JP5944982B2 - 小型スキャナを備える走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

好ましい実施形態は、高速走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を対象とし、より詳細には、小型かつ軽量であると同時に、高速走査を含むＳＰＭ性能を維持しながら使いやすさを促進するために、ＳＰＭのヘッドから容易に取外し可能である、ＳＰＭのためのＺスキャナアセンブリを対象とする。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のような走査型プローブ顕微鏡は、サンプルの１つまたは複数の特性を測定しながら、測定プローブとサンプルとの間で相対的な走査運動を行うことによって動作する。図１に、典型的なＡＦＭシステムが概略的に示されている。ＡＦＭ１０は、カンチレバー１５を有するプローブ１４を含むプローブデバイス１２を採用する。スキャナ２４は、プローブ−サンプル間の相互作用が測定される間、プローブ１４とサンプル２２との間に相対運動を発生する。このようにして、サンプルの画像または他の測定値を取得することができる。スキャナ２４は、典型的には、通常３つの直交方向（ＸＹＺ）の運動を発生する１つまたは複数のアクチュエータで構成される。しばしば、スキャナ２４は、サンプルまたはプローブのいずれかを３つの軸すべてで移動させるための１つまたは複数のアクチュエータを含む単一の集積ユニットとすることができる。代替的には、スキャナは、複数の別個のアクチュエータのアセンブリとすることができる。いくつかのＡＦＭは、スキャナを複数の構成要素に、たとえば、サンプルを移動させるＸＹスキャナとプローブを移動させる別個のＺアクチュエータとに分離する。

一般的な構成では、プローブ１４は、しばしば、カンチレバー１５の共振周波数でまたはその付近でプローブ１４を駆動するために使用される発振アクチュエータまたはドライブ１６に結合される。それに代わり、カンチレバー１５の歪み、ねじれまたは他の運動が測定されてもよい。プローブ１４は、多くの場合、一体化された先端１７を備える微細加工されたカンチレバーである。

一般的には、ＳＰＭコントローラ２０の制御の下で、電子信号をＡＣ信号源１８から印加して、プローブ１４を駆動するためにプローブホルダウェッジ（または代替的にはスキャナ２４）に結合されたアクチュエータ１６を発振させる。プローブ−サンプル間の相互作用は、典型的には、コントローラ２０によるフィードバックを介して制御される。特に、アクチュエータ１６は、スキャナ２４およびプローブ１４に結合され得るが、自己作動型カンチレバー／プローブの一部としてプローブ１４のカンチレバー１５と一体に形成することもできる。

多くの場合、上述したように、プローブ１４の発振の１つまたは複数の特性における変化を検出することによってサンプル特性を監視する際には、選択されたプローブ１４を発振させ、サンプル２２に接触させる。この点について、偏向検出装置２５は、典型的には、ビームをプローブ１４の後方に向かって方向付けるために採用され、次いで、ビームは、４象限光検出器のような検出器２６に向かって反射する。装置２５の感知光源は、典型的には、レーザー、しばしば、可視レーザーダイオードまたは赤外レーザーダイオードであることを留意されたい。また、感知光ビームは、他の光源、たとえば、Ｈｅ−Ｎｅまたは他のレーザー源、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）、ＬＥＤ、光ファイバ、あるいは小さいスポットに集束させることができる任意の他の光源によって発生することができる。ビームが検出器２６の両端間で平行移動すると、適宜な信号がコントローラ２０に送信され、コントローラ２０は、その信号を処理してプローブ１４の発振における変化を判断する。一般に、コントローラ２０は、先端とサンプルとの間の相対的に一定の相互作用（または、レバー１５の偏向）を維持するために、典型的にはプローブ１４の発振のセットポイント特性を維持するために、制御信号を発生する。たとえば、コントローラ２０は、しばしば、先端とサンプルとの間にほぼ一定の力を保証するために、発振振幅をセットポイント値Ａ_Ｓに維持するために使用される。代替的には、セットポイント位相または周波数を使用してもよい。

また、コントローラ２０中に、ならびに／あるいは、別個のコントローラ中または接続されたか、もしくはスタンドアロンのコントローラの別個のシステム中に、ワークステーション４０が提供され、ワークステーション４０は、収集されたデータをコントローラから受信し、ポイント選択動作、曲線当てはめ動作および距離判断動作を実行するために走査中に取得されたデータを操作する。ワークステーションは、得られた情報をメモリに記憶すること、さらなる計算のために得られた情報を使用することおよび／または好適なモニタ上にそれを表示すること、ならびに／あるいは、得られた情報を有線によってまたはワイヤレスに別のコンピュータまたはデバイスに送信することができる。メモリは、任意のコンピュータ可読データ記憶媒体を備えることができ、例として、コンピュータＲＡＭ、ハードディスク、ネットワークストレージ、フラッシュドライブまたはＣＤ ＲＯＭが挙げられるがこれらに限定されるものではない。特に、スキャナ２４は、しばしば、測定プローブとサンプル表面との間の相対運動を発生させるために使用される圧電スタック（本明細書ではしばしば「ピエゾスタック」と呼ぶ）または圧電チューブを備える。ピエゾスタックは、スタック上に配設された電極に印加される電圧に基づいて、１つまたは複数の方向に移動するデバイスである。ピエゾスタックは、しばしば、ピエゾスタックの運動をガイドする、抑制する、および／または増幅するのに役立つ機械式撓曲部と組み合わせて使用される。それに加えて、「Fast-Scanning SPM Scanner and Method of Operating Same」と題する２００７年３月１６日付けで出願され同時係属中の、米国特許出願第１１／６８７，３０４号に記載されているように、１つまたは複数の軸におけるアクチュエータの剛性を高めるために、撓曲部が使用される。アクチュエータは、プローブ、サンプル、またはそれらの両方に結合することができる。最も典型的には、アクチュエータアセンブリは、プローブまたはサンプルを水平つまりＸＹ平面で駆動するＸＹアクチュエータの形態で、また、プローブまたはサンプルを垂直つまりＺ方向に移動させるＺアクチュエータの形態で提供される。

ＳＰＭの実用性は発展し続けているので、サンプル測定スループット（たとえば、１時間あたり２０個以上のサンプル）を改善するために、および／または現在利用可能であるよりも高い時間分解能での測定ナノスケールプロセスを改善するために、より高速で様々なタイプのサンプルを画像化する必要性が生じた。ＡＦＭ画像化は、高い空間分解能（ナノスケール）を提供するが、一般には、低い時間分解能を有する。典型的な高品質のＡＦＭ画像は、特に数ミクロンを上回る走査サイズを獲得するためには数分間かかる。

