JPH0776696B2

JPH0776696B2 - 原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH0776696B2
Application number: JP2052871A
Authority: JP
Inventors: ケイハンスマポール; ドレイクバーニー
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: DE69032714T2; USRE34489E; EP0388023A2; DE69034251D1; EP0650029A2; EP0862045B1; ATE172536T1; JPH02284015A; EP0650029B1; DE69021235D1; DE69032714D1; ATE384245T1; EP0650029A3; US4935634A; EP0862045A3; EP0862045A2; ATE125934T1; EP0388023B1; EP0388023A3; USRE34489F1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、表面の詳細な形状を造影するのに用いられる
走査型顕微鏡に関し、特に、プローブのチップ先端と試
料の間に作用する力の大きさが、原子間の力（ファン・
デル・ワールス力）が作用し始める程度の微小な値であ
る、拡大された性能を有する原子間力顕微鏡に関する。

［従来の技術］近年、科学の領域においては、一群の走査プローブ型顕
微鏡の導入によって、顕微鏡の用途が更に拡大されてい
る。

第１図および第２図において、非常に単純化された一般
例として典型的に示される通り、これらの顕微鏡は、試
料（14）の表面（12）を鋭利なプローブ（10）で走査し
て、表面の輪郭を、場合によっては事実上、原子の尺度
にまで拡大して描き出す。

プローブ（10）は、これを走査機構に固定して、走査パ
ターンに従って表面（12）上を移動させることもでき、
あるいはそのようにせずに（しかし、微小な大きさを扱
うが故に効果的に）プローブ（10）を静止させておき、
走査パターンに従って、その表面（12）を、プローブ
（10）を横切るように移動する走査機構に試料（14）を
取り付けることもできる。

プローブ（10）のチップ（16）は、プローブ（10）の動
きとともに表面（12）をなぞる。

チップ（16）が表面（12）の形状に沿って動くと、プロ
ーブ（10）は、図の双方向矢印（18）が示す通り、上下
に運動する。

プローブ（10）のこの上下運動を感知して、３次元的な
表面（12）の大きさのＺ軸方向の成分を示す信号を発生
させる。

初期の原子間力顕微鏡（AFM）においては、プローブ（1
0）をワイヤに接続し、プローブのチップ（16）が表面
（12）上をたどる際のワイヤの動きを、電気的に感知す
るようになっていた。

近年になって、従来の技術によるAFMは、第１図に示す
通り、マイクロエレクトロニクス技術における発展の成
果を採り入れている。

プローブ（10）および（典型的にはダイヤモンドを材料
とする）そのチップ（16）は、原子レベル近くで効力を
発揮するよう、極めて微小であるから、ここに描かれて
いる図は、縮尺が一様でないことに注意しなければなら
ない。

図を現寸通りに描けば、これらの部分は目に見えないも
のとなってしまう。

実際、AFMを操作する場合、これらの部分を肉眼で見る
ことは不可能であって、光学顕微鏡を用いて視認しなく
てはならない。

次に述べる通り、このことから、各種の問題点が生起さ
れ、本発明は、そのいくつかを解決しているのである。

第１図に示す通り、従来の技術による最近のAFMにおい
ては、プローブ（10）は、基板（20）の前縁から突出し
ており、本発明にとっては決定的な重要事項ではない製
造技術を用いて、ここにプローブ（10）が形成されてい
る。

プローブ（10）は、基板（20）から突出したアームの形
態を取り、その先端にダイヤモンドチップ（16）が取り
付けられているのが一般であることを指摘すれば充分で
ある。また、プローブ（10）は極めて小さく、かつ極め
て脆弱でもある。

典型的には、基板（20）は、周辺構造に取り付けられた
大型の鋼製ブロック（22）の前縁の底部に接着剤で固定
され、かつそこから突出している。

プローブ（10）および試料（14）が電導性であれば、プ
ローブ（10）の位置は、走査過程の間に表面（12）よっ
て生起された湾曲の結果として、これを電気的に感知す
ることができる。

電導性でない試料を走査する場合は、従来の技術に関す
る文献の示唆するところによれば、プローブ（10）から
レーザ線束（24）を反跳させ、これを、光電式センサ
（26）を用いて感知するのである。

第２図に示す通り、プローブ（10）が上下に湾曲する
と、レーザ線束（24）の反射角は変化する。

光電式センサ（26）が感知するのは、この反射角の変化
であるが、これを受けてセンサは、検出表面を照射する
光の線束を捉えて、角度に対応する電気的信号を出力す
る。

これが、プローブ（10）のＺ軸方向の成分を示すことに
なる。

［発明が解決しようとする課題］用いられるプローブの位置感知方法の如何に拘わらず
（電気的であろうと、レーザ光であろうと）、第１図お
よび第２図の単純化された図に端的に示した通り、従来
の技術によるAFMには、数多くの問題点がある。

第２図に示す通り、試料（14）の表面（12）には非常に
薄い（すなわち分子レベルでの）水の被膜（28）が存在
する。

この水の被膜（28）の毛管現象によって、プローブ（1
0）の微小かつ軽量なチップ（16）は、しばしば、プロ
ーブ（10）のごく僅かな反発的な偏向力に逆らって、表
面（12）に「吸い寄せられて」しまう。

当然、これによってチップ（16）は甚だしく損傷し、意
図された目的に役立たなくなることがある。

否定的な面としては更に、水の被膜（28）は、表面（1
2）上を滑動するチップ（16）に対して、何らかの潤滑
性をもたらすには不充分である。

その結果、チップ（16）は摩擦力によって速やかに摩耗
し、意図する目的に役立たなくなるという重大な問題が
生じる。

また試料の材質によっては、チップ（16）は、その上を
滑動して有効な情報をもたらすのではなく、試料表面
（12）を抉り取ってしまい、これを損傷することもあ
る。

更に、走査作用は、走査構成材へのかなり高い電圧の印
加によって実行される。

第１図に示す通り、取り付け用鋼製ブロック（22）が近
接しているため、このような電圧は、鋼製ブロック（2
2）を吸引することができ、その過程で、プローブ（1
0）に誤ったデータを出力の流れに送らせるように作用
する。

環境の形態、および、AFMを現在利用し、あるいは将来
利用しようとする人員の資質もまた、この極めて有用か
つ有能な装置に対して問題を生じさせる。

典型的には、使用者は、研究室という環境において、各
種の研究計画に従事する研究者である。

彼または彼女は、有効な結果を得るには、AFMに対して
「協調的に」これを操作しなればならないということに
無関心である。

第１図および第２図に示すような在来の構成の場合、走
査のための初期設定は困難であり、プローブ（10）とチ
ップ（16）との、または基板（20）とプローブ（10）と
の分断が容易に起こる。

プローブ−チップアセンブリの交換には多大の労力が必
要であり、上述の問題点のため、期待されるプローブ−
チップアセンブリの寿命は極めて短い。

更に、試料（14）は、圧電素子を用いた走査管（第１図
および第２図には示さず）の先端に貼付され、静止して
いるプローブ（10）（探知を目的として、レーザ線束
（24）が反射されるような位置に固定されていなければ
ならない）に対して走査管が試料を移動させることによ
って、走査作用が実行される。

したがって、一度固定された試料（14）は、（走査位置
に変えようとして）移動させることはできず、交換する
ことも困難である。

プローブ（10）のチップ（16）に対する試料（14）の表
面（12）上での定位は、困難と言えればましな方であっ
て、場合によっては事実上不可能である。

要するに、AFMは、商業的に取り扱える段階にまで発達
しつつある一方で、従来の技術で実現可能な製品は、研
究室の利用者が所望かつ必要とするような、効率的かつ
扱い易い支援手段となっていないのである。

したがって、本発明の第１の目的は、一般的な研究室の
環境における一般的な研究者にとって、初期設定し、較
正し、使用するのが容易なAFM装置を提供することであ
る。

本発明の第２の目的は、摩擦による損耗に耐性のあるプ
ローブ−チップアセンブリを備えたAFM装置を提供する
ことである。

本発明の第３の目的は、プローブ−チップアセンブリが
試料表面の水の被膜の毛管現象による力を受けないよう
なAFM装置の提供することである。

本発明の第４の目的は、プローブ−チップアセンブリが
試料表面上を容易に滑動し、比較的軟質の試料を掘削し
て、これを損傷することが起こりにくく、したがって、
より円滑で信頼度の高い操作を行いうるようなAFM装置
を提供することである。

