JPH0611327A - 一体化された光学系およびカンチレバーマウントを備える走査力顕微鏡 - Google Patents

一体化された光学系およびカンチレバーマウントを備える走査力顕微鏡

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JPH0611327A
JPH0611327A JP5041582A JP4158293A JPH0611327A JP H0611327 A JPH0611327 A JP H0611327A JP 5041582 A JP5041582 A JP 5041582A JP 4158293 A JP4158293 A JP 4158293A JP H0611327 A JPH0611327 A JP H0611327A
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scanning
probe
specimen
force microscope
lever arm
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JP5041582A
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Ronald C Gamble
シー ガンブル ロナルド
Paul E West
イー ウェスト ポール
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Topometrix
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Topometrix
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 一体化された光学系およびカンチレバーマウ
ントを備える走査力顕微鏡を提供する。 【構成】 走査力顕微鏡は、光学レバーアーム、プロー
ブおよび検査するサンプルを観察する一体化された光学
系を備える。走査力顕微鏡はプローブのための改良され
たマウントを備え、これは走査力顕微鏡の本体に磁気的
に固定するものとし、プローブ集成体の取扱いおよび取
付けの容易性を改良する。１つの好適な態様では、封止
したガスまたは液体環境中のサンプルを受容する流体セ
ルを備える基部部分も備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は一般には走査力顕微鏡
（scanning force microscope）に関し、更に詳しくは
改良された光学レバーアームおよびレバーアームおよび
サンプルを観察する一体化された光学系を備える走査力
顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子の力による顕微鏡としても知られる
走査力顕微鏡は、原子程も小さい対象物を映すのに有用
である。走査力顕微鏡は走査トンネル顕微鏡および探針
輪郭測定技術と密接に関連するが、典型的な走査力顕微
鏡では、標本の外形を追跡するプローブの垂直移動によ
るレーザー光線の偏向を、プローブを取付けた反射性レ
バーアームにより増幅する。レーザー光線の偏向は典型
的には偏向されたレーザー光線の光路内の光検出器によ
りモニターし、またサンプルは三次元的に微小距離移動
し得るステージ上に取付けるため、サンプルの垂直位置
決めを制御する光検出器を備えるフィードバックループ
によってサンプルの表面に対するプローブの垂直位置決
めを実質的に一定に維持しつつ、サンプルをラスター走
査することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光学レバーアームおよ
びプローブの感度は、この種の走査力顕微鏡の有用な動
作に非常に重要であるため、従来の走査力顕微鏡は一般
に非常に小さい寸法の光学レバーアームを備えており、
このため光学レバーアームおよびプローブ集成体がサン
プルとの接触により、または取扱いの際に容易に損傷を