いくつかの要因により、カンチレバー応答時間、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向における使用可能なスキャナ帯域幅、スキャナを駆動する高電圧増幅器の電力および帯域幅、カンチレバー力感知の速度を含む画像化速度、ならびに復調システムおよび針圧フィードバックシステムが制限されることがある。

大部分の測定デバイスの場合と同様に、多くの場合ＡＦＭには、分解能と獲得速度との間のトレードオフが生じる。つまり、いくつかの現在利用可能なＡＦＭは、サブオングストロームの分解能で単純な表面を走査することができる。これらのスキャナは、比較的小さいサンプル面積しか、さらに、比較的低い走査レートでしか走査することができない。従来の市販のＡＦＭは、通常、高分解能（たとえば５１２×５１２ピクセル）かつ低い針圧で数ミクロンの面積をカバーするためには、典型的には数分間の総走査時間を必要とする。ＡＦＭ走査速度の実用的な限界は、先端および／またはサンプルに損傷を与えない、または先端および／またはサンプルに対する損傷を最小限にするのに十分な低い針圧を維持しながら、ＡＦＭを走査することができる最大速度の結果としてもたらされる。安藤敏夫教授（日本の金沢大学）は、ｍｍサイズの短い距離、典型的には２μｍ未満にわたってサンプル走査するＡＦＭを使用する高速ＡＦＭを大きく進歩させた。安藤教授は、小さいサンプルと小さい走査サイズとのこの組合せについて高分解能でのビデオ走査レートを達成した。

スキャナにプローブがマウントされた、典型的には「チップスキャナ」と呼ばれる他のシステムが知られており、あるいは、それらが提案および／または実装されてきた。Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（商標）という製品名でＶｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓが販売している一連の計器に、１つのそのようなシステムが組み込まれている。そのシステムは、Ｚアクチュエータについて比較的大型のチューブスキャナを採用し、比較的低い帯域幅を有する。別のシステムは、Ｈｗａｎｇの米国特許第７，２４９，４９４号に開示される。Ｈｗａｎｇの出願のシステムでは、プローブは、アクチュエータにマウントされ、アクチュエータは、入射するレーザー光を集束させる光学対物レンズにマウントされる。対物レンズは、ｘ−ｙアクチュエータにマウントされる。しかしながら、システムの対物レンズおよび他の光学部品は、プローブに対して固定されるので、（少なくとも２０μｍ幅と４０μｍ以上の長さを有する）比較的大きいプローブは、カンチレバー上における集束したレーザービームの位置決めを保証するように要求される。また使用される典型的なプローブは、およそ４００ｋＨｚの共振周波数Ｆ_ｏと、約４００の品質係数Ｑとを有する。これらのプローブに関して得られた応答帯域幅は、Ｆ_ｏ／Ｑ≒１ｋＨｚのオーダーのものである。その低帯域幅プローブに部分的に起因して、得られたシステムは、３０Ｈｚ未満の最大走査レート（または、毎秒３０走査線）を有し、より典型的な画像化速度は約１Ｈｚである。

一方、迅速にデータを取得することができるＳＰＭは、許容できないトレードオフを負うこともある。１つのそのようなシステムは、Ｖｉｄｅｏ ＡＦＭ（商標）という製品名でＩｎｆｉｎｅｔｉｓｍａから販売されている。Ｖｉｄｅｏ ＡＦＭは、ビデオレートで動作するが、信号対雑音比と得られる画質に対してかなり妥協している。また、Ｉｎｆｉｎｉｔｅｓｉｍａのシステムは、力フィードバックが走査線内のサンプルコルゲーションにおける変動に応答するには十分には速くない接触モードで動作する。このシステムでは、サンプルまたはプローブは音叉にマウントされる。プローブは、サンプルと接触させて駆動し、サンプルまたはプローブは、その共振周波数でまたはその付近で音叉を振動させることによって、走査される。音叉は、高い共振周波数を達成するために極めて小さくなければならない（典型的には、数ｍｍオーダーのサイズでなければならない）ので、質量が増大することに極めて敏感である。その結果、性能を劣化させることなしには、極めて小さい（数ｍｍオーダーのサイズの）サンプルまたはカンチレバー基板のみが音叉にマウントすることができる。

サンプルの表面特性のビューを提供するために、ＡＦＭを従来の光学顕微鏡と組み合わせることが知られている。特に、高性能の顕微鏡対物レンズは、短い作動距離を有し、サンプル表面の近くに配置されなければならない。したがって、対物レンズの底部とプローブとの間の空間は、入射する検出ビームおよび出射する検出ビームのジオメトリを受け入れるには十分ではないので、高分解能光学画像化は、従来のＡＦＭ検出器と組み合わせて実装するのが難しい。光学顕微鏡の重量の理由から、計器の走査レートを容認できないほど低減することなく、光学顕微鏡の光学部品をＡＦＭのスキャナに組み込むことは難しい。

いくつかの光学顕微鏡搭載型ＳＰＭは、レーザー光を顕微鏡対物レンズを通して方向付けることによって、この限界を克服しようと試みてきた。１つのそのようなシステムは、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ＳｙｓｔｅｍｓによってＵＬＴＲＡＯＢＪＥＣＴＩＶＥ（商標）という製品名で販売されており、国際公開ＷＯ０１／２３９３９号に開示されている。ＵＬＴＲＡＯＢＪＥＣＴＩＶＥ（商標）システムでは、光学顕微鏡の対物タレットに挿入することができる交換可能な対物レンズを提供するために、近接場ＡＦＭプローブとプローブのためのＺアクチュエータアセンブリと光学集束システムとが単一のハウジングに提供される。その対物レンズは、プローブに対して固定され、レーザービームをプローブ上に動的に集束させるためのいかなる機構も有さない。

従来のＡＦＭを装備した光学顕微鏡の別の欠点は、ユーザがサンプルを検査することを可能にするためににしか提供されていないことである。当該光学顕微鏡は、カンチレバー上にレーザービームを集束させる際に何ら役に立たない。したがって、光点をカンチレバー上に集束させるためにこのシステムが提供された場合であっても、いずれの機構も、集束プロセス中に光学フィードバックをユーザに与えるためには利用できない。

