JP2004012466A

JP2004012466A - プローブ走査機構、および、それを用いた走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2004012466A
Application number: JP2003285012A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ando; 安藤　敏夫; Yoshiaki Hayashi; 林　美明
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】プローブを高速で走査できるプローブ走査機構を提供する。
【解決手段】カンチレバー１２はホルダー１４により移動体１６に取り付けられる。移動体１６には三枚のサファイア板１８が互いに直交して設けられている。三本のピエゾアクチュエーター３０Ｘ、３０Ｚ（図４では二本だけが見える）は、互いに直交する方向に変位可能で、一端にはサファイア板２２が取り付けられている。サファイア板２２はルビー球２０を間に挟んでサファイア板１８に対向している。サファイア板１８と２２の中央部には引き合う極性の磁石が設けられている。移動体１６には、カンチレバー１２の上方の位置に、二枚の三角プリズムを向きを９０°変えてＺ方向に重ねて配置した構成の屈折プリズム４４が固定されている。光ビームを射出するレーザー発振器４０、四分割された受光領域を備えた光センサー４８が所定の位置に配置されている。
【選択図】　　　図４

Description

　本発明は、試料を原子または分子のオーダーの分解能で観察、測定、加工する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構、および、それを用いた走査型プローブ顕微鏡に関する。

　試料を原子オーダーの分解能で観察する装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）が知られている。

　ＳＰＭの一つに、ビニッヒ（Binnig）やローラー（Rohrer）等によって発明された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）がある。また、別のＳＰＭとしては、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）がある。ＡＦＭは、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーで観察できる装置で、例えば特開昭６２−１３０３０２号公報に開示されている。

　ＡＦＭは、鋭く尖った突起部（探針）を自由端に持つカンチレバーを備えている。この探針を試料に近づけると、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相互作用力（原子間力）によりカンチレバーの自由端が変位する。この自由端の変位を電気的あるいは光学的に測定しながら、探針を試料面に沿ってＸＹ方向に走査することにより、試料の凹凸情報等を三次元的にとらえることができる。

　走査を行なうための機構としては、互いに直交する方向に移動可能なＸテーブルとＹテーブルを有し、これを積層型ピエゾアクチュエーターを用いて移動させる構成のＸＹステージや、三本の積層型ピエゾアクチュエーターが互いに直交する様に連結されている、いわゆるトライポッド、円筒状の圧電体の内側面に周方向に連続した一枚の共通電極を設け、外側面に周方向に四枚の駆動電極を設けてなる、いわゆる圧電チューブスキャナーなどがある。
特開昭６２−１３０３０２号公報

　上述のＸＹステージは、ＸテーブルのＸ方向の運動とＹテーブルのＹ方向の運動とは完全に独立しており、一方の運動が他方に影響を与えることはないが、テーブルの慣性質量が大きいため、高速走査には適さない。

　また、トライポッドとチューブスキャナーは比較的高速での走査を行なえるが、各方向の運動が他の方向の運動と独立でないため、ある方向の運動が他の方向の運動に影響を与えてしまう。

　このように、前述した走査機構では、ピエゾアクチュエーター自体の固有振動数や、ある方向の変位に対して他の方向が変位する干渉や、リンギング現象のために走査周期は３００Ｈｚが限界である。チューブスキャナーは実際に数十Ｈｚ程度が限界である。

　リンギングとは、ピエゾアクチュエーターに印加する電圧を急激に上げると、変位発生後に振動を残す現象をいう。円筒型ピエゾアクチュエーターでは、大きな走査幅を得るには、全長の長いものを使用する必要があるが、全長の長いものほど、リンギングは発生し易い。

　このような走査機構は、静止した試料や時間変化の遅い試料を観察する目的にはそれほど支障なく使用できるが、走査周期が長いために、例えば、貧食細胞が食刺を伸ばしたり、細胞が刺激に反応する様子を観察するといった目的には応えることができない。

　本発明は、各方向の運動が互いに独立しており、プローブを高速で走査できるプローブ走査機構を提供することを目的とする。本発明は、また、そのようなプローブ走査機構を有する走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

　本発明は、ひとつには、走査型プローブ顕微鏡用のプローブ走査機構に向けられており、以下の各項に列記するプローブ走査機構を含んでいる。

　１．　本発明のプローブ走査機構は、探針を有するレバー部と、前記レバー部を保持するレバー保持部を備えた移動部材と、前記移動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部と、第一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動させる第二の駆動部と、前記レバー部に光を射出する光源と、前記レバー部で反射された光を受光する光センサーと、前記移動部材に取り付けられ、走査中に前記光が前記レバー部の同じ位置に入射させる光学素子とを有しており、移動部材の第１の軸方向と第２の軸方向の移動が独立であることを特徴とする。

