再取り付ける作業者に
より手でなされていた。プローブは小さくデリケートな
ことが多く、この作業はかなりの熟練を必要とする。デ
リケートなプローブの１例は、図３に概略的に示されて
いる原子間力顕微鏡で使用されるカンチレバー先端であ
る。典型的なカンチレバーは10−500μｍの長さ、10−5
0μｍの幅、および0.5−５μｍの厚みがあり、カンチレ
バーはほぼ1.5mm長さ×3mmの幅×0.5mm高さであるサポ
ート基板上に製造されることが多い。カンチレバーは単
一のワイヤや薄い金属ビームなどからも形成される。以
下に説明するプローブのデリケートな性質と位置合わせ
のために、SPM設計のプローブの交換の中には、パーク
・サイエンティフィック・インスツルメントに譲渡され
た米国特許第5,376,790号に説明されているように、多
くの分数がかかるものがある。この時間の間、SPM計測
器は通常使用することができないことから、最小のプロ
ーブ交換および位置合わせ時間は高い試料スループット
にとって重要である。走査プローブ顕微鏡がさらに幅広
く使用されるにしたがって、あまり熟練していない作業
者によりさらに素早く操作でき使用できる、あるいは作
業者の介在なく自動的に駆動される計測器を開発するプ
レッシャが増加してきている。
3.検出システムに対するプローブの位置合わせ 原子間力顕微鏡（AFM）で使用されるカレンチレバー
を含む多くのプローブは、検出システムと正確に位置合
わせしなければならない。AFMの場合では、検出システ
ムはカレンチレバープローブの自由端の動きを測定す
る。多くの原子間力顕微鏡は、ことによるとほんの５−
50ミクロンの幅しかない集束レーザビームのもとでカン
チレバーを中心付けることを必要とする光学検出技術を
使用する。カンチレバーは同様な大きさのターゲット領
域を持っているので、カンチレバーのレーザ位置合わせ
には、かなり安定した手を持っていないユーザの能力を
越えることが多い精度を必要とする。先行技術は、位置
合わせ調整、事前に位置合わせされたあるいは自己位置
合わせプローブ、および位置合わせを必要としないプロ
ーブの３つの方法でプローブの位置合わせを取り扱って
きた。これらの先行技術の内いくつかが図１に図示され
ている。
を含む多くのプローブは、検出システムと正確に位置合
わせしなければならない。AFMの場合では、検出システ
ムはカレンチレバープローブの自由端の動きを測定す
る。多くの原子間力顕微鏡は、ことによるとほんの５−
50ミクロンの幅しかない集束レーザビームのもとでカン
チレバーを中心付けることを必要とする光学検出技術を
使用する。カンチレバーは同様な大きさのターゲット領
域を持っているので、カンチレバーのレーザ位置合わせ
には、かなり安定した手を持っていないユーザの能力を
越えることが多い精度を必要とする。先行技術は、位置
合わせ調整、事前に位置合わせされたあるいは自己位置
合わせプローブ、および位置合わせを必要としないプロ
ーブの３つの方法でプローブの位置合わせを取り扱って
きた。これらの先行技術の内いくつかが図１に図示され
ている。
4.位置合わせのための機械的な調整 図1Aに示されているように、第１の技術は、光ビーム
を動かす（ハンズマ氏らの米国特許第4,935,634号およ
び再発行番号第34489号、アルベルト氏らの米国特許第
5,157,251号）、（米国特許第5,025,658号および第5,18
9,906号に基づく商業的な計測器でなされるように）プ
ローブを動かすか、あるいはカンチレバーマウントを動
かす（米国特許第5,144,128号）機械的調整を組み込ん
でいる。機械的な調整はレバーおよび／またはネジによ
りユーザの動きを減らすことができ、位置合わせに必要
な正確な動きを可能にする。例えば図1Aは先行技術で使
用される機構の簡単化した断面図を示しており、光源18
をチルトステージ100に装着することによりAFM上の光ビ
ーム12を調整している。レーザの傾きを変えると放射光
ビームの位置が変わる。細かいピッチのネジ102を使用
することにより、光ビームはプローブ４のカンチレバー
アーム６を照らすために正確に調整することができる。
先行技術ではこの調整は手でなされていた。
を動かす（ハンズマ氏らの米国特許第4,935,634号およ
び再発行番号第34489号、アルベルト氏らの米国特許第
5,157,251号）、（米国特許第5,025,658号および第5,18
9,906号に基づく商業的な計測器でなされるように）プ
ローブを動かすか、あるいはカンチレバーマウントを動
かす（米国特許第5,144,128号）機械的調整を組み込ん
でいる。機械的な調整はレバーおよび／またはネジによ
りユーザの動きを減らすことができ、位置合わせに必要
な正確な動きを可能にする。例えば図1Aは先行技術で使
用される機構の簡単化した断面図を示しており、光源18
をチルトステージ100に装着することによりAFM上の光ビ
ーム12を調整している。レーザの傾きを変えると放射光
ビームの位置が変わる。細かいピッチのネジ102を使用
することにより、光ビームはプローブ４のカンチレバー
アーム６を照らすために正確に調整することができる。
先行技術ではこの調整は手でなされていた。
図1B図は、カンチレバープローブ４を位置合わせする
ための他の先行技術を示している。このケースでは、カ
ンチレバープローブは、プローブを検出器光ビーム12と
位置合わせするために使用されるXY並進運動ステージ24
に装着される。調整システムに必要な付加的な質量がス
キャナの共振周波数を減少させて、より遅い走査速度を
必要とすることから、物理的にプローブを並進運動させ
るシステムにとって、プローブにおけるこのような調整
は非実用的あるいは望ましくないことが多い。
ための他の先行技術を示している。このケースでは、カ
ンチレバープローブは、プローブを検出器光ビーム12と
位置合わせするために使用されるXY並進運動ステージ24
に装着される。調整システムに必要な付加的な質量がス
キャナの共振周波数を減少させて、より遅い走査速度を
必要とすることから、物理的にプローブを並進運動させ
るシステムにとって、プローブにおけるこのような調整
は非実用的あるいは望ましくないことが多い。
テクニカル・インスツルメント・カンパニーにより販
売されているDMEディアルスコープによって使用される
プローブの位置合わせのための他の先行技術装置が図1C
に概略的に示されている。この装置は、光学顕微鏡104
の対物レンズに組み込まれている原子間力顕微鏡から構
成されている。この装置では、カンチレバープローブ４
は強磁性ホルダ106に接着され、そして強磁性ホルダ106
は環境永久磁石108により対物レンズの端部に対して磁
気的に保持される。強磁性ホルダは、手で対物レンズの
端部に置かれるか、磁石により並進運動ステージから持
ち上げられる。最後の位置合わせのために、並進運動ス
テージ上に装着された１組のピン110が強磁性マウント
上の穴と係合するまで、ユーザは１組のピン110を移動
させる。ユーザはプローブが位置合わせされるまでピン
で強磁性マウントを押すことができる。同様な方法は、
米国特許第5,423,514号においてワキヤマ氏らにより説
明されている。
売されているDMEディアルスコープによって使用される
プローブの位置合わせのための他の先行技術装置が図1C
に概略的に示されている。この装置は、光学顕微鏡104
の対物レンズに組み込まれている原子間力顕微鏡から構
成されている。この装置では、カンチレバープローブ４
は強磁性ホルダ106に接着され、そして強磁性ホルダ106
は環境永久磁石108により対物レンズの端部に対して磁
気的に保持される。強磁性ホルダは、手で対物レンズの
端部に置かれるか、磁石により並進運動ステージから持
ち上げられる。最後の位置合わせのために、並進運動ス
テージ上に装着された１組のピン110が強磁性マウント
上の穴と係合するまで、ユーザは１組のピン110を移動
させる。ユーザはプローブが位置合わせされるまでピン
で強磁性マウントを押すことができる。同様な方法は、
米国特許第5,423,514号においてワキヤマ氏らにより説
明されている。
この手順はいくつかの欠点を持っている。第１に、強
磁性プローブマウント106が手により取り付けられず、
代わりにXY並進運動ステージ24から磁気的に持ち上げら
れた場合、対物レンズ上の永久磁石は強磁性のプローブ
マウントのプローブを数ミリメータの距離ジャンプさせ
て磁石106と接触させる。接触のためのジャンプは、無
秩序で潜在的に有害なステップである。強磁性プローブ
マウント106と磁石108との間に結果的として生じる衝撃
は、きわどい試料に対して使用される時に重大な汚染問
題となる小片を生じさせる。走査プローブ顕微鏡は半導
体および集積回路製造設備におけるステップを監視する
ためにますます使用されてきており、そこではこのよう
な小片汚染は受け入れることができない。
磁性プローブマウント106が手により取り付けられず、
代わりにXY並進運動ステージ24から磁気的に持ち上げら
れた場合、対物レンズ上の永久磁石は強磁性のプローブ
マウントのプローブを数ミリメータの距離ジャンプさせ
て磁石106と接触させる。接触のためのジャンプは、無
秩序で潜在的に有害なステップである。強磁性プローブ
マウント106と磁石108との間に結果的として生じる衝撃
は、きわどい試料に対して使用される時に重大な汚染問
題となる小片を生じさせる。走査プローブ顕微鏡は半導
体および集積回路製造設備におけるステップを監視する
ためにますます使用されてきており、そこではこのよう
な小片汚染は受け入れることができない。
さらに、接触のためのジャンプはいくぶん再現不可能
な事象であり、カンチレバープローブの最終位置は、検
出システムにより必要とされる位置合わせ公差よりもか
なり多い量、ランダムにオフセットされる。ジャンプに
より生じるランダムなオフセットを補正するために、特
別なピン固定物110を使用するプローブの付加的な位置
合わせが必要となる。また磁石108および強磁性プロー
ブマウント106の表面は正確にスライドする表面でない
ので、プローブの最終的な位置合わせはぎこちなく、プ
ローブ交換の間に作業者による広範囲な介入が必要とな
る。
な事象であり、カンチレバープローブの最終位置は、検
出システムにより必要とされる位置合わせ公差よりもか
なり多い量、ランダムにオフセットされる。ジャンプに
より生じるランダムなオフセットを補正するために、特
別なピン固定物110を使用するプローブの付加的な位置
合わせが必要となる。また磁石108および強磁性プロー
ブマウント106の表面は正確にスライドする表面でない
ので、プローブの最終的な位置合わせはぎこちなく、プ
ローブ交換の間に作業者による広範囲な介入が必要とな
る。
5.事前位置合わせされたプローブおよび自己位置合わせ
プローブ “事前位置合わせ”プローブまたはビルディング自己
位置合わせプローブに対するいくつかの技術が存在す
る。例えば、先に言及した特許でハンズマ氏によっても
説明され、さらに米国特許第5,376,790号でも説明され
ているように、カンチレバープローブが特別な割り出し
ホルダ112上に装着されている。事前位置合わせカンチ
レバープローブはトポメトリックアンドパーク・サイエ
ンティフック・インスツルメントにより商業的に販売さ
れ、そのセールス文献にさらに説明されている。割り出
しホルダは一般的に、原子間力顕微鏡検出システムに対
して割り出しホルダが正確に位置付けられることを確実
にする移動マウント装置114を持つ。カンチレバープロ
ーブ４は（通常AFM製造業者の工場において）割り出し
ホルダ112上に配置され、何らかの基準に対して位置合
わせされ、そして適所に接着される。基準が工場で維持
され、基準と適合する各AFMが元の基準と十分な位置合
わせを維持するのであれば、AFMに取り付けられる各カ
ンチレバーは検出システムと“事前位置合わせ”されて
いることになる。カンチレバーを事前位置合わせするの
に必要な付加的な構成部品および労力は、実質的に顧客
に対するプローブの費用を引き上げる。これらのシステ
ムの中には実際信頼性がなく、現場で作業者が手で調整
することが必要であると分かったものもある。
プローブ “事前位置合わせ”プローブまたはビルディング自己
位置合わせプローブに対するいくつかの技術が存在す
る。例えば、先に言及した特許でハンズマ氏によっても
説明され、さらに米国特許第5,376,790号でも説明され
ているように、カンチレバープローブが特別な割り出し
ホルダ112上に装着されている。事前位置合わせカンチ
レバープローブはトポメトリックアンドパーク・サイエ
ンティフック・インスツルメントにより商業的に販売さ
れ、そのセールス文献にさらに説明されている。割り出
しホルダは一般的に、原子間力顕微鏡検出システムに対
して割り出しホルダが正確に位置付けられることを確実
にする移動マウント装置114を持つ。カンチレバープロ
ーブ４は（通常AFM製造業者の工場において）割り出し
ホルダ112上に配置され、何らかの基準に対して位置合
わせされ、そして適所に接着される。基準が工場で維持
され、基準と適合する各AFMが元の基準と十分な位置合
わせを維持するのであれば、AFMに取り付けられる各カ
ンチレバーは検出システムと“事前位置合わせ”されて
いることになる。カンチレバーを事前位置合わせするの
に必要な付加的な構成部品および労力は、実質的に顧客
に対するプローブの費用を引き上げる。これらのシステ
ムの中には実際信頼性がなく、現場で作業者が手で調整
することが必要であると分かったものもある。
図1Eに示されているように、カンチレバープローブ４
のサポート基板８も底面にエッチングされた移動または
基準動マウント表面で作られている。このようなカンチ
レバープローブは、独国のナノプローブにより作られ、
米国特許第5,253,515号においてトダ氏らにより説明さ
れている。取り付けの際にカンチレバー自体が検出シス
テム12,14に対して位置合わせされるように、組合わせ
表面116をAFMに取り付けることができる。残念ながら、
カンチレバーのサポート基板の大きさが小さいために、
組合わせ表面における位置合わせ機構はかなりデリケー
トであり、損傷を受けやすい。小さな小片がカンチレバ
ーサポート基板または組合わせ表面を汚すと、位置合わ
せ不良も生じる。現在標準的な位置合わせシステムも存
在していないので、特定のカンチレバー組合わせ表面を
AFMに作ると、非常に様々な他のカンチレバープローブ
と互換性がなくなる。
のサポート基板８も底面にエッチングされた移動または
基準動マウント表面で作られている。このようなカンチ
レバープローブは、独国のナノプローブにより作られ、
米国特許第5,253,515号においてトダ氏らにより説明さ
れている。取り付けの際にカンチレバー自体が検出シス
テム12,14に対して位置合わせされるように、組合わせ
表面116をAFMに取り付けることができる。残念ながら、
カンチレバーのサポート基板の大きさが小さいために、
組合わせ表面における位置合わせ機構はかなりデリケー
トであり、損傷を受けやすい。小さな小片がカンチレバ
ーサポート基板または組合わせ表面を汚すと、位置合わ
せ不良も生じる。現在標準的な位置合わせシステムも存
在していないので、特定のカンチレバー組合わせ表面を
AFMに作ると、非常に様々な他のカンチレバープローブ
と互換性がなくなる。
6.非位置合わせプローブ 最後に、検出システムに対する細かい位置合わせを必
要としないいくつかのタイプのプローブが使用されてい
る。走査トンネル顕微鏡（STM）の電極先端がその例で
ある（図1F）。STMに対して、シャープな金属針が導電
ホルダに挿入され、導電ホルダは増幅器に対して電気的
接触をもたらし、増幅器は先端と試料との間のトンネル
電流を測定する。導電マウントとの接触と増幅器に対す
る電気的接続だけで、細かい位置合わせは必要でない。
このような先端は注入チューブ120の小さな部分に保持
されることが多い。このようなシステムとって先端の交
換は非常に簡単であり、１対のピンセットにより手で容
易に実行することができる。他のいくつかの走査プロー
ブ顕微鏡は、位置合わせが必要でない、走査イオン伝導
性顕微鏡の電極プローブ、そしてある場合には走査近接
場光学顕微鏡（SNOM）の電極プローブを含むプローブを
使用する。
要としないいくつかのタイプのプローブが使用されてい
る。走査トンネル顕微鏡（STM）の電極先端がその例で
ある（図1F）。STMに対して、シャープな金属針が導電
ホルダに挿入され、導電ホルダは増幅器に対して電気的
接触をもたらし、増幅器は先端と試料との間のトンネル
電流を測定する。導電マウントとの接触と増幅器に対す
る電気的接続だけで、細かい位置合わせは必要でない。
このような先端は注入チューブ120の小さな部分に保持
されることが多い。このようなシステムとって先端の交
換は非常に簡単であり、１対のピンセットにより手で容
易に実行することができる。他のいくつかの走査プロー
ブ顕微鏡は、位置合わせが必要でない、走査イオン伝導
性顕微鏡の電極プローブ、そしてある場合には走査近接
場光学顕微鏡（SNOM）の電極プローブを含むプローブを
使用する。
他の非位置合わせプローブも原子間力顕微鏡（AFM）
に対して開発されており、この中には、カンチレバーの
たわみに応答して電圧または抵抗の変化を生じさせるピ
エゾ電気またはピエゾ抵抗材料124を有するストレイン
ゲージカンチレバープローブ122（図1G）がある。この
