KR20060033798A

KR20060033798A - 원자력 현미경용 탐침

Info

Publication number: KR20060033798A
Application number: KR1020067000904A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 데이비드 라버 험프리스; 제이미 카인 홉스; 메르빈 존 마일즈
Original assignee: 유니버시티 오브 브리스톨
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-04-19
Also published as: WO2005008679A1; JP4832296B2; IL173090A0; JP2007530915A; EP1644937A1; KR101195729B1; US7596989B2; US20070024295A1; IL173090A

Abstract

원자력 현미경 용 탐침(22)은 견본(24)이 스캔 되는 동안 편향력(F direct)이 탐침을 견본을 향하여 추진하도록 배열된다. 이는 견본 표면의 탐침 추적을 개선하고 빠른 스캔이 가능하게 한다. 이는 탐침(22) 위에 외부에서 적용되는 힘에 반응하는 편향 소자(24, 50)의 포함 및/또는 지지빔의 양호도의 감소로써 달성된다. 상기 편향 소자는 예를 들어 자석(24)이나 전기 전도성 소자(50)일 것이다. 양호도는 기계적 에너지 분산 물질로 코팅한 빔에 의해서 감소될 수 있다.

탐침, 견본, 스캔, 양호도

Description

원자력 현미경용 탐침{PROBE FOR AN ATOMIC FORCE MICROSCOPE}

본 발명은 원자력 현미경에 관한 것이고, 상기 현미경에 사용되는 탐침 및 상기 현미경을 작동하는 방법에 관한 것이다. 자세하게는 탐침 높이의 통상적인 피드백 제어를 사용하지 않는 원자력 현미경에 관한 것이다.

원자력 현미경(AFM) 또는 스캐닝 현미경(scanning force microscope(SFM))은 비닝, 쿼트 및 거버에 의해서 1986년에 발명됐다. 모든 다른 주사력 현미경처럼, 상기 AFM은 견본의 "상호작용 지도"을 획득하기 위해서 견본 표면에 대한 나노미터(nanometric) 탐침의 기계적인 스캔 이론을 기반으로 한다. 이와 같은 경우에 상호작용력은 견본과 캔틸레버(cantilever) 스프링에 부착된 날카로운 탐침 말단과의 단순한 분자 상호작용이다. 탐침 말단이 견본에 가까워질 때, 상기 캔틸레버는 상호작용력에 반응하여 구부려진다. 이미지는 탐침에 대한 견본에 주사 및 측면 위치의 기능으로서 캔틸레버의 굴절 측정에 의해서 수집된다. 광학 지레 기술은 보통 이러한 굽힘을 측정하기 위해서 사용된다. 캔틸레버는 작은 이동에 대해서 후크의 법칙을 따르기 때문에, 말단과 견본 사이의 상호작용력은 추정될 수 있다.

상기 AFM은 보통 두 가지 형태 중 하나로 작동된다. 일정 힘 모드(mode)에서는 피드백은 위치 압전 구동기가 측정되는 상호작용력의 변화에 반응하여 견본(또 는 탐침)을 상하로 움직일 수 있게 한다. 이러한 방법으로, 상기 상호작용력은 비교적 지속적으로 보유되며 견본의 알맞고 신뢰할 수 있는 지형적 이미지가 획득된다.

대안으로 AFM은 일정 높이 모드에서 동작된다. 견본이나 탐침의 수직높이의 조정 없이 또는 미세한 조정이 스캔 동안 사용된다. 이러한 상황에서는 수직 높이의 조정은 변화가 캔틸레버 탐침이나 견본 자체에 연결된 작동기 중 하나에 적용됨을 의미한다. 그러므로 캔틸레버 탐침이 변하는 정도에 따라 탐침 말단이 상하로 움직일 수 있는 자유의 정도가 존재한다. 일정 높이 모드에서, 견본에 지형적 변화는 하나 또는 양자 모두가 구부러지는 캔틸레버 스프링에 의해 발생하기 때문에 힘의 변화와 구별할 수 없다.

상기의 다양한 피드백 방법에 추가로, 이미지 대조는 세 가지 상이한 방법 중 하나에서 보통 획득된다. 접촉 모드에서 상기 말단 및 견본은 주사가 진행되는 동안 밀접한 접촉, 즉 분자 상호작용력의 반발력 체계를 유지한다. 탭핑(tapping) 모드에서 작동기는 공진 주파수에서 캔틸레버를 "탭핑" 동작으로 구동한다. 그러므로 탐침 말단은 진동(탭핑)주기의 매우 작은 기간 동안만 표면과 접촉한다. 이러한 극히 짧아진 접촉 시간은 견본에 대한 측면력이 감소하고 이로 인해 상기 말단은 스캔이 행하여질 때 표본을 적게 파괴한다. 그 결과 민감한 생물학 표본의 이미지를 위해 많이 사용된다. 진동 크기는 일반적으로 피드백 메커니즘을 사용하여 일정하게 유지된다. 비-일정 동작에서 캔틸레버는 분자력이 더 이상 반발작용을 발생하지 않는 거리 정도에서 견본 위에서 진동하다. 이러한 동작 모드는 그러나 실제에 서 실시하기가 매우 어렵다.

탐침 현미경 사용법에 대한 최근의 진보는 훨씬 빠른 데이터 수집 시간을 이끌었다. PCT 특허 공개 WO 02/063368과 같은 좀 더 빠른 스캔 기술로, 유한한 탐침 반응성은 증가적으로 영상 수집 시간의 제한 요소가 되었다. 탐침은 견본 특성의 변화에 즉각적으로 반응하지 않았고 그래서 예를 들어 탐침이 증가된 높이는 같는 견본의 영역에 접합게 되고 시스템이 그에 반응하는 것 사이에 선천적인 시간 지연이 있게 되었다. 이러한 불리함은 AFM의 작동의 일정 힘 및 일정 높이 모드 양자에 적용된다. 일정 힘 모드에서는 이러한 불리함이 덜 심각하여 빠른 주사 기술을 위한 선호되는 동작 모드이지만 여전히 최근의 빠른 주사 탐침 현미경에 대한 부적당한 스캔 속도에 대한 제한이 되기에는 충분하다.

일정 힘 AFM 모드에서 전자 피드백 메커니즘은 평균 상호작용력 상수를 유지하기 위해서 사용된다. 만약 상호작용력에 변화가 있는 경우(예를 들어 견본 높이의 변화에 의해서 발생되는 경우)에는 스캔이 진행됨에 따라, 우선 검출 전자 기술에 의해 검출되는 탐침 응답의 변화가 관찰되고, 오류가 발생되며(예를 들어 세트 포인트 음(minus) 편차) 피드백 루프가 탐침이나 견본 위치를 조정함으로써 오류 신호를 최소화하기 위해 사용된다. 상기 피드백 루프는 전체 이미지 스캔이 수집되는 최종속도에 한계를 부여하는 것과 연관된 시간 상수를 갖는다.

상기 문제는 일정 힘 AFM 정도로 전자 피드백이 일반적으로 사용되지 않는 일정 높이 모드에서 동작하는 경우에는 많이 제한적이지 않다. 그러나 상호작용힘이 정확하게 측정되기 위해서 가능한 한 상기 탐침 말단은 견본 표면의 윤곽선을 따라 움직여야한다. 이는 캔틸레버가 견본 표면에 의해서 구부려질 때 발생하는 반응력을 사용하여 보장된다. 즉 견본 표면이 높은 영역에서 스캔되면 캔틸레버는 점차 위쪽을 향해 구부려지고 스프링에 저장되는 에너지는 증가한다. 높이가 낮아지면 회복력은 캔틸레버를 평형(직선)위치를 향해 밀어내며, 그로 인해 표면과의 접촉을 유지한다. 그러나 스캔 속도가 너무 빠르다면, 탐침은 표면을 따라 움직이지 못하고 표면으로부터 돌출된 것 위쪽으로 실제로 던져지고 공진을 시작하거나 고리모양으로 움직일 것이다. 이는 차례로 영사된(image) 상호작용힘에서 진동을 증가시킬 것이다. 유사하게, 높이가 낮아질 때, 복원력은 탐침 말단이 표면과 접촉을 유지시킬 정도로 충분히 크지 못하여 이미지 영역의 표면에 대한 정보는 유실될 것이다.

상기에서 언급된 WO 02/063368는 견본이나 탐침이 공진기에 장착되고 공진기를 공진주파수나 이에 근접한 주파수에서 근접시킴으로써 견본이 탐침에 대해서 스캔 되는 주사 탐침 현미경을 기술한다. 상기 공진기는 일반적으로 탐침의 공진 주파수와 유사한 수십 kHz의 공진주파수을 갖는다. 화소(pixel) 사이의 일반적인 시간 간격은 그러므로 1/fr 보다 작고, 상기 fr은 탐침의 공진주파수이다. 반면의 샘플 표면의 지형도의 변화에 반응하는데 걸리는 시간(τres)은 탐침의 유효 질량 및 캔틸레버의 스프링 상수에 기초한다. 만약 τres > 1/fr이라면, 명백하게 상호작용력은 화소에서 화소 사이에서 정확하게 측정되지 않을 것이다.

견본 지형도의 변동 및 상호작용력에서의 변화에 대한 탐침 반응성을 개선하고 그리하여 탐침의 고리모양 운동 또는 표면에 대한 부정확한 이동에 의해서 발생 하는 것과 같은 이미지가 해상도를 떨어트리기 전에 좀 더 빠른 주사 속도에서 실행될 수 있도록 하는 AFM 현미경 사용법을 제공할 필요를 인지하게 된다.

본 발명은 원자력 현미경 또는 나노리소그래피(nanolithography)에서 사용되는 탐침을 제공하고, 상기 탐침은 탐침 말단에 연결된 힘 감지 부재를 포함하고 상기 탐침 말단은 반지름이 100nm 또는 그 보다 작은 말단 반경을 구비하며, 상기 탐침은 물체에 외부로부터 힘이 작용될 때, 편향력(biasing force)이 탐침 말단이 견본을 조사할 때 탐침 말단의 이동에서 발생하는 복원력보다 큰 크기를 갖고 탐침 말단 및 견본 중 하나 또는 양자를 서로를 향하여 밀도록 만들어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이해되는 범위는 일반적으로 캔틸레버된 탐침과 관계된 힘이 이전의 원자력 현미경에서 견본과 접촉하도록 하는데 유용하다. 이는 지금부터 도1을 참고하여 기술될 것이다.