この点について複数の解決策が利用可能である。しかしながら、ＡＦＭのすべての可動式構成要素について、大きい第１の共振周波数、つまり、基本共振周波数を維持することに対する２つの主要な欠点は、１）スキャナおよびプローブホルダのサイズおよび質量と、２）ＡＦＭヘッドへの、および互いへのこれらの構成要素間の結合が強固でないことを含む。

図２および図３に示すように、従来のＡＦＭでは、しばしば、大型のプローブホルダ５０が採用される。ＡＦＭの１つのタイプでは、圧電チューブアクチュエータは、プローブホルダ５０のようなプローブホルダを受け入れるために、その遠位端にカップリングピンを支持するＡＦＭヘッド内で支持される。プローブホルダは、マウントピンを受けるためにその中に形成されたマウント開口６２を備える比較的大型の本体５２を含む。ウェッジ５４が本体５２の表面に設けられ、カンチレバーをその角度を調節可能に支持するように構成される。ウェッジ５４によって支持されたプローブデバイス５６の基部を保持するために、アーム５８が設けられる。ねじ６０は、アーム５８をウェッジ５４に保持する。アーム５８の後端部をユーザが押すことで、設置、除去および交換のためにプローブが解除される。全体として、これは、スキャナ自体と共に大容量（１０ｓ立方インチ）を占める大規模な構造である。この可動式の構造は、ＡＦＭの機械的共振を、したがってＡＦＭ走査速度を著しく制限する。

他のＡＦＭ走査の解決策も利用可能であるが、各々の解決策は同様に欠点を有する。高い基本共振周波数を維持することが可能なものであっても、扱いにくいことが多く、したがって、使用が難しい。具体的には、比較的大型のヘッドおよびスキャナをピックアップすることと、それを回転させ、プローブをマウントする、取り外す、および交換することができるように配置することとがしばしば課題となる。特にこの点について、プローブデバイスはしばしば、１時間ごとに、ときにははるかに短いタイムスパンで交換する必要がある消耗品であるということが明らかである。

米国特許出願第１１／６８７，３０４号明細書 米国特許第７，２４９，４９４号明細書 国際公開ＷＯ０１／２３９３９号明細書

走査型プローブ顕微鏡の分野は、したがって、剛性が向上し、質量がより小さく、プローブ交換を容易にするために容易に着脱可能であるスキャナを必要としている。また、より高い第１の共振周波数を有するより小さいプローブホルダが望まれてきた。最後に、使用の容易性および高速なＡＦＭ動作を促進するスキャナが理想的である。

本発明の好ましい実施形態は、大型の走査装置およびプローブホルダに起因するシステム共振周波数に対する悪影響を最小限に抑えることによって、高速ＡＦＭ動作を可能にする。コンパクトで比較的軽量なＺスキャナは、テーパーマウントがＡＦＭヘッドに強固に結合されるように構成される。さらに、その機械的に剛性なテーパーマウントをもつＺスキャナは、さらなる共振周波数に対する利点を提供するコンパクトなプローブホルダ設計に適応する。その結果、ＡＦＭヘッド／スキャナへの脆弱な接続を有する大型のプローブホルダを使用することに起因するシステム共振の連続性における弱い結びつきがより強固になり、したがって、本発明の技術を採用するＡＦＭは、従来のＡＦＭに比べて著しく速い走査速度を達成することが可能である。その上、スキャナは、容易に取外し可能となり、したがって、プローブ設置のような典型的なＡＦＭセットアップ動作を含めて、非常に容易に使用できるようになる。実際に、指を使用して容易にシャツのボタンを１つ外すことができるのと同じくらい、容易かつ迅速にスキャナを取り外し、設置することができる。

１つの実施形態の第１の態様によれば、ヘッドを含む走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のためのスキャナは、本体ハウジングと、アクチュエータと、スキャナ運動を検出するセンサとを有する。このスキャナにおいて、本体は、ヘッドから取外し可能であり、（ケーブルを除いて）約１立方インチの総体積を有する。

本実施形態のさらに別の態様によれば、スキャナは、実質的に、走査するサンプルに直交する方向においてのみ、それに結合されたプローブデバイスの運動を提供するＺスキャナである。

本実施形態のさらなる態様によれば、本スキャナは、アクチュエータとプローブデバイスとの間に結合された撓曲ダイアフラムを備える。撓曲ダイアフラムは、上述の方向に対して横方向にプローブデバイスの運動を制限する。

本実施形態の別の態様によれば、センサは、上述の方向のプローブデバイスの運動を実質的に測定する。好ましくは、センサは、本体と一体に形成される。

本実施形態のさらなる態様によれば、センサは、固定端部および自由端部を有するカンチレバー型エレメントと接続部とを含む。接続部は、カンチレバー型エレメントの自由端部に接続され、リンクの対向する端部は、プローブデバイスを支持するプローブホルダに接続される。

本実施形態の別の態様では、本体は、ＳＰＭのヘッドの自由端部の一部分にスキャナを接続するための第１の開放端部を有する。自由端部の一部分は、サンプルに向かって延びた外側表面を有する。本体は、プローブホルダを支持する第２の閉鎖端部と、第１の端部と第２の端部との間に延びた内側表面とを有する。好ましくは、外側表面および内側表面には、互いに係合するように同様のテーパーが付けられている。テーパーが付けられた内側表面によって規定された角度は、約１５度〜３５度であり、理想的には約２２度である。

本実施形態のさらなる態様によれば、スキャナに関連付けられた基本共振周波数は、１０ｋＨｚよりも大きい。理想的は、基本共振周波数は４０ｋＨｚよりも大きい。

さらに別の実施形態では、プローブホルダは、本体に剛結合される。内側表面は、外側表面の溝に設けられた例えばＯリングのような封止エレメントを受け入れるための環状デテントを含む。

本実施形態の別の態様によれば、自由端部の一部分中の真空ポートは、本体に真空力を印加する。真空ポートは、自由端部の一部分中の真空オリフィスに結合され、真空オリフィスは、本体中の真空オリフィスに接続される。

当業者には、以下の詳細な説明および添付の図面から、本発明のこれらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点が明らかになるであろう。ただし、詳細な説明および特定の実施形態は、本発明の好適な実施形態を示すが、例として与えられ、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨から逸脱することなく本発明の範囲内に置いて、多くの変更および修正を行うことができ、本発明はそのような修正をすべて含むものである。

