JP2006308322A

JP2006308322A - 走査型プローブ顕微鏡用走査ステージ

Info

Publication number: JP2006308322A
Application number: JP2005128267A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kami; 喜裕上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-09
Also published as: WO2006118117A1; US20070114441A1; EP1876437A1

Abstract

【課題】高速走査にも良好に追従する走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを提供する。
【解決手段】走査ステージは、観察試料を保持する試料台９と、試料台９をＸＹＺ方向に移動可能な走査機構とからなる。走査機構は、可動部４とＸＹ弾性部材とＺ弾性部材７Ａと７Ｂと固定部５とからなるＸＹステージと、ＸＹステージが固定される固定台１と、可動部４をＸ方向に移動させるための圧電体２Ａと、可動部４をＹ方向に移動させるための圧電体と、試料台９をＺ方向に移動させるための圧電体３とから構成されている。Ｚ方向駆動用の圧電体３は可動部４の上面に固定されており、試料台９は圧電体３の上面にワックス１０で固定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査ステージに関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であり、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）などを含む。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押し付けて圧痕をつけ、その圧痕のつき具合を解析して試料の固さなどを調べるナノインデンテーターなどもこのＳＰＭのひとつに位置づけられており、前述の各種の顕微鏡と共に広く普及している。

走査型プローブ顕微鏡は、例えば機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し、所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得るものである。ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相互作用が一定になるようにフィードバック制御している。このＺ方向の動きは規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きとなるが、一般にＺ方向の走査動作とされている。このＺ方向の走査はＸＹＺ各方向のなかでは最も高い周波数での動きとなる。

走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査機構は、例えば、観察試料を保持する試料台と、試料台を走査する走査機構とからなる。試料台を走査機構に固定する方法のひとつにマグネットを利用した方法があり、この方法は例えば特公平６−３１７３７号公報に開示されている。従来の走査型プローブ顕微鏡の走査速度は比較的ゆっくりとしたもので、数分かけて１枚の像を取得するものであるため、走査対象の重さはあまり問題とされていなかった。しかし、最近では走査速度の高速化の要求から１秒間に数枚の像を取得できる装置が開発された。高速化のためには走査対象の重さを軽くする必要があり、マグネットによる固定方法では軽量化が難しい。特開２００３−４２９３１号公報はグリスを用いて固定する方法を提案している。この方法は試料台をグリスにより固定するもので、非常に軽く構成できるので高速化に適している。
特公平６−３１７３７号公報特開２００３−４２９３１号公報

しかし、グリスは常温での粘性が低いため、小さな力で固定位置から容易に動いてしまう。例えば、ＸＹ方向の走査速度が速くなると、試料台の慣性力により走査機構の走査動作に追従しなくなってしまう。また、観察対象が水中にあると、走査時における水の抵抗力で、走査動作への追従性が劣化してしまう。試料台の追従性が悪いと、取得像が歪んだりして、試料の正しい形状を反映できなくなったり、安定して同じ位置を観察できなくなったりする。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、高速走査にも良好に追従する走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを提供することである。

本発明による走査型プローブ顕微鏡用走査ステージは、観察試料を保持する試料台と、前記試料台をＸＹＺ方向に移動可能な走査機構とを備えており、前記試料台がワックスにより前記走査機構に固定されることを特徴とする。

本発明によれば、高速走査にも良好に追従する走査型プローブ顕微鏡用走査ステージが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを図１と図２に示す。図１と図２において、走査ステージは、観察試料を保持する試料台９と、試料台９をＸＹＺ方向に移動可能な走査機構とからなる。走査機構は、可動部４とＸＹ弾性部材６Ａと６Ｂと６Ｃと６ＤとＺ弾性部材７Ａと７Ｂと７Ｃと７Ｄと固定部５とからなるＸＹステージと、ＸＹステージが固定される固定台１と、可動部４をＸ方向に移動させるための圧電体２Ａと、可動部４をＹ方向に移動させるための圧電体２Ｂと、試料台９をＺ方向に移動させるための圧電体３とから構成されている。