本発明の第５の目的は、プローブ−チップアセンブリ
が、AFMの供給業者の手で再生させることが可能な、容
易に交換可能なモジュールに組み込まれているAFM装置
を提供することである。

本発明の第６の目的は、AFMの使用設定が、単純かつ簡
単な業務となるような較正および初期設定の手段を備え
るAFM装置を提供することである。

本発明の第７の目的は、試料の位置をその場で変え、か
つ、前の試料を破壊することなく、容易かつ迅速に設置
することを可能にする、取り外しおよび調整が可能な構
成材を用いて試料が保持されるようにしたAFM装置を提
供することである。

本発明の第８の目的は、プローブおよびチップの安定性
に影響を与えずに、従来の技術による取り付け要鋼製ブ
ロックを排除したAFM装置を提供することである。

本発明の第９の目的は、プローブによる試料の走査を行
うための走査管に印加される走査電圧が、プローブに悪
影響を及ぼして誤ったデータを発生させることがないよ
うにしたAFM装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］上述の目的を達成するために、本発明による原子間力顕
微鏡は、走査される試料および走査プローブに対する損
傷を防ぐことを目的として、走査プローブを包む液体セ
ルを設けた原子間力顕微鏡であって、（ａ）水平な基部
構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直
に支持されるとともに、走査電圧が印加された結果とし
て、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動とな
るように、試料を保持するための頂部表面を有する走査
管と、（ｃ）前記走査管の頂部表面の上方に配置され、
かつそれに取り付けられて、下方に突出するプローブを
有し、このプローブが、前記走査管の頂部表面に取り付
けられた試料に接するように位置するチップを備えてい
るプローブ担持モジュールと、（ｄ）前記プローブの運
動を感知し、かつ、その出力部において、前記プローブ
の運動を反映する電気的信号を発するための手段と、
（ｅ）前記プローブ担持モジュールにより支えられ、か
つ液体で満たされた際に、前記走査管が取り付けられて
いる試料の頂部表面において、前記プローブの周囲に液
体セルを形成するための液体セル形成手段、とを備えた
ことを特徴とするものである。

また本発明による原子間力顕微鏡は、（ａ）水平な基部
構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直
に支持されるとともに、走査電圧が印加された結果とし
て、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動とな
るように、試料を保持するための頂部表面を有する走査
管と、（ｃ）前記走査管の頂部表面の上方に配置され、
かつそれに取り付けられて、下方に突出するプローブを
有し、このプローブが、前記走査管の頂部表面に取り付
けられ試料に接するように位置するチップを備えている
プローブ担持モジュールと、（ｄ）前記プローブの運動
を感知し、かつ、その出力部において前記プローブの運
動を反映する電気的信号を発するための手段と、（ｅ）
前記走査管の頂部表面を被い、かつこれと電気的に接触
しないようにして配置され、固定電源に電気的に接続さ
れることによって、前記走査管に印加された前記走査電
圧の前記プローブに対する影響を遮断するための導電性
材料を用いて作成された電圧シールドと、（ｆ）前記走
査管の頂部表面に釈放可能に取り付けられ、かつそれに
取り付けられた走査されるべき試料を釈放可能でしかも
調整可能に保持するための、滑動可能で取り外し可能な
台部、とからなることを特徴とするものである。

また本発明による原子間力顕微鏡は、（ａ）水平な基部
構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直
に支持されるとともに、走査電圧が印加された結果とし
て、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動とな
るように、試料を保持するための頂部表面を有する走査
管と、（ｃ）前記走査管の頂部表面の上方に取り外し可
能かつ調整可能に支持され、かつ下方に突出するプロー
ブが取り付けられ、このプローブが前記走査管の頂部表
面に取り付けられた試料に接するように位置するチップ
を備えているプローブ担持モジュールと、（ｄ）前記プ
ローブの運動を感知し、かつ、その出力部において前記
プローブの運動を反映する電気的信号を発するための手
段と、（ｅ）前記走査管の頂部表面に釈放可能に取り付
けられ、かつそれに取り付けられた走査されるべき試料
を釈放可能でしかも調整可能に保持するための、滑動可
能で取り外し可能な台部、とからなることを特徴とする
ものである。

また本発明は、迅速かつ容易に初期設定され、かつプロ
ーブの交換が容易であり、初期設定の際の破損に耐える
原子間力顕微鏡であって、（ａ）水平な基部構成材と、
（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直に支持され
るとともに、走査電圧が印加された結果として、Ｘ、
Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動となるよう
に、試料を保持するための頂部表面を有する走査管と、
（ｃ）前記基部構成材から上方に突出する第１支持手段
と、（ｄ）内部に空隙を有し、かつ、その底部表面を貫
通して前記空隙と連絡する第１ボアと、その頂部表面を
貫通して前記空隙と連絡する第２ボアと、および前記第
２ボアに対して鋭い角度をなして前記空隙と連絡する第
３ボアとを備え、前記走査管が前記第１ボアを通過しう
るように位置し、かつ前記第１支持手段によって支持さ
れる試料保持ブロックと、（ｅ）前記底部表面から上方
に前記空隙へと突出する第２支持手段と、（ｆ）頂部表
面および底部表面を有し、前記空隙内に取り外し可能に
配置されて前記第２支持手段によって調整可能に支持さ
れ、前記底部表面には、これに取り付けられ、そこか
ら、前記底部表面に対して鋭い角度で下方に突出し、前
記走査管の頂部表面に取り付けられた試料に接触するよ
うに位置するチップを備えたプローブを有しているプロ
ーブ担持モジュールと、（ｇ）レーザ線束を、それが前
記試料保持ブロックの頂部表面から前記第２ボアを降下
し、前記プローブ担持モジュールを通過して前記プロー
ブを照射し、次いで、前記プローブ担持モジュールを通
過して、前記第３ボアを通じて、その外側末端へと反射
されるように指向されて取り付けられたレーザ線束源
と、（ｈ）前記第３ボアの外側末端を被う活性表面を備
え、前記レーザ線束が前記活性表面を照射する活性表面
上の位置を反映する電気的信号を、その出力部に発生さ
せる光電式センサ手段とからなること、を特徴とするも
のである。

また本発明は、前記試料を走査するプローブ、前記プロ
ーブと前記試料の間に相対的走査運動を生じさせる走査
手段、前記プローブの位置を検出する検出手段、および
前記試料に付着され前記プローブが同試料と接触して浸
漬されて、前記相対的走査運動の間に、周囲の大気にさ
らされることにより前記試料上に形成される表面膜によ
って引き起こされる前記プローブと前記試料の間の毛管
現象による吸引力が減少するようにする低温貯蔵を要し
ない液体よりなる、試料の特性を測定するための原子間
力顕微鏡である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが試料を走
査する手段により試料の表面を横切って走査されるとき
に同プローブの撓みを検出するための撓み検出システム
を有する原子間力顕微鏡における、前記試料の面に付着
され、前記プローブが前記試料の表面を横切って走査さ
れる間に、同プローブが同試料と接触して浸漬される低
温貯蔵を要しない液体、よりなる改良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査されるときに同プローブの撓みを検出
するための撓み検出システムを有する原子間力顕微鏡に
おける、前記プローブを走査するための走査装置、およ
び前記プローブと前記走査装置の間に配置された固定的
電位の導電性シールド、よりなる改良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査されるときに同プローブの撓みを検出
するための撓み検出システムを有する原子間力顕微鏡に
おける、前記プローブが選択された位置に固定的に支持
される前記資料の上方に取り外し可能かつ調整可能に支
持されたプローブ担持モジュール、次の構成よりなる改
良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが試料を走
査する手段により試料の表面を横切って走査されるとき
に同プローブの撓みを検出するための撓み検出システム
を有する原子間力顕微鏡における、前記走査手段に取り
外し可能に結合されて前記試料が装着される、摺動可能
で取り外し可能な試料支持部材、よりなる改良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが走査装置
により試料の表面に横切って走査されるときに同プロー
ブの撓みを検出するための撓み検出システムを有する原
子間力顕微鏡における、前記撓み検出システムおよび前
記プローブが装着される、前記資料の上方に取り外し可
能に支持された支持部材、および前記撓み検出システム
の位置を調整するための前記支持部材に装着された手
段、よりなる改良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが走査装置
により試料の表面を横切って走査され、前記レバーに支
持されたプローブの撓みが撓み検出システムにより検出
される原子間力顕微鏡の作動方法における、前記試料の
表面に付着され前記走査装置に付着されない液体を供給
すること、前記レバーに支持されたプローブを前記液体
内に浸漬すること、および前記レバーに支持されたプロ
ーブが前記液体中に浸漬されている間に、同レバーに支
持されたプローブを前記試料の表面を横切って走査する
こと、よりなる改良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査されるときに同プローブの撓みを検出
するための撓み検出システムを有する原子間力顕微鏡に
おける、前記プローブが選択された位置に固定的に支持
される取り外し可能なプローブモジュール、および前記
原子間力顕微鏡の作動の間中前記プローブモジュールに
機械的に連結されかつ前記プローブモジュールが機械的
に連結された際に前記プローブが前記撓み検出システム
と実質的に整列されるように前記撓み検出システムと所
定の空間的配置を有するプローブモジュール支持台、よ
りなる改良である。