本発明の好適な例示的実施形態が添付の図面に示され、図面を通じて同様の参照番号は、同様の部分を表している。

従来技術の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略ブロック図である。 原子間力顕微鏡のための従来技術のプローブホルダの側面図である。 図２の従来技術のプローブホルダの頂面図である。 好適な実施形態による高速走査型ＡＦＭヘッドの等角図であり、好ましい実施形態の取外し可能なＺスキャナを示している。 図４の高速走査型ＡＦＭヘッドの構成要素の概略図である。 好適な実施形態によるＺスキャナの等角頂面図である。 図６のＺスキャナの等角底面図である。 スキャナのダイアフラムおよびセンサを示す概略側断面図である。 図６のＺスキャナの部分切欠き断面等角図である。 図６のＺスキャナの部分切欠き断面等角図である。 図４のスキャナヘッドの下向きに延びた自由端部の一部分に結合された、図６のＺスキャナの部分切欠き等角図である。 図１１に示したＡＦＭヘッドの下向きに延びた自由端部の一部分に結合されたＺスキャナの断面図である。 図１２のＺスキャナに結合されたプローブホルダの拡大断面図である。 図１１に示したＺスキャナおよびＡＦＭヘッドの自由端部の断面図である。 図１３に示したＺスキャナと自由端部との間のインターフェースの拡大断面図であり、自由端部に結合されたＯリングを受け入れるＺスキャナ中の環状デテントを示す。 好適な実施形態によるプローブホルダの分解斜視図であり、好ましい実施形態のプローブクリップを示している。 図１４のプローブホルダおよびプローブクリップの頂面図である。 図１４および図１５に示したプローブホルダおよびプローブクリップの側面図である。 図１５のプローブホルダおよびプローブクリップの等角図であり、開位置におけるプローブクリップを示している。 従来技術のＺスキャナと本発明の好ましい実施形態によるＺスキャナとに関連付けられたＺスキャナのダイナミクスを示すグラフである。

好ましい実施形態は、高速走査型プローブ顕微鏡を対象とする。詳細には、革新的なＺスキャナ設計は、従来のＳＰＭ／ＡＦＭをはるかに超えた速度でのサンプル走査を共同で可能にする一体化された小型のプローブホルダと組み合わせられる。詳細には、約２キロヘルツのＡＦＭの可動式構成要素に関連付けられたより低い共振を有する、比較的大型のスキャナ／プローブホルダによって限定される従来技術のＡＦＭのものとは対照的に、好ましい実施形態のコンパクトなＺスキャナ／プローブホルダ設計は、システム共振の制約を実質的に克服し、本発明のＡＦＭは、高速で走査し、安定性を維持することが可能になる。本発明の技術を採用するＡＦＭは、すべての可動式構成要素のＺ軸共振を５０キロヘルツ超に維持することが可能である。

最初に図４を参照すると、高速走査型ＡＦＭヘッド１００は、ＡＦＭの輸送にそなえて一体化されたハンドル１０４が形成されたハウジング１０２を含む。ヘッド１００は、底部表面１０６を含み、そこから、光学構成要素および機械構成要素（図５を参照）を好ましくは収容する、本明細書では「ハウジング１０７」と呼ぶことがある、自由端部の一部分１０７が延び、ヘッド１００は、取外し可能なＺスキャナ１１０を受け入れるように構成される。以下にさらに詳しく記載するように、Ｚスキャナ１１０を対物レンズのハウジング１０７上にマウントすることにより、ＡＦＭ性能が大幅に進歩する。詳細には、ハウジング１０７の外側表面は、好ましくは、Ｚスキャナ１１０の対応するテーパー付き表面を受け入れるためにテーパーが付いている。

また、Ｚスキャナ１１０は、スキャナ制御、および高速ＡＦＭヘッド１００との通信のための対応するケーブルおよびコネクタ１１２を含む。また、高速走査型ＡＦＭヘッド１００は、レーザーおよび検出器モータならびに対応するリミットスイッチのために、ＡＦＭヘッドコネクタケーブル１１４および対応するコネクタ１１６を含む。ヘッド１００には、ヘッドコネクタ１１３においてＺスキャナケーブル１１２が結合され、ＡＦＭ動作中にカンチレバーの裏にレーザーを位置決めするために、レーザースポット調整ノブ１２８が設けられる。また、ヘッド１００は、カメラモータおよび対応するライトスイッチを制御するために、カメラＵＳＢケーブル１１８とコネクタ１２０とを含む。さらに、Ｚスキャナ真空スイッチ１２４とＺスキャナ真空リリース１２６とともに真空チューブ１２２が設けられ、それらの機能は、以下の説明から明らかになる。

ＡＦＭヘッド１００の構成要素の概略図を図５に示す。ヘッド１００は、先端走査型ＡＦＭ設計のＸＹスキャナ１３０、ならびに、レーザージンバル段１３２、光源（レーザー）１３４および対応する対物レンズ１３６を含む。また、検出器段１５４が、ヘッド１００ならびにカメラ１４０に設けられる。

光学部品を受け入れるために、集束レンズ１４４に向かって、さらに自由端部の一部分またはハウジング１０７に向かってビームを方向付ける照明１４２が設けられる。また、自由端部の一部分１０７は、ハウジング１０２の底部表面１０６（図４参照）から延び、対物レンズ１０９を受け入れることが考えられる。また、集束レンズ１４６は、カメラ１４０と同一線上に設けられる。サンプルからビームスプリッター１４８に光が反射し、カメラ１４０に向かって戻ったときに、カメラ１４０によってサンプルの画像を取得することができる。レーザージンバルステージ１３２は、プローブの偏向、振幅、周波数または位相における変化を測定するために、レーザービームをプローブの背面に向かって方向付け、検出器に向かって戻す（反射ビーム）ためのダイクロイックミラー１５０用のマウントを含む。また、ジンバルステージ１３２は、ＡＦＭのプローブデバイスのカンチレバー（図示せず）の背面にビーム「Ｌ」を位置決めするための調整ねじ１５２を含む。

ＡＦＭヘッド１００の検出器ステージは、プローブ先端が表面と相互作用する際のレーザービームの位置の変化を検出するための光検出器１５４を含む。

図６および図７を参照すると、Ｚスキャナ１１０が詳細に示されている。Ｚスキャナ１１０は、基本的にはノズル形状のスキャナ本体（または、単に、本体）２００を含む。スキャナ１１０をＡＦＭヘッド１００に電子的に接続するスキャナケーブル１１２が、スキャナ本体２００から延びており、これにより、制御と、ヘッド１００とスキャナ１１０との間の通信とが提供される。本体２００は第１のまた頂端部２０２を含み、頂端部２０２は、以下にさらに詳細に記載するように、開口しており、ＡＦＭヘッド１００（図４）に剛結合されるように構成される。第１の端部２０２の反対側は、本体２００内の収容された感応性のスキャナ構成要素を保護しながら、流体を含む変動する環境に導入されることができるように、閉鎖され密封された第２の（底）端部２０４である。第２の端部２０４には、プローブホルダ３６０が設けられる。プローブホルダ３６０は、図１３〜図１６に関して以下にさらに記載するＡＦＭ動作中にプローブアセンブリを保持するための保持クリップ３６２を含み、好ましくは、第２の端部２０４と一体に形成される。

