JP2001305036A - 微小領域走査装置および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
微小領域走査装置および走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP2001305036A JP2001305036A JP2000119754A JP2000119754A JP2001305036A JP 2001305036 A JP2001305036 A JP 2001305036A JP 2000119754 A JP2000119754 A JP 2000119754A JP 2000119754 A JP2000119754 A JP 2000119754A JP 2001305036 A JP2001305036 A JP 2001305036A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＳＰＭで用いられる、高速、高分解能の微小
領域走査装置を提供すること。 【解決手段】 微小領域走査装置は、下段には共振周波
数が低く、最大変位量の大きな粗動用円筒型圧電素子１
が組み込まれ、試料台４を大きくＸＹＺ方向に駆動する
ことが可能となる。また、粗動用円筒型圧電素子１に取
り付けられた支持具３の上に、最大変位量が小さく、共
振周波数が高い、微動用円筒型圧電素子２が組み付けら
れており、この圧電素子により微小領域をすばやく走査
することが可能となる。この微動円筒型圧電素子２によ
る微小領域の高速走査と、粗動用円筒型圧電素子１の高
速走査領域の位置調整により、試料３を高速に、かつ高
分解能に走査することが可能となる。
領域走査装置を提供すること。 【解決手段】 微小領域走査装置は、下段には共振周波
数が低く、最大変位量の大きな粗動用円筒型圧電素子１
が組み込まれ、試料台４を大きくＸＹＺ方向に駆動する
ことが可能となる。また、粗動用円筒型圧電素子１に取
り付けられた支持具３の上に、最大変位量が小さく、共
振周波数が高い、微動用円筒型圧電素子２が組み付けら
れており、この圧電素子により微小領域をすばやく走査
することが可能となる。この微動円筒型圧電素子２によ
る微小領域の高速走査と、粗動用円筒型圧電素子１の高
速走査領域の位置調整により、試料３を高速に、かつ高
分解能に走査することが可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）や走査型近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ）に代表さ
れる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプロ
ーブ走査に利用される微小領域走査装置と、それを利用
する走査型プローブ顕微鏡に関する。
（ＡＦＭ）や走査型近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ）に代表さ
れる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料走査やプロ
ーブ走査に利用される微小領域走査装置と、それを利用
する走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機
械的探針（以下、プローブと呼ぶ）によって試料表面を
走査し、プローブと試料表面との間に働く相互作用を検
出することによって、試料表面の物理量をｎｍ（１０-9
ｍ）以下のオーダーで観察する装置である。例えば、走
査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして代表的な原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、プローブと試料表面の間
に働く原子間力をプローブのたわみ量変化という情報で
検出し、これを利用することによって試料の表面形状を
観察することができる。
械的探針（以下、プローブと呼ぶ）によって試料表面を
走査し、プローブと試料表面との間に働く相互作用を検
出することによって、試料表面の物理量をｎｍ（１０-9
ｍ）以下のオーダーで観察する装置である。例えば、走
査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして代表的な原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、プローブと試料表面の間
に働く原子間力をプローブのたわみ量変化という情報で
検出し、これを利用することによって試料の表面形状を
観察することができる。
【０００３】こうした装置において、試料やプローブを
水平方向（以下ＸＹ方向と呼ぶ）と高さ方向（以下Ｚ方
向と呼ぶ）に精度良く走査するために必要な機械装置
が、微小領域走査装置である。
水平方向（以下ＸＹ方向と呼ぶ）と高さ方向（以下Ｚ方
向と呼ぶ）に精度良く走査するために必要な機械装置
が、微小領域走査装置である。
【０００４】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に利用さ
れる微小領域走査装置には、０．０１〜０．１ｎｍの高
い分解能が要求されるため、一般的に圧電素子（ピエ
ゾ）が使われる。代表的には、例えば米国特許第５、３
０６、９１９（Ｅｌｉｎｇｓｅｔ ａｌ．）が開示して
いるような円筒型圧電素子を利用した微小領域走査装置
が挙げられる。この微小領域走査装置は、圧電素子の横
