KR20140026508A - 콤팩트한 스캐너를 구비하는 주사형 탐침 현미경 - Google Patents

콤팩트한 스캐너를 구비하는 주사형 탐침 현미경 Download PDF

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Abstract

헤드를 포함하는 주사형 탐침 현미경(SPM)을 위한 스캐너는 액츄에이터, 및 스캐너 이동을 탐지하는 센서를 구비하는 스캐너 몸체를 구비한다. 스캐너 몸체는 도구들의 이용 없이 손으로 헤드로부터 제거 가능하고 약 5 제곱 인치보다 작은 총 부피를 구비한다. 스캐너에 결합된 프로브 디바이스의 이동은 실질적으로 의도된 방향으로만 제한되는 것을 보증하기 위해 제공된다. 스캐너를 위한 기본적인 공진 주파수는 10 kHz보다 클 수 있다.

Description

콤팩트한 스캐너를 구비하는 주사형 탐침 현미경{SCANNING PROBE MICROSCOPE WITH COMPACT SCANNER}
바람직한 실시예들은 고속 주사형 탐침 현미경(scanning probe microscope; SPM)에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 빠른 주사를 포함하는, SPM 성능을 유지하면서, 이용의 용이를 수월하게 하기 위해 SPM의 헤드로부터 쉽게 제거 가능할 뿐만 아니라, 경량이고 콤팩트한 SPM을 위한 Z-스캐너에 관한 것이다.
원자력 현미경(AFM) 같은 주사형 탐침 현미경은 샘플의 하나 또는 그 이상의 특성들을 측정하면서 샘플 및 측정하는 프로브 사이의 상대적인 스캐닝 이동을 제공하는 것에 의해 작동한다. 일반적인 AFM 시스템이 도 1에 개략적으로 도시된다. AFM(10)은 외팔보(cantilever; 15)를 구비하는 프로브(14)를 포함하는 프로브 디바이스(12)를 활용한다. 스캐너(24)는 프로브-샘플 상호작용이 측정되는 동안 프로브(14) 및 샘플(22) 사이에 상대적인 움직임을 발생시킨다. 이러한 방식으로 샘플의 이미지들 또는 다른 측정값들이 획득될 수 있다. 스캐너(24)는 보통 세 개의 직교 방향들(XYZ)로 움직임을 발생시키는 하나 또는 그 이상의 액츄에이터들로 일반적으로 이루어진다. 종종, 스캐너(24)는 모든 세 개의 축들로 프로브 또는 샘플 중의 하나를 이동시키기 위해 하나 또는 그 이상의 액츄에이터들, 예를 들어 압전 튜브 액츄에이터를 포함하는 단일의 일체화된 유닛이다. 그 대신에, 스캐너는 많은 별개의 액츄에이터들의 어셈블리일 수 있다. 일부 AFM s은 많은 구성요소들, 예를 들어, 샘플을 이동시키는 XY 스캐너 및 프로브를 이동시키는 별개의 Z-액츄에이터로 스캐너를 분할한다.
일반적인 구성에서, 프로브(14)는 종종 외팔보(15)의 공진 주파수 근처 또는 거기에서 프로브(14)를 구동시키기 위해 사용되는 구동부(16) 또는 진동하는 액츄에이터에 결합된다. 대안적인 배치들은 외팔보(15)의 편향, 비틀림, 또는 다른 움직임을 측정한다. 프로브(14)는 종종 일체화된 팁(17)을 구비하는 미세 가공된(microfabricated) 외팔보이다.
일반적으로, 전자 신호는 프로브 홀더 쐐기(또는 그 대신에 스캐너(24))에 결합된 액츄에이터(16)가 진동하도록 프로브(14)를 구동시키기 위해 SPM 제어기(20)의 제어 하에서 AC 신호 공급원(18)으로부터 적용된다. 프로브-샘플 상호작용은 제어기(20)에 의한 피드백을 통해 일반적으로 제어된다. 특히, 액츄에이터(16)는 스캐너(24) 및 프로브(14)에 결합될 수 있으나 자가-작동되는(self-actuated) 외팔보/프로브의 부분으로서 프로브(14)의 외팔보(15)와 일체형으로 형성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 샘플 특징들이 프로브(14)의 진동의 하나 또는 그 이상의 특징들에서의 변화들을 탐지하는 것에 의해 감시될 때 종종 선택된 프로브(14)는 샘플(22)과 접촉하고 진동된다. 이 점에 있어서, 편향 탐지 장치(deflection detection apparatus; 25)가 프로브(14)의 배면을 향해 빔을 향하게 하기 위해 일반적으로 활용되고, 빔은 네 개의 사분원 광검출기(quadrant photodetector) 같은, 검출기(26)를 향해 반사된다. 장치(25)의 감지하는 광원(sensing light source)은 일반적으로 레이저, 종종 가시 또는 적외선 레이저 다이오드이다. 감지하는 광 빔(sensing light beam)은 또한 다른 광원들, 예를 들어 He-Ne 또는 다른 레이저 공급원, 초발광 다이오드(SLD), LED, 광섬유, 또는 작은 스폿에 집중될 수 있는 다른 광원에 의해 발생될 수 있다. 빔이 검출기(26)를 가로질러 이동하면서, 적합한 신호들이 제어기(20)에 전송되고, 프로브(14)의 진동에서의 변화들을 결정하기 위해 신호들을 처리한다. 일반적으로, 제어기(20)는 프로브(14)의 진동의 세트포인트(setpoint) 특징을 유지하기 위해, 샘플 및 팁 사이의 상대적으로 일정한 상호작용(또는 레버(15)의 편향)을 유지하기 위해 제어 신호들을 발생시킨다. 예를 들어, 제어기(20)는 종종 팁 및 샘플 사이의 대체로 일정한 힘을 담보하도록, 세트포인트 값, A S , 에서 진동 진폭(oscillation amplitude)을 유지하기 위해 사용된다. 그 대신에, 세트포인트 상(phase) 또는 주파수가 사용될 수 있다.
워크스테이션(workstation; 40) 또한 독립형(stand-alone) 제어기들 또는 연결된 별개의 제어기 또는 시스템 내에 및/또는 제어기(20) 내에 제공되고, 작동들을 결정하는 거리, 곡선 맞춤(curve fitting), 포인트 선택을 수행하기 위해 스캐닝 동안 획득된 데이터를 조종하고 제어기로부터 수집된 데이터를 수용한다. 워크스테이션은 메모리 내에 결과적인 정보를 저장할 수 있고, 추가적인 계산을 위해 그것을 이용하고, 및/또는 적절한 모니터 상에 그것을 디스플레이하고, 및/또는 유선 또는 무선으로 다른 컴퓨터 또는 디바이스에 그것을 전송할 수 있다. 메모리는 컴퓨터 판독 가능한 데이터 저장 매체를 포함할 수 있으며, 예를 들어 컴퓨터 RAM, 하드 디스크, 네트워크 저장소, 플래쉬 드라이브, 또는 CD ROM에 한정되지 않는다. 특히, 스캐너(24)는 종종 샘플 표면 및 측정하는 프로브 사이에서 상대적인 움직임을 발생시키기 위해 사용되는 압전 튜브 또는 (여기에서 종종 “피에조 스택(piezo stack)”으로 언급되는) 압전 스택(piezoelectric stack)을 포함한다. 피에조 스택은 스택 상에 배치된 전극들에 작용된 전압들에 기초된 하나 또는 그 이상의 방향들로 이동하는 디바이스이다. 피에조 스택들은 피에조 스택들의 움직임을 안내하고, 구속하고, 및/또는 증폭시키는 기능을 하는 기계적인 만곡부들과 조합하여 함께 사용된다. 추가적으로, 만곡부들은 “빠른-스캐닝 SPM 스캐너 및 이를 작동시키는 방법”이라는 제목이 붙은, 2007년 3월 16일에 출원된, 계류중인 출원 제11/687,304호에 설명된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 축으로 액츄에이터의 강도를 증가시키기 위해 사용된다. 액츄에이터들은 프로브, 샘플, 또는 둘 다에 결합될 수 있다. 가장 일반적으로, 액츄에이터 어셈블리는 수평으로 샘플 또는 프로브를 구동시키는 XY-액츄에이터, 또는 수직 또는 Z-방향으로 프로브 또는 샘플을 이동시키는 Z-액츄에이터 및 XY-평면의 형태로 제공된다.
