JP2000517433A - 小さな入射ビームスポットを生成するための原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 原子間力顕微鏡は、入射ビーム（４４）の光の波長に十分な開口数を有する光学系を用いて、少なくとも一次元で８μｍ又は８μｍ未満のサイズのスポットをカンチレバー（１４）上に形成する。調節可能なアパーチュア（３４）は、カンチレバー（１４）上の入射ビームスポットのサイズ及び／又は形状を制御するのに用いることができる。入射ビーム及びカンチレバーから反射されたビームの一部は重なり合い、入射ビームの焦点面がカンチレバー（１４）の平面に平行になるように向けられる。入射及び反射光ビームは、四分の一波長板（４２）と関連したビームスプリッター（４０）を用いて偏光することにより分割される。移動可能な焦点レンズと結合された、光学系及び観察システムでは一般的である共焦点観察システムを用いて、焦点を合わせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 小さな入射ビームスポットを生成するための原子間力顕微鏡 本発明は、米国国立科学財団(National Science Foundation)より授与された 許可番号(Grant No.)ＤＭＲ−9221781号、及び海軍研究省(Office of Naval Res earch)より授与された許可番号ＯＮＲ−Ｎ000149310584号のもとに、合衆国政府 の助成を受けて行われた。合衆国政府は本発明について一定の権利を有する。 発明の背景 光梃子又は干渉法システムを用いるような、原子間力顕微鏡法(ＡＦＭ：atomi c force microscopy)における光学検出は、カンチレバー上に作用する力により 生じるカンチレバーの偏向を測定する１つの手段である。一般的には、ばね定数 が０．０１〜１００Ｎ/ｍである長さ１００〜２００μｍのカンチレバーが、試 料の表面特性を測定するのに用いられている。しかしながら、物理法則はこれら のカンチレバーの達成可能な解像度及び走査速度に下限を与える。最もよい解像 度で測定するには、カンチレバーの先端が試料に及ぼす力がほんのわずかである ことが望まれる。生物学では例えば、１０ｐＮを上回る力が加わると変形又は損 傷してしまうほど軟かい試料を扱うことが多い。より大きな力が加われば、カン チレバーの先端は試料に押し込まれ、相互作用領域は拡大し、よって解像度は低 下するため、このことは無機結晶のような「硬い」試料を高解像度で測定する場 合にも当てはまる。カンチレバーの所定の偏向に対しては、力はカンチレバーの ばね定数ｋと共に増加する。流体中での一般的な操作においては、ばね定数は小 さい（１Ｎ/ｍ未満）ことが望ましい。流体中での軟かい試料に対する操作にお いては、ばね定数は０．１Ｎ/ｍ未満であることが望ましいということが実践に より示された。空気中 でのタッピングモードにおいては、ばね定数は３０Ｎ/ｍ未満であることが望ま しい。 高速走査及び低ノイズ操作においては、カンチレバーの共振振動数f_Rが高いこ とが要求される。カンチレバーが機構を通過後反応するのにかかる時間は、コン タクトモードでは１/f_R、タッピングモードではＱ/f_Rのオーダーである(ここで Ｑはカンチレバーの質的係数である)。これは走査速度に基本的な限界を与える 。カンチレバーの熱ノイズは、ほぼ共振振動数f_Rまでの振動数範囲に広がる固定 されたノイズエネルギー（ｋＴのオーダー）を含む(ここでｋはボルツマン定数 であり、Ｔはケルビン温度である)。従って、f_Rが高ければ高いほど、f_Rより低 い単位帯域幅当たりのノイズは低くなる。低いばね定数でより高い共振振動数を 達成するには、より小さくより薄いカンチレバーを用いればよい。しかしながら 、従来のカンチレバーよりもかなり小さいカンチレバーを用いて現在のＡＦＭを 用いるのは困難である。光梃子検出を最適に行うためには、スポットはカンチレ バーを実質上満たすべきである。満たし方が不十分であると、反射ビームが必要 以上に多く発するため、光梃子検出の効率が失われてしまう。挺子の満たし方が 大きすぎると、試料から反射される光により、光が失われ不都合な干渉縞ができ てしまう。しかしながら、同じカンチレバーであっても操作条件が異なれば、ス ポットの配置を変えることにより最もよく合わせることができる。例えば、タン パク質の挙動を非常に低いノイズで測定するには、ショットノイズの制限を受け ない、即ち検出信号誤差を許容限度内にするのに十分な光強度があると想定して 、カンチレバーの満たし方を大きくし、最もよい低ノイズ操作を行うことが望ま れる。