効果を利用し、１本の円筒型圧電素子によってＸＹ方向
およびＺ方向に走査することができる。この円筒型圧電
素子を利用した微小領域走査装置の原型は、米国特許第
４、０８７、７１５（Ｍｙｅｒ ｅｔ ａｌ．）が開示
しているマイクロポジショナーに見ることができる。
れる微小領域走査装置には、０．０１〜０．１ｎｍの高
い分解能が要求されるため、一般的に圧電素子（ピエ
ゾ）が使われる。代表的には、例えば米国特許第５、３
０６、９１９（Ｅｌｉｎｇｓｅｔ ａｌ．）が開示して
いるような円筒型圧電素子を利用した微小領域走査装置
が挙げられる。この微小領域走査装置は、圧電素子の横
効果を利用し、１本の円筒型圧電素子によってＸＹ方向
およびＺ方向に走査することができる。この円筒型圧電
素子を利用した微小領域走査装置の原型は、米国特許第
４、０８７、７１５（Ｍｙｅｒ ｅｔ ａｌ．）が開示
しているマイクロポジショナーに見ることができる。
【０００５】この例では、円筒型圧電素子の内側にグラ
ンド電極を作り、側面には４分割の電極を製作し、対向
する２極を１組としている。この２極に電圧を印加し、
１極を伸ばし、１極を縮めれば、円筒型圧電素子は１方
向に傾く。これを２組の電極で行えば、２方向に円筒型
圧電素子を変形させることができる。これに加えて、側
面円周上に別の電極を形成し電圧を加えれば、円筒型圧
電素子の軸方向に円筒型圧電素子を伸縮させることがで
きる。こうすることによって、１本の円筒型圧電素子に
よって、ＸＹ方向、Ｚ方向に走査をすることができる。
ンド電極を作り、側面には４分割の電極を製作し、対向
する２極を１組としている。この２極に電圧を印加し、
１極を伸ばし、１極を縮めれば、円筒型圧電素子は１方
向に傾く。これを２組の電極で行えば、２方向に円筒型
圧電素子を変形させることができる。これに加えて、側
面円周上に別の電極を形成し電圧を加えれば、円筒型圧
電素子の軸方向に円筒型圧電素子を伸縮させることがで
きる。こうすることによって、１本の円筒型圧電素子に
よって、ＸＹ方向、Ｚ方向に走査をすることができる。
【０００６】図１は、円筒型ピエゾを利用した従来の微
小領域走査装置の構成の一例を示す模式図である。円筒
型圧電素子１０１の内側側面の全域にはグランド用電極
が形成される。一方、外側側面の１部には４分割の電極
を製作し、それぞれは電気的に絶縁されている。この４
分割のＸ１電極１０２、Ｘ２電極１０３、Ｙ５電極１０
４、Ｙ２電極１０５は、それぞれ２極が対向する位置関
係にある。すなわち、Ｘ１電極１０２とＸ２電極１０
３、Ｙ１電極１０４とＹ２電極１０５は対向位置の関係
にある。外側側面の残りの部分には１極のＺ１電極１０
６が形成され、内側のグランド用電極、外側の４分割電
極とは電気的に絶縁される。
小領域走査装置の構成の一例を示す模式図である。円筒
型圧電素子１０１の内側側面の全域にはグランド用電極
が形成される。一方、外側側面の１部には４分割の電極
を製作し、それぞれは電気的に絶縁されている。この４
分割のＸ１電極１０２、Ｘ２電極１０３、Ｙ５電極１０
４、Ｙ２電極１０５は、それぞれ２極が対向する位置関
係にある。すなわち、Ｘ１電極１０２とＸ２電極１０
３、Ｙ１電極１０４とＹ２電極１０５は対向位置の関係
にある。外側側面の残りの部分には１極のＺ１電極１０
６が形成され、内側のグランド用電極、外側の４分割電
極とは電気的に絶縁される。
【０００７】４分割のＸ１電極１０２、Ｘ２電極１０
３、Ｙ１電極１０４、Ｙ２電極１０５、もう一つのＺ１
電極１０６は、それぞれ、円筒型圧電素子内側のグラン
ド用電極との間で高電圧を掛け、電極の形成される部分
の圧電材料の分極を行う。この時、対向する電極の形成
される部分の圧電材料は、同じ極性の電圧を印加された
場合に、それぞれ反対の効果、すなわち、「伸び」「縮
み」を起こすように分極される。
３、Ｙ１電極１０４、Ｙ２電極１０５、もう一つのＺ１
電極１０６は、それぞれ、円筒型圧電素子内側のグラン
ド用電極との間で高電圧を掛け、電極の形成される部分
の圧電材料の分極を行う。この時、対向する電極の形成
される部分の圧電材料は、同じ極性の電圧を印加された
場合に、それぞれ反対の効果、すなわち、「伸び」「縮
み」を起こすように分極される。
【０００８】また、図２は従来の円筒型圧電素子型微小
領域走査装置の動作を示した模式図である。なお、図２
における円筒型圧電素子１０１の下部は、固定されてい
るものとし、上部は解放された自由端となっており、こ
の自由端に試料等を乗せ、駆動することになる。図２に
おいて、円筒型圧電素子１０１のＸ１電極１０２とＸ２
電極１０３に、電圧を印加する。この状態において、Ｘ
１電極１０２の形成された部分の圧電材料は、収縮す
る。一方、Ｘ２電極１０３の形成された部分の圧電材料
に伸びを生じる。これによって、円筒型圧電素子１０１
は、紙面向かって右側に変形する。これによって、円筒
型圧電素子１０１の自由端に乗る試料は、紙面向かって
右側に走査される。同時に、Ｚ１電極１０６とグランド
用電極に交番電圧を印加すれば、Ｚ１電極１０６の形成
された部分の圧電材料は伸縮する。
領域走査装置の動作を示した模式図である。なお、図２
における円筒型圧電素子１０１の下部は、固定されてい
るものとし、上部は解放された自由端となっており、こ
の自由端に試料等を乗せ、駆動することになる。図２に
おいて、円筒型圧電素子１０１のＸ１電極１０２とＸ２
電極１０３に、電圧を印加する。この状態において、Ｘ
１電極１０２の形成された部分の圧電材料は、収縮す
る。一方、Ｘ２電極１０３の形成された部分の圧電材料
