JPH10227801A

JPH10227801A - 調査／操作装置

Info

Publication number: JPH10227801A
Application number: JP10015362A
Authority: JP
Inventors: Karl Binich Gert; ゲルト・カルル・ビニヒ; Heeberure Warutaa; ワルター・ヘーベルレ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1998-08-25
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: JP3269019B2; US5831153A

Abstract

(57)【要約】【課題】流体内に配置された試料の表面を調査するた
めの原子間力顕微鏡として用いるのに適した調査／操作
装置を提供すること。【解決手段】この調査／操作装置は、カンチレバー
（１５）の第１の側に取り付けられ試料（３０）の調査
／操作中に容器流体（２４）に浸される調査／操作ツー
ル即ちチップ（２６）を含む。カンチレバー（１５）の
反対側の少なくとも一部分は、調査／操作中に容器流体
（２４）に浸されない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体内に配置され
た試料の調査／操作装置に関する。より詳細には、流体
内に配置された試料の表面を調査するための原子間力顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５４６３８９７号は、カンチ
レバー・トラッキングおよび光学的アクセスによる走査
スタイラス型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に関する。ＡＦ
Ｍは、試料と共に操作可能な取外し式流体セルと、流体
で覆われたカンチレバーとを備えることができる。カン
チレバーの振れを光で検出する。

【０００３】もう１つの走査型原子間力顕微鏡は、米国
特許第５３１９９６０号に開示されている。この顕微鏡
は、流体と接触した試料を走査する機能を有する。試料
ならびにカンチレバー全体が流体内に配置される。ま
た、この特許でも、カンチレバーの振れの検出は光を使
って達成される。

【０００４】米国特許第４９３５６３４号には、交換式
流体セルを備えた原子間力顕微鏡が開示されている。

【０００５】上記の原子間力顕微鏡の実施形態はすべ
て、試料が配置された流体中にカンチレバーが完全に浸
されるという共通点をもつ。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、カン
チレバーがその下側で流体と接触しそれによりツールが
流体に浸されるがカンチレバーの上側は流体と完全には
接触しないように設計された調査／走査装置を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以下の説明では、ツール
が配置されたカンチレバーの第１の側を下側と呼び、そ
の反対側を上側と呼ぶ。これは、理解を容易にするため
のものに過ぎない。装置を逆さの位置または他の任意の
位置で使用する場合は、位置のより一般的な定義の方が
適切なこともある。

【０００８】請求項１に記載の調査／操作装置は、カン
チレバーの上側が容器流体に完全には浸されないため、
カンチレバーが、電気的短絡などによる障害の危険のな
い電子装置を備えることができるという利点を有する。
これにより、カンチレバーの振れを検出するために、圧
電抵抗センサなどの電気式振れセンサを使用することが
できる。さらに、一般に調査／操作装置の容器流体と接
触する部分が少なくなる。これは、容器流体と接触しな
い部分が、容器流体の特性とは独立に設計できるため有
利である。シーリング手段などの他の保護手段を取り除
く必要なくカンチレバーに簡単にアクセスできるので、
すでに取り付けてあるカンチレバーの修正は容易であ
る。また、そのような追加の保護手段がないため、カン
チレバーの機械的特性は修正されない。

【０００９】独立請求項に、調査／操作装置の様々な修
正および改良例が含まれる。

【００１０】カンチレバーと流れ制限手段の間の隙間を
利用すると、いかにして容器流体がカンチレバーの上側
に流れないようにするかという問題の簡単で容易に実現
可能な解決策を与えるので有利であることが立証され
る。したがって、カンチレバーの高さの複雑で費用のか
かる制御が不要になる。

【００１１】可動手段を利用すると、その可動手段が、
容器流体の気体分子も浸透せず、水平でない位置でも機
能し、表面張力が非常に低い容器流体に使用でき、機械
的衝撃に対しても安定な隙間を提供するので、容器流体
が隙間を通って流れる危険が最小になるという利点が得
られる。

【００１２】容器流体の表面張力を利用すると、この自
然な挙動の効果によって、本発明の解決策を実現するた
めのコストが削減されるので特に有利である。隙間を覆
うための可動手段などの特別な流れ制限ブリッジ要素は
必要でない。

【００１３】容器流体が隙間を通って流れないように隙
間の寸法を選択すると、容器流体の種類の選択の幅が広
がる。表面張力の低い容器流体でも使用することができ
る。隙間は、隙間幅が可変になるように設計してもよ
く、そのための隙間幅調整手段を設けてもよい。

【００１４】逆圧を利用しても、使用可能な容器流体の
範囲が広がる。さらに、逆圧を利用して、容器流体から
受ける圧力の平衡をとり、あるいは容器流体に圧力を加
えて容器流体中に浸した試料のある圧力状態をシュミレ
ートすることができる。