反射性の試料を大規模に測定するには、カンチレバーの満たし方を小さく し、試料により反射される光からの干渉効果を最小化することが望まれる。 カンチレバーを水などの流体に浸漬させてＡＦＭを使用できることが望ましい 。これについては例えば、米国再発行特許第34,389号、ハンスマ(Hansma)等の“ Atomic Force Microscope With Optional Replaceable Fluid Cell” を参照されたい。この特許においては、カンチレバープローブがモジュールに取 り付けられており、これにより環状シールが容易に形成され、カンチレバープロ ーブの周囲に流体セルが形成される。複数のカンチレバー先端が同一のチップ上 にあってもよい。各カンチレバーは、１つのカンチレバーから他のカンチレバー に移る際、システムの焦点を再度合わせるために過度の操作を必要とせずに、シ ステムの光学系にアクセス可能であるべきである。 発明の要約 本発明は、小さな入射ビームスポットを生成することにより前記のニーズに見 合うＡＦＭを提供する。該ＡＦＭは、焦点を合わせた入射ビームを生成する光源 を含む光学系、及び焦点を合わせたビームをカンチレバーに向けそこから検出器 に反射させる手段を備える。このシステムは光源からの光の波長に対する十分な 開口数（ＮＡ）を有し、これにより焦点を合わせたビームは、少なくとも一次元 で８μｍ又は８μｍ未満のスポット直径Ｗ_Oを形成する。μｍ単位でのスポット 直径Ｗ_Oは一般に２×λ/(π×ＮＡ)と定義され、ここでλはμｍ単位での波長で ある。また、ＮＡはｎ×sinθと定義され、ここでθは（l/e²点における）遠フ ィールド光円錐の角度の１／２であり、ｎは（空気中では１である）屈折率であ る。λ＝６７０ｎｍの赤色光の場合、ＮＡは０．０５よりも大きくなければなら ない。λ＝４００ｎｍの青色光の場合、ＮＡは０．０３よりも大きくなければな らない。紫外光の場合には、最小ＮＡはより小さくなるであろう。 赤色光の場合、又は青色光の場合でも、焦点を合わせる光学系の開口数が本発 明が必要とするように大きいと、焦点深度が浅くなる。入射ビームスポットの焦 点深度は、ビームがスポットサイズの１０％広がる範囲と定義できる。例えば、 ２μｍのスポット直径を必要とし、波長６７０ｎｍの光を用いて操作する場合、 焦点深度は約５μｍである。結果として、複数の隣接するカンチレバーを用いる と、各カンチレバーへの入射ビームをチェックし、場 合によっては再度入射ビームの焦点を合わせなくてはならない。カンチレバーが 取り付けられているチップを交換する際にも、再度焦点を合わせる必要がある。 本発明によれば、焦点面が入射光ビームの焦点面と同じ位置にある共焦点観察シ ステムが実施されている。カンチレバーをこの観察システムの焦点にもってくる ことにより、入射光ビームの焦点は自動的にカンチレバーの平面上に合わせられ る。試料上の焦点線がカンチレバーと直角になるまで調節することにより、確実 にカンチレバーチップを試料に平行にすることができ、これによりチップと試料 との干渉は防止される。本発明のＡＦＭは、同一のチップ上に複数の隣接するカ ンチレバーを用いることができ、入射光の焦点は、各カンチレバーと実質的に焦 点の合った状態を維持しながら、１つのカンチレバーから他のカンチレバーへと 移る。平行な複数カンチレバーを有するチップは市販されている。 開口数を高くするために入射ビームの開口角を大きくすることにより、焦点深 度が浅くなることに加えて、光学アクセス問題が生じる。複雑なレンズ系を不用 とするために、又はカンチレバーに極めて接近した位置にレンズが集まらないよ うにするためには、入射及び反射光ビームが重なり合い同一のレンズ系を通るよ うに配置することができる。入射及び反射光ビームは、四分の一波長板と関連し たビームスプリッターを用いて偏光することにより分割される。この概念は干渉 法において周知であり、例えば、ディー．ルガー(D.Rugar)等のReview of Scien tific Instruments ,59,2337-2340（1988）を参照されたい。本発明のレンズ系は コンパクトであるため、カンチレバーモジュールに直接取り付けることができる 。更に、タッピングモードでＡＦＭ操作をする場合には、カンチレバーモジュー ル支持部に圧電素子を配置してもよい。 本発明を特定の実施の形態について以下に説明するが、発明の概念から逸脱せ ずに変更を行うことは可能である。例えば、位置感知検出器について以下に述べ るが、代わりに干渉法検出器などその他の検出手段を用いてもよい。その場合、 開口数は干渉法システムの光学系に基づいたものとなる。