受けることがあり、また光学レバーアームおよびプロー
ブ集成体は装置内での取扱いや取付けが更に困難であ
る。したがって、装置内での取扱いや取付けがより容易
なプローブのための改良されたマウントを提供すること
が望ましい。
【０００４】プローブがサンプルに対してフィードバッ
ク位置制御を開始するのに十分近くなる前に、あまりに
突然にサンプルに接近することによりプローブは損傷を
受け得るが、典型的には使用者は、レーザーアームおよ
びプローブ集成体がサンプルの表面に接近することを容
易に観察してプローブの正確な位置決めを確実なものと
することができない。たとえサンプルを観察するために
走査力顕微鏡と組合せて光学顕微鏡を使用しても、走査
力顕微鏡と共に光学顕微鏡を配置することは不便で体裁
が悪く、走査力顕微鏡の動作を妨害し得るものである。
したがって、特にプローブおよびサンプルが接触に至る
際に、光学レバーアームおよびプローブを観察するた
め、走査力顕微鏡に一体化された光学系を備える走査力
顕微鏡を提供することも望ましい。 また、流体と接触
したサンプルを走査する能力を有する走査力顕微鏡を提
供することも望ましい。この種の流体環境は走査条件お
よび機会を有意に変化させ得るためであり、装置により
得られるサンプルの映像の品質を改良することができ
る。本発明はこれらの要求に合致するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】簡略には、また一般的関
連において、本発明は光学レバーアーム、プローブおよ
び検査するサンプルを観察する一体化された光学系を備
える走査力顕微鏡を提供するものである。この種の一体
化された光学系の安定性および便利性により、プローブ
およびサンプルの接近を制御する能力が有意に改良され
る。加えて、顕微鏡のコンパクトな設計により、装置の
近傍における熱勾配またはドリフトによる熱膨脹および
収縮効果が最小となる。走査力顕微鏡はプローブのため
の改良されたマウントを更に備え、これを走査力顕微鏡
の本体に磁気的に固定し、取扱いおよびプローブ集成体
の取付けの容易性を改良する。この発明の走査力顕微鏡
は、１つの好適な態様では、サンプルおよび流体環境を
受容する流体セルを含むことのできる脱着可能な基部部
分を更に備え、プローブ先端に対して三次元的にサンプ
ルを走査するため、サンプルを取付けることのできるス
テージを有する。
【０００６】よってこの発明は、標本の表面外形を検査
する一体化された光学系を備える定置本体を有する走査
力顕微鏡を提供する。顕微鏡は好ましくは、検査する標
本を取付けて顕微鏡の本体に対して三次元的にまたは自
由度をもって走査する走査手段、およびプローブ手段を
備えると共に顕微鏡本体に固定された反射性光学レバー
アーム手段を備える。プローブ手段は、好ましくは光学
レバーアーム手段に固定し、実質的に一定量の力で標本
の表面外形に接触して追跡するプローブ先端を備える。
【０００７】レーザー光源手段も顕微鏡の本体内に設
け、光学レバーアーム手段に向けられこれにより偏向さ
れる焦点を合せたレーザー光線を生成するものとし、ま
た光検出器手段を顕微鏡の本体内に設け、偏向されたレ
ーザー光線を受容し、光学的レバーアーム手段によるレ
ーザー光線の偏向の程度の表示である出力信号を生成す
るものとする。光学レバーアーム、プローブ手段および
隣接する標本を観察する手段も、好ましくは顕微鏡の本
体内に設ける。この発明の１つの好適な観点では、観察
する手段は顕微鏡の本体に取付けた付属対物レンズを備
えるが、観察する手段は、代替的に電荷結合素子または
ミニチュアビデオカメラも備えることができる。
【０００８】光学レバーアーム手段は、好ましくはプロ
ーブ先端を取付ける自由端部を有する反射性カンチレバ
ーアームを備え、光学レバーアーム手段は、好ましくは
本体に磁気的に固定する。光検出器手段は、好ましくは
本体に取付けられた光検出器、および本体内に取付けら
れ光学レバーアーム手段から光検出器へとレーザー光線
を偏向させる鏡手段を備える。また標本の表面外形に対