도1에서는 원자력 현미경(AFM)의 탐침에 의해서 스캔 되는 견본(1)을 도시한다. 상기 탐침은 캔틸레버(3)가 연장하는 기판(2)을 포함하며, 상기 캔틸레버(3)는 말단 반지름이 100nm 또는 이보다 작고 기판으로부터 멀리 떨어진 말단에 장착된 날카로운 탐침 나노미터 말단(4)을 구비한다. 스캔을 위한 준비에서, 아래방향 힘(F external)은 탐침을 AFM에 장착하고 탐침 말단(4)을 견본(1)과 접촉시킴으로써 기판 말단(2)에서 탐침에 적용된다. 스캔 기간 동안 접촉을 유지하기 위해서 상기(힘 F external)은 탐침 말단(4)을 견본(1)과 접촉하기 위해 움직이는 것에 필요한 힘보다 크다. 그 결과 캔틸레버(3)는 견본이 스캔 될 때 정치위치로부터 위쪽으로 구부려진다.

단순화된 모델에서, 캔틸레버(3)는 작은 이동에 대해 후크의 법칙을 따른다. 따라서 만약 견본이 압축되면, 굽힘 정도는 탐침 말단(4)을 정치위치로부터 수직 거리(x)로 이동시킬 만큼이며 캔틸레버 스프링 상수는 k로 캔틸레버에 의해 발휘되는 복원력은 kx이다. 탐침 말단(4)에 의해서 발휘되며 표면을 따라 움직이는 위치로 유지시키는 아래방향 힘은 그러므로 kx에 비례한다.

탐침 말단(4)의 명확한 반응성 및 그로 인한 AFM 기술의 해결책은 견본(1) 위에서 캔틸레버에 의해 발휘되는 힘(kx)의 정도에 의존한다. 탐침과 표면 사이에 좀 더 큰 힘은 표면 변화에 대한 좀 더 큰 반응성으로 나타난다. 이는 높은 스프링 상수(k)가 요구되며 특히 스캔이 빠를 때 그리하다는 것을 나타낸다. 반면, 좀 더 큰 힘에서는 탐침이 견본에 대한 손상 가능성이 커진다. 따라서 이전의 AFM 캔틸레버 탐침은 탐침 반응성과 견본의 대한 손상 가능성 사이에서 근본적인 타협을 만들어야만 한다.

그러나 본 발명에 합치하는 탐침은 샘플이 스캔될 때, 샘플 위의 탐침에 의해 발휘되는 복원력(kx)보다 현저하게 큰 편향력을 경험하도록 만들어진다. 이는 견본 표면을 따라 좀 더 낫게 지나갈 수 있도록 하며 좀 더 빠른 스캔이 가능하도록 한다. 나중에 좀더 자세하게 보여지는 것처럼, 상기 발명에서 요구되는 복원력을 초과하는 편향력은 탐침에 외부에서 적용되는 힘에 반응하는 편향 소자를 포함하여 및/또는 캔틸레버 빔의 스프링 상수를 감소시켜 획득된다.

본 발명을 사용하여서는, 이미지 수십에 30초 이상이 걸리는 통상적인 AFM과 다르게 견본의 1000분의 1초 이미지 획득이 가능하다. 예를 들어 2,24cms¹의 탐침 말단 속도는 14.3ms내의 영사된 4.4 X 4.4 미크론의 영역 및 128 X 128 픽셀을 갖는 8.3 ms내의 1.5 X 1.5 미크론의 영역을 가능하게 한다. 게다가 이러한 속도에서도 10 nm 측면 및 1 nm 세로면 보다 나은 해상도를 갖는 이미지가 부드러운 폴리머 표면에서 획득될 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 예를 들어 편향 소자는 외부에서 적용되는 자기력에 반응하는 자기 소자거나 전원의 하나의 터미널에 연결되어 탐침과 견본 사이에서 전압 전위를 발생 시킬 수 있는 전기 전도성 소자일 수 있다. 두 경우에서 다수의 편향력(자기적 또는 정전기적)은 탐침 및 견본을 서로를 향해 추진시킨다. 게다가 탐침에 적용되는 편향력의 크기는 탐침의 편차의 정도에 대해 독립적이다. 이러한 방법에서, 탐침 빔이 매우 낮은 스프링 상수를 갖기 때문에, 굽힘/편차 회복력은 편향력에 비하여 매우 작으며 탐침 말단의 표면이 효과적으로 편차-독립이 된다.

선행 기술의 AFM 탐침은 외부 편향력에 반응하기 위해서 특별하게 제작되었다. 예를 들어, EP 872,707은 압전 소자를 포함하는 캔틸레버 탐침을 기술한다. 제어 신호는 탐침이 인력을 극복하기 위해서 견본으로부터 위쪽방향으로 멀어지게 추진한다. 유사하게 미국 특허 5,515,719는 탐침을 견본 표면으로부터 멀어지도록 당기며 솔레로이드로 제어되는 자기장에 반응하는 자성체를 포함하는 탐침을 기술한다. 상기에 기술한 것처럼, 이 특허의 중점사항은 탐침이 견본 표면으로 끌려가서 견본을 손상시키는 것을 방지하는 것이다.

특허 출원 공개 WO 99/06793에서 공개된 캔틸레버 탐침 또한 자기 소자를 합체하고 있다. 이러한 배열에서의 자기장은 그러나 견본과 샘플의 거리를 제어하고 요구되는 분리에 합치하게 변화하는데 사용된다. 이는 본 발명에 사용되는 자기장 배열과 대조적이다. 이러한 예에서 스캔 과정 중에 탐침 말단에 적용되는 힘은 일정하고, 탐침 말단을 견본표면의 뒤쪽 방향으로 가속시켜서 접촉을 상실하게 하는 것이 유일한 목적이다. 조정가능한 자기장에 반응하는 탐침을 합체한 또 다른 시스템은 미국 특허5,670,712에 기술되어 있다. 상기 자기장은 일정한 정도로 캔틸레버의 편차를 유지하도록 설정된 피드백 루프에 의해서 제어된다. 이 또한 편차의 정도가 변화할 수 있게 한다는 점에서 본 발명의 합치하는 AFM 탐침과 대조적이다. 움직임의 이러한 자유가 없는 경우에는 견본 표면의 윤곽선을 따라 움직일 수 없고 측정된 상호작용력은 이러한 발명의 목적과 반대로 작용한다.

대안적인 접근에서, 캔틸레버 빔(beam)은 낮은 특성(quaility) (또는 Q) 계수를 갖도록 설계된다. 이는 높은 Q 계수 빔과 비교하여 기계적인 에너지가 분산되는 비율을 증가시킨다. 만약 상기 빔 위에 위치한 탐침이 스캔 동안 표면으로부터 두들겨져서 멀어진다면, 필연적인 기계적 진동은 감소하고 탐침은 견본 표면을 따라 움직이기 위해 빨리 돌아올 것이다. 하나의 실시예에서, 상기 캔틸레버 빔의 Q 계수는 빔에 코팅을 사용함으로써 감소되고 에너지를 발산시키는데 사용되는 코팅은 하나 이상의 진동 모드의 작용을 통해서 빔에 기계적으로 저장될 것이다. 상기 지지 빔의 Q 계수는 등가의 코팅되지 않은 빔의 Q 계수와 비교하여 하나 이상의 진동 모드을 위해서 낮은 값을 가질 것이다. 상기 코팅은 바람직하게는 폴리머 필름 같이 에너지 흡수 물질인 것이 좋고 탐침의 적어도 한쪽 면에 사용된다.

상기 발명의 탐침에 의한 명백하게 동일한 추적은 외부의 직접적인 힘과 낮은 Q 계수가 사용될 수 있다면 최고로 달성될 것이다. 하지만, 특정 환경에서는 상기 특징 중 오직 하나만이 필요하다. 탐침이 견본 근처로 옮겨질 때, 모세관 목형상부(capillary neck)는 두 개를 연결하는 형태를 취한다. 자세하게는, 만약 탐침의 Q 계수가 충분히 낮다면, 모세관 목형상부에서 발생하는 편향력은 주요 복원력을 형성한다. 유사하게, 강한 편향력이 적용된다면, 빔의 Q 계수는 낮을 필요가 없다. 이러한 예에서 기계 에너지의 분산은 견본 표면과 탐침과의 상호작용을 통해 발생한다.

비록 어떠한 것도 기계적인 진동의 제동을 위해 적절한 물질에 의해 코팅되지는 않았지만, 코팅을 구비한 AFM 캔틸레버는 선행 기술에 공개되었다. 상기에서 참조된 미국 특허 5,515,719는 힘이 캔틸레버에 적용되는 자기적 코팅을 공개하였다. 미국 특허 6,118,124 및 6,330,824 양자는 방사선을 검출하기 위한 코팅된 캔틸레버를 기술한다. 상기 코팅은 방사선에 의해 영향을 받고, 방사선의 강도는 캔틸레버의 성질에 따른 분량적인 변화에 의해 측정된다. 이는 입사하는 방사선에 의해서 영향을 받지 않고 기계적인 에너지를 흡수하는 본 발명과 대조적이다.

본 발명의 대안적인 측면은 견본과 탐침 사이의 상호작용력에 합치하여 견본의 이미지를 만드는 원자력 현미경을 제공하고, 상기 현미경은 탐침과 견본 사이에서 상대적인 스캐닝 움직임을 제공하고 견본 및 탐침을 그 사이에서 검출가능한 상호작용이 설립하기 위해 충분한 정도로 근접하도록 움직일 수 있게 제공되는 구동 수단; 및

탐침의 편차 및/또는 이동을 측정하는 탐침 검출 메커니즘을 포함하고, 현미경이 상기에 기술한 탐침을 포함하는 것을 특징으로 한다.