また本発明は、レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査装置により走査されるときに同プロー
ブの撓みを検出するための撓み検出システムを有する原
子間力顕微鏡における、前記撓み検出システム及び前記
プローブが装着される支持部材、および前記撓み検出シ
ステムの位置を調整するために前記支持部材に装着され
た調整手段、よりなる改良である。

［実施例］以下、図面を参照しつつ、本発明を具体的に実現した実
施例に基いて、本発明を詳細に説明する。

本発明の好適実施例におけるAFMの基本的部材は、第３
図の切開側面図に示されている。

基底部（30）は、従来の技術による典型的なAFMにおけ
ると同様に、何らかの方法の用いて、緩衝的に取り付け
られている。

圧電素子による走査管（32）は、基底部（30）から上方
に垂直に突出している。

走査管（32）は、従来の技術において周知の慣用的設計
のものであって、これを用いれば、ワイヤ（34）にＸ、
Ｙ、およびＺ軸方向への走査用電圧を印加することによ
って、直交する水平２方向、および垂直方向に走査管
（32）の頂部末端（36）を移動させることができ、Ｘお
よびＹ軸方向の走査はもとより、Ｚ方向へのプローブの
原子レベルでの微細な定位の実行が可能となる。

試料保持ブロック（38）は、基底部（30）を貫通する３
個の調整ネジ（40）の先端上に、後に詳述する従来の技
術において周知のいわゆる「ホール−スロットによる」
表面接触および芯合わせの手法を用いて支持される。

図から明らかな通り、走査管（32）は、試料保持ブロッ
ク（38）の底面（44）のボア（42）を貫通し、その頂部
末端（36）が、試料保持ブロック（38）内の空隙（46）
の内部に達している。

空隙（46）内には、プローブ担持モジュール（48）が配
置され、底面（44）を貫通する３個の調整ネジ（50）の
先端に、上記のホール−スロット表面接触および芯合わ
せの手法を特別に適用して支持される。これについても
その詳細は後述する。

以下で直ちに明らかにされる通り、このプローブ担持モ
ジュール（48）によって、従来の技術によるAFMにおけ
る上記の主要な問題のいくつかが解決される。

プローブ担持モジュール（48）は、透明な材料を用いて
作成され、頂部および底部の平行な２平面、それぞれ
（52）および（54）を備えている。

プローブ担持モジュール（48）を、石英、ガラス、ある
いはプラスチック、例えばポリカーボネートを用いて作
成するのが好ましい。

プローブ（10）が取り付けられる基板（20）は、やはり
底部表面（54）に貼付されたＯリング（56）の内側で底
部表面（54）に貼付される。

次に述べるように、このような配置を用いることによっ
て、底部表面（54）とＯリング（56）の内側の試料（1
4）との間に存在可能な液体セル内にプローブ（10）を
定置することが可能となる。

これによって当然、上記の毛管引力という問題点が排除
され、摩擦が小さく、潤滑性富む環境が実現され、軟質
の試料または類似のものであっても、これを損傷するこ
となく走査することが可能となる。

従来の技術における鋼製ブロック（22）が、所望通り排
除されていることは分かると思う。

プローブのチップ（16）は、直ちに説明される方法によ
って、自動的にレーザ線束（24）に照準される。

おそらく最も重要な点は、プローブまたはチップの破損
または摩耗の際には、プローブ担持モジュール（48）を
迅速かつ正確に、また容易に取り外して交換することが
可能なことである。

次いで、使用済みのモジュール（48）を工場に返却し、
適正な条件下で新しいプローブ（10）を取り付けること
ができる。

試料（14）は、取り外し可能な試料台（58）の頂部に接
着される。

したがって、AFMから離れた控えの場所で、特定の試料
（14）を、容易に試料台（58）に取り付けることが可能
となる。

所望の場合、特定の試料を一時的に排除し、ついで後刻
これを再挿入することもできる。

その上、試料台（58）は、走査管（32）の頂部末端（3
6）に支持される強磁性電気的干渉シールド（60）に、
磁気的に取り付けられる。

シールド（60）は、走査管（32）に加えられる走査電圧
からの電気的干渉を防ぎ、更に、試料台（58）がこれに
磁気的に取り付けられていることから、試料台（58）
を、ＸおよびＹ軸方向に水平に滑動させて、走査をしよ
うとする部域を、プローブのチップ（16）下に定置する
ことが可能となる。

試料支持ブロック（38）の頂部は、底部（44）に平行な
平坦な台部（62）となっている。

台部（62）からは空隙（46）内へと垂直に、一般的には
プローブ担持モジュール（48）上のプローブ（10）のチ
ップ（16）が位置する点に対して、同心円を描いて、ボ
ア（64）が通っている。

レーザ線源（66）は、その上で水平的に滑動できるよう
に台部（62）に磁気的に取り付けられた、方形の保持部
材（68）により支持される。

したがって、線源（66）からのレーザ線束（24）は、ボ
ア（64）を通過して、プローブ（10）を照射し、そこか
ら一定の角度で反射され、別のボア（70）を通過して
（従来の技術において周知の型式のものであって、それ
自体は本発明の新規性とは無関係な）光電式センサ（2
6）の検出表面（72）を直射する。

センサ（26）は、微小検出器調整装置（74）に調整可能
なように保持されている。

本発明による実施例においては、レーザ線束（24）の線
源（66）は、その他端に接続された市販のレーザ装置の
入力部からのレーザ線束（24）を伝達する光ファイバの
一端を捉える一種のホルダであって、このようにして、
プローブ（10）およびそれに付随する装置の部域におけ
るレーザ装置からの熱の蓄積を防いでいる。

線源（66）は、それ自体の内部にレーザ発光ダイオード
を備えているのが好適である。

保持部材（68）の水平位置は、直交する方向に向けて配
置された１対の微小レーザ調整装置（76）を用いて、
［プローブ（10）に対してその反射が最適となるような
位置に、レーザ線束（24）が正確に定位されるように］
ＸおよびＹ軸方向に微調整がなされる。

以上において、本発明と、その各種構成要素および特徴
の概要を述べたが、次に、その多様な新規性について、
詳細に説明する。

第４図は、試料保持ブロック（38）、および調整ネジ
（50）の設定方法を示す拡大図である。

図から理解できる通り、互いに90゜の角度で、微小レー
ザ調整装置（76）が取り付けられている。

調整装置（76）のそれぞれには、台部（62）に隣接して
試料保持ブロック（38）から上方に張り出した垂直部材
（78）が含まれる。

垂直部材（78）の内側表面沿いに、それとの接点（82）
から、１枚の板ばね部材（80）が上方に張り出してい
る。

上記接点（82）の真上の点から台部（62）に向かって、
磁気プローブ（84）が突出している。

垂直部材（78）の頂点近くでこれを貫通して板ばね部材
（80）と接するように、調整ねじ（86）が取り付けられ
ている。

この調整ねじ（86）は、その外側末端に大口径の回転す
るホイール（88）を有し、これを用いることによって、
台部（62）上の保持部材（68）の位置を水平方向に調整
する際に、調整ねじ（86）を容易に僅かに回転させるこ
とができる。

また、磁気プローブ（84）および接点（82）に関して
は、板ばね部材（80）に接して調整ねじ（86）による定
位を行なうため、非常に大きな機械的利点が得られるこ
とにも注目する必要がある。

その結果、ホイール（88）は回転させる（これがもたら
す機械的利点の故に、容易かつ円滑に行うことができ
る）ことによって、保持部材（68）を水平方向にごく僅
かに移動させることになり、これが、プローブ（10）に
対するレーザ線束（24）の最終的な定位を正確に行なう
ことが可能となり、望ましいことである。