ようなプローブは米国特許第5,229,606号および第5,26
6,801号において最初に公開され、その後米国特許第5,3
45,816号、第5,345,815号および第5,321,977号でも説明
されている。非位置合わせSTMプローブおよびピエゾ抵
抗カンチレバープローブは、パーク・サイエンティフィ
ック・インスツルメントにより販売されたオートプロー
ブ VP UHVAFM/STMにおいて使用されている。
に対して開発されており、この中には、カンチレバーの
たわみに応答して電圧または抵抗の変化を生じさせるピ
エゾ電気またはピエゾ抵抗材料124を有するストレイン
ゲージカンチレバープローブ122（図1G）がある。この
ようなプローブは米国特許第5,229,606号および第5,26
6,801号において最初に公開され、その後米国特許第5,3
45,816号、第5,345,815号および第5,321,977号でも説明
されている。非位置合わせSTMプローブおよびピエゾ抵
抗カンチレバープローブは、パーク・サイエンティフィ
ック・インスツルメントにより販売されたオートプロー
ブ VP UHVAFM/STMにおいて使用されている。
これらの非位置合わせピエゾ電気およびピエゾ抵抗プ
ローブは、UHVのようなアクセスしがたい環境で作業す
るのに便利であるが、AFMに対して最良の光学的検出シ
ステムの感度レベルに適合していない。またピエゾ抵抗
およびピエゾ電気カンチレバープローブの感度は、カン
チレバーの機械的な特性に縛られており、非常に高いた
わみ感度を持つカンチレバーは多くの適用に対して堅す
ぎる。これらの理由ために、商業的なAFMシステムの大
多数は光学的な検出技術をいまだに使用しており、これ
は検出システムに対するカンチレバープローブの位置合
わせを必要とする。
ローブは、UHVのようなアクセスしがたい環境で作業す
るのに便利であるが、AFMに対して最良の光学的検出シ
ステムの感度レベルに適合していない。またピエゾ抵抗
およびピエゾ電気カンチレバープローブの感度は、カン
チレバーの機械的な特性に縛られており、非常に高いた
わみ感度を持つカンチレバーは多くの適用に対して堅す
ぎる。これらの理由ために、商業的なAFMシステムの大
多数は光学的な検出技術をいまだに使用しており、これ
は検出システムに対するカンチレバープローブの位置合
わせを必要とする。
7.先行技術のプローブ交換 先行技術の走査プローブ顕微鏡のほとんどは自動的な
プローブ交換に対する設備を持たない。これらのシステ
ムは古いプローブを手で取り除き、手でその適切な場所
に新しいプローブを取り付けることが必要である。いく
つかのシステムは、ドーナツ形スライドトレーまたは同
様な回転可能なキャリア上に装着された複数のプローブ
を持っている。例えばパーク・サイエンティフィック・
インスツルメントにより販売されたオートプローブ VP
UHV AFM/STMや、米国特許第5,157、256号においてア
ーロン氏により説明されている超高真空（UHV）で動作
するSTMのための装置は、ドーナツ形スライドトレー上
に複数の非位置合わせSTMプローブを保持し、新しいプ
ローブを適所に回転させる手段を持っている。トダ氏ら
は（米国特許第5,253,515号）は、回転可能なキャリア
上に事前位置合わせまたは自己位置合わせAFMカンチレ
バープローブを装着するための同様な機構を説明してい
る。DMEデュアルスコープとともに使用するための先に
説明した技術も複数のプローブとともに使用するために
適合させることができるが、強磁性プローブマウントが
ジャンプして磁石と接触した後のプローブ位置の再現不
可能性と関連する小片汚染問題により、きわどい試料を
測定する自動化システムに対してこの技術は満足できな
いものである。
プローブ交換に対する設備を持たない。これらのシステ
ムは古いプローブを手で取り除き、手でその適切な場所
に新しいプローブを取り付けることが必要である。いく
つかのシステムは、ドーナツ形スライドトレーまたは同
様な回転可能なキャリア上に装着された複数のプローブ
を持っている。例えばパーク・サイエンティフィック・
インスツルメントにより販売されたオートプローブ VP
UHV AFM/STMや、米国特許第5,157、256号においてア
ーロン氏により説明されている超高真空（UHV）で動作
するSTMのための装置は、ドーナツ形スライドトレー上
に複数の非位置合わせSTMプローブを保持し、新しいプ
ローブを適所に回転させる手段を持っている。トダ氏ら
は（米国特許第5,253,515号）は、回転可能なキャリア
上に事前位置合わせまたは自己位置合わせAFMカンチレ
バープローブを装着するための同様な機構を説明してい
る。DMEデュアルスコープとともに使用するための先に
説明した技術も複数のプローブとともに使用するために
適合させることができるが、強磁性プローブマウントが
ジャンプして磁石と接触した後のプローブ位置の再現不
可能性と関連する小片汚染問題により、きわどい試料を
測定する自動化システムに対してこの技術は満足できな
いものである。
要約すると、先行技術は、実質的に費用、複雑性、信
頼性を増加させることなく、さまざまなプローブタイプ
に対して走査プローブ顕微鏡に組み込むことができるプ
ローブ交換および位置合わせの信頼性ある方法を提供し
ていない。さらに、先行技術は、作業者の介在がない自
動的なプローブ交換および位置合わせを提供していな
い。
頼性を増加させることなく、さまざまなプローブタイプ
に対して走査プローブ顕微鏡に組み込むことができるプ
ローブ交換および位置合わせの信頼性ある方法を提供し
ていない。さらに、先行技術は、作業者の介在がない自
動的なプローブ交換および位置合わせを提供していな
い。
発明の要約 したがって、本発明の１つの目的は、便利で信頼性あ
るプローブ交換および位置合わせを含む、新しい改良さ
れた走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微鏡を作
動させる方法を提供することである。
るプローブ交換および位置合わせを含む、新しい改良さ
れた走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微鏡を作
動させる方法を提供することである。
本発明の他の目的は、実質的な費用または複雑性の増
加がなく、さまざまなプローブタイプの交換および位置
合わせを容易に適応させることができる、新しく改良さ
れた走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微鏡を作
動させる方法を提供することである。
加がなく、さまざまなプローブタイプの交換および位置
合わせを容易に適応させることができる、新しく改良さ
れた走査プローブ顕微鏡および走査プローブ顕微鏡を作
動させる方法を提供することである。
さらに別の目的は、プローブ交換および位置合わせが
自動化されている先に着目したような新しい顕微鏡およ
び方法を提供することである。
自動化されている先に着目したような新しい顕微鏡およ
び方法を提供することである。
これらおよび他の目的は、新規な走査プローブ顕微鏡
を提供することにより本発明にしたがって達成すること
ができ、この新規な走査プローブ顕微鏡は、少なくとも
１つのプローブを保管するプローブ保管手段と、前記プ
ローブがプローブマウントに移された時に、前記プロー
ブ保管手段により保管されている前記プローブをサポー
トするプローブマウントと、前記試料の少なくとも１つ
の特性に関係するプローブ応答を検出する検出システム
と、前記プローブマウントと前記試料との間および前記
プローブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進
運動を生成する並進運動手段と、前記プローブ保管手段
からプローブを取り外し、前記プローブマウント上に前
記プローブを取り付ける、選択的に起動可能なプローブ
ピックアップ手段と、前記検出システムに関して前記プ
ローブ保管手段を位置付けて前記選択的に起動可能なプ
ローブピックアップ手段を起動するように前記並進運動
手段を制御する制御手段とを具備している。
を提供することにより本発明にしたがって達成すること
ができ、この新規な走査プローブ顕微鏡は、少なくとも
１つのプローブを保管するプローブ保管手段と、前記プ
ローブがプローブマウントに移された時に、前記プロー
ブ保管手段により保管されている前記プローブをサポー
トするプローブマウントと、前記試料の少なくとも１つ
の特性に関係するプローブ応答を検出する検出システム
と、前記プローブマウントと前記試料との間および前記
プローブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進
運動を生成する並進運動手段と、前記プローブ保管手段
からプローブを取り外し、前記プローブマウント上に前
記プローブを取り付ける、選択的に起動可能なプローブ
ピックアップ手段と、前記検出システムに関して前記プ
ローブ保管手段を位置付けて前記選択的に起動可能なプ
ローブピックアップ手段を起動するように前記並進運動
手段を制御する制御手段とを具備している。
本発明の走査プローブ顕微鏡の好ましい実施形態で
は、前記プローブピックアップ手段が、前記プローブ保
管手段に保管されているプローブと前記検出システムと
の相対位置合わせを測定する位置合わせ検出手段を備え
ており、前記制御手段が、前記位置合わせ検出手段から
の入力を受け取り、前記保管プローブと前記検出システ
ムとの間の所要の位置合わせが達成されるまで前記保管
プローブと前記検出システムとの間の相対運動を生成す
るように前記並進運動手段に加えられる制御信号を出力
する手段と、前記選択的に起動可能なプローブピックア
ップ手段を起動する手段とを備えている。
は、前記プローブピックアップ手段が、前記プローブ保
管手段に保管されているプローブと前記検出システムと
の相対位置合わせを測定する位置合わせ検出手段を備え
ており、前記制御手段が、前記位置合わせ検出手段から
の入力を受け取り、前記保管プローブと前記検出システ
ムとの間の所要の位置合わせが達成されるまで前記保管
プローブと前記検出システムとの間の相対運動を生成す
るように前記並進運動手段に加えられる制御信号を出力
する手段と、前記選択的に起動可能なプローブピックア
ップ手段を起動する手段とを備えている。
１つの実施形態では、前記並進運動手段が、前記プロ
ーブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進運動
を生成する第１の手段と、前記プローブマウントと前記
試料との間の相対並進運動を生成する第２の手段とを備
えている。前記第１の手段および第２の手段により生成
された運動の組合わせを、前記保管プローブと前記プロ
ーブマウントとの間の位置合わせを生成させるのに使用
することができる。
ーブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進運動
を生成する第１の手段と、前記プローブマウントと前記
試料との間の相対並進運動を生成する第２の手段とを備
えている。前記第１の手段および第２の手段により生成
された運動の組合わせを、前記保管プローブと前記プロ
ーブマウントとの間の位置合わせを生成させるのに使用
することができる。
本発明にしたがうと、前記制御手段は、前記保管プロ
ーブが前記プローブマウントと近接してまたは接触して
位置合わせされるように、前記保管プローブの位置合わ
せの前に前記保管プローブと前記プローブマウントが近
接した時または接触した時を決定する。前記保管プロー
ブの所要の位置合わせが達成された時に前記保管プロー
ブが前記プローブマウントにクランプされる。クランプ
は、真空クランプ、機械的クランプ、静電的クランプ、
電磁気的クランプ、あるいは他の同様なクランプ手段に
より実現される。
ーブが前記プローブマウントと近接してまたは接触して
位置合わせされるように、前記保管プローブの位置合わ
せの前に前記保管プローブと前記プローブマウントが近
接した時または接触した時を決定する。前記保管プロー
ブの所要の位置合わせが達成された時に前記保管プロー
ブが前記プローブマウントにクランプされる。クランプ
は、真空クランプ、機械的クランプ、静電的クランプ、
電磁気的クランプ、あるいは他の同様なクランプ手段に
より実現される。
好ましい実施形態では、本発明の方法は、前記プロー
ブを前記プローブマウントにクランプする前に、前記プ
ローブマウントと近接してまたは接触して前記保管プロ
ーブを配置することを含む。プローブがしっかりと装着
されているか否かを決定するために、さまざまなエラー
チェック方法が使用される。
ブを前記プローブマウントにクランプする前に、前記プ
ローブマウントと近接してまたは接触して前記保管プロ
ーブを配置することを含む。プローブがしっかりと装着
されているか否かを決定するために、さまざまなエラー
チェック方法が使用される。
本発明の走査プローブ顕微鏡の好ましい実施形態で
は、プローブ保管手段がプローブ保管カセットとしてま
たは複数のプローブが保持されるウエハとして実現され
る。プローブ保管手段が、前記プローブに関して前記試
料を移動させるのにも使用される前記並進運動手段上に
装着されている。
は、プローブ保管手段がプローブ保管カセットとしてま
たは複数のプローブが保持されるウエハとして実現され
る。プローブ保管手段が、前記プローブに関して前記試
料を移動させるのにも使用される前記並進運動手段上に
装着されている。
本発明は、試料の特性のマップを生成することがで
き、プローブマウントと前記試料との間の相対並進運動
を生成する手段と前記試料の特性に関するプローブの応
答を検出する検出システムとを含む走査プローブ顕微鏡
のプローブマウント上にプローブを装着する新規かつ改
良された方法にも向けられている。この方法は、前記プ
ローブマウント上に装着するためのプローブをプローブ
保管装置上に保管し、前記検出システムに対して前記保
管プローブを位置合わせし、前記プローブが位置合わせ
された時に前記保管プローブを前記プローブマウントに
取り付けることを含んでいる。
き、プローブマウントと前記試料との間の相対並進運動
を生成する手段と前記試料の特性に関するプローブの応
答を検出する検出システムとを含む走査プローブ顕微鏡
のプローブマウント上にプローブを装着する新規かつ改
良された方法にも向けられている。この方法は、前記プ
ローブマウント上に装着するためのプローブをプローブ
保管装置上に保管し、前記検出システムに対して前記保
管プローブを位置合わせし、前記プローブが位置合わせ
された時に前記保管プローブを前記プローブマウントに
取り付けることを含んでいる。
１つの位置合わせ技術では、位置合わせを示す、和信
号、垂直方向たわみ信号、横方向たわみ信号の少なくと
も１つを生成するために、位置感知検出器が使用され
る。他の技術では、前記プローブの光学画像を生成し、
前記生成された画像のパターンを認識することにより位
置合わせが達成される。他の技術では、この方法は前記
プローブ保管装置上に基準マークを提供し、前記基準マ
ークを含む画像を形成し、前記画像中の前記基準マーク
を検出し、前記検出された基準マークに基づいて前記保
管プローブを位置合わせすることを含んでいる。
号、垂直方向たわみ信号、横方向たわみ信号の少なくと
も１つを生成するために、位置感知検出器が使用され
る。他の技術では、前記プローブの光学画像を生成し、
前記生成された画像のパターンを認識することにより位
置合わせが達成される。他の技術では、この方法は前記
プローブ保管装置上に基準マークを提供し、前記基準マ
ークを含む画像を形成し、前記画像中の前記基準マーク
を検出し、前記検出された基準マークに基づいて前記保
管プローブを位置合わせすることを含んでいる。
位置合わせ後、本発明の方法は、一般的に前記プロー
ブマウントに対して前記位置合わせされた保管プローブ
を真空により保持するように、前記位置合わせされた保
管プローブに対して真空を適用することにより、前記プ
ローブマウントに対して前記位置合わせされた保管プロ
ーブをクランプすることを含む。プローブがしっかりと
装着されたか否かを決定するために、さまざまなエラー
チェック方法が使用される。さらに一般的には、真空ク
ランプ、機械的クランプ、静電的クランプ、あるいは他
の同様なクランプを使用することにより、プローブがプ
ローブマウントに対してクランプされる。
ブマウントに対して前記位置合わせされた保管プローブ
を真空により保持するように、前記位置合わせされた保
管プローブに対して真空を適用することにより、前記プ
ローブマウントに対して前記位置合わせされた保管プロ
ーブをクランプすることを含む。プローブがしっかりと
装着されたか否かを決定するために、さまざまなエラー
チェック方法が使用される。さらに一般的には、真空ク
ランプ、機械的クランプ、静電的クランプ、あるいは他
の同様なクランプを使用することにより、プローブがプ
ローブマウントに対してクランプされる。
図面の簡単な説明 添付した図面を考慮に入れて以下の詳細な説明を参照
することにより同じことがよりよく理解できるにしたが
って、本発明およびその付随する多くの効果のより完全
な理解が容易に得られるであろう。
することにより同じことがよりよく理解できるにしたが
って、本発明およびその付随する多くの効果のより完全
な理解が容易に得られるであろう。
