JPH02284015A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
走査型顕微鏡に関し、特に、拡大された性能を有する原
子間力顕微鏡に関する。
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。
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。
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くしかし、微小な大きさ
を扱うが故に同等に効果的に)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。
)の動きとともに表面(12)をなぞる。
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。
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。
(10)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。
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。
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。
のとなってしまう。
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。
れ、本発明は、そのいくつかを解決しているのである。
いては、プローブ(10)は、基板(20)の前縁から
突出(7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。
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。
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)の位置は、走査過程の間に表面(1
2)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。
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。
と、レーザ線束(24)の反射角は変化する。
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。
になる。
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。
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。
10)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。
意図された目的に役立たなくなることがある。
12)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。
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。
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)を挾り取ってしまい、これを損傷することもあ
る。
加によって実行される。
近接しているため、このような電圧は、鋼製ブロック(
22)を吸引することができ、その過程で、プローブ(
10)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。
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。
種の研究計画に従事する研究者である。
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。
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。
要であり、上述の問題点のため、期待されるブローブー
チップアセンブリの寿命は極めて短い。
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。
置を変えようとして)移動させることはできず、交換す
ることも困難である。
)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。
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。
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。
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。
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。
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<<、シたがって、
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。
、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。
直裁的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。
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。
に影響を与えずに、従来の技術による取り付は用鋼製ブ
ロックを排除したAFM装置を提供することである。
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)
基部構成材によって底部末端で垂直に支持されるととも
に、走査電圧か印加された結果として、X、Y、および
Z軸方向に走査され、かつ可動である試料の保持のため
の頂部表面を有する走査管と、(c)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
)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、前記ブロー
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が提供され
る。
施例に基いて、本発明の詳細な説明する。
材は、第3図の切開側面図に示されている。
おけると同様に、何らかの方法を用いて、緩衝的に取り
付けられている。
上方に垂直に突出している。
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
。
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。
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。
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。
ジュール(48)によって、従来の技術にょるAFMに
おける上記の主要な問題のいくつかが解決される。
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。
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。
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。
て、底部表面(54)とOリング(56)の内側の試p
(14)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。
され、摩擦が小さく、潤滑性に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。
排除されていることは分かると思う。
よって、自動的にレーザ線束(24)に照準される。
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。
、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。
に接着される。
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。
これを再挿入することもできる。
(36)に支持される強磁性電気的干渉シールド(6o
)に、磁気的に取り付けられる。
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。
行な平坦な台部(62)となっている。
にはプローブ担持モジュール(48)上のプローブ(1
0)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。
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。
、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(26)の検出表面(72)を直射する。
可能なように保持されている。
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。
ドを備えているのが好適である。
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。
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。
(50)の設定方法を示す拡大図である。
ーザ調整装置(76)が取り付けられている。
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。
2)から、1枚の板ばね部材(80)が上方に張り出し
ている。
て、磁気プローブ(84)が突出している。
材(80)と接するように、調整ねじ(86)が取り付
けられている。
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。
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。
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。
)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。
0)を内側に有するホルダ(148)によって、滑動部
材(90)のUの字に内側から接するように保持される
。
石(116)によって滑動表面(92)に保持される。
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。
を貫通する調整ねしく152)によって、側方にも動か
される。
)に挿入された際のプローブ担持モジュール(48)の
位置コは、図示した通り、較正ブランク(98)および
ハイドゲージ(100)を用いて設定することができる
。
正ブランク(98)は、調整ねじ(50)の上に位置さ
せられる。
ク(98)の荷重が、ハイドゲージ(100)の平坦な
頂部表面に、正確に均等にかかるようにする。
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
。
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。
用いて実行される。
面(44)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。
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。
、その高さは、少なくともAFM(28)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。
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(10
8)をも6iffえている。
プ(16)か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。
を走査管(12)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。
(40)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。
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。
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。
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′fU(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。
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)。
2)を、走査管(32)の頂部末端(36)に接着する
。
から、絶縁性の接着剤(114)を用いて、走査管(3
2)の頂部末端(36)にこれを接着する。
。
ともできる。
、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。
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。
同心円をなすように磁石(116)が取り付けられ、試
料台(58)が強磁性材料で作られている。
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(58)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。
つ、第5図に示した通り、調整ねじ(40)の調整作用
の一端によって定置しつつ、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。
題を、より円滑で信頼性の高い操作性を発揮しつつ解決
する点について説明する。
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。
微細組立て法を用いて形成された1対の7字型のアーム
(154)を備えている。
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。
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
目体の偏向力は実用上は存在しない)。
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。
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。