に伸びを生じる。これによって、円筒型圧電素子１０１
は、紙面向かって右側に変形する。これによって、円筒
型圧電素子１０１の自由端に乗る試料は、紙面向かって
右側に走査される。同時に、Ｚ１電極１０６とグランド
用電極に交番電圧を印加すれば、Ｚ１電極１０６の形成
された部分の圧電材料は伸縮する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】以上に示したような従
来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置は、構造が簡単
で軽く、ＸＹ方向の共振周波数が高いという特徴から、
ＳＰＭのほとんどで利用されてきた。
来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置は、構造が簡単
で軽く、ＸＹ方向の共振周波数が高いという特徴から、
ＳＰＭのほとんどで利用されてきた。
【００１０】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の先鞭で
あるＳＴＭ、ＡＦＭの登場当初は、その観察対象は金属
表面の原子像や単分子膜の分子配列などであり、必要と
されるＸＹ方向走査範囲は１〜２０μｍ程度であった。
この走査範囲においては、円筒型圧電素子型微小領域走
査装置は、すでに述べたように、他の微小領域走査装置
に比べ、構造が簡単で軽く、ＸＹ方向の共振周波数が高
いという長所がある。
あるＳＴＭ、ＡＦＭの登場当初は、その観察対象は金属
表面の原子像や単分子膜の分子配列などであり、必要と
されるＸＹ方向走査範囲は１〜２０μｍ程度であった。
この走査範囲においては、円筒型圧電素子型微小領域走
査装置は、すでに述べたように、他の微小領域走査装置
に比べ、構造が簡単で軽く、ＸＹ方向の共振周波数が高
いという長所がある。
【００１１】一方、ここ数年で、ＳＴＭ、ＡＦＭが計測
装置として一般化し、普及するにつれ、その観察対象は
工業材料や生物試料の表面観察にまで広がってきた。そ
の対象は、例えばコンパクトディスク表面のスタンパで
あり、薄膜磁気ヘッドの凸凹であり、赤血球であり、細
胞である。ＳＰＭの種類も、最近では、ＳＮＯＭ（走査
型近視野顕微鏡）のような光学顕微鏡と組み合わせるタ
イプのものも登場し、観察試料の多様化傾向に拍車がか
かっている。こうした状況を背景として、ＳＰＭに求め
られるＸＹ方向走査範囲は、５０〜２００μｍにまで拡
大している。従来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置
によって、この走査範囲を満足させる場合、円筒型圧電
素子の全長を伸ばしてＸＹ方向走査用の電極長さを長く
するか、円筒型圧電素子の肉厚を薄くするか、あるいは
圧電率のより高い圧電材料を用いるなどで対応する必要
がある。
装置として一般化し、普及するにつれ、その観察対象は
工業材料や生物試料の表面観察にまで広がってきた。そ
の対象は、例えばコンパクトディスク表面のスタンパで
あり、薄膜磁気ヘッドの凸凹であり、赤血球であり、細
胞である。ＳＰＭの種類も、最近では、ＳＮＯＭ（走査
型近視野顕微鏡）のような光学顕微鏡と組み合わせるタ
イプのものも登場し、観察試料の多様化傾向に拍車がか
かっている。こうした状況を背景として、ＳＰＭに求め
られるＸＹ方向走査範囲は、５０〜２００μｍにまで拡
大している。従来の円筒型圧電素子型微小領域走査装置
によって、この走査範囲を満足させる場合、円筒型圧電
素子の全長を伸ばしてＸＹ方向走査用の電極長さを長く
するか、円筒型圧電素子の肉厚を薄くするか、あるいは
圧電率のより高い圧電材料を用いるなどで対応する必要
がある。
【００１２】円筒型圧電素子の全長を伸ばす、あるい
は、円筒型圧電素子の肉厚を薄くするなどした場合、円
筒型圧電素子のＸＹ方向での共振周波数は低下していく
という問題が発生する。また、圧電材料の圧電率を上げ
ていくと、誘電率も上昇し、ＸＹ方向走査時におけるヒ
ステリシスの増加を招き、精密な走査にはセンサーが必
要になる問題があった。
は、円筒型圧電素子の肉厚を薄くするなどした場合、円
筒型圧電素子のＸＹ方向での共振周波数は低下していく
という問題が発生する。また、圧電材料の圧電率を上げ
ていくと、誘電率も上昇し、ＸＹ方向走査時におけるヒ
ステリシスの増加を招き、精密な走査にはセンサーが必
要になる問題があった。
【００１３】さらに、円筒型圧電素子の機械的Ｑの値に
応じて、ＸＹ方向の共振周波数およびその近傍において
ＸＹ方向の振動振幅が増大するため、ＸＹ方向の走査速
度は共振周波数の１／２から１／３以下の値に比例した
値に律速されるという問題があった。
応じて、ＸＹ方向の共振周波数およびその近傍において
ＸＹ方向の振動振幅が増大するため、ＸＹ方向の走査速
度は共振周波数の１／２から１／３以下の値に比例した
値に律速されるという問題があった。
【００１４】また、分解能の点でも問題がある。円筒型
圧電素子に信号を印加する場合には、通常デジタル／ア
ナログコンバーター（ＤＡＣ）が用いられるが、出力可
能な信号の分割数には限りがある。１６ビットの分割数
（＝６５５３５）を持つＤＡＣにより最大ＸＹ方向走査
範囲１００μｍの円筒型圧電素子を制御する場合では、
１００／６５５３５＝約１５ｎｍの分解能しか得られな
い。より分割数の多いＤＡＣを用いることで分解能を向
上することができるが、分割数の多さと低雑音、および
応答速度の速さなどの条件を満たす高性能ＤＡＣは、コ
ストが高く、実用的とはいえない。
圧電素子に信号を印加する場合には、通常デジタル／ア