図1A−1Eは、検出システムに対して走査プローブ顕微
鏡におけるプローブを位置合わせするために使用される
いくつかの先行技術システムの簡単化した図であり、図
1Fと1Gは、このような位置合わせを必要としない先行技
術のSPMプローブの簡単化した図である。
鏡におけるプローブを位置合わせするために使用される
いくつかの先行技術システムの簡単化した図であり、図
1Fと1Gは、このような位置合わせを必要としない先行技
術のSPMプローブの簡単化した図である。
図２は、本発明にしたがった自動的なプローブ交換お
よび位置合わせ能力を備えた走査プローブ顕微鏡の簡単
化した概略断面図である。
よび位置合わせ能力を備えた走査プローブ顕微鏡の簡単
化した概略断面図である。
図３は、原子間力顕微鏡において使用されるカンチレ
バープローブの簡単化した斜視図である。
バープローブの簡単化した斜視図である。
図4Aおよび4Bは、本発明にしたがって走査プローブ顕
微鏡で使用するために保管装置に複数のプローブを保持
するプローブカセットのそれぞれの実施形態の簡単化し
た斜視図である。
微鏡で使用するために保管装置に複数のプローブを保持
するプローブカセットのそれぞれの実施形態の簡単化し
た斜視図である。
図５は、本発明にしたがった走査プローブ顕微鏡にお
いてプローブをピックアップし保持するために真空を使
用する走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面クロー
ズアップ図である。
いてプローブをピックアップし保持するために真空を使
用する走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面クロー
ズアップ図である。
図６は、本発明にしたがった走査プローブ顕微鏡にお
いてプローブをピックアップし保持するために、機械的
クランプ、スプリングアセンブリ、リニアアクチュエー
タを使用する走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面
クローズアップ図である。
いてプローブをピックアップし保持するために、機械的
クランプ、スプリングアセンブリ、リニアアクチュエー
タを使用する走査プローブ顕微鏡の簡単化した概略断面
クローズアップ図である。
図７は、本発明にしたがったビデオ画像またはパター
ン認識を使用することを含む、光ビューイングを使用し
て走査プローブ顕微鏡においてカンチレバープローブを
位置合わせすること図示している平面図である。
ン認識を使用することを含む、光ビューイングを使用し
て走査プローブ顕微鏡においてカンチレバープローブを
位置合わせすること図示している平面図である。
図8Aは、本発明にしたがってカンチレバーの長さに垂
直な方向の検出ビームに対してカンチレバープローブを
位置合わせするプロセスの概略スケッチである。
直な方向の検出ビームに対してカンチレバープローブを
位置合わせするプロセスの概略スケッチである。
図8Bは、本発明にしたがってカンチレバーの長さに沿
った方向の検出ビームに対してカンチレバープローブを
位置合わせするプロセスの概略スケッチである。
った方向の検出ビームに対してカンチレバープローブを
位置合わせするプロセスの概略スケッチである。
図9A−9Dは、走査プローブ顕微鏡から使用済プローブ
を取り除くための技術を図示しているいくつかの装置の
簡単化した断面クローズアップ図である。
を取り除くための技術を図示しているいくつかの装置の
簡単化した断面クローズアップ図である。
好適な実施形態の詳細な説明 図面を参照すると、同一の参照番号はいくつかの図面
を通して同一の部品または対応する部品を示しており、
特にその図２を参照すると、本発明にしたがった自動的
なプローブ交換および位置合わせ能力を備えた走査プロ
ーブ顕微鏡の例が図示されている。図示の目的だけのた
めに、原子間力顕微鏡（AFM）の特定の設計が図示され
ているが、図示されている一般的な原理は、さまざまな
走査プローブ顕微鏡に適用可能である。
を通して同一の部品または対応する部品を示しており、
特にその図２を参照すると、本発明にしたがった自動的
なプローブ交換および位置合わせ能力を備えた走査プロ
ーブ顕微鏡の例が図示されている。図示の目的だけのた
めに、原子間力顕微鏡（AFM）の特定の設計が図示され
ているが、図示されている一般的な原理は、さまざまな
走査プローブ顕微鏡に適用可能である。
1.特定の原子間力顕微鏡設計を含む基本的な走査プロー
ブ顕微鏡設計と動作 走査プローブ顕微鏡法では、走査機構（略して、スキ
ャナ）２がプローブ４と（図示されていない）試料との
間の相対運動を生じさせる。プローブ４は、試料の１つ
以上の特性に関係する信号または応答を発生させること
ができる。検出システム11は、プローブによって発生さ
れた信号または応答を測定し、強調または増幅する。試
料上の１つ以上の点において１つ以上の試料特性のマッ
プを生成するために、スキャナ、プローブ、検出システ
ム、関連電子回路およびデータ獲得システムが使用され
る。スキャナは任意数の並進運動軸を持つことができる
が、通常、試料表面に平行な２つ（ＸおよびＹ軸）と試
料に垂直な１つ（Ｚ軸）の３軸で走査する能力を持って
いる。スキャナは、３軸で走査できる単一チューブの形
態でピエゾ電気材料から作られているか、複数の単一軸
構成要素の組合わせや、チューブと単一軸構成要素の任
意の組合わせから作られていることが多い。またスキャ
ナの動きをさまざまな機構的手段により制約し、増幅し
てもよい。スキャナは電歪材料、磁歪材料、任意の同様
な材料から構成することもでき、実際、十分細かい動き
を生み出す任意の装置から構成することもできる。
ブ顕微鏡設計と動作 走査プローブ顕微鏡法では、走査機構（略して、スキ
ャナ）２がプローブ４と（図示されていない）試料との
間の相対運動を生じさせる。プローブ４は、試料の１つ
以上の特性に関係する信号または応答を発生させること
ができる。検出システム11は、プローブによって発生さ
れた信号または応答を測定し、強調または増幅する。試
料上の１つ以上の点において１つ以上の試料特性のマッ
プを生成するために、スキャナ、プローブ、検出システ
ム、関連電子回路およびデータ獲得システムが使用され
る。スキャナは任意数の並進運動軸を持つことができる
が、通常、試料表面に平行な２つ（ＸおよびＹ軸）と試
料に垂直な１つ（Ｚ軸）の３軸で走査する能力を持って
いる。スキャナは、３軸で走査できる単一チューブの形
態でピエゾ電気材料から作られているか、複数の単一軸
構成要素の組合わせや、チューブと単一軸構成要素の任
意の組合わせから作られていることが多い。またスキャ
ナの動きをさまざまな機構的手段により制約し、増幅し
てもよい。スキャナは電歪材料、磁歪材料、任意の同様
な材料から構成することもでき、実際、十分細かい動き
を生み出す任意の装置から構成することもできる。
原子間力顕微鏡法のケースでは、プローブ４は通常サ
ポート基板８上に装着されたスプリングレバーすなわち
カンチレバー６である（図３参照）。カンチレバー６、
その針10、およびそのサポート基板は全体としてプロー
ブ４として呼ばれる。原子間力顕微鏡法では検出システ
ム11がカンチレバーの自由端の動きを検出する。この動
きを検出するためにさまざまな光学的技術が使用される
ことが多い。光レバー検出を使用する検出システム11の
例が図２に示されている。このケースでは、光ビーム12
がカンチレバー上に焦点が合わされ、反射ビーム14が位
置感知検出器16に向けられる。位置感知検出器は通常２
または４セグメントの光ダイオードあるいはラテラル効
果光ダイオードである。カンチレバー６の自由端が表面
の特徴に応答してたわむので、反射光ビーム14は位置感
知検出器16上で位置を変える。光レバーAFMのケースで
は、光源18、光ビーム12,14、位置感知検出器（PSD）16
が全体として検出システム11を形成する。スキャナ２、
光ビーム源18、およびPSD16は、ここでは、通常AFMヘッ
ド20として呼ばれる共通のアセンブリに装着されている
ように示されている。もちろん、スキャナ、ビーム源、
プローブおよび検出器の多くの変化した配置がいままで
なされており、そして構成することが可能である。
ポート基板８上に装着されたスプリングレバーすなわち
カンチレバー６である（図３参照）。カンチレバー６、
その針10、およびそのサポート基板は全体としてプロー
ブ４として呼ばれる。原子間力顕微鏡法では検出システ
ム11がカンチレバーの自由端の動きを検出する。この動
きを検出するためにさまざまな光学的技術が使用される
ことが多い。光レバー検出を使用する検出システム11の
例が図２に示されている。このケースでは、光ビーム12
がカンチレバー上に焦点が合わされ、反射ビーム14が位
置感知検出器16に向けられる。位置感知検出器は通常２
または４セグメントの光ダイオードあるいはラテラル効
果光ダイオードである。カンチレバー６の自由端が表面
の特徴に応答してたわむので、反射光ビーム14は位置感
知検出器16上で位置を変える。光レバーAFMのケースで
は、光源18、光ビーム12,14、位置感知検出器（PSD）16
が全体として検出システム11を形成する。スキャナ２、
光ビーム源18、およびPSD16は、ここでは、通常AFMヘッ
ド20として呼ばれる共通のアセンブリに装着されている
ように示されている。もちろん、スキャナ、ビーム源、
プローブおよび検出器の多くの変化した配置がいままで
なされており、そして構成することが可能である。
検出器11が光学干渉計を含んでいるAFMも作られてお
り、光ビームの代わりに電子ビームを使用する他の検出
システムさえ作られている。初期のAFMでは、走査トン
ネル顕微鏡の先端がAFMカンチレバーの上に配置されて
おり、カンチレバーのたわみを検出するために電子トン
ネルにおける変動が使用されていた。これらすべての技
術では、通常ミクロンスケールの精度で検出システムが
プローブ４に対して位置合わせされなければならない。
必要とされる高い位置合せ精度は、新しいプローブを取
り付けそして位置合わせすることを促す。
り、光ビームの代わりに電子ビームを使用する他の検出
システムさえ作られている。初期のAFMでは、走査トン
ネル顕微鏡の先端がAFMカンチレバーの上に配置されて
おり、カンチレバーのたわみを検出するために電子トン
ネルにおける変動が使用されていた。これらすべての技
術では、通常ミクロンスケールの精度で検出システムが
プローブ４に対して位置合わせされなければならない。
必要とされる高い位置合せ精度は、新しいプローブを取
り付けそして位置合わせすることを促す。
2.プローブ交換およびプローブカセット、プローブマウ
ントおよび並進運動ステージの位置合わせ 図２はまたはプローブ交換および構成部品の位置合わ
せを示しており、この構成部品には自動プローブ交換お
よび位置合わせに使用されるプローブカセット、プロー
ブマウントおよび並進運動ステージが含まれている。概
略的に示されているように、プローブ４はここではプロ
ーブ保管カセット22であるプローブ保管装置上に装着さ
れており、このプローブ保管カセット22は走査プローブ
顕微鏡に取り付けるための１つ以上のプローブを保管す
ることができる。可能性あるプローブカセットは図4Aお
よび図4Bに示されている。プローブカセット22は、SPM
検出システム11に対するプローブカセット22と保管プロ
ーブ４の動きを生じさせるXY並進運動装置24または同様
な装置の上に装着される。このようなXY並進運動装置
は、SPMに対して試料を移動させたり、試料に対してSPM
を移動させたりするために、走査プローブ顕微鏡におい
てすでに普通に使用されている。これらのXY並進運動ス
テージは通常ミクロンスケールで再現可能な動きを生じ
させることができる精密装置であり、このような装置は
デジタル・インスツルメントにより製造されたディメン
ジョンシリーズSPMシステムにおいて既に使用されてい
る。
ントおよび並進運動ステージの位置合わせ 図２はまたはプローブ交換および構成部品の位置合わ
せを示しており、この構成部品には自動プローブ交換お
よび位置合わせに使用されるプローブカセット、プロー
ブマウントおよび並進運動ステージが含まれている。概
略的に示されているように、プローブ４はここではプロ
ーブ保管カセット22であるプローブ保管装置上に装着さ
れており、このプローブ保管カセット22は走査プローブ
顕微鏡に取り付けるための１つ以上のプローブを保管す
ることができる。可能性あるプローブカセットは図4Aお
よび図4Bに示されている。プローブカセット22は、SPM
検出システム11に対するプローブカセット22と保管プロ
ーブ４の動きを生じさせるXY並進運動装置24または同様
な装置の上に装着される。このようなXY並進運動装置
は、SPMに対して試料を移動させたり、試料に対してSPM
を移動させたりするために、走査プローブ顕微鏡におい
てすでに普通に使用されている。これらのXY並進運動ス
テージは通常ミクロンスケールで再現可能な動きを生じ
させることができる精密装置であり、このような装置は
デジタル・インスツルメントにより製造されたディメン
ジョンシリーズSPMシステムにおいて既に使用されてい
る。
このスケールのXY並進運動装置24はサポートプラット
フォーム26に装着されている。垂直サポートフレーム28
はサポートプラットフォーム26に装着され、このサポー
トプラットフォーム26にはＺ並進運動装置30が装着され
る。Ｚ並進運動装置30または同様な装置が、SPMヘッド2
0とプローブカセット22との間の相対的な垂直運動を生
み出す。別の構成では、Ｚ並進運動装置がプローブカセ
ットを動かし、代わりに、プローブカセットに対するSP
MヘッドのXYZ軸運動を提供する並進運動装置の任意の組
合わせが本発明にしたがって使用できる。
フォーム26に装着されている。垂直サポートフレーム28
はサポートプラットフォーム26に装着され、このサポー
トプラットフォーム26にはＺ並進運動装置30が装着され
る。Ｚ並進運動装置30または同様な装置が、SPMヘッド2
0とプローブカセット22との間の相対的な垂直運動を生
み出す。別の構成では、Ｚ並進運動装置がプローブカセ
ットを動かし、代わりに、プローブカセットに対するSP
MヘッドのXYZ軸運動を提供する並進運動装置の任意の組
合わせが本発明にしたがって使用できる。
プローブマウント32がスキャナ２の自由端に取り付け
られる。プローブマウントは、プローブカセット22に保
管されているプローブ４をピックアップして保持するた
めに、選択的に起動可能ないくつかのピックアップ機構
を持っており、その内の２つの実施形態が図５および６
において詳細に示されている。振動プローブシステムに
対しては、他の振動駆動装置33（通常小さなピエゾ電気
装置）をプローブマウント32の近くに装着してもよい。
プローブの振動は、スキャナ２のＺ軸に対して垂直変調
信号を加えることにより引き起こしてもよい。
られる。プローブマウントは、プローブカセット22に保
管されているプローブ４をピックアップして保持するた
めに、選択的に起動可能ないくつかのピックアップ機構
を持っており、その内の２つの実施形態が図５および６
において詳細に示されている。振動プローブシステムに
対しては、他の振動駆動装置33（通常小さなピエゾ電気
装置）をプローブマウント32の近くに装着してもよい。
プローブの振動は、スキャナ２のＺ軸に対して垂直変調
信号を加えることにより引き起こしてもよい。
図２に示されているシステムの残りは、位置合わせ
し、プローブカセット22からプローブ４をピックアップ
するプロセスを制御することに関係する。この装置およ
び技術の一般的な手順は、XY並進運動装置24、Ｚ並進運
動装置30、スキャナ２のいずれかまたはすべてを使用し
て、プローブカセット22またはプローブマウントを移動
することである。プローブ４が検出システム11に対して
適切に位置合わせされると、プローブカセット22からSP
Mのプローブマウント32上にプローブを持ち上げるため
に、プローブピックアップアクチュエータ34がイネーブ
ルされる。この時点で、プローブ４がスキャナ２に取り
付けられ、試料の特性を測定する準備ができる。
し、プローブカセット22からプローブ４をピックアップ
するプロセスを制御することに関係する。この装置およ
び技術の一般的な手順は、XY並進運動装置24、Ｚ並進運
動装置30、スキャナ２のいずれかまたはすべてを使用し
て、プローブカセット22またはプローブマウントを移動
することである。プローブ４が検出システム11に対して
適切に位置合わせされると、プローブカセット22からSP
Mのプローブマウント32上にプローブを持ち上げるため
に、プローブピックアップアクチュエータ34がイネーブ
ルされる。この時点で、プローブ４がスキャナ２に取り
付けられ、試料の特性を測定する準備ができる。
3.適切なプローブ位置合わせの検出 A.光学的パターン認識 ピックアップアクチュエータ34がイネーブルされる前
に、プローブが適切に位置合わせされているか否かを検
出するために位置合わせ検出システムを使用することが
できる。このような位置合わせ検出システムの内２つが
図２に図示されている。１つの技術では、プローブ４の
位置を見ることができるように対物レンズ36が配置され
る。示されている実施形態では、すべてＺ並進運動装置
に装着されている対物レンズ36、部分ミラー38、ミラー