検出器 以外の構成要素は、本質的に同じものである。 図面の簡単な説明 以下に各図面を簡単に説明するが、幾つかの構成要素、特にカンチレバー及び その走査プローブ先端は、明快に図示するため大幅に拡大されている。 図１は、本発明の原子間力顕微鏡の略図である。 図２は、窒化ケイ素カンチレバーチップの底面斜視図である。 図３及び図４は、カンチレバーチップとカンチレバーとの間の関係の略図であ り、この観察システムの焦点面及び観察システムが見る焦点線が示されている。 図５ａ及び図５ｂは、カンチレバーチップが試料の平面に関して傾けられてい る図３及び図４の相互作用の略図である。 図６ａ及び図６ｂは、チップが試料に平行である図３及び図４の相互作用の略 図である。 図７は、本発明の別の実施の形態におけるカンチレバーモジュールの略図であ り、共焦点観察システムのレンズがモジュールに移動可能に取り付けられている 。 図８は、本発明の別の実施の形態におけるカンチレバーモジュールの略図であ り、入射ビームの焦点線を調節するためにレンズを傾斜させるための、モジュー ルに取り付けられたメカニズム内に、焦点レンズが収容されている。 図９は、本発明の別の実施の形態の原子間力顕微鏡の配置の略図であり、タッ プモードでの操作のためにモジュールが圧電素子上に支持されている。 詳細な説明 本発明は、本明細書中で「小さいカンチレバー」と呼んでいる、一般に長さが ３０μｍより小さいサイズから４μｍほどのサイズ、或いは可能であれ ば更に小さいサイズのものに関して用いるのが最も有用である。本発明はこのよ うな小さいカンチレバーのために開発したものであるが、本明細書中で中程度の カンチレバーとしている長さが３０μｍより大きく１００μｍより小さいカンチ レバー、及び、一般に長さが１００〜２００μｍの範囲のサイズである従来のカ ンチレバーにも用いることができる。 図１を参照すると、カンチレバーチップ１２が固定されたカンチレバーモジュ ール１０が示されており、カンチレバーモジュール１０上にはカンチレバー１４ が、そのプローブ先端１６が試料１８の表面と接触するか又は接触しそうなぐら いになるようにマイクロ加工されている。モジュール１０は内側開口部２０を含 み、この内側開口部２０の下部領域にはウインドウ２２が取り付けられている。 ウインドウ２２はカバーガラスであってもよく、試料環境との境界を形成する。 ウインドウ２２は、入射ビームの焦点を合わせる他のレンズと関連して動作する 別のレンズで置き換えてもよい。下部焦点レンズ２４は、そのエッジを固定溝２ ６に差し込むことにより固定されている。下部焦点レンズ２４は光梃子システム の１つの構成要素であり、この光梃子システムは、コリメートされた光源３２、 アパーチュア３４、入射光ビームスプリッター３６、可動レンズ系３８、偏光ビ ームスプリッター４０、及び四分の一波長板４２を含む。下部焦点レンズ２４は 、開口数を容易に大きくできるように、カンチレバー１４に近接してモジュール １０に固定されることが好ましい。図１に示した構成要素及びこれらを備えるハ ウジングを、システムのヘッド（head）と呼ぶことができる。 コリメートされた光源３２は、入射ビーム４４を生成するレーザ又は超放射（ superradiant）ダイオードであってもよい。特定の実施の形態では、コリメート された光源は、単一モードの光ファイバに結合された波長６７０ｎｍのレーザダ イオードであり、ここで光ビームは出口にコリメートされている。入射ビーム４ ４はアパーチュア３４を通過し、ビームスプリッター３６によりカンチレバー１ ４の方へ向けられる。次いで入射ビーム４４は、可動レンズ系３８を通過し、更 に、入射ビームのレーザ光の一方の偏光方向のみ を通過させる偏光ビームスプリッター４０を通る。他の偏光方向は、光検出器４ ６から離れた方向の、ヘッドの片側に反射され、迷光（stray light）を最小化 する黒体（図示せず）にぶつかる。不都合な迷光は、偏光子４８をヘッドのキャ ビティの外側のビームに取り付けることにより必要に応じて低減させることがで き、これにより、偏光ビームスプリッター４０により反射される偏光方向はフィ ルタリングされる。 検出器は従来の構造を有するものでもよい。検出器においてビームを容易にセ ンタリングするには、公知のＸ-Ｙ位置決めステージ（図示せず）を用いること ができる。更に、検出器の傾斜は、傾斜ステージにより又は傾斜コンポーネント をＸ-Ｙステージに追加することにより、調整することができる。 入射光ビーム４４の偏光ビームスプリッターを通過する部分４４ａは、四分の 一波長板４２を通して送られ、ここでこの部分４４ａは楕円偏光となる。