第14図に詳細に示す通り、微小検出器調整装置（74）
は、ボア（70）に垂直な試料保持ブロック（38）の滑動
表面（92）に磁気的に接着された、Ｕ字型の滑動部材
（90）を備えているのが好ましい。

センサ（26）は、その輪郭に合った寸法の部域（150）
を内側に有するホルダ（148）によって、滑動部材（9
0）のＵの字に内側から接するように保持される。

ホルダ（148）および滑動部材（90）はともに、磁石（1
16）によって滑動表面（92）に保持される。

滑動部材（90）は、それを目的として取り付けられた試
料保持ブロック（38）のウェブ（96）の間で、滑動部材
（90）を貫通する調整ねじ（94）によって上下に動かさ
れる。

ホルダ（148）は、滑動部材（90）のＵの字の底部を貫
通する調整ねじ（152）によって、側方にも動かされ
る。

調整ねじ（50）の位置［したがってまた、空隙（46）に
挿入された際のプローブ担持モジュール（48）の位置］
は、図示した通り、較正ブランク（98）およびハイトゲ
ージ（100）を用いて設定することができる。

ハイトゲージ（100）はボア（42）に挿入され、較正ブ
ランク（98）は、調整ねじ（50）の上に位置させられ
る。

次いで、調整ねじ（50）を適宜上下して、較正ブランク
（98）の荷重が、ハイトゲージ（100）の平坦な頂部表
面に、正確に均等にかかるようにする。

その位置で、プローブ担持モジュール（48）が、ねじの
上に位置している場合に、プローブのチップ（16）が、
図示のような所望の（かつ期待された）プローブの高さ
となるように、調整ねじ（50）の高さを設定する。

調整ねじ（40）もまた、取り付けられた走査すべき試料
の表面が、プローブと同じ高さになる位置で、プローブ
担持モジュール（48）を支持するように、第４図に関し
て述べたと同じ較正手順を用いて、適正な高さに設定し
なければならない。

これは、第５図に示した方法で、較正用具（102）を用
いて実行される。

較正用具（102）は、試料保持ブロック（38）の底面（4
4）と同様の配置にある底面（106）を有するヨークを備
え、走査管（32）を貫通させるためのボア（42′）を有
している。

後述するところによって明らかになるように、試料保持
ブロック（38）の調整ねじ（50）による調整は、稀にし
か必要でないのに、調整ねじ（40）による調整は、試料
（14）を交換する都度、必要となることに注目しなけれ
ばならない。

その理由は、試料（14）は試料台（58）に貼付され、そ
の高さは、少なくともAFMの操作において想定される寸
法の範囲で、試料が次々に替えられるにつれて、著しく
変化する可能性があるからである。

較正用具（102）はまた、較正用具（102）を調整ねじ
（40）に取り付けた場合に、試料表面（12）の垂直上方
に位置する焦点距離の短い較正用顕微鏡（108）をも備
えている。

較正用顕微鏡（108）の焦点距離は、プローブのチップ
（16）が到達すると想定される平面に正確に焦点が定ま
るように選定される。

調整ねじ（40）を適正に調整するには、試料（14）を走
査管（32）に取り付け、第５図に示した通りに較正用具
（102）を定置する。

較正用顕微鏡（108）を通して視認しつつ、調整ねじ（4
0）を操作して較正用具（102）を上下させ、試料（14）
の全表面（12）に焦点を合わせる。その位置で、調整ね
じ（40）を適正に設定する。

適用される焦点距離が短いため、完全に焦点が合った場
合は、試料表面（12）もまた、プローブ（10）の走査運
動に対して平行となる。

本発明の初期設定および較正という側面に関する記述を
続ける前に、直前に述べた本発明の側面に直接関係する
第13図および第15図に関して考察する。

前述の通り、圧電素子による走査管（32）の走査運動
は、走査管（32）の内側および外側表面に取り付けられ
た、圧電材料で作られた電極（110）に電圧を印加する
（100Vの範囲内で実行が可能）ことによって実行され
る。

鋼製ブロック（22）の引力とは無関係に（これは本発明
の好適実施例においては除去されている）、発明者ら
は、走査管（32）を動かすのに用いられる走査電圧が、
この場合にもなお、プローブ（10）に悪影響を及ぼし得
ることを観察した（かつ証明した）。

この問題を解決するため、円盤形の電圧シールド（11
2）を、走査管（32）の頂部末端（36）に接着する。

シールド（112）は、導電性でなければならないことか
ら、絶縁性の接着剤（114）を用いて、走査管（32）の
頂部末端（36）にこれを接着する。

次いで、電圧シールド（112）を物理的にアースする。

選択的に、これを利用可能な固定的な電位に接続するこ
ともできる。

試料台（58）の調整可能性、および取り外し可能性は、
それぞれ、第13図および第15図に示した２様の方法を用
いて、これを実現することができる。

第13図を例に取ると、電圧シールド（112）は、強磁性
材料を用いて作成されており、試料台（58）には磁石
（116）が取り付けられている。

第15図の例では、電圧シールド（112）に、これと同心
円をなすように磁石（116）に取り付けられ、試料台（5
8）が強磁性材料で作られている。

したがって、いずれの実施例でも、電圧シールド（11
2）は、単にプローブ（10）に達する迷走電圧の影響を
遮断するばかりでなく、走査管（32）の頂部末端（36）
に、試料（14）が貼付される取り外し可能な試料台（5
8）を、磁力を用いてこれに取り付けることができるよ
うな表面を形成する。

したがって、試料（14）を、走査管（32）上に、かつ、
第５図に示した通り、調整ねじ（40）の調整作用の一端
によって定量しつつ、試料台（58）を、ＸおよびＹ軸双
方の水平方向に滑動させて、対象部域を、これを走査す
るプローブの下に位置させることができる。

次に、毛管現象、および軟質試料における摩擦という問
題を、より円滑で信頼性の高い走査性を発揮しつつ解決
する点について説明する。

本発明によるAFMの重要な特徴は、プローブに独自の設
計を採り入れたことであって、これは具体的には、第16
図および第17図に示した通り、光てこを備える微細組立
てによるカンチレバーである。

プローブ（10）は、支持基板（20）の底部前縁に、微細
組立て法を用いて形成された１対のＶ字型のアーム（15
4）を備えている。

この手法は、マイクロエレクトロニクス技術において周
知であり、それ自体は、本発明のいかなる部分をも形成
しない。

したがって、アーム（154）は、基板（20）の底部前縁
から片持ちに張り出されている。このような微細組立て
法に用いられる材料の性質からして、片持ち構造のアー
ム（154）は、容易に湾曲する（すなわち、それ自体の
偏向力は実用上は存在しない）。

このような微細組立てによる材料の表面は、非常に平滑
であるから、本来的にレーザ線束（24）を反射し、その
結果、所望の光レバーが形成される。

試料に接触するチップ（16）は、実際にはダイヤモンド
製であって、２本のアーム（154）が結合してＶ字を形
成する部位に独立して取り付けられる。

毛管現象、および軟質試料における摩擦という問題は、
本発明のAFMにおいては、プローブ（10）、および試料
の走査部域を選択的に液体浴中に没することによって解
決が可能である。

本発明のこの新規な側面は、必ずしも好適ではないが、
第６図に示したような仕方で、これを実施することがで
きる。

このような方法は、本発明における初期の試験的実施例
には採用されたが、次に説明する装置をもって置き換え
ることとなった。

この実施例では、プローブ（10）を基板（20）に取り付
け、これを更に、AFMの基底部分に支持される鋼製ブロ
ック（22）または類似のものに取り付けるという従来の
技術が用いられている。

液体浴を形成するには、基板（20）の頂部に、プローブ
（10）を覆うように突出させた透明なカバーグラス（11
8）を取り付ける。

次いで、液体（120）（例えば脱イオン水）の１滴を、
カバーグラス（118）、試料表面（12）、および基板（2
0）の前縁によって規定される、プローブ（10）を囲む
部域に注射器を用いて注入すると、毛管現象と表面張力
とによってそれは粘着する。

レーザ線束（24）は、カバーグラス（118）および液体
（120）を通過してプローブ（10）に達し、そこから反
射して、液体（120）およびカバーグラス（118）中を復
帰する。