40を使用して、プローブ４の画像が垂直サポートフレー
ムに装着されているカメラ42の内部に形成される。この
光学系の詳細は図示のためだけに提供されており、プロ
ーブの光景を提供する多くの代わりのシステムも動作す
る。
に、プローブが適切に位置合わせされているか否かを検
出するために位置合わせ検出システムを使用することが
できる。このような位置合わせ検出システムの内２つが
図２に図示されている。１つの技術では、プローブ４の
位置を見ることができるように対物レンズ36が配置され
る。示されている実施形態では、すべてＺ並進運動装置
に装着されている対物レンズ36、部分ミラー38、ミラー
40を使用して、プローブ４の画像が垂直サポートフレー
ムに装着されているカメラ42の内部に形成される。この
光学系の詳細は図示のためだけに提供されており、プロ
ーブの光景を提供する多くの代わりのシステムも動作す
る。
図２に示されている実施形態では、カメラ42からの画
像は光学的パターン認識システム44に送られる。光学的
パターン認識システムは、プローブ４の形状を探して、
プローブの端部が何らかの基準位置からどの程度オフセ
ットしているかを示す信号を発生させるように設計また
はプログラムされている。これは一般的に、カメラ画像
のいくつかのサブセットと基準形状との相互相関マアッ
プを形成することによりなされる。もちろんパターン認
識システムは、４セグメント光ダイオードまたは他の位
置感知検出器上にプローブの画像を投射するくらい簡単
に構成することができる。ビーム形状カンチレバーのよ
うな簡単な対象物に対して、基準位置からどの方向にプ
ローブがオフセットしているかを示すために、４セグメ
ント光電検出器からの信号を容易に処理することができ
る。
像は光学的パターン認識システム44に送られる。光学的
パターン認識システムは、プローブ４の形状を探して、
プローブの端部が何らかの基準位置からどの程度オフセ
ットしているかを示す信号を発生させるように設計また
はプログラムされている。これは一般的に、カメラ画像
のいくつかのサブセットと基準形状との相互相関マアッ
プを形成することによりなされる。もちろんパターン認
識システムは、４セグメント光ダイオードまたは他の位
置感知検出器上にプローブの画像を投射するくらい簡単
に構成することができる。ビーム形状カンチレバーのよ
うな簡単な対象物に対して、基準位置からどの方向にプ
ローブがオフセットしているかを示すために、４セグメ
ント光電検出器からの信号を容易に処理することができ
る。
パターン認識システムまたは同様な装置からの信号は
制御システム46に送られ、そして制御システム46は、XY
並進運動装置24、Ｚ並進運動装置30、およびスキャナ２
のそれぞれの動きを制御する１組の運動駆動装置50,52,
54にコマンドを発行する。プローブが何らかの基準中心
点45に対して位置合わせされるまでプローブを動かすた
めに、並進運動装置および／またはスキャナのいずれか
またはすべてが使用される。プローブが基準中心点と位
置合わせされた時にプローブが検出システム11とも位置
合わせされるように、基準中心点は較正プロセスを通し
て選択される。AFMカンチレバープローブの最終位置合
わせが図７に概略的に示されている。代わりに、非自動
化システムにおいて、プローブピックアップアクチュエ
ータがプローブ画像の観察によりイネーブルされる前
に、ユーザが手動でプローブの必要なXYZ運動を生じさ
せることができる。
制御システム46に送られ、そして制御システム46は、XY
並進運動装置24、Ｚ並進運動装置30、およびスキャナ２
のそれぞれの動きを制御する１組の運動駆動装置50,52,
54にコマンドを発行する。プローブが何らかの基準中心
点45に対して位置合わせされるまでプローブを動かすた
めに、並進運動装置および／またはスキャナのいずれか
またはすべてが使用される。プローブが基準中心点と位
置合わせされた時にプローブが検出システム11とも位置
合わせされるように、基準中心点は較正プロセスを通し
て選択される。AFMカンチレバープローブの最終位置合
わせが図７に概略的に示されている。代わりに、非自動
化システムにおいて、プローブピックアップアクチュエ
ータがプローブ画像の観察によりイネーブルされる前
に、ユーザが手動でプローブの必要なXYZ運動を生じさ
せることができる。
B.反射信号 先に説明したパターン認識技術の代わりのものとし
て、ピックアップのためにプローブを位置合わせするの
に、検出システム11自体を位置合わせ検出システムとし
て使用してもよい。これも図２に概略的に示されてい
る。これはより少ない付加構成部品しか必要とせず、よ
り安価な走査プローブ顕微鏡システムにさえ含めること
ができることから、興味をそそる技術である。
て、ピックアップのためにプローブを位置合わせするの
に、検出システム11自体を位置合わせ検出システムとし
て使用してもよい。これも図２に概略的に示されてい
る。これはより少ない付加構成部品しか必要とせず、よ
り安価な走査プローブ顕微鏡システムにさえ含めること
ができることから、興味をそそる技術である。
AFMに対する光レバーたわみが示されている特定のケ
ースでは、位置検知検出器16の出力は信号処理電子回路
48に送られる。信号処理電子回路はさまざまな信号を生
じるが、（１）和信号、（２）垂直方向たわみ信号、
（３）横方向たわみ信号の３つの簡単な信号が特に有用
である。和信号はカンチレバープローブ４からの反射ビ
ーム14における反射された光の総量の尺度である。垂直
方向および横方向たわみ信号は、検出システム、特に入
来光ビーム12に対するカンチレバーの自由端の相対的な
垂直方向および横方向の角度を測定する。
ースでは、位置検知検出器16の出力は信号処理電子回路
48に送られる。信号処理電子回路はさまざまな信号を生
じるが、（１）和信号、（２）垂直方向たわみ信号、
（３）横方向たわみ信号の３つの簡単な信号が特に有用
である。和信号はカンチレバープローブ４からの反射ビ
ーム14における反射された光の総量の尺度である。垂直
方向および横方向たわみ信号は、検出システム、特に入
来光ビーム12に対するカンチレバーの自由端の相対的な
垂直方向および横方向の角度を測定する。
プローブカセット22中のプローブ４の位置合わせを達
成するために、満足のいく反射ビーム14がビーム反射信
号処理電子回路48により検出されるまで、XY並進運動装
置24、Ｚ並進運動装置30、およびスキャナ２のいずれか
またはすべてが動かされる。これが行われる１つの方法
は、単に、SPM検出システムに対してプローブをまたは
この逆をラスタ走査させている間に先に説明した“和”
信号を監視することによりなされる。これは図8Aおよび
8Bに概略的に示されている。これらの図面では、AFMカ
ンチレバーはカンチレバー軸に対して垂直な方向に（図
8A）および平行な方向に（図8B）走査される。これらの
走査は、要求される走査範囲、速度、精度および安定性
に基づいて、XY並進運動装置24またはスキャナ２、この
組合わせ、あるいは任意の均等な並進運動手段により生
じさせることができることに着目すべきである。例え
ば、XY並進運動装置を粗い位置合わせに使用し、スキャ
ナ運動を細かい位置合わせに使用することができる。
成するために、満足のいく反射ビーム14がビーム反射信
号処理電子回路48により検出されるまで、XY並進運動装
置24、Ｚ並進運動装置30、およびスキャナ２のいずれか
またはすべてが動かされる。これが行われる１つの方法
は、単に、SPM検出システムに対してプローブをまたは
この逆をラスタ走査させている間に先に説明した“和”
信号を監視することによりなされる。これは図8Aおよび
8Bに概略的に示されている。これらの図面では、AFMカ
ンチレバーはカンチレバー軸に対して垂直な方向に（図
8A）および平行な方向に（図8B）走査される。これらの
走査は、要求される走査範囲、速度、精度および安定性
に基づいて、XY並進運動装置24またはスキャナ２、この
組合わせ、あるいは任意の均等な並進運動手段により生
じさせることができることに着目すべきである。例え
ば、XY並進運動装置を粗い位置合わせに使用し、スキャ
ナ運動を細かい位置合わせに使用することができる。
両方のケースにおいて、レーザ反射“和”信号が動き
に対してグラフ化される。図8Aでは、入来光ビームの中
心がカンチレバープローブ中心と位置合わせされた時に
レーザ“和”信号が最大であることを示している。コマ
ンドを実行して、プローブ４がカンチレバー軸に垂直な
Ｙ軸において検出システム上で中心付けられるまで、XY
並進運動装置24またはスキャナ２のいずれかまたは両方
を移動させるために、制御システム46によりレーザ和信
号使用をすることができる。
に対してグラフ化される。図8Aでは、入来光ビームの中
心がカンチレバープローブ中心と位置合わせされた時に
レーザ“和”信号が最大であることを示している。コマ
ンドを実行して、プローブ４がカンチレバー軸に垂直な
Ｙ軸において検出システム上で中心付けられるまで、XY
並進運動装置24またはスキャナ２のいずれかまたは両方
を移動させるために、制御システム46によりレーザ和信
号使用をすることができる。
一旦カンチレバーがＹ軸において中心付けられると、
カンチレバーの長さに沿ったＸ軸において同様な走査が
実行される。カンチレバーが動いて入来光ビーム12のパ
スの外から直接ビームパスに入ると、“和”は、本質的
にゼロから最大値まで増加する。光レバーおよび同様の
技術は、入来ビーム12がAFMカンチレバープローブの自
由端の近くに位置付けられる時に最も敏感である。入来
光ビームがカンチレバーの固定端の方（この場合検出シ
ステムはあまり敏感でない）に移動してもレーザ反射和
信号は最大値のままであるので、カンチレバーの位置を
選択するために付加的な手段を使用しなければならな
い。例えば較正手順により、最良の感度を生み出す入力
ビームの位置を見つけることができる。例えば１つの実
施形態では、50％点のような、和信号が最大である点か
ら予め定められたオフセット距離が、制御システムにプ
ログラムされるかセットされる。制御システムは、所要
のオフセット位置に達するまでXY並進運動装置24または
スキャナ２のいずれかまたは両方に対してコマンドを発
行する。もちろん、和信号のＸ軸導関数の極大点を探す
ことや、ことによると最大和信号の95％が見つかるまで
カンチレバーを動かすことを含む、多くの同様な方法を
使用してもよい。最もよく動作する特定のプロセスは、
カンチレバーの細部および入来ビームの形状に依存し、
特定のケースに対して最適化することができる。
カンチレバーの長さに沿ったＸ軸において同様な走査が
実行される。カンチレバーが動いて入来光ビーム12のパ
スの外から直接ビームパスに入ると、“和”は、本質的
にゼロから最大値まで増加する。光レバーおよび同様の
技術は、入来ビーム12がAFMカンチレバープローブの自
由端の近くに位置付けられる時に最も敏感である。入来
光ビームがカンチレバーの固定端の方（この場合検出シ
ステムはあまり敏感でない）に移動してもレーザ反射和
信号は最大値のままであるので、カンチレバーの位置を
選択するために付加的な手段を使用しなければならな
い。例えば較正手順により、最良の感度を生み出す入力
ビームの位置を見つけることができる。例えば１つの実
施形態では、50％点のような、和信号が最大である点か
ら予め定められたオフセット距離が、制御システムにプ
ログラムされるかセットされる。制御システムは、所要
のオフセット位置に達するまでXY並進運動装置24または
スキャナ２のいずれかまたは両方に対してコマンドを発
行する。もちろん、和信号のＸ軸導関数の極大点を探す
ことや、ことによると最大和信号の95％が見つかるまで
カンチレバーを動かすことを含む、多くの同様な方法を
使用してもよい。最もよく動作する特定のプロセスは、
カンチレバーの細部および入来ビームの形状に依存し、
特定のケースに対して最適化することができる。
この手順の間に、SPMの付加的な位置合わせを自動的
に達成してもよいことに着目することに価値がある。例
えば、光レバーAFMは、通常、反射光ビーム14がおおよ
そ位置感知検出器16上に中心付けられることを必要とす
る。カンチレバープローブの位置合わせおよびピックア
ップの間または後に、反射光ビーム14に対して位置感知
検出器16を動かして中心付ける運動制御信号を発生させ
るために、ビーム反射信号処理電子回路48および制御シ
ステム46により生成された垂直方向および横方向たわみ
信号を使用することができる。代わりに、制御システム
46は、垂直方向および横方向たわみ信号がそれらの利用
可能な範囲の中心にあるように、これらの信号を電子的
にオフセットする信号を発生させることができる。
に達成してもよいことに着目することに価値がある。例
えば、光レバーAFMは、通常、反射光ビーム14がおおよ
そ位置感知検出器16上に中心付けられることを必要とす
る。カンチレバープローブの位置合わせおよびピックア
ップの間または後に、反射光ビーム14に対して位置感知
検出器16を動かして中心付ける運動制御信号を発生させ
るために、ビーム反射信号処理電子回路48および制御シ
ステム46により生成された垂直方向および横方向たわみ
信号を使用することができる。代わりに、制御システム
46は、垂直方向および横方向たわみ信号がそれらの利用
可能な範囲の中心にあるように、これらの信号を電子的
にオフセットする信号を発生させることができる。
C.代わりの位置合わせ技術 もちろん先の手順の任意の組合わせを使用することも
できる。例えば粗い位置合わせに対して光学的パターン
認識を使用し、細かい位置合わせに対してレーザ反射信
号を使用することができる。代わりに、付加的なモータ
または駆動機構で細かい位置合わせを実行することもで
きる。例えば図1Aに示されている先行技術のシステムで
は、光ビームの位置を調整するネジにモータを取り付け
ることができる。制御システムおよび同様な運動駆動装
置は、光ビームをプローブと位置合わせするために、先
に説明した技術の任意のものを使用して光ビームの位置
を調整することができる。さらに、容量性の、磁気的
な、光学的な、または機械的な手段により、プローブの
位置の近接感知を含む、他のさまざまな位置合わせ検出
技術を使用することができる。
できる。例えば粗い位置合わせに対して光学的パターン
認識を使用し、細かい位置合わせに対してレーザ反射信
号を使用することができる。代わりに、付加的なモータ
または駆動機構で細かい位置合わせを実行することもで
きる。例えば図1Aに示されている先行技術のシステムで
は、光ビームの位置を調整するネジにモータを取り付け
ることができる。制御システムおよび同様な運動駆動装
置は、光ビームをプローブと位置合わせするために、先
に説明した技術の任意のものを使用して光ビームの位置
を調整することができる。さらに、容量性の、磁気的
な、光学的な、または機械的な手段により、プローブの
位置の近接感知を含む、他のさまざまな位置合わせ検出
技術を使用することができる。
D.位置感知検出器の位置合せ 検出システムの最大ダイナミックレンジに対して、測
定ビームに関して検出器を中心付けることが必要である
ことが多い。例えば光レバーAFMのケースでは、反射ビ
ーム14を位置感知検出器16上に中心付けるか、あるいは
任意のオフセットを電子的に補償することが通常必要で
ある。堅いカンチレバーや同様なプローブにしては調整
は必要とされない。さまざまな程度にゆがみまたは曲が
り易いいくつかのプローブのケースでは、位置感知検出
器の機械的な並進運動または電子オフセットが必要とさ
れる。モータや電子オフセット方法は、自動プローブ交
換および位置合わせの一部として含めてもよい。
定ビームに関して検出器を中心付けることが必要である
ことが多い。例えば光レバーAFMのケースでは、反射ビ
ーム14を位置感知検出器16上に中心付けるか、あるいは
任意のオフセットを電子的に補償することが通常必要で
ある。堅いカンチレバーや同様なプローブにしては調整
は必要とされない。さまざまな程度にゆがみまたは曲が
り易いいくつかのプローブのケースでは、位置感知検出
器の機械的な並進運動または電子オフセットが必要とさ
れる。モータや電子オフセット方法は、自動プローブ交
換および位置合わせの一部として含めてもよい。
4.ピックアップ前の複数プローブ位置の決定 プローブカセット22上の保管装置に保持されているプ
ローブ４のアレイ位置を決定するために、プローブ位置
合わせを検出するための先に説明した技術の任意のもの
を使用することができる。保管装置に保持されているプ
ローブの位置の記録を作成するために、個々のプローブ
をピックアップするステップなしで、任意の位置合わせ
技術を複数のプローブに対して繰り返すことができる。
XY並進運動装置24および／またはスキャナ２を選択され
たプローブの記録された位置に動かすことにより、プロ
ーブを素早く交換することができる。
ローブ４のアレイ位置を決定するために、プローブ位置
合わせを検出するための先に説明した技術の任意のもの
を使用することができる。保管装置に保持されているプ
ローブの位置の記録を作成するために、個々のプローブ
をピックアップするステップなしで、任意の位置合わせ
技術を複数のプローブに対して繰り返すことができる。
XY並進運動装置24および／またはスキャナ２を選択され
たプローブの記録された位置に動かすことにより、プロ
