DE112006000456T5

DE112006000456T5 - Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus und Abtastsondenmikroskop, welches dergleichen verwendet

Info

Publication number: DE112006000456T5
Application number: DE112006000456T
Authority: DE
Inventors: Masato Iyoki; Masatsugu Shigeno; Yoshiharu Matsushita
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2008-01-17
Also published as: US20080061232A1; US7614288B2; JPWO2006090594A1; JP5111102B2; WO2006090594A1

Abstract

Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus zur Bereitstellung bei einem Abtastsondenmikroskop, welches eine Plattform, um eine Probe darauf zu setzen, und eine Sonde, welche in Nähe zu oder in Kontakt mit einer Oberfläche von der Probe zu platzieren ist, hat, wobei der Feinbewegungsmechanismus enthält:
einen Sonden-Feinbewegungsmechanismus, welcher einen ersten Antrieb enthält, und zur Feinbewegung von der Sonde in eine X- und Y-Richtung parallel zu einer Oberfläche von der Probe und zueinander quer mittels des ersten Antriebes; und
einen Plattform-Feinbewegungsmechanismus, welcher den zweiten Antrieb unabhängig vom ersten Antrieb bereitgestellt enthält, und zur Feinbewegung von der Plattform in eine Z-Richtung vertikal zur Oberfläche von der Probe mittels des zweiten Antriebs.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, welcher an einem Abtastsondenmikroskop bereitgestellt wird, welches verschiedene Stücke von einer physikalischen Eigenschaftsinformation über eine Abtastoberfläche-Topografie, eine Viskoelastizität oder dergleichen, indem die Sonde in Nähe zu oder in Kontakt mit einer Probenoberfläche platziert wird, misst, und auf ein Abtastsondenmikroskop, welches dergleichen hat.
STAND DER TECHNIK
Wie bereits bekannt, ist das Abtastsondenmikroskop (SPM) als eine Einrichtung zum Messen eines mikroskopischen Bereichs von einer Probe, wie beispielsweise aus Metall, Halbleiter, Keramik, Kunstharz, Polymer, Biomaterial oder Isolator, und zum Beobachten der Probe in Bezug auf ihre physikalische Eigenschaftsinformation von einer Viskoelastizität, usw., oder einer Oberflächen-Topografie bekannt.
Unter den Abtastsondenmikroskopen ist ein Typ bekannt, welcher eine Plattform, um eine Probe darauf zu setzen, und einen Ausleger, welcher eine Sonde an einem Vorderende, welches in Nähe zu oder in Kontakt mit einer Probenoberfläche zu setzen ist, hat (s. bei spielsweise Patentdokument 1). Die Plattform und die Sonde sind in Relation in eine X- und Y-Richtung zu bewegen, so dass die Probe durch die Sonde abgetastet werden kann. Während eine Versatzgröße des Auslegers während der Abtastung gemessen wird, wird die Plattform oder die Sonde in Z-Richtung betrieben. Indem die Distanz zwischen der Probe und der Sonde gesteuert wird, kann eine Messung auf verschiedene Stücke einer physikalischen Eigenschaftsinformation vorgenommen werden.
Unterdessen, um eine Messgenauigkeit zu verbessern, gibt es eine Notwendigkeit dazu, die Plattform und die Sonde mit einer Genauigkeit zur Abtastung zu bewegen. Aus diesem Grund ist es eine allgemeine Praxis, einen Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus bereitzustellen, um die Plattform und die Sonde mit Genauigkeit zu bewegen.
Der Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus hat einen Antrieb, wie beispielsweise ein dreidimensionales Stellglied, um die Plattform und die Sonde genau zu bewegen, wobei ein Typ bekannt ist, bei welchem Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung mittels eines dreidimensionalen Stellgliedes möglich sind.
Hier ist, um die Abtastgeschwindigkeit mit einer Sonde zu verbessern, eine Bewegungsgeschwindigkeit notwendig, welche in der Z-Richtung, verglichen mit der in der X- oder Y-Richtung, viel höher ist. Der Grund dafür liegt darin, dass eine Nachverfolgung in der Z-Richtung stets notwendig ist, um die Distanz zwischen der Probe und der Sonde während einer Abtastung in der X- und Y-Richtung konstant zu halten.

Patentdokument 1: JP-A-2000-346784 .

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
PROBLEM, WELCHES DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN HAT
Jedoch muss bei dem Aufbau, welcher ein dreidimensionales Stellglied wie das Obige verwendet, eine Bewegung nicht nur in der Z-Richtung, sondern ebenfalls in der X- und Y-Richtung mittels des dreidimensionalen Stellgliedes vorgenommen werden. Das dreidimensionale Stellglied ist selber in seinem Ausmaß erhöht, welches wiederum die Resonanzfrequenz des dreidimensionalen Stellgliedes verringert. Somit gibt es nachteilhafterweise eine Schwierigkeit in einer Erhöhung von einer Vibrationsfrequenz in der Z-Richtung. Unterdessen wird eine Bewegung gleichzeitig in X-, Y- und Z-Richtung mittels des dreidimensionalen Stellgliedes vorgenommen, wodurch sie zueinander eine Beeinflussung haben und die Genauigkeit der Bewegung verringern.
Die vorliegende Erfindung, welche angesichts eines solchen Umstandes gemacht wurde, hat eine Aufgabe darin, einen Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, welcher eine Durchführung von einer Messung mit einer Genauigkeit erlaubt, während die Abtastgeschwindigkeit mit der Sonde ferner verbessert wird, und ein Abtastsondenmikroskop, welches dergleichen erhält, bereitzustellen.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Die vorliegende Erfindung stellt das folgende Mittel bereit, um das vorgenannte Problem zu lösen.
Die vorliegende Erfindung ist ein Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, welcher auf einem Abtastsondenmikroskop bereitgestellt ist, welches eine Plattform hat, auf welche eine Probe gelegt ist, und eine Sonde in Nähe zu oder in Kontakt mit einer Oberfläche von der auf der Plattform gelegten Probe zu setzen ist, wobei der Feinbewegungsmechanismus enthält: einen ersten und zweiten Antrieb, welche unabhängig voneinander bereitgestellt sind; ein Sonden-Feinbewegungsmechanismus, welcher den ersten Antrieb hat, und zum genauen Bewegen von der Sonde in X- und Y-Richtung, parallel zu einer Oberfläche von der Probe und quer zueinander, mittels des ersten Antriebes; und einen Plattform-Feinbewegungsmechanismus, welcher den zweiten Antrieb hat, und zum genauen Bewegen von der Plattform in einer Z-Richtung, vertikal zur Oberfläche von der Probe mittels des zweiten Antriebs.
In dem Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung ist die Sonde in X- und Y-Richtung mittels des ersten Antriebes, welcher im Sonden-Feinbewegungsmechanismus bereitgestellt ist, genau zu bewegen. Unterdessen ist die Plattform in einer Z-Richtung mittels des zweiten Antriebes, welcher im Plattform-Feinbewegungsmechanismus bereitgestellt ist, genau zu bewegen. In diesem Fall werden der erste und zweite Antrieb getrennt voneinander unabhängig angetrieben.
Aufgrund dessen können der erste und zweite Antrieb getrennt und in ihrem Ausmaß reduziert werden, wodurch die Resonanzfrequenz erhöht wird, und es verhindert wird, dass der erste und zweite Antrieb einen Einfluss zueinander haben.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, hat der Sonden-Feinbewegungsmechanismus ein Sonden-Versatzerfassungsmittel, welches einen Versatz von der Sonde erfasst.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung erfasst das Sonden-Versatzerfassungsmittel einen Versatz von der Sonde.
Aufgrund dessen kann die Versatzgröße von der Sonde positiv gemessen werden, während die Sonde genau bewegt wird.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, hat der Sonden-Feinbewegungsmechanismus ein Sondenseiten-Durchgangsloch, welches in die Z-Richtung gerichtet ist.
Ferner, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, passiert ein Beleuchtungslicht durch das Sondenseiten-Durchgangsloch.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung ist ein Sondenseiten-Durchgangsloch im Sonden-Feinbewegungsmechanismus bereitgestellt, um ein Beleuchtungslicht durch das Sondenseiten-Durchgangsloch zu passieren.