光電式センサ（26）の位置の調整によって、本質的でな
い反射は、すべてこれを一定に保ち、相殺することがで
きる。

鋼製ブロック（22）に取り付けた交換不能なプローブ
（10）に付随する以外のこの実施例における唯一の問題
は、蒸発のために、液体（120）の滴の寿命が制限され
ることである。

第７図および第８図にその詳細を示すプローブ担持モジ
ュール（48）は、従来の技術に付随する問題点の多くを
解決している。しかし、所望もしくは所要の場合には、
本発明の液体セルなる新規の環境が選択的に形成される
ので、好ましい。

プローブ担持モジュール（48）は、すべて工場で組み立
てられ、かつ（以下直ちに述べる方法で）較正される。

前記の通り、プローブ（10）が摩耗あるいは破損した場
合、研究者は、新しいプローブ担持モジュール（48）を
取り付け、破損したそれを、再生のために工場に返送す
ればよい。

プローブ担持モジュール（48）には、ある角度（約10
゜）を有する領域（122）がその底面（54）に刻み込ま
れており、ここにプローブを担持する基板（20）が貼付
される。

プローブ（10）および基板（20）は、Ｏリング（56）に
囲まれており、これもやはり底面（54）に接着されてい
る。

第８図に示す通り、Ｏリング（56）を試料（14）の表面
（12）に定置すると、Ｏリング（56）の内側の底面（5
4）と試料表面（12）との間に、液体セル（124）が形成
される。

注入管（126）および排出管（128）は、プローブ担持モ
ジュール（48）の本体内部に形成され、液体セル（12
4）とモジュール（48）の外部とを連絡する。

これらの管（126）（128）を通じて液体（120）を注入
することが（あるいは必要に応じ、循環させることさ
え）可能である。したがって、蒸発の問題は排除され
る。

液体セルが不要な場合は、第18図におけるプローブ担持
モジュール（48）を選択的に用いることもできる。

この場合、プローブ担持モジュール（48′）は、金属、
あるいはプラスチックで作成され、上記の変化形におけ
る通り、プローブを支持する基板（20）が貼付される底
面（54）に刻み込まれたある角度（約10゜）を有する領
域（122）に備えることになる。

プローブ担持モジュール（48′）内をプローブ（10）に
位置を合わせて頂面（52）から底面（54））へと通じる
ボア（156）があり、レーザ線束（24）が、プローブ担
持モジュール（48′）内を通過し、プローブ（10）を照
射し、更にこれから、光電式センサ（26）へと反射しう
るようにしてある。

液体セルを有する上記の好適なプローブ担持モジュール
（48）へと説明を戻すと、プローブ（10）に対する毛管
現象の影響を排除、および軟質試料における摩擦の減少
に関する利点がもたらされるとともに、液体セルを、電
気化学的および類似の目的のためにも用いることができ
る。

この目的のために、本発明の好適実施例においては、液
体セル（124）とプローブ担持モジュール（48）外部と
の連絡用に、更に３本の管（158）（160）（162）がモ
ジュール（48）の本体内に形成されている。

各管は、一端を液体セル（124）とし、他端をモジュー
ル（48）外として、その間に延長される電極（164）を
内包する。

電気的な接続は、モジュール（48）の端点で行われる。

技術の習熟者には容易に理解可能な通り、このような構
成とすると、多くの利用法が生じる。

例えば、（試料が含まれる）液体セル（124）中の１ま
たは複数の電極（164）と、電圧シールド（112）との間
に電圧を印加することによって、試料を、基質に「釘付
けにする」ことができる。

３個の電極（164）の存在によって（すなわち、作業電
極、基準電極、および補助電極が各１）、AFMのリアル
タイムの環境中での広い範囲の電気化学的処理、例えば
めっき、腐食、電気剥離が可能となる。

本発明にも用いられる前述の従来の技術による「ホール
−スロットによる」支持の機構を、第９図に単純化して
示す。

言うまでもなく、３点によって平面に規定されること
は、２点によって直線が規定されると同じく、周知の数
学的事実である。

その簡単な例は、３脚の椅子であって、４脚の椅子のよ
うに揺らぐことが決してない。

したがって、その構成部品が相互の位置関係において安
定していることが必要なAFMのような複雑な装置におい
ては、３脚の支持機構の使用は論理的なやり方である。

位置関係の精度を調整可能性とともに具備させるには、
第９図に示したホール−スロット−支持の手法を用いる
のが一般的である。

支持されるべき表面には、直線的なスロット（130）
が、第１の総体的な支点に形成される。

ホール（132）は、第２の、しかし特定の支持点におい
て、スロット（130）に縦方向に位置を合わせて表面に
形成される。

支持されるべき表面は、３個の支持材を用いて固定され
るが、初めは１個の支持材がスロット（130）に取り付
けられる。

次いで、この支持材をスロット内で必要なだけ滑動さ
せ、かつ必要なだけ回転させて、３個のうちの第２の支
持材がホール（132）に挿入されるようにする。その結
果、２支点が確立される。

２点は１直線を規定するのであるから、２支点によっ
て、支持されるべき表面は、ホール（132）およびスロ
ット（130）の２支点を軸とする回転のみが可能とな
る。

次いで、支持されるべき表面を降下させ（すなわち、初
めの２支点によって規定される直線の周囲を回転させ
て）、３個のうちの第３の支点上に静止させる。

このような支持法の結果、支持されるべき表面は、３支
点上の同一の位置に反復的に定置されることになる。

上記の従来の技術による３点支持機構は、AFMの全体に
わたって用いられているが、これに対する新規な方法
が、プローブ担持モジュール（48）を工場であらかじめ
較正するのに用いられる。その結果、調整ねじ（50）を
用いて、支持材の１個を支持されるべき空隙（46）内に
挿入すると、プローブのチップ（16）は、レーザ線束
（24）の公称上の位置に近似的な精度で取り付けられる
ことになる。

第７図から理解できる通り、プローブ担持モジュール
（48）の底面（54）には、スロット（130）のみが形成
されている。

ホールに相当するもの（132）は、第10〜12図に示す較
正手法に従って取り付けられる。

工場では、プローブ（10）が接着された基板（20）を傾
斜部域（122）に固定した後、ワッシャ（136）の中心の
穴が、調整ねじ（50）のうちの第２のものを受けるホー
ル（132′）となるように、第10図および第11図示の較
正用具（134）を用いて、ワッシャ（136）を位置決めす
る。

較正用具（134）は、水平の基底部（138）に３個のピン
（140）が取り付けられているが、これらは基底部（13
8）に対して垂直に下方に突出し、３個の調整ねじ（5
0）が描くのと同じ３角形を描くように配置されてい
る。

基底部（138）を貫くボア（144）内には、顕微鏡（14
2）が垂直にはめ込まれているが、ピン（140）に対する
その位置関係は、調整ねじ（50）に対するボア（64）の
それと同じである。

顕微鏡（142）内には、ボア（64）内のレーザ線束（2
4）とほぼ同じ位置で交差するように、十字線（146）が
取り付けられている。

プローブ担持モジュール（48）を、その頂面（52）を下
にして横たえた状態で、ピン（140）の１個をスロット
（130）に挿入する。

底面（54）上にワッシャ（136）を置いてから、別のピ
ン（140）をホール（132′）に挿入し、次いで、第３の
ピン（140）とともに底面（54）上に置く。

次いで、較正用具（134）を底面（54）上を滑動させ
て、プローブのチップ（16）を十字線（146）の中央に
固定する。

更に、速乾性のにかわを塗布して、ワッシャ（136）を
底面（54）に貼付する。

このようにして、ホール（132′）が、AFMにおいてプロ
ーブ担持モジュール（48）を用いる際に、プローブのチ
ップ（16）が適正な位置を取るように固定すれば、較正
手順は完了する。

プローブ担持モジュール（48）を空隙（46）に挿入した
後は、微小レーザ調整装置（76）を用いて、レーザ線束
（24）を、プローブ（10）に対して最適な反射が得られ
るように正確に位置決めする。

それと同時に、微小検出器調整装置（74）を用いて、光
電式センサ（26）を最適な位置に定位する。

このようにして、本発明のAFMを、不当に時間を費や
し、かつ高度な技術的訓練を必要とすることなく、迅速
かつ容易に有効に働かせるように設置することが可能と
なる。