ーブを素早く交換することができる。
5.プローブピックアップ機構の詳細 先に説明した技術の１つまたは任意の適切な代わりの
技術を使用することにより、一旦Ｘ軸およびＹ軸におい
て検出システムに対してカンチレバーが位置合わせされ
ると、プローブがプローブマウントピックアップ機構32
の垂直範囲に入るまで、Ｚ並進運動装置30が動かされ
る。既にプローブマウントピックアップ機構の垂直範囲
内に入っているプローブでプローブ位置合わせをできる
場合には、このステップもより早く実行することができ
る。２つのタイプのプローブマウントが図５および６に
示されている。以下に説明されている装着システムのい
ずれもプローブ上に特別に輪郭が付けられた組合わせ表
面を必要としないことは着目すべきことである。このた
めに、特定の自己位置合わせプローブに対して設計され
ているシステムよりも非常に多様なプローブ形状に対し
て、これらおよび同様なプローブ装着技術を使用するこ
とができる。
技術を使用することにより、一旦Ｘ軸およびＹ軸におい
て検出システムに対してカンチレバーが位置合わせされ
ると、プローブがプローブマウントピックアップ機構32
の垂直範囲に入るまで、Ｚ並進運動装置30が動かされ
る。既にプローブマウントピックアップ機構の垂直範囲
内に入っているプローブでプローブ位置合わせをできる
場合には、このステップもより早く実行することができ
る。２つのタイプのプローブマウントが図５および６に
示されている。以下に説明されている装着システムのい
ずれもプローブ上に特別に輪郭が付けられた組合わせ表
面を必要としないことは着目すべきことである。このた
めに、特定の自己位置合わせプローブに対して設計され
ているシステムよりも非常に多様なプローブ形状に対し
て、これらおよび同様なプローブ装着技術を使用するこ
とができる。
A.真空プローブマウント 図５はスキャナ２の端部の簡単化した断面図を示して
おり、スキャナ２の上に真空ベースのプローブマウント
32が装着される。示されている設計では、プローブマウ
ント32は中空真空空洞60で作られている。真空空洞の１
つの開口はプローブ４に向けて下向きに向けられてい
る。例えば注入チューブから作られている真空取り付け
部品62は、プローブマウント32中の真空空洞60の他の開
口に対して取り付けられる。柔軟性あるチューブ64が真
空取り付け部品62に取り付けられる。チューブ64の他端
は、必要な付加的な配管を通ってバルブ66にそして（示
されていない）真空源に接続される。真空バルブ66は、
図２ではプローブピックアップアクチュエータ34の形態
である。柔軟性あるチューブ64は、チューブがスキャナ
２の動きを制限せずに、そして所望されない振動を伝え
ないように、軽く柔軟性があるものが選択される。一
旦、Ｚ並進運動装置30がプローブ４を真空プローブマウ
ント32の範囲に動かすと、プローブピックアップ真空バ
ルブが開かれ、真空空洞60のより低い方の開口に対して
プローブが引き上げられる。
おり、スキャナ２の上に真空ベースのプローブマウント
32が装着される。示されている設計では、プローブマウ
ント32は中空真空空洞60で作られている。真空空洞の１
つの開口はプローブ４に向けて下向きに向けられてい
る。例えば注入チューブから作られている真空取り付け
部品62は、プローブマウント32中の真空空洞60の他の開
口に対して取り付けられる。柔軟性あるチューブ64が真
空取り付け部品62に取り付けられる。チューブ64の他端
は、必要な付加的な配管を通ってバルブ66にそして（示
されていない）真空源に接続される。真空バルブ66は、
図２ではプローブピックアップアクチュエータ34の形態
である。柔軟性あるチューブ64は、チューブがスキャナ
２の動きを制限せずに、そして所望されない振動を伝え
ないように、軽く柔軟性があるものが選択される。一
旦、Ｚ並進運動装置30がプローブ４を真空プローブマウ
ント32の範囲に動かすと、プローブピックアップ真空バ
ルブが開かれ、真空空洞60のより低い方の開口に対して
プローブが引き上げられる。
B.機械的なプローブクランプ プローブピックアップ機構に対する代わりの実施形態
が図６に示されている。この設計では、プローブマウン
ト32に対してプローブ４をクランプするために、機械的
なプローブクランプ68が使用される。多くの異なる機械
的クランプ方法を使用することができる。示されている
設計では、機械的なクランプがピボットネジ70上で揺動
し、圧縮タイプのクランプスプリング72によりスプリン
グ負荷されている。プローブマウント32がプローブカセ
ット22から遠い時には、クランプスプリング72が伸びて
プローブクランプ68の一端上を押し、他端がプローブ４
をプローブマウント32に対して押すようにする。このケ
ースではプローブカセット22はカセットアウト76を持
ち、これによって、クランプがプローブマウントにプロ
ーブを持ち上げることができるように、プローブクラン
プ68がプローブ４の一部の下を動くことができる。クロ
ーブクランプ68が解放するために、ソレノイド駆動プラ
ンジャ74または同様な装置を使用して、プローブクラン
プの端部を押すことができる。一旦、プローブマウント
32の底部がプローブ４の上部に十分近く位置付けられる
と、ソレノイドプランジャ74は外され、プローブマウン
トに対してプローブをクランプし、試料の特性を測定す
るのに使用する準備ができる。このタイプクランプシス
テムは、プローブを手で交換するのが困難な真空システ
ムにおいて自動的にプローブを交換するために使用する
こともできる。
が図６に示されている。この設計では、プローブマウン
ト32に対してプローブ４をクランプするために、機械的
なプローブクランプ68が使用される。多くの異なる機械
的クランプ方法を使用することができる。示されている
設計では、機械的なクランプがピボットネジ70上で揺動
し、圧縮タイプのクランプスプリング72によりスプリン
グ負荷されている。プローブマウント32がプローブカセ
ット22から遠い時には、クランプスプリング72が伸びて
プローブクランプ68の一端上を押し、他端がプローブ４
をプローブマウント32に対して押すようにする。このケ
ースではプローブカセット22はカセットアウト76を持
ち、これによって、クランプがプローブマウントにプロ
ーブを持ち上げることができるように、プローブクラン
プ68がプローブ４の一部の下を動くことができる。クロ
ーブクランプ68が解放するために、ソレノイド駆動プラ
ンジャ74または同様な装置を使用して、プローブクラン
プの端部を押すことができる。一旦、プローブマウント
32の底部がプローブ４の上部に十分近く位置付けられる
と、ソレノイドプランジャ74は外され、プローブマウン
トに対してプローブをクランプし、試料の特性を測定す
るのに使用する準備ができる。このタイプクランプシス
テムは、プローブを手で交換するのが困難な真空システ
ムにおいて自動的にプローブを交換するために使用する
こともできる。
C.代わりのプローブ装着方法 プローブマウントに対してプローブを装着するために
多くの代わりの方法を使用することができ、使用されて
きた。この例には、異なる機械的なクランプ、電磁気的
または静電気的装着、弱い接着剤の使用などが含まれ
る。プローブ装着方法に対する唯一の要求は、プローブ
をピックアップおよび解放するために再現可能にエネー
ブルおよびディセーブルできることである。
多くの代わりの方法を使用することができ、使用されて
きた。この例には、異なる機械的なクランプ、電磁気的
または静電気的装着、弱い接着剤の使用などが含まれ
る。プローブ装着方法に対する唯一の要求は、プローブ
をピックアップおよび解放するために再現可能にエネー
ブルおよびディセーブルできることである。
D.事前位置合わせ、自己位置合わせおよび非位置合わせ
プローブ 事前位置合わせ、自己位置合わせ、または非位置合わ
せプローブを使用する代わりの実施形態において、説明
した細かい位置合わせステップの任意のものを使用せず
に、説明した方法の任意のものを使用してプローブをピ
ックアップしてもよいことにも着目すべきである。この
ケースでは、XYZ並進運動ステージが、プローブピック
アップ機構の範囲内でプローブを単に動かし、プローブ
ピックアップアクチュエータが係合される。事前位置合
わせ、自己位置合わせ、または非位置合わせプローブ
は、検出システムに対してプローブを位置合わせする別
のステップを必要としない。
プローブ 事前位置合わせ、自己位置合わせ、または非位置合わ
せプローブを使用する代わりの実施形態において、説明
した細かい位置合わせステップの任意のものを使用せず
に、説明した方法の任意のものを使用してプローブをピ
ックアップしてもよいことにも着目すべきである。この
ケースでは、XYZ並進運動ステージが、プローブピック
アップ機構の範囲内でプローブを単に動かし、プローブ
ピックアップアクチュエータが係合される。事前位置合
わせ、自己位置合わせ、または非位置合わせプローブ
は、検出システムに対してプローブを位置合わせする別
のステップを必要としない。
6.プローブマウントの垂直位置付け：プローブ−プロー
ブマウント近接の検出 実際には、ピックアッププロセスの間にプローブの所
望しないオフセットを避けるために図２のプローブピッ
クアップアクチュエータ34（例えば真空バルブまたはソ
レノイドプランジャ）がイネーブルされる前に、プロー
ブマウントは、プローブと非常に近接してまたはプロー
ブと接触さえして位置付けられなければならないことが
多い。ピックアップの間の十分大きなオフセットは、検
出システム11に対してプローブ４を誤って位置合わせす
ることになる。必要とされる近接または接触の程度は、
特定のプローブおよびプローブピックアップ装置に依存
する。この理由のために、プローブピックアップアクチ
ュエータ34をエネーブルする前に、プローブ４がプロー
ブマウント32に十分近付くまたはプローブマウント32と
接触する時を検出することが望ましい。これに対して、
プローブのＺ位置の慎重な制御や較正、近接または接触
センサの使用などを含む多くの技術を使用することがで
きる。多様な近接センサが、いくつか挙げると光学三角
測量および他の光学技術、静電容量検出、ターゲット近
くのチューブを通って吹くガスに対する圧力変化の検出
を使用して、工業的な装置および作業において一般的に
使用されている。
ブマウント近接の検出 実際には、ピックアッププロセスの間にプローブの所
望しないオフセットを避けるために図２のプローブピッ
クアップアクチュエータ34（例えば真空バルブまたはソ
レノイドプランジャ）がイネーブルされる前に、プロー
ブマウントは、プローブと非常に近接してまたはプロー
ブと接触さえして位置付けられなければならないことが
多い。ピックアップの間の十分大きなオフセットは、検
出システム11に対してプローブ４を誤って位置合わせす
ることになる。必要とされる近接または接触の程度は、
特定のプローブおよびプローブピックアップ装置に依存
する。この理由のために、プローブピックアップアクチ
ュエータ34をエネーブルする前に、プローブ４がプロー
ブマウント32に十分近付くまたはプローブマウント32と
接触する時を検出することが望ましい。これに対して、
プローブのＺ位置の慎重な制御や較正、近接または接触
センサの使用などを含む多くの技術を使用することがで
きる。多様な近接センサが、いくつか挙げると光学三角
測量および他の光学技術、静電容量検出、ターゲット近
くのチューブを通って吹くガスに対する圧力変化の検出
を使用して、工業的な装置および作業において一般的に
使用されている。
接触を検出する１つの付加的な方法は、図２に示され
ているようなAFMに既に組み込まれている。先に説明し
たように、ビーム反射信号処理電子回路からの垂直方向
または横方向たわみ信号を監視することができる。これ
らの信号は、入来レーザビームに対してカンチレバーの
垂直方向および横方向の角度を測定する。機械公差また
は設計のために、プローブカセット22上のカンチレバー
サポート基板８とスキャナ２上のプローブマウント32と
の間にわずかな角度的な不整合がある。プローブマウン
ト32がカンチレバーサポート基板８と接触する時、プロ
ーブマウントの角度と整合するように動くにしたがって
カンチレバーアーム６の角度が変化する。これが起こる
と、垂直方向および横方向のたわみ信号において検出可
能な変化が生じる。これはプローブ４とプローブマウン
ト32との間の接触のより感度の低い検出器であるが、反
射ビーム14と位置感知検出器16のサイズに依存して和信
号も変化する。
ているようなAFMに既に組み込まれている。先に説明し
たように、ビーム反射信号処理電子回路からの垂直方向
または横方向たわみ信号を監視することができる。これ
らの信号は、入来レーザビームに対してカンチレバーの
垂直方向および横方向の角度を測定する。機械公差また
は設計のために、プローブカセット22上のカンチレバー
サポート基板８とスキャナ２上のプローブマウント32と
の間にわずかな角度的な不整合がある。プローブマウン
ト32がカンチレバーサポート基板８と接触する時、プロ
ーブマウントの角度と整合するように動くにしたがって
カンチレバーアーム６の角度が変化する。これが起こる
と、垂直方向および横方向のたわみ信号において検出可
能な変化が生じる。これはプローブ４とプローブマウン
ト32との間の接触のより感度の低い検出器であるが、反
射ビーム14と位置感知検出器16のサイズに依存して和信
号も変化する。
したがってプローブ４とプローブマウント32との間の
接触点は、和信号、垂直方向のたわみ信号または横方向
のたわみ信号の任意のものあるいは全部を監視すること
により決定することができる。プローブ４とプローブマ
ウント32との間の接触が達成された時に、プローブピッ
クアップアクチュエータ34がイネーブルされ、検出シス
テムに対して最小のオフセットでプローブマウントに対
してプローブをクランプする。
接触点は、和信号、垂直方向のたわみ信号または横方向
のたわみ信号の任意のものあるいは全部を監視すること
により決定することができる。プローブ４とプローブマ
ウント32との間の接触が達成された時に、プローブピッ
クアップアクチュエータ34がイネーブルされ、検出シス
テムに対して最小のオフセットでプローブマウントに対
してプローブをクランプする。
7.プローブの解放 一旦プローブが鈍くなったり汚れると、システムは使
用済プローブを下げ、新しいプローブをピックアップす
る。ユーザの介在なくシステムを動作させることができ
る。使用済プローブを解放するために、プローブマウン
ト32はプローブカセット22の空スロットに対して、また
は同様な使用済プローブ保管領域に対して位置付けられ
る。いくつかのケースでは、例えば図５に示されている
プローブマウントの実施形態において、（真空ピックア
ップバルブ66を閉じ、真空空洞60を空気中に通気するこ
とによって）真空をオフにすることにより、プローブピ
ックアップアクチュエータ34を解放することだけが必要
である。プローブは、ソレノイドプランジャ74に対して
プローブマウントを位置付けてプランジャを係合するこ
とにより、図６に示されているプローブクランプ機構に
おいて同様に解放することができる。
用済プローブを下げ、新しいプローブをピックアップす
る。ユーザの介在なくシステムを動作させることができ
る。使用済プローブを解放するために、プローブマウン
ト32はプローブカセット22の空スロットに対して、また
は同様な使用済プローブ保管領域に対して位置付けられ
る。いくつかのケースでは、例えば図５に示されている
プローブマウントの実施形態において、（真空ピックア
ップバルブ66を閉じ、真空空洞60を空気中に通気するこ
とによって）真空をオフにすることにより、プローブピ
ックアップアクチュエータ34を解放することだけが必要
である。プローブは、ソレノイドプランジャ74に対して
プローブマウントを位置付けてプランジャを係合するこ
とにより、図６に示されているプローブクランプ機構に
おいて同様に解放することができる。
しかしながらいくつかのケースでは、（通常表面汚染
物質の表面張力または静電気力のために）十分な接着力
がプローブ４とプローブマウント32との間に存在し、ピ
ックアップアクチュエータ34が外された時にプローブが
プローブマウントから落ちるのを防ぐ。このケースの場
合、プローブをプローブマウントから取り除くために付
加的な機械力を提供することが必要である。
物質の表面張力または静電気力のために）十分な接着力
がプローブ４とプローブマウント32との間に存在し、ピ
ックアップアクチュエータ34が外された時にプローブが
プローブマウントから落ちるのを防ぐ。このケースの場
合、プローブをプローブマウントから取り除くために付
加的な機械力を提供することが必要である。
いくつかの方法が図9A−9Dに概略的に示されている。
１つの簡単な技術（図9A）はプローブ４とプローブカセ
ット22または使用済プローブ保管領域86における別の表
面とを軽く機械的接触することである。プローブと他の
表面との軽い接触はプローブを無理に移動させることに
なる。使用済プローブ保管領域の表面を接触剤88でコー
ティングして、接触時にプローブがプローブマウントか
ら確実に引き出されるようにすることもできる（図9
C）。
１つの簡単な技術（図9A）はプローブ４とプローブカセ
ット22または使用済プローブ保管領域86における別の表