대안으로는, 현미경이 힘(F direct)이 견본 및 탐침 양자 또는 일방에 사용되거나 견본 및 탐침 사이에 사용되도록 동작하는 힘(F direct) 발생수단을 포함하고, 상기 힘(F direct)은 탐침을 견본을 향하여 또는 그 역으로 밀도록 직접 작용하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 추가적인 측면은 나노미터 크기의 형상을 갖는 견본의 스캔 영역으로부터 이미지 데이터를 수집하는 방법을 제공하는 것이며 상기 방법은

(a) 말단 반지름이 100nm 또는 그보다 작은 말단을 구비한 지지 빔을 갖는 탐침을 탐침 및 견본 사이에서 상호작용력이 설립되도록 하기 위해 견본과 가까운 위치로 움직이는 단계;

(b) 탐침이 견본을 향해 움직이도록 추진되거나 이와 반대로 추진되도록 하는 견본과 탐침 사이에서 설립된 힘(F direct)을 발생시키는 단계;

(c) 스캔 선의 배열이 스캔 영역을 덮는 것과 같은 탐침 및 표면 사이의 상대적인 움직임을 제공하는 동안 견본의 표면을 가로지르는 탐침이나 탐침 아래의 견본 중 하나를 스캐닝하는 단계;

(d) 탐침의 편차 및/또는 이동을 측정하는 단계; 및

(e) 견본의 나노미터 구조와 관계된 정보를 추출하기 위해서 단계(d)에서 행하여진 측정을 처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예는 지금부터 예를 드는 방법과 첨부된 도면을 참조하는 방법으로 기술된다.

도1은 선행 기술의 원자력 현미경에서 캔틸레버 탐침이 견본 표면과 접촉할 때 관계된 힘을 도시한 도면.

도2는 본 발명의 제1실시예와 합치하는 탐침을 포함하는 원자력 현미경의 실시예를 도시한 도면.

도3은 본 발명의 제2실시예와 합치하는 탐침을 포함하는 원자력 현미경의 실시예를 도시한 도면.

도4는 본 발명의 제3실시예와 합치하는 탐침을 포함하는 원자력 현미경의 실시예를 도시한 도면.

도5는 본 발명의 제4실시예와 합치하는 탐침을 포함하는 원자력 현미경의 실시예를 도시한 도면.

도6은 본 발명의 제5실시예와 합치하는 탐침을 포함하는 원자력 현미경의 실시예를 도시한 도면.

도7은 본 발명의 제6실시예와 합치하는 탐침을 포함하는 원자력 현미경의 실시예를 도시한 도면.

도8은 도2 내지 도7의 AFM에서 탐침이 견본 표면과 접촉을 형성할 때 관계된 힘을 도시한 도면.

도9a 및 도9d는 본 발명에 합치하게 탐침을 사용하여 생성된 결정화된 폴리(산화에틸렌)(PEO)의 견본의 두개의 분리된 표면 영역의 AFM 이미지를 도시한 도면.

도9b, 도9c, 도9e 및 도9f는 도9a 및 도9d의 AFM 이미지와 동일한 표면 영역의 통상적인 AFM 이미지를 도시한 도면.

도10은 본 발명의 탐침을 위해 맞춘 캔틸레버 설계의 실시예를 도시한 도면.

도11 및 도12는 맞춤 캔틸레버에서 낮은 값을 갖으며 조절된 스프링 상수의 영역의 구조를 도시한 도면.

도2를 참고하면, 본 발명의 한 측면에 합치하여 만들어진 탐침의 제1실시예를 사용한 도면 부호10으로 표시된 AFM의 실시예가 도시되어 있다. 도시된 상기 AFM 장치(10)는 견본(14)을 받아들이도록 만들어졌으며 소리굽쇠(16)의 한쪽 끝에 장착되는 판(12)을 포함한다. 상기 소리굽쇠(16)는 압전 변환기(18) 및 저 정밀 구동 수단(20)에 연결된다. 상기 압전 변환기는 견본(14)(판(12) 및 소리굽쇠(16)와 함께)을 x,y,z 방향의 삼차원에서 구동시키기 위해서 사용된다. 본 분야에서 통상적인 것과 같이, z는 데카르트 좌표계의 z축은 견본(14)에 의해 점유된 평면과 수직이 되게 취해진다. 즉 상호작용력은 견본(14)(영사되는 픽셀) 위의 탐침(22)의 xy위치 및 높이에 양자에 의존한다. (도시하지 않은)소리굽쇠 제어기는 사인함수 전압을 소리굽쇠(16)에 사용하고 그로 인해 xy 평면 내에서 공진 혹은 공진에 가까운 진동을 일으키도록 배열된다. 선택적으로, 상기 판(12) 및 소리굽쇠(16)는 현미경의 잔여 부분으로부터 소리굽쇠(16)의 진동을 고립시키는 진동 고립 마운트 (mount)에 의해서 지지된다. 그러나 상기 탐침을 사용하는 현미경에서 관찰되는 이미지 주파수에서, 외부 노이즈는 낮은 이미지 주파수보다 작은 문제이고 따라서 진동 고립 마운트는 제거될 수 있다. 상기 탐침(22)은 저-질량 AFM 탐침이고, 스캔 동안 상호작용력은 탐침 말단(22a) 및 견본 표면 사이에서 형성된다. 탐침 검침 메커니즘(28)은 탐침 말단(22a)의 상호작용력의 세기를 나타내는 이동이나 말단을 지지하는 빔(22b)의 굽힘을 측정하도록 배열된다. 탐침 검침 메커니즘(28)에 의해서 수집되는 데이터는 분석되고 디스플레이(30)에서 출력된다.

일반적으로 선행 기술의 캔틸레버 탐침은 규소나 질화규소를 사용하여 제작되고, 이는 성숙한 규소 초소형 제작(microfabrication) 기술을 사용하여 쉽게 생산할 수 있도록 한다. 그러나 선행 기술의 캔틸레버와는 다르게, 본 발명에 따른 탐침(22)은 탐침의 지지 빔(ccb)에 사용되는 폴리머 코팅(22c)을 갖는다. 이후에 자세하게 설명되는 이러한 코팅(22c)은 진동 모드의 작용을 통해 탐침에 기계적으로 저장된 에너지의 발산을 제공하고 코팅(22)이 없는 동일한 빔과 비교하여하나 이상의 진동 모드를 위한 지지 빔의 낮은 Q 계수를 제공한다.

상기 AFM 장치(10)를 사용하여 이미지를 획득하는 것에서, 견본(14)은 우선 저 정밀 구동 수단(20)을 사용하여 프로(22)와 접촉하도록 운반된다. 탐침 검출 메커니즘(28)이 탐침(22)과 견본(14) 간의 상호작용력의 결과로서 탐침의 굽힘을 측정하는 동안 미세 높이 및 초기 출발 지점 조정은 압전 구동기(18)에 의해서 만들어진다. 측정된 굽힘이 요구되는 수준에 도달하면, 견본 표면은 탐침(22) 아래서 스캔 된다. 탐침(22) 아래서 견본(14)이 스캔 되는 동안, 소리굽쇠(16)는 도면(y 축)의 평면의 안쪽 과 바깥쪽으로 진동하도록 설정된다. 이는 견본이 장착된 대(臺)를 진동시킨다. 동시에 압전 구동기(18)는 수직(x축) 방향으로 견본(14)을 옮긴다. 견본 진동은 비교적 큰 수 미크론 차수의 크기를 갖는다. 스캔의 과정 동안, 해석은 탐침 검출 메커니즘(28)에 의해서 계속 실행되며, 이는 업계의 표준처럼 광학 레버 기술에 기반을 두고 있다; 탐침의 굽힘은 탐침에서 반사된 레이저 빛을 이용하여 측정된다. 탐침 검출 메커니즘(28)은 처리기 및 디스플레이(30)로 직접 공급된다.

상기에 언급한 것처럼, 도2에 도시한 탐침(22)은 폴리머 물질로 코팅되었다는 점에서 선행 기술의 탐침과 다르다. 상기 코팅(22c)은 프로브에 저장되는 에너지를 분산하는데 적합한 물질로 한쪽 또는 양쪽 면에 제공된다.

Q 계수는 무차원의 값이며, 이는 오실레이터의 분산(또는 제동)의 양을 측정하는데 사용된다. 특성은 다음과 같다.

Q= {Energy stored in oscillator } / {Energy dissipated per radian }

저장된 에너지가 빠르게 분산되는 무겁게 제동되는 시스템은 낮은 Q 값을 갖고, 가볍게 제동되는 시스템은 높은 Q값을 갖는다. 규소 및 질화규소로 만들어진 진동기는 많은 내부 손실이 갖고 있지 않기 때문에, 대부분의 상업적으로 이용가능한 AFM 캔틸레버는 높은 Q값을 가지며 일반적으로 공중에서 5 에서 500 차수이다. 게다가 탭핑(tapping) 모드에서 사용하기 위해 설계된다면, 높은 Q를 갖는 캔틸레버가 유리하다. 이러한 모드에서, 캔틸레버는 공명 및 많은 진동 주기에서 측정된 상호작용력에서 구동된다. 진동 주기 동안 에너지 손실을 최소화함으로써, 높은 Q 는 기계 필터의 역활을 수행한다.

기계 진동기는 진동의 많은 공명 모드를 가지며 상기 모드의 각각의 Q계수는 주파수 종속 물질 특성 및 오실레이터의 모양에 따라서 서로 다르다. 본원에서 Q계수를 언급할 때는 이는 상기 각각의 모드 중 하나에 대한 탐침의 Q계수를 언급하는 것이거나 일련의 모드의 Q계수를 언급하는 것이다.