SPM의 실용성이 점점 발전함에 따라, 현재 이용 가능한 것보다 높은 시간 분해능(time resolution)을 구비하는 나노스케일의(nanoscale) 프로세스들을 측정하고 및/또는 샘플 측정 처리량(예를 들어, 시간당 20개보다 많은 샘플들)을 개선하기 위해 더 큰 속도에서 다른 유형들의 샘플들을 이미지화하는 것이 요구된다. AFM 이미지화는 높은 공간 분해능(spatial resolution)을 제공하나, 그것은 일반적으로 낮은 일시적인 분해능(temporal resolution)을 구비한다. 일반적으로 고품질 AFM 이미지들은, 특히 수 미크론보다 큰 스캔 사이즈들에 대해, 획득하기 위해 몇 분이 소요된다.
몇몇의 요인들은 외팔보 응답 시간, X, Y 및 Z 방향들로 이용 가능한 스캐너 대역폭, 스캐너를 구동시키는 고전압 증폭기의 대역폭 및 전력, 외팔보 힘 감지 속도, 복조 시스템(demodulation system) 및 추적 힘(tracking force) 피드백 시스템을 포함하는 이미지화 속도를 제한할 수 있다.
대부분 측정하는 디바이스들을 구비하여, AFMs은 종종 분해능 및 획득 속도 사이에서 트레이드 오프(trade off)를 요구한다. 즉, 일부 현재 이용 가능한 AFMs은 서브-옹스트롬(sub-angstrom) 분해능을 구비하는 간단한 표면을 스캔할 수 있다. 이러한 스캐너들은 상대적으로 작은 샘플 영역들만, 그런 다음 상대적으로 낮은 스캔 속도들에서만 스캐닝할 수 있다. 종래의 상업적인 AFMs은 보통 낮은 추적 힘 및 고 분해능(예를 들어, 512 x 512 픽셀)에서 몇몇 미크론의 영역을 덮기 위해 몇 분이 일반적으로 걸리는 총 스캔 시간을 요구한다. AFM 스캔 속도의 실질적인 제한은 최대 속도의 결과이고 AFM은 샘플 및/또는 팁에 최소한의 손상을 유발하거나 손상을 일으키지 않게 하기에 충분히 낮은 추적 힘을 유지하면서 스캔할 수 있다. 일본 가나자와 대학의 토시오 안도 교수는 일반적으로 2um보다 작은, 작은 거리들에 대해 mm-크기로 된 샘플들을 스캔하는 AFM을 이용하는 고속 AFM을 구비하여 엄청난 진보를 이루었다. 안도 교수는 작은 스캔 사이즈들 및 작은 샘플들의 이러한 조합을 위해 높은 분해능을 구비하는 비디오 스캔 속도들(video scan rates)을 획득했다.
일반적으로 "팁 스캐너들"이라고 불리는, 다른 시스템들은 프로브가 스캐너 상에 장착되는 것으로 공지되거나 제안되었거나 및/또는 실시되었다. 하나의 그러한 시스템은 Dimension®이라는 이름 하에서 Veeco Instruments에 의해 판매되는 기구들의 라인(line)에 포함된다. 그 시스템은 Z-액츄에이터를 위한 상대적으로 큰 튜브 스캐너를 활용하고 상대적으로 낮은 대역폭을 구비한다. 다른 시스템은 Hwang에 의한 미국 특허7,249,494에 개시된다. Hwang 출원의 시스템에서, 프로브는 액츄에이터 상에 장착되고, 차례로 들어오는 레이저 광을 집속시키는 광학 대물 렌즈 상에 장착된다. 대물 렌즈는 차례로, x-y 액츄에이터 상에 장착된다. 그러나, 시스템의 대물 렌즈 및 다른 광학이 프로브에 대해 고정되므로, (적어도 20㎛의 폭, 40㎛보다 큰 길이를 구비하는) 상대적으로 큰 프로브들이 외팔보 상에 집속된 레이저 빔의 위치를 보증하기 위해 요구된다. 사용되는 일반적인 프로브들은 또한 대략 400 kHz의 공진 주파수(Fo) 및 약 400의 품질 인자(Q)를 구비한다. 이러한 프로브들을 위한 결과적인 응답 대역폭은 대략 Fo/Q
Figure pct00001
1 kHz이다. 어느 정도 그것의 낮은-대역폭 프로브에 의해, 결과적인 시스템은 30 Hz보다 작은 최대 스캔 속도(또는 초당 30 스캔 라인들)를 구비하고, 보다 일반적인 이미지화 속도는 대략 1Hz이다.
반면에, 급속도로 데이터를 획득할 수 있는 SPMs은 또한 수용할 수 없는 트레이드 오프들을 경험할 수 있다. 그러한 시스템은 Video AFMTM이라는 이름 하에서 Infinetisma에 의해 판매된다. Video AFM은 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio) 및 결과적인 이미지 품질을 상당히 손상시키는 비디오 속도들에서 작동한다. Infinitesima 시스템은 또한 스캔 라인 내 샘플 주름(sample corrugation) 내의 변형들에 응답하여 충분히 빠르지 않은 힘 피드백을 구비하는 일정한 모드에서 작동한다. 이러한 시스템에서, 샘플 또는 프로브는 소리굽쇠(tuning fork) 상에 장착된다. 프로브는 샘플 또는 프로브가 그것의 공진 주파수 근처에서 또는 거기에서 소리굽쇠를 진동시키는 것에 의해 스캔되는 동안 샘플과 접촉하도록 구동된다. 소리굽쇠들은 높은 공진 주파수들을 획득하게 위해 (일반적으로 mm의 크기의 수로 된) 꽤 작을 필요가 있으므로, 그것들은 여분의 질량에 의해 부하되는 것에 매우 민감하다. 결과적으로, (mm의 크기의 수로 된) 단지 매우 작은 샘플들 또는 외팔보 기판들이 성능의 감퇴 없이 소리굽쇠에 장착될 수 있다.
샘플의 표면 특징들의 시야(view)를 제공하기 위해 종래의 광학 현미경과 함께 AFM을 조합하는 것은 공지되어 있다. 특히, 고 성능 현미경 대물 렌즈는 짧은 작동 거리를 구비하고 샘플 표면에 근접하게 위치되어야 한다. 들어오고 나가는 탐지 빔들을 위한 기하학(geometry)을 수용하기 위해 프로브 및 대물 렌즈의 바닥 사이의 공간이 충분하지 않으므로 높은 분해능 광학 이미지화는 종래의 AFM 검출기들과 조합하여 실시하는 것이 어렵다. 광학 현미경의 무게에 의해, 기기의 스캔 속도를 수용 불가능하게 감소시키지 않고 AFM의 스캐너 안에 광학 현미경의 광학을 포함시키는 것은 어렵다.
일부 광학 현미경이-구비된 SPMs은 현미경 대물 렌즈를 통해 레이저 광이 향하게 하는 것에 의해 이러한 한계를 극복하도록 시도되었다. 그러한 시스템은 ULTRAOBJECTIVETM이라는 이름 하에서 표면 이미지화 시스템들에 의해 상업화되었고, 국제 공개 번호 WO 01/23 939에 개시된다. ULTRAOBJECTIVETM 시스템에서, 가까운 영역의 AFM 프로브, 프로브를 위한 Z 액츄에이터 어셈블리 및 광학 집속 시스템은 광학 현미경의 대물 렌즈 터릿(turret) 내에 삽입될 수 있는 상호 교환 가능한 대물 렌즈를 제공하기 위해 단일의 하우징 내에 제공된다. 그것의 대물 렌즈는 프로브에 대해 고정되고, 그것은 프로브 상에 레이저 빔을 동역학적으로 집속시키기 위한 메커니즘이 결여된다.