図６をより詳細に参照すると、第１の端部２０２は、環状スロット２１４、２１６の対が形成されているリム２１２を含み、スロットは、リム２１２に沿って一定の長さだけ延び、互いから約１８０度で配設されている。スロット２１４、２１６は、ヘッド１００の構造（たとえば、ＸＹスキャナ）に結合されており、自由端部１０７から下向きに延びているインデックスピン１６０を受けるように適合された対応する開口部２１８、２２０で終端する（図１１を参照、等角図にはピンが１つだけ示されている）。Ｚスキャナ１１０が、自由端部／対物レンズハウジング１０７に結合されているとき、スキャナ１１０の適切な配向、ならびに、それに応じてプローブホルダおよびスキャナ１１０によって支持された（１つまたは複数の）プローブの適切な配向が必要となる。スキャナ１１０をハウジング１０７に結合するときには、ピン１６０が開口部２１８、２２０に係合するまでＡＦＭのユーザがＺスキャナを回転させると、ピン１６０は、対応するスロット２１４、２１６の上に乗る。ピン１６０が開口部２１８、２２０の中へと落ちたときに、スキャナは適切に配向され、スキャナのさらなる回転が防止される。スキャナ１１０は、この位置でヘッド１００に剛性にマウントされる。

次に図８、図９および図１０を参照すると、Ｚアクチュエータおよび対応するＺセンサを含むＺスキャナ１１０の内部構成要素が示されている。性能（たとえば、高基本共振周波数）を維持し、装置の使用を簡単にし、たとえば、取外し可能／着脱可能にし、かつ、プローブデバイスの交換のような作業の操作を可能にする、コンパクトで（体積が小さく）、信頼性が高く、繰り返し可能なスキャナを作製することに関する１つの課題は、スキャナが意図された方向での走査運動を確実に維持することができるようにすること、および、スキャナ性能を損なうことなくプローブ運動を正確に測定することができるように保証することである。分離動作および再取付け動作により、プローブデバイスのカンチレバーをミクロンの範囲で容易に位置合わせできるように十分に正確に再び位置決めできるように保証される。これは、概略的な図８から始まる各図に示すような本発明の好ましい実施形態において達成される。

図８では、スキャナ１１０（たとえば、Ｚスキャナ）は、第１の本体部分２０１と第２の本体部分２０３とを含む本体２００を含み、本体２００は、この場合にはＺセンサ２６４をコンパクトに収容している。また、スキャナ１１０の底部表面に沿って延び、その閉鎖端部で第２の本体部分２０３に結合されているダイアフラム撓曲２５８も含まれる。プローブホルダ３６０は、第２の本体部分２０３から延び、ダイアフラム２５８に結合される。より詳細には、撓曲ダイアフラム２５８は、アクチュエータ２５２によって引き起こされるプローブ運動を制御し、ガイドするように、アクチュエータ２５２（すなわち、圧電リング）とホルダ３６０との間に配設される。本質的に、ダイアフラム２５８により、（サンプルに直交する）「Ｚ」方向でのみプローブ運動が維持されることが実質的に保証される。それは、横方向と垂直方向とにおけるダイアフラムの剛性の大幅な差に起因して実現するそこに結合したプローブホルダ３６０への横方向成分の伝達を制限することによって、（このコンパクトな設計で必要なアクチュエータのタイプに固有である）アクチュエータ２５２によって提供される運動の横方向成分を本質的に除去することによって行われる。ダイアフラムは、好ましく、論じられた結果を達成するために適切な仕様に機械加工することによって、スキャナ本体中に作製される。さらに、レーザー経路および光路のために、ダイアフラムの中心に孔または窓２８０が配設される。その結果、高速ＡＦＭ動作に必要な先端の極めて正確な位置決めは、Ｚスキャナの運動によっては損なわれない。ダイアフラムの好ましい実施形態を、さらに図１２により詳細に示す。

さらに図８を参照すると、Ｚスキャナ１１０は、本体２００と一体に形成されたセンサ２６４も含む。センサ２６４は、（たとえば抵抗性の）１つまたは複数のストレインゲージセンサエレメント２７４を支持するダイビングボードまたはカンチレバー型部分２７２が作製された基板を含む。プローブの運動は、基本的に、プローブホルダ３６０を支持する位置にあるダイアフラム２５８とダイビングボード２７２の遠位端との間に接続部２６０を結合することによって、直接的に監視される。プローブは「Ｚ」方向に移動するので、Ｚ方向の力は、接続部２６０に、次いで、ダイビングボード２７２に伝達される。ダイビングボードは撓むので、センサーエレメント２７４は、その撓みを、したがってプローブのＺ運動を定量化するように動作する。その結果、センサ２６４は非常に信頼性が高く正確となり、したがって、高速ＡＦＭ動作がさらに促進される。

要するに、Ｚスキャナ１１０は、ＡＦＭヘッド１００から取外し可能となり、ユーザが修復およびプローブの交換のようなルーチンの行為を行うのに十分にコンパクトとなる。スキャナ１１０は、取外し可能であるだけでなく、最小限のＡＦＭ実装面積の最小量を占めながら、典型的には、約５立方インチ未満の、好ましくは（ケーブルを除外して）約１立方インチ未満の体積を占めながら、（以下のさらに記載する）最高の性能を達成することが可能である。

１つの特定の実施形態では、次に図９および図１０を参照すると、Ｚスキャナ１１０の本体２００は、インターフェースリング２５０を介して第２の本体部分２０３とインターフェースする第１の本体部分２０１を含み、これらの構成要素、Ｚスキャナ１１０のすべての継ぎ目と同様に、溶接される（たとえば、レーザー溶接される）、または場合によっては接合され、それにより、流体密な封止が提供される。