面とを軽く機械的接触することである。プローブと他の
表面との軽い接触はプローブを無理に移動させることに
なる。使用済プローブ保管領域の表面を接触剤88でコー
ティングして、接触時にプローブがプローブマウントか
ら確実に引き出されるようにすることもできる（図9
C）。
AFMカンチレバープローブに対して、プローブとプロ
ーブカセットまたは使用済プローブ保管領域の表面との
接触を先に説明したのと同じ方法、すなわち構成部品の
垂直位置の正確な制御または較正により、あるいはビー
ム反射信号を監視することにより検出することができ
る。プローブ４がプローブマウント32から落ちた時、通
常、和信号、垂直方向のたわみ信号または横方向のたわ
み信号におけるシャープな変化が示される。
ーブカセットまたは使用済プローブ保管領域の表面との
接触を先に説明したのと同じ方法、すなわち構成部品の
垂直位置の正確な制御または較正により、あるいはビー
ム反射信号を監視することにより検出することができ
る。プローブ４がプローブマウント32から落ちた時、通
常、和信号、垂直方向のたわみ信号または横方向のたわ
み信号におけるシャープな変化が示される。
他の方法（図9B）は、付加的な真空空洞60をプローブ
カセット22または代わりの使用済プローブ保管領域に作
ることを含む。このケースでは、使用済プローブを取り
除くために付加的なプローブ除去真空バルブ90をターン
オンした時に、ピックアップ真空バルブ66（図２）がタ
ーンオフされる。代わりにプローブマウント32の真空空
洞60に正の空気圧を向けることができる。
カセット22または代わりの使用済プローブ保管領域に作
ることを含む。このケースでは、使用済プローブを取り
除くために付加的なプローブ除去真空バルブ90をターン
オンした時に、ピックアップ真空バルブ66（図２）がタ
ーンオフされる。代わりにプローブマウント32の真空空
洞60に正の空気圧を向けることができる。
プローブが１個の強磁性材料92に装着されるのであれ
ば、例えば磁気装着システム（図9D）も使用することが
できる。プローブピックアップ磁石94がプローブ４をプ
ローブマウント32に保持し、使用済プローブを除去する
ためにプローブ除去磁石96を使用することができる。電
磁石はターンオンおよびターンオフさせることができる
ことから、この適用に対して好ましい。他の機械によ
り、例えば適切なXYZ位置合わせが達成される前に強磁
性プローブマウント92が磁石94に飛び付くのを避ける機
械的クリップによりプローブのピックアップと解放が制
御されるのであれば、永久磁石も使用することができ
る。先のアイデアの任意の組合わせを含む、他の多くの
同様なプローブピックアップおよび解放方法も実現する
ことができる。
ば、例えば磁気装着システム（図9D）も使用することが
できる。プローブピックアップ磁石94がプローブ４をプ
ローブマウント32に保持し、使用済プローブを除去する
ためにプローブ除去磁石96を使用することができる。電
磁石はターンオンおよびターンオフさせることができる
ことから、この適用に対して好ましい。他の機械によ
り、例えば適切なXYZ位置合わせが達成される前に強磁
性プローブマウント92が磁石94に飛び付くのを避ける機
械的クリップによりプローブのピックアップと解放が制
御されるのであれば、永久磁石も使用することができ
る。先のアイデアの任意の組合わせを含む、他の多くの
同様なプローブピックアップおよび解放方法も実現する
ことができる。
8.エラーチェック 自動測定に使用する前に、プローブ装着の完全さおよ
びプローブの品質をチェックすることことが望ましい場
合が多い。いくつかのエラーチェックの任意のものを実
行することができる。例えば、真空によりピックアップ
されるプローブのケース（図５）では、最小の“安全”
値に対して真空圧力をチェックすることができる。真空
圧力が安全値より下の場合には、プローブまたはプロー
ブマウント上の何らかの破片または欠陥により、あるい
は他の何らかのシステム破壊により、プローブ４がプロ
ーブマウント32に対して十分にシールされていないこと
になる。別の装着システムに対して同様なチェックをす
ることができる。制御システム46は悪いプローブを廃棄
して新しいプローブを載せようとするコマンドを発行す
ることができる。繰り返し失敗が生じると、制御システ
ム46は、プローブ装着が失敗し、システムがサービスを
必要とすることを技術者に対して警告することができ
る。
びプローブの品質をチェックすることことが望ましい場
合が多い。いくつかのエラーチェックの任意のものを実
行することができる。例えば、真空によりピックアップ
されるプローブのケース（図５）では、最小の“安全”
値に対して真空圧力をチェックすることができる。真空
圧力が安全値より下の場合には、プローブまたはプロー
ブマウント上の何らかの破片または欠陥により、あるい
は他の何らかのシステム破壊により、プローブ４がプロ
ーブマウント32に対して十分にシールされていないこと
になる。別の装着システムに対して同様なチェックをす
ることができる。制御システム46は悪いプローブを廃棄
して新しいプローブを載せようとするコマンドを発行す
ることができる。繰り返し失敗が生じると、制御システ
ム46は、プローブ装着が失敗し、システムがサービスを
必要とすることを技術者に対して警告することができ
る。
適切なプローブ装着、位置合わせおよび動作をチェッ
クするために、他のいくつかの同様なテストを実行する
ことができる。AFMに対して、これらには、カンチレバ
ープローブから反射された光の総量（和信号）をチェッ
クしたり、プローブ装着後に最終的な水平方向または垂
直方向のたわみ信号をチェックすることを含めることが
できる。低い和信号は検出システムとの悪い位置合わせ
を示す一方、水平または垂直方向のたわみ信号における
偏差はゆがんだカンチレバー６あるいは欠陥のあるカン
チレバーサポート基板８またはプローブマウント32を示
すことができる。
クするために、他のいくつかの同様なテストを実行する
ことができる。AFMに対して、これらには、カンチレバ
ープローブから反射された光の総量（和信号）をチェッ
クしたり、プローブ装着後に最終的な水平方向または垂
直方向のたわみ信号をチェックすることを含めることが
できる。低い和信号は検出システムとの悪い位置合わせ
を示す一方、水平または垂直方向のたわみ信号における
偏差はゆがんだカンチレバー６あるいは欠陥のあるカン
チレバーサポート基板８またはプローブマウント32を示
すことができる。
振動プローブシステムに対して、制御システムは所定
の駆動振幅に対するカンチレバーの振幅および／または
位相応答、カンチレバーの共振周波数または振幅スペク
トラム、および／または振動カンチレバーに対する品質
計係“Q"をチェックすることができる。振幅スペクトラ
ムにより、カンチレバー振動の振幅に対する振動駆動周
波数を参照する。振動カンチレバー技術は振動駆動装置
33からプローブマウントを通ってカンチレバーへの振動
エネルギの伝達に依存するので、振幅応答、位相および
品質係数Ｑはプローブとプローブ装着の完全さの評価を
得ることになる。うまく装着されたカンチレバープロー
ブは、一般的に共振周波数近くの振幅スペクトラムにお
いて単一のなめらかな共振ピークを示す。プローブの不
安定な装着はカンチレバーの振幅スペクトラムにおいて
複数のピークを生じる。入来レーザビーム14がカンチレ
バーの自由端からいくらか離れて位置付けられている
と、反射レーザビーム14がより少なく偏向するので、低
い応答振幅はカンチレバー６に対する検出システム11の
不適切な位置合わせも示す。
の駆動振幅に対するカンチレバーの振幅および／または
位相応答、カンチレバーの共振周波数または振幅スペク
トラム、および／または振動カンチレバーに対する品質
計係“Q"をチェックすることができる。振幅スペクトラ
ムにより、カンチレバー振動の振幅に対する振動駆動周
波数を参照する。振動カンチレバー技術は振動駆動装置
33からプローブマウントを通ってカンチレバーへの振動
エネルギの伝達に依存するので、振幅応答、位相および
品質係数Ｑはプローブとプローブ装着の完全さの評価を
得ることになる。うまく装着されたカンチレバープロー
ブは、一般的に共振周波数近くの振幅スペクトラムにお
いて単一のなめらかな共振ピークを示す。プローブの不
安定な装着はカンチレバーの振幅スペクトラムにおいて
複数のピークを生じる。入来レーザビーム14がカンチレ
バーの自由端からいくらか離れて位置付けられている
と、反射レーザビーム14がより少なく偏向するので、低
い応答振幅はカンチレバー６に対する検出システム11の
不適切な位置合わせも示す。
共振周波数および完全な振幅応答スペクトラムもカン
チレバーのスプリング接触についての情報を提供し、欠
陥のあるまたは損傷したカンチレバーを検出するのに使
用することができる。汚染物質の付加された質量のため
に共振周波数にシフトがあるので、共振周波数をチェッ
クするとプローブの汚染を検出することもできる。
チレバーのスプリング接触についての情報を提供し、欠
陥のあるまたは損傷したカンチレバーを検出するのに使
用することができる。汚染物質の付加された質量のため
に共振周波数にシフトがあるので、共振周波数をチェッ
クするとプローブの汚染を検出することもできる。
9.プローブカセットの詳細 次の説明はプローブカセットの詳細である。図4Aおよ
び4Bは多くの可能性あるプローブカセット22のうちの２
つの簡単なスケッチを示している。カセットは任意数の
プローブのために空間を持っており、線状または格子で
位置合わせされていることが好ましい。スケッチは、原
子間力顕微鏡法用カンチレバープローブのためのプロー
ブカセットの特定のケースを示している。プローブカセ
ットは、多数の機械加工されたまたは成形されたプロー
ブポケット78を持っている。ポケットは、名目上スキャ
ナ２の端部上のプローブマウントと同じ角度32において
維持されており、プローブマウントとプローブ表面のよ
り容易な係合を可能としている。ポケットは付加的なプ
ローブ先端の余裕79も持っており、プローブを損傷させ
ることなく先端を試料に向けてプローブを保管できるよ
うになっている。
び4Bは多くの可能性あるプローブカセット22のうちの２
つの簡単なスケッチを示している。カセットは任意数の
プローブのために空間を持っており、線状または格子で
位置合わせされていることが好ましい。スケッチは、原
子間力顕微鏡法用カンチレバープローブのためのプロー
ブカセットの特定のケースを示している。プローブカセ
ットは、多数の機械加工されたまたは成形されたプロー
ブポケット78を持っている。ポケットは、名目上スキャ
ナ２の端部上のプローブマウントと同じ角度32において
維持されており、プローブマウントとプローブ表面のよ
り容易な係合を可能としている。ポケットは付加的なプ
ローブ先端の余裕79も持っており、プローブを損傷させ
ることなく先端を試料に向けてプローブを保管できるよ
うになっている。
プローブポケット78は、プローブの外部寸法よりもわ
ずかだけ大きい横方向寸法を持つことが最も良いように
形成されているので、保管されているプローブはプリセ
ットされているパターンに対してきっちりと位置合わせ
される。保管プローブ位置で隙間のない公差を維持する
ことは重要でないが、保管プローブ４に対するプローブ
マウント32と検出システム11（図２）の位置合わせプロ
セスをスピードアップし、簡単化する。同じ理由のため
に、プローブカセットは一般的に正確に機械加工された
表面、運動学的な装着表面、または他の同様な高い精度
の装着手段を持ち、高い精度および再現可能性でXY並進
運動装置に対して確実に装着するようになっている。図
4Bは例えばXY並進運動装置上の正確なピン上に装着する
ことができる低いカンチレバーカセット上の２つの穴83
を示している。完全な位置合わせは必要ないことを心に
留めておくことが重要である。プローブをピックアップ
する前にXY並進運動装置またはスキャナを移動させる手
順が、任意のプローブ位置合わせ不良エラーを訂正する
からである。
ずかだけ大きい横方向寸法を持つことが最も良いように
形成されているので、保管されているプローブはプリセ
ットされているパターンに対してきっちりと位置合わせ
される。保管プローブ位置で隙間のない公差を維持する
ことは重要でないが、保管プローブ４に対するプローブ
マウント32と検出システム11（図２）の位置合わせプロ
セスをスピードアップし、簡単化する。同じ理由のため
に、プローブカセットは一般的に正確に機械加工された
表面、運動学的な装着表面、または他の同様な高い精度
の装着手段を持ち、高い精度および再現可能性でXY並進
運動装置に対して確実に装着するようになっている。図
4Bは例えばXY並進運動装置上の正確なピン上に装着する
ことができる低いカンチレバーカセット上の２つの穴83
を示している。完全な位置合わせは必要ないことを心に
留めておくことが重要である。プローブをピックアップ
する前にXY並進運動装置またはスキャナを移動させる手
順が、任意のプローブ位置合わせ不良エラーを訂正する
からである。
プローブカセットは、基準マーク、識別マーク、小片
ガード、および出荷カバーを含む、いくつかの便利な構
成も持っている。基準マーク80は、SPMシステムをプロ
ーブカセット22およびプローブ４のX,YおよびＺ位置に
較正するために、（図２に示されている）対物レンズ3
6、カメラ42およびパターン認識システム44のような光
学系によって使用することができる。オプション的な識
別マーク84（例えばバーコード）は、例えばプローブカ
セットに載せられているプローブの番号とタイプを示す
ことができる。オプション的な小片ガード82は、例えば
機械的な防壁または真空リングから構成されており、プ
ローブピックアッププロセスで発生した小片がデリケー
トな試料を汚染することを防ぐことができる。プローブ
カセット22は、保管プローブの安全な輸送を可能にする
ために保護出荷カバー81も備えている。保護カバーはプ
ローブカセット22上のプローブポケット78にプローブ４
を保持し、さらにプローブに接着しない材料から作られ
ているかあるいはコーティングされていることが好まし
い。このようにして、保管位置からプローブを無理に移
動させることなくカバーを取り除くことができる。代わ
りにプローブカセットが、例えば以前に説明され図9Bに
示されている真空保持手段のような、カセットにプロー
ブを保持するための解放可能な手段を持っていてもよ
い。
ガード、および出荷カバーを含む、いくつかの便利な構
成も持っている。基準マーク80は、SPMシステムをプロ
ーブカセット22およびプローブ４のX,YおよびＺ位置に
較正するために、（図２に示されている）対物レンズ3
6、カメラ42およびパターン認識システム44のような光
学系によって使用することができる。オプション的な識
別マーク84（例えばバーコード）は、例えばプローブカ
セットに載せられているプローブの番号とタイプを示す
ことができる。オプション的な小片ガード82は、例えば
機械的な防壁または真空リングから構成されており、プ
ローブピックアッププロセスで発生した小片がデリケー
トな試料を汚染することを防ぐことができる。プローブ
カセット22は、保管プローブの安全な輸送を可能にする
ために保護出荷カバー81も備えている。保護カバーはプ
ローブカセット22上のプローブポケット78にプローブ４
を保持し、さらにプローブに接着しない材料から作られ
ているかあるいはコーティングされていることが好まし
い。このようにして、保管位置からプローブを無理に移
動させることなくカバーを取り除くことができる。代わ
りにプローブカセットが、例えば以前に説明され図9Bに
示されている真空保持手段のような、カセットにプロー
ブを保持するための解放可能な手段を持っていてもよ
い。
もちろん多くの代わりの構成が可能である。例えば、
AFM用のカンチレバープローブは、数百プローブから構
成されているウエハに製造することが多い。これらの完
全で偏向されていないウエハは独立したプローブカセッ
トの代わりに使用することができる。ウエハ上のカンチ
レバープローブは平板印刷プロセスにより形成されてい
るので、カンチレバープローブは一般的にサブミクロン
スケールで相互に正確に位置合わせされている。この正
確な位置合わせは、プローブ交換プロセスを一層早くす
ることができる。プローブ交換時にプローブのウエハ
は、デジタル・インスツルメントにより製造されている
ディメンジョン7000SPMシステム上で既に使用されるよ
うなロボットウエハ搭載装置により、XY並進運動ステー
ジ上に自動的に載せることができる。このケースでは、
プローブがウエハから取り出されてAFMに取り付けられ
る時に小片汚染を抑制するのに追加的な予防措置が必要
となりそうである。
AFM用のカンチレバープローブは、数百プローブから構
成されているウエハに製造することが多い。これらの完
全で偏向されていないウエハは独立したプローブカセッ
トの代わりに使用することができる。ウエハ上のカンチ
レバープローブは平板印刷プロセスにより形成されてい
るので、カンチレバープローブは一般的にサブミクロン
スケールで相互に正確に位置合わせされている。この正
確な位置合わせは、プローブ交換プロセスを一層早くす
ることができる。プローブ交換時にプローブのウエハ
は、デジタル・インスツルメントにより製造されている