ナログコンバーター（ＤＡＣ）が用いられるが、出力可
能な信号の分割数には限りがある。１６ビットの分割数
（＝６５５３５）を持つＤＡＣにより最大ＸＹ方向走査
範囲１００μｍの円筒型圧電素子を制御する場合では、
１００／６５５３５＝約１５ｎｍの分解能しか得られな
い。より分割数の多いＤＡＣを用いることで分解能を向
上することができるが、分割数の多さと低雑音、および
応答速度の速さなどの条件を満たす高性能ＤＡＣは、コ
ストが高く、実用的とはいえない。
【００１５】そこで、本発明の目的は、従来の円筒型圧
電素子型微小領域走査装置の持つ上記のような課題を解
決し、ＸＹ方向の広い走査範囲を、速い速度で走査可能
であり、さらに高分解能に走査可能な微小領域走査装置
を実現することにある。
電素子型微小領域走査装置の持つ上記のような課題を解
決し、ＸＹ方向の広い走査範囲を、速い速度で走査可能
であり、さらに高分解能に走査可能な微小領域走査装置
を実現することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試
料走査やプローブ走査用の円筒型圧電素子型微小領域走
査装置において、ＸＹ走査用に共振特性の異なる複数の
円筒型圧電素子を組み合わせる構成とする。より具体的
には、広い領域を駆動可能な低共振特性圧電素子による
走査と、狭い領域を高速に駆動可能な高共振特性圧電素
子の組み合わせにより１軸を走査する構成とする。こう
することにより、同じ共振周波数であってもより広い領
域の走査が可能となる。また、狭い領域にＤＡＣの１６
ビットの分割数を割り当てることにより、高い分解能を
実現することができる。
に、本発明では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試
料走査やプローブ走査用の円筒型圧電素子型微小領域走
査装置において、ＸＹ走査用に共振特性の異なる複数の
円筒型圧電素子を組み合わせる構成とする。より具体的
には、広い領域を駆動可能な低共振特性圧電素子による
走査と、狭い領域を高速に駆動可能な高共振特性圧電素
子の組み合わせにより１軸を走査する構成とする。こう
することにより、同じ共振周波数であってもより広い領
域の走査が可能となる。また、狭い領域にＤＡＣの１６
ビットの分割数を割り当てることにより、高い分解能を
実現することができる。
【００１７】また、円筒型圧電素子の代わりに、圧電率
が高く、１軸のみ駆動可能な積層型圧電素子を複数組み
合わせることにより、ＸＹそれぞれの方向へ独立した駆
動が可能となり、高速・高精度な走査を実現できる。
が高く、１軸のみ駆動可能な積層型圧電素子を複数組み
合わせることにより、ＸＹそれぞれの方向へ独立した駆
動が可能となり、高速・高精度な走査を実現できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】図３は、円筒型圧電素子２個から
構成される微小領域走査装置の模式図である。下段には
共振周波数が低く、最大変位量の大きな粗動用円筒型圧
電素子１が組み込まれ、試料台４を大きくＸＹＺ方向に
駆動することが可能となっている。また、粗動用円筒型
圧電素子１に取り付けられた支持具３の上に、最大変位
量は小さいものの共振周波数が高く、高速駆動可能な微
動用円筒型圧電素子２が組み付けられており、この圧電
素子により微小領域をすばやく走査することが可能とな
る。なお、ここでは、何らかの試料を駆動することを前
提とした構成であるため、試料台４を用いているが、プ
ローブを取り付け、駆動することも可能である。この構
造は単純で作製しやすいが、より省スペースを図る構成
を図ったものが、図４に示す微小領域走査装置である。
図４では、粗動用円筒型圧電素子１と微動用円筒型圧電
素子２を接続するための支持具５が粗動用円筒型圧電素
子１の内側に窪んだ構造となっているのが特徴である。
図４の構造にすることで、装置のとるスペースは、ほぼ
単一の円筒型圧電素子と同じ大きさとなり、従来の円筒
型圧電素子と簡単に置き換えることができる。それぞれ
の走査装置において、複数の圧電素子を独立に駆動する
ことになるため、片方が駆動した際の振動の影響がでる
可能性があるが、共振特性が大きく異なる圧電素子を用
いることで、ほとんど影響を受けないようにすることが
できる。
構成される微小領域走査装置の模式図である。下段には
共振周波数が低く、最大変位量の大きな粗動用円筒型圧
電素子１が組み込まれ、試料台４を大きくＸＹＺ方向に
駆動することが可能となっている。また、粗動用円筒型
圧電素子１に取り付けられた支持具３の上に、最大変位
量は小さいものの共振周波数が高く、高速駆動可能な微
動用円筒型圧電素子２が組み付けられており、この圧電
素子により微小領域をすばやく走査することが可能とな
る。なお、ここでは、何らかの試料を駆動することを前
提とした構成であるため、試料台４を用いているが、プ
ローブを取り付け、駆動することも可能である。この構
造は単純で作製しやすいが、より省スペースを図る構成
を図ったものが、図４に示す微小領域走査装置である。
図４では、粗動用円筒型圧電素子１と微動用円筒型圧電
素子２を接続するための支持具５が粗動用円筒型圧電素
子１の内側に窪んだ構造となっているのが特徴である。
図４の構造にすることで、装置のとるスペースは、ほぼ
単一の円筒型圧電素子と同じ大きさとなり、従来の円筒
型圧電素子と簡単に置き換えることができる。それぞれ
の走査装置において、複数の圧電素子を独立に駆動する
ことになるため、片方が駆動した際の振動の影響がでる
可能性があるが、共振特性が大きく異なる圧電素子を用