また、Ｚスキャナ１１０は、好ましくは、第２の本体部分２０３とインターフェースする圧電リングであるＺアクチュエータ２５２を含み、第２の本体部分２０３は、図示のようにプローブホルダ３６０を支持している。詳細には、圧電リング２５２が励起されると、プローブホルダ３６０に運動が伝えられ、したがって、その中にマウントされた対応するプローブは、アクチュエータ２５２の運動に追従する。第２の本体部分２０３は、ダイアフラム撓曲２５８に結合された外側部分２５４を含み、外側部分２５４は、プローブホルダの対応するプローブの運動をガイドすると同時に、ピエゾリング２５２をプリロードし、ピエゾリングアセンブリを封止する。ピエゾリング２５２の内部には、接続部２６０（シリンダ）が隣接しており、接続部２６０は、インターフェース２６６を介してＺセンサ２６４に結合された上向きに延びているタブ２６２を含んでいる。Ｚセンサ２６４は、以下に記載するプローブ先端の移動を検出する。

たとえば、インターフェース２６６は、レーザー溶接とすることができる。シリンダ２６０および対応するタブ２６２は、ピエゾリング２５２とともに移動し、プローブホルダ３６０は、ピエゾリング２５２に結合されているので、プローブホルダ３６０によってＺ方向で支持されるプローブは、Ｚセンサ２６４によって検出される。換言すると、Ｚスキャナを作動させると、タブ２６２はプローブ運動に追従する。

より詳細にセンサ２６４を参照すると、センサ２６４は、好ましくはねじ２７０を用いてＺスキャナ１１０の第１の本体部分２０１に結合された基板２６８を含む。また、センサ２６４の基板２６８は、一体のセンサダイビングボード２７２を含み、その遠位端は、インターフェース２６６を介してタブ２６２に結合する。

ピエゾリング２５２が励起され、ピエゾリング２５２により動作中にプローブの先端を移動させると、シリンダ２６０は、それとともに移動し、その運動は、タブ２６２を介してセンサダイビングボード２７２に転換され、それにより、ダイビングボード２７２を一緒に移動させる。そのとき、好ましくはホイートストーンブリッジ構成で構成される歪みゲージ２７４は、プローブ先端の対応する運動を感知する。

要するに、高共振Ｚ位置センサ２６４は、ＡＦＭの可動式構成要素の最低共振周波数を最大にするように高共振Ｚアクチュエータ１１０を際立たせる。その際に、センサ２６４は、高帯域幅における先端位置を正確に測定する。

特に、ピエゾリング２５２は、スキャナ本体２０１とダイアフラム撓曲２５８との間に挟持され、本体２０１とダイアフラム撓曲２５８との間の隙間は、０．００４インチと狭い。この隙間をさらに閉じ、ダイアフラム撓曲を本体２０１に取り付けるために、ねじが使用することが好ましい。次いで、レーザー溶接によって隙間を恒久的に封止することが好ましい。隙間が閉じているときには、ピエゾリング２５２は常に圧縮状態である。また、この力により、ピエゾリング２５２は横方向に移動しないように保たれる。同様に、ダイアフラム撓曲２５８は、その中心に円筒形のリング２６０を含み、このリング２６０は、センサ２６４とインターフェースするタブ２６２を受け入れる。さらに、プローブホルダ３６０は、シリンダ２６０の１つの端部に接合される。対向する端部には、撓曲タブ２６２が、シリンダ壁に機械加工される。同じく、タブ２６２は、好ましくは、センサダイビングボード２７２の自由端部にレーザー溶接される。好ましくは、ホイートストーンブリッジを形成するために、４つの歪みゲージ２７４がダイビングボード２７２の固定端部（基板２６８）に接合される。

動作中、励起されると、ピエゾリング２５２は、撓曲ダイアフラム２５８の中心で円筒形のリング２６０を押し、したがって、先端とサンプルとの間の相互作用に関する適宜な信号に応答してサンプル表面を追跡するために、カンチレバーおよび対応する先端を移動させる。円筒形のリング２６０の対向する端部にある撓曲タブ２６２は、先端と一緒に移動する。タブ２６２のこの運動は、ダイビングボード２７２を撓ませて、その固定端部で歪みを発生させる。歪みゲージ２７４は、カンチレバー先端の位置に比例する歪みを測定する。特に、アクチュエータの運動を測定するために歪みゲージを使用する既知のシステムとは反対に、歪みゲージ２７４は、ピエゾリング２５２の側壁に取り付けられていない。そのような構成は、正確性、反復可能性の点で性能が十分でないことが知られており、また、位置測定を損なうように動作するヒステリシスおよびクリープという欠点があることがある。センサ２６４は、Ｚスキャナ１１０の本体２００と一体に形成され、同じ欠点に苦しむことはない。

次に図１１〜図１３Ａを参照すると、Ｚスキャナ１１０と高速走査型ＡＦＭヘッド１００との間の剛結合がより詳細に示されている。最初に図１１を参照すると、Ｚスキャナ１１０は、スキャナヘッド１００の自由端部の一部分１０７に結合されている。対物レンズハウジング１０７および位置合わせピン１６０は両方とも、ヘッド１００内に収容されたＸＹスキャナ（図示せず）に接続されている。Ｚスキャナ１１０を対物レンズハウジング１０７に適切に位置合わせするために、ピン１６０は、前述したように、Ｚスキャナ本体２００の頂部表面のリム２１２に形成された開口部でＺスキャナ１１０に係合する。Ｚスキャナ１１０を対物レンズハウジング１０７にこのように結合すると、Ｚスキャナは、固定されたときにテーパー付きマウント上で回転するのが防止される。重要なことに、この取付け方式により、Ｚスキャナ１１０を取り付けることと、正確な位置決めを維持しながら、道具を使用せずに、手でＺスキャナ１１０をヘッドから取り外すこととが可能になる。