Aufgrund dessen kann eine Beleuchtungsvorrichtung im Abtastsondenmikroskop einfach bereitgestellt werden, ohne dass das Beleuchtungslicht durch den Sonden-Feinbewegungsmechanismus behindert wird.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, hat der Plattform-Feinbewegungsmechanismus ein Plattformseiten-Durchgangsloch, welches in die Z-Richtung gerichtet ist.
Ferner, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, passiert ein Beleuchtungslicht durch das Plattformseiten-Durchgangsloch.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung ist ein Plattformseiten-Durchgangsloch im Plattform-Feinbewegungsmechanismus bereitgestellt, um ein Beleuchtungslicht durch das Plattformseiten-Durchgangsloch zu passieren.
Aufgrund dessen kann eine Beleuchtungsvorrichtung im Abtastsondenmikroskop einfach bereitgestellt werden, ohne dass das Beleuchtungslicht durch den Plattform-Feinbewegungsmechanismus behindert wird.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus ist eine Objektivlinse in einer Position bereitgestellt, bei welcher die Sonde oder der mit der Sonde bereitgestellte Ausleger durch das Sondenseiten-Durchgangsloch zu beobachten ist.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung ist eine Objektivlinse in einer Position bereitgestellt, bei welcher die Sonde oder der Ausleger durch das Sondenseiten-Durchgangsloch zu beobachten ist.
Aufgrund dessen kann die Objektivlinse ferner näher an die Sonde oder die Probe bewegt werden, ohne dass die Objektivlinse durch den Sonden-Feinbewegungsmechanismus behindert wird, wodurch es ermöglicht wird, eine Objektivlinse bereitzustellen, welche ein hohes NA hat.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus ist eine Objektivlinse in einer Position bereitgestellt, bei welcher die Probe durch das Plattformseiten-Durchgangsloch zu beobachten ist.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung ist eine Objektivlinse in einer Position bereitgestellt, bei welcher die Probe durch das Plattformseiten-Durchgangsloch zu beobachten ist.
Aufgrund dessen kann die Objektivlinse ferner näher an die Probe bewegt werden, ohne dass die Objektivlinse durch den Plattform-Feinbewegungsmechanismus behindert wird, wodurch es ermöglicht wird, eine Objektivlinse bereitzustellen, welche ein hohes NA hat.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung, ist die Objektivlinse in einer Mehrzahl bereitgestellt, welche ein Anordnungs-Änderungsmittel enthält, welches eine Anordnung von der Mehrzahl von Objektivlinsen ändert.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung ändert das Anordnungs-Änderungsmittel die Anordnung der Mehrzahl von Objektivlinsen.
Aufgrund dessen kann eine Mehrzahl von Vergrößerungstypen von Objektivlinsen gemäß verschiedener Proben ausgewählt werden.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, hat der Plattform-Feinbewegungsmechanismus einen Mechanismuskörper, welcher den zweiten Antrieb und eine Erweiterung hat, welche sich in eine Richtung quer zur Dicke des Mechanismuskörpers erstreckt und die Plattform lagert, wobei die Erstreckung ein Dicken-Ausmaß hat, welches kleiner als ein Dicken-Ausmaß des Mechanismuskörpers eingestellt ist.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung, weil das Dicken-Ausmaß von der Erstreckung kleiner als das Dicken-Ausmaß des Mechanismuskörpers eingestellt ist, ist die Erstreckung in ihrem Dicken-Raum geöffnet.
Hier ist in einem Fall, bei welchem das Dicken-Ausmaß zwischen der Erstreckung und dem Mechanismuskörper gleich ist, kein ausreichender Raum zum Bereitstellen von einer Objektivlinse in einer Position unterhalb der Erstreckung verfügbar, wodurch es unmöglich ist, die Objektivlinse näher an die Probe zu setzen. Demgemäß kann es in Anbetracht gezogen werden, eine Aussparung in einer Position unterhalb von der Probe bereitzustellen und eine Objektivlinse in der Aussparung anzuordnen. Jedoch, in einem Fall, bei welchem eine Objektivlinse in der Aussparung angeordnet ist, ist es schwierig, die Objektivlinse zu beobachten, wenn sie durch eine unterschiedliche Vergrößerung von einer weiteren Objektivlinse ausgetauscht wird.
In der Erfindung ist ein Raum in der Dicke von der Aussparung geöffnet. Demgemäß kann ein Raum um die Erstreckung wirksam verwendet werden, es kann beispielsweise die Objektivlinse einfach bewegt werden.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus wird der Mechanismuskörper durch einen Ausleger gelagert.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung, weil der Mechanismuskörper über einen Ausleger gelagert wird, kann ein Raum um die Erstreckung durch einen einfachen Aufbau wirksam geöffnet werden.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, ist der zweite Antrieb durch eine Mehrzahl von Stellgliedern aufgebaut, um sich in der Z-Richtung zu erstrecken und zu kontrahieren, wobei die Stellglieder an bewegbaren Enden derer mittels der Plattform miteinander verbunden sind.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung, weil die Plattform durch die Mehrzahl von Stellgliedern gelagert wird, kann die Plattform in ihrer Festigkeit erhöht werden und bei hoher Geschwindigkeit in der Z-Richtung bewegt werden. Unterdessen kann eine Objektivlinse in dem durch die Mehrzahl von Stellgliedern umgegebenen Raum angeordnet werden, oder kann ein Beleuchtungslicht auf die Probe durch den Raumbereich abgestrahlt werden. Unterdessen kann die Objektivlinse durch ein Objektivlinsen-Anordnungs-Änderungsmittel unter Angrenzenden der Stellglieder ausgetauscht werden.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, hat der zweite Antrieb ein zylindrisches piezoelektrisches Element.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung kann die Plattform durch das zylindrische piezoelektrische Element genau bewegt werden. Unterdessen ermöglicht ein Zylinder-Hohlbereich eine Lichtbeleuchtung und eine Objektivlinsen-Anordnung.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, hat der erste Antrieb ein zylindrisches piezoelektrisches Element.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung kann die Sonde durch das zylindrische piezoelektrische Element genau fein bewegt werden. Unterdessen ermöglicht ein Zylinder-Hohlbereich eine Lichtbeleuchtung und eine Objektlinsen-Anordnung.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, enthält der Sonden-Feinbewegungsmechanismus eine Mehrzahl von Rahmen, welche konzentrisch und bündig zueinander durch den ersten Antrieb gekoppelt sind.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung wird die Sonde durch den Antrieb des ersten Antriebs über die Rahmen fein bewegt. Weil die Rahmen konzentrisch und bündig zueinander gekoppelt sind, kann der Sonden-Feinbewegungsmechanismus in seiner Größe mit einer reduzierten Dicke reduziert werden. Demgemäß kann eine Objektivlinse, welche ein höheres NA hat, angeordnet werden.
Unterdessen, im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus, ist ein Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel, welches zumindest eine aus einer X-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Sonde, einer Y-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Sonde und einer Z-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Plattform erfasst, oder ein Berechnungsmittel, welches einen Fehler von einer Feinbewegungsgröße in zumindest einer aus der X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung in Abhängigkeit von einem Erfassungsergebnis von dem Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel berechnet, enthalten.
Im Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß der Erfindung erfasst das Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel zumindest eine aus einer X-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Sonde, einer Y-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Sonde und einer Z-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Plattform. Unterdessen berechnet das Berechnungsmittel einen Fehler von einer Feinbewegungsgröße in zumindest einer aus einer X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung, und zwar in Abhängigkeit von einem Erfassungsergebnis von dem Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel.
Aufgrund dessen ist es möglich, eine Information über einen Fehler in einer Feinbewegungsgröße zu erlangen, welcher beispielsweise aus einer Hysterese oder einer Kriechdehnung von den piezoelektrischen Elementen herrührt. Wenn an einem Abtastsondenmikroskop installiert, kann das Messergebnis von dem Abtastsondenmikroskop in Abhängigkeit von der Information einfach korrigiert werden.
Unterdessen enthält ein Abtastsondenmikroskop einen Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus gemäß dem Vorgenannten.
Das Abtastsondenmikroskop gemäß der Erfindung kann einen Effekt darlegen, welcher ähnlich zu dem vorgenannten Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus ist.