그러나 본 발명의 경우 고속 원자력 현미경에서는 낮은 Q를 갖는 탐침을 사용하는 것이 요구된다. 만약 탐침이 높은 Q를 갖는다면, 변화에 반응하는데 오랜 시간이 걸리며, 견본 표면에 높은 지형을 가로지르는 스캐닝에 의해서 제공되는 것과 같은 자극이 주어진다면 공명 모드의 조합에서 소리를 낼 것이다. 본 발명의 탐침은 코팅(22c)의 효력에 의해 낮은 Q를 갖도록 설계된다. 이상적으로 상기 Q계수는 유도된 진동이 임계 제동되기에 충분히 낮은 값을 가진다. 낮은 Q계수의 사용은 탐침의 지지 빔에 작은 에너지가 저장될 수 있다는 것을 의미하고 따라서 탐침이 만약 견본 표면의 높은 영역 위에서 스캐닝을 하는 것처럼 충격을 받는다면 탐침은 오랜 시간 동안 "울리지는" 않는다. 이는 표면으로의 빠른 복귀를 가능하게 하고 결국, 스캔 동안 더 나은 경로에 따른 움직임을 가능하게 한다.

탐침 상부의 코팅은 탐침에 다른 방법으로 저장된 기계적 에너지를 분산하도록 작동한다. 코팅을 구비한 탐침이 코팅이 없는 탐침보다 적은 기계적 에너지를 저장하고, 특정 시간에서 코팅을 구비한 탐침의 동작은 코팅이 존재하지 않는 것보다 특정 시간에서 탐침 말단 아래의 표면에 대해서 좀 더 가까워 질 것이다.

영사되는 견본 및 스캔 속도에 의존하여, 제1 또는 기본 모드보다 높은 모드 는 이미지 획득 동작 동안 더욱 자극될 것이다. 이 경우 코팅은 상기 모드의 Q계수가 충분히 감소되도록 선택된다. 코팅의 에너지 흡수 및 분산 성질을 조율함으로써, 탐침의 질량 변화를 최소화시키는 동안 이미지 품질을 상하게 하는 탐침의 진동을 감소시키거나 제거할 수 있다.

많은 폴리머 물질은 코팅(22c)을 제공하는데 사용되고, 특정 선택을 위한 상황은 당업계에 능숙한 기술자에게는 명백할 것이다. 상기 물질은 점성-탄성 성질에 맞도록 선택된다; 이것은 기계적 에너지 분산 작업을 수행하는 동안 캔틸레버의 필름 코팅으로서 모양을 유지하기 위해서 충분히 탄성적이어야 한다. 기계적 에너지의 분산은 분자 크기 및 폴리머 체인과 그 주위의 환경 사이의 마찰 계수에 의존하여 주로 점성 메커니즘을 통해 발생한다. 이상적인 코팅은 코팅의 밀착성을 유지하는데 충분한 정도의 낮은 교차 결합 밀도를 갖는 고무이다. 교차결합은 통상적인 고무에서처럼 화학적이거나 열가소성 탄성중합체에서 처럼 물리적일 수 있다. 주성분이 실내 온도보다 낮은 유리 전이 온도를 갖는 비결정질 고무이고, 소수 성분이 실내 온도보다 높은 유리 전이 온도를 갖는 비결정질 폴리머인 혼성 폴리머 물질로 AFM 지지 빔의 양면이 코팅된 것은 실내 온도에서 사용할 때, 추적 능력이 현저하게 개선된다는 것이 발견된다. 혼성 폴리머는 용액 주조에 의해서 사용된다. 즉 폴리머를 함유한 용액 한 방울을 용매를 벗겨내기 위해서 높은 온도에서 지지 빔 위에 위치시킨다. 다른 열가소성 탄성중합체 또한 사용될 수 있다. 이러한 배열은 WO 02/063368에서 기술된 공진 진동 속도에서도 탐침이 견본 표면을 따라 움직일 수 있도록 한다.

채택된 폴리머 물질 및 사용법에 대한 고려는 어느 정도로 가능한 선택을 좁힌다. 기본 개념은 이상적으로 과도하게 질량이나 탐침 말단의 날카로움 등등에 영향을 주지않는 에너지 흡수 물질로 지지 빔을 코팅하는 것이다. 상기 기술한 혼성 폴리머로 지지빔을 용액 주조하는 것은 수용가능한 질량의 증가와 함께 에너지의 분산을 강화한다. 또 다른 코팅 방법이 사용될 수 있다. 이는 하전된 폴리머를 전기분해 전지에서 지지빔으로 "끌어당기는" 단계; 화학적으로 폴리머(예를 들면 티올 그룹)를 표지하고 폴리머를 지지빔에 부착하도록 지지 빔이 물질 또는 지지빔의 금속 코팅(예를 들어 티올 화학반응의 경우에는 금)과의 반응을 사용하는 단계를 포함한다.

상기에 언급한 바와 같이, AFM 캔틸레버에 대한 폴리머 코팅은 알려져 있다. 그러나 선행 기술의 코팅 물질은 입사복사의 검출을 가능하게 하기 위한 화학반응을 위해 선택된다. 즉 물질은 특정 주파수에서 우선적으로 에너지를 흡수하는 화학결합을 갖도록 선택된다. 상기 물질은 고속 현미경에 사용되기에 충분히 절절한 기계적 에너지의 분산에 적절하지 않다.

코팅(22c)을 작은 크기로 주어진 지지빔에 양쪽 면에 사용하는 것은 실제로 코팅을 한쪽 면에만 사용하는 것보다 달성하기 약간 쉽다. 그러나 견본에 가까움 지지빔의 측면에는 코팅을 하지 않고 남겨두는 것이 바람직하다. 단일 면 코팅은 탐침에 저장된 기계적 에너지를 감소시키기에 충분하며 또한 탐침과 접촉할 때 표본을 오염시키는 코팅 물질을 감소시킨다.

이상적인 코팅(22c)에 사용되는 폴리머 물질은 탐침의 예상되는 사용 온도 및 지지 빔의 주요 공진 모드의 주파수 범위에서 에너지 손실 스펙트럼의 피크를 가질 것이다. 일반적으로 폴리머 물질은 고무상태 폴리머이어야 한다. 대안으로는 고무상태 폴리머를 높은 성분비로 갖고있는 혼성 폴리머나 다른 합성물이 사용될 수 있다.

만약 캔틸레버의 짧은 틈에 코팅이 사용된다면 폴리머 코팅의 에너지 분산은 증가될 것이다. 즉 만약 얇은 폴러머 필름이 캔틸리버의 구멍에 걸쳐있다면, 필름은 내부적인 에너지를 분산시키고 공기 같은 주변 유동 매체와의 상호작용 영역을 증가시키도록 동작할 것이다. 그러므로 점성 에너지 분산은 캔틸레버의 스프링 상수를 최소화하는 것과 동일 시간 동안 상기 방법을 통해 증가하게 된다.

도3은 본 발명의 합치하게 만들어진 탐침의 제2실시예를 사용한 일반적으로 도면 부호(10)로 표시된 AFM의 실시예를 도시한 도면이다. 상기 AFM 장치(10)는 도2에 도시한 것과 매우 유사하고 두 시스템에 공통적인 구성 부분은 동일한 도면부호가 사용되었다. 이전과 같이 견본(14)을 보유하는 판(12)은 소리굽쇠(16)의 한쪽 끝에 장착되며, 이는 xy 평면 내에서 공진 또는 공진과 가까운 진동을 갖으며 구동된다. (판(12) 및 소리굽쇠(16)와 함께) 견본(14)은 3차원에서 스캔 된다: 이는 x, y 및 z방향으로 상호작용력은 견본(14)(영사되는 픽셀) 위의 탐침(22)의 xy위치 및 높이에 양자에 의존한다. 탐침의 캔틸레버 구성 부분은 폴리머 필름으로 양쪽 편이 코팅되고 낮은 1Nm¹보다 작은 스프링 상수를 갖도록 형성된다. 그러나 도2에 도시한 캔틸레버와 다르게, 본 발명의 본 실시예에 따른 탐침(22)은 탐침 말단(22a) 위에 장착된 (도3에 구슬로 도시된)자기 성분(24)을 구비한다. 또한, 자석(26)은 자기 구슬(24)에 힘이 미치는 충분한 강도의 자기장을 제공하기 위해 예를 들면 판(12) 아래처럼 AFM 내부에 합체된다. 상기 힘은 탐침에 적용되는 자기 토크를 매게로 하거나 자기 그레디언트를 통과할 것이다. 탐침 검출 메카니즘(28)은 도2에 도시한 장치(10)처럼 탐침(22)의 구부름을 측정하기 위해 배열된다. 탐침 검출 메카니즘(28)에 의해 수집된 데이터는 분석되어 디스플레이(30)에서 출력된다.

상기 AFM 장치(10)를 이용하여 이미지를 얻는 경우, 상호작용력을 설립하는 접촉 메카니즘 및 스캐닝 기술은 실질적으로 도2의 AFM 장치(10)와 관련하여 묘사한 것과 같다. 그러나 상호작용력의 요구되는 정도와 그로 인한 탐침의 지지 빔(22b)의 굽힘이 설립되면, 도2의 AFM 장치(10)에는 존재하지 않는 자석(26)은 스위치가 켜지고 자기장(B)은 프로브 말단(22a) 주변에서 발생된다. 상기 자기 구술(24)은 이 자기장과 상호작용하고, 이는 그 결과로 발생하는 자기력이 자기 구술(24)은 견본(14)을 향하여 아래 방향으로 끌어당기도록 지시한다. 그러므로 상기 탐침 말단(22a)은 상기 자기력의 직접 작용에 의해서 견본(14)과 접촉하도록 유지된다. 자기장(B)에서, 견본 표면은(소리굽쇠-견본 대의 공진 주파수에서) 진동되며 탐침(22) 아래에서 스캔되고 이전처럼 출력 신호가 처리된다.

