JP5000076B2 - 力走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
定領域にわたって取得することができ、対応する試料表面図を生成することができる。しかしながら、PMには、同様にプローブを用いて試料特性を特徴づけるが走査はしない分子力プローブ(MFP )などの装置もある。
1E は、プローブ10のチップ14と試料16との間の力が、試料上の選択点(X, Y)において、チップ−試料間距離が試料表面にほぼ垂直な方向に調節されるときに、プローブ10のカンチレバー12をどのように撓ませるかを示している。図2は、力の大きさを試料位置の関数、即ち力曲線またはプロファイルとして示している。
力測定を行うために、スキャナー32の部分34は、試料42をAFM 30のプローブ44に対して、選択された位置(x, y)まで移動させる。前に述べたように、スキャナー32を作動させるために、部分34,36はその上に置かれた電極(例えば、X-Y 部分に対しては38と40)を有し、この電極は制御器から適当な電圧差を受け取り、この電位差が、印加されたときに望ましい運動を生じる。次に、図1A 〜1E および図2に示された力曲線測定に関連して述べたように、Z 部分36を作動させて試料42をプローブ44のチップ46に向かって移動させる。また、チップ46が試料42と相互作用を起こすと、プローブ44のカンチレバー48が撓む。この撓みを撓み検知システム50で測定する。検知システム50は、光ビームL をカンチレバー48の反射性裏面に向けるレーザ51を備えている。ビームL はカンチレバー48で反射し、反射したビームL はビームステアリングミラー52と接触し、このミラーがビームL をセンサ54に向ける。センサ54は次に、カンチレバーの撓みを示す信号を生成する。カンチレバーの撓みは力に関係しているので、撓み信号を変換し、力として図式化される。
しかしながら、力分光実験は一般に、特にZ 軸(試料表面にほぼ垂直な軸)における相対的なチップ−試料間運動の更に厳密な制御を要求する。
服することは本発明の重要な目的の一つである。
また、従来の力曲線測定を行うために用いられる方法についての欠点もある。実験的には、力曲線測定は、図5A に示すように、Z 軸スキャナーの電極に、例えば、周期的な三角波電圧パターンを印加することによって行われる。この三角波駆動信号は、スキャナーを縦方向に伸張させたのち収縮させ、プローブと試料の間の相対運動を生じる。このようなシステムにおいては、三角波の振幅のみならず周波数を制御できるので、研究者は、AF
M カンチレバーチップが力測定の間移動する距離と速度を直線的に変化させることがで
きる。図5B に図5A に示したものと同様の駆動信号を示す。しかしながら、この場合においては、駆動信号はZ スキャナー運動の方向の各変化と変化の間に休止を含んでいる。いずれの場合も、駆動信号は周期的である。しかしながら、しばしば、例えばある試料の複雑な機械モデルに対応する力を分析するための、チップ−試料間距離を調節する速度、休止期間(例えば、表面上のチップと分子の間の分子結合を可能にする)などを含む力測定のパラメータを、非周期的な方法で変化させることが望ましい。この点に関しては、従来のシステムがしばしば、非周期的な測定を行う場合の柔軟性に欠けることに注目すべきである。従って、力測定を行う場合の柔軟性が改善されたシステムが望まれていた。例えば、チップ−試料間の力の具体的な変化または変化率、あるいは、チップ−試料間の力の具体的な値が、当の試料に関する何らかの特性を示すことができる。従って、具体的な測定条件に応じて力曲線測定パラメータ(例えば、移動の速度)を変えることが望ましいであろう。あるいは、例えば、位置(距離)対時間のパスをたどる代わりに、望ましい力プロファイルを生じるように位置(距離)が制御される、力対時間のパスをたどることが望ましいかも知れない。
本実施態様のもう一つの側面においては、スキャナーは、プローブと、プローブの運動を検知する検知装置とを有するプローブ顕微鏡内に配置される。試料は、スキャナーが相対的なチップ−試料間運動を生じるように位置決めされ、変位センサはステージ上に取り付けられる。
ナー駆動信号と、データ取得の間に力曲線測定パラメータを変更できるユーザ定義入力とを生成するデータ取得制御システムを備えている。
最初に図6に、高度のデータ取得柔軟性をもって力体積測定を含む高精度の力測定を行う力走査型プローブ顕微鏡(FSPM)100を示す。FSPM100は、原子間力顕微鏡(AFM )102、データ取得制御システム104、およびユーザインターフェース106を備えている。プローブ顕微鏡102は、基板112から延びるカンチレバー110を有するプローブ108を備えている。カンチレバー110は、カンチレバー110にほぼ直角に延びるようにチップ114が結合された自由端を備えている。プローブ108は、従来のプローブ保持器などの支持器(図示せず)の中に置かれているので、一まとめにしてプローブ組品と呼ぶ。
望ましいZ アクチュエータ運動に関して、対応する力曲線測定を行う場合の柔軟性は、