【００１５】補助流体を使用する方法は、可動手段また
は逆圧印加手段よりも安価である。この補助流体は、た
とえばカンチレバーの制動流体などの他の目的に働くこ
ともできる。補助流体が容器流体と混合しない場合はこ
れで十分である。

【００１６】カンチレバーを隣の流れ制限手段に直接ま
たはブリッジ部材を介して間接に接続すると、この装置
に必要な部品の数が少なく、したがって製造プロセスが
容易になるので有利である。

【００１７】カンチレバー上に感知手段を位置決めする
と、たとえば光学手段によって測定する代わりに、感知
手段を利用してカンチレバーの機械的曲がりの感知によ
って振れを測定することができるという利点がある。

【００１８】上側面に感知手段を配置すると、この上側
面が容器流体と接触せず、したがって感知手段の位置
を、たとえば最高の感度が得られるように最大の変形を
受けるカンチレバーの位置に選択できるという本発明の
利点が活用される。さらに、感知手段を、感知手段に対
する容器流体の悪影響を心配せずに設計することができ
る。

【００１９】調査／操作装置に供給／除去手段を追加す
ると、容器流体を調査／操作装置にどのように入れるか
を配慮せずに、容器流体に浸した試料に使用できる能力
を備えた調査／操作装置を提供することができる。した
がって、供給／除去手段を、装置の挙動と精度に対する
悪影響が最小になるように最適に設計、調整し、何度も
使用するように取り付けることができる。

【００２０】本発明の調査／操作装置は、カンチレバー
の下側に取り付けたチップなどの調査／操作ツールを備
える。位置決め手段によって試料表面をツールで走査す
ることができ、このツールを使って、ツールと試料の間
の相互作用力により生じる振れを測定することによって
表面を調査し、あるいは試料を操作し、すなわちたとえ
ばインデントを作成することによって表面を修正するこ
とができる。調査／操作装置は、流体内に配置された試
料に特に適する。これは、たとえば、湿気のある環境で
しか生きられない生物試料に必要である。また、試料上
にすでに流体フィルムがあるときは、毛管作用によって
調査や操作の結果が間違ったものになったりチップが破
損したりすることさえあるので、試料を流体に浸すこと
が推奨される。流体のもう１つの機能は、試料にほこり
などの粒子が付かないようにすることである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の様々な例示的実
施形態について説明する。

【００２２】なお、すべての図は、分かりやすくするた
めに実寸で示されておらず、また寸法の比率は原寸通り
ではない。

【００２３】図１に、調査／操作装置、具体的には原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）を概略的に示す。調査／操作装置
は、細長いカンチレバー１５の下側に取り付けた調査／
操作ツール２６、この場合はチップを含む。カンチレバ
ー１５自体は、プローブ・ホルダ１４に取り付けられ
る。プローブ・ホルダ１４は、定義された固有の弾性率
を有するカンチレバー１５よりも硬い。カンチレバー・
ホルダ１４は、位置決め手段１０内に可動に担持され、
この位置決め手段１０は、ｘ座標の位置決めホイール１
１、ｙ座標の位置決めホイール１３、およびｚ座標系の
位置決めホイール１２を含み、それらはすべて駆動機構
（図示せず）を介してカンチレバー・ホルダ１４と接続
される。位置決め手段１０は、ハウジング２９の側壁に
配置され、ハウジング２９は下ハウジング壁１７、上ハ
ウジング壁３１、および中間ハウジング壁２５をさらに
備える。中間ハウジング壁２５は、ハウジング２９を、
上側チャンバと下側チャンバの２つのチャンバに分ける
水平な壁である。カンチレバー１５は、中間ハウジング
壁２５の平面内に水平に配置され、プローブ・ホルダ１
４は、中間ハウジング壁２５から上方に上側チャンバ内
の位置決め手段１０まで斜めに延びる。下側チャンバ
は、容器流体２４で満たされる。中間ハウジング壁２５
は、カンチレバー１５を取り囲む、中間ハウジング壁２
５の平面に垂直に見ると三角形の穴を有する。中間ハウ
ジング壁２５とカンチレバー１５の間には、可動手段１
６によって橋絡された隙間２７がある。可動手段１６
は、この場合は可とう手段、たとえばメンブレン（膜）
手段である。下側チャンバの側壁には、容器流体２４の
供給／除去手段１９の出口または入口である管材が配置
される。調査／操作ツール２６の下には、試料ホルダ１
８の上に載せた試料３０が配置され、試料ホルダ１８自
体は、底部ハウジング壁１７の取付け穴に取り付けられ
ている。カンチレバー１５は、その上側に感知手段２０
を担持し、感知手段２０は２つのセンサ・コネクタ線２
１を介して制御／データ受取り手段２３に接続されてい
る。位置決め手段１０は、ポジショナ・コネクタ線２２
を介して制御／データ受取り手段２３に接続されてい
る。頂部ハウジング壁３１には、穴が配置され、その穴
の上に逆圧印加手段２８が配置される。下側チャンバは
さらに、容器流体２４で部分的に充填された流体平衡手
段３３を備える。