종래의 광학 현미경이 구비된 AFMs의 다른 결점은 광학 현미경이 사용자가 샘플을 검사하게 하기 위해서만 제공된다는 것이다. 그것은 외팔보 상에 레이저 빔을 집속시키는 역할을 할 수 없다. 따라서, 시스템이 외팔보 상에 라이트 스폿(light spot)을 집속시키기 위해 제공될지라도, 메커니즘은 집속 프로세스 동안 광학 피드백을 사용자에게 제공할 수 없다.
이 점에 대한 해결책들이 이용 가능하다. 그러나, AFM의 모든 이동하는 구성요소들을 위한 큰 제1 또는 기본적인 공진 주파수를 유지하기 위해 두 개의 주요 결점들은 1) 스캐너 및 프로브 홀더의 크기 및 질량, 및 2) AFM 헤드에 대한, 그리고 서로에 대한 이러한 구성요소들의 확실하지 않은 결합을 포함한다.
도 2 및 3에서 도시된 바와 같이, 큰 프로브 홀더(50)는 종래의 AFMs 내에 종종 활용된다. AFM의 하나의 유형에서, 압전 튜브 액츄에이터는 프로브 홀더(50)와 같은 프로브 홀더를 수용하기 위해 그것의 말단부에 결합 핀들을 지지하는 AFM 헤드 내부에 지지된다. 프로브 홀더는 장착 핀들을 수용하도록 그 안에 형성된 장착 구멍들(62)과 함께 상대적으로 큰 몸체(52)를 포함한다. 쐐기(54)는 몸체(52)의 표면 상에 제공되고 외팔보 각도 및 지지부를 제공하도록 구성된다. 암(58)은 쐐기(54)에 의해 지지된 프로브 디바이스(56)의 베이스를 유지하도록 제공된다. 스크류(60)는 쐐기(54)에 암(58)을 유지한다. 암(58)의 후부(back end)를 누르는 사용자는 설치, 제거 및 교체를 위해 프로브를 해제하도록 작동한다. 전반적으로, 이것은 큰 구조이고, 스캐너 그 자체와 함께 큰 부피(10s의 세제곱 인치)를 차지한다. 이러한 이동하는 구조는 AFM의 기계적인 공진 및 AFM 스캐닝 속도를 상당히 제한한다.
다른 AFM 스캐닝 해결책들이 이용 가능하나, 각각은 또한 결점들을 구비한다. 높은 기본적인 공진 주파수를 유지할 수 있는 그것들은 종종 다루기 어려우므로, 사용하기에 어렵다. 특히, 프로브들이 장착되고, 제거되고 교체될 수 있도록 상대적으로 큰 헤드 및 스캐너를 집고, 그것을 돌리고, 그것을 위치시키는 것은 종종 난관이다. 특히 이 점에 대하여, 프로브 디바이스는 종종 시간 단위로, 때때로 훨씬 짧은 기간 동안 교체될 필요가 있는 소모품이라는 것은 주목할 만하다.
주사형 탐침 현미경의 분야는 그러므로 프로브 교환을 수월하게 하기 위해 쉽게 탈착 가능하고 더 작은 질량 및 개선된 강도를 구비하는 스캐너가 필요했다. 더 높은 제1 공진 주파수를 구비하는, 더 작은 프로브 홀더 또한 요구된다. 끝으로, 빠른 AFM 작동 및 이용의 편이를 수월하게 하는 스캐너가 이상적이다.
본 바람직한 실시예들은 프로브 홀더들 및 큰 스캐닝 장치에 의해 시스템 공진 주파수에 대한 불리한 영향들을 최소화하는 것에 의해 빠른 AFM 작동을 수월하게 한다. 콤팩트하고, 상대적으로 경량인 Z-스캐너는 AFM 헤드에 확실하게 결합될 테이퍼 장착부를 구비하여 구성된다. 게다가, 그것의 기계적으로 확실한 테이퍼 장착부을 구비하는 Z-스캐너는 추가적인 공진 주파수 이점들을 제공하는 콤팩트한 프로브 홀더 설계를 수용한다. 결과적으로, 현재 기술을 활용하는 AFMs은 종래의 AFMs보다 상당히 큰 스캔 속도를 획득할 수 있도록 AFM 헤드/스캐너에 확실하지 않은 연결을 구비하는 큰 프로브 홀더들의 이용에 의해 시스템 공진에서 약한 링크들이 보다 견고하게 마련된다. 더욱이, 프로브 설치 같은 일반적인 AFM 셋-업(set-up) 작동들을 위해 포함하고, 쉽게 제거 가능하고 사용하기에 매우 쉬운 스캐너가 결과적인 것이다. 사실, 스캐너를 제거 및 설치하는 데 용이함과 편리함은 사용자의 손가락들을 이용하여 단일의 짧은 버튼을 누르지 않는 편리함과 같은 것이다.
일 실시예의 제1 측면에 따라, 헤드를 포함하는 주사형 탐침 현미경(SPM)을 위한 스캐너는 몸체 하우징, 액츄에이터 및 스캐너 이동을 탐지하는 센서를 구비한다. 상기 스캐너에서, 몸체는 헤드로부터 제거 가능하고 약 1 세제곱 인치의 총 부피(케이블 포함)를 구비한다.
본 실시예의 다른 측면에 따라, 스캐너는 실질적으로 스캔되는 샘플에 직교하는 방향으로만 거기에 결합되는 프로브 디바이스의 움직임을 제공하는 Z-스캐너이다.
본 실시예의 더 추가적인 측면에서, 스캐너는 프로브 디바이스 및 액츄에이터 사이에 결합된 만곡부 다이어프램을 포함한다. 만곡부 다이어프램은 방향에 대해 측면으로 프로브 디바이스의 움직임을 제한한다.
본 실시예의 다른 측면에 따라, 센서는 방향 내에서 프로브 디바이스의 움직임을 실질적으로 직접 측정한다. 바람직하게, 센서는 몸체와 일체로 형성된다.
본 실시예의 더 추가적인 측면에 따라, 센서는 고정된 단부 및 자유단을 구비하는 외팔보 요소, 및 링크를 포함한다. 링크는 외팔보 요소의 자유단에 결합되고, 링크의 타단은 프로브 디바이스를 지지하는 프로브 홀더에 결합된다.
본 실시예의 다른 측면에서, 몸체는 SPM의 헤드의 자유단 부분에 스캐너를 결합하기 위한 제1 개방된 단부를 구비한다. 헤드의 자유단 부분은 샘플을 향해 연장하는 외부 표면을 구비한다. 몸체는 프로브 홀더를 지지하는 제2 폐쇄된 단부 및 제1 및 제2 단부들 사이에서 연장하는 내부 표면을 구비한다. 바람직하게 외부 표면 및 내부 표면은 서로에게 짝이 이뤄지도록 유사하게 테이퍼 된다. 테이퍼된 표면들에 의해 정의된 각도는 약 15도 및 35도 사이이고, 이상적으로 약 22°이다.
본 실시예의 더 추가적인 측면에 따라, 스캐너와 연관된 기본적인 공진 주파수는 10 kHz보다 크다. 이상적으로, 기본적인 공진 주파수는 40 kHz보다 크다.
또 다른 실시예에서, 프로브 홀더는 몸체에 확실하게 결합된다. 내부 표면은 외부 표면 내 홈 안에 배치된, O-링, 밀폐 요소를 수용하기 위한 환형 멈춤쇠를 포함한다.