いることで、ほとんど影響を受けないようにすることが
できる。
【００１９】次に積層型圧電素子を用いた実施例を図５
に示す。積層型圧電素子は一方向にしか駆動できないた
め、ＸＹＺの３方向に駆動するためには、最低３個の圧
電素子が必要となる。図５に、粗動用の圧電素子とし
て、Ｘ粗動用積層型圧電素子６、Ｙ粗動用積層型圧電素
子９、Ｚ積層型圧電素子１１として示している。また、
ＸＹ方向に微小駆動するための、Ｘ微動用積層型圧電素
子７とＹ微動用積層型圧電素子１０が組み付けられてい
る。これらの小型の圧電素子は、円筒型圧電素子の場合
と同様に、粗動用の圧電素子に対して共振周波数が高
く、また最大変位量の小さな圧電素子が用いられる。な
お、それぞれの圧電素子は、各駆動方向毎に支持具８を
介して接続されており、Ｚ積層型圧電素子１１の上部に
試料台１２が取り付けられている。ただし、図５で示す
ように、この微小領域走査装置では、構造が複雑になる
ため、機械的な剛性などを十分に高めるために、各圧電
素子の接続は、強固な接着材を用いるなどの十分な配慮
が必要となる。
に示す。積層型圧電素子は一方向にしか駆動できないた
め、ＸＹＺの３方向に駆動するためには、最低３個の圧
電素子が必要となる。図５に、粗動用の圧電素子とし
て、Ｘ粗動用積層型圧電素子６、Ｙ粗動用積層型圧電素
子９、Ｚ積層型圧電素子１１として示している。また、
ＸＹ方向に微小駆動するための、Ｘ微動用積層型圧電素
子７とＹ微動用積層型圧電素子１０が組み付けられてい
る。これらの小型の圧電素子は、円筒型圧電素子の場合
と同様に、粗動用の圧電素子に対して共振周波数が高
く、また最大変位量の小さな圧電素子が用いられる。な
お、それぞれの圧電素子は、各駆動方向毎に支持具８を
介して接続されており、Ｚ積層型圧電素子１１の上部に
試料台１２が取り付けられている。ただし、図５で示す
ように、この微小領域走査装置では、構造が複雑になる
ため、機械的な剛性などを十分に高めるために、各圧電
素子の接続は、強固な接着材を用いるなどの十分な配慮
が必要となる。
【００２０】次に円筒型圧電素子と積層型圧電素子を組
み合わせた実施例を図６に示す。この構成では、図５の
Ｘ、Ｙ方向の微動用の圧電素子、およびＺ方向の圧電素
子としての機能を全て、微動用円筒型圧電素子１３で賄
う構成となっている、支持具８や試料台１２に関して
は、図５と同じ構造である。この構成における動作はほ
ぼ、前述の図５の実施例と同等であり、問題となるのは
やはり、各圧電素子の取り付けを如何に正確に、機械的
剛性を十分配慮するということである。
み合わせた実施例を図６に示す。この構成では、図５の
Ｘ、Ｙ方向の微動用の圧電素子、およびＺ方向の圧電素
子としての機能を全て、微動用円筒型圧電素子１３で賄
う構成となっている、支持具８や試料台１２に関して
は、図５と同じ構造である。この構成における動作はほ
ぼ、前述の図５の実施例と同等であり、問題となるのは
やはり、各圧電素子の取り付けを如何に正確に、機械的
剛性を十分配慮するということである。
【００２１】次に前述の微小領域走査装置の制御方法に
ついての実施例を説明する。制御方法としては、狭い領
域の速い走査と大きく遅い走査をいかに効率よく組み合
わせるかが重要となる。
ついての実施例を説明する。制御方法としては、狭い領
域の速い走査と大きく遅い走査をいかに効率よく組み合
わせるかが重要となる。
【００２２】図７が上記制御方法の模式図である。走査
する範囲を図７の走査領域１４とし、Ｘ方向に１ライン
走査する場合を考える。この場合、まず走査の始点とな
る位置に、Ｘ粗動用圧電素子とＸ微動用圧電素子をそれ
ぞれ駆動した後、Ｘ微動用圧電素子により、走査領域１
４上に示した実線矢印で示すように微小領域を走査す
る。その後、Ｘ粗動用圧電素子によりＸ方向に位置をず
らし、再度Ｘ微動用圧電素子で走査する。この行程を繰
り返すことにより１ラインの走査が実現できる。またそ
の後、Ｙ方向に１ライン分移動し、再度１ラインＸ方向
に走査する。この繰り返しにより、目的の走査領域全体
を走査することが可能となる。また、この走査時の各圧
電素子に印加する信号を走査領域１４の下に示してい
る。Ｘ微動信号１５は、各微小走査領域に応じて、三角
波の信号となっており、またＸ粗動信号１６およびＹ粗
動信号１７はそれぞれの駆動のタイミングに応じたステ
ップ信号が印加されることになる。このようにＸ方向に
１ライン走査する場合には、Ｙ方向への走査速度は、Ｘ
方向の走査ほど高速ではないため、微小走査用の圧電素
子を用いる必要がない。
する範囲を図７の走査領域１４とし、Ｘ方向に１ライン
走査する場合を考える。この場合、まず走査の始点とな
る位置に、Ｘ粗動用圧電素子とＸ微動用圧電素子をそれ
ぞれ駆動した後、Ｘ微動用圧電素子により、走査領域１
４上に示した実線矢印で示すように微小領域を走査す
る。その後、Ｘ粗動用圧電素子によりＸ方向に位置をず
らし、再度Ｘ微動用圧電素子で走査する。この行程を繰
り返すことにより１ラインの走査が実現できる。またそ
の後、Ｙ方向に１ライン分移動し、再度１ラインＸ方向
に走査する。この繰り返しにより、目的の走査領域全体
を走査することが可能となる。また、この走査時の各圧
電素子に印加する信号を走査領域１４の下に示してい
る。Ｘ微動信号１５は、各微小走査領域に応じて、三角
波の信号となっており、またＸ粗動信号１６およびＹ粗
動信号１７はそれぞれの駆動のタイミングに応じたステ
ップ信号が印加されることになる。このようにＸ方向に
１ライン走査する場合には、Ｙ方向への走査速度は、Ｘ
方向の走査ほど高速ではないため、微小走査用の圧電素