上で説明した手順に従うと、プローブ（10）は、設定手
順の結果として実質的に破損の可能性が除去され、万
一、プローブ（10）が摩耗、あるいは破損した際にも、
迅速かつ容易に交換できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の技術による原子間力顕微鏡において、
大型の鋼製ブロックに支持される基板に取り付けられた
プローブが、これから反射されるレーザ線束を用いて検
出されることを示す簡略化された模式図、第２図は、第１図におけるプローブのチップを拡大し
て、試料表面のチップの運動、およびプローブの湾曲の
結果として、レーザ線束の反射角が変化する様子を示す
模式図、第３図は、本発明による原子間力顕微鏡の部分的断面
図、第４図は、第３図示の原子間力顕微鏡の試料保持ブロッ
クを拡大して、その支持ねじが適当な高さに較正される
様子を示す断面図、第５図は、第３図示の原子間力顕微鏡の基底部に取り付
けられた第４図の試料保持ブロックを拡大して、その支
持ねじがプローブのチップを適当な高さに位置させるよ
うに較正される様子を示す断面図、第６図は、走査が液滴の内部で実行される場合の、本発
明の好適ではない実施例におけるプローブ、およびチッ
プを拡大した断面図、第７図は、本発明の好適実施例におけるプローブ担持モ
ジュールの底面からの見取り図、第８図は、第７図のプローブ担持モジュールの、VIII−
VIIIを結ぶ平面による断面図、第９図は、本発明に用いられる従来の技術による３点支
持／調整手法を示し簡略化された見取り図、第10図は、本発明の原子間力顕微鏡装置において、プロ
ーブ担持モジュールが第４図の試料保持ブロックに挿入
された際に、プローブ担持モジュールによってプローブ
のチップがその適正位置に正確に定位されるようにする
ために用いられる較正用具の側面図、第11図は、第10図の較正用具の底面からの見取り図、第12図は、第10図および第11図の較正用具の使用法を示
す模式図、第13図は、最初の実施例における本発明の、電圧シール
ド、および取り外し可能かつ滑動可能な台部を用いた圧
電素子による走査管の頂部の部分的断面図、第14図は、本発明に用いられる光電式センサに対する好
適な保持および調整機構を詳細に示す模式図、第15図は、代替的な実施例における本発明の、電圧シー
ルド、および取り外し可能かつ滑動可能な台部を用いた
圧電素子による走査管の頂部の部分的断面図、第16図は、本発明の好適なプローブの配置を示す模式的
平面図、第17図は、第16図のプローブの模式的正面図、第18図は、本発明において用いることが可能な、液体セ
ルを用い得ない選択的な、取り外し可能ではあるが透明
ではないプローブ担持モジュールの模式図である。（10）プローブ、（12）試料表面（14）試料、（16）チップ（18）チップの可動範囲、（20）基板（22）鋼製ブロック、（24）レーザ線束（26）光電式センサ、（28）水の被膜（30）基底部、（32）走査管（34）ワイヤ、（36）走査管の頂部末端（38）試料保持ブロック、（40）調整ねじ（42）ボア、（44）試料保持ブロック底面（46）空隙、（48）プローブ担持モジュール（50）調整ねじ、（52）モジュール頂面（54）モジュール底面、（56）Ｏリング（58）試料台、（60）電気的干渉シールド（62）試料保持ブロック台部、（64）ボア（66）レーザ線源、（68）レーザ線源保持部材（70）ボア、（72）光電式センサの感知表面（74）微小検出器調整装置、（76）微小レーザ調整装置（78）モジュール垂直部材、（80）板ばね部材（82）接点、（84）磁気プローブ（86）調整ねじ、（88）回転ホイール（90）滑動部材、（92）滑動面（94）調整ねじ、（96）ウェブ（98）較正ブランク、（100）ハイトゲージ（102）較正用具、（104）ヨーク（106）較正用具底面、（108）較正用顕微鏡（110）電極、（112）電圧シールド（114）接着剤、（116）磁石（118）カバーグラス、（120）液体（122）領域、（124）液体セル（126）液体注入管、（128）液体排出管（130）スロット、（132）ホール（134）較正用具、（136）ワッシャ（138）較正用具基底部、（140）ピン（142）較正用顕微鏡、（144）ボア（146）十字線、（148）ホルダ（150）センサ収容部域、（152）調整ねじ（154）プローブアーム、（156）ボア（158）（160）（162）連絡管、（164）電極