WIRKUNG VON DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung kann beim ersten und zweiten Antrieb verhindert werden, dass sie zueinander Einflüsse haben, dazu können der erste und zweite Antrieb in ihren Resonanzfrequenzen erhöht werden. Eine Messgenauigkeit kann verbessert werden, während die Sondenabtastgeschwindigkeit ferner verbessert wird.
Unterdessen, weil ein Beleuchtungslicht vertikal auf den ersten und zweiten Antrieb abgestrahlt werden kann, oder eine hohe NA-Objektivlinse austauschbar angeordnet werden kann, können ein optisches Mikroskop mit hoher Vergrößerung und ein Abtastsondenmikroskop einfach miteinander kombiniert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[1] Eine Figur, welche eine erste Ausführungsform von einem Abtastsondenmikroskop gemäß der Erfindung zeigt, wobei (a) eine Vorderansicht des Abtastsondenmikroskops ist, während (b) eine Vergrößerungsansicht des durch ein Bezugszeichen A in (a) gekennzeichneten Bereichs ist.
[2] Eine Draufsicht, welche einen Sonden-Feinbewegungsmechanismus mit einer Vergrößerung von 1 zeigt.
[3] Eine Draufsicht, welche einen Plattform-Feinbewegungsmechanismus mit einer Vergrößerung von 1 zeigt.
[4] Eine Unteransicht, welche einen Plattform-Feinbewegungsmechanismus von 3 zeigt.
[5] Eine Draufsicht, welche eine Modifikation des Plattform-Feinbewegungsmechanismus mit einer Vergrößerung von 1 zeigt.
[6] Eine Draufsicht, welche eine weitere Modifikation des Plattform-Feinbewegungsmechanismus mit einer Vergrößerung von 1 zeigt.
[7] Eine (a) Draufsicht und eine (b) Vorderansicht von einer weiteren Modifikation des Plattform-Feinbewegungsmechanismus.
[8] Eine Vorderansicht, welche eine zweite Ausführungsform von einem Abtastsondenmikroskop gemäß der Erfindung zeigt.

1: Abtastsondenmikroskop
9: Revolver (Anordnungs-Änderungsmittel)
10: Objektivlinse
16: Plattform
20: Ausleger
21: Sonde
26: Sonden-Feinbewegungsmechanismus
27: Plattform-Feinbewegungsmechanismus
44: Laserlichtquelle (Sonden-Versatzerfassungsmittel)
45: Fotodiode (Sonden-Versatzerfassungsmechanismus)
48: Außenrahmen (Rahmen)
49: Innenrahmen (Rahmen)
51: X-Antrieb (erster Antrieb)
52: Y-Antrieb (erster Antrieb)
54: X-Seite-piezoelektrisches Element
61: Y-Seite-piezoelektrisches Element
70: Sondenseiten-Durchgangsloch
53: X-Richtung-Feinbewegungsgrößen-Erfasser (Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel)
74: Y-Richtung-Feinbewegungsgrößen-Erfasser (Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel)
83: Arithmetik-Betreibersektion (Berechnungsmittel)
85: Z-Antrieb (zweiter Antrieb)
86: Mechanismuskörper
87: Erweiterung
90: Z-Seite-piezoelektrisches Element
108: Z-Richtung-Feinbewegungsgrößen-Erfasser (Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel)
109: Plattformseite-Durchgangsloch
110: Bohrung (Plattformseite-Durchgangsloch)
120: Laminattyp-piezoelektrisches Element
121: Plattform
M: Dicken-Ausmaß (Mechanismuskörper-Dicken-Ausmaß)
R: Dicken-Ausmaß (Erstreckungs-Dicken-Ausmaß)
S: Probe

BESTER MODUS ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
(Ausführungsform 1)
Mit Bezug auf die Zeichnungen wird im Folgenden eine Erläuterung auf ein Abtastsondenmikroskop gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgenommen. In der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass eine innerflüssige Messung in einem DFM (Dynamic Force Mode) durchgeführt wird, wobei eine Abtastung vorgenommen wird, indem der Ausleger, welcher um die Resonanzfrequenz vibriert, in der Nähe zu einer Probe platziert wird, während die Distanz zwischen der Sonde und der Probe gemäß der Änderungsgröße von der Amplitude und Phase konstant beibehalten wird.
Das Abtastsondenmikroskop 1, eine Kombination mit einem invertierten Mikroskop, hat einen Hauptkörper 3, welcher auf einem Anti-Vibrationstisch 2, welcher als eine Basisplatte dient, aufgebaut ist, eine Messeinrichtung 4, welche oberhalb des Hauptkörpers 3 bereitgestellt ist, ein invertiertes Mikroskop 8, welches unterhalb der Messeinrichtung 4 bereitgestellt ist, und einen Beleuchter 5, welcher oberhalb der Messeinrichtung 4 bereitgestellt ist und sich mit dem invertierten Mikroskop 8 fortsetzt, wie in 1(a) und (b) gezeigt.
Das invertierte Mikroskop 8 ist über eine XY-Plattform 31 auf dem Anti-Vibrationstisch 2 aufgebaut.
Der Hauptkörper 3 ist mit einer plattenähnlichen Basis 13 aufgebaut, welche durch die Säulen 12 gelagert wird, welche sich vertikal vom Anti-Vibrationstisch 2 erstrecken. Eine Basisöffnung 15 ist im Zentrum von der Basis 15 ausgebildet. In der Basisöffnung 15 ist eine Plattform 16 bereitgestellt, um eine Probe S darauf aufzunehmen. Eine Plattformöffnung 17 ist im Zentrum von der Plattform 16 ausgebildet. Die Plattform 16 dient zur Feinbewegung in die Z-Richtung mittels eines Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27, welcher später beschrieben wird. Im Übrigen ist die Z-Richtung in einer Richtung, welche vertikal zu einer Oberfläche von einer Probe S und zur Plattform 16 ist, welche als eine Höhenrichtung von dem Abtastsondenmikroskop 1 bezeichnet wird.
Die Messeinrichtung 4 ist auf der oberen Oberfläche von der Plattform 16 angeordnet. Die Messeinrichtung 4 hat einen Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26, so dass der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 mit einer Kurbelbefestigung 30 bereitgestellt ist, welche in einer Kurbelform erstellt ist. Mittels der Kurbelbefestigung 30 ist der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 übereinstimmend mit dem Zentrum davon mit der Plattformöffnung 17 angeordnet.
Im Übrigen bilden der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 und der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 einen Feinbewegungsmechanismus für das Abtastsondenmikroskop.
An der unteren Oberfläche des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 ist eine Ausleger-Halterung 22 bereitgestellt, um den Ausleger 20 zu halten. Die Ausleger-Halterung 22 ist mit einer aus Glas hergestellten Glas-Halterung 23 am Zentrum davon bereitgestellt. Die Glas-Halterung 23 dient zum Verhindern der irregulären Reflexion, usw., von einem Beleuchtungslicht während der innerflüssigen Messung, indem ein Flüssigviskose-Film zwischen der Probe S und der Glas-Halterung 23 ausgebildet wird.
Im Übrigen ist der Ausleger 20 nicht auf die ausgestreckte Form beschränkt, sondern die Erfindung enthält eine gebogene Sonde für ein Nahfeld-Optikmikroskop, welche, von oben betrachtet, eine dreieckige Optikfaser hat oder im Querschnitt kreisförmig ist, welche am Vorderende angeschärft und gebogen ist.
Der Ausleger 20 ist oberhalb der Plattformöffnung 17 bereitgestellt. Der Ausleger 20 hat ein Vorderende, welches mit einer angeschärften Sonde 21 bereitgestellt ist, und ein Rückende, welches an der Ausleger-Halterung 22 fixiert ist. Aufgrund dessen wird der Ausleger 20 an seinem einen Ende derart gelagert, dass das Vorderende, an welchem die Sonde 21 bereitgestellt ist, als ein freies Ende dient. Unterdessen wird der Ausleger 20 bei einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude entlang der Z-Richtung mittels eines Vibrationsmittels, welches nicht gezeigt ist, vibriert, und ferner in XY-Richtungen in Relation zur Plattform 16 mittels des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 fein bewegt. Im Übrigen beziehen sich die XY-Richtungen auf gegenseitig senkrechte Richtungen, welche zur Oberfläche von der Probe S und der Plattform 16 parallel sind, welche senkrecht zur Z-Richtung sind. Ferner bezieht sich die X-Richtung auf eine Breitenrichtung des Abtastsondenmikroskops 1, während sich die Y-Richtung auf eine Tiefenrichtung des Abtastsondenmikroskops 1 bezieht.