　２．　本発明の別のプローブ走査機構は、第１項のプローブ走査機構において、前記光学素子は、互いに向きを９０度変えて、第１と第２の軸方向に直交する方向に重ねて配置されるプリズムからなることを特徴とする。

　３．　本発明の別のプローブ走査機構は、第１項または第２項のプローブ走査機構において、移動部材は第１の軸に直交する第１の平面と、第２の軸に直交する第２の平面とを有し、第１および第２の駆動部は、アクチュエータ１およびアクチュエータ２が各々伸縮する方向の軸に直交する平面を持つ板１および２を有し、第１および第２の保持手段は、移動部材の各々の平面と各々の駆動部の板に挟持された球状部材とを有していることを特徴とする。

　４．　本発明の別のプローブ走査機構は、第１項〜第３項のプローブ走査機構において、さらに、移動部材を第１と第２の軸に直交する第３の方向に移動可能に保持する第３の保持手段と、移動部材を第３の軸方向に移動させる第３の駆動部とを備えていることを特徴とする。

　５．　本発明の別のプローブ走査機構は、第４項のプローブ走査機構において、移動部材は第３の軸に直交する第３の平面とを有し、第３の駆動部は、アクチュエータ３が伸縮する方向の軸に直交する平面を持つ板を有し、第３の保持手段は、移動部材の平面と平板部材の平面に挟持された球状部材とを有していることを特徴とするプローブ走査機構。

　本発明は、ひとつには、走査型プローブ顕微鏡に向けられており、下記の走査型プローブ顕微鏡を含んでいる。

　６．　本発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１項または第４項のプローブ走査機構を有することを特徴とする。

　本発明によれば、各方向の運動が互いに独立しており、プローブを高速で走査できるプローブ走査機構が得られる。これにより、貧食細胞が食刺を伸ばす様子や細胞が刺激に反応する様子などを観察できる走査型プローブ顕微鏡が得られるようになる。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

　まず、プローブ走査機構の構成について図１を用いて説明する。カンチレバー１２はホルダー（図４に符号１４で示される）により移動体１６に取り付けられる。移動体１６の一角には三枚のサファイア板１８が設けられており、サファイア板１８の平面は互いに直交している。三本のピエゾアクチュエーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚは、互いに直交する方向に変位可能で、一端がそれぞれ固定台３２Ｘ、３２Ｙ、３２Ｚに固定されている。ピエゾアクチュエーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚの他端にはサファイア板２２が取り付けられている。サファイア板２２は、ルビー球２０を間に挟んで、移動体１６に設けられたサファイア板１８に対向している。

　図２に示す様に、サファイア板１８の中央部には磁石２４が設けられ、サファイア板２２の中央部には磁石２６が設けられ、両者は互いに引き合う極性で、十分に狭い間隔、例えば数μｍの間隔を置いて向き合っている。磁石２４と磁石２６の磁束密度は約１２５００ガウスである。磁石２４と磁石２６の間の引力により、図１に示される様に、移動体１６は三本のピエゾアクチュエーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚに支持されている。

　Ｙ方向とＺ方向のピエゾアクチュエーター３０Ｙと３０Ｚは動いてなく、Ｘ方向のピエゾアクチュエーター３０Ｘが駆動している状態を考える。ピエゾアクチュエーター３０Ｘの伸縮によりサファイア板２２はＸ方向に往復運動し、移動体１６は、ルビー球２０を介してサファイア板２２に押され、あるいは磁力によりサファイア板２２に引っ張られて、Ｘ方向に往復運動する。この往復運動の間、Ｙ方向とＺ方向を向いたサファイア板１８は、それに向き合ったサファイア板２２に対してルビー球２０の回転を伴なってＸ方向に移動するだけで、Ｙ方向とＺ方向には移動しない。従って、移動体１６のＹ方向とＺ方向の位置は変わらない。この運動の抵抗は、Ｙ方向とＺ方向のルビー球２０の転がり抵抗のみで極めて小さい。

　次に、三本のピエゾアクチュエーター３０Ｘと３０Ｙと３０Ｚが共に駆動状態にあり、これにより移動体１６が三次元的に運動している場合を考える。移動体１６がＹ方向やＺ方向に運動していても、それらの運動はＸ方向の成分を全く持たないので、Ｘ方向の運動に関しては前述の状況と全く同じであり、ピエゾアクチュエーター３０Ｘは、ピエゾアクチュエーター３０Ｙと３０Ｚから何等影響を受けることなく、移動体１６をＸ方向に駆動する。すなわち、任意の一本のピエゾアクチュエーターは、他の二本のピエゾアクチュエーターに全く影響されることなく、その方向に移動体１６を駆動する。

　このように、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向の運動は完全に独立しているので、走査周波数はそれぞれの方向の振動特性によってのみ決まる。実際の走査は共振周波数以下の周期で行なわれ、また、ピエゾアクチュエーター３０Ｘと３０Ｙと３０Ｚ、移動体１６、カンチレバー１２、カンチレバーホルダー１４から成る機構の共振周波数は２００ｋＨｚ程度にすることができる。すなわち、２００ｋＨｚ程度の周波数で走査を行なうことができる。