【００２４】位置決め手段１０は、少なくとも粗い接近
の場合、試料３０とチップ２６の間の相対位置を制御す
る手段として働く。制御／データ受取り手段２３は、精
密な位置決め制御のために機能し、位置決めデータをポ
ジショナ・コネクタ線２２を介して位置決め手段１０に
送り、位置決め手段１０は、このデータと駆動機構とを
使って精密な位置決めを行う。これにより、カンチレバ
ー１５は、この場合は流れ制限手段として働く中間ハウ
ジング壁２５の穴の中で動く。すなわち、この中間ハウ
ジング壁２５によって、容器流体２４が隙間２７の領域
以外で上側チャンバに流れ込むことが防止される。

【００２５】可動手段１６自体は、容器流体２４が隙間
２７を通って流れるのを防ぎ、カンチレバー１５も容器
流体２４の障壁となる。したがって、上側チャンバは、
流れ制限手段２５、カンチレバー１５および可動手段１
６によって容器流体２４から離される。可動手段１６
は、カンチレバー１５が、可動手段１６さらには中間ハ
ウジング壁２５との機械的相互作用なしにあるいはごく
わずかな相互作用で、制御データに従って隙間２７の制
限内で動き回ることができる弾性を有するように設計さ
れる。可動手段１６は、隙間２７を完全に塞ぐブリッジ
素子として設計する必要はない。容器流体２４が隙間２
７を通って流れないようにするのに十分な表面張力が得
られるように、可動手段１６を隙間２７の有効面積を小
さくする素子として隙間２７に導入してもよい。

【００２６】試料３０は、その調査前に試料ホルダ１８
上に配置され、次いでそれが底部ハウジング壁１７中の
対応する穴にはめ込まれる。次に、下側チャンバが容器
流体２４で充填される。下側チャンバは、容器流体２４
を充填または除去する間に余分な空気が下側チャンバに
出入りするための交換孔を備えてもよい。カンチレバー
１５上の感知手段２０は、たとえば、圧電抵抗センサで
あり、測定した抵抗値を制御データ受取り手段２３に送
る。したがって、制御／データ受取り手段２３により、
一方では試料３０に対するツール２６の位置が制御さ
れ、他方では、ツール２６の位置ごとの測定振れデータ
が収集され、それを表示しさらに処理することができ
る。逆圧印加手段２８は、上側チャンバ内のガス圧を変
える働きをする。これは、可動手段１６上に容器流体２
４から加わる圧力と平衡をとるために追加的に行われ
る。また、これを利用して、可動手段１６の垂直位置
を、またそれと共にカンチレバー１５およびツール２６
の位置を調整することができる。

【００２７】この実施形態を変更して、可動手段１６を
省略することもできる。この場合は、容器流体２４が隙
間２７を流れないようにする手段として容器流体２４の
表面張力を利用することができる。隙間２７の寸法は、
当然ながら、この流れ障壁を実現する能力に影響を及ぼ
す。隙間２７が狭いほど、必要な表面張力が小さくな
る。またこれを、容器流体２４の表面に圧力を直接加え
る逆圧印加手段２８によって、逆圧を加える機能と組み
合わせることもできる。

【００２８】２つのチャンバは、下側チャンバが上側チ
ャンバに対して動くように分離してもよく、たとえば、
下側チャンバが、カンチレバー１５とツール２６と周囲
の上側チャンバの寸法よりも大きい容器として実現さ
れ、そして、上側チャンバがカンチレバー１５およびル
ーツ２６と共に下側チャンバ内の容器流体２４に浸され
るようにすることもできる。

【００２９】流体平衡手段３３は、容器流体の圧力と平
衡をとるように、すなわち下側チャンバ内の流体圧力が
低下すると追加の容器流体２４を送り、圧力が上昇する
と余分な容器流体２４を除去するように働く。これは、
容器流体２４があまり圧縮できず、カンチレバー１５が
試料３０に近づき、それにより圧力が高まったときに移
動するスペースがない装置には特に重要である。