子を用いる必要がない。
【００２３】次の制御に関する実施例を図８に示す。図
８にも、図７と同様に、走査領域１８と各圧電素子への
印加信号を示している。この実施の形態では、まず、走
査領域１８上に描かれた点線で囲まれた四角部分を、Ｘ
微動用圧電素子を用いての１ライン走査と、Ｙ微動用圧
電素子によるＹ方向への位置変更を繰り返しにより走査
する。その後、ＸないしはＹ方向へ粗動圧電素子により
適切な走査位置に移動し、再度微動圧電素子により微小
領域内を走査する。この工程を繰り返すことで、図７の
場合と同様に、目的の領域全体を走査することが可能と
なる。また、各圧電素子に印加する駆動信号は、まずＸ
微動信号１９は、微小領域の走査に応じて、三角波信号
となる。またＹ微動信号２０は、Ｘ微動用圧電素子が微
小走査範囲の端まで移動した段階で、１ライン分上が
り、微小領域の走査が終了するまで、上がり続ける。微
小領域の走査が終了後、粗動用圧電素子へ適切な信号を
印加し、前述のように、微小走査範囲の位置を調節す
る。ここまで、ＸＹ方向の走査について、説明してきた
が、ＳＰＭに対して以上の微小領域走査装置を適用する
場合には、さらにＺ方向の制御が加わることになる。Ｓ
ＰＭでは、試料とプローブ間の物理的相互作用に応じ
て、試料とプローブ先端の相対的なＺ方向の位置制御を
行わなければならないためである。また、ＳＰＭでは、
試料上をプローブにより走査することになるが、ＸＹ位
置は、試料−プローブの相対位置であり、そのどちらを
駆動しても構わない。そこで、微小領域走査装置とし
て、ＸＹ粗動用の圧電素子が試料側に、ＸＹ微動用の圧
電素子がプローブ側に取り付けられていても、前述の実
施例で挙げた微少領域走査装置と同様の走査が可能とな
る。その構成模式図が、図９である。なお、図９とは逆
に、粗動用の圧電素子がプローブ側に、また微動用の圧
電素子が試料側に取り付けられていても、走査するとい
う目的のためには特に問題はない。
８にも、図７と同様に、走査領域１８と各圧電素子への
印加信号を示している。この実施の形態では、まず、走
査領域１８上に描かれた点線で囲まれた四角部分を、Ｘ
微動用圧電素子を用いての１ライン走査と、Ｙ微動用圧
電素子によるＹ方向への位置変更を繰り返しにより走査
する。その後、ＸないしはＹ方向へ粗動圧電素子により
適切な走査位置に移動し、再度微動圧電素子により微小
領域内を走査する。この工程を繰り返すことで、図７の
場合と同様に、目的の領域全体を走査することが可能と
なる。また、各圧電素子に印加する駆動信号は、まずＸ
微動信号１９は、微小領域の走査に応じて、三角波信号
となる。またＹ微動信号２０は、Ｘ微動用圧電素子が微
小走査範囲の端まで移動した段階で、１ライン分上が
り、微小領域の走査が終了するまで、上がり続ける。微
小領域の走査が終了後、粗動用圧電素子へ適切な信号を
印加し、前述のように、微小走査範囲の位置を調節す
る。ここまで、ＸＹ方向の走査について、説明してきた
が、ＳＰＭに対して以上の微小領域走査装置を適用する
場合には、さらにＺ方向の制御が加わることになる。Ｓ
ＰＭでは、試料とプローブ間の物理的相互作用に応じ
て、試料とプローブ先端の相対的なＺ方向の位置制御を
行わなければならないためである。また、ＳＰＭでは、
試料上をプローブにより走査することになるが、ＸＹ位
置は、試料−プローブの相対位置であり、そのどちらを
駆動しても構わない。そこで、微小領域走査装置とし
て、ＸＹ粗動用の圧電素子が試料側に、ＸＹ微動用の圧
電素子がプローブ側に取り付けられていても、前述の実
施例で挙げた微少領域走査装置と同様の走査が可能とな
る。その構成模式図が、図９である。なお、図９とは逆
に、粗動用の圧電素子がプローブ側に、また微動用の圧
電素子が試料側に取り付けられていても、走査するとい
う目的のためには特に問題はない。
【００２４】図９では、粗動用円筒型圧電素子２３の上
に試料台２４が固定され、試料３１がその上に置かれ
る。また微動用円筒型圧電素子２７にはプローブ台２６
を介してプローブ２５が取り付けられている。プローブ
２５と試料３１との距離に応じた物理的相互作用の変化
は、相互作用検出手段２８で検出され、ＳＰＭコントロ
ーラ２９へと入力される。ＳＰＭコントローラ２９は、
この相互作用検出手段２８からの入力信号に応じてそれ
ぞれの圧電素子のＺ方向の駆動量を制御することにな
る。また、ＸＹ方向の走査もまた、ＳＰＭコントローラ
２９により制御される。そのＸＹ走査時の各圧電素子の
Ｚ方向への駆動量をプロットする事で、試料の表面形状
などの情報を得ることが可能となる。それを表示するの
が、表示手段３０である。
に試料台２４が固定され、試料３１がその上に置かれ
る。また微動用円筒型圧電素子２７にはプローブ台２６
を介してプローブ２５が取り付けられている。プローブ
２５と試料３１との距離に応じた物理的相互作用の変化
は、相互作用検出手段２８で検出され、ＳＰＭコントロ
ーラ２９へと入力される。ＳＰＭコントローラ２９は、
この相互作用検出手段２８からの入力信号に応じてそれ
ぞれの圧電素子のＺ方向の駆動量を制御することにな
る。また、ＸＹ方向の走査もまた、ＳＰＭコントローラ
２９により制御される。そのＸＹ走査時の各圧電素子の
Ｚ方向への駆動量をプロットする事で、試料の表面形状
などの情報を得ることが可能となる。それを表示するの
が、表示手段３０である。
【００２５】
【発明の効果】ＸＹ方向の広い走査範囲を、速い速度で
走査可能であり、さらに高分解能に走査可能な微小領域
走査装置を実現できる。この結果、ＳＰＭで広い範囲の
走査領域を高速に測定する場合でも、高分解能が維持で