ディメンジョン7000SPMシステム上で既に使用されるよ
うなロボットウエハ搭載装置により、XY並進運動ステー
ジ上に自動的に載せることができる。このケースでは、
プローブがウエハから取り出されてAFMに取り付けられ
る時に小片汚染を抑制するのに追加的な予防措置が必要
となりそうである。
10.他の走査プローブ顕微鏡 明瞭化のために、この明細書中における議論の大半
は、光レバー技術を含む、原子間力顕微鏡の特定の例お
よび特定の検出手段に集中している。ここで概説されて
いる原理は、１）プローブの交換、および２）検出シス
テムに対するプローブの位置合わせを必要とするさまざ
まな走査プローブ顕微鏡の任意のものに拡張することが
できる。例えば、STM先端とAFMカンチレバーの適切な位
置合わせが達成されるまでプローブマウントと検出器
（STM先端）を並進運動させる同様なプロセスにより、A
FMカンチレバーの動きを検出するために走査トンネル顕
微鏡（STM）先端および電子トンネルを使用するAFMを位
置合わせし、その後プローブをピックアップすることが
できる。システムは電子トンネルの光学的パターン認識
または測定値あるいは同様な技術を使用して、適切な位
置合わせを検出することができる。
は、光レバー技術を含む、原子間力顕微鏡の特定の例お
よび特定の検出手段に集中している。ここで概説されて
いる原理は、１）プローブの交換、および２）検出シス
テムに対するプローブの位置合わせを必要とするさまざ
まな走査プローブ顕微鏡の任意のものに拡張することが
できる。例えば、STM先端とAFMカンチレバーの適切な位
置合わせが達成されるまでプローブマウントと検出器
（STM先端）を並進運動させる同様なプロセスにより、A
FMカンチレバーの動きを検出するために走査トンネル顕
微鏡（STM）先端および電子トンネルを使用するAFMを位
置合わせし、その後プローブをピックアップすることが
できる。システムは電子トンネルの光学的パターン認識
または測定値あるいは同様な技術を使用して、適切な位
置合わせを検出することができる。
他の例は走査近接場光学顕微鏡（SNOM）であり、この
場合には、先細り状光学プローブが光を試料に伝えまた
は試料から光を受け取る。光学プローブは試料に平行な
方向に振動されていることが多く、振動振幅における振
動は固定されたプローブ−試料分離を維持するために使
用される。光学プローブの動きを測定するための検出シ
ステムが要求される。容量性検出、光学干渉計法および
他の光学的技術を含むいくつかの検出システムが使用さ
れてきた。これらはそれぞれ、検出システム（例えばキ
ャパシタ板または光ビーム）の何らかの部品と光学プロ
ーブの動く部品との位置合わせを必要とする。SNOMも最
近カンチレバー付き光学プローブで作られてきており、
カンチレバー付き光学プローブもカンチレバープローブ
の動きを検出するために光学レバー技術を使用する。こ
れらの理由のために、このプローブの交換およびプロー
ブの位置合わせ技術はSNOMに対しても使用することがで
きる。
場合には、先細り状光学プローブが光を試料に伝えまた
は試料から光を受け取る。光学プローブは試料に平行な
方向に振動されていることが多く、振動振幅における振
動は固定されたプローブ−試料分離を維持するために使
用される。光学プローブの動きを測定するための検出シ
ステムが要求される。容量性検出、光学干渉計法および
他の光学的技術を含むいくつかの検出システムが使用さ
れてきた。これらはそれぞれ、検出システム（例えばキ
ャパシタ板または光ビーム）の何らかの部品と光学プロ
ーブの動く部品との位置合わせを必要とする。SNOMも最
近カンチレバー付き光学プローブで作られてきており、
カンチレバー付き光学プローブもカンチレバープローブ
の動きを検出するために光学レバー技術を使用する。こ
れらの理由のために、このプローブの交換およびプロー
ブの位置合わせ技術はSNOMに対しても使用することがで
きる。
例えばAFM技術とSTM画像、磁気画像、容量性画像、高
速静電測定などとを組合わせる計測器のような、多くの
ハイブリッド力顕微鏡もある。これらの技術や同様な技
術の任意のものは、ここで説明しているプローブ交換お
よび位置合わせ技術から利益を得る。
速静電測定などとを組合わせる計測器のような、多くの
ハイブリッド力顕微鏡もある。これらの技術や同様な技
術の任意のものは、ここで説明しているプローブ交換お
よび位置合わせ技術から利益を得る。
したがって、先に説明したように、本発明は走査プロ
ーブ顕微鏡のためのプローブ交換および位置合わせ装置
および方法に向けられており、この装置および方法は先
行技術の制限を解消し、走査プローブ顕微鏡において既
に一般的に使用されている並進運動ステージおよび走査
機構を使用して、作業者の介在なく自動的なプローブ交
換を提供する。これは、半導体プロセスやコンピュータ
ハードディスクの製造のような表面臨界製作ラインにお
ける技術者を含む非熟練者が走査プローブ顕微鏡法の技
術にアクセス可能なようにするに向けての大きなステッ
プである。
ーブ顕微鏡のためのプローブ交換および位置合わせ装置
および方法に向けられており、この装置および方法は先
行技術の制限を解消し、走査プローブ顕微鏡において既
に一般的に使用されている並進運動ステージおよび走査
機構を使用して、作業者の介在なく自動的なプローブ交
換を提供する。これは、半導体プロセスやコンピュータ
ハードディスクの製造のような表面臨界製作ラインにお
ける技術者を含む非熟練者が走査プローブ顕微鏡法の技
術にアクセス可能なようにするに向けての大きなステッ
プである。
先の説明は多くの特定なことを含んでいるが、これら
は本発明の範囲を限定するように構成されてはならず、
むしろ１以上の好ましい実施形態の例として構成される
べきである。他の多くの実施形態が可能である。例えば
走査プローブ顕微鏡スキャナは、固定された試料および
固定されたプローブカセットに対してXYZ並進運動ステ
ージ上に装着することができる。したがって、添付した
請求の範囲の範囲内で、ここで特に説明されたようなも
の以外の別な方法を実施してもよいことを理解すべきで
あり、同様な結果または能力を生み出す他のすべての機
械的なアセンブリおよびプロセスは本発明の範囲内であ
ると考えるべきである。
は本発明の範囲を限定するように構成されてはならず、
むしろ１以上の好ましい実施形態の例として構成される
べきである。他の多くの実施形態が可能である。例えば
走査プローブ顕微鏡スキャナは、固定された試料および
固定されたプローブカセットに対してXYZ並進運動ステ
ージ上に装着することができる。したがって、添付した
請求の範囲の範囲内で、ここで特に説明されたようなも
の以外の別な方法を実施してもよいことを理解すべきで
あり、同様な結果または能力を生み出す他のすべての機
械的なアセンブリおよびプロセスは本発明の範囲内であ
ると考えるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プレイター、クレイグ・ビー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、ペンブロー ク・アベニュー 5530 (72)発明者 グリッグ、デイビッド・エー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93105、サンタ・バーバラ、ストーンク リーク・ロード 1217、ユニット・イー (72)発明者 メイヤー、チャールズ・アール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、ローズ・ア ベニュー 5080−イー (72)発明者 ハーツォッグ、ウイリアム・エイチ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、バーティ ス・ストリート 619 (72)発明者 ガーリー、ジョン・エー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93105、サンタ・バーバラ、ケンモア・ プレイス 2991 (72)発明者 エリングス、バージル・ビー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93110、サンタ・バーバラ、バイア・ク ラリス 4664 (56)参考文献 特開 平３−252502（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−11327（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281446（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−294605（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−40034（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−284015（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−102318（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−26902（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−504749（ＪＰ，Ａ) 米国特許5157256（ＵＳ，Ａ) 米国特許5410910（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 G01B 11/30 G01B 21/30 H01J 37/28 G01N 35/00 - 37/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (75)
- 【請求項１】試料上の１以上の点において前記試料の少
なくとも１つの特性のマップを生成する走査プローブ顕
微鏡であって、 少なくとも１つのプローブを保管するプローブ保管手段
と、 前記プローブがプローブマウントに移されたときに、前
記プローブ保管手段により保管されている前記プローブ
をサポートするプローブマウントと、 前記試料の少なくとも１つの特性に関係するプローブ応
答を検出する検出システムと、 前記プローブマウントと前記試料との間および前記プロ
ーブ保管手段と前記検出システムとの間の相対並進運動
を生成する並進運動手段と、 前記プローブ保管手段からプローブを取り外し、前記プ
ローブマウント上に前記プローブを取り付ける、選択的
に起動可能なプローブピックアップ手段と、 前記検出システムにより作られた信号に少なくとも一部
は基づいて、前記プローブマウントに関して前記プロー
ブ保管手段を位置付けし、次に、自動プローブ交換をお
こなうように前記選択的に起動可能なプローブピックア
ップ手段を起動するために前記並進運動手段を制御する
制御手段とを具備する走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】さらに、前記プローブ保管手段内に保管さ
れているプローブと前記検出システムとの相対位置合わ
せを測定する位置合わせ検出手段を備えている請求項１
記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】前記制御手段が、 前記位置合わせ検出手段からの入力を受け取り、前記保
管されたプローブと前記検出システムとの間の所要の位
置合わせが達成されるまで前記保管されたプローブと前
記検出システムとの間の相対運動を生成するために前記
並進運動手段に加えられる制御信号を出力する手段と、 前記選択的に起動可能なプローブピックアップ手段をつ
ぎに起動する手段とを備えている請求項２記載の走査プ
ローブ顕微鏡。 - 【請求項４】前記並進運動手段が、 前記プローブ保管手段と前記検出システムとの間の相対
並進運動を生成する第１の手段と、 前記プローブマウントと前記試料との間の相対並進運動
を生成する第２の手段とを備えている請求項３記載の走
査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】前記第１の手段および第２の手段により生
成された運動の組合わせが、前記保管されたプローブと
前記プローブマウントとの間の位置合わせを生成させる
のに使用される請求項４記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６】前記走査プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡
であり、前記プローブがスプリングレバーまたはカンチ
レバーである請求項５記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項７】前記検出システムが、前記スプリングレバ
ーまたはカンチレバーのたわみを検出する光学手段を備
えている請求項６記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】前記位置合わせ検出手段が、 前記保管されたプローブの光学画像を生成する手段と、 前記生成された画像のパターンを認識するパターン認識
手段とを備えている請求項３記載の走査プローブ顕微
鏡。 - 【請求項９】前記位置合わせ検出手段が、和信号、垂直
方向たわみ信号および横方向たわみ信号の少なくとも１
つを生成する位置感知検出手段を備えている請求項３記
載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１０】前記制御手段が、 前記保管されたプローブが前記プローブマウントと近接
してまたは接触して位置合わせされるように、前記保管
されたプローブの位置合わせの前に前記保管されたプロ
ーブと前記プローブマウントが近接したときまたは接触
したときを判断する手段と、 前記保管されたプローブの所要の位置合わせが達成され
たときに前記保管されたプローブを前記プローブマウン
トに取り付けるために前記ピックアップ手段を起動する
手段とを備えている請求項３記載の走査プローブ顕微
鏡。 - 【請求項１１】クランプする手段があって、それが、真
空により前記プローブマウントに対して前記保管された
プローブを保持するように前記保管されたプローブに対
して真空を適用する手段を備えている請求項10記載の走
査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１２】前記クランプする手段が、真空クラン
プ、機械的クランプ、静電気的クランプ、電磁気的クラ
ンプからなるグループから選択されたクランプである請
求項10記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１３】前記顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、前
記プローブがスプリングレバーまたはカンチレバーであ
る請求項１記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１４】前記検出システムが、前記スプリングレ
バーまたはアンチレバーのたわみを検出する光学手段を
備えている請求項13記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１５】前記プローブ保管手段がプローブ保管カ
セットを備えている請求項１記載の走査プローブ顕微
鏡。 - 【請求項１６】前記プローブ保管手段が複数のプローブ
が保持されているウエハを備えている請求項１記載の走
査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１７】前記プローブ保管手段が前記プローブ保
管手段上に備えられた基準マークを有し、 前記位置合わせ検出手段が、 前記基準マークを含む画像を形成する手段と、 前記画像における前記基準マークを検出する手段と、 前記検出された基準マークを示す信号を前記制御手段に
入力する手段とを備えている請求項２記載の走査プロー
ブ顕微鏡。 - 【請求項１８】前記プローブ保管手段が、前記プローブ
に関して前記試料を移動させるのにも使用される前記並
進運動手段上に装着されている請求項１記載の走査プロ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項１９】試料の特性のマップを生成することがで
き、かつ、プローブマウントと前記試料との間の相対並
進運動を生成するシステムと前記試料の特性に関するプ
ローブの応答を検出するプローブ応答検出システムとを
含む走査プローブ顕微鏡の、プローブマウント上にプロ
ーブを装着する方法において、 前記プローブマウント上に装着するためのプローブをプ
ローブ保管装置上に保管する階段と、 前記プローブ応答検出システムに関して前記保管された
プローブの位置合わせを検出して、検出された位置合わ
せに対応する検出信号を作る段階と、 自動プローブ交換を行うために前記検出する段階で検出
された位置合わせに対応する検出信号に基づいて、前記
プローブマウントに関して前記保管されたプローブの位
置合わせを行うために、前記検出信号に応答して前記相
対並進運動システムを制御する段階と、 前記検出する段階で保管されたプローブが所定の位置に