【００３０】圧力平衡を実現するための代替機能は、下
側チャンバが容器流体２４で完全には充填されていない
装置である。たとえば試料３０とツール２６を浸してお
くのにちょうど十分なだけの容器流体２４の小滴によっ
て、形状が変化することにより、平衡問題を解決するき
わめて自然な挙動が提供される。特に、小滴が、たとえ
ば毛管力によってその位置に維持されるときは、小滴の
表面が外側または内側に動くための空間が十分にあり、
小滴を乾かす表面は少ししかない。乾燥を防ぐために、
一般に、蒸発による流体損失とつり合う流体供給源を利
用することができる。小滴を利用することのもう１つの
利点は、小さな質量しか移動しないため、平衡プロセ
ス、この場合は小滴表面の動きが素早いことである。こ
れにより、カンチレバー１５の特にｚ方向の動きがきわ
めて迅速になる。

【００３１】小滴の境界、あるいは一般に液体と気体の
間の境界は、通常、メニスカスと呼ばれる曲面を形成
し、これは接触する平面にある程度まで力を及ぼす。一
方では、メニスカスの寸法と位置で定義することによっ
てこの力が利用でき、他方ではこの力を除去すると有害
な作用が生じることがある。カンチレバー１５の場合
は、ｚ方向がカンチレバー１５の曲がりやすい方向のた
め、最も敏感な方向はｚ方向であり、そこで、たとえば
カンチレバーを反らせる原子間力が測定される。そのよ
うな原子間力は、メニスカスが及ぼす力よりもずっと小
さいことがある。したがって、その力の方向がｘ−ｙ平
面になるようにメニスカスの位置を選択することが、メ
ニスカスに関連した界面力による問題を避けるのに適切
な方法である。

【００３２】この実施形態においては、カンチレバー１
５とツール２６は、流れ制限手段２５に対して３次元で
動くことができる。したがって、この実施形態の流れ制
限手段２５への接続は、これらの方向すべてにおいてそ
れぞれ動きが可能となりまたは可とう性をもたらす必要
がある。また、様々な流体を下側チャンバに順次に、あ
るいは同時に充填できるように流体供給源を追加するこ
とも興味深いことである。

【００３３】また、下側チャンバの流体圧力は、試料３
０に対するツール１６の位置決めに使用することができ
る。一方、流体平衡手段３３内の容器流体２４の流体圧
力あるいは動きを測定して、試料３０に対するカンチレ
バー１５とツール２６の位置に直接関係付けられた値を
得ることができる。したがって、この値を、制御ループ
内で使用してツールの位置を制御することができる。

【００３４】もう１つの可能性は、流体圧力によるツー
ル２６の位置決めである。閉じた系すなわち閉じた下側
チャンバ内で流体圧力に直接作用すると、カンチレバー
１５が動く。これは、ポンプ給送／吸入手段の断面が異
なると異なる圧力分解能が容易に達成できるので、きわ
めて精巧な位置決め方法である。

【００３５】図３は、下側チャンバと上側チャンバが分
離された実施形態を示す。同一の部品に関する限り、前
の図の番号をそのまま使用した。ツール２６を担持する
カンチレバー１５は、底壁部品として、流れ制限手段２
５を構成するハウジング２９に一体化される。この場
合、ハウジング２９は上側チャンバのみを含む。この場
合も、カンチレバー１５のまわりには隙間２７がある。
ハウジング２９内部には、カンチレバー１５上に感知手
段２０が配置され、感知手段２０は２本のセンサ・コネ
クタ線２１を有し、それは頂部ハウジング壁３１を通っ
て案内され、制御／データ受取装置２３に接続されてい
る。このとき、ハウジング２９は、位置決め手段１０に
担持されたプローブ・ホルダ１４に全体が取り付けられ
ている。この場合、位置決め手段１０は、制御／データ
受取り装置２３からポジショナ・コネクタ線２２を介し
て到着する位置制御信号に応答する完全に自動化された
ポジショナである。位置決め手段１０は、下側チャン
バ、この場合は液溜め３５に対する位置決め手段１０の
位置を定義する支持要素３２によって保持される。液溜
め３５の内部には、容器流体２４に浸された試料３０が
ある。この場合、制御／データ受取り装置２３は、支持
要素３２の所に配置される。

【００３６】ここで、位置決め手段１０を使って、カン
チレバー１５とツール２６ならびにハウジング２９全体
が位置決めされる。ハウジング２９は、実際にはきわめ
て小さく、たとえば、関連する電子回路を有する感知素
子２０をちょうど取り囲むことができる大きさに作成す
ることができる。この場合、ハウジング２９は、追加の
影響なしであるいは無視できる程度の影響で位置決め手
段１０によって移動できる。この場合、容器流体２４の
表面張力が、容器流体２４が隙間２７を通って流れるの
を防ぐ助けとなっている。これにより、装置をより安価
に作成することができ、カンチレバー１５に対する流れ
制限機構の機械的影響が最小になる。