きるため、光ディスクなどのピット評価装置や、細胞な
ど生化学のための観察装置などの、広い分野へのＳＰＭ
の適用が容易となる。
走査可能であり、さらに高分解能に走査可能な微小領域
走査装置を実現できる。この結果、ＳＰＭで広い範囲の
走査領域を高速に測定する場合でも、高分解能が維持で
きるため、光ディスクなどのピット評価装置や、細胞な
ど生化学のための観察装置などの、広い分野へのＳＰＭ
の適用が容易となる。
【図１】従来の円筒型圧電素子を示す模式図である。
【図２】従来の円筒型圧電素子の動作を示す模式図であ
る。
る。
【図３】本発明の２つの円筒型圧電素子を用いた微小領
域走査装置を示す模式図である。
域走査装置を示す模式図である。
【図４】本発明の２つの円筒型圧電素子を用いた微小領
域走査装置を示す模式図である。
域走査装置を示す模式図である。
【図５】本発明の複数の積層型圧電素子を用いた微小領
域走査装置を示す模式図である。
域走査装置を示す模式図である。
【図６】本発明の円筒型圧電素子と積層型圧電素子を用
いた微小領域走査装置を示す模式図である。
いた微小領域走査装置を示す模式図である。
【図７】本発明の圧電素子制御方法を示す概略図であ
る。
る。
【図８】本発明の圧電素子制御方法を示す概略図であ
る。
る。
【図９】本発明の微小領域走査装置を用いた走査型プロ
ーブ顕微鏡を示す構成模式図である。
ーブ顕微鏡を示す構成模式図である。
１ 粗動用円筒型圧電素子 ２ 微動用円筒型圧電素子 ３ 支持具 ４ 試料台 ５ 支持具 ６ Ｘ粗動用積層型圧電素子 ７ Ｘ微動用積層型圧電素子 ８ 支持具 ９ Ｙ粗動用積層型圧電素子 １０ Ｙ微動用積層型圧電素子 １１ Ｚ積層型圧電素子 １２ 試料台 １３ 微動用円筒型圧電素子 １４ 走査領域 １５ Ｘ微動信号 １６ Ｘ粗動信号 １７ Ｙ粗動信号 １８ 走査領域 １９ Ｘ微動信号 ２０ Ｘ粗動信号 ２１ Ｙ微動信号 ２２ Ｙ粗動信号 ２３ 粗動用円筒型圧電素子 ２４ 試料台 ２５ プローブ ２６ プローブ台 ２７ 微動用円筒型圧電素子 ２８ 相互作用検出手段 ２９ ＳＰＭコントローラ ３０ 表示手段 ３１ 試料 １０１ 円筒型圧電素子 １０２ Ｘ１電極 １０３ Ｘ２電極 １０４ Ｙ１電極 １０５ Ｙ２電極 １０６ Ｚ１電極
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｎ Ｆターム(参考） 2F069 AA04 AA60 DD15 DD19 DD20 GG04 GG62 HH04 JJ07 JJ14 LL03 MM32 MM34 MM38 RR03
Claims (11)
- 【請求項１】 走査対象物をＸ、Ｙそれぞれの方向に走
査可能な微小領域走査装置において、広い領域を駆動可
能な低共振特性圧電素子と、狭い領域を高速に駆動可能
な高共振特性圧電素子から成り、かつまた広い領域を駆
動可能な低共振特性圧電素子による走査と、狭い領域を
高速に駆動可能な高共振特性圧電素子による狭い領域の
走査を組み合わせる圧電素子制御手段を有すること、を
特徴とする微小領域走査装置。 - 【請求項２】 前記複数の圧電素子が、走査用のプロー
ブあるいは走査対象となる試料のどちらか一方をＸＹ方
向走査可能であることを特徴とする請求項１記載の微小
領域走査装置。 - 【請求項３】 前記複数の圧電素子のどちらか一方が、
走査用のプローブあるいは走査対象となる試料のどちら
か一方をＸＹ方向に走査可能であることを特徴とする請
求項１記載の微小領域走査装置。 - 【請求項４】 前記圧電素子制御手段が、低共振特性圧
電素子による位置合わせと、高共振特性圧電素子による
狭い領域の走査を組み合わせて走査する制御手段である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載
の微小領域走査装置。 - 【請求項５】 前記圧電素子制御手段が、ＸあるいはＹ
方向に対する高共振特性圧電素子による走査と低共振特
性圧電素子による位置合わせの繰り返しによる線走査
と、その線走査方向と直行する別の方向への低共振特性
圧電素子による位置合わせを繰り返すことにより、走査
領域全体を走査する制御手段であることを特徴とする請
求項４記載の微小領域走査装置。 - 【請求項６】 前記圧電素子制御手段が、別方向駆動可
能な複数の高共振特性圧電素子による狭い領域の走査
と、低共振特性圧電素子による位置合わせを繰り返すこ
とにより、走査領域全体を走査する制御手段であること
を特徴とする請求項４記載の微小領域走査装置。 - 【請求項７】 前記複数の圧電素子が円筒型圧電素子で
あること、を特徴とする請求項１から６のいずれか一項
に記載の微小領域走査装置。 - 【請求項８】 前記複数の圧電素子が積層型圧電素子で
あること、を特徴とする請求項１記載の微小領域走査装
置。 - 【請求項９】 前記複数の圧電素子が円筒型圧電素子と
積層型圧電素子を組み合わせたものであることを特徴と
する請求項１から６のいずれか一項に記載の微小領域走
査装置。 - 【請求項１０】 Ｚ方向微小駆動手段を有すること、を
特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の微小
領域走査装置。 - 【請求項１１】 請求項１から１０のいずれか一項に記