도4 내지 도6은 본 발명에 합치하여 형성된 탐침의 부가적인 실시예를 이용하는 일반적으로 도면부호(10)로 지칭되는 대안적인 AFM의 실시예를 도시한다. 각각의 경우에서 AFM 장치(10)는 도2 및 도3에 도시된 것과 유사하며 모든 장치에 공통되는 구성 성분은 동일한 도면부호로 표시됐다. 이전처럼, 견본은 판(12) 위에 장착된다. 도2 및 도3에 도시한 실시예와 도 4, 5, 6, 7의 실시예가 다른 점은 탐 침(22)이 소리굽쇠의 한쪽 끝에 장착되고 견본과 관련한 탐침의 접근 및 저 정밀 및 미세 위치 조정은 압전 변환기 같은 변환기(18, 20)에 의해서 제어되고 이는 판(12)이 아니라 탐침(22) 및 소리굽쇠(16)의 움직임 제어를 제어한다. 이러한 배열은 정지된 탐침 밑에서 스캔 되는 견본이 아니라 견본 위에서 탐침이 공명 스캐닝 방법을 사용하여 스캔 될 수 있도록 한다. 도4와 관련하여 공진기(16) 및 탐침(22)은 x-y-z 압전 변환기(18)를 사용하여 x축에서 스캔 되며 반면 도5 및 도6에서는 스캔이 판(12)에 연결된 변환기(70)를 사용하여 제공되는 동안 스캔 방향(x 방향)에서 상대적인 탐침/견본 움직임을 제어한다. 그러므로 탐침이 정지상태일 동안 견본이 양 축에서 스캔 되거나, 견본이 정지상태일 동안 탐침이 양 축에서 스캔 되거나, 탐침이나 견본 중 하나가 하나의 축에서 스캔되고, 그동안 다른 것이 다른 것의 움직임에 의해서 제공되는 다른 축에서 스캔 된다. 도7의 경우, 상대적인 탐침/견본 스캔 움직임의 제어는 공진기(16) 및 탐침(22)에 연결된 변환기(70)에 의해서 제공되며 미세한 위치 조절은 출발 스캔 위치의 정밀성이 모든 경우에 요구되는 것이 아닌 경우 생략된다. 이는 기술된 발명을 공명 주파수 방법과 결합하여 사용하여 획득가능한 매우 빠른 스캔 비율부가적인 이점을 강조한다. 이미지 비율은 기계적인 노이즈를 위한 일반적인 주파수보다 높으며 진행 위치 설정 방법에 공통으로 존재하는 동장에서의 불안정성보다 높다. 그러므로 보통 요구되는 고 정밀 압전 변환기를 없앨 수 있다.

도4, 도5 및 도7에서 탐침 말단(22a)은 탐침 말단(22a)을 견본(14)으로 추진시키는 힘에 영향을 받는다. 도4의 예에서 상기 힘은 인력이며 탐침 말단(22a) 및 판(12) 사이에 적용되는 편향 접압(biasing vlotage)으로부터 발생한다. 그로 인해, 탐침 말단(22a) 및 판(12)은 전원(60)의 터미널을 가로 지러 직렬로 연결된다. 탐침 말단(22a) 및 판(12) 사이의 필요한 인력을 설립하기 위해서, 탐침은 탐침이 낮은 Q계수를 갖도록 하는 제동 코팅(22c)에 추가하여 전기 전도성 코팅(50)과 함께 제공된다. 도6의 경우에서, 견본(14) 및 탐침 말단(22a)은 액체 환경처럼 밀봉된 점성 환경(80) 내에 위치된다. 상기 실시예에서 전원(60)은 전도성 코팅(50) 및 점성 환경의 외부의 견본 판(12) 하부에 위치하는 제2판(90)에 연결된다. (생물 견본의 경우 요구되는)액체 내에서 탐침을 담금으로써 액체 환경에 대한 탐침의 노출이 1에 가까운 낮은 Q를 갖는 탐침을 유도하기 때문에 제동 코팅(22c)은 생략될 수 있다.

본 발명에 필요한 특징을 이해하기 위해서 스캔이 행하여 지는 동안 관계된 힘의 도식도를 보는 것이 도움이 된다. 이는 도8에 도시하였고, 이는 도1과 동일하게 설정되었고 동일한 구성 성분은 동일한 도면부호로 표시되었다. 도8을 참조하면, 본 발명의 합치하여 원자력 현미경(afm)의 타침에 의해서 스캔되는 견본(1)이 도시했다. 상기 검침은 지지 빔(3)이 연장하는 기판(2)을 포함하고 상기 지지 빔(3)은 기판(2)으로부터 멀리 떨어진 말단에 장착된 날카로운 검침 말단(4)을 구비한다. 스캔을 준비하는 동안, 아래 방향 힘(F external)은 AFM에 장착됨에 의해서 기판 말단(2)에서 탐침에 적용되며, 탐침 말단(4)을 견본(1)과 접촉하도록 움직인다. 스캔 동안 접촉을 유지하기 위해서 상기 힘(F external)은 검침 말단(4)을 견본(1)과 접촉하기 위해서 움직이는데 요구되는 힘보다 크다. 견본이 스캔 될 때, 그 결과 지지 빔(3)은 F direct(5)를 갖는 정지 위치로부터 위쪽으로 구부려진다. 이전처럼 kx에 비례하는 힘은 지지 빔의 굽힘에 의해 발생하고 탐침 말단(4)을 견본 표면을 향하여 아래쪽으로 안내한다.

본 발명에 합치하게 설계된 탐침이 예를 들어 솟아난 부분과 만남으로 인해서 견본 표면으로부터 벗어나게 되는 경우에는 두 가지 계수가 접촉하는 방향으로 회복하도록 도와준다. 이는 고속 스캔에서도 더 나은 표면에 대한 추적이 달성될 수 있게 한다. 첫 번째는 도3 내지 도7에서 도시한 실시예에서 가장 명확한 것처럼 탐침을 견본 방향으로 가속시키는데 작용하는 제2힘(F direct)은 탐침이 표면과 다시 접촉을 형성하도록 하는데 걸리는 시간을 감소시키기 위해서 조정될 수 있다. 지형에 독립적인 이러한 힘은 탐침의 반응 시간을 감소시키는데 작용한다. 두 번째로, 탐침은 타침에 저장된 기계적 에너지를 감소시키는 에너지 흡수 물질에 의해서 코팅되고(또는 액체에 담겨지고) 그로 인해 이전의 자극이 탐침에 주는 영향을 감소시키며, 표면과 접촉하는 안정화 상태를 빠르게 획득하도록 한다.

탐침을 표면에 보유하는 총 회복력은 이하의 공식에 의한다.

이상적으로, 부가적인 힘(F direct)은 캔틸레버 굽힘 힘(kx)보다 크다. 게다가 부가적인 힘의 크기는 검침을 표면과 접촉하도록 움직일 정도로 충분히 커야하며 대략 하나의 픽셀 내에서 접촉을 상실해야 한다.

도3에 도시한 실시예에서 부가적인 힘(F direct)은 자기장을 구슬이나 자기 코팅처럼 자기 성분과 합체한 탐침 말단에 적용함으로써 제공되는 자기력이다. 그러므로 AFM 내에서 자석의 명확한 위치 잡기는 불가결한 것이 아니며, 단지 배열되어야 하는 것은 탐침 말단(4)을 견본(1)으로 당기는 아래 방향 힘 성분이다. 뒤따라오는 실시예에서 부가적인 힘(F direct)은 정전기력이다.

도2에 도시한 실시예에서 부가적인 힘(F direct)은 또다시 탐침의 행동을 추적하는데 기여하나 그 근원은 더 미묘하다. 탐침과 견본이 근접하게 될 때, 가느다란 목형상부는 두 개의 연결을 형성한다. 상기 모세관 목형상부는 탐침-표본 접촉 근처에서 액화되며, 공중에서 영사되었을 때 견본 환경 내에 필연적으로 존재하는 액체로 인하여 발생한다. 정상적인 작동에서, 모세관 목형상부에서 발생하는 직접 힘(F direct)은 예를 들어 F direct > kx 인 낮은 Q 탐침에서 빠르게 주요 회복력을 형성할 만큼 충분히 크다. 이는 친수성 표면에 대해서 특히 일치한다. 예를 들어 질화규소처럼 친수성 표면을 같는 탐침을 선택함으로써, 모세관 목형상부가 탐침 및 견본 사이에서 형성되도록 하는 것이 가능하다.

부가적인 직접 힘(F direct)의 근원에 관계없이, 탐침의 낮은 Q는 지지 빔이 곧게 되고 견본 표면과 탐침의 접촉이 직접 힘(F direct)의 작용에 의해서 회복되도록 함으로써 저장된 에너지가 빠르게 분산되도록 한다. 탐침에 의한 견본 표면의 추적은 캔틸레버 굽힘 힘 kx에 의존하는 선생 기술의 추적 메커니즘보다 빠르게 작동하는 기계적 피드백 루프에 의해서 달성된다.

본원에 기술된 현미경에서, 탐침의 끝은 제1진동모드보다 상당히 높은 주파수에서 반등한다. 그러므로 굽힘의 정도가 수직 위치에서 얼마나 오랫동안 존재하 였는가에 의존하기 때문에 탐침의 굽힘과 탐침의 수직 위치 사이에는 더 이상 단순한 관계가 존재하지 않는다. 그러므로 이미지 탐침의 후면으로부터의 레이저를 분할 광다이오드에 반사시키는 것에 기초하는 방법을 사용하여 획득된 이미지는 표면의 지형에 일치하지 않으나, 지형 및 그레디언트의 조합에 일치한다. 지형에 일치하는 이미지를 획득하기 위해서, 탐침의 이동은 예를 들어 간섭 방법을 사용하여 모니터 될 수 있다. 예를 들어 섬유 간섭계는 섬유와 관련한 탐침의 끝의 위치를 모니터하는데 사용되거나, 웰라스톤 프리즘(Wollaston prism)에 기초한 간섭계가 다른 지점과 관련한 탐침의 끝의 위치를 모니터하기 위해서 사용되거나, 간섭 현미경이 탐침의 끝의 위치를 모니터하기 위해 사용되고, 이러한 경우에는 현미경의 관찰의 분야 내의 어느 한 위치에서 광학 강도는 탐침의 끝이 그것의 수직위치에 따라서 변화하는 것과 일치한다. 어떠한 방법이 사용되는 이미지는 도량학을 이한 특정 용법을 사용하여 표면에 지형과 일치하여 획득될 수 있다.