Unterdessen ist in der Nähe des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 ein Z-Grobbewegungsmechanismus 33 bereitgestellt, um den Ausleger 20 in der Z-Richtung grob zu bewegen. Der Z-Grobbewegungsmechanismus 33 hat seine Basis 34 an der Basis 13 des Hauptkörpers 3 fixiert. An der oberen Oberfläche des Z-Grobbewegungsmechanismus 33 ist eine XY-Plattform 35 bereitgestellt. An der oberen Oberfläche von der XY-Plattform 35 ist die Kurbelbefestigung 30 fixiert.
Unterdessen ist der Beleuchter 5 oberhalb des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 bereitgestellt. Die Beleuchtung 5 hat eine Lichtquelle 40 zum Emittieren eines Beleuchtungslichtes und eine Kondensorlinse 41 zum Fokussieren des Beleuchtungslichtes von der Lichtquelle 40. Die Kondensorlinse 41 ist oberhalb des Zentrums des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 mittels der Linsenhalterung 42 angeordnet, und zwar in Fortführung mit dem invertierten Mikroskop 8, und zur vertikalen Bewegung entlang des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 gelagert.
Ferner hat der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 in dieser Ausführungsform einen Außenrahmen (Rahmen) 48 und einen Innenrahmen (Rahmen) 49, welche in ihrer Form rechteckig sind, wobei sie in ihrem Breitenausmaß, wie in 2 gezeigt, unterschiedlich sind. Der Außen- und Innenrahmen 48, 49 sind flach aus Gusseisen, welches eine niedrige Wärmeausdehnung hat, ausgebildet. Unterdessen sind der Außenrahmen 48 und der Innenrahmen 49 konzentrisch miteinander über einen X-Antrieb (erster Antrieb) 52 und einen Y-Antrieb (erster Antrieb) 51 gekoppelt. Der Außenrahmen 48 und der Innenrahmen 49 sind an den Oberflächen derer bündig angeordnet. Der X-Antrieb 52 ist innerhalb einer X-Seite-Höhlung 60 angeordnet, welche sich in Y-Richtung erstreckend im Außenrahmen 48 ausgebildet ist, während der Y-Antrieb 51 innerhalb einer Y-Seite-Höhlung 57 angeordnet ist, welche sich ähnlich in X-Richtung erstreckt.
Der X-Antrieb 52 hat ein X-Seite-piezoelektrisches Element 61 eines Laminattyps, welches in Y-Richtung gerichtet ist. Das X-Seite-piezoelektrische Element 61 ist mit einem X-Seite-Versatzerhöhungsmechanismus 62, welcher von oben betrachtet beinahe rautenförmig ist, auf eine Weise, welche die Peripherie davon umgibt, bereitgestellt. Der X-Seite-Versatzerhöhungsmechanismus 62 ist mit dem Innenrahmen 49 über die X-Seite-Kopplung 63 gekoppelt.
Der Y-Antrieb 51 hat ein Y-Seite-piezoelektrisches Element 54 eines Laminattyps, welches in X-Richtung gerichtet ist. Das Y-Seite-piezoelektrische Element 54 ist mit einem Y-Seite-Versatzerhöhungsmechanismus 55, welcher in der Draufsicht nahezu rautenförmig ist, ähnlich dem Obigen, bereitgestellt. Der Y-Seite-Versatzerhöhungsmechanismus 55 ist an den Innenrahmen 49 über die Y-Seite-Kopplung 56 gekoppelt.
An den vier Kanten des Innenrahmens 49 sind Parallelfedern 67 angeordnet.
Durch diesen Aufbau, indem eine Spannung an das X-Seite- und Y-Seite-piezoelektrische Element 61, 54 angelegt wird, erstrecken/kontrahieren sich der X-Seite- und Y-Seite-Versatzerhöhungsmechanismus 62, 55 jeweils in die X- und Y-Richtung, wodurch der Innenrahmen 49 in der XY-Richtung fein vibriert wird.
Unterdessen ist eine im Allgemeinen rechteckige Basisplatte 68 an einer Bodenoberfläche des Innenrahmens 49 bereitgestellt. In dem Zentrum von der Basisplatte 68 ist ein Probenseiten-Durchgangsloch 70 ausgebildet, welches in die Z-Richtung gerichtet ist. Das Beleuchtungslicht von der in 1 gezeigten Lichtquelle 40 passiert durch das Probenseiten-Durchgangsloch 70.
Im Übrigen ist der Ausleger 20 an der unteren Oberfläche von der Basisplatte 68 über die Ausleger-Halterung 22 bereitgestellt, wie zuvor erwähnt. Durch ein feines Vibrieren des Innenrahmens 49 in die XY-Richtung wird der Ausleger 20 in die XY-Richtungen zusammen mit der Basisplatte 68 und der Ausleger-Halterung 22 fein vibriert.
Unterdessen sind ein Y-Richtung-Feinbewegungsdetektor 73 und ein X-Richtung-Feinbewegungsdetektor 74 an der oberen Oberfläche des Außen- und Innenrahmens 48, 49 bereitgestellt. Der Y-Richtung-Feinbewegungsdetektor 73 hat ein Y-Richtung-Ziel 77, welches am Innenrahmen 49 fixiert ist und sich in X-Richtung erstreckt, und einen Y-Richtung-Sensor 78, welcher am Außenrahmen 48 fixiert ist und zum Erfassen einer Y-Richtung-Bewegungsgröße des Y-Richtung-Ziels 77 dient. Unterdessen hat der X-Richtungs-Feinbewegungsdetektor 74 ähnlich ein X-Richtung-Ziel 80, welches sich ähnlich in Y-Richtung erstreckt, und einen X-Richtung-Sensor 81 zum Erfassen einer Y-Richtung-Bewegungsgröße des X-Richtung-Ziels 80. Der Y-Richtung-Sensor 78 und der X-Richtung-Sensor 81 verwenden Kapazitätstyp-Sensoren. Jedoch ist dies nicht beschränkend, hingegen ist ein Deformationsmesssensor, ein Optik-Versatzmesssystem oder ein Differenzial-Transformer anwendbar.
Durch diesen Aufbau, wenn sich der Innenrahmen 49 fein in X-Richtung bewegt, bewegt sich ebenfalls das X-Richtung-Ziel 80 leicht in die X-Richtung, so dass die X-Richtung-Feinbewegung durch den X-Richtung-Sensor 81 erfasst werden kann. Unterdessen, wenn sich der Innenrahmen 49 fein in die Y-Richtung bewegt, bewegt sich ebenfalls das Y-Richtung-Ziel 77 leicht in die Y-Richtung, so dass die Y-Richtung-Feinbewegung durch den Y-Richtung-Sensor 78 erfasst werden kann. Im Übrigen dient der X-Richtung-Sensor 81 zum Erfassen einer X-Richtung-Feinbewegung des Auslegers 20 über das X-Richtung-Ziel 80 und den Innenrahmen 49, während der Y-Richtung-Sensor 78 zum Erfassen einer Y-Richtung-Feinbewegung des Auslegers 20 über das Y-Richtung-Ziel 77 und den Innenrahmen 49 dient, wodurch sie somit als Kleingrößen-Erfassungsmittel wirken.
Der X-Richtung-Sensor 81 und der Y-Richtung-Sensor 78 sind beide elektrisch an eine Arithmetik-Betreibersektion (Berechnungsmittel) 83 verbunden, so dass ein Erfassungsergebnis vom X-Richtung- und Y-Richtung-Sensor 81, 78 der Arithmetik-Betreibersektion 83 eingegeben werden kann. Gemäß dem Erfassungsergebnis berechnet die Arithmetik-Betreibersektion 83 einen XY-Richtung-Feinbewegungsgrößen-Fehler des Auslegers 20 in Abhängigkeit von einer Anwendungsspannung und einer Feinbewegungsgröße. Im Übrigen dient die Arithmetik-Betreibersektion 83 zur Wirkung als ein Berechnungsmittel. Ferner ist die Arithmetik-Betreibersektion 83 elektrisch mit einer Steuersektion 84 verbunden, welche verschiedene Typen von Steuerung vornimmt, um ein Berechnungsergebnis an die Steuersektion 84 einzugeben. Die Steuersektion 84 steuert den Proben-Feinbewegungsmechanismus 27, um linear in Ansprechen auf die Anwendungsspannung zu arbeiten.