入射ビ ームは次いで焦点レンズ２４を通過し、ウインドウ２２を通過して、カンチレバ ー１４の頂部表面にぶつかり、そこで反射される。反射されたビームは、同じウ インドウ２２、焦点レンズ２４、及び四分の一波長板４２を通過して戻る。四分 の一波長板は今度は反射されたビームを直線偏光し、その結果ビームの偏光は入 射ビームの偏光と直角になる。これにより、カンチレバー１４により反射された ビームは、ほぼ完全にビームスプリッター４０により検出器４６上に反射される 。ビームスプリッター及び四分の一波長板を用いてこのように異なる偏光を生成 することは、構成要素を必要な方向に向けることと同様によく知られている。ビ ームスプリッター４０を通過する反射光の量は、下記で述べるように通常は観察 するのに十分な量である。 図１に示されるように、入射ビーム４４の光軸は、入射ビームがカンチレバー １４の平面に対して直角になるように、垂直から傾斜される。これにはいくつか の利点がある。例えば、チップ１２のエッジ上でのシャドーイングによる光の損 失が最小化される。このことは、本発明である小さなスポットサイズのためには 必要な、開口数の高いシステムに対して特に重要であり、というのは開口角の大 きい光円錐がカンチレバーに到達しなくてはならない ためである。 入射及び反射ビームが重なり合うことにより、カンチレバーの平面を焦点面に 好都合に配置することができる。従って、カンチレバー上に焦点を合わせ、次い で再度焦点を合わせる必要なくカンチレバー上のスポットを移動させることがで きる。隣接する複数のカンチレバーに関しては、１つのカンチレバーに焦点を合 わせ、次いで例えばビームを移動することにより、入射ビームの焦点を１つのカ ンチレバーから他のカンチレバーに移動することができる。入射ビームは、もし 調節が必要であるとしても僅かに調節するだけで、実質上各カンチレバーに焦点 が合わされる。長さがさまざまな複数のカンチレバー１４^I、１４^II、１４^III、 １４^IV、及び１４^Vを有するチップが図２に示されており、これはカンチレバー のそれぞれの先端、１６^I、１６^II、１６^III、１６^IV、及び１６^Vを示すために 底部から見た図である。 光学系の構成要素を共用することにより、共焦点観察システムは容易に入手可 能であり、また共焦点観察システムは、入射ビームの焦点をカンチレバー上のス ポットに合わせたり、スポットを位置決めしたりするのに役立つ。入射ビームが 第１のレンズ３８にぶつかる前にコリメートされるためには、観察システムのた めの無限遠に補正された（infinity-corrected）光学系が入射ビームと焦点を共 有する必要がある。特定の実施の形態では、無限遠（図示せず）に焦点を合わせ た望遠鏡が用いられている。別の実施の形態ではビデオシステムが用いられてお り、ビデオカメラは、コリメートされた光が用いられる場合にのみ無限遠に焦点 を合わせる必要がある。カンチレバーが観察システムの焦点に現れるように可動 レンズ系３８を調整すると、入射ビーム４４ａの焦点は自動的にカンチレバーの 平面に合わされる。このような調整は、小さいカンチレバーを用いて操作する際 に好都合である。同時に、偏光ビームスプリッター４０により強度が減少された 入射ビームからのスポットを観察システムにおいて見ることができ、またこのス ポットを正確にカンチレバー上に位置決めすることができる。 或いは、検出器４６は反射ビームの強度を測定するのに用いることができ、 可動レンズ系３８はその強度を最大化するように調整することができる。これは 、ビームの焦点をすばやくカンチレバー上に合わせるのに役立つ。更に、四分の 一波長板を回転可能に取り付けることにより、特定の目的のために光の強度を変 化させることができる。可動レンズ系３８が入射ビーム及び観察システムの両方 に対して等価であり、一度のレンズ調整で両方の焦点面が合えば、非無限遠に補 正された（non-infinity corrected）光学系を用いることができる。この調整は 無限遠に補正された光学系に関して最も簡単に行うことができるが、顕微鏡対物 レンズが４５ｍｍであり管長が１６０ｍｍである２０５ｍｍシステムのような、 その他のシステムに対して行うこともできる。 観察システムは、試料への粗い（course）アプローチの助けとなり得る。試料 がカンチレバーに近づくと、試料のラインは焦点合わせされる。このラインは、 観察システムの焦点面と試料の平面との交線である。観察システムの焦点面がカ ンチレバー１４の焦点面とほぼ同一である場合、試料が近づくと試料の焦点線は カンチレバー１４に近づくように観察される。