するプローブ手段の一定の力を維持するため、制御手段
も好ましくは設ける。顕微鏡の本体は、標本を受容する
隔室を有する脱着可能な基部部分も備え、好適な他の態
様では、封止したガスまたは液体環境中の標本を収容す
るための封止セルを備える。
【０００９】これらの、および他の観点並びにこの発明
の利点は、以下の詳細な説明および添付図面から明らか
となろうが、これらはこの発明の特徴を例として示すも
のである。
【００１０】
【実施例】走査力顕微鏡は、通常は非常に小さい光学レ
バーアームを有するため、光学レバーアームおよびプロ
ーブ集成体は誤った取扱いによって容易に損傷を受け得
て、これらを装置中で取扱い、取付けるのを困難とす
る。またこの種の顕微鏡では、通常は使用者がレバーア
ームおよびプローブ集成体のサンプル表面への接近を観
察してプローブの正確な位置決めを確認することもでき
ない。この種の顕微鏡は、典型的には封止したガスまた
は液体環境中のサンプルを走査する能力も備えず、標本
観察の質および機会を制限している。
【００１１】図面に示すように、この発明の態様は、ネ
ジまたはボルトにより本体に固定された脱着可能な下部
基部１４を備える定置本体１２を有する走査力顕微鏡１
０にあり、標本１８を受容する隔室１６を備え、これは
一般に直径１／２”未満、厚さ０．１〜２ｍｍである。
本体は、典型的には走査手段２０も支持する定置支持体
（図示せず）により支持され、標本の取付けを図り、矢
印で示すように本体に対してＸおよびＹ方向、すなわち
二次元または自由度的に水平に標本の検査、ラスター走
査を図り、また矢印で示すように、また以下に更に説明
するように本体に対して垂直またはＺ次元または自由度
的に標本の移動を図るものである。よって走査手段は顕
微鏡の本体に対して定置的に取付けられ、また本体に取
付けることもできるが、圧チューブの遠位端部２６に標
本のための支持ステージ２４を有する圧チューブも備
え、これは典型的には圧電トランスデューサ素子（図示
せず）によってＸ、ＹおよびＺ次元に駆動される。ステ
ージは磁石２８も備えることができ、このようにしてス
テージの頂部上に磁気的に固定することのできる小さい
磁性鋼板上への吸着により標本の取付けを可能とし、装
置により検査する標本の便利な交換を可能とするもので
ある。
【００１２】光学レバーアーム４０は本体に固定し、本
体の磁化部分４４に磁気的に固定した磁性鋼の半部ワッ
シャ部材４２を好ましくは備える。一体化カンチレバー
支持部材４５を半部ワッシャ部材の中心位置に取付け、
半部ワッシャ部材の解放中央部分に延在するものとす
る。第１および第２のアーム４８ａ、４８ｂにより三角
形の形状に形成された反射性カンチレバーアーム４６を
一体化カンチレバー支持部材の一方の端部乃至自由端部
４７に取付け、その自由端部５０で互いに接合する。カ
ンチレバーアームのアームは典型的には厚さ約１８ミク
ロン、長さ約２００ミクロンであり、約１２０ミクロン
離して一体化カンチレバー支持部材に固定され、カンチ
レバーアームを作製するシリコン窒化物材料（パーク・
サイアンティフィック・インスツルメントから入手可
能）は通常は非常に剛性であると考えられるが、このよ
うな寸法を用いた場合、標本に対するプローブ先端の力
に応答してカンチレバーアームは３０°までも曲って撓
み、レーザー光線の偏向を増幅するが、これについては
以下に更に説明する。一体化カンチレバー支持部材およ
び反射性カンチレバーアームは非常に小さいため、これ
らは最も便利にはシリコン窒化物からエッチング処理す
るが、集積回路チップ製造の当業者に周知のように、エ
ッチング処理またはそれ自体微細機械加工に供すること
ができ反射性表面を与えることのできるシリコンのよう
な他の材料も同様に適切たり得る。カンチレバーアーム
の自由端部５０に取付けるものは、標本の表面外形に接
触し追跡するよう適合された遠位針様のプローブ先端６
２を備えるプローブ手段６０である。走査手段は、標本
の表面に対するプローブ手段の実質的に一定の力を維持