Unterdessen ist der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 mit einer Laserlichtquelle (Sonden-Versatzerfassungsmittel) 44 zum Emittieren eines Laserlichts und einem Fotodetektor (Sonden-Versatzerfassungsmittel) 45 zum Empfangen des Laserlichts von der Laserlichtquelle 44, welcher beispielsweise in vier gleiche Teile aufgeteilt ist, wie in 1 gezeigt, bereitgestellt. Die Laserlichtquelle 44 und der Fotodetektor 45 sind entgegengesetzt zueinander in Positionen schräg oberhalb des Auslegers 20 angeordnet. Das von der Laserlichtquelle 44 emittierte Laserlicht erreicht und reflektiert auf einer oberen Oberfläche des Auslegers 20, wobei das Reflexionslicht davon am Fotodetektor 45 ankommt.
Ferner hat der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 in dieser Ausführungsform einen Mechanismuskörper 86, welcher in einer nahezu rechteckigen Form ausgebildet ist, und eine Erstreckung 87, welche sich in eine Richtung (das heißt in die X-Richtung) quer zur Dicke (das heißt Z-Richtung) des Mechanismuskörpers 86, wie in 3 und 4 gezeigt, erstreckt.
Die Erstreckung 87 hat ein Dicken-Ausmaß R, welches kleiner als das Dicken-Ausmaß M des Mechanismuskörpers aufgebaut ist. Die obere Oberfläche von der Erstreckung 87 ist nahezu bündig mit der oberen Oberfläche des Mechanismuskörpers 86, wodurch ein Raum J unterhalb der Erstreckung 87 bereitgestellt wird.
In der Erstreckung 87 ist ein Plattformseiten-Durchgangsloch 109 in die Z-Richtung gerichtet ausgebildet. Die zuvor genannte Plattform 16 ist im Plattformseiten-Durchgangsloch 109 platziert.
Der Mechanismuskörper 86 ist mit einer Körperbefestigung 91 bereitgestellt, welche sich in eine Richtung entgegengesetzt zur Erstreckung 87 erstreckt. Die Körperbefestigung 91 ist an einer vorbestimmten Position von der in 1 gezeigten Basis 13 fixiert, wodurch der Mechanismuskörper 86 über einen Ausleger gehalten wird.
Unterdessen ist eine Aushöhlung 93 im Mechanismuskörper 86 bereitgestellt. Eine erste Parallelfeder 109 ist an einem der X-Richtung-Enden von einer oberen Innenwand 94 von der Aushöhlung 93, welche näher an die Bereitstellung von der Körperbefestigung 91 ist, bereitgestellt, während eine zweite Parallelfeder 102 an dem weiteren Ende, welches näher an der Bereitstellung von der Erstreckung 87 ist, bereitgestellt ist. Unterdessen ist eine dritte Parallelfeder 103 an einem der X-Richtung-Enden von einer unteren Innenwand 97 näher zur Erstreckung 87 bereitgestellt, während eine vierte Parallelfeder 104 an dem weiteren Ende näher an der Bereitstellung von der Körperbefestigung 91 bereitgestellt ist. In der Nähe von der zweiten Parallelfeder 102 ist eine abwärtsgerichtete Wand 95 bereitgestellt, welche sich unterhalb von der oberen Innenwand 94 erstreckt. In der Nähe von der vierten Parallelfeder 104 ist eine aufwärtsgerichtete Wand 96 bereitgestellt, welche sich oberhalb von der unteren Innenwand 97 erstreckt. Im Übrigen sind die abwärtsgerichtete Wand 95 und die aufwärtsgerichtete Wand 96 entgegengesetzt angeordnet, wobei sie sich in zueinander entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
Ein Z-Antrieb (zweiter Antrieb) 85 ist zwischen der abwärtsgerichteten Wand 95 und der aufwärtsgerichteten Wand 96 bereitgestellt. Der Z-Antrieb 85 ist physikalisch vom X- und Y-Antrieb 52, 51 getrennt bereitgestellt, so dass jene unabhängig wirken. Der Z-Antrieb 85 ist durch ein Z-Seite-piezoelektrisches Element 90 eines Laminattyps erstellt, welcher in die X-Richtung gerichtet ist. Das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 hat ein Ende, welches an der abwärtsgerichteten Wand 95 fixiert ist, und wobei das weitere Ende an der aufwärtsgerichteten Wand 96 fixiert ist. Ferner ist im unteren Ende des Mechanismuskörpers 86 eine Bodenwand 107 bereitgestellt, welche sich in X-Richtung erstreckt. Die Bodenwand 107 hat X-Richtung-Enden, wobei ein Ende davon, welches näher an der Bereitstellung von der Körperbefestigung 91 ist, einstückig mit der Seitenwand des Mechanismuskörpers 86 fixiert ist, während das weitere Ende, welches näher an der Bereitstellung von der Erstreckung 87 ist, als ein freies Ende erstellt ist. Die Bodenwand 107 hat ein Vorderende, welches mit einem Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 bereitge stellt ist, welcher mit der Arithmetik-Betreibersektion 83 verbunden ist. Der Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 verwendet einen elektrostatischen Sensor. Jedoch ist dies nicht beschränkend, hingegen ist ein Deformationsmesssensor, ein Optik-Versatzmesssystem oder ein Differenzial-Transformer anwendbar.
Durch diesen Aufbau, wenn eine Spannung an das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 angelegt wird, erstreckt und kontrahiert sich das Z-Seite-piezoelektrische Element 90. Wenn das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 sich erstreckt, werden die abwärtsgerichtete und aufwärtsgerichtete Wand 95, 96 nach außen mit Bezug auf die X-Richtung gedrückt. Die aufwärtsgerichtete Wand 96 dreht sich im Uhrzeigersinn in 3, um das fixierte Ende und die Umgebung, während sich die abwärtsgerichtete Wand 95 im Uhrzeigersinn um das fixierte Ende und die Umgebung dreht, mit dem Ergebnis, dass sich die Erstreckung 87 in die Z-Richtung bewegt, während sie durch die erste bis vierte Parallelfeder 101, 102, 103, 104 geführt wird. Somit wird die an die Erstreckung 87 gekoppelte Plattform 16 in die Z-Richtung bewegt. Aufgrund dieses Umstandes erfasst der Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 die Größe von einer Feinbewegung des Mechanismuskörpers 86. Der Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 wirkt nämlich als ein Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel zum Erfassen der Größe von einer Z-Richtung-Feinbewegung von der Plattform 16 über den Mechanismuskörper 86. In Abhängigkeit vom Erfassungsergebnis des Z-Richtung-Feinbewegungsdetektors 108 berechnet die Arithmetik-Betriebssektion 83 einen Fehler in der Z-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Plattform 16 unter Verwendung von der Anwendungsspannung und tatsächlichen Feinbewegungsgröße. Das Berechnungsergebnis wird der Steuersektion 84 eingegeben, so dass die Steuersektion 84 den Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 zum linearen Betrieb in Ansprechen auf die Anwendungsspannung steuern kann.
Im Übrigen kann in der Z-Richtung die Feinbewegungsgröße lediglich durch den Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 erfasst und als die Höheninformation aufgrund des Abtastsondenmikroskops angezeigt werden.
Der somit aufgebaute Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 ist in seiner Größe klein und in seiner Festigkeit hoch, wobei er in seiner Resonanzfrequenz, verglichen mit dem Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26, in seiner Resonanzfrequenz höher ist, wodurch somit die Möglichkeit besteht, bei hoher Geschwindigkeit betrieben zu werden.
Ferner ist in dieser Ausführungsform eine Objektivlinse 10 in dem Raum J, wie in 1 gezeigt, bereitgestellt. Im Übrigen ist ein Revolver (Anordnungs-Änderungsmittel) 9 an einem oberen Ende des invertierten Mikroskops 8 bereitgestellt. Eine Mehrzahl von Objektivlinsen 10, welche in ihrer Vergrößerung unterschiedlich sind, ist im Revolver 9 bereitgestellt. Durch ein Umdrehen des Revolvers 9 kann die Mehrzahl von Objektivlinsen 10 in ihren Anordnungen geändert werden. Die Mehrzahl von Objektivlinsen 10 kann in einem Beobachtungsort K in dem Raum J selektiv angeordnet werden. Der Beobachtungsort K bezieht sich auf eine Position, welche unterhalb der Plattform 16 und übereinstimmend mit der Plattform-Öffnung 17, das heißt eine Position, wo eine Probe S zu beobachten ist, ist.