あることを検出するときは前記プローブを前記プローブ
マウント上に取り付ける段階とから成る方法。 - 【請求項２０】さらに、前記保管されたプローブと前記
プローブマウントとの隔たりを制御して前記保管された
プローブが前記プローブマウントと近接もしくは接触し
てから前記プローブが前記プローブ応答検出システムと
位置合わせを行うようにする段階を備えた請求項19記載
の方法。 - 【請求項２１】前記プローブ保管装置上に基準マークを
用意する段階を含み、また、 前記位置合わせを検出する段階は、 前記基準マークを含む画像を形成しかつこの画像内の基
準マークを検出する段階を含み、また、 前記制御する段階は検出された基準マークに基づいて前
記保管されたプローブを位置合わせするために前記並進
運動システムを制御する段階を含む請求項20記載の方
法。 - 【請求項２２】前記取り付ける段階は、位置合わせされ
保管されたプローブに真空を与えて、この真空によって
該位置合わせされたプローブをプローブマウントに保持
する段階を含む請求項20記載の方法。 - 【請求項２３】さらに、前記プローブと前記プローブマ
ウントとの間に与えた真空を測定してプローブがしっか
りと装着されているかどうかを判断する段階を含む請求
項22記載の方法。 - 【請求項２４】前記プローブを保管する段階が、ウエー
ハの表面上に複数の前記プローブを保持する段階を含む
請求項20記載の方法。 - 【請求項２５】前記ウエーハの表面上に複数の基準マー
クを用意し、また前記位置合わせを検出する段階は前記
基準マークを含む画像を形成して、該画像内の基準マー
クを検出することを含み、さらに前記制御する段階は前
記並進運動システムを制御して、選ばれたプローブを検
出された基準マークに基づいて位置合わせすることを含
む請求項24記載の方法。 - 【請求項２６】さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いてプローブの位置
を検出する段階を含み、また 前記制御する段階は前記並進運動システムを制御して前
記プローブ応答検出システムにより検出されたプローブ
の位置に基づいて該検出システムに関してプローブを位
置に並進運動させることを含む請求項25記載の方法。 - 【請求項２７】さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いて前記プローブの
位置を検出する段階を含み、また 前記制御する段階は、該プローブ応答検出システムによ
って検出されたプローブの位置に基づいて検出システム
に関して適所にプローブを並進運動するために前記並進
運動システムを制御することを含む請求項24記載の方
法。 - 【請求項２８】前記位置合わせを検出する段階は前記プ
ローブの光学画像を生成する段階と生成された画像のパ
ターンを認識する段階とを含む請求項19記載の方法。 - 【請求項２９】前記制御する段階は、前記認識する段階
で認識されたパターンに基づいて前記プローブの選ばれ
たものを位置合わせするために前記並進運動システムを
制御することを含む請求項28記載の方法。 - 【請求項３０】さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いて前記プローブの
位置を検出する段階を含み、また 前記制御する段階は前記プローブ応答検出システムによ
って検出されたプローブの位置に基づいて検出システム
に関して適所にプローブを並進運動するために前記並進
運動システムを制御することを含む請求項19記載の方
法。 - 【請求項３１】さらに、 前記プローブ応答検出システムを用いて前記プローブの
位置を検出する段階を含み、また 前記制御する段階は前記プローブ応答検出システムによ
って検出されたプローブの位置に基づいて検出システム
に関して適所にプローブを並進運動するために前記並進
運動システムを制御することを含む請求項21記載の方
法。 - 【請求項３２】前記位置合わせを検出する段階は位置感
知検出器を使用して、和信号、垂直方向たわみ信号、横
方向たわみ信号の少なくとも１つを生成する請求項19記
載の方法。 - 【請求項３３】前記取り付ける段階は、 前記位置合わせされた保管されたプローブに真空を与え
て、この真空という手段によって該位置合わせされたプ
ローブをプローブマウントに保持する段階を含む請求項
19記載の方法。 - 【請求項３４】さらに、 前記プローブと前記プローブマウントとの間に与えた真
空を測定してプローブがしっかりと装着されているかど
うかを判断する段階を含む請求項33記載の方法。 - 【請求項３５】前記取り付ける段階は、 真空クランプ、機械的クランプ、静電気的クランプ、電
磁気的クランプの少なくとも１つを使用して、前記プロ
ーブを前記プローブマウントにクランプすることを含む
請求項19記載の方法。 - 【請求項３６】試料上の１以上の点において前記試料の
表面上の複数の位置でのプローブ応答の検出と関係する
マップを生成する走査プローブ顕微鏡であって、 保管されたプローブを有するプローブ保管ユニットと、 該プローブ保管ユニット内に保管されたプローブがその
上に装着されることになるプローブマウントと、 プローブ応答検出システムと、 該プローブ保管ユニットと該プローブマウントとの間お
よびプローブが装着されている前記プローブマウントと
該試料との間の相対並進運動を生成する相対並進運動シ
ステムと、 プローブ位置合わせ検出システムと、 プローブピックアップデバイスと、 該プローブ位置合わせ検出システムの出力に基づいて該
プローブマウントに関して該プローブ保管ユニットの位
置決めをするために該プローブ位置合わせ検出システム
によって生成された位置合わせ検出信号に応答して該相
対並進システムを制御し、また該プローブ位置合わせ検
出システムが自動プローブ交換を行うために所定のプロ
ーブ位置合わせを検出するときには該保管されたプロー
ブを該プローブマウントに移送するために該プローブピ
ックアップデバイスを作動させる制御器とを備えた走査
プローブ顕微鏡。 - 【請求項３７】前記プローブ位置合わせ検出システム
は、 光学作像デバイスと、 該光学作像デバイスに接続されたパターン認識デバイス
とを備えた請求項36記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項３８】原子力顕微鏡として実現された請求項37
記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項３９】前記プローブ位置合わせシステムは前記
プローブ応答検出システムを備えている請求項37記載の
走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４０】前記相対並進運動システムは、 共通並進運動ステージを備え、このステージによって前
記プローブ保管ユニットと前記プローブマウントの間で
前記相対並進運動が生成され、またプローブが装着され
ている前記プローブマウントと前記試料との間で前記相
対並進運動が生成されるようにされた請求項39記載の走
査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４１】前記相対並進運動システムは、 スキャナを備え、このスキャナは前記プローブマウント
上に装着されたプローブと前記サンプルとの間で、前記
制御器の制御の下で前記サンプルの前記少なくとも１つ
の特性の前記マップを作成するように相対並進運動を生
じさせる請求項40記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４２】前記プローブはスプリングレバーまたは
カンチレバーを備えている請求項41記載の走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項４３】前記プローブ応答検出システムは光学た
わみ検出器を含む請求項42記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４４】前記プローブ位置合わせ検出器は前記プ
ローブ応答検出システムを備えている請求項41記載の走
査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４５】前記ピックアップデバイスは選択的に作
動可能な真空源を備えている請求項41記載の走査プロー
ブ顕微鏡。 - 【請求項４６】前記ピックアップデバイスは真空クラン
プ、機械的クランプ、静電気的クランプ及び電磁気的ク
ランプからなるグループから選択されたクランプを備え
ている請求項41記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４７】前記スキャナは、前記少なくとも１つの
試料特性の前記マップを生成するよう制御されたときに
前記試料と前記プローブとの間の相対並進運動を作り出
し、また前記共通並進運動ステージは前記プローブマウ
ントに関して前記プローブ保管ユニットを位置決めする
ために制御されるときに前記プローブマウントと前記プ
ローブ保管ユニットとの間の相対並進運動を作り出す請
求項41記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４８】前記プローブマウントは空洞を含み、ま
た前記プローブピックアップデバイスは該空洞にソレノ
イドバルブを介して接続された真空源を含んでいる請求
項41記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項４９】さらに、前記空洞に接続された気体圧力
源を備えている請求項48記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５０】原子間力顕微鏡として実現された請求項
41記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５１】原子間力顕微鏡として実現された請求項
40記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５２】前記相対並進運動システムは、 前記プローブ保管手段と前記プローブマウントとの間で
相対並進運動を作り出す１以上の並進運動ステージで成
る第１の並進運動サブシステムと、 プローブが装着された前記プローブマウントと前記試料
との間で相対並進運動を作り出す１以上の並進運動ステ
ージで成る第２の並進運動サブシステムとを備えた請求
項39記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５３】前記相対並進運動システムはさらに、 前記試料の少くとも１つの特性の前記マップを生成する
ために前記制御器の制御の下に前記プローブマウント上
に装着されたプローブと前記試料との間で相対並進運動
を作り出すスキャナを備えている請求項52記載の走査プ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項５４】原子間力顕微鏡として実現された請求項
53記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５５】前記第１と第２の並進運動サブシステム
により作り出される運動の組合せが前記保管されたプロ
ーブと前記プローブ応答検出システムとの間の位置合わ
せを生じさせる請求項52記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５６】原子間力顕微鏡として実現された請求項
52記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５７】原子間力顕微鏡として実現された請求項
36記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項５８】前記制御器は前記プローブ位置合わせ検
出器に応答して前記並進運動システムへ制御信号を出力
し、 前記並進運動システムは該制御信号に応答して前記プロ
ーブ保管ユニットと前記プローブ応答検出システムとの
間で相対並進運動を生成して前記保管されたプローブが
前記プローブ応答検出システムと位置合わせされるよう
にし、また 前記制御器は、前記保管されたプローブと前記プローブ
応答検出システムとの位置合わせが前記プローブ位置合
わせ検出システムにより検出されたときに前記プローブ
ピックアップデバイスを作動させる請求項37記載の走査
プローブ顕微鏡。 - 【請求項５９】前記プローブ位置合わせ検出システムが
和信号、垂直方向たわみ信号および横方向たわみ信号の
少くとも１つを作成する位置感知検出器を備えた請求項
58記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６０】プローブとプローブマウントの接近検出
器を備え、 前記制御器は該プローブとプローブマウントの接近検出
器に応答して前記制御信号を出力し、かつ前記プローブ
が前記プローブマウントに接触もしくは接近するときに
前記プローブピックアップデバイスを作動させる請求項
58記載の走査プーブ顕微鏡。 - 【請求項６１】前記プローブマウントは空洞を含み、ま
た 前記プローブピックアップデバイスはソレノイドバルブ
を介して該空洞に接続された真空源を含む請求項60記載
の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６２】さらに、前記空洞に接続された気体圧力
源を備える請求項61記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６３】原子間力顕微鏡として実現された請求項
60記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６４】原子間力顕微鏡として実現された請求項
58記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６５】前記プローブは、スプリングレバーもし
くはカンチレバーを含む請求項36記載の走査プローブ顕
微鏡。 - 【請求項６６】前記プローブ応答検出システムは、光学
たわみ検出器を備えている請求項65記載の走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項６７】前記ピックアップデバイスは、選択的に
作動可能な真空源を備えている請求項36記載の走査プロ
ーブ顕微鏡。 - 【請求項６８】前記ピックアップデバイスは、真空クラ
ンプ、機械的クランプ、静電気的クランプ及び電磁気的
クランプから成るグループから選択されたクランプを備
えている請求項36記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項６９】前記プローブ保管ユニットは、プローブ
保管カセットを備えている請求項36記載の走査プローブ
顕微鏡。 - 【請求項７０】前記プローブ保管ユニットは、複数のプ
ローブを保持するウエーハを備えている請求項36記載の
走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項７１】前記プローブ保管ユニットは基準マーク
を備え、また 前記プローブ位置合わせ検出システムはプローブ保管ユ
ニット光学作像デバイス、及び基準マークパターン認識
検出器であって該プローブ保管ユニット光学作像デバイ
スと前記制御器とに接続されたものを備えている請求項
36記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項７２】前記プローブマウントは空洞を含み、ま
た 前記プローブピックアップデバイスは該空洞にソレノイ
ドバルブを介して接続された真空源を含んでいる請求項
36記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項７３】さらに、前記空洞と接続された気体圧力
源を備えている請求項60記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項７４】原子間力顕微鏡として実現された請求項
73記載の走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項７５】原子間力顕微鏡として実現された請求項
36記載の走査プローブ顕微鏡。
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| US521,584 | 1995-08-30 | ||
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|---|---|---|---|
| JP51038997A Expired - Fee Related JP3176931B2 (ja) | 1995-08-30 | 1996-08-23 | 自動的なプローブ交換および位置合わせを有する走査プローブ顕微鏡 |
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| JP2005195547A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 |
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