するため、プローブ先端が標本の外形を横切ると共に圧
チューブを垂直次元に駆動するフィードバック制御手段
６４も好ましくは備える。
【００１３】随伴する光学系を備えるレーザーダイオー
ドのようなレーザー光源手段７０を本体の上部に取付
け、反射性カンチレバーアームに向けられると共にこれ
により偏向される焦点を合せたレーザー光線７２の生成
を図る。１つの好適なレーザーダイオードは、６７０ｎ
ｍ範囲の光線を生成する３ミリワットのレーザーダイオ
ードであり、市販されている。開口７３を脱着基部に設
け、レーザー光線がカンチレバーアームを通過するのを
可能とする。好ましくは、レーザー光源の整列および照
準を調整する３以上の調整ネジ７４を、本体に設けた刻
設したアクセスポート７６に取付ける。平面鏡８０のよ
うな反射手段を、刻設したアクセスポート８４を介して
調整ネジ８２の遠位端部にて本体の内部に好ましくは設
け、偏向されたレーザー光線を受容するため本体に取付
けられた光検出器８８に偏向された光線８６を反射す
る。
【００１４】光検出器は、カンチレバーアームによるレ
ーザー光線の偏向の程度を表示する偏向されたレーザー
光線に応答して電気出力信号を好ましくは生成する。光
検出器は光検出器ポート９４を介して偏向されたレーザ
ー光線を受容すべく取付けられ、典型的には４つの光セ
ンサー９０の列として形成され、この場合頂部対９２ａ
を共役させて結合信号を与え、底部対９２ｂを共役させ
て結合信号を与える。偏向されたレーザー光線は典型的
には光検出器の頂部と底部との間の中央部分を標的と
し、これらの部分からの結合信号を制御手段６４により
処理し、示差エラー信号を比較して生成することのでき
る出力信号を生成する。更に、光検出器の列の左および
右半部は、摩擦力モードでの走査のために合せることが
できる。
【００１５】制御手段は好ましくは光検出器手段に接続
されたマイクロプロセッサ手段１０２からなり、光学レ
バーアーム手段からのレーザー光線の偏向の表示である
出力信号を受取り、標本表面に対するプローブ先端の一
定量の力からの変動の表示であるエラー信号を生成す
る。制御手段は走査手段内の電気駆動手段１０４に電気
的に接続され、これはエラー信号に応答し、プローブ先
端に対して標本を上昇または下降させ、標本表面に対す
るプローブ先端の力を増加または減少させ、標本表面に
対するプローブ先端の実質的に一定量の力の維持を図
る。
【００１６】この発明の好適な様式では、プローブおよ
び隣接する標本の表面外形を観察する手段１１０は、同
様に顕微鏡の本体内の付属ポート１１２に配置する。付
属対物光学装置１１４またはアイピースを付属ポートに
好ましくは設け、使用者によるプローブおよび標本の観
察を可能とする。付属対物光学装置は、プローブ先端お
よびカンチレバーアームに焦点を合せた１以上のレンズ
からなるが、付属対物光学装置は、穿孔に隣接して本体
に取付けられ穿孔を介してプローブ手段を映すよう向け
られた電荷結合素子１１５も備えることができる。
【００１７】１つの他の好適な態様では、脱着可能な基
部１１６は隔室１１８を備え、これはサンプルを収容す
る封止したセル１２０を受容する寸法を有する。封止し
たセルは、封止した流体セルの内部への流体移動のため
に基部に設けられるポート１４６ａ、ｂを介して標本の
ために選択されたガスまたは液体環境１２２を備えるこ
とができる。基部はレーザー光線の光学経路のための開
口１２４を備え、開口は薄い窓ガラスのような光学窓１
２６により覆われる。光学レバーアーム集成体は、顕微
鏡の本体に磁気的に固定された磁性鋼半部ワッシャ部材
１２８を備え、一体化支持部材により半部ワッシャ部材
に取付けられたカンチレバーアーム１３０および流体セ
ルに延在するベアリングプローブ先端１３２を有する。
サンプル１３４はステージ１３６上に取付けられ、これ
はこの態様では膜フレーム部材１４２により流体セル中
の場所内に保持された内部膜シール１３８、および基部
の隔室の内部に対して流体セルの外部を封止する外部Ｏ
−リングシール１４０を備える。一方ステージはｘ，