F direct > kx를 달성하는 것을 보조하기 위하여, 탐침은 상대적으로 낮은 스피팅 상부를 갖도록 추가로 설계되어야 한다. 일반적으로 이는 1Nm¹보다 작아야 하며, 적절한 모양을 한 탐침을 사용하여 달성될 수 있다. 본 발명에서 캔틸레버 편차는 탐침이 놓여있는 공간에서의 위치, 즉 탐침 및 견본 사이의 상호작용력을 정의하는데 유용하며 그로 인해 이미지가 수집될 수 있도록 한다.

하나의 표준 탐침 설계에서, 캔틸레버는 0.01 에서 0.06nm¹ 사이의 일반적인 스프링 상수를 갖는다. 수용 가능한 범위는 영사될 형상의 높이에 의존하다. 형상의 높이가 50nm인 경우, 표준 탐침은 0.5nN 에서 3nN 사이의 회복력을 행사한 다. 탐침 말단에 적용되는 직접 힘은 모세관 목형상부와 도4, 도5 및 도7에서 도시한 설정으로 발생한 것과 같은 정전기력의 조합으로 발생하는 1 에서 100nN 차수로 추산된다. 정전기력의 크기는 이미지를 최적화하기 위해서 조절될 수 있다. 이는 가장 빠른 요구되는 반응 및 그로 인한 최대 탐침 말단 속도를 위한 설정이며, 가능한 가장 큰 힘이 탐침 말단에 적용되며 이는 연구중에 표면을 손상하거나 파열하지 않는다.

견본 추적에서 캔틸레버 힘에 의존하는 것과 반대로 직접 회복력(F direct)을 사용하는 능력은 선행 기술을 능가하는 현저한 개선을 나타낸다. 기계적 에너지를 저장하는 감소된 능력을 갖는 탐침을 제공함으로써, 탐침에서 작용하는 주요 힘은 직접 힘(F direct) 및 표면에 의해 탐침의 즉각적인 굽힘으로 인해 발생하는 힘이며, 직접 힘(F direct)이 우세한 힘이다. 이는 직접힘이 모세관 목형상부의 의해서 발생한 "자연적인" 힘이든 자기 구술을 통해 적용되는 추가적인 외부 힘이든 관계없이 적용된다. 어느 경우에서든, 회복력은 실질적으로 탐침의 위치에 독립적인 크기를 갖는다. 대조적인 방법으로, 선생기술의 회복력 kx의 크기는 정치위치에서부터 캔틸레버의 이동(x)에 의존한다. 그러므로 높은 회복력은 견본의 특정한 높은 영역에서 발생된다. 만약 회복력이 이러한 방식으로 변화할 수 있게 되다면 견본이 손상되지 않는다고 확실할 수 없다. 본 발명에 합치하여 실시되는 회복 메커니즘은 견본 높이와 크게 독립적인 크기를 갖는다. 설명된 것처럼, 비록 견본 높이에 의존하지 않는 크기를 갖는 힘이 바람직하지만, 적용되는 힘이 자기력일 것이 필수불가결한 것은 아니다. 탐침에 나타나는 진동 모드로부터에 어떠한 힘도 탐침이 표면을 떠나는 원인이 되지 않기 위해서 표면을 향하는 알짜힘이 존재하는 것이 요구된다. 그러므로 덜 엄격한 보다 큰 직접 힘(F direct)은 코팅에 의한 에너지 흡수 및 발산을 위해 요구된다. 이러한 점에서, F direct의 근원으로 오직 모세관 목형상부에 의존하는 낮은 Q 캔틸레버를 사용하여 본 발명을 실시하는 것이 가능하지만, 편차-독립 외부 힘이 또한 사용되는 것이 선호된다. 본원에 기술된 실시예에서 설명한 것 처럼 정전기력 또는 자기력에 지배를 받는 탐침은 더욱 제어가능하고 높은 품질 이미지를 형성하는 더 많은 선택사항을 제공한다.

도9a 내지 도9f는 통상적인 AFM 장치를 능가하는 본 발명의 탐침의 성과에 의한 개선점을 도시한다. 도 9a, 9b 및 9c는 동일한 표면 영역의 모든 이미지이고 도9d, 도9e 및 도9f는 다른 표면 영역의 유사한 모든 이미지이다. 모든 경우에 축척 막대는 1미크론을 나타내며 영사된 표면 물질은 유리기반에 장착된 폴리(산화에틸렌)(PEO)이다. 도9a 및 9d는 본 발명의 탐침을 사용하여 생성된 이미지임에 반해 도9b 및 9e는 탐침 높이를 변경하는 통상적인 AFM 모니터링을 사용하여 생성된 이미지이며 도9c 및 도9f는 편차를 변경하는 통상적인 AFM 모니터링을 사용하여 생성된 이미지이다. 도9a 및 도9d의 이미지를 생성하기 위해서 나노스코프™ Ⅳ 제어기를 구비한 비코 디맨젼 3100™ AFM이 폴리머 필름으로 코팅된 상업적으로 이용가능한 캔틸레버와 함께 사용된다. 견본은 석영 크리스털 공진기 및 5미크론 압전 스택(stack)(P-802 및E505, 독일 피식 인스트루먼트(Physik Instrument))로부터 형성된 마이크로 공진 스캐너에 장착된다. 도9a 및 9d에서의 데이터를 수집하기 위해서, 인피니터시마 주식회사(Infinitersima Ltd)의 공진 스캐닝 제어기(Resonant Scanning Controller)가 사용된다.

도9a 및 9d는 14.3 ms의 주기 동안 128 x 128 픽셀 배치로부터 형성되고, 각각의 이미지의 중앙에서 탐침 말단 속도는 각각 22.4cms¹와 16.8cms¹이다.

그러므로 수 미크론의 영역의 본 발명의 이미지는 이미지 수십에 30초 이상이 걸리는 통상적인 AFM과 달리 수 밀리초(천 분의 1초)내에 생성될 수 있다. 비록 도시한 실시예가 통상적인 AFM 현미 사용법으로 최근의 사용되는 스캐닝 탐침 말단 속도와 등가인 스캐닝 탐침 말단 속도를 사용하여 작동되지만, 실시예는 0.1cms¹ 이상의 탐침 말단 속도가 될 수 있으며 견본 표면의 균등성에 따라서 50.0cms¹를

초과하는 탐침 속도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 22.4cms¹의 탐침 말단 속도를 사용하여 4.4 x 4.4미크론 영역은 14.3ms¹ 내에 영사될 수 있으며 1.5 x 1.5미크론의 영역에서는 8.3ms¹ 내에 영사될 수 있다. 게다가 이러한 속도일지라도, 10nm 측면 및 1nm 수직 행상도 보다 나은 해상도가 부드러운 폴리머 표면에서 달성가능하다.

상기 탐침 말단 속도에서 견본은 낮은 속도에서보다 적게 손상을 입은 것이 추가로 관찰된다. 탐침 말단이 각각의 지점에서 적은 시간을 소비하기 때문에, 견본은 적게 변형되고 가소성으로 변형이 시작되는 지점에 적게 도달한다. 본 발명을 사용하여, 견본의 표면은 10의 8 제곱 ms¹ 근처의 전단 비율을 받게 되고, 이것은 많은 폴리머가 예를 들어 유리 특성을 나타내는 비율이다. 일반적으로 높은 주파수는 점성-탄성 액체를 유리 천이 온도를 통해 아래로 밀어내고 그로 인해 탐침 의 관찰이 표면에 적은 손상을 발생하는 표면의 성질로 변경한다.

본 발명의 탐침은 낮은 Q를 갖도록 선택되며, 이는 이상적으로 어떠한 유도된 진동도 임계 제동되는 것이다. 본원에 기술한 것처럼, 가장 바람직하며 모세관 목형상부에 의한 자연 복원력으로 개선된 추적을 가능하게 하는데 충분히 효과적인 배열은 폴리머 필름 같은 에너지 흡수 물질로 탐침의 지지 빔의 한쪽 또는 양쪽 면을 코팅하는 것이다. 대안으로는 큰 자기(또는 다른 부가적인)력이 적용된다면 낮은 Q를 보장하는 수단은 탐침 모양의 신중한 선택이다. 다른 대안은 스캔 동안 탐침을 점성/액체 환경에 담그는 것에 의해 낮은 Q 계수를 제공하는 것이다. 추가적인 대안은 예를 들어 지지 빔이 보다 낮은 효과적인 Q계수를 제공하도록 제공되는 전기 반응성 물질을 포함허가나 이로부터 형성되는 것처럼 탐침의 지지 빔의 성질을 전기적으로 변경하는 것이다.

지지 빔, 탐침 말단 및 자기 구술같이 어떠한 부가적인 구성 성분은 이상적으로 작은 질량을 갖는다. 이는 자연스럽게 탐침 말단이 주어진 복원력에서 표면으로 돌아오는 가속을 증가시키고 그로 인해 탐침이 표면을 따라 움직이는 것을 가능하게 한다.

지지빔은 이상적인 응답을 증진하기 위해서 맞춤 설계될 것이다. 즉 탐침이 견본을 따라 움직일 때 굽힘의 결과로서 방향 종속 복원력을 최소화하고 탐침이 표면을 떠나는 진동 반응을 제동하여야 한다(낮은 Q 계수). 비록 본원에서 캔틸레버 설계로서 언급되었지만 이는 사용이 선행 기술의 AFM를 상기 새로운 목적에 적합하게 함으로써 만들어지기 때문에 단순하다. 본 발명에 요구되는 전부는 탐침이 견본 에 관계된 정의가능한 측면 위치(x, y 평면) 및 z 방향에서의 자유 이동을 갖는 것이다. 선행 기술 AFM 캔틸레버 탐침은 이러한 기능을 쉽게 수행할 수 있으나 해결책을 나타내지는 않는다.