図１２に、Ｚスキャナ１１０とスキャナヘッド１００との間のテーパー付きマウントをより詳細に示す。詳細には、Ｚスキャナ１１０の本体２００の内側表面２０６は、対物レンズハウジング１０７の対応するテーパー付き表面３００とインターフェースするように、テーパーが付けられており、Ｚスキャナ１１０の中心軸を中心として実質的に対称である。より詳細には、これらの対合したテーパー付き表面２０６および３００は、Ｚスキャナ本体２００上の雌テーパーとハウジング１０７上の雄テーパーとを含む。対物レンズは、底部レンズに沿って封止される。Ｏリング３０２は、以下のようにテーパー付き表面の周りを封止する。Ｚスキャナ１１０がハウジング１０７に結合されると、対物レンズハウジング１０７の環状溝３０４に配設されたＯリング３０２は、Ｚスキャナ本体２００の内部のテーパー付き表面３００に形成されたデテント３０６に沿ってスライドする。デテント３０６は、Ｏリング３０２を受け入れ、ハウジング１０７とスキャナ１１０との間に封止係合を提供するように構成される。このインターフェースの詳細を図１２Ａに示す。Ｚスキャナ１１０が対物レンズハウジング１０７上に押されると、Ｏリングは、Ｚスキャナのテーパー付き表面３００中に機械加工されたデテント３０６へとスライドする。好ましくは、デテント３０６の表面は、約２°の傾きを有し、この傾きにより、２つを一緒に保持するために外力を加えなくても、Ｚスキャナ１１０はスライドして、対物レンズハウジング１０７のテーパー付き表面から外れないように防止される。

Ｏリング／デテント構成は、複数の構成要素を結合し、一緒に保持するように働くが、Ｚスキャナ１１０は、好ましくは、真空力を使用して対物レンズハウジング１０７上に保持される。詳細には、真空力を使用して、Ｚスキャナ１１０を対物レンズハウジング１０７に剛性に固定する。真空ポート３１０は、真空源（図示せず）に接続されており、Ｚスキャナ１１０に真空力を及ぼすように動作する。より詳細には、真空ポート３１０は、対物レンズハウジング１０７に機械加工された真空オリフィス３１２とインターフェースし、Ｚスキャナ１１０の内部の表面３１４によって規定されたキャビティを吸引する。

真空ポート３１０は、真空スイッチ１２４に接続されており、図４に示した適切なチューブ１２２を使用してポンピングする。真空が印加されると、対応するキャビティ内と周囲雰囲気内との差圧により、Ｚスキャナ１１０を対物レンズハウジング１０７に固定する力が発生する。

要するに、コンパクトなＺスキャナ１１０は取外し可能であり、高速走査型ＡＦＭヘッド１００への封止係合を維持しながら高速走査型ＡＦＭヘッド１００とインターフェースすることが可能である。対物レンズは、底部レンズの周りに封止される。そして、Ｏリング３０２は、すべてのＺスキャナ開口部が気密となるようにテーパー付き表面２０６、３００の周りを封止する。その結果、対物レンズハウジング１０７とＺスキャナ１１０の間の気密なキャビティが維持される。

再びダイアフラム２５８について参照すると、アクチュエータ２５２内のリングの形状のダイアフラム撓曲が対称であることにより、対称運動が保証される。さらに、撓曲２５８は、横方向運動に応答して、実質的により高い剛性のダイアフラムリングを介して、ＸＹ運動を分離するように動作する。

図１３および図１３Ａを参照すると、Ｚスキャナ１１０に接合されたプローブホルダ３６０に関するさらなる詳細とともに、Ｚスキャナ１１０および対応するケーブル１１２についてより詳細に示されている。詳細には、ケーブル１１２は、Ｚスキャナ１１０に結合されており、相互接続ＰＣＢ３５０が、Ｚスキャナ１１０と高速走査型ＡＦＭヘッド１００との間の通信のために両者の間の配設されている。図１３Ａには、プローブホルダマウントがより詳細に示されている。Ｚスキャナ１１０の本体２００の第２の本体部分２０３の底部表面には、絶縁体３５２が接合されている。さらに、ウェッジ３５４が絶縁体に接合されており、プローブデバイスによって保持されたプローブホルダに、選択された量の傾きを提供する。プローブクリップ３６２がプローブホルダ３６０と一体に形成され、クリップ３６２は、ウェッジ３５４に対してプローブ３６４を保持するように動作する。特に、ウェッジ３５４に形成されたキャビティ３６７に、タッピングピエゾ電気アセンブリ３６６が形成されている。タッピングピエゾ電気アセンブリ３６６を励起するために、適切な配線３６８が設けられる。プローブホルダ３６０は、スキャナ１１０と一体に形成されるので、従来のＡＦＭよりも著しく大きい共振を有する剛性構造が提供される。

全体として、再び図１３を参照すると、好ましい実施形態のＺスキャナマウントおよびコンパクトなプローブホルダ設計は、システム共振に対する著しい制限となったものを大幅に改善する。プローブホルダとスキャナとの間の機械的に非剛性の結合（たとえば、圧電チューブからプローブホルダ開口部へと下向きに延びているピン）を利用する何らかの既知のシステムではなく、本発明の好ましい実施形態では、対物レンズハウジング１０７のテーパー付き表面２０６および３００とＺスキャナ１１０とが、それぞれ、両者間の剛性機械的接続を提供する。この剛結合は、Ｚスキャナ１１０の表面積の大部分が自由端部の一部分１０７の外側表面と直接接触するように維持することによって提供される。図１２に示すように、２つの構造の間の円筒形のインターフェースの長さ「Ｑ」は大きく、２つの構成要素間の接触している表面積が大きくなり、したがって、極めて剛性な構造がもたらされる。これにより、高い共振能力が可能になる。

テーパー角度αは、好ましくは約１５°〜３５°であり、理想的には、約２２°が採用される。この構成におけるテーパーの実際の量は、使いやすさとＺスキャナ１１０の位置反復可能性と間のトレードオフである。テーパー角度が２２°よりもはるかに小さい場合には、スキャナ１１０は、道具を使用せずに手で容易に取り外すことはできない。一方、２２°よりもはるかに大きい角度が採用された場合、テーパー上のスキャナ位置は、正確および反復可能なものとはならない可能性がある。

さらに高速動作を向上させることで、Ｚスキャナ１１０に剛結合したプローブホルダ３６０のコンパクトな設計は、システム共振をさらに改善する。図１４〜図１７に、このコンパクトで軽量のプローブホルダ３６０を示す。図１３をより詳細に参照すると、ウェッジ３５４が絶縁体３５２に接合され、絶縁体３５２は、次いで、Ｚスキャナ１１０の底部表面に接合される。次に図１４を参照すると、ウェッジ３５４は、動作中ウェッジ３５４内にプローブデバイスを保持するために使用されるクリップ３６２を受け入れるように機械加工される。クリップ３６２は、それに対して回転可能なピン３７２を介してウェッジに結合されるアーム３７０、３７１を含む。クリップ３６２は、プローブ３６４をウェッジ３５４に挿入するためにクリップを開き、ウェッジに対してプローブ３６４を保持するためにクリップを閉じることができるように、ウェッジ３５４に対して回転する。より詳細には、クリップ３６２は、クリップ３６２を閉じたときに、プローブ３６４の基部を挟持する（ウェッジ３５４に形成されたキャビティに配置される）ように構成されるタブ３９０を含む。クリップ３６２は、ピン３７２によって画定された点「Ｐ」でクリップを回転させることによって閉じ、バネ部分３７４によって閉位置に保持される。