【００３７】この実施形態においては、カンチレバー１
５は、流れ制限手段２５に対して、カンチレバーの長手
方向に垂直な方向、いわゆるｚ方向にのみ移動できる。
したがって、最終的な可動手段１６は、この方向に可動
性または可とう性をもたらすだけでよい。

【００３８】ハウジング２９は、その上側が閉じている
必要はなく、動作中にでも簡単にアクセスでき、あるい
は圧力平衡やその他の目的に利用できるように開いてい
てもよい。

【００３９】可動手段１６とカンチレバー１５に同じ材
料を選択すると、カンチレバー１５と可動手段１６が同
じプロセス、たとえばリソグラフィ・プロセスで作成で
きるので、製作が簡単な解決策となり得る。その場合、
可動手段１６の厚さが、その可とう性を決定するよいパ
ラメータとなる。可動手段１６とカンチレバー１５を１
片の材料から作成し、その間の境界を見えなくすること
も可能である。可動手段１６と流れ制限手段２５の材料
に同じものを選択して、前の例と同じ利点を得、製作プ
ロセスが容易になるようにすることも可能である。この
場合も、可動手段１６と流れ制限手段２５を１片の材料
から作成し、その境界が見えないようにすることが可能
である。

【００４０】これから直接、図４に示した第３の実施形
態が得られる。この図では、わかりやすくするために、
装置を使用するのに必要なすべての要素を示してはいな
い。しかし、それらの要素は、上に示し説明した他の実
施形態から容易に流用することができる。

【００４１】流れ制限手段２５は、カンチレバー１５の
両端でカンチレバー１５に接続される。試料３０は容器
流体２４の小滴に浸される。容器流体２４は、流れ制限
手段２５の下側と試料ホルダ１８の間に２つのメニスカ
ス３４を生成する。この場合、位置決め手段１０は、試
料ホルダ１８の所に配置され、流れ制限手段２５をも保
持する支持要素３２に固定される。ここでは、感知手段
２０として、光源と、たとえば干渉に基づく反射光の光
検出器を含む光学装置を備える。

【００４２】ここでは、カンチレバー１５自体が可動手
段１６として働き、隙間２７は完全に塞がれてもはや区
別できず、分離した可動手段１６も区別できない。した
がって、カンチレバー１５は流れ制限手段２５と一体化
されている。位置決め手段１０が試料３０を動かし、そ
れがツール２６と試料３０との間の相対的な動きをもた
らす。２つのメニスカス３４はカンチレバー１５の位置
になく、そのため、表面張力または毛管力がカンチレバ
ーの位置に影響を与えず、カンチレバー１５よりも柔軟
性の低い流れ制限手段２５にのみ作用するという利点が
得られる。圧力平衡は、ｘ−ｙ平面におけるメニスカス
３４の動きによって実現される。

【００４３】カンチレバー１５は、細長い形状を有する
必要はなく、所望の挙動に適したどんな形状でもよい。
図４において、たとえばツール２６をその中心に取り付
けた円形のものでもよい。

【００４４】もう１つの図示しない実施形態は、たとえ
ば所定の高さまたは形状あるいはその両方をもつ単純な
要素として、カンチレバー１５上に直接流れ制限手段２
５を配置する可能性である。この場合、流れ制限手段２
５は、カンチレバー１５の乾燥したままにしておかなけ
ればならない部分に達するために容器流体２４が越えな
ければならない高さの障害物と同様に機能する。したが
って、その高さまたは形状あるいはその両方を、容器流
体２４が流れ制限手段２５の寸法を越えることができな
いように、カンチレバー１５の最大移動範囲に従って選
択することができる。

【００４５】またカンチレバー１５自体は、隙間２７を
塞ぎ、流れ制限手段２５の近くに配置され、耐密リップ
や耐密流体などある種の耐密手段によって接続界面を耐
密にすることができるように設計することもできる。こ
の装置は、カンチレバーに一体化され、したがってそれ
により移動される可動手段１６であると解釈できる。

【００４６】すべての実施形態において、カンチレバー
１５の上側は、少なくとも一部分が容器流体２４から離
れている。これにより、この上側面に何かあっても、容
器流体２４の破壊作用または劣化作用を受けることはな
い。普通なら、特に導電性または化学的に活性な容器流
体２４が、カンチレバー１５の挙動に、したがって測定
結果に悪影響を及ぼすことがある。したがって、本発明
を用いると、容器流体２４の選択範囲が広くなり、カン
チレバー１５の上側、特にこの上側にある感知手段２０
やセンサ・コネクタ線２１などのハードウェアに対する
最終的な影響を心配する必要がない。また、カンチレバ
ー１５の測定プロセスまたは位置決め制御プロセスに対
する容器流体２４の影響が小さくなる。たとえば、光学
測定では、光路が容器流体２４によって妨害されない。