ｙ，ｚ走査集成体の下部圧チューブ１４４上に取付け、
標本のラスター走査および標本に対するプローブの実質
的に一定の力の維持を図る。
【００１８】したがって、この発明の走査力顕微鏡は、
顕微鏡のプローブのための改良されたマウントを提供
し、これは顕微鏡内で取扱いおよび装着が容易であるこ
とが示された。改良されたマウントにより、光学レバー
アームのカンチレバーアームに対するレーザー光線のよ
り容易な整列も可能となる。顕微鏡の一体化された光学
系により、使用者がサンプルの表面に対するレバーアー
ムおよびプローブ集成体の接近を観察し、標本の近傍の
プローブの安全で正確な位置決めを確実にすることが可
能となる。また走査力顕微鏡は、流体環境中で標本を走
査するための封止した流体セルを受容する能力を備え、
これは装置によって与えられる標本の映像の品質を有意
に改良することができる。
【００１９】前記したことから、この発明の特定の形態
を示して説明したが、この発明の精神および範囲から逸
脱することなく種々の改変をなし得ることは明らかであ
ろう。よってこの発明が、記載した請求の範囲以外によ
って規定されることを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の走査力顕微鏡の主要な要素の空間的
関係を示す分解概略透視図。
【図２】この発明の走査力顕微鏡の頂部平面図。
【図３】図２の線３−３に沿うこの発明の走査力顕微鏡
の断面図。
【図４】図２の線４−４に沿うこの発明の走査力顕微鏡
の断面図。
【図５】この発明の走査力顕微鏡の光学レバーアーム集
成体の取付けを示す拡大分解図。
【図６】この発明の一体化支持部材、カンチレバーアー
ム、および光学レバーアーム集成体のプローブ先端の拡
大斜視図。
【図７】走査力顕微鏡の基部に流体セルを備える、この
発明の走査力顕微鏡の他の態様の拡大部分断面図。
【符号の説明】
１０ 走査力顕微鏡 １２ 定置本体 １４ 下部基部 １６ 隔室 １８ 標本 ２０ 走査手段 ２２ 圧チューブ ２４ 支持ステージ ２６ 遠位端部 ２８ 磁石 ４０ 光学レバーアーム ４２ 半部ワッシャ部材 ４４ 磁化部分 ４５ 一体化カンチレバー支持部材 ４６ 反射性カンチレバーアーム ４７ 自由端部 ４８ａ 第１アーム ４８ｂ 第２アーム ５０ 自由端部 ６０ プローブ手段 ６２ プローブ先端 ６４ フィードバック制御手段 ７０ レーザー光源手段 ７２ レーザー光線 ７３ 開口 ７４ 調整ネジ ７６ アクセスポート ８０ 平面鏡 ８２ 調整ネジ ８４ アクセスポート ８６ 偏向された光線 ８８ 光検出器 ９０ 光センサー ９２ａ 頂部対 ９２ｂ 底部対 ９４ 光検出器ポート １０２ マイクロプロセッサ手段 １０４ 電気駆動手段 １１０ 観察する手段 １１２ 付属ポート １１４ 付属対物光学装置 １１５ 電荷結合素子 １１６ 脱着可能な基部 １１８ 隔室 １２０ 封止したセル １２２ ガスまたは液体環境 １２４ 開口 １２６ 光学窓 １２８ 半部ワッシャ部材 １３０ カンチレバーアーム １３２ ベアリングプローブ先端 １３４ サンプル １３６ ステージ １３８ 内部膜シール １４０ 外部Ｏ−リングシール １４２ 膜フレーム部材 １４４ 下部圧チューブ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 標本の表面外形を検査する一体化された
    光学系を備える定置本体を有する走査力顕微鏡であっ
    て、 ａ）顕微鏡について前記走査による検査のための前記標
    本の取付けに対する走査手段（前記走査手段は前記本体
    に固定され、前記本体に対して前記標本を３つの自由度
    で動かすよう適合させる）、 ｂ）前記走査本体に固定された光学レバーアーム手段
    （前記光学レバーアーム手段は反射表面を備える）、 ｃ）実質的に一定量の力により標本の表面外形と接触し
    て追跡するよう適合させたプローブ先端を備える、前記
    光学レバーアーム手段に固定されたプローブ手段、 ｄ）前記光学レバーアーム手段に向けられると共にこれ