본 실시예의 다른 측면에 따라, 자유단 부분 내의 진공 포트는 몸체에 진공압을 작용한다. 진공 포트는 몸체 내의 진공 오리피스에 연결된, 자유단 부분 내의 진공 오리피스에 결합된다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명 및 부수하는 도면들로부터 통상의 기술자들에게 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내나, 상세한 설명 및 구체적인 예시들은 한정이 아닌 설명으로서 제공된다는 것은 이해되어야 한다. 많은 변화들 및 변경들은 그것들의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있으며, 본 발명은 모든 그러한 변경들을 포함한다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예들은 부수하는 다음의 도면들에서 설명되고, 유사한 참조 부호들은 전반적으로 유사한 부품들을 나타낸다:
도 1은 종래 기술의 원자력 현미경(atomic force microscope)(AFM)의 개략적인 블록도이다;
도 2는 원자력 현미경을 위한 종래 기술의 프로브 홀더의 측면도이다;
도 3은 도 2의 종래 기술의 프로브 홀더의 평면도이다;
도 4는 바람직한 실시예에 따른 빠른 스캐닝 AFM 헤드의 등각도(isometric view)이고, 바람직한 실시예의 제거 가능한 Z-스캐너를 도시한다;
도 5는 도 4의 빠른 스캐닝 AFM의 구성요소들을 개략적으로 도시한다;
도 6은 바람직한 실시예에 따른 Z-스캐너의 등각 평면도이다;
도 7은 도 6의 Z-스캐너의 등각 저면도이다;
도 8은 스캐너 다이어프램(scanner diaphragm) 및 센서를 도시하는 개략적인 단면 측면도이다;
도 9는 도 6의 Z-스캐너의 부분적으로 이탈된(broken away) 단면 등각도이다;
도 10은 도 6의 Z-스캐너의 부분적으로 이탈된 단면 등각도이다;
도 11은 도 4의 스캐너 헤드의 아래로 연장하는 자유단 부분에 결합된 도 6의 Z-스캐너의 부분으로 이탈된 등각도이다;
도 12는 도 11에 도시된 AFM 헤드의 아래로 연장하는 자유단 부분에 결합된 Z-스캐너의 단면도이다;
도 12A는 도 12의 Z-스캐너에 결합된 프로브 홀더의 확대된 단면도이다;
도 13은 도 11에 도시된 AFM 헤드의 자유단 및 Z-스캐너의 단면도이다.
도 13A는 도 13에 도시된 자유단 및 Z-스캐너 사이 인터페이스의 확대된 단면도이고, 자유단에 결합된 o-링을 수용하는 Z-스캐너 내의 환형 멈춤쇠(detent)를 도시한다;
도 14는 바람직한 실시예에 따른 프로브 홀더의 이탈된 사시도이고, 바람직한 실시예의 프로브 클립을 도시한다;
도 15는 도 14의 프로브 클립 및 프로브 홀더의 평면도이다;
도 16은 도 14 및 15에 도시된 프로브 클립 및 프로브 홀더의 측면도이다;
도 17은 도 15의 프로브 클립 및 프로브 홀더의 등각도이고, 개방된 위치의 프로브 클립을 도시한다; 및
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Z-스캐너 및 종래 기술의 Z-스캐너와 연관된 Z-스캐너 역학(dynamics)을 도시하는 그래프이다.
바람직한 실시예들은 고속 주사형 탐침 현미경(scanning probe microscope)에 관한 것이다. 특히, 진보적인 Z-스캐너 설계는 그것과 함께 통합된 콤팩트한 프로브 홀더(compact probe holder)와 결합되고, 그것은 종래의 SPMs/AFMs의 그것들을 훨씬 초과하는 속도들에서 샘플들 스캐닝을 함께 가능하게 한다. 특히, 비교적 큰 스캐너들/프로브 홀더들에 의해 한정되는 종래 기술의 AFM'와 대조적으로, AFM?의 한 쌍의 킬로헤르츠(couple kilohertz)에 대해 이동하는 구성요소들과 연관된 낮은 공진(resonance)을 구비하는, 바람직한 실시예들의 콤팩트한 Z-스캐너/프로브 홀더 설계는 시스템의 공진 제약들을 실질적으로 극복하고, 본 발명의 AFM이 빠르게 스캔하고 안정성을 유지하게 한다. 본 기술을 활용하는 AFMs은 50 kilohertz 이상에서 모든 이동하는 구성요소들의 Z 축 공진을 유지할 수 있다.
도 4로 처음 돌아가서, 빠른 스캐닝 AFM 헤드(head; 100)는 AFM의 편리한 운송을 위해 통합된 핸들들(handles; 104)이 형성된 하우징(housing; 102)을 포함한다. 헤드(100)는 바람직하게 광학적 및 기계적 구성요소들을(도 5를 보기 바란다) 수용하는 자유단 부분(free end portion; 107)이 연장하는 바닥 표면(106)을 포함하고, 때때로 "하우징(107)"으로 여기에서 언급되고, 제거 가능한 Z-스캐너(110)를 수용하도록 구성된다. 이하에서 보다 상세히 설명되는 것과 같이, 대물 렌즈 하우징(objective housing; 107)에 대한 Z-스캐너(110)의 장착은 AFM 성능에서 상당한 진보를 가져온다. 특히, 하우징(107)의 외부 표면은 바람직하게 Z-스캐너(110)의 대응하는 테이퍼 된(tapered) 표면을 수용하도록 테이퍼 된다.
Z-스캐너(110)는 또한 고속 AFM 헤드(100)와 통신(communication) 및 스캐너 제어를 위해 대응하는 케이블 및 커넥터(112)를 포함한다. 빠른 스캐닝 AFM 헤드(100)는 또한 대응하는 리미트 스위치들(limit switches)뿐만 아니라, 검출기 모터(detector motor) 및 레이저를 위해 대응하는 커넥터(116) 및 AFM 헤드 커넥터 케이블(114)을 포함한다. Z-스캐너 케이블(112)은 헤드 커넥터(113)에서 헤드(100)에 결합되고 레이저 스폿 조절 노브(laser spot adjustment knob; 128)는 AFM 작동 동안 외팔보(cantilever)의 배면 상에 레이저를 위치시키도록 제공된다. 헤드(100)는 또한 카메라 모터들을 제어하기 위한 커넥터(120) 및 카메라 USB 케이블(118) 및 대응하는 광 스위치들(light switches)을 포함한다. 게다가, 진공관(vacuum tubing; 122)이 Z-스캐너 진공 스위치(Z-scanner vacuum switch; 124) 및 Z-스캐너 진공 방출(Z-scanner vacuum release; 126)과 함께 제공되고, 그것의 기능은 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
AFM 헤드(100)의 구성요소들의 개략적인 도시가 도 5에 제공된다. 헤드(100)는 팁(tip) 스캐닝 AFM 설계에서 XY-스캐너(130)뿐만 아니라, 레이저 짐발 스테이지(laser gimbal stage; 132), 광원(레이저)(134) 및 대응하는 대물 렌즈(objective lens; 136)를 포함한다. 검출기 스테이지(detector stage; 154)는 또한, 카메라(140)뿐만 아니라, 헤드(100) 내에 제공된다.
광학(optics)을 수용하기 위해, 조명 기구(illuminator; 142)가 제공되어 집속 렌즈(focusing lens; 144)를 향해 그리고 자유단 부분 또는 하우징(107)을 향해 빔을 향하게 한다. 다시 자유단 부분(107)은 하우징(102)의 바닥 표면(106)으로부터(도 4를 보기 바란다) 그리고 대물 렌즈(objective lens; 109)를 수용할 가능성을 구비하여 연장한다. 집속 렌즈(146)는 또한 카메라(140)와 일렬로 제공된다. 빛이 샘플로부터 빔 스플리터(beam splitter; 148)로 그리고 카메라(140)를 향해 다시 반사되면서 샘플의 이미지가 카메라가(140)에 의해 획득될 수 있다. 레이저 짐발 스테이지(132)는 프로브 편향(deflection), 진폭, 주파수 또는 상(phase)의 변화들을 측정하기 위한 검출기(반사된 빔)를 향해 다시 그리고 프로브의 배면을 향해 레이저 빔을 향하게 하기 위해 색 선별 거울(dichroic mirror; 150)을 위한 장착부(mount)를 포함한다. 짐발 스테이지(132)는 또한 AFM의 프로브 디바이스의 외팔보(미도시)의 배면 상에 빔 "L"을 위치시키기 위한 조절 스크류들(152)을 포함한다.