固定台１の中に固定部５が接着またはねじ締結によって固定されている。可動部４は、Ｚ弾性部材７Ａ〜７Ｄにより固定部５と接続されている。Ｚ弾性部材７Ａ〜７Ｄは可動部４をＺ方向に関して高い剛性をもって支持している。Ｚ弾性部材７Ａ〜７Ｄの配置位置は可動部４の中心からほぼ等距離であり、可動部４の重心は可動部４のほぼ中心に位置している。可動部４は、ＸＹ弾性部材６Ａ〜６Ｄにより固定部５と接続されている。ＸＹ弾性部材６Ａ〜６Ｄは可動部４をＸＹ方向に関して剛性をもって支持している。ＸＹ弾性部材６Ａ〜６ＤはＸＹ各駆動軸に対して対称に配置されている。ＸＹ弾性部材６Ａと６ＣはＸ軸上に配置され、ＸＹ弾性部材６Ｂと６ＤはＹ軸上に配置されている。また、ＸＹ弾性部材６ＡにはＸ方向駆動用の圧電体２Ａを当接させる押圧部８Ａが設けられており、ＸＹ弾性部材６ＢにはＹ方向駆動用の圧電体２Ｂを当接させる押圧部８Ｂが設けられている。

可動部４とＸＹ弾性部材６Ａ〜６ＤとＺ弾性部材７Ａ〜７Ｂと固定部５とからなるＸＹステージは一体の部品から切り出されたものであり、例えばアルミニウムなどの材料でできている。ＸＹステージを固定している固定台１はＸＹステージと同じ質材であってもよいが、好ましくは、ステンレス鋼などのようにアルミニウムよりもヤング率の高い材料で作られているとよい。

Ｘ方向駆動用の圧電体２Ａの一端は押圧部８Ａに当接しており、他端は固定台１に固定されている。圧電体２ＡはＸ軸に沿って所定の予圧がかかるように配置されており、圧電体２Ａの中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。また、Ｙ方向駆動用の圧電体２Ｂの一端は押圧部８Ｂに当接しており、他端は固定台１に固定されている。圧電体２ＢはＹ軸に沿って所定の予圧がかかるように配置されており、圧電体２Ｂの中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。

Ｚ方向駆動用の圧電体３は可動部４の上面に固定されており、圧電体３の中心線は可動部４のほぼ重心を通っている。圧電体３の表面には有機溶剤などに耐性のある樹脂材料１１が被覆されている。試料台９は圧電体３の上面にワックス１０で固定される。試料台９はワックス１０の厚さが薄いほど強固に固定される。

ワックスは常温では非常に粘性が高く、粘性は調合によって調整できる。例えば、動粘性係数は常温でペースト状のものでも数千［ｍｍ２／ｓ］の値になる。実験では使用のワックスはほぼ固体になる。具体例を示すと、例えば、シリコングリスの粘性係数は常温で約６０［ｍｍ２／ｓ］、１００℃で約３０［ｍｍ２／ｓ］であり、半固形ワックスの粘性係数は常温で１０００以上［ｍｍ２／ｓ］、１００℃で約１５．３［ｍｍ２／ｓ］である。

試料台９は、ワックス１０の代わりに可塑性接着剤を用いて圧電体３の上面に固定されても構わない。

観察試料は試料台９に固定される。観察試料は試料台に直接固定されても、観察試料を適切に固定する媒介物を介して固定されてもよい。

次に作用について説明する。例えば観察試料すなわち試料台９をＸ方向へ変位させる場合について説明する。可動部４をＸ方向に駆動する場合には圧電体２Ａに電圧を印加して伸縮させる。圧電体２Ａの一端は固定台１に固定されているため、圧電体２Ａが変位することにより他端に当接された押圧部８Ａが変位する。この変位はＸＹ弾性部材６Ａに伝わるが、ＸＹ弾性部材６ＡのＸ軸に平行に延びた薄板ばね部分はＸ方向剛性が高いため、変位は可動部４へ伝達される。このとき、Ｙ軸に対して対称な位置に配置されたＸ軸上のＸＹ弾性部材６Ｃは、Ｙ軸に平行に延びた薄板ばね部のＸ方向剛性が低いため、可動部４の変位を妨げない。また、Ｙ軸上に配置されたＸＹ弾性部材６Ｂと６ＤのＹ軸に平行に延びた薄板ばね部はＸ方向の剛性が低いため、これらも可動部４の変位を妨げない。さらに、可動部４のＺ方向を高剛性に支持するＺ弾性部材７Ａ〜７ＤはＸＹ方向の剛性が低いため可動部４の変位を妨げない。このため圧電体２Ａの伸縮に応じて可動部４はＸ方向に変位する。