従来のラインアプローチシステム へのアプローチを考慮する前に、試料の焦点線をカンチレバーにどの程度近づけ るかを、経験がユーザにガイドする。 （カンチレバーモジュールが試料に平行でない結果）カンチレバーチップ１２ のエッジが試料１８に接触しないようにするためには、上述の焦点線はカンチレ バーチップ１２のエッジに平行になるように調節され得る。平行な焦点線を得る 調節は、チップの角度を試料に平行になるように調節する。これは、図３〜６に 例示される。図３及び４に示されるように、カンチレバーモジュール１０は試料 １８に平行であり、破線１９で示される観察システムの焦点面はカンチレバー１ ４の平面に一致する。観察システムの焦点線２１として表されるものは、点とし て図３に示されており、図に対して垂直に延びている。試料１８を上方に（カン チレバー１４に向かって）移動する場合、この線２１は、矢印２３に示されるよ うに、観察システムのカンチレバー１４に近づく。 図５ａ及び５ｂを参照すると、チップ１２の正面エッジ２５が試料１８の平面 に対して傾いている場合、カンチレバー１４が試料１８に接触する前に、チップ １２の角が試料１８に当たる。これを避けるために、カンチレバー１４と試料１ ８との係合前及び係合中に、カンチレバー１４を焦点合わせしつつ、ユーザは試 料１８の焦点線２１をまっすぐにする。 図６ａ及び６ｂを参照すると、チップ１２の正面エッジ２５は試料１８の平面 に平行であるため、カンチレバー１４が焦点合わせされると、試料１８上の焦点 線２１はカンチレバー１４に垂直である。 さらに図１を参照すると、本発明のさらなる実施の形態において、調節可能な アパーチュア４９が入射経路に配置されてスポット形状をカンチレバーに合わせ る。例えば、オーバーラップするプレートで形成されたカメラアパーチュアを制 御するメカニズムを使用してもよい。閉じたプレートの形状を選択することによ って、又は予め形成されたアパーチュアプレートに代えることによって非円形ス ポットを使用可能である。ユーザは、観察システムをカンチレバーに焦点合わせ し、スポット位置、サイズ及び形状を調節する。したがって、長い従来のカンチ レバーは、最適な性能を全て有する短く新しいものと同様に使用される。例えば 、直径６ｍｍのビーム（λ＝６７０ｍｍ）で満たされた場合に開口数０．２のレ ンズ系を有する２ｍｍ×４ｍｍアパーチュアの矩形（又は長さ２ｍｍと４ｍｍが 互いに直角な二つのスリットアパーチュアに等しい）を含む。これによって、長 さ６μｍ幅３μｍのカンチレバーをほぼ満たす約６μｍ×３μｍのスポットサイ ズが得られる。 別の特定の実施では、長さ、幅及び厚みがそれぞれ約４μｍ、２μｍ及び０． ０５μｍのカンチレバーを、例えば、ばね定数０．１Ｎ／ｍ、共振周波数約２． ６ＭＨｚのアルミニウムから形成することができる。スポット径２μｍ、波長６ ７０ｎｍの光を得たければ、焦点の深度は約５μｍになる。本発明で使用され得 る小さなサイズのカンチレバーは、長さ、幅及び厚みがそれぞれ２３μｍ、１２ μｍ及び０．４４μｍの金が上に蒸着された窒化ケイ素からなるカンチレバーを 含む。本発明が使用された中間サイズのカンチレ バーもまた、長さ、幅及び厚みがそれぞれ７８μｍ、２０μｍ及び０．４４μｍ の金が蒸着された窒化ケイ素からなる。焦点深度約５０μｍの７μｍのスポット サイズを使用した。 レンズアセンブリを移動させる別の方法は、図７に示される。レンズアセンブ リは下部固定レンズ６０及び上部移動可能レンズ６２を有する。下部アセンブリ レンズ６０は中心開口部６４のモジュールの下部領域に固定される。上部アセン ブリレンズ６２は、その片側に、モジュール７６に配置されるボルト穴７４に固 定されるボルト７２と相互作用するねじ切り開口部を有する部材７０に取り付け られた固定具６６に固定される。部材７０の反対側は、モジュール７６の上面に 固定される支柱７７に８０で旋回可能に固定されるアーム領域７８を定める。ば ね８２は８４でアーム領域７８に固定され、８６でモジュールの上面に固定され る。ボルト７２をある方向又は他方向に回転させることによって、ねじ切り部材 ７０はアセンブリ上部レンズ６２を上下させることができる。共焦点観察システ ムで観察することによってカンチレバーがいつ焦点合わせされるかを決定するこ とができる。 カンチレバーチップ１２を取り外したり交換したりする便利なメカニズムも図 ７に示される。ボルト穴８８のボルト８７は、偏向部材９０を押し、該偏向部材 はポケット９２に配置されたカンチレバーチップ１２に当たり、カンチレバーを モジュール７６に締めつける。このような手段によって、カンチレバーチップは モジュールから容易に解放されたり該モジュールに固定されることができ、前方 及び後方に位置することができる。 