AFM 헤드(100)의 검출기 스테이지(154)는 프로브 팁이 표면과 상호작용하면서 레이저 빔의 위치의 변화들을 탐지하기 위한 광 검출기(photo detector; 154)를 포함한다. 도 6 및 7로 돌아가서, Z-스캐너(110)가 상세히 도시된다. Z-스캐너(110)는 노즐 형상을 필수적으로 구비하는 스캐너 몸체(또는, 간단하게, 몸체)(200)를 포함한다. AFM 헤드(100)에 스캐너(110)를 전기적으로 연결하는 스캐너 케이블(112)이 스캐너 몸체(200)로부터 연장되어, 헤드(100) 및 스캐너(110) 사이의 제어 및 통신을 제공한다. 몸체(200)는 이하에서 보다 상세히 설명되는 것과 같이, AFM 헤드(100)(도 4)에 견고하게 결합되도록 구성되고 개방된 제1 또는 상부 단부(202)를 포함한다. 제1 단부(202)에 반대된 제2 또는 바닥 단부(204)는 폐쇄되고 밀봉하여(hermetically) 밀폐되어, 몸체(200) 내부에 수용된 민감한 스캐너 구성요소들을 보호하면서, 유체를 포함하는, 변화하는 환경들에 안내될 수 있다. 프로브 홀더(360)는 제2 단부(204)에 제공된다. 프로브 홀더(360)는 바람직하게 제2 단부(204)와 일체로 형성되고, 도 13-16과 연결하여 이하에서 더 설명되는, AFM 작동 동안 프로브 어셈블리들을 유지하기 위한 유지 클립(retaining clip; 362)을 포함한다.
도 6을 보다 구체적으로 참조하여, 제1 단부(202)는 한 쌍의 환형 슬롯들(annular slots; 214, 216)이 형성된 림(rim; 212)을 포함하고, 슬롯들은 림(212)을 따라 길이가 연장하고 서로 약 180도로 배치된다. 슬롯들(214, 216)은 자유단(107)으로부터 아래로 연장하고 헤드(100)의 구조에 결합되는 인덱싱 핀들(indexing pins; 160)을 수용하도록 맞춰진 대응하는 개구들(218, 220)에서 끝난다(오직 하나의 핀이 등각도로 도시된, 도 11을 보기 바란다). Z-스캐너(110)가 자유단/대물 렌즈 하우징(107)에 결합된 때, 스캐너(110)의 적절한 방향, 및 그에 따라, 스캐너(110)에 의해 지지된 프로브(들) 및 프로브 홀더가 요구된다. 하우징(107)에 스캐너(110)가 결합된 때 핀들(160)이 개구들(218, 220)에 맞물릴 때까지 AFM 사용자가 Z-스캐너를 회전시키면서 핀들(160)이 대응하는 슬롯들(214, 216) 내에서 타고 간다. 핀들(160)이 개구들(218, 220) 내에 떨어질 때(drop in), 스캐너가 적절하게 향해지고 스캐너의 추가적인 회전이 방지된다. 이 위치에서, 스캐너(110)는 헤드(100)에 견고하게 장착된다.
도 8, 9 및 10을 이어서 참조하여, Z-액츄에이터 및 대응하는 Z-센서를 포함하는 Z-스캐너(110)의 내부 구성요소들이 도시된다. 장치를 사용하기 쉽게 하고, 예를 들어 예를 들어 프로브 디바이스 교체 같은 업무들을 위한 제거 가능한/탈착 가능한 및 조종 가능하게 하고, 성능(예를 들어, 높은 기본적인(fundamental) 공진 주파수)을 유지하는 콤팩트하고(작은 부피), 신뢰할 수 있고 반복 가능한 스캐너를 만드는 데 한 가지 난관은, 스캐너가 의도된 방향으로 스캐닝 움직임을 유지할 수 있는 것을 확실하게 하고, 프로브 움직임이 스캐너 성능을 떨어뜨리지 않고 정확하게 측정되게 하는 것을 보증하는 것이다. 탈착 및 재부착 작업들은 재위치시키는 것이 미크론의 범위를 구비하여, 프로브 디바이스의 외팔보를 쉽게 정렬시키기에 충분히 정확하다는 것을 담보한다. 이는, 개략적인 도 8로 시작하는 도면들에서 설명되는 것과 같이, 본 바람직한 실시예들에서 달성된다.
도 8에서, 스캐너(110)(예를 들어, Z-스캐너)는 제1 몸체 부분(201) 및 이 경우에, Z-센서(264)를 콤팩트하게(compactly) 수용하는 제2 몸체 부분(203)을 포함한다. 또한, 스캐너(110)의 바닥 표면을 따라 연장하고, 그것의 폐쇄된 단부에서 제2 몸체 부분(203)에 결합되는 다이어프램 만곡부(diaphragm flexure; 258)가 포함된다. 프로브 홀더(360)는 제2 몸체 부분(203)으로부터 연장하고 다이어프램(258)에 결합된다. 보다 구체적으로, 만곡부 다이어프램(258)은 액츄에이터(252)에 의해 야기된 프로브 움직임을 안내하고 제어하기 위해 홀더(260) 및 액츄에이터(252)(즉, 압전 링) 사이에 배치된다. 본질적으로, 다이어프램(258)은 프로브 움직임이 오직 (샘플에 대해 직교하는) "Z" 방향으로 유지되는 것을 실질적으로 보증한다. 측면 및 수직 방향들로 다이어프램의 강도의 실질적인 차이에 의해 실현되는, 거기에 결합된 프로브 홀더(360)에 측면 구성요소들의 전달(transmission)을 제한하는 것에 의해 (이러한 콤팩트한 설계에서 요구되는 액츄에이터의 유형에 고유한) 액츄에이터(252)에 의해 제공된 움직임의 측면 구성요소들을 본질적으로 제거하는 것에 의해 그렇게 된다. 다이어프램은 스캐너 몸체에 (논의된 결과를 얻기 위해 적합한 명세서들에서) 기계가공에 의해 바람직하게 마련된다. 게다가, 홀 또는 윈도우(280)는 광학 및 레이저 경로들을 위한 다이어프램의 중앙에 배치된다. 결과적으로, 고속 AFM 작동에서 요구되는 팁의 극도로 정확하게 위치시키는 것이 Z-스캐너 움직임에 의해 양보되지 않게 된다. 다이어프램의 바람직한 실시예는 보다 상세히 도 12에 더 도시된다.
도 8을 더 참조하여, Z-스캐너(110)는 또한 몸체(200)와 일체로 형성되는 센서(264)를 포함한다. 센서(264)는 하나 또는 그 이상의 스트레인 게이지 센서 요소들(strain gauge sensor elements; 274)(예를 들어, 저항적인)을 지지하는 다이빙 보드 또는 외팔보 부분(272)이 마련된 기판(substrate)을 포함한다. 프로브의 움직임은 다이빙 보드(272)의 말단부 및 프로브 홀더(260)를 지지하는 위치에서 다이어프램(258) 사이에 링크(260)를 결합하는 것에 의해 직접적으로 감시된다. 프로브가 "Z"로 이동하면서, Z 방향으로의 힘들은 링크(260)에 전달되고 다이빙 보드(272)에 전달된다. 다이빙 보드가 편향되면서, 센서 요소들(274)은 편향과 그에 의해 프로브의 Z-움직임을 정량화하기 위해 작동한다. 매우 신뢰할 수 있고 정확한 센서(264)가 생기게 되고, 따라서 빠른 AFM 작동을 보다 수월하게 한다.
결국, Z-스캐너(110)는 프로브 교체 또는 수리 같은 일상적인 행동들을 수행하기 위해 사용자에 의해 조종 가능하고, AFM 헤드(100)로부터 제거 가능하도록 충분히 콤팩트하다. 스캐너(110)는 제거 가능할 뿐만 아니라, 최소량의 AFM 부지를 점유하면서, 일반적으로 약 5 세제곱 인치보다 적고 바람직하게 (케이블을 포함하여) 약 1 세제곱 인치보다 적은 부피를 점유하면서, (이하에서 더 설명되는) 높은 성능을 획득할 수 있다.