탐침 말단을 위한 지지 빔을 포함하는 실시예로 돌아가서, 도10은 복원력을 감소하고 Q 계수를 낮추는데 기여하는 상기에 살펴본 것보다 더욱 정교한 빔의 다양하고 가능한 설계 형상을 도시한다. 본원에 기술한 것 같은 폴리머 코팅은 응답을 맞추기 위한 각각의 설계와 결합하여 사용될 수 있다. 도10(c)은 더욱 전통적인 빔 모양을 도시하나 도10(a) 및 도10(b)은 대안적인 가능성을 도시한다. 각각의 설계에서 영역1 내지 영역4는 강조되어 있으며, 각각의 영역은 특정한 성질을 갖고 설계된다. 각각의 도면(a) 내지 도(c)는 기반의 전방으로 연장하는 하나 이상의 지지 빔을 도시한다.

모든 경우에 영역(1)은 회전축 지점이다. 즉 캔틸레버 빔이 아크 형태로 회전하는 영역이다. 그러므로 영역(1)은 z축을 따라 매우 낮은 스프링 상수(이상적으로 o.o1 Nm¹ 미만)를 갖고 x, y평면 내에서는 매우 높은 스프링 상수를 갖는다. 그러므로 탐침 말단의 측면 위치는 기판 위치와 관련하여 정의되나 작은 편차를 위해서 견본 표면으로 자유롭게 수직으로 움직일 수 있다.

영역(2)은 기본 빔 구조를 형성한다. 이는 높은 기초적인 공진 주파수를 갖고 잘 움직이지 않는 것이어야 한다.

영역(3)은 굽힘 영역으로, 이는 탐침 말단이 상하로 움질일 수 있도록 하며 지지 빔을 탐침 말단 영역에 연결한다. 상기 영역의 스프링 상수는 탐침 말단의 공 진 주파수가 탐침의 응답시간보다 높도록 선택되다. 즉 기계적 피드백 루프의 대역복보다 크다. 상기 영역은 공중에서 제동을 제공하기 위해서 폴리머로 코팅되어야 한다. 그러나 만약 액체에서 영사된다면 코팅의 필요성은 액체 환경이 에너지 분산 성질에 의해서 많이 극복될 것이다.

영역(4)는 탐침 말단 영역이다. 탐침 말단은 낮은 표면에 부착되거나 낮은 표면의 일부를 형성한다. 상기 영역의 지역은 광학 레버 및 원방(far field) 광학 시스템을 위한 위치 검출 시스템에 의하여 결정된 위치에 대해서 충분히 크며, 본질적으로 수 미크론보다 큰 측면 영역과 일치한다.

외부 직접 힘이 탐침을 표면을 향하여 추진하기 위해서 탐침에 사용되는 실시예에서, 이러한 힘에 응답하는 소자는 탐침 말단 영역(4)이나 지지 빔 영역(2)에 위치되거나 양쪽에 위치된다. 그러나 탐침 말단에 위치하는 것이 바람직하다.

도11 및 도12는 지지 빔에 낮고 조절된 스프링 상수의 형성 예를 도시한다. 기본적으로, 도11에 도시한 것처럼 이는 지지 빔의 요구되는 지역에 구멍을 형성하는 것과 관련 있다. 도11(b) 및 도11(c)에서 도시한 설계는 도11(a)와 비교하여 증가된 측면 안정성을 제공한다. 구멍 모양은 폴리머 코팅의 성질을 제어하기 위해서 예를 들어 도면 12처럼 다양할 수 있다. 즉, 굴곡지거나 사각형 또는 다른 모양의 구멍은 지지 빔 표면에 형성되는 폴리머 코팅 방식에 상이하게 영향을 주며, 차례로 캔틸레버의 제동 성질에 영향을 준다.

탐침 지지 빔의 맞춤 설계를 제공하는 것의 이점은 진동 제동과 편차-종속 복원력을 위한 고유의 요건의 분리를 가능하게 한다는 것이다. 자세하게는, 오직 주요모드가 견본 표면의 높은 지역이 마주쳤을 때 자극될 수 있도록 설계될 수 있다. 그러므로 선행 기술의 캔틸레버 빔의 다중 모드 요건과 다르게 예를 들어 코팅에 의해서 지지빔이 이러한 모드에 대해서 낮은 Q 계수를 갖게하는 것만이 오직 필요하다.

도2 내지 도7에 도시한 장치는 오직 예시적인 AFM의 도면이라는 것이 언급되어야 한다. 본 발명이 실시되는 수많은 상이한 AFM의 실시예가 존재하며, 이들 모두는 이미지를 획득하는 주요한 방법으로서 탐침 높이의 전통적인 피드백 제어를 제외한다. 예를 들어, 소리굽쇠 같은 공진기의 설치는 필요하지 않다. 이러한 배열은 공진 진동을 사용하는 빠른 스캐닝 기술에 대한 본 발명의 적용성을 설명하기 위해서 상기 실시예에서 단순히 사용된다. 이는 동일하게 느린 스캐닝 방법에도 사용될 수 있다. 대안적으로 탐침(22)은 견본(14)의 위치에서 진동될 수 있다. 이러한 대안적인 실시예로 광학 기술이 탐침의 이동을 모니터하기 위해 사용되는 경우, 영사 빔(imaging beam)이 충분하게 빠른 스캔 축을 둘러싸는 것이 착상된다.

탐침 편차/이동은 광학 레버 기술이 아닌 다른 수단에 의해서 측정될 수 있다. 업계에 알려진 대안적인 기술은 간섭 측정법 및 가열된 탐침의 복사 출력에서의 열적 변화의 검출뿐 아니라 압전 전기적(piezoelectrically)으로 코팅된 탐침을 포함한다. 탐침의 편차/이동을 모니터링하기 위해서 간섭측정법을 사용함으로써 탐침 편차 데이터로부터 견본 표면의 순수한 지형 데이터를 추출하는 것이 가능하고, 이는 탐침이 반응하는 주파수로 인해 견본 표면의 지형과 공간적인 특징의 주파수 모두를 나타낸다. 또한, 견본 판/ 탐침의 움직임을 제어하기 위한 압전 전기 작동 기의 사용이 바람직하더라도, 예를 들어 제어 로드(rod)의 열적 확장을 수반하는 다른 작동기가 착상된다.

비록 탐침의 Q 계수의 조절이 탐침의 지지 빔에 대한 에너지 흡수 코팅을 제공하는 수단으로 기술되었지만, 탐침의 Q계수를 제어하기 위한 다른 수단이 전자 제어를 포함하여 착상된다.

탐침의 스캔 지역보다 표면 지역을 크게 영사하기 위해서, 상이하고 보통 인접한 지역의 분리된 연속적인 이미지가 생성되고 큰 지역에 걸친 이미지를 형성하기 위해 합쳐진다. 스테퍼 모터(stepper motor) 또는 다른 작동기는 탐침 및/또는 견본 판을 각각의 개별적인 이미지를 위한 미세 위치 조정 전에 분리된 이미지 사이에서 움직이는데 사용될 수 있다. 이상적으로 개별적인 스캔 지역은 개별적인 이미지의 정렬의 광학적 확립이 가능하도록 겹쳐지게 선택된다.

만약 소리굽쇠(16)가 사용된다면 이것은 다수의 상업적으로 가능한 소리굽쇠 중 하나거나, 요구되는 진동 주파수를 제공하는 맞춤 설계 중 하나일 것이다. 적절한 예는 32kHz의 공진주파수를 갖는 석영 크리스털 소리굽쇠이다. 소리 굽쇠는 높은 비등방성 기계 성질을 구비하게 설계되기 때문에 이러한 사용에 매우 적절하다. 그러므로 소리굽쇠의 공진은 독립적이며 개별적으로 자극될 수 있고 견본의 평면에서만 공진을 제한한다. 중요한 것은 소리굽쇠(16)는 모드간에 발생하는 결합 없이 한 방향으로 공진될 수 있고 다른 방향에서 스캔 될 수 있다. 그러므로 견본이 탐침(22)에 의해서 조사될 때 견본(14)의 안정적이고 빠른 동작을 가능하게 한다. 잘 분리된 측면 및 세로방향 공진을 위한 유사한 설비를 갖는 대안적인 기계적 공진기 가 소리굽쇠 대신에 사용될 수 있다.

비록 AFM 동작이 탐침과 견본 표면 사이의 힘 상호작용이 존재하는 것이 요구되지만, 본 발명은 오직 AFM 작동에 대해서만 제한되는 것이 아니다. 그러나 이러한 작동 모드는 다른 상호 작용이나 탐침과 견본간의 상호작용 지표를 모니터하기 위해서 설계된 현미경 구성요소와 결합될 수 있다. 다른 상호작용의 예는 광학적인, 용량성의, 자기적인, 전단력 또는 열적 상호작용을 포함한다. 다른 지표는 진동 크기, 탭핑(tapping)이나 전단력 중 하나, 정전용량 또는 유도된 전류를 포함한다. 이러한 일반적인 탐침 현미경의 다양한 작동 모드는 예를 들어 영구 특허 출원 번호 0310344.7에 기술됐다.

AFM내에서 사용되는 탐침과 견본 표면 간의 상호작용은 표면에 특성에 영향을 줄 수 있고 표면에 의도적으로 정보를 "기록"할 수 있다. 이러한 기술은 나노리토그라피(nanolithography)로서 알려져 있고 AFM은 이러한 목적을 위해서 널리 사용된다. 예를 들어, 전압을 전동성 캔틸레버에 사용함으로써, 견본 웨이퍼의 금속층의 영역은 산화될 수 있다. 또 다른 예로, 이광자 흡수 이용 및 광감저항체의 중합반응이 "틈이 없는 광학 검침을 이용한 근접 영역 이광자 나노리토그라피" 치아오보 인(Xiaobo Yin)등에 의해 Appl. Phys. Lett 81(19)3663(2002).에서 기술됐다. 두 가지의 예에서 탐침의 매우 작은 크기는 기록된 정도가 극도로 높은 밀도가 될 수 있게 한다. 본 발명의 AFM 및 캔틸레버 탐침은 또한 나노리토그라피에서 사용될 수 있도록 만들어진다. 본 발명을 사용한 표면 추적을 개선하는 능력은 과거의 달성할 수 있었던 것보다 빠른 기록 시간을 위한 가능성을 제공할 뿐 아니라, 얘를 들어 기록 밀도 같은 증가된 이미지 해상도를 위한 가능성을 제공한다. 나노리토그라스에서 사용하기에 더욱 적합하게 만들기 위해서 탐침 말단은 전기적 전도체일 수 있으며, 표면과의 광학 상호작용을 증가시키기 위해서 금속으로 코팅되거나 부각(dip) 펜 리토그라피 사용을 위한 선택된 분자 종으로 코팅될 수 있다.