上述したように、焦点合わせレンズの光軸をカンチレバーの平面に垂直にする ことによって、入射ビーム４４ａの焦点面がカンチレバーの平面に平行になる。 入射ビームの焦点をカンチレバーの平面に平行にすることは、ビューカメラ写真 法におけると同様にレンズを傾けることによっても達成することができる。図８ を参照すると、下部レンズアセンブリ９４は、ボルト穴１０４及び１０６で作用 するボルト１００及び１０２によって固定される、ねじ切りレンズホルダー９８ の中心開口部９６に固定される。ボルトはモジュ ール１１４の中心オープニング１１２の両側のねじ切り開口部１０８及び１１０ に螺合する。第３のボルト（図示せず）は図面にはないが、モジュール１１４及 びレンズホルダー９８を介して対応するねじ切り開口部に同様に配置される。粗 い調節を行う場合にレンズ９４が上方及び下方に移動できるように、レンズホル ダー９８の開口部９６はねじ切りされる。一つ以上のボルト１００の内側又は外 側をねじ切りすることによって、レンズ９４はカンチレバー１４に対して傾くこ とができる。 また、カンチレバーチップ１２を固定するさらに別の方法も図８に示される。 この場合、下部プレート１１６はモジュール１１４の下面に固定され、モジュー ルの穴１２６及び１２８ならびにプレート１１６の対応する穴１３０及び１３２ を介してボルト１２２及び１２４によって、平面１１８とモジュール１２０の対 応する傾斜面との間にカンチレバーチップ１２を締めつける。モジュールの別の 穴１３６に配置されるばね１３４はモジュールの上部に螺合しばね１３４を保持 するするボルトヘッド１３８によって負荷をかけられ、解放を容易にする。 別の実施の形態の一般的なレイアウトは図９に示される。顕微鏡はコンパクト であり、中心開口部１４４を有するベースプレート１４２に保持されるアルミニ ウムブロックハウジング１４０から形成される。ハウジング１４０は、カンチレ バーモジュール１４８が配置されるキャビティ１４６を定める。モジュール１４ ８には内側開口部１５０が形成されており、該内側開口部には下部レンズ１５２ 及び上部レンズアセンブリ１５４が、モジュール１４８の底部に固定されるカン チレバーチップ１５８に保持されるカンチレバー１５６の上方に固定される。ハ ウジング１４０は、ブロック１４０のボルト穴１６８に螺合し焦点ノブ１７０に よってばね１６４の付勢力に対して回るボルト１６６によってばね１６４に対し て移動可能なレンズホルダー１６２によって保持される移動可能レンズ１６０を 支持する。四分の一波長板１７４の上にあり該四分の一波長板に一体化した偏光 ビームスプリッター１７２は、移動可能レンズ１６０と上部レンズアセンブリ１ ５４との間の光の経路内に 支持される。ビームスプリッター１７６は、二つの調節ねじ１８４及び１８６な らびに旋回点（図示せず）を含む傾斜ステージ１８２上に支持される。 光ファイバ１８８からの光はコリメータ１９０を通過して入射光ビームスプリ ッター１７６によって傾斜ステージ１８２及びブロック１４０のそれぞれの開口 部１９２及び１９４に向けられる。コリメータ１９０の前端部はスリット１９１ に当接し、該スリットは所望の形状のアパーチュア開口部を有するプレート上に 配置される。傾斜ステージ１８２はカンチレバー１５６に焦点を位置決めする。 入射ビームスプリッター１７６からのコリメートされた光は移動可能レンズ１６ ０、偏光ビームスプリッター１７２、四分の一波長板１７４、固定レンズ１５４ 及び１５２を通過してカンチレバー１５６の上側に当たる。 カンチレバーから反射した光は固定レンズ１５２及び１５４、四分の一波長板 １７４を通過し、ビームスプリッター１７２によって反射される。 検出器１９６はブロックキャビティ１４６内に位置され、図示された二つの調 節ねじ２０２及び２０４によって、反射ビームを検出器１９６の中心に置く検出 器傾斜ステージ２００に接続されたアーム１９８によって保持される。 カンチレバー１４８は片側はスチールボール２０６によって、他方の側ではス チール半球体２０８によってベースプレート１４２に保持され、これらはカンチ レバーモジュール１４８の底部に形成されたキャビティ２１０及び２１２のそれ ぞれによって配置される。スチール半球体２０８はｚ方向タップ圧電アクチュエ ータ（tapping piezoelectric actuator）２１４に接着され、該アクチュエータ はカンチレバー操作へのタップモードを可能にするためにコントロール（図示せ ず）へのリード線（図示せず）を有する。