Z アクチュエータ122を介してチップ−試料間距離を制御することによって達成される。アクチュエータ122のこの運動は、前に述べたように(図5A )、周期性三角波などの力曲線測定を行うための標準的入力によって定義できる。この入力は、更に複雑なユーザ定義入力とすることもできる。例えば、撓み力フィードバックブロック152をZ 位置波形ブロック154と共に使用して、図14、15A 〜C 、16、および17を用いて示され説明されたように、特定の力または力プロファイルを維持するか、「トリガー」条件に応じて力測定パラメータを変化させることができる。あるいは、Z 位置波形ブロック154が適当なプロファイルをコンピュータ132に入力し、コンピュータ32がそれから力制御器128と通信して、ある期間にわたって所定のZ 位置プロファイルを規定することができる(図12および13A 〜C )。あるいはまた、Z アクチュエータ122を自動制御して選択された力測定を行わずに、手動入力装置140を介してオペレータによって、力データの取得の間、望ましいアクチュエータ運動を手動制御することができる。
の移動)を測定する静電容量センサであるのが理想的である。図10に、静電容量変位センサ162の極板の配置を簡単に示す。上部極板163が撓みステージ122の静止部分に固定されている一方、下部極板164がステージ122の移動可能部分168に固定されている。その結果、Z アクチュエータ122を作動させる、移動可能部分168(従って試料)の動きが、極板163,164間の垂直距離を変化させる。この距離の変化を測定して、実際のZ 移動が測定静電容量の対応する変化を生じていることを知る。とりわけ、Z アクチュエータ122からの撓みステージが強固であるので、Z アクチュエータ122を作動させたときに、極板163,164間距離がその表面領域に沿って一定に保たれる(即ち、それらはその平行関係を維持する)。また、センサ162は、平行極板コンデンサが好ましいけれども、圧電Z ステージの基準部分と移動可能部分とに機械的に結合されたピエゾ抵抗センサなどの別の種類のセンサ(即ち、LVDTや歪ゲージセンサ)であってもよい。
の対応する動きを生じる。とりわけ、Z アクチュエータ122の下にチューブスキャナー120を置くことによって、チューブスキャナー120によって生成されるX-Y 動作がスキャナー118の自由端178で増幅される。
118の中心軸と同一直線上にある中心軸を有している。試料保持器は、米国特許No.Re34,485 に示されるようなこの技術における従来のものである。圧電Z アクチュエータ122と同様に、Z 延長部180はINVAR 製が好ましい。延長部180の質量を最小にするためと、それによりスキャナー118の強度を落とすのを防ぐために、複数の穴190がその中に形成されている。
に応じて、選択された方向の運動を生じる従来の圧電部品である。圧電スタック204は印加された電圧信号に応じて伸張し収縮するので、機械運動が表面202を介してZ アクチュエータ122の中心部分168に伝達される。その結果、撓み点194,196,198,200が撓むので、部分168が縦方向に動く。この場合、圧電スタック204は、制御電圧に応じて取り付け表面120にほぼ垂直な方向に動くように構成されている。
チップ−試料間距離の粗調整を行う一方、Z チューブ212を実行してチップ−試料間距離即ち試料の動きの微調整を行うことができる。このことは繊細な試料を扱うときに特に望ましい。あるいは、Z チューブは、「fly-fishing 」として文献に述べられたものと同様のモードなどの種々の動作モードに対応するために、高周波振動によって駆動することができる。この「fly-fishing 」においては、チップ−試料間距離を減らしながら、チップを(音響または磁気「AC」またはタッピングモード(TappingMode )を介して)比較的小さい振幅と比較的高い周波数で振動させ、プローブが表面上の単一分子を「ひっかける」か「捕まえる」という望ましい結果を得る。第2のZ 軸ピエゾの追加は同様の技術を可能にする。すなわち、ユーザが第2ピエゾを代わりに使って低振幅/高周波振動を生じることができる。
令するので、力が時刻t1からt2まで直線的に増加する。とりわけ、図15B に示すように、t1において、カンチレバー撓みがゼロであり、ピエゾ位置はチップ−試料間距離がゼロとなる位置にある。それから、チップが試料と接触しているプローブに向かってアクチュエータが更に動くと、カンチレバーが時刻t2引くt1の間上方に撓む。時刻t2とt3の間は力は一定に保たれるので、力制御器はZ アクチュエータを動かさない。
詳しくは、コンピュータが力制御器にZステージ駆動信号を生成するよう命令すると、試料がAFMのプローブのチップに接近し、プローブに働くゼロ力が撓み検知システムによって測定される。その後、時刻t1においてチップが試料(例えば、分子)と相互作用し始めると、力分光アクチュエータがチップ−試料間距離を狭めるので、力は値F1(正の撓み力)まで直線的に増加する。