載の微小領域走査装置を有すること、を特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000119754A JP2001305036A (ja) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | 微小領域走査装置および走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000119754A JP2001305036A (ja) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | 微小領域走査装置および走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001305036A true JP2001305036A (ja) | 2001-10-31 |
Family
ID=18630677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000119754A Pending JP2001305036A (ja) | 2000-04-20 | 2000-04-20 | 微小領域走査装置および走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001305036A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005531781A (ja) * | 2002-07-04 | 2005-10-20 | ユニバーシティ・オブ・ブリストル | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2006058016A (ja) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Jeol Ltd | 走査形プローブ顕微鏡 |
| JP2011047887A (ja) * | 2009-08-28 | 2011-03-10 | Hitachi Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 |
| EP2435837A2 (en) * | 2009-05-28 | 2012-04-04 | The Research Foundation Of State University Of New York | Metrology probe and method of configuring a metrology probe |
| CN103872943A (zh) * | 2012-12-14 | 2014-06-18 | 中国科学技术大学 | 双滑块高精度惯性压电马达及控制法与扫描探针显微镜 |
| WO2018131343A1 (ja) | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 国立大学法人大阪大学 | スキャナ及び走査型プローブ顕微鏡 |
-
2000
- 2000-04-20 JP JP2000119754A patent/JP2001305036A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005531781A (ja) * | 2002-07-04 | 2005-10-20 | ユニバーシティ・オブ・ブリストル | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2006058016A (ja) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Jeol Ltd | 走査形プローブ顕微鏡 |
| EP2435837A2 (en) * | 2009-05-28 | 2012-04-04 | The Research Foundation Of State University Of New York | Metrology probe and method of configuring a metrology probe |
| JP2012528341A (ja) * | 2009-05-28 | 2012-11-12 | ザ リサーチ ファウンデイション オブ ステイト ユニバーシティー オブ ニューヨーク | 測定プローブ及びその構成方法 |
| EP2435837A4 (en) * | 2009-05-28 | 2014-04-16 | Univ New York State Res Found | METROLOGY PROBE AND METHOD FOR CONFIGURING A METROLOGIC PROBE |
| JP2011047887A (ja) * | 2009-08-28 | 2011-03-10 | Hitachi Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 |
| CN103872943A (zh) * | 2012-12-14 | 2014-06-18 | 中国科学技术大学 | 双滑块高精度惯性压电马达及控制法与扫描探针显微镜 |
| CN103872943B (zh) * | 2012-12-14 | 2016-01-06 | 中国科学技术大学 | 双滑块高精度惯性压电马达及控制法与扫描探针显微镜 |
| WO2018131343A1 (ja) | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 国立大学法人大阪大学 | スキャナ及び走査型プローブ顕微鏡 |
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