Die Objektivlinsen 10 sind vertikal in Z-Richtung bewegbar, indem ein Fokussierungsrad 8a bedient wird, welches am invertierten Mikroskop 8 an dem Beobachtungsort K bereitgestellt ist.
Es wird nun eine Erläuterung über die Funktion des Abtastsondenmikroskops 1 in der somit aufgebauten vorliegenden Ausführungsform gegeben.
Zunächst wird eine Probe S auf die Plattform 16 über eine nicht gezeigte innerflüssige Zelle gesetzt. Dann wird die Lichtquelle 40 eingeschaltet, um ein Beleuchtungslicht auf die Probe S abzustrahlen. Darauf passiert das Beleuchtungslicht durch das Probenseiten-Durchgangsloch 70. Beim Durchlaufen durch die Probe S passiert das Licht ferner durch das Plattformseiten-Durchgangsloch 109, um die Objektivlinse 10 zu erreichen, welche im Beobachtungsort K angeordnet ist. Aufgrund dessen kann der Zustand von der Probe S durch die Objektivlinse 10 beobachtet werden. In diesem Fall, wenn der Revolver 9 gedreht wird, geht die erste Objektivlinse 10 aus dem Beobachtungsort K über den Raum J heraus, um eine weitere Objektivlinse 10 im Beobachtungsort K zu platzieren. Dies erlaubt die Auswahl von einer geeigneten Vergrößerung der Objektivlinse 10. Wenn das Fokussierungsrad 8a bedient wird, bewegt sich die Objektivlinse 10 herauf. Die Objektivlinse 10 bewegt sich zur Probe S in eine Fokussierung.
Aufgrund dessen wird eine Anfangsbeobachtung auf die Probe S vorgenommen. Gemäß dem Ergebnis wird eine Messung im größeren Detail durchgeführt.
Um eine genaue Messung durchzuführen, wird eine Ausrichtung mit der XY-Plattform 35 beim Betrachten des Bildes von einer Probe S-Oberfläche und Sonde 21-Position durch das invertierte Mikroskops 8 vorgenommen. Dann wird eine Positionseinstellung, bezogen auf die Laserlichtquelle 44 und den Fotodetektor 45 vorgenommen. Im Übrigen wird eine Positionseinstellung vorgenommen, um das Laserlicht L, welches von der Laserlicht quelle 44 emittiert wird, auf die obere Oberfläche von dem Ausleger 20, und zwar positiv im Fotodetektor 45, zu reflektieren. Dann wird durch ein Antreiben des Motors 37 der Ausleger 20 grob durch den Z-Grobbewegungsmechanismus 33 bewegt, um den Ausleger 20 in eine innerflüssige Zellkultur-Lösung einzutauchen. Dann wird die Sonde 21 in Nähe zur Oberfläche von der Probe S gesetzt.
In diesem Zustand wird die Sonde 21 in der Z-Richtung bei einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude durch das Vibrationsmittel über den Ausleger 20 vibriert. Dann wird eine Spannung an das X-Seite- und Y-Seite-piezoelektrische Element 61, 54, wie in 2 gezeigt, angelegt. Darauf erstrecken und kontrahieren sich das X-Seite- und Y-Seite-piezoelektrische Element, um den Innenrahmen 49 über den X-Seite und Y-Seite-Versatzerhöhungsmechanismus 62, 55 fein zu bewegen. Aufgrund dessen führt die Sonde 21 eine Rasterabtastung bei einer vorbestimmten Abtastrate über die Probe S durch.
Zu dieser Zeit, wenn sich der Innenrahmen 49 in die XY-Richtungen fein bewegt, bewegen sich die X-Richtung- und Y-Richtung-Ziele 81, 78 fein in die X- und Y-Richtung. Die Feinbewegungsgrößen in der X- und Y-Richtung werden durch die X-Richtung- und Y-Richtung-Sensoren 81, 78 erfasst. Jene Erfassungsergebnisse werden der Arithmetik-Betreibersektion 83 eingegeben, um einen Fehler in den XY-Richtung-Feinbewegungsgrößen des Auslegers 20 zu berechnen. Die Berechnungsergebnisse werden der Steuersektion 84 eingegeben. Durch eine solche Korrektur der XY-Richtung-Feinbewegungsgrößen wird ein linearer Betrieb in die X- und Y-Richtung vorgenommen, ohne durch die Hysterese und Kriechdehnung der X-Seite- und Y-Seite-piezoelektrischen Elemente 61, 54 beeinflusst zu werden.
In der Abtastung, im Falle dass sich die Distanz zwischen der Sonde 21 und der Probe S-Oberfläche gemäß der Höhlung-Wölbung von der Probe S ändert, erfährt die Sonde 21 eine Abstoßungs- oder Anziehungskraft aufgrund von einer atomaren Kraft oder einer Zwischenkontaktkraft, wodurch somit der Vibrationszustand des Auslegers 20 und somit die Amplitude und Phase dessen geändert wird. Die Amplituden- oder Phasenänderung wird als eine Ausgangsdifferenz (bezeichnet als ein DIF-Signal) von unterschiedlichen zwei Paaren von aufgeteilten Oberflächen des Fotodetektors 45 erfasst. Das DIF-Signal wird der nicht gezeigten Z-Spannung-Rückführschaltung eingegeben. Die Z-Spannung-Rückführschaltung legt eine Spannung an das in 3 gezeigte Z-Seite-piezoelektrische Element 90 an, so dass die Amplitude und Phase gemäß dem DIF-Signal gleich werden.
Das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 wird wiederholt bei hoher Geschwindigkeit durch die Spannungsanlegung erstreckt und kontrahiert. Wenn das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 sich erstreckt und kontrahiert, bewegt sich die Plattform 16 bei einer sehr hohen Frequenz in die Z-Richtung über die Erstreckung 87, um die Probe S auf der Plattform 16 in die Z-Richtung zu bewegen. Aufgrund dessen wird bei der Abtastung die Distanz zwischen der Sonde 21 und der Probe S-Oberfläche stets konstant beibehalten.
Unterdessen, wenn sich die Plattform 16 in die Z-Richtung bewegt, erfasst der Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 eine Feinbewegungsgröße des Mechanismuskörpers 86. Gemäß dem Erfassungsergebnis wird ein Fehler in die Z-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Plattform 16 berechnet. Das Berechnungsergebnis wird der Steuersektion 84 eingegeben, wodurch somit eine lineare Bewegung in die Z-Richtung erlaubt wird.
Im Übrigen kann eine Feinbewegungsgröße durch den Z-Richtung-Feinbewegungsdetektor 108 erfasst und als eine Höheninformation aufgrund des Abtastsondenmikroskops angezeigt werden.
Auf diese Weise kann ein Topologie-Bild von der Probe S-Oberfläche gemessen werden, indem ein Bild durch Eingabe in die Steuersektion 84 von der Spannung, welche an das X-Seite-, Y-Seite- und Z-Seite-piezoelektrische Element 61, 54, 90 angelegt wird, oder des Signals von dem X-Richtung-, Y-Richtung- und Z-Richtung-Sensor 81, 78, 108 erstellt wird. Unterdessen, indem Zahlreiche aus einer Kraft und aus physikalischen Wirkungen, welche zwischen der Sonde 21 und der Probe S wirken, gemessen werden, ist eine Messung auf verschiedene Stücke von einer physikalischen Eigenschaftsinformation möglich, wie beispielsweise eine Viskoelastizität, eine Probe-S-Oberflächenpotenzialverteilung, eine Probe-S-Oberflächenleck-Magnetfeldverteilung und Nahfeld-Optikbilder.