하나의 특별한 실시예에서, 도 9 및 10으로 돌아가서, Z-스캐너(110)의 몸체(200)는 인터페이스 링(interface ring; 250)을 통해 제2 몸체 부분(203)과 상호 작용하는 제1 몸체 부분(201)을 포함하고, 이러한 구성요소들은 용접되거나 (예를 들어, 레이저 용접되거나) 또는 Z-스캐너(110)의 모든 심들(seams)에 유사하게 달리 접합되며, 그에 의해 유체 기밀 밀폐를 제공한다.
Z-스캐너(110)는 또한 Z-액츄에이터(252)를 포함하고, 그것은 바람직하게 제2 몸체 부분(203)과 상호작용하는 압전 링(piezoelectric ring)이며, 부분(203)은 도시된 바와 같이 프로브 홀더(360)를 지지한다. 특히, 피에조 링(piezo ring; 252)이 활성화되면, 움직임이 프로브 홀더(360)에 전달되고 그 안에 장착된 대응하는 프로브들이 액츄에이터(252)의 움직임을 따른다. 제2 몸체 부분(203)은 피에조 링(252)을 예압시키고(pre-loads) 피에조 링 어셈블리를 밀폐시킬 뿐만 아니라, 프로브 홀더의 대응하는 프로브들의 움직임을 안내하는 다이어프램 만곡부(258)에 결합된 외부 부분(254)을 포함한다. 인터페이스(266)를 통해 Z-센서(264)에 결합된 위로 연장하는 탭(262)을 포함하는 링크(260)(실린더)가 피에조 링(252)의 내부에 인접한다. Z-센서(264)는 이하에서 설명되는 바와 같이, 프로브 팁의 이동을 탐지한다.
인터페이스(266)는 예를 들어, 레이저 용접될 수 있다. 실린더(260)와 대응하는 탭(262)이 피에조 링(252)과 함께 이동하므로, 피에조 링(252) 프로브 홀더(360)는 Z-센서(264)에 의해 탐지된 Z 방향으로의 프로브 홀더(360)에 의해 지지된 피에조 링(252) 프로브에 결합된다. 즉, 탭(262)은 Z-스캐너가 작동될 때 프로브 움직임을 따른다.
센서(264)를 보다 구체적으로 참조하여, 센서(264)는 바람직하게 스크류들(270)로, Z-스캐너(110)의 제1 몸체 부분(201)에 결합된 기판(268)을 포함한다. 센서(264)의 기판(268)은 또한, 내부 센서 다이빙 보드(integral sensor diving board; 272)를 포함하고, 그것의 말단부는 인터페이스(266)를 통해 탭(262)과 결합한다.
압전 링(252)이 활성화되고 작동 동안 프로브의 팁을 이동하게 할 때, 실린더(260)는 그것과 함께 이동하고 그 이동은 탭(262)을 통해 센서 다이빙 보드(272)에 옮겨지고, 다이빙 보드(272)가 그것과 함께 일치하여 이동하도록 한다. 그와 같이, 바람직하게 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 구성으로 배치된, 스트레인 게이지들(274)은 프로브 팁의 대응하는 움직임을 감지한다.
결국, 높은 공진 Z 위치 센서(264)는 AFM의 이동하는 구성요소들의 가장 낮은 공진 주파수를 최대화하기 위해 높은 공진 Z-액츄에이터(110)를 컴플리멘트한다(compliments). 그렇게 하면서, 센서(264)는 높은 대역폭(bandwith)에서 팁 위치를 정확하게 측정한다.
특히, 압전 링(252)은 다이어프램 만곡부(258) 및 몸체(201) 사이의 좁은 .004 인치 간격을 구비하여 다이어프램 만곡부(258) 및 스캐너 몸체(201) 사이에 끼워진다. 스크류들은 바람직하게 몸체(201)에 다이어프램 만곡부를 부착시키고 훨씬 더 이러한 간격을 가깝게 하기 위해 사용된다. 간격은 바람직하게 레이저 용접에 의해 영구적으로 밀폐된다. 간격이 폐쇄될 때, 압전 링(252)은 항상 압축된 상태에 있다. 이러한 힘은 또한 압전 링(252)이 좌우로 이동하는 것을 방지한다. 다시 다이어프램 만곡부(258)는 그것의 중앙에 원통형 링(260)을 포함하고, 링(260)은 센서(264)와 상호작용하는 탭(262)을 수용한다. 게다가, 프로브 홀더(360)는 실린더(260)의 일단 상에 접합된다. 타단에서, 만곡부 탭(262)은 실린더 벽 안에 기계 가공된다. 다시 탭(262)은 바람직하게, 다이빙 보드 센서(272)의 자유단에, 레이저 용접된다. 바람직하게, 네 개의 스트레인 게이지들(274)이 휘트스톤 브리지를 형성하기 위해 다이빙 보드(274)의 고정된 단부(기판(268))에 접합된다.
작동 중에, 피에조 링(252)은, 활성화될 때, 만곡부 다이어프램(258)의 중앙에서 원통형 링(260)을 누르고 팁과 샘플 사이의 상호작용을 고려한 적합한 신호들에 응답하여 샘플 표면을 추적하기 위해 외팔보 및 대응하는 팁을 이동시킨다. 만곡부 탭(262)은 원통형 링(260)의 타단에서 팁과 일체로 이동한다. 탭(262)의 이러한 움직임은 다이빙 보드(272)를 편향시키고 그것의 고정된 단부에 응력을 발생시킨다. 스트레인 게이지들(274)은 외팔보 팁의 위치에 비례하는 응력을 측정한다. 특히, 액츄에이터 움직임을 측정하기 위해 스트레인 게이지들을 이용하는 공지된 시스템들에 비해, 스트레인 게이지들(274)은 피에조 링(252)의 측벽에 부착되지 않는다. 그러한 배치는 위치 측정값들을 절충하도록 작동하는 크리프(creep) 및 이력 현상(hysteresis)을 당할 수 있고 정확성, 반복성에 관하여 성능을 결핍시키도록 알려져 있다. 센서(264)는 Z-스캐너(110)의 몸체(200)와 일체로 형성되며, 동일한 결점들을 갖지 않는다.
도 11 내지 13A로 돌아가서, Z-스캐너(110)와 빠른 스캐닝 AFM 헤드(100) 사이의 확실한 결합이 보다 상세히 도시된다. 도 11을 처음 참조하여, Z-스캐너(110)가 스캐너 헤드(100)의 자유단 부분(107)에 결합된다. 정렬 핀(alignment pin; 160) 및 대물 렌즈 하우징(107)은 모두 헤드(100) 내부에 수용된 XY-스캐너(미도시)에 부착된다. 대물 렌즈 하우징(107)에 Z-스캐너(110)를 적절하게 정렬시키기 위해, 핀들(160)은 전술된 바와 같이, Z-스캐너 몸체(200)의 상부 표면의 림(212) 내에 형성된 개구들에 Z-스캐너(110)를 맞물린다. 대물 렌즈 하우징(107)에 대한 Z-스캐너(110)의 이러한 결합은 Z-스캐너가 고정될 때 테이퍼 장착부(taper mount) 상에서 회전하는 것을 방지한다. 중요하게, 이러한 부착 체계(attachment scheme)는 Z-스캐너(110)가 정확한 위치를 유지하면서, 부착되고 도구들을 이용하기 않고 손에 의해 헤드로부터 제거되게 한다.