【００４７】隙間２７を使用するのは、一方ではこの問
題のきわめて実現の容易な解決索であり、他方では、カ
ンチレバー１５の上側を、この上側が容器流体２４と接
触するのを防ぐために使用する他の手段から離しておく
ことが可能になる。たとえばカンチレバー１５上の電子
部品にシーリング層を使用すると、カンチレバー１５の
機械的挙動が明らかに変化し、また適切なシーリング材
料を選択しその材料を適用する必要が生じるが、これ
は、破壊や誤動作の危険を伴う追加の処理段階である。
また、シーリング材料は、あらゆる種類の容器流体２４
に適しているわけではなく、損傷、耐密欠陥、経年劣
化、または摩耗を受けることもある。

【００４８】本発明によれば、カンチレバー１５は基本
的に修正されず、その使用、ならびに普通なら修正した
カンチレバー１５に適合させなければならないハードウ
ェアおよびソフトウェアを含めて、無修正のまたはわず
かに修正された環境の使用が容易になる。カンチレバー
１５と流れ制限手段２５との間の隙間２７だけによる実
施形態では特にそうである。

【００４９】さらに、カンチレバー１５の上の空間が容
易にアクセス可能であり、その空間またはカンチレバー
１５上に配置された部品を交換、追加、除去および試験
することができる。これは、たとえば、特にシーリング
手段を使用するときにはずっと困難になる。

【００５０】また、光学的、磁気的、電気的またはいか
なる原理によるものであれ、どんなタイプの検出手段２
０も、自由にアクセス可能であり、たとえばシーリング
手段また容器流体２４によって妨げられないときには良
好に機能すると期待される。

【００５１】また、上側チャンバには補助流体を導入す
ることもできる。この流体は、表面張力、密度、化学的
性質など、調整された特性をもつものを選択することが
できる。特に、カンチレバー１５の振れの容量測定に利
用するときは、誘電特性も重要となることがある。さら
に、疎水性の補助流体を選択すると、容器流体２４が親
水性の場合に、容器流体２４を分離しておくのに役立
ち、逆も同様である。

【００５２】また、カンチレバーの振れの容量測定は、
キャパシタ・プレート間の誘電特性の影響を受けやすい
方法である。容器流体１５は、そのような測定に悪い影
響を与え、この原理を使用不能にすることさえあり得
る。空気だけ、あるいは明確な誘電特性をもつ気体また
は補助流体を使用する場合、そのような測定手段を問題
なく使用することができる。

【００５３】所定の位置に機械的応力を集中させるため
にカンチレバー１５に弱い構造部分やくびれを作ること
も、容器流体２４がカンチレバー１５の上側に流れない
ようにするのにその弱い構造部分またはくびれが適して
いる限り行うことができる。すなわち、弱い開口部は、
容器流体２４の表面張力が上記の意味で効果があるよう
な寸法で設計しなければならない。そうでないと、その
ような開口部に追加のブリッジ素子が導入されて、有効
開口面積を減少させることがある。

【００５４】本発明はまた、カンチレバー１５の上側面
の一部分は容器流体２４と接触するが、他の部分は接触
しない実施形態をも含む。この場合は、流れ制限手段２
５を、乾いたままのあるいは流体で覆われない領域と、
容器流体２４と接触できる領域の境界線に配置するのが
適切な解決方法であろう。この場合も、カンチレバー１
５と流れ制限手段２５の間の隙間２７は、調査／操作ツ
ール２６が適切に動作できるのに十分な大きさで、それ
にもかかわらず、容器流体２４を流すことができない乾
いた領域を容器流体２４から確実に保護するように設計
すべきである。乾いた領域でも、本発明のあらゆる利
点、たとえば、流体を浸透させたいシーリング手段なし
に圧電抵抗感知手段２０を使用する可能性が得られる。

【００５５】本発明の状況において「流体」という用語
は、水などの液体ならびに気体を含む。ツール２６とし
ては、特にＡＦＭチップを使用することができる。この
チップ２６は、試料３０の表面に接近し、試料３０の表
面分子の原子間力によって引き寄せられる。また、振れ
は、カンチレバー１５に作用して、チップ２６に復元力
を提供する。この場合、カンチレバー１５の振れは、た
とえば、カンチレバー１５で反射された光の測定、ある
いはカンチレバー１５をキャパシタ・プレートの一つと
して使った容量の測定など、既知のどんな測定方法でも
測定することができる。ツール２６と試料３０との間の
距離が減少して、ツール２６が試料３０の表面と接触す
るようになったとき、ツール２６を使ってインデントを
作成し、それにより試料３０の表面に任意のパターンを
作成することができる。