フロントページの続き (72)発明者バーニードレイクアメリカ合衆国カリフォルニア州 93111 サンタバーバラノースパターソン 545 (56)参考文献特開昭62−130302（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−236992（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−212507（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査される試料および走査プローブに対す
る損傷を防ぐことを目的として、走査プローブを包む液
体セルを設けた原子間力顕微鏡であって、（ａ）水平な基部構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直に支持され
るとともに、走査電圧が印加された結果として、Ｘ、
Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動となるよう
に、試料を保持するための頂部表面を有する走査管と、（ｃ）前記走査管の頂部表面の上方に配置され、かつそ
れに取り付けられて、下方に突出するプローブを有し、
このプローブが、前記走査管の頂部表面に取り付けられ
た試料に接するように位置するチップを備えているプロ
ーブ担持モジュールと、（ｄ）前記プローブの運動を感知し、かつ、その出力部
において、前記プローブの運動を反映する電気的信号を
発するための手段と、（ｅ）前記プローブ担持モジュールにより支えられ、か
つ液体で満たされた際に、前記走査管が取り付けられて
いる試料の頂部表面において、前記プローブの周囲に液
体セルを形成するための液体セル形成手段とを備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項２】液体セル形成手段が、（ａ）前記プローブの上方に置かれ、かつ試料の頂部表
面に充分接近して配置されることにより、前記試料の頂
部表面との間で、毛管現象によって前記プローブの周囲
に液滴を維持することが可能となるカバーグラスか、ま
たは（ｂ）前記プローブを包み、かつ、プローブ担持モジュ
ールの底部表面に接着されて、前記プローブの周囲に液
体セルを形成するように、前記試料の頂部表面を密封す
るための環状の密封手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の原子間力
顕微鏡。
【請求項３】（ａ）前記液体セル形成手段が、前記プロ
ーブを包み、かつ、プローブ担持モジュールの底部表面
に接着されて、前記プローブの周囲に液体セルを形成す
るように、前記試料の頂部表面を密封するための環状の
密封手段を備え、更に（b1）プローブ担持モジュール内にあって、かつ液体セ
ルと前記プローブ担持モジュールの外部との間を連絡
し、それによって、前記液体セルに液体を挿入すること
が可能である注入ボアおよび排出ボアと、（b2）前記プローブ担持モジュール内にあって、かつ前
記液体セルと前記プローブ担持モジュールの外部との間
を連絡する電極ボア、およびこの電極ボア内に配置さ
れ、第１末端を前記液体セル内に有し、かつ第２末端を
前記プローブ担持モジュールの外部に有していて、電気
的接続を可能とする電極と、（b3）前記プローブ担持モジュール内にあって、かつ前
記液体セルと前記プローブ担持モジュールの外部との間
を連結する３個の電極ボア、および、これらの電極ボア
内に配置されて、それぞれが、第１末端を前記液体セル
内に有し、かつ第２末端を前記プローブ担持モジュール
の外部に有していて、これらに対する電気的接続を可能
にする作業電極、基準電極および補助電極とのうちの少なくとも一つを有していることを特徴とす
る請求項１記載の原子間力顕微鏡。
【請求項４】（ａ）前記走査管の頂部表面を被い、か
つ、これと電気的に接触しないようにして配置され、固
定電源に電気的に接続されることによって、前記走査管
に印加された走査電圧のプローブに対する影響を遮断す
るための導電性材料を用いて作成された電圧シールド、
あるいは、（ｂ）前記走査管の頂部表面に釈放可能に取り付けら
れ、かつそれに取り付けられた走査されるべき試料を釈
放可能でしかも調整可能に保持するための、滑動可能で
取り外し可能な台部を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
かに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５】（ａ）水平な基部構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直に支持され
るとともに、走査電圧が印加された結果として、Ｘ、
Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動となるよう
に、試料を保持するための頂部表面を有する走査管と、（ｃ）前記走査管の頂部表面の上方に配置され、かつそ
れに取り付けられて、下方に突出するプローブを有し、
このプローブが、前記走査管の頂部表面に取り付けられ
た試料に接するように位置するチップを備えているプロ
ーブ担持モジュールと、（ｄ）前記プローブの運動を感知し、かつ、その出力部
において前記プローブの運動を反映する電気的信号を発
するための手段と、（ｅ）前記走査管の頂部表面を被い、かつこれと電気的
に接触しないようにして配置され、固定電源に電気的に
接続されることによって、前記走査管に印加された前記
走査電圧の前記プローブに対する影響を遮断するための
導電性材料を用いて作成された電圧シールドと、（ｆ）前記走査管の頂部表面に釈放可能に取り付けら
れ、かつそれに取り付けられた走査されるべき試料を釈
放可能でしかも調整可能に保持するための、滑動可能で
取り外し可能な台部とからなることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項６】前記台部が、磁石を備えるか、あるいは強
磁性材料からなることを特徴とする請求項５記載の原子
間力顕微鏡。
【請求項７】（ａ）水平な基部構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直に支持され
るとともに、走査電圧が印加された結果として、Ｘ、
Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動となるよう
に、試料を保持するための頂部表面を有する走査管と、（ｃ）前記走査管の頂部表面の上方に取り外し可能かつ
調整可能に支持され、かつ下方に突出するプローブが取
り付けられ、このプローブが前記走査管の頂部表面に取
り付けられた試料に接するように位置するチップを備え
ているプローブ担持モジュールと、（ｄ）前記プローブの運動を感知し、かつ、その出力部
において前記プローブの運動を反映する電気的信号を発
するための手段と、（ｅ）前記走査管の頂部表面に釈放可能に取り付けら
れ、かつそれに取り付けられた走査されるべき試料を釈
放可能でしかも調整可能に保持するための、滑動可能で
取り外し可能な台部とからなることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項８】（ａ）前記台部が磁石を備え、更に、前記
走査管の頂部表面を被い、かつこれと電気的に接触しな
いようにして配置され、固定電源に電気的に接続される
ことによって、前記走査管に印加された走査電圧のプロ
ーブに対する影響を遮断し、かつ、前記台部が磁気的に
取り付けられ、かつその上で滑動することができる取付
け面を形成する、強磁性かつ導電性の材料を用いて作成
された電圧シールドを備えるか、あるいは、（ｂ）前記台部が強磁性材料で作成され、更に、前記走
査管の頂部表面を被い、かつこれと電気的に接触しない
ように配置され、固定電源に電気的に接続されることに
よって、前記走査管に印加された走査電圧のプローブに
対する影響を遮断し、かつ、前記台部が磁気的に取り付
けられ、かつその上で滑動することができる取付け面を
有する、磁石を備えた電圧シールドを備えていることを特徴とする請求項７に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項９】（ａ）前記走査管の頂部表面に釈放可能に
取り付けられ、かつそれに取り付けられた走査されるべ
き試料を釈放可能でしかも調整可能に保持するための、
滑動可能で取り外し可能な台部を備え、更に（ｂ）前記台部が磁石を備え、更に、前記走査管の頂部
表面を被い、かつこれと電気的に接触しないようにして
配置され、固定電源に電気的に接続されることによっ
て、前記走査管に印加された走査電圧のプローブに対す
る影響を遮断し、かつ、前記台部が磁気的に取り付けら
れ、かつその上で滑動することができる取付け面を形成
する、強磁性かつ導電性の材料を用いて作成された電圧
シールドを備えるか、あるいは、（ｃ）前記台部が強磁性材料で作成され、更に、前記走
査管の頂部表面を被い、かつこれと電気的に接触しない
ように配置され、固定電源に電気的に接続されることに
よって、前記走査管に印加された走査電圧のプローブを
対する影響を遮断し、かつ、前記台部が磁気的に取り付
けられ、かつその上に滑動することができる取付け面を
有する、磁石を備えた電圧シールドを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の原
子間力顕微鏡。
【請求項１０】迅速かつ容易に初期設定され、かつプロ
ーブの交換が容易であり、初期設定の際の破損に耐える
原子間力顕微鏡であって、（ａ）水平な基部構成材と、（ｂ）前記基部構成材により底部末端で垂直に支持され
るとともに、走査電圧が印加された結果として、Ｘ、
Ｙ、およびＺ軸方向に走査されまたは可動となるよう
に、試料を保持するための頂部表面を有する走査管と、（ｃ）前記基部構成材から上方に突出する第１支持手段
と、（ｄ）内部に空隙を有し、かつ、その底部表面を貫通し
て前記空隙と連絡する第１ボアと、その頂部表面を貫通
して前記空隙と連絡する第２ボアと、および前記第２ボ
アに対して鋭い角度をなして前記空隙と連絡する第３ボ
アとを備え、前記走査管が前記第１ボアを通過しうるよ
うに位置し、かつ前記第１支持手段によって支持される
試料保持ブロックと、（ｅ）前記底部表面から上方に前記空隙へと突出する第
２支持手段と、（ｆ）頂部表面および底部表面を有し、前記空隙内に取
り外し可能に配置されて前記第２支持手段によって調整
可能に支持され、前記底部表面には、これに取り付けら
れ、そこから、前記底部表面に対して鋭い角度で下方に
突出し、前記走査管の頂部表面に取り付けられた試料に
接触するように位置するチップを備えたプローブを有し
ているプローブ担持モジュールと、（ｇ）レーザ線束を、それが前記試料保持ブロックの頂
部表面から前記第２ボアを降下し、前記プローブ担持モ
ジュールを通過して前記プローブを照射し、次いで、前
記プローブ担持モジュールを通過して、前記第３ボアを
通じて、その外側末端へと反射されるように指向されて
取り付けられたレーザ線束源と、（ｈ）前記第３ボアの外側末端を被う活性表面を備え、
前記レーザ線束が前記活性表面を照射する活性表面上の
位置を反映する電気的信号を、その出力部に発生させる
光電式センサ手段とからなることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項１１】前記プローブ担持モジュールが、（ａ）光学的に透明な材料を用いて作成されており、こ