Anhand des Obigen ist gemäß dem Abtastsondenmikroskop 1 der vorliegenden Erfindung der Z-Antrieb 85 physikalisch vom X-Antrieb 52 und Y-Antrieb 51 separat bereitgestellt, so dass jene unabhängig wirken können. Demgemäß kann eine Resonanzfrequenz am Z-Seite-piezoelektrischen Element 90 höher als jene an dem X-Seite- und Y-Seite-piezoelektrischen Element 61, 54 eingestellt werden. Daraus folgend, bei einer höheren Abtastrate von der Sonde 21, kann die Plattform 16 ausreichend nachgefolgt werden, wodurch somit die gesamte Abtastgeschwindigkeit erhöht wird.
Aufgrund der individuellen Wirkung kann das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 bewegt werden, ohne durch das X-Seite- und Y-Seite-piezoelektrische Element 61, 54 beeinflusst zu werden. Demgemäß kann eine Messgenauigkeit erhöht werden, während die Abtastgeschwindigkeit erhöht wird.
Hier hat, aufgrund dessen, dass viele Bauteile, welche die Ausleger-Halterung 22, die Laserlichtquelle 44 und die Fotodiode 45 enthalten, auf der Ausleger 20-Seite bereitgestellt sind, wobei im Gegensatz dazu auf der Plattform 16 lediglich die Probe S darauf lagert, die Ausleger 20-Seite einen Mechanismus, welcher in der Gesamtheit davon im Allgemeinen groß im Ausmaß und schwer im Gewicht ist. Aus diesem Grund, indem die Ausleger 20-Seite mit einem Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26, welcher keine hohe Abtastgeschwindigkeit erfordert, bereitgestellt ist, und die Plattform 16-Seite eine höhere Empfindlichkeit mit einem Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 erfordert, kann die Abtastgeschwindigkeit ferner erhöht werden.
Unterdessen, weil der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 die Laserlichtquelle 44 und den Fotodetektor 45 hat, welcher als Versatzerfassungsmittel dient, kann die Versatzgröße des Auslegers 20 positiv gemessen werden, indem der Ausleger 20 fein bewegt wird.
Im Übrigen ist das Versatzerfassungsmittel nicht auf dieses Schema beschränkt, hingegen enthält die Erfindung beispielsweise ein Schema, das ein Widerstand auf dem Ausleger 20 selber bereitgestellt ist, so dass eine Messung, basierend auf einer Widerstandsänderung, welche aufgrund von einer Abweichung des Auslegers 20 verursacht wird, vorgenommen werden kann.
Weil das Sondenseiten-Durchgangsloch 70 im Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 bereitgestellt ist, so dass ein Beleuchtungslicht durch das Sondenseiten-Durchgangsloch 70 passiert werden kann, kann eine Messung ohne eine Behinderung von der Reise des Beleuchtungslichtes genau vorgenommen werden.
Ferner kann der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 in seiner Größe klein und in der Gesamtheit dünn erstellt werden, weil er durch den Außen- und Innenrahmen 48, 49 flach ausgebildet ist. Demgemäß ermöglicht dies die Anordnung von einer Kondensorlinse, welche in ihrer Arbeitsdistanz kürzer, jedoch in ihrem NA höher ist, wodurch somit die Auflösung des invertierten Mikroskops 8 verbessert wird.
Unterdessen können die XYZ-Richtung-Feinbewegungsgrößen durch die X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung Feinbewegungsdetektoren 74, 73, 108 erfasst werden, so dass der Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 und der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 linear betrieben werden können. Demgemäß kann eine Messung mit einer höheren Genauigkeit vorgenommen werden.
Ferner ist die Mehrzahl von Objektivlinsen 10 über den Revolver 9 bereitgestellt, so dass die Mehrzahl von Objektivlinsen 10 auswählbar im Beobachtungsort K durch ein Umdrehen des Revolvers 9 angeordnet werden können. Demgemäß kann eine geeignete Vergrößerung der Objektivlinse 10 mit einer Leichtigkeit und Schnelligkeit positioniert werden.
Unterdessen kann die Objektivlinse 10 in weiterer Nähe zur Probe S platziert werden. Eine Messung kann durch die Bereitstellung von einer Objektivlinse, welche ein höheres NA hat, genau vorgenommen werden.
Unterdessen, indem das Dicken-Ausmaß R von der Erstreckung 87 schmaler als das Dicken-Ausmaß M des Mechanismuskörpers 86 eingestellt wird, wird ein Raum J unter der Erstreckung 87 bereitgestellt. Der Raum J kann wirksam verwendet werden. In der Ausführungsform kann, indem die Objektivlinse 10 in dem Raum J angeordnet wird, die Objektivlinse 10 in ihrer Position mit einer Leichtigkeit und Schnelligkeit ohne eine Behinderung von der Umdrehung des Revolvers 9 geändert werden. Demgemäß kann das invertierte Mikroskop 8 in seiner Betriebsfähigkeit verbessert werden.
Ferner, indem der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 über den Mechanismuskörper 86 über einen Ausleger gehalten wird, kann der Raum J durch einen einfachen Aufbau ausreichender gesichert werden.
Im Übrigen, obwohl in der Ausführungsform der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 über einen Ausleger gehalten wird, ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise, indem Mechanismuskörper 86 in der X-Richtung angeordnet werden und die Erstreckung 87 zwischen jenen, wie in 5 gezeigt, gesetzt wird, kann eine Halterung an beiden Enden durch Körperbefestigungen 91, welche an beiden Enden der X-Richtung bereitgestellt sind, gehalten werden. Alternativ, wie in 6 gezeigt, indem ein Mechanismuskörper 86 bei 90 Grad in XY-Richtungen angeordnet wird, kann eine Halterung an beiden Enden mittels einer Körperbefestigung 91 vorgenommen werden.
Ferner kann der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 eine Mehrzahl von Stellgliedern verwenden, wie in 7 gezeigt. 7(a) ist eine Draufsicht des vorliegenden Plattform-Feinbewegungsmechanismus, während 7(b) eine Vorderansicht ist. Der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 ist in seiner Draufsicht in einer Dreiecksform angeordnet, wobei Laminattyp-piezoelektrische Elemente 120, welche drei Stellglieder sind, die gleiche Form und Bewegungseigenschaften haben, wobei jedes Laminattyp-piezoelektrische Element 120 ein Ende 120b, welches an einer Basis 13 fixiert ist, und ein bewegbares Ende 120a, welches über einen Magneten 125 mit einer Plattform 121 fixiert ist, auf welcher eine Probe S zu lagern ist, hat. Die Plattform 121 ist mit einem Durchgangsloch 122 ausgebildet, während eine Objektivlinse 10 in einem Raum 123 angeordnet ist, welcher durch die Laminattyp-piezoelektrischen Elemente 120 umgeben ist. Wenn eine Spannung an die Laminattyp-piezoelektrischen Elemente 120 angelegt wird, bewegt sich die Plattform 121 vertikal zu einer Oberfläche von der Probe S.
Bei dem somit aufgebauten Plattform-Bewegungsmechanismus 27, weil die Plattform 121 durch die drei Laminattyp-piezoelektrischen Elemente 120 gelagert wird, kann die Plattform 121 in ihrer Festigkeit erhöht werden und bei hoher Geschwindigkeit in der Z-Richtung bewegt werden. Unterdessen kann die Objektivlinse 10 in dem Raum 123 angeordnet werden, welcher durch die drei Laminattyp-piezoelektrischen Elemente 120 umgeben ist, und es kann ein Beleuchtungslicht auf die Probe S über den Raumbereich bestrahlt werden. Unterdessen kann die Objektivlinse 10 mittels eines Objektivlinsen-Anordnung-Änderungsmittels (nicht gezeigt) über 124, zwischen angrenzenden der Laminattyp-piezoelektrischen Elemente 120 ausgetauscht werden.
(Ausführungsform 2)
Es wird nun eine Erläuterung über eine zweite Ausführungsform von der Erfindung gegeben.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform von der Erfindung.
In 8 ist das identische Bezugszeichen dem identischen Bauteil zu dem in 1 bis 7 beschriebenen Element angehängt, um die Erläuterung davon auszulassen.
Diese Ausführungsform ist im grundlegenden Aufbau gleich der ersten Ausführungsform, wobei eine Differenz in den folgenden Punkten liegt.