ばね部分３７４は、構成要素３７６の表面３７７がウェッジ３５４の縁部３８０とインターフェースしたときに撓曲する、後方のしなやかな「ｓ」形状構成要素３７６を含む。構成要素３７６が、縁部３８０に対してスライドしたときに、外向きに撓曲し、次いで、ウェッジ３５４に対してクリップ３６２を保持するために、ばね部分３７４がウェッジに向かって跳ね返ることができるように、縁部３８０を湾曲させる。その閉位置では、タブ３９０は、ウェッジ３５４に対してプローブ３６４を保持する。その結果は、プローブホルダの設計は、極めてコンパクトかつ剛性となり、ＡＦＭシステム共振を可能な限り高く維持すること対するさらに別の制限が取り除かれる。全体として、それは、スキャナに接合され、最も低い第１の共振における著しい改善を達成することを可能にするコンパクトなクリップ３６２を受け入れるように構成された機械的ウェッジを併用する。それにより、高速走査が実現される。

図１８を参照すると、Ｚスキャナのダイナミクスが示されている。従来のＡＦＭでは、Ｚスキャナの共振周波数応答のプロット４００、４０４（振幅／位相）は、１キロヘルツ未満の第１の共振を示す。対照的に、高速走査型ＡＦＭヘッド１００に結合されたＺスキャナ１１０を採用する、本発明の好ましい実施形態のＡＦＭでは、Ｚスキャナのダイナミクス（振幅プロット４０２および位相プロット４０６）は、約５０キロヘルツを超える第１の共振周波数を示す。その結果、本発明の好ましい実施形態を利用すると、高速走査を２５倍以上に改善することができる。

本発明を実行する発明者によって企図される最良の形態を上述したが、本発明の実施は、それに限定されるものではない。基礎となる発明の概念の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の様々な追加、変更および再構成を行い得ることは明白であろう。

Claims (18)

1. ヘッドを含む走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のためのスキャナにおいて、前記スキャナが、
   アクチュエータおよびセンサを収容するスキャナ本体であって、前記センサが、スキャナ運動を検出する、スキャナ本体を備え、
   前記スキャナ本体が、道具を使用せず、手で前記ヘッドから取外し可能であり、約５立方インチ未満の総体積を有し、
   前記本体は、
   ａ）前記ＳＰＭのヘッドの自由端部の一部分に前記スキャナを接続するための第１の開放端部と、
   ｂ）プローブホルダを支持する第２の閉鎖端部とを有し、
   前記自由端部の一部分は、サンプルに向かって延びた外側表面を有し、
   前記本体は、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延びた内側表面を有し、
   前記外側表面および前記内側表面には同様に、互いに対合するようにテーパーが付けられている
   スキャナ。
2. 前記スキャナが、走査されるサンプルに直交する方向でのみ、それに結合されたプローブデバイスの運動を提供するＺスキャナである、請求項１に記載のスキャナ。
3. 前記方向に対して横方向に前記プローブデバイスの運動を制限する、前記アクチュエータと前記プローブデバイスとの間に結合された撓曲ダイアフラムをさらに備える、請求項２に記載のスキャナ。
4. 前記センサが、前記方向の前記プローブデバイスの運動を測定し、前記センサの少なくとも一部分が、前記本体によって支持される、請求項２に記載のスキャナ。
5. 前記センサが、固定端部および自由端部を有するカンチレバー型エレメントと接続部とを含み、前記接続部の一端は、前記カンチレバー型エレメントの前記自由端部に接続され、前記接続部の他端は、前記プローブデバイスを支持するプローブホルダに接続される、請求項４に記載のスキャナ。
6. 前記本体が、流体中での動作を容易にするために気密に封止される、請求項１に記載のスキャナ。
7. 前記センサが、実質的に前記カンチレバー型エレメントの固定端部に配設された歪みゲージをさらに含む、請求項５に記載のスキャナ。
8. 前記テーパーが付けられた内側表面によって規定された角度が、約１５度〜３５度である、請求項１に記載のスキャナ。
9. 前記スキャナに関連付けられた基本共振周波数が、１０ｋＨｚよりも大きい、請求項１に記載のスキャナ。
10. 前記基本共振周波数が、４０ｋＨｚよりも大きい、請求項９に記載のスキャナ。
11. 前記自由端部の一部分が、前記ヘッドの一部を形成するハウジングである、請求項１に記載のスキャナ。
12. 前記プローブホルダが、前記本体に剛結合される、請求項５に記載のスキャナ。
13. 前記内側表面が、前記外側表面の溝に設けられた封止エレメントを受け入れるための環状デテントを含む、請求項１に記載のスキャナ。
14. 前記本体に真空力を印加する、前記自由端部の一部分中の真空ポートをさらに備える、請求項１に記載のスキャナ。
15. 前記真空ポートが、前記自由端部の一部分中の真空オリフィスに結合され、前記自由端部の一部分中の前記真空オリフィスが、前記本体中の真空オリフィスに接続される、請求項１４に記載のスキャナ。
16. 前記ヘッドに対して前記プローブの先端を配向するために、前記ヘッドによって支持された位置合わせピンを受ける少なくとも１つのスロットをさらに備える、請求項１に記載のスキャナ。
17. ヘッドを有する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を動作させる方法であって、前記方法が、
    約５立方インチ未満の総体積を有し、プローブデバイスを支持する本体を含むスキャナを提供することと、
    道具を使用せずに、手で前記スキャナを前記ヘッドに取り付けることと、
    前記ＡＦＭを動作させることと、
    を含み、
    前記本体は、
    ａ）前記ＳＰＭのヘッドの自由端部の一部分に前記スキャナを接続するための第１の開放端部と、
    ｂ）プローブホルダを支持する第２の閉鎖端部とを有し、
    前記自由端部の一部分は、サンプルに向かって延びた外側表面を有し、
    前記本体は、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延びた内側表面を有し、
    前記外側表面および前記内側表面には同様に、互いに対合するようにテーパーが付けられている
    方法。
18. 前記ハウジングによって少なくとも部分的に支持されるセンサを用いて前記プローブデバイスの移動を直接的に感知することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

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