　この実施の形態では、移動部材１６を移動可能に保持する手段として、磁石２４と２６を用いているが、図３に示すように、バネ（好ましくは引っ張りバネや板バネ）やゴムなどの弾性体２８を用いても一向に構わない。

　次に、これまで説明したプローブ走査機構を用いた原子間力顕微鏡について図４と図５を用いて説明する。

　図４に示されるように、移動体１６には、カンチレバー１２の上方の位置に、屈折プリズム４４が固定されている。屈折プリズム４４は、図５に示すように、二枚の三角プリズム４４ａと４４ｂを向きを９０°変えてＺ方向に重ねて配置した構成となっている。

　再び図４に戻り、光ビームを射出するレーザー発振器４０、レーザー発振器からの光ビームを拡大または平行化するエクスパンダー／コリメーター４２、カンチレバーからの反射光を偏向する反射ミラー４６、四分割された受光領域を備えた光センサー４８が所定の位置に配置されている。これらの光学素子は共に一つの筐体に固定されている。

　カンチレバー１２は、前述した様に、ピエゾアクチュエーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚを伸縮させることによって、任意の方向に移動可能である。走査に平行して、レーザー発振器４０から射出された光ビームはエクスパンダー／コリメーター４２を経て、屈折プリズム４４で偏向され、カンチレバー１２の自由端部に入射する。カンチレバー１２からの反射光は反射ミラー４６で反射され、光センサー４８に入射する。光センサー４８に対する反射光の入射位置は、カンチレバー１２の自由端部の変位に応じて変化し、従って、光センサー４８の各受光領域に入射する光量を調べることで、カンチレバー１２の自由端部の変位が求められる。

　走査の間、屈折プリズム４４は移動体１６と一緒に移動し、これに応じて屈折プリズム４４に対する光ビームの入射位置が変わるが、屈折プリズム４４は光ビームがカンチレバー１２の自由端部の同じ位置に入射するように補償する。

　このＡＦＭでは、走査される部分を極めて軽量に抑えることができる。具体的には、移動体１６とホルダー（板バネ）１４、カンチレバー１２、屈折プリズム４４の総質量は１ｇ以下に抑えることができる。これにより、高速走査が可能となる。

　本発明は、上述の実施の形態に何等限定されるものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で行なわれる実施は、すべて本発明に含まれる。

本発明の実施の形態のプローブ走査機構の構成を示す斜視図である。移動体を保持する構成を示す図である。図２の構成に代わる移動体を保持する別の構成を示す図である。図１のプローブ走査機構を用いた原子間力顕微鏡の構成を示す図である。図４の屈折プリズムの構成を示す図である。

符号の説明

１２…カンチレバー、１６…移動体、１８…サファイア板、２０…ルビー球、２２…サファイア板、２４、２６…磁石、３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚ…ピエゾアクチュエーター。

Claims

走査型プローブ顕微鏡用のプローブ走査機構であって、探針を有するレバー部と、前記レバー部を保持するレバー保持部を備えた移動部材と、前記移動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部と、第一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動させる第二の駆動部と、前記レバー部に光を射出する光源と、前記レバー部で反射された光を受光する光センサーと、前記移動部材に取り付けられ、走査中に前記光が前記レバー部の同じ位置に入射させる光学素子とを有しており、移動部材の第１の軸方向と第２の軸方向の移動が独立であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構。
請求項１に記載のプローブ走査機構であって、前記光学素子は、互いに向きを９０度変えて、第１と第２の軸方向に直交する方向に重ねて配置されるプリズムからなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構。
請求項１または請求項２に記載のプローブ走査機構であって、移動部材は第１の軸に直交する第１の平面と、第２の軸に直交する第２の平面とを有し、第１および第２の駆動部は、アクチュエータ１およびアクチュエータ２が各々伸縮する方向の軸に直交する平面を持つ板１および２を有し、第１および第２の保持手段は、移動部材の各々の平面と各々の駆動部の板に挟持された球状部材とを有していることを特徴とするプローブ走査機構。
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載のプローブ走査機構であって、さらに、移動部材を第１と第２の軸に直交する第３の方向に移動可能に保持する第３の保持手段と、移動部材を第３の軸方向に移動させる第３の駆動部とを備えていることを特徴とするプローブ走査機構。
請求項４に記載のプローブ走査機構であって、移動部材は第３の軸に直交する第３の平面とを有し、第３の駆動部は、アクチュエータ３が伸縮する方向の軸に直交する平面を持つ板を有し、第３の保持手段は、移動部材の平面と平板部材の平面に挟持された球状部材とを有していることを特徴とするプローブ走査機構。
請求項１または請求項４に記載のプローブ走査機構を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。