Claims

원자력 현미경 또는 나노리토그라피에서 사용하고, 반지름이 100nm 또는 그보다 작은 말단을 갖는 탐침 말단(4)에 연결된 힘 감지 부재(3)를 포함하는 탐침(22)에 있어서, 상기 탐침이 탐침 말단(4) 및 견본 중 하나 또는 양자 모두가 서로를 향하도록 추진하기 위해 실질적으로 편차 독립적인 외부에서 적용되는 힘에 반응하는 편향 소자(24, 50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제1항에 있어서, 상기 편향 소자가 외부에서 적용되는 자기력에 반응하는 자기 소자(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제2항에 있어서, 상기 자기 소자(24)는 탐침 말단(4)에 인접한 힘 감지 부재(3)에 장착되는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제1항에 있어서, 상기 편향 소자는 탐침(22)과 견본 사이의 전위를 적용하기 위한 전원(60)의 한쪽 터미널에 연결되는 전기 전도성 부재(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 소자는 탐침(4)에 인접하여 제공되는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
원자력 현미경 또는 나노리토그라피에서 사용하고, 말단 반지름이 100nm 또는 그보다 작은 말단을 갖는 탐침 말단(4)에 연결된 힘 감지 부재(3)를 포함하는 탐침(22)에 있어서, 외부에서 적용되는 힘에 영향을 받았을 때, 탐침 말단이 견본을 조사할 동안 탐침 말단의 이동으로 인하여 발생하는 복원력보다 큰 크기를 갖고 탐침 말단(4) 및 표면 중 하나 또는 양자 모두가 서로를 향하도록 편향력이 추진되도록 탐침이 작용하는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘 감지 부재(3)는 힘 감지 부재(3)의 하나 이상의 진동 모드를 위해서 낮은 양호도를 갖는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제7항에 있어서, 상기 힘 감지 부재(3)는 하나 이상의 진동 모드의 자극을 통해서 힘 감지 소자에 기계적으로 저장된 에너지를 분산하는 제동 소자(22c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제8항에 있어서, 상기 제동 소자(22c)는 힘 감지 소자(3)의 적어도 한쪽 면에 기계적 에너지 흡수 물질의 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제9항에 있어서, 상기 에너지 흡수 물질은 폴리머 필름인 것을 특징으로 하 는 탐침(22).
제10항에 있어서, 상기 폴리머 필름은 비결정질 고무가 주성분이며, 결정질 또는 유리질 성분이 소수 성분인 혼성 중합체로 형성되는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제10항 또는 제11항에 있어서, 힘 감지 부재(3)는 용액 주조에 의해 폴리머로 코팅되는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
제8항에 있어서, 제동 소자(22c)는 조절된 스프링 상수를 갖는 힘 감지 부재(3)의 영역(영역3)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 탐침(22).
탐침(22)과 견본 표면 사이의 상대적인 스캐닝 움직임을 제공하고 탐침과 견본 사이에 검출가능한 상호작용이 설립되기에 충분할 만큼 견본과 탐침(22)을 근접시키는 구동 수단(16, 18, 20, 70) 및;

탐침(22) 편차 및/또는 이동을 측정하는 탐침 검출 메커니즘(22)을 포함하고,

견본과 탐침(22) 사이의 상호작용력에 합치하여 견본을 영사하기 위한 원자력 현미경(10)에 있어서,

상기 원자력 현미경(10)이 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 탐침(22)을 포 함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경(10).
제14항에 있어서, 탐침(22)과 견본 사이에서 상대적인 진동 움직임을 발생시키기 위해서 탐침(22) 또는 견본대 중 하나와 기계적으로 결합한 공진 진동기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경(10).
탐침(22)과 견본 표면 사이의 상대적인 스캐닝 움직임을 제공하고 탐침과 견본 사이에 검출가능한 상호작용이 설립되기에 충분할 만큼 견본과 탐침(22)을 근접시키는 구동 수단(16, 18, 20, 70) 및;

탐침(22) 편차 및/또는 이동을 측정하는 탐침 검출 메커니즘(22)을 포함하고,

견본과 탐침(22) 사이의 상호작용력에 합치하여 견본을 영사하기 위한 원자력 현미경(10)에 있어서,

상기 원자력 현미경(10)은 작동 중에 힘(F direct)이 견본 및 탐침(22)의 하나 또는 양자 모두에 적용되거나 견본과 탐침(22) 사이에 적용되고, 탐침(22)이 견본을 향하도록 또는 그 반대가 되도록 상기 힘(F direct)이 미치도록 배열된 힘 발생 수단(24, 26; 50, 60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경(10).
제16항에 있어서, 상기 힘(F direct)은 실질적으로 탐침(22)의 편차의 정도에 독립적인 양을 갖는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제17항에 있어서, 상기 탐침(22)은 스프링 상수(k)를 갖고, 적어도 미리 정해진 시간 척도 내에서 탐침이 견본의 표면을 스캔할 때 상기 적용된 힘(F direct)이 탐침(22)의 편차(x)에 의해서 제공되는 회복력(kx)보다 크도록 탐침(22) 특성 및 적용된 힘(F direct)이 선택되는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제18항에 있어서, 상기 탐침(22)은 1Nm¹보다 작은 스프링 상수(k)를 갖는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘(F direct) 발생 수단은 자석(26) 및 탐침(22)에 합체된 자기 성분(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘(F direct) 발생 수단은 탐침 말단(4)과 견본 사이에 끌어당기는 편향(biasing) 전압을 적용하기 위한 수단(50, 60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제16항에 있어서, 힘(F direct) 발생 수단은 탐침(22)과 견본 사이에 모세관 목형상부의 형성을 촉진하는 견본 환경을 포함하고, 상기 모세관 목형상부는 상기 적용된 힘(F direct)을 제공하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제22항에 있어서, 힘(F direct) 발생 수단은 상기 탐침(22) 위에 친수성 표면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제16항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 탐침은 낮은 양호도를 갖는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제24항에 있어서, 현미경의 작동 동안 탐침(22) 및 견본을 액체에 담그는 수단(80)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제24항에 있어서, 상기 탐침(22)의 힘 감지 소자(3)는 하나 이상의 진동 모드의 자극을 통해서 힘 감지 소자(3)에 기계적으로 저장된 에너지를 분산하는 제동 소자(22c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제26항에 있어서, 상기 제동 소자는 힘 감지 소자(3)의 적어도 한 쪽면에 폴리머 물질(22c)의 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
제16항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 탐침(22)과 견본 사이에서 상대적인 진동 움직임을 발생시키기 위해서 탐침(22) 또는 견본대 중 하나와 기계적으로 결합한 공진 진동기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.
나노미터 형상을 갖는 견본의 스캔 지역으로부터 이미지 데이터를 수집하는 방법에 있어서,

(a) 탐침 및 견본 사이에서 상호작용력이 설립되도록 하기 위해 말단 반지름이 100nm 또는 그보다 작은 말단을 구비한 힘 감지 소자를 견본과 가까운 위치로 움직이는 단계;

(b) 탐침(22)이 견본(14)을 향해 움직이도록 추진되거나 이와 반대로 추진되도록 견본과 탐침 사이에서 설립된 편차-독립적인 힘(F direct)을 발생시키는 단계;

(c) 스캔 선의 배열이 스캔 영역을 덮도록 탐침(22)과 견본 표면 사이의 상대적인 움직임을 제공하는 동안 견본의 표면을 가로지르는 탐침(22)이나 탐침(22) 아래의 견본 중 하나를 스캐닝하는 단계;

(d) 탐침(22)의 편차 및/또는 이동을 측정하는 단계; 및

(e) 견본의 나노미터 구조와 관계된 정보를 추출하기 위해서 단계(d)에서 행하여진 측정을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제29항에 있어서, 단계(c) 동안 진동 모드의 자극을 통해서 힘 탐지 소자(3)에 저장된 에너지를 분산시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제29항 또는 제30항에 있어서, 단계(c)하에 탐침(22)과 견본 표면 사이의 상 대적인 움직임은 공진 진동기에 의해서 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
탐침(22) 견본 표면 사이의 상대적인 스캐닝 움직임을 제공하고 견본 및 탐침(22)이 근접하게 할 수 있는 구동 수단(16, 18, 20, 70); 및

일반적으로 하나의 스캔 라인보다 짧은 시간 척도에서 단속적으로 탐침과 견본의 상호작용의 세기를 변경하고 탐침의 소재지 내에서 견본 표면의 특성을 단속적으로 변경하도록 배열된 탐침 기록 메커니즘을 포함하는,

견본과 AFM 캔틸레버 탐침(22) 사이의 상호작용으로 견본에 정보를 기록하기 위한 스캐닝 탐침 원자력 현미경(10)에 있어서,

작동 중에 힘(F direct)이 견본 및 탐침(22)의 하나 또는 양자 모두에 적용되거나 견본과 탐침(22) 사이에 적용되고, 탐침(22)이 견본을 향하도록 또는 그 역이 되게 상기 힘(F direct)이 작용하도록 배열된 힘 발생 수단(24, 26; 50, 60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경(10)
제32항에 있어서, 탐침(22)과 견본 표면 사이의 상대적인 움직임이 공진 진동기에 의해서 제공되는 것을 특징으로 하는 원자력 현미경.