Das Abtastsondenmikroskop 1 in dieser Ausführungsform ist nämlich mit einem aufrechten Mikroskop kombiniert. Das aufrechte Mikroskop 8 ist nämlich mit einer Lichtquelle 40 und einer Kondensorlinse 41 am oberen Ende von der Lichtquelle 40 bereitgestellt. Unterdessen ist ein Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 oberhalb der Kondensorlinse 41 bereitgestellt. Der Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 ist durch ein zylindrisches Z-Seite-piezoelektrisches Element 90 ausgebildet, wobei das Z-Seite-piezoelektrische Element 90 in die Z-Richtung gerichtet angeordnet ist. Im Z-Seite-piezoelektrischen Element 90 ist eine Bohrung (Plattformseiten-Durchgangsloch) 110 in die Z-Richtung gerichtet ausgebildet. Das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle 40 passiert durch die Bohrung 110.
Unterdessen ist eine Objektivlinse 10 in einem Beobachtungsort K oberhalb des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 bereitgestellt. Hier bezieht sich der Beobachtungsort K auf einen Ort, bei welchem der Ausleger 20 oder die Probe S von oberhalb des Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 beobachtet wird. Der Objektivlinse 10 ist es erlaubt, sich im Beobachtungsort K vertikal zu bewegen. Wenn sie herunterbewegt wird, kann sie in das Probenseiten-Durchgangsloch 70 eingesetzt werden.
Mit diesem Aufbau passiert das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle 40 durch die Bohrung 110 und durchläuft durch die Probe S. Im Falle, dass die Objektivlinse 10 in das Sondenseiten-Durchgangsloch 70 herunterbewegt wird, geht die Objektivlinse 10 zum Ausleger 20 oder zur Probe S.
Anhand des Obigen, weil die Bohrung 110 im Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 bereitgestellt ist, wo ein Beleuchtungslicht durch die Bohrung 110 passiert, kann eine Messung mit einer Genauigkeit durchgeführt werden, ohne dass die Reise des Beleuchtungslichtes behindert wird.
Weil die Objektivlinse 10 in das Sondenseiten-Durchgangsloch 70 eingesetzt werden kann, kann die Objektivlinse 10 in weiterer Nähe zum Ausleger 20 oder zur Probe S gesetzt werden. Eine Messung kann mit der Bereitstellung von einer Objektivlinse, welche ein hohes NA hat, genau durchgeführt werden.
Im Übrigen sind in der ersten und zweiten Ausführungsform das X-Seite-, Y-Seite- und Z-Seite-piezoelektrische Element 61, 54, 90 Laminattyp-piezoelektrische Elemente. Jedoch ist dies nicht beschränkend, hingegen ist eine geeignete Änderung möglich. Bei spielsweise können jene als Stapeltyp-piezoelektrische Elemente bereitgestellt sein, oder es kann ein Sprachspulen-Stellglied, usw. verwendet werden.
Unterdessen können zylindrische piezoelektrische Elemente im Sonden-Feinbewegungsmechanismus 26 oder Plattform-Feinbewegungsmechanismus 27 verwendet werden.
Unterdessen war eine Beobachtung im DFM. Jedoch ist dies nicht beschränkend, hingegen ist eine Anwendung für verschiedene Modi von Kontaktmodus AFM möglich. Ferner ist eine Anwendung für ein Nahfeld-Optikmikroskop möglich. Wenn ein Nahfeld-Optikmikroskop angewendet wird, kann eine Objektivlinse, welche ein hohes NA hat, verwendet werden, um die Wirksamkeit zum Einsammeln von Nahfeld-Optiksignalen zu verbessern.
Ferner wurde eine innerflüssige Messung veranschaulicht. Jedoch ist dies nicht beschränkend, hingegen kann eine Messung in der Luft sein.
Der technische Umfang von der Erfindung ist nicht auf die zuvor genannten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf zahlreiche Wege innerhalb des Bereiches, welcher nicht vom Gegenstand der Erfindung abweicht, geändert werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abtastsondenmikroskop Feinbewegungsmechanismus zur Bereitstellung bei einem Abtastsondenmikroskop, welches eine Plattform, um eine Probe darauf zu setzen, und eine Sonde, welche in Nähe zu oder in Kontakt mit einer Oberfläche von der Probe zu platzieren ist, hat, wobei der Feinbewegungsmechanismus enthält: einen Sonden-Feinbewegungsmechanismus, welcher einen ersten Antrieb enthält, und zur Feinbewegung von der Sonde in eine X- und Y-Richtung parallel zu einer Oberfläche von der Probe und zueinander quer mittels des ersten Antriebes; und einen Plattform-Feinbewegungsmechanismus, welcher den zweiten Antrieb unabhängig vom ersten Antrieb enthält, zur Feinbewegung von der Plattform in eine Z-Richtung vertikal zur Oberfläche von der Probe.

Claims

Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus zur Bereitstellung bei einem Abtastsondenmikroskop, welches eine Plattform, um eine Probe darauf zu setzen, und eine Sonde, welche in Nähe zu oder in Kontakt mit einer Oberfläche von der Probe zu platzieren ist, hat, wobei der Feinbewegungsmechanismus enthält: einen Sonden-Feinbewegungsmechanismus, welcher einen ersten Antrieb enthält, und zur Feinbewegung von der Sonde in eine X- und Y-Richtung parallel zu einer Oberfläche von der Probe und zueinander quer mittels des ersten Antriebes; und einen Plattform-Feinbewegungsmechanismus, welcher den zweiten Antrieb unabhängig vom ersten Antrieb bereitgestellt enthält, und zur Feinbewegung von der Plattform in eine Z-Richtung vertikal zur Oberfläche von der Probe mittels des zweiten Antriebs.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der Sonden-Feinbewegungsmechanismus ein Sonden-Versatzerfassungsmittel enthält, welches einen Versatz von der Sonde erfasst.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 2, bei welchem der Plattform-Feinbewegungsmechanismus einen Mechanismuskörper hat, welcher den zweiten Antrieb und eine Erstreckung hat, welche sich in eine Richtung quer zu einer Dicke des Mechanismuskörpers vom Mechanismuskörper erstreckt, und die Plattform hält, wobei die Erstreckung ein Dicken-Ausmaß hat, welches kleiner als ein Dicken-Ausmaß von dem Mechanismuskörper ist.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 3, bei welchem der Mechanismuskörper über einen Ausleger gehalten ist.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der Sonden-Feinbewegungsmechanismus ein Sondenseiten-Durchgangsloch hat, welches in die Z-Richtung gerichtet ist.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der Plattform-Feinbewegungsmechanismus ein Plattformseiten-Durchgangsloch hat, welches in die Z-Richtung gerichtet ist.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 5, welcher eine Objektivlinse in einer Position enthält, bei welcher die Sonde durch das Sondenseiten-Durchgangsloch zu beobachten ist.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 6, welcher eine Objektivlinse in einer Position enthält, bei welcher die Probe durch das Plattformseiten-Durchgangsloch zu beobachten ist.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 7, bei welchem die Objektivlinse in einer Mehrzahl bereitgestellt ist, welche ein Anordnungs-Änderungsmittel enthält, welches eine Anordnung von der Mehrzahl von Objektivlinsen ändert.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 8, bei welchem die Objektivlinse in einer Mehrzahl bereitgestellt ist, welche ein Anordnungs-Änderungsmittel enthält, welches eine Anordnung von der Mehrzahl von Objektivlinsen ändert.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Antrieb eine Mehrzahl von Stellgliedern enthält, welche sich in Z-Richtung erstrecken und kontrahieren, wobei die Stellglieder an bewegbaren Enden davon mittels der Plattform zusammen verbunden sind.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Antrieb ein zylindrisches piezoelektrisches Element enthält.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der erste Antrieb ein zylindrisches piezoelektrisches Element enthält.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der Sonden-Feinbewegungsmechanismus eine Mehrzahl von Rahmen enthält, welche konzentrisch und bündig zueinander über den ersten Antrieb gekoppelt sind.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 1, welcher ein Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel enthält, welches zumindest eine aus einer X-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Sonde, einer Y-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Sonde und einer Z-Richtung-Feinbewegungsgröße von der Plattform erfasst.
Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach Anspruch 15, welcher ein Berechnungsmittel enthält, welches einen Fehler von einer Feinbewegungsgröße in zumindest einer aus der X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung in Abhängigkeit von einem Erfassungsergebnis von dem Feinbewegungsgrößen-Erfassungsmittel berechnet.
Abtastsondenmikroskop, welches einen Abtastsondenmikroskop-Feinbewegungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 16 enthält.