【００５６】位置決めプロセスに関しては、たとえばツ
ール２６と共にカンチレバー１５を移動せずに試料３０
を位置決めする、１つまたは複数の位置決め手段１０を
用いて両方を移動するなど、様々な方法がある。そのよ
うな装置を用いる場合、粗い接近、すなわち移動範囲は
大きいが試料３０とツール２６間の動きの分解能が小さ
い接近を、位置決め手段１０の１つで達成し、精密な接
近、すなわち移動範囲は小さいが動きの分解能が高い接
近を、他の位置決め手段１０で達成することできる。

【００５７】可動手段１６は、固体材料を含むことがで
きるが、たとえば、磁石装置によって隙間２７内に保持
された磁気オイルなどの流体材料を含んでもよい。その
ような流体の可動手段１６は、きわめて低い質量と低い
粘性を有し、きわめて高い可動性と可とう性をもたら
す。また、可動手段１６として、他の粘性媒体、たとえ
ばリピド（脂質）フィルムを使用することもできる。一
般に、可動手段１６は、可とう手段、弾性手段またはそ
れらの任意の組み合わせでもよい。可動性は、装置の必
要に適合するだけでよい。

【００５８】試料３０はまた、装置内にまたは下側チャ
ンバ内に導入されるとき既に容器流体２４の１個または
複数の小滴に浸されていてもよく、したがって、供給除
去手段１９が必須ではないことは明らかである。

【００５９】本発明は、カンチレバー１５全体を容器流
体２４に浸さずに容器流体２４に浸された試料３０を調
査／操作する可能性をもたらす。単にカンチレバー１５
の一部分を容器流体２４に浸した場合は、容器流体２４
と、たとえば空気などの隣接媒体と、カンチレバー１５
との間の界面の表面張力が、カンチレバーの挙動を直接
妨げるように作用することになる。従来技術によるこの
問題の解決方法は、容器流体２４にカンチレバー１５全
体を浸すことであった。本発明では別の方法を採用し、
カンチレバー１５とその環境の配置を、カンチレバー１
５がそのような力によって妨害されないように設計す
る。表面張力または毛管力あるいはカンチレバー１５に
対するそれらの作用を減少させさらにはなくすように装
置を設計することが、本発明の目的である。これは、メ
ニスカス３４をカンチレバー１５から離して配置する
か、たとえば力によって生じる運動量がカンチレバーの
短い有効長によって減少するため、力の影響が減少した
カンチレバー１５の部分に配置するか、または発生する
力が、ツール２６が試料３０上に下りる方向と直角の方
向、この場合はｚ方向で強くなるように配置し、あるい
はそれらの処置の組み合わせによって達成される。この
場合、容器流体２４が測定に及ぼす影響は最低となる。

【００６０】開示したどの実施形態も、図示しまたは説
明した他の実施形態の１つまたはいくつかと組み合わせ
ることができる。これは、実施形態の１つまたは複数の
特徴に関して可能である。

【００６１】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。

【００６２】（１）カンチレバー（１５）の第１の側に
取り付けられ、試料（３０）の調査／操作中に容器流体
（２４）に浸される調査／操作ツール（２６）と、調査
／操作ツール（２６）を前記試料（３０）に対して位置
決めする位置決め手段（１０）とを備える、容器流体
（２４）内に配置された試料（３０）用の調査／操作装
置であって、調査／操作中に、前記第１の側と反対にあ
る前記カンチレバー（１５）の第２の側の少なくとも一
部分が、前記容器流体（２４）に浸されないことを特徴
とする調査／操作装置。（２）前記カンチレバー（１５）が、隙間（２７）によ
って隣接する流れ制限手段（２５）から分離され、前記
隙間（２７）を通って前記容器流体（２４）が流れない
ようにされていることを特徴とする、上記（１）に記載
の調査／操作装置。（３）容器流体（２４）が、隙間（２７）内に配置され
た可動手段（１６）によって隙間（２７）を通って流れ
ないようにされていることを特徴とする、上記（２）に
記載の調査／操作装置。（４）容器流体（２４）が表面張力を有し、それが前記
容器流体（２４）が隙間（２７）を通って流れるのを妨
げることを特徴とする、上記（２）または（３）に記載
の調査／操作装置。（５）隙間（２７）が、容器流体（２４）の表面張力に
よって前記容器流体（２４）が前記隙間（２７）を通っ
て流れるのが妨げられるような寸法に決定されているこ
とを特徴とする、上記（４）に記載の調査／操作装置。（６）容器流体（２４）が、前記容器流体（２４）に逆
圧を加える逆圧印加手段（２８）によって隙間（２７）
を通って流れるのを妨げられることを特徴とする、上記
（２）ないし（５）のいずれか一項に記載の調査／操作
装置。（７）容器流体（２４）が、前記容器流体（２４）に対
して界面を作る補助流体の存在によって隙間（２７）を
通って流れるのを妨げられることを特徴とする上記
（２）ないし（６）のいずれか一項に記載の調査／操作
装置。（８）前記カンチレバー（１５）が隣接する流れ制限手
段（２５）に接続されているために、カンチレバー（１
５）の第２の側の少なくとも一部分が容器流体（２４）
に浸されないことを特徴とする、上記（１）に記載の調
査／操作装置。（９）試料（３０）と調査／操作ツール（２６）の間の
力によるカンチレバー（１５）の振れを感知するための
感知手段（２０）をさらに含むことを特徴とする、上記
（１）ないし（８）のいずれか一項に記載の調査／操作
装置。（１０）感知手段（２０）がカンチレバー（１５）の第
２の側に配置されていることを特徴とする、上記（９）
に記載の調査／操作装置。（１１）調査／操作装置に容器流体（２４）をそれぞれ
供給し除去する供給／除去手段（１９）をさらに含むこ
とを特徴とする、上記（１）ないし（９）のいずれか一
項に記載の調査／操作装置。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による調査／操作装置の第１の実施形態
の側面図である。