れによって、レーザ線束が前記プローブ担持モジュール
を通過し、前記プローブを照射し、かつ前記プローブ担
持モジュールを通過して反射されるか、（ｂ）光学的に不透明な材料を用いて作成されていてお
り、その頂部表面と底部表面との間に設けられたレーザ
通過用ボアが、前記レーザ線束が前記レーザ通過用ボア
を通過し、前記プローブを照射し、かつ前記レーザ通過
用ボアを通過して反射されるように配置されているか、
あるいは、（ｃ）底部表面上に角度を有する部分を備えており、前
記プローブ担持モジュールによって担持される前記プロ
ーブが、前記部分に取り付けられた基板と、この基板の
底部前縁から片持ち構造で張り出されて光てこを形成す
る、表面が平滑で自発的湾曲性が最小である材料を用い
て作成されたアームとからなり、前記アームがその外側
末端にプローブ点を有していることを特徴とする請求項10記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１２】（ａ）前記第１支持手段が、前記基部構
成材を貫通して、前記試料保持ブロックを、それらの頂
部末端上に載置させる３個の第１調整ねじを備えてお
り、１個の前記頂部末端は、前記試料保持ブロックの平
坦な底部表面のスロットに配置され、他の１個の前記頂
部末端は、前記底部表面のホールに配置され、かつ第３
の前記頂部末端は、前記底部表面に配置され、これらに
よって、前記試料保持ブロックは、前記基部構成材から
取り外し可能で、かつその上のあらかじめ設定された位
置への反復的な取付が可能であり、または（ｂ）前記第２支持手段が、前記試料保持ブロックの底
部表面を通過して、前記プローブ担持モジュールを、そ
れらの頂部末端上に載置させる３個の第２調整ねじを備
えており、１個の前記頂部末端は、前記プローブ担持モ
ジュールの平坦な底部表面のスロットに配置され、他の
１個の前記頂部末端は、前記底部表面に固定された部材
のホールに配置され、かつ第３の前記頂部末端は、前記
底部表面に配置され、これによって、前記プローブ担持
モジュールは、前記試料保持ブロックの空隙から取出し
可能であり、かつその中のあらかじめ設定された位置へ
の反復的な取付が可能であることを特徴とする請求項10または11に記載の原子間力顕
微鏡。
【請求項１３】（ａ）前記プローブ担持モジュールの底
部表面に固定された部材を、前記プローブのチップ部分
の位置の関数として定位する第１較正手段、（ｂ）前記第１支持手段上の前記試料保持ブロックの位
置を設定するための第２較正手段、または（ｃ）前記第２支持手段上の前記プローブ担持モジュー
ルの位置を設定するための第３較正手段を備えていることを特徴とする請求項10乃至12のいずれ
かに記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１４】次の各構成よりなる試料の特性を測定す
るための原子間力顕微鏡：前記試料を走査するプローブ、前記プローブと前記試料の間に相対的走査運動を生じさ
せる走査手段、前記プローブの位置を検出する検出手段、および前記試料に付着され前記プローブが同試料と接触して浸
漬されて、前記相対的走査運動の間に、周囲の大気にさ
らされることにより前記試料上に形成される表面膜によ
って引き起こされる前記プローブと前記試料の間の毛管
現象による吸引力が減少するようにする、低温貯蔵を要
しない液体。
【請求項１５】レバーに支持されたプローブが試料を走
査する手段により試料の表面を横切って走査されるとき
に同プローブの撓みを検出するための撓み検出システム
を有する原子間力顕微鏡における、次の構成よりなる改
良：前記試料の面に付着され、前記プローブが前記試料の表
面を横切って走査される間に、同プローブが同試料と接
触して浸漬される低温貯蔵を要しない液体。
【請求項１６】レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査されるときに同プローブの撓みを検出
するための撓み検出システムを有する原子間力顕微鏡に
おける、次の構成よりなる改良：前記プローブを走査するための走査装置、および前記プローブと前記走査装置の間に配置された固定的電
位の導電性シールド。
【請求項１７】レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査されるときに同プローブの撓みを検出
するための撓み検出システムを有する原子間力顕微鏡に
おける、次の構成よりなる改良：前記プローブが選択された位置に固定的に支持される前
記資料の上方に取り外し可能かつ調整可能に支持された
プローブ担持モジュール。
【請求項１８】レバーに支持されたプローブが試料を走
査する手段により試料の表面を横切って走査されるとき
に同プローブの撓みを検出するための撓み検出システム
を有する原子間力顕微鏡における、次の構成よりなる改
良：前記走査手段に取り外し可能に結合されて前記試料が装
着される、摺動可能で取り外し可能な試料支持部材。
【請求項１９】レバーに支持されたプローブが走査装置
により試料の表面に横切って走査されるときに同プロー
ブの撓みを検出するための撓み検出システムを有する原
子間力顕微鏡における、次の構成よりなる改良：前記撓み検出システムおよび前記プローブが装着され
る、前記資料の上方に取り外し可能に支持された支持部
材、および前記撓み検出システムの位置を調整するための前記支持
部材に装着された手段。
【請求項２０】更に次の構成よりなる請求項14または15
による原子間力顕微鏡：前記液体の上面に設けられて前記試料との間に液体セル
を規定する剛性のあるカバー板。
【請求項２１】前記剛性のあるカバー板が光学的に透明
な材料よりなり、そして前記検出手段が、前記剛性のあるカバー板を通して前記
プローブに照射される光により、前記プローブの垂直方
向の移動を検出する光学的手段よりなる請求項20による原子間力顕微鏡。
【請求項２２】次の構成よりなる請求項14による原子間
力顕微鏡：前記液体内の液体を交換する手段。
【請求項２３】更に次の構成よりなる請求項14、15、2
0、21または22による原子間力顕微鏡：前記液体と接触して電気化学反応を行うための２または
それ以上の電極。
【請求項２４】前記走査手段が走査装置、および前記プローブと前記走査装置の間に配置されて前記プロ
ーブを同走査手段から電気的にシールドする固定的電位
の導電性シールド要素よりなる請求項14、20、21、22または23による原子間力
顕微鏡。
【請求項２５】更に次の構成よりなる請求項14、20、2
1、22、23または24による原子間力顕微鏡：前記プローブが選択された位置で固定される取り外し可
能なプローブ担持モジュール。
【請求項２６】更に次の構成よりなる請求項25による原
子間力顕微鏡：前記原子間力顕微鏡の作動中に前記プローブ担持モジュ
ールと機械的に結合されて、同プローブ担持モジュール
と機械的に結合されたときに前記プローブが前記検出手
段と実質的に整列されるように前記検出手段と所定の空
間的配置を有しているプローブ担持モジュール支持部
材。
【請求項２７】更に次の構成よりなる請求項14、20、2
3、24、25または26による原子間力顕微鏡：前記走査手段に取り外し可能に結合されて前記試料が装
着される摺動的に移動可能で取り外し可能な試料支持部
材。
【請求項２８】更に次の構成よりなる請求項18または27
による原子間力顕微鏡：前記試料支持部材を前記走査手段に磁気的に機械的に結
合する磁石手段。
【請求項２９】次の構成よりなる請求項14、20、23、2
4、26、27または28による原子間力顕微鏡：前記検出手段が装着される支持部材、および前記検出手段の位置を調整するために前記支持部材に装
着された調整手段。
【請求項３０】次の構成よりなる請求項29による原子間
力顕微鏡：前記検出手段が光線源および光線検出器よりなり、また前記調整手段が、前記光線源により出力されて前記プロ
ーブから反射された光線が前記検出器に入射するよう
に、同光線源および同光線検出器の少なくとも一方の位
置を調整する手段よりなること。
【請求項３１】前記走査装置が圧電管よりなり、前記導
電性シールドが前記圧電管の末端で同管と前記プローブ
の間に装着されている、請求項16による原子間力顕微
鏡。
【請求項３２】更に次の構成よりなる請求項17による原
子間力顕微鏡：前記原子間力顕微鏡の作動中に前記プローブ担持モジュ
ールと機械的に結合されて、同プローブ担持モジュール
と機械的に結合されたときに前記プローブが前記撓み検
出システムと実質的に整列されるように前記撓み検出シ
ステムと所定の空間的配置を有しているプローブ担持モ
ジュール支持部材。
【請求項３３】更に次の構成よりなる請求項19による原
子間力顕微鏡：前記撓み検出システムが光線源および光線検出器よりな
り、また前記調整手段が、前記光線源により出力されて前記プロ
ーブから反射された光線が前記検出器に入射するよう
に、同光線源および同光線検出器の少なくとも一方の位
置を調整する手段よりなること。
【請求項３４】レバーに支持されたプローブが走査装置
により試料の表面を横切って走査され、前記レバーに支
持されたプローブの撓みが撓み検出システムにより検出
される原子間力顕微鏡の作動方法における、次の構成よ
りなる改良：前記試料の表面に付着され前記走査装置に付着されない
液体を供給すること、前記レバーに支持されたプローブを前記液体内に浸漬す
ること、および前記レバーに支持されたプローブが前記液体中に浸漬さ
れている間に、同レバーに支持されたプローブを前記試
料の表面を横切って走査すること。
【請求項３５】次の構成よりなる請求項34により方法。２またはそれ以上の電極を前記液体と接触させて位置さ
せること、および前記走査段階の間に前記液体内に電気化学反応を生じさ
せるために前記電極の間に電圧を印加すること。
【請求項３６】前記剛性のあるカバー板が光学的に透明
な材料よりなり、そして前記撓み検出システムが、前記剛性のあるカバー板を通
して前記プローブに照射される光により、前記プローブ
の垂直方向の移動を検出する光学的手段よりなる請求項20による原子間力顕微鏡。
【請求項３７】レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査されるときに同プローブの撓みを検出
するための撓み検出システムを有する原子間力顕微鏡に
おける、次の構成よりなる改良：前記プローブが選択された位置に固定的に支持される取
り外し可能なプローブモジュール、および前記原子間力顕微鏡の作動の間中前記プローブモジュー
ルに機械的に連結されかつ前記プローブモジュールが機
械的に連結された際に前記プローブが前記撓み検出シス
テムと実質的に整列されるように前記撓み検出システム
と所定の空間的配置を有するプローブモジュール支持
台。
【請求項３８】レバーに支持されたプローブが試料の表
面を横切って走査装置により走査されるときに同プロー
ブの撓みを検出するための撓み検出システムを有する原
子間力顕微鏡における、次の構成よりなる改良：前記撓み検出システム及び前記プローブが装着される支
持部材、および前記撓み検出システムの位置を調整するために前記支持
部材に装着された調整手段。
【請求項３９】更に次の構成よりなる請求項38による原
子間力顕微鏡：前記撓み検出システムが光線源および光線検出器よりな
り、また前記調整手段が、前記光線源により出力されて前記プロ
ーブから反射された光線が前記検出器に入射するよう
に、同光線源および同光線検出器の少なくとも一方の位
置を調整する手段よりなること。