タップ圧電アクチュエータ２１４のこ のような配置によって装置の構成が単純になり、圧電タップアクチュエータを交 換することができ、別の場所、例えば流体セル（fluid cell）に配置することも できる。あるいは、圧電アクチュエータを配置し、各ボールがカンチレバーモジ ュールを支持してもよい。 試料２１６は、スキャナアセンブリ２２０に保持された圧電走査管２１８に支 持される。走査管２１８は当業界で公知の従来の設計のものであり、ｘ，ｙ及び ｚ方向の電圧をワイヤ（図示せず）に印加することによって試料を水平方向及び 垂直方向に移動させる。ベースプレート１４２は配置キャビティ２２２及び２２ ４によってスキャナアセンブリ２２０に支持され、該キャビティは調節ねじ２３ ０及び２３２のそれぞれに保持されるスチールボール２２６及び２２８に対応す る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 クリーブランド、ジェイソン、ピー. アメリカ合衆国 93001 カリフォルニア 州 ベンチュラ ピアポント ブルバード 2524

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つのカンチレバーが取り付けられており光学検出器を含む、 小さな入射ビームスポットを生成するための改良された原子間力顕微鏡であって 、 光源、及び焦点合わせされた入射ビームを生成する手段を含む光学系と、 前記焦点合わせされた入射ビームを前記カンチレバー上に向かわせ、前記カン チレバーから前記検出器へ反射させる手段と、 を含み、 前記光学系は前記光源からの光の波長に対して十分な開口数を有し、これによ り、前記焦点合わせされたビームは少なくとも一次元で８μｍ又は８μｍ未満の サイズを有するスポットを前記カンチレバー上に形成する、 原子間力顕微鏡。 ２．前記カンチレバーの長さが３０μｍ未満である、請求の範囲１記載の原子 間力顕微鏡。 ３．前記入射ビームの経路にアパーチュアを定める手段と前記アパーチュアの サイズを調節する手段を含み、これによって前記カンチレバー上の前記入射ビー ムスポットのサイズを制御する、請求の範囲１記載の原子間力顕微鏡。 ４．前記入射ビームの経路にアパーチュアを定める手段と前記アパーチュアの 形状を調節する手段を含み、これによって前記カンチレバー上の前記入射ビーム スポットの形状を制御する、請求の範囲１記載の原子間力顕微鏡。 ５．前記光学系の構成要素は前記入射ビーム及び反射ビームの少なくともある 部分が重複するように配置されており、前記反射ビームを前記入射ビームから分 離して前記分離された反射ビームを前記検出器に向かわせる手段を含む、請求の 範囲１記載の原子間力顕微鏡。 ６．前記分離手段は、前記入射ビーム及び反射ビームの経路上にあり、第１の 偏光方向を有する光を通過させて第２の偏光方向を有する光を反射する ように配置される偏光ビームスプリッターを含み、前記重複ビームの経路上の前 記ビームスプリッターと前記カンチレバーとの間に配置され、前記反射された光 ビームの少なくとも一部分を前記第２の偏光方向に転向する手段を含む、請求の 範囲５記載の原子間力顕微鏡。 ７．前記転向手段が、前記入射ビームを楕円偏光し、前記反射ビームを直線偏 光する四分の一波長板を含む、請求の範囲６記載の原子間力顕微鏡。 ８．前記入射ビームの経路上にあるが前記重複ビームの経路外にあり、実質上 第１の偏光方向のみを有する光を通過させるように配置される偏光子を含み、前 記分離手段は、前記入射ビーム及び反射ビームの経路上にあり、前記第１の偏光 方向を有する光を通過させて第２の偏光方向を有する光を反射するように配置さ れるビームスプリッターを含み、前記重複ビームの経路上の前記ビームスプリッ ターと前記カンチレバーとの間に配置され、前記反射された光ビームの少なくと も一部分を前記第２の偏光方向に転向する手段を含む、請求の範囲５記載の原子 間力顕微鏡。 ９．前記転向手段が、前記入射ビームを楕円偏光し、前記反射ビームを直線偏 光する四分の一波長板を含む、請求の範囲８記載の原子間力顕微鏡。 １０．前記入射ビームを前記カンチレバー上に向ける前記手段が、前記入射ビー ムを前記カンチレバー上のスポットに焦点合わせするように配置されるレンズを 含み、前記レンズと共焦点であり前記スポットの位置を観察する手段を含む、請 求の範囲１記載の原子間力顕微鏡。 １１．前記入射ビーム及び反射ビームの少なくともある部分と前記観察手段が共 通の光路を共有する、請求の範囲１０記載の原子間力顕微鏡。 １２．前記光源はコリメートされた光源であり、前記観察手段の光学系は無限遠 に補正される、請求の範囲１１記載の原子間力顕微鏡。 １３．