    により偏向される焦点を合せたレーザー光線を生成する
    レーザー光源手段、 ｅ）前記光学レバーアーム手段により偏向された前記レ
    ーザー光線を受容し、前記光学レバーアーム手段による
    前記レーザー光線の偏向の程度の表示である出力を生成
    する光検出器手段（前記光検出器手段は前記本体に取付
    けられる）、および ｆ）前記標本の前記表面外形に隣接した前記プローブ手
    段を観察する手段（前記観察する手段は前記本体に配置
    される）からなる走査力顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記観察する手段が付属対物レンズから
    なる請求項１記載の走査力顕微鏡。
  3. 【請求項３】 前記観察する手段が電荷結合素子からな
    る請求項１記載の走査力顕微鏡。
  4. 【請求項４】 前記光学レバーアーム手段が反射性カン
    チレバーアームからなる請求項１記載の走査力顕微鏡。
  5. 【請求項５】 前記プローブ手段が前記カンチレバーア
    ームの自由端部に取付けられた請求項４記載の走査力顕
    微鏡。
  6. 【請求項６】 前記光検出器手段が前記本体に取付けら
    れた光検出器を備え、前記光学レバーアーム手段から前
    記光検出器への前記レーザー光線を偏向する前記本体内
    に取付けられた鏡手段を更に備える請求項１記載の走査
    力顕微鏡。
  7. 【請求項７】 前記観察する手段が、前記プローブ手段
    に向けられた前記本体を通る穿孔、および前記プローブ
    手段に焦点を合せて前記穿孔内に配置された対物光学レ
    ンズからなる請求項１記載の走査力顕微鏡。
  8. 【請求項８】 前記観察する手段が、前記プローブ手段
    に向けられた前記本体を通る穿孔、および前記穿孔に隣
    接して前記本体に取付けられ、前記穿孔を介して前記プ
    ローブ手段を映すよう向けられた電荷結合素子からなる
    請求項１記載の走査力顕微鏡。
  9. 【請求項９】 前記走査手段が前記標本を受容する隔室
    を備える請求項１記載の走査力顕微鏡。
  10. 【請求項１０】 前記光学レバーアームが前記本体に磁
    気的に固定された請求項１記載の走査力顕微鏡。
  11. 【請求項１１】 前記光学レバーアームが、前記本体の
    磁化部分に磁気的に固定された磁性鋼部材、前記磁性鋼
    部材に固定された反射性カンチレバーアームからなり、
    前記プローブ手段が前記カンチレバーアームの自由端部
    に取付けられた請求項１０記載の走査力顕微鏡。
  12. 【請求項１２】 前記走査手段が、前記標本の前記表面
    外形に対する前記プローブ手段の一定の力を維持する制
    御手段を備える請求項１記載の走査力顕微鏡。
  13. 【請求項１３】 前記制御手段が、前記光学レバーアー
    ム手段からの前記レーザー光線の偏向の表示である前記
    出力信号を受容する前記光検出器に接続された手段、前
    記標本表面に対する前記プローブ先端の前記一定量の力
    からの変動の表示であるエラー信号を生成する手段、お
    よび前記エラー信号に応答して前記プローブ先端に対し
    て前記標本を上昇または下降させ、前記標本表面に対す
    る前記プローブ先端の力を増加または減少させて前記標
    本表面に対する前記プローブ先端の前記実質的に一定量
    の力を維持する電気駆動手段からなる請求項１２記載の
    走査力顕微鏡。
  14. 【請求項１４】 前記標本を収容するために封止したセ
    ルを受容するよう前記隔室を適合させた請求項９記載の
    走査力顕微鏡。
  15. 【請求項１５】 前記封止したセルが、前記標本のため
    に選択されたガスまたは液体環境を含む請求項１４記載
    の走査力顕微鏡。
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