図12,14、および16に示された方法のそれぞれにおいて注目されるのは、好ましい実施態様のスキャナー118によって与えられる正確なZ位置決めが、広範囲のユーザ定義入力プロファイルの使用を可能にするので、FSPM100に、広範囲の試料の(例えば、試料モデルに基づく)特定の機械的特性を測定することを目標にさせることができるということである。
Claims (26)
- 力曲線を測定するプローブ顕微鏡の圧電スキャナーであって、
平らな走査面を規定すべく、直交する二つの軸方向におけるスキャナー運動を生成する圧電チューブと、
前記走査面に垂直な第3軸の方向のスキャナー運動を生成する撓み圧電ステージであって、前記圧電チューブの体積よりも大きな体積を有するフレームと、前記フレームの内面に設けられた複数の撓み部と、前記撓み部によって支持された可動部と、前記可動部の底面と前記フレームとの間に設けられ、前記可動部の底面と前記フレームとに当接するスタック型の圧電素子とを含む、前記撓み圧電ステージと、
前記走査面に垂直な前記第3軸での前記可動部の移動を測定するためのセンサとを備え、
前記撓み圧電ステージがカップリングを介して前記圧電チューブに結合されていることを特徴とする圧電スキャナー。 - プローブ顕微鏡のプローブと試料との間に結合されている変位センサを更に備える、請求項1に記載の圧電スキャナー。
- 前記変位センサは、前記第3軸の方向の運動を検知すると共に、対応する位置信号を生成する、請求項2に記載の圧電スキャナー。
- 前記位置信号がチップ−試料間距離を表す請求項3に記載の圧電スキャナー。
- 前記変位センサが静電容量センサである請求項3に記載の圧電スキャナー。
- 前記試料と前記プローブの一方が該圧電スキャナーに結合されている請求項2に記載の圧電スキャナー。
- 該圧電スキャナーが、プローブと、該プローブの運動を検知するプローブ運動検知装置とを有するプローブ顕微鏡の中に置かれ、該圧電スキャナーによって試料を前記プローブに対して移動させ、前記変位センサが前記撓み圧電ステージに取り付けられている、請求項3に記載の圧電スキャナー。
- 制御器を更に備え、
該制御器が前記撓み圧電ステージを駆動する制御信号を生成し、該制御信号がユーザ定義入力に応じて生成される、請求項7に記載の圧電スキャナー。 - 前記撓み圧電ステージが前記位置信号に応じて第3軸方向のスキャナー運動を生成する、請求項8に記載の圧電スキャナー。
- 第3軸方向のスキャナー運動が前記ユーザ定義入力によって定義される運動とほぼ一致するように、前記制御信号が前記撓み圧電ステージを駆動する、請求項8に記載の圧電スキャナー。
- 前記ユーザ定義入力が所定のスキャナー運動と対応しており、第3軸方向のスキャナー運動が前記所定のスキャナー運動とほぼ同じであるように、前記制御信号が前記撓み圧電ステージを駆動する、請求項8に記載の圧電スキャナー。
- 前記ユーザ定義入力が位置対時間によって定義されたパスである、請求項8に記載の圧電スキャナー。
- 前記ユーザ定義入力が力対時間によって定義されたパスである、請求項8に記載の圧電スキャナー。
- 前記ユーザ定義入力がトリガー条件を備える、請求項8に記載の圧電スキャナー。
- 前記トリガー条件が、所定の力、所定の力変化、および所定の力勾配のいずれか一つである、請求項14に記載の圧電スキャナー。
- 測定パラメータによって規定された力曲線測定動作の間、前記プローブ運動検知装置が、前記プローブと前記試料の間の相互作用に相当する前記プローブの運動を検知し、前記測定パラメータを変更するように前記トリガー条件が前記プローブ運動によって満足される、請求項15に記載の圧電スキャナー。
- 前記位置信号に応じて駆動信号を生成して、ユーザ定義入力に対応する第3軸方向のスキャナー運動を生じる、閉ループフィードバック制御器を更に備える請求項3に記載の圧電スキャナー。
- 前記撓み圧電ステージが第1面内のスキャナー運動を機械的に増幅するように置かれている請求項1に記載の圧電スキャナー。
- 前記圧電チューブと前記撓み圧電ステージの一方が試料に結合されるように構成されている、請求項1に記載の圧電スキャナー。
- 前記撓み圧電ステージが試料に結合されるように構成され、前記圧電チューブが該試料を前記走査面内で移動させる、請求項1に記載の圧電スキャナー。
- 前記撓み圧電ステージによって生成されたスキャナー運動に加えて第3軸方向のスキャナー運動を生成する圧電Zアクチュエータを更に備える請求項1に記載の圧電スキャナー。
- 前記圧電チューブが前記圧電Zアクチュエータと前記撓み圧電ステージの中間に配置されている、請求項21に記載の圧電スキャナー。
- 前記圧電チューブが前記圧電Zアクチュエータと前記撓み圧電ステージによって支持されている、請求項21に記載の圧電スキャナー。
- 前記圧電スキャナーがプローブ顕微鏡のプローブと試料との間の相対運動を生じる、請求項1に記載の圧電スキャナー。
- 前記プローブが該圧電スキャナーと結合され、前記試料が前記プローブに対して固定されている、請求項24に記載の圧電スキャナー。
- 前記第3軸の方向のスキャナー運動は試料の特性を測定すべく前記圧電スキャナーを作動するときに非周期的である、請求項1に記載の圧電スキャナー。
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