前記観察手段は前記共通の光路上にある並進運動可能レンズを含み、前記 カンチレバーの像を前記観察手段において焦点合わせするための前記並進運動可 能レンズの並進運動により、前記入射ビームを前記カンチレバーの面において焦 点合わせする、請求の範囲１１記載の原子間力顕微鏡。 １４．前記カンチレバーの面に一致するように前記入射ビームの焦点面を配置す る手段を含む、請求の範囲１記載の原子間力顕微鏡。 １５．前記焦点面配置手段が、前記入射ビームを前記カンチレバー上に焦点合わ せするように配置される少なくとも１つの焦点レンズを含み、前記焦点レンズの 焦点面が前記カンチレバーの面に一致するまで前記焦点レンズを傾斜させる手段 を含む、請求の範囲１４記載の原子間力顕微鏡。 １６．前記焦点面配置手段が、前記入射ビームを前記カンチレバー上に焦点合わ せするように配置される少なくとも１つの焦点レンズを含み、その光軸は前記カ ンチレバーの面に対して垂直となるように配置される、請求の範囲１４記載の原 子間力顕微鏡。 １７．複数のカンチレバーを有すると共に、１つのカンチレバーからの他のカン チレバーへ前記入射ビームの焦点スポットをシフトする手段と、前記複数のカン チレバーのうち少なくとも１つのカンチレバーの面に一致するように前記入射ビ ームの焦点面を配置する手段を含み、これにより、前記入射ビームは前記焦点ス ポットがシフトされた前記カンチレバーと焦点がほぼ合う、請求の範囲１記載の 原子間力顕微鏡。 １８．前記カンチレバーが取り付けられる、取り外し可能に取り付けられたモジ ュールを有し、前記モジュールに取り付けられて前記入射ビームを前記カンチレ バー上のスポットに焦点合わせする焦点レンズを含む、請求の範囲１記載の原子 間力顕微鏡。 １９．少なくとも１つのタップ圧電素子を含み、前記モジュールはタップモード 操作を容易にするために前記タップ圧電素子上に支持される、請求の範囲１記載 の原子間力顕微鏡。 ２０．前記モジュールは支持体上に配置され、前記タップ圧電素子は前記支持体 に埋め込まれている、請求の範囲１９記載の原子間力顕微鏡。 ２１．前記光源からの光の波長は６７０ｎｍであり、前記開口数は０．０５より も大きい、請求の範囲１記載の原子間力顕微鏡。 ２２．少なくとも１つのカンチレバーが取り付けられており光学検出器を含 む、小さな入射ビームスポットを生成するための改良された原子間力顕微鏡であ って、 光学系を含み、前記光学系は、 入射ビームを生成するためのコリメートされた光源と、 前記入射ビームの経路にアパーチュアを定める手段と、 前記アパーチュアのサイズを調節し、よって前記入射ビームの少なくとも１ 次元のサイズを制御する手段と、 前記入射ビームを焦点合わせして焦点合わせされた入射ビームを生成するよ うに配置される焦点レンズと、 前記焦点合わせされた入射ビームを前記カンチレバー上に向かわせて前記カ ンチレバーから前記検出器に反射させ、前記入射ビーム及び反射ビームの少なく ともある部分を重複させる手段と、 を含み、 前記光学系は前記光源からの光の波長に対して十分な開口数を有し、これによ り、前記焦点合わせされたビームは、少なくとも前記一次元において８μｍ又は ８μｍ未満のサイズを有するスポットを前記カンチレバー上に形成し、 前記入射ビームから前記反射ビームを分離し、これによって前記分離された反 射ビームを前記検出器に向かわせる手段を含み、前記手段は、前記入射ビーム及 び反射ビームの経路上にあり、第１の偏光方向を有する光を通過させて第２の偏 光方向を有する光を反射するように配置される偏光ビームスプリッターを含み、 前記重複ビームの経路上の前記ビームスプリッターと前記カンチレバーとの間 に配置されて前記入射ビームを楕円偏光、前記反射ビームを直線偏光させ、これ によって前記第２の偏光方向を前記反射ビームに付与する四分の一波長板を含み 、 前記焦点レンズと共焦点であり、前記重複した入射ビーム及び反射ビームと共 通の経路を共有して前記カンチレバー上の前記スポットの位置を観察す るための観察手段を含み、 前記共通光路上にあり、前記カンチレバーの像を前記観察手段において焦点合 わせする並進運動可能レンズを含み、前記並進運動可能レンズ及び焦点レンズの 光軸は前記カンチレバーの面と垂直になるように配置され、これにより前記入射 ビームを前記カンチレバーの面において焦点合わせし、 前記カンチレバーが取り付けられる、取り外し可能に取り付けられたモジュー ルを含み、前記焦点レンズは前記モジュールに取り付けられており、 前記モジュールが支持される少なくとも１つのタップモード圧電素子を含む、 原子間力顕微鏡。 ２３．前記光源からの光の波長は６７０ｎｍであり、前記開口数は０．０５より も大きい、請求の範囲２２記載の原子間力顕微鏡。