本発明のAFM(28)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。
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。
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。
り付け、これを更に、AFIJ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。
突出させた基板(20)の頂部に、透明なカバーグラス
(118)を取り付ける。
を、カバーグラス(118)、試料表面(12)、およ
び基板(20)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。
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(
11,8)中を復帰する。
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。
(10)に付随する以外のこの実施例における1lll
j−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。
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。
立てられ、かつ(以下直ちに述べる方法で)較正される
。
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。
0°)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。
6)に囲まれており、これもやはり底面(54)に接着
されている。
表面(12)に定置すると、Oリング(56)の内側の
底面(54)と試料表面(12)との間に、液体セル(
124)か形成される。
担持モジュール(48)の本体内部に形成され、液体セ
ル(124)とモジュール(48)の外部とを連絡する
。
0)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。
持モジュール(48)を選択的に用いることもできる。
、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(2o)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)を備えることになる。
)に位置を合わせて頂面(52)から底面(54))へ
と通しるボア(156)があり、レーザ線束(24)が
、プローブ担持モジュール(4g’)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である。
ル(48)へと説明を戻すと、プローブ(10)に対す
る毛管現象の影響の!JV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。
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)かモジュール(48)の本体内に形成されて
いる。
ール(48)外として、その間に延長される電極(16
4)を内包する。
。
成とすると、多くの利用法が生じる。
または複数の電極(164)と、電圧シールド[12)
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。
電極、基♀電極、および補助電極か各1)、AFM(2
8)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。
−スロットによる」支持の機構を、第9図に単純化して
示す。
、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。
うに揺らぐことが決してない。
定していることが必要なAFM(28)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。
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。
が、第1の総体的な支点に形成される。
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。
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。
、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。
、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。
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。
点上の同一の位置に反復的に定置されることになる。
)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。
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。
48)の底面(54)には、スロット(130)のみが
形成されている。
示す較正手法に従って取り付けられる。
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1O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。
のピン(140)が取り付けられているが、これらは基
底部(138)に対して垂直に下方に突出し、3個の調
整ねじ(50)が描くのと同じ3角形を描くように配置
されている。
(142)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。
(24)とほぼ同じ位置で交差するように、十字線(1
46)が取り付けられている。
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。
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)に固
定する。
せて、プローブのチップ(16)を十字線(146)の
中央に固定する。
を底面(54)に貼付する。
)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。
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。
光電式センサ(26)を最適な位置に定位する。
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。
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。
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1、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、■−
■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/調整手法を示す簡略化された見取り図、 第1O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1θ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1
8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)原子間力顕微鏡(30)基底部
(32)走査管(34)ワイヤ (38)試料保持ブロック (42)ボア (46)空隙 (50)調整ねし く54)モジュール底面 (58)試料台 (62)試料保持ブロック台部 (66)レーザ線源 (70)ボア (74)微小検出器調整装置 (78)モジュール垂直部材 (82)接点 (86)調整ねじ (90)滑動部材 (94)調整ねじ (98)較正ブランク (102)較正用具 (106)較正用具底面 (110)電極 (36)走査管の頂部末端 (40)調整ねじ (44)試r)保持ブロック底面 (48)プローブ担持モジュール (52)モンユール頂面 (56)Oリング (60)電気的干渉シールド (64)ボア (68)レーザ線源保持部材 (72)光電式センサの感知表面 (76)微小レーザ調整装置 (80)板ばね部材 (84)磁気プローブ (88)回転ホイール (92)滑動面 (96)ウェブ (100)ハイドゲージ (104)ヨーク (108)較正用顕微鏡 (112)電圧シールド (114)?妾、6剤 (118)カバーグラス (122)領域 (126)液体注入管 (130)スロット (134)較正用具 (138)較正用具基底部 (142)較正用顕微鏡 (146)十字線 (150)センサ収容部域 (154)プローブアーム (158) (160) (162)連絡管(116)
磁石 (120)液体 (124)液体セル (128)液体排出管 (132)ホール (136)ワッシャ (140)ピン (144)ボア (14g)ホルダ (152)調整ねじ (156)ボア (164)電極
Claims (13)
- (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)基部構成材によって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、かつ可動である試料の保持
のための頂部表面を有する走査管と、 (c)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)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。 - (2)液体セル形成手段が、 (a)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。 - (3)(a)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、 (b)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、 (c)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3個の電極ボア、すなわち、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(2)の(b)記載の原子間力顕微鏡。 - (4)(a)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。 - (5)(a)水平な基部構成材と、 (b)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、かつ可動である試料の保持の
ための頂部表面を有する走査管と、 (c)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)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 とからなることを特徴とする原子間力顕微鏡。 - (6)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(5)記載
の原子間力顕微鏡。 - (7)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(6)記載の原子間力顕
微鏡。 - (8)(a)水平な基部構成材と、 (b)基部構成材によって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、かつ可動である試料の保持
のための頂部表面を有する走査管と、 (c)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)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。 - (9)(a)台部が磁石を備え、更に、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
ルドを備るか、あるいは、 (b)前記台部が強磁性材料で作成され、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(4)の(b)あるいは(8)に記載の原子
間力顕微鏡。 - (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)基部構成材によって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、かつ可動である試料の保持
のための頂部表面を有する走査管と、 (c)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、かつ前記第2支持手段によって
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せる
ためのレーザ線束の線源と、 (h)前記第3ボアの外側末端を被うように活性表面を
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。 - (11)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照準されているか、
あるいは、 (c)底部表面上に角度を有するパッドを備えており、
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、前記パッド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。 - (12)(a)第1支持手段が、基部構成材を貫通して
、試料保持ブロックを、それらの頂部末端上に静止させ
る3個の第1調整ねじを備えおり、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り付け
が可能であり、 (b)第2支持手段が、試料保持ブロックの底部表面を
貫通して、プローブ担持モジュールを、それらの頂部末
端上に静止させる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
り付け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。 - (13)(a)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、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)第1支持手段上の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)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。
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