【図２】図１の実施形態の上面図である。

【図３】本発明による調査／操作装置の第２の実施形態
の側面図である。

【図４】本発明による調査／操作装置の第３の実施形態
の側面図である。

【符号の説明】

１０位置決め手段１１位置決めホイール１３位置決めホイール１４カンチレバー・ホルダ１５カンチレバー１６可動手段１８試料ホルダ２０検出手段２１センサ・コネクタ線２３データ受け取り手段２４容器流体２５中間ハウジング壁２６調査／操作ツール２６２７隙間２８逆圧印加手段２９ハウジング３０頂部ハウジング壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ワルター・ヘーベルレスイスシー・エイチ 8820 ヴェーデンスヴィルビュルグリパルク 15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバー（１５）の第１の側に取り付
けられ、試料（３０）の調査／操作中に容器流体（２
４）に浸される調査／操作ツール（２６）と、調査／操
作ツール（２６）を前記試料（３０）に対して位置決め
する位置決め手段（１０）とを備える、容器流体（２
４）内に配置された試料（３０）用の調査／操作装置で
あって、調査／操作中に、前記第１の側と反対にある前
記カンチレバー（１５）の第２の側の少なくとも一部分
が、前記容器流体（２４）に浸されないことを特徴とす
る調査／操作装置。
【請求項２】前記カンチレバー（１５）が、隙間（２
７）によって隣接する流れ制限手段（２５）から分離さ
れ、前記隙間（２７）を通って前記容器流体（２４）が
流れないようにされていることを特徴とする、請求項１
に記載の調査／操作装置。
【請求項３】容器流体（２４）が、隙間（２７）内に配
置された可動手段（１６）によって隙間（２７）を通っ
て流れないようにされていることを特徴とする、請求項
２に記載の調査／操作装置。
【請求項４】容器流体（２４）が表面張力を有し、それ
が前記容器流体（２４）が隙間（２７）を通って流れる
のを妨げることを特徴とする、請求項２または３に記載
の調査／操作装置。
【請求項５】隙間（２７）が、容器流体（２４）の表面
張力によって前記容器流体（２４）が前記隙間（２７）
を通って流れるのが妨げられるような寸法に決定されて
いることを特徴とする、請求項４に記載の調査／操作装
置。
【請求項６】容器流体（２４）が、前記容器流体（２
４）に逆圧を加える逆圧印加手段（２８）によって隙間
（２７）を通って流れるのを妨げられることを特徴とす
る、請求項２ないし５のいずれか一項に記載の調査／操
作装置。
【請求項７】容器流体（２４）が、前記容器流体（２
４）に対して界面を作る補助流体の存在によって隙間
（２７）を通って流れるのを妨げられることを特徴とす
る請求項２ないし６のいずれか一項に記載の調査／操作
装置。
【請求項８】前記カンチレバー（１５）が隣接する流れ
制限手段（２５）に接続されているために、カンチレバ
ー（１５）の第２の側の少なくとも一部分が容器流体
（２４）に浸されないことを特徴とする、請求項１に記
載の調査／操作装置。
【請求項９】試料（３０）と調査／操作ツール（２６）
の間の力によるカンチレバー（１５）の振れを感知する
ための感知手段（２０）をさらに含むことを特徴とす
る、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の調査／操
作装置。
【請求項１０】感知手段（２０）がカンチレバー（１
５）の第２の側に配置されていることを特徴とする、請
求項９に記載の調査／操作装置。
【請求項１１】調査／操作装置に容器流体（２４）をそ
れぞれ供給し除去する供給／除去手段（１９）をさらに
含むことを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一
項に記載の調査／操作装置。