도 12는 스캐너 헤드(100)와 Z-스캐너(110) 사이에 테이퍼된 장착부를 보다 상세히 도시한다. 특히, Z-스캐너(110)의 몸체(200)의 내부 표면(206)은 테이퍼되고 대물 렌즈 하우징(107)의 대응하는 테이퍼된 표면(300)과 상호작용하도록 그것의 중앙 축에 대해 실질적으로 대칭이다. 보다 구체적으로, 이와 같이 짝이 이뤄진 테이퍼된 표면들(206 및 300)은 Z-스캐너 몸체(200) 상에 암 테이퍼(female taper) 및 하우징(107) 상에 수 테이퍼(male taper)를 포함한다. 대물 렌즈는 바닥 렌즈를 따라 밀폐된다. O-링(302)은 다음과 같이 테이퍼된 표면들 주위에 밀폐를 형성한다. Z-스캐너(110)가 하우징(107)에 결합될 때, 대물 렌즈 하우징(107)의 환형 홈(304) 내에 배치된 O-링(302)은 Z-스캐너 몸체(200)의 내부 테이퍼된 표면(300) 내에 형성된 멈춤쇠(306)를 따라 미끄러진다. 멈춤쇠(306)는 O-링(302)을 수용하도록 구성되고 스캐너(110) 및 하우징(107) 사이에 밀폐 맞물림(sealing engagement)을 제공한다. 이러한 인터페이스의 상세사항은 도 12A에 도시된다. Z-스캐너(110)가 대물 렌즈 하우징(107) 상에 밀려질 때, O-링은 Z-스캐너의 테이퍼된 표면(300) 안으로 기계 가공된 멈춤쇠(306) 안으로 미끄러진다. 바람직하게, 멈춤쇠(306)의 표면은 두 개를 함께 유지하기 위해 외력들을 작용시키지 않고, Z-스캐너(110)가 대물 렌즈 하우징(107)의 테이퍼된 표면에서 미끄러지는 것을 방지하는 2°경사(tilt)를 구비한다.
O-링 및 멈춤쇠 배치가 구성요소들을 함께 결합하고 유지하도록 작용하나, Z-스캐너(110)는 바람직하게 진공압(vacuum force)을 이용하여 대물 렌즈 하우징(107) 상에 유지된다. 특히, 진공압은 대물 렌즈 하우징(107)에 Z-스캐너(110)를 확실하게 고정하기 위해 사용된다. 진공 포트(310)는 Z-스캐너(110) 상에 진공압을 가하기 위해 작동하고 진공 공급원(미도시)에 결합된다. 보다 구체적으로, 진공 포트(310)는 Z-스캐너(110)의 내부의 표면들(313 및 314)에 의해 정의된 공동을 잡아 당기는 대물 렌즈 하우징(107) 내에 기계 가공된 진공 오리피스(vacuum orifice; 312)와 상호작용한다.
진공 포트(310)는 도 4에 도시된 바와 같이, 적합한 관(tubing; 122)을 이용하는 펌프 및 진공 스위치(vacuum switch; 124)에 결합된다. 진공이 적용될 때, 대기압 및 대응하는 공동 내부의 압력 차이는 대물 렌즈 하우징(107)에 Z-스캐너(110)를 고정하는 힘을 발생시킨다.
결국, 콤팩트한 Z-스캐너(110)는 거기에 밀폐 맞물림을 유지하면서 빠른 스캐닝 AFM 헤드(100)와 상호작용할 수 있고 제거 가능하다. 대물 렌즈는 바닥 렌즈 주위에 밀폐된다. 그리고, O-링(302)은 테이퍼된 표면들(206, 300) 주위에 밀폐를 형성하여 모든 Z-스캐너 개구들은 공기-기밀(air-tight)이다. 결과적으로, 대물 렌즈 하우징(107) 및 Z-스캐너(110) 사이의 공기-기밀 공동이 유지된다.
다시, 다이어프램(258)과 관련하여, 링 액츄에이터(252) 내부의, 링의 형상으로, 대칭인 다이어프램 만곡부는 대칭적인 움직임을 담보한다. 게다가, 만곡부(258)는 측면 움직임에 응답하여 다이어프램 링의 실질적으로 더 높은 강도를 통해 XY 움직임을 분리시키기 위해 작동한다.
도 13 및 13A로 돌아가서, Z-스캐너(110) 및 대응하는 케이블(112)의 보다 상세한 사항이 도시되고, 그와 함께 Z-스캐너(110)에 접합된 프로브 홀더(360)를 고려하여 보다 상세한 사항이 도시된다. 특히, 케이블(112)은 빠른 스캐닝 AFM 헤드(100) 및 Z-스캐너(110) 사이에 통신을 위해 두 개 사이에 배치된 상호 연결 PCB(350)와 함께 Z-스캐너(110)에 결합된다. 프로브 홀더 장착부는 도 13A에서 보다 상세히 도시된다. 절연체(insulator; 352)는 Z-스캐너(110)의 몸체(200)의 제2 몸체 부분(203)의 바닥 표면에 접합된다. 쐐기(wedge; 354)가 프로브 홀더에 의해 유지된 프로브 디바이스를 위해 선택된 양의 경사를 제공하고 절연체에 더 접합된다. 프로브 클립(probe clip; 362)은 프로브 홀더(360)와 일체로 형성되고, 클립(362)은 쐐기(354)에 대하여 프로브들(364)을 유지하도록 작동한다. 특히, 탭핑 압전 어셈블리(tapping piezo electric assembly; 366)는 쐐기(354) 내에 형성된 공동(367) 내에 형성된다. 적합한 배선(wiring; 368)은 탭핑 압전 어셈블리(366)를 활성화시키도록 제공된다. 프로브 홀더(360)가 스캐너(110)와 일체로 형성되므로, 단단한 구조가 종래의 AFMs보다 상당히 큰 공진을 구비하여 제공된다.
종합적으로, 도 13을 다시 참조하여, 바람직한 실시예들의 Z-스캐너 장착부 및 콤팩트한 프로브 홀더 설계는 시스템 공진에 대해 중대한 한계였던 것을 상당히 개선한다. 스캐너 및 프로브 홀더 사이의 기계적으로 확실하지 않은 결합(예를 들어, 프로브 홀더 개구들 안으로 압전 튜브로부터 아래로 연장하는 핀들)을 활용하는 일부 공지된 시스템들 대신에, 본 바람직한 실시예들에서, Z-스캐너(110) 및 대물 렌즈 하우징(107)의 테이퍼된 표면들(206 및 300)은, 각각, 두 개 사이에 확실한 기계적 연결을 제공한다. 이러한 확실한 결합은 자유단 부분(107)의 외부 표면과 직접적인 접촉하는 Z-스캐너(110)의 상당한 표면적을 유지하는 것에 의해 제공된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 두 개의 구조들 사이에 원통형 인터페이스의 길이"Q"는 상당하고, 두 개의 구성요소들 사이 접촉의 넓은 표면적을 제공하여, 꽤 확실한 구조를 산출한다. 이는 높은 공진 능력을 촉진시킨다.
바람직하게, 테이퍼의 각도, α, 는 바람직하게 약 15° 및 35°사이이고, 이상적으로 약 22°가 활용된다. 배치 내의 테이퍼의 실제 크기는 Z-스캐터(110)의 위치 반복 가능성 및 사용의 용이 사이에서 트레이드-오프(trade-off)이다. 만약 각도가 22° 보다 훨씬 작다면, 스캐너(110)는 도구들의 이용 없이 그리고 손으로 쉽게 제거될 수 없다. 만약, 그에 반해서, 22°보다 훨씬 큰 각도가 활용된다면, 테이퍼 상에 스캐너 위치는 정확하지 않을 뿐만 아니라 반복 가능하지 않을 것이다.
고속 작동을 보다 향상시키는, Z-스캐너(110)에 확실하게 결합된 프로브 홀더(360)의 콤팩트한 설계는 시스템 공진을 보다 개선한다. 도 14-17은 이러한 콤팩트하고 경량의 프로브 홀더(360)를 도시한다. 도 13을 보다 구체적으로 참조하여, 쐐기(354)가 절연체(352)에 접합되고, 차례로, Z-스캐너(110)의 바닥 표면에 접합된다. 도 14를 이제 참조하여, 쐐기(354)는 작동 동안 쐐기(354) 내부에 프로브 디바이스들을 유지하기 위해 사용되는 클립(362)을 수용하도록 기계 가공된다. 클립(362)은 거기에 대해 회전 가능한 핀들(372)을 통해 쐐기에 결합된 암들(arms; 370, 371)을 포함한다. 클립(362)은 쐐기(354)에 대해 회전하여 클립이 쐐기(354) 안으로 프로브(364)의 삽입을 위해 개방되고, 쐐기에 대해 프로브(364)를 유지하도록 폐쇄될 수 있다. 보다 구체적으로, 클립(362)은 클립(362)이 폐쇄될 때 (쐐기(354) 내에 형성된 공동 내에 위치된) 프로브(364)의 베이스를 끼우도록 구성된 탭(tab; 390)을 포함한다. 클립(362)은 핀들(372)에 의해 정의된 지점 "P"에서 동일한 것을 회전하는 것에 의해 폐쇄되고, 스프링 부분(374)에 의해 폐쇄된 위치에 유지된다.
스프링 부분(374)은 거꾸로 유연한(pliable) "S" 형상의 구성요소(376)를 포함하고 그것은 구성요소(376)의 표면(377)이 쐐기(354)의 가장자리(380)와 상호작용할 때 굽혀진다. 구성요소(376)가 가장자리(380)에 대해 미끄러질 때 외측으로 굽혀지고 쐐기(354)에 대해 클립(362)을 유지하도록 부분(374)이 쐐기를 향해 뒤로 휘게 되도록(spring) 가장자리(380)가 구부러진다. 그것의 폐쇄된 위치에서, 탭(390)은 쐐기(354)에 대해 프로브(364)를 유지한다. 그 결과는 가능한 높게 AFM 시스템 공진을 유지하는 것에 대한 또 다른 한계를 제거하는 대단히 콤팩트하고 확실한 프로브 홀더 설계이다. 종합적으로, 그것은 가장 낮은 제1 공진에서 상당한 개선을 획득할 수 있는 콤팩트한 클립(362)을 수용하도록 구성되고 스캐너에 접합된 기계적인 쐐기의 조합이다. 고속 스캐닝은 그에 의해 실현된다.
도 18로 돌아가서, Z-스캐너 역학(dynamics)의 도면이 제공된다. 종래의 AFM에서, Z-스캐너의 공진 주파수 응답들의 플롯들(plots; 400, 404)(진폭/상(phase))은 단일의 kilohertz보다 적은 제1 공진을 도시한다. 대조적으로, 빠른 스캐닝 AFM 헤드(100)에 결합된 Z-스캐너(110)를 활용하는, 본 바람직한 실시예들의 AFM에서, Z-스캐너 역학들(각각, 진폭 및 상 플롯들(402, 406))은 약 50 kilohertz보다 큰 제1 공진 주파수를 나타낸다. 결과적으로, 고속 스캐닝은 본 발명의 바람직한 실시예들을 활용하는 25 또는 그 이상의 요인들에 의해 개선될 수 있다.
본 발명을 실시하는 발명자들에 의해 고안된 가장 좋은 모드가 전술되었으나, 본 발명의 실시는 그에 한정되지 않는다. 본 발명의 특징들의 다양한 추가들, 변경들 및 재배치들이 내재하는 본 발명의 개념의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 명백할 것이다.
100: AFM 헤드
102: 하우징
104: 핸들
106: 바닥 표면
107: 자유단 부분
109: 대물 렌즈
110: Z-스캐너
112: 커넥터
114: 헤드 커넥터 케이블
116: 커넥터
118: 카메라 USB 케이블
120: 커넥터
122: 진공관
124: Z-스캐너 진공 스위치
126: Z-스캐너 진공 방출
128: 레이저 스폿 조절 노브
130: XY-스캐너
132: 짐발 스테이지
134: 광원
136: 대물 렌즈
140: 카메라
142: 조명 기구
144: 집속 렌즈
146: 집속 렌즈
148: 빔 스플리터
150: 색 선별 거울
152: 조절 스크류
154: 검출기 스테이지
360: 프로브 홀더

Claims (20)

  1. 헤드를 포함하는 주사형 탐침 현미경(SPM)을 위한 스캐너에 있어서,
    상기 스캐너는,
    액츄에이터 및 센서를 수용하는 스캐너 몸체, 상기 센서는 스캐너 이동을 탐지함;
    를 포함하고,
    상기 스캐너 몸체는 도구들의 이용 없이 손으로 상기 헤드로부터 제거 가능하고 약 5 제곱 인치보다 작은 총 부피를 구비하는 스캐너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너는 실질적으로 스캔된 샘플에 대해 직교 방향으로만 결합된 프로브 디바이스의 움직임을 제공하는 Z-스캐너인 스캐너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방향에 대해 측면으로 상기 프로브 디바이스의 움직임을 제한하는 상기 프로브 디바이스 및 상기 액츄에이터 사이에 결합된 만곡부 다이어프램을 더 포함하는 스캐너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 방향으로 상기 프로브 디바이스의 움직임을 실질적으로 측정하고, 상기 센서의 적어도 일 부분은 상기 몸체에 의해 지지되는 스캐너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서는 고정된 단부들 및 자유단들을 구비하는 외팔보 요소, 및 링크를 포함하고, 상기 링크 중의 하나는 상기 외팔보 요소의 자유단에 결합되고, 상기 링크의 타단은 상기 프로브 디바이스를 지지하는 프로브 홀더에 결합되는 스캐너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 유체 내에서 작동을 수월하게 하기 위해 밀봉하여 밀폐되는 스캐너.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센서는 상기 외팔보 요소의 고정된 단부에 실질적으로 배치된 스트레인 게이지들을 더 포함하는 스캐너.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 a)SPM의 헤드의 자유단 부분에 상기 스캐너를 결합하기 위한 제1 개방된 단부를 구비하고, 상기 자유단 부분은 외부 표면을 구비하고 샘플을 향해 연장하며, 상기 몸체는 b)프로브 홀더를 지지하는 제2 폐쇄된 단부를 구비하고, 상기 몸체는 제1 및 제2 단부들 사이에서 연장하는 내부 표면을 구비하는 스캐너.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 외부 표면 및 내부 표면은 서로에 대해 짝이 이뤄지도록 유사하게 테이퍼되는 스캐너.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 테이퍼된 내부 표면에 의해 정의된 각도는 약 15도 및 35도 사이에 있는 스캐너.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너와 관련된 기본적인 공진 주파수는 10 kHz보다 큰 스캐너.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기본적인 공진 주파수는 40 kHz보다 큰 스캐너.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자유단 부분은 상기 헤드의 하우징 형성 부분인 스캐너.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 프로브 홀더는 상기 몸체에 확실하게 결합되는 스캐너.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 내부 표면은 상기 외부 표면 내의 홈 안에 배치된 밀폐 요소를 수용하도록 환형 멈춤쇠를 포함하는 스캐너.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 몸체에 진공압을 작용하는 상기 자유단 부분 내에 진공 포트를 더 포함하는 스캐너.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 진공 포트는 상기 자유단 부분 내에 진공 오리피스에 결합되고, 상기 자유단 부분 내의 상기 진공 오리피스는 상기 몸체 내의 진공 오리피스에 연결되는 스캐너.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 헤드에 대해 상기 프로브의 팁을 향하게 하도록 상기 헤드에 대해 지지된 정렬 핀을 수용하도록 적어도 하나의 슬롯을 더 포함하는 스캐너.
  19. 헤드를 구비하는 원자력 현미경(AFM)을 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    프로브 디바이스를 지지하고 약 5 제곱 인치보다 작은 총 부피를 구비하는 몸체를 포함하는 스캐너를 제공하는 단계;
    도구들을 이용하지 않고 손으로 상기 헤드에 상기 스캐너를 부착하는 단계; 및
    상기 AFM을 작동시키는 단계;
    를 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 하우징에 의해 적어도 부분적으로 지지된 센서와 함께 상기 프로브 디바이스의 이동을 직접적으로 감지하는 단계를 더 포함하는 방법.


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