さらに可動部４がＸ方向に移動する場合、駆動軸に対してＸＹ弾性部材６Ａ〜６Ｄが対称に配置されているため、ＸＹ平面内において回転動作することなく直線的に変位する。また、可動部４がＸ方向に移動する場合、その下面に設けられたＺ弾性部材７Ａ〜７Ｄが平行板ばねとして作用するため、可動部４の上面は傾くことなく水平に移動する。さらに、圧電体の中心を通り駆動方向へ延びる駆動力線が可動部重心を通っているため、可動部４が高速で移動した場合においても慣性力による回転モーメントが発生しにくく、回転動作なく高精度に変位する。

また、圧電体２Ａが変位すると、ＸＹ弾性部材６Ａの変形に伴う反作用力が固定台１の圧電体２Ａを固定している部位に作用する。しかし固定台１はヤング率の高い材質で作られており、圧電体２Ａの固定部分の変形が少ないため、圧電体２Ａの変位のほとんどは押圧部８Ａへ伝えられる。

Ｙ方向への移動に関してもＸ方向と同様のことが言える。

観察試料すなわち試料台９をＺ方向に移動させる場合は圧電体３に電圧を印加して伸縮させる。

以上のように試料台９を動かすとき、高速に動かせば動かすほど試料台９の慣性力は大きくなる。また、生体試料観察するために試料台９が水中に置かれた場合は試料台９が受ける水の抵抗力が大きくなる。しかし、試料台９はワックス１０によって強固に固定されているため、慣性力や抵抗力を受けても走査機構の動きに追従性良く移動する。このため、観察試料の形状を正確に反映したゆがみの少ない観察像を安定して得ることができる。

観察終了後に試料台９を取り外す際、有機溶媒などの剥離材をワックス１０に与えるとワックス１０が溶け、試料台９を容易に取り外すことができる。このとき、圧電体３の表面には樹脂材料１１が被覆されているため、有機溶媒により圧電体３が壊れることはない。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを図３に示す。本実施形態は、第一実施形態の構成に熱源と温度コントローラーを付加した構成をしている。走査機構の構成と作用は第一実施形態と同様である。

圧電体３を取り囲むようにヒーター１２が設けられており、ヒーター１２のＯＮ／ＯＦＦおよび温度設定はコントローラー１３により制御される。

試料台９を取り付けるとき、ヒーター１２をＯＮにすると、ワックス１０は暖められ粘性が低くなる。このため試料台９を軽く押し付けるだけで余分なワックス１０は試料台９下面から外に押し出され、ワックス１０の厚さを薄くすることができる。その後、ヒーターの電源をＯＦＦにすると、ワックス１０の粘性は高くなり、試料台９は強固に固定される。

また、試料台９を取り外すとき、ヒーター１２の電源をＯＮにすると、ワックス１０の粘性が再び低くなるため、小さな力で試料台９をＺ圧電体から取り外すことができる。このため、Ｚ圧電体に無理な力をかけ、破壊する心配がない。

また、ＡＦＭ観察時にヒーターをＯＮにすることにより、観察試料とその周辺温度を任意に設定した温度に制御することも可能である。

＜第三実施形態＞
第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを図４に示す。本実施形態は、第一実施形態の構成に熱源と温度コントローラーを付加した構成をしている。走査機構の構成と作用は第一実施形態と同様である。

走査機構の近くにヒーター１４が置かれ、ヒーター１４のＯＮ／ＯＦＦおよび温度設定はコントローラー１３により制御される。試料台９へのワックス塗布はヒーター１４上で行なわれる。ヒーター１４をＯＮにした状態で試料台９の下面にワックス１０を塗布し、ヒーター１４の上に置く。するとワックス１０は暖められ粘性が低くなる。このため試料台９を軽く押し付けるだけで余分なワックス１０は試料台９下面から外に押し出され、ワックスの厚さを薄くすることができる。この後、試料台９を圧電体３の上に置くとワックス１０は冷えて粘性が高くなるため、またワックス１０の厚さが薄いため、試料台９は強固に固定される。

＜第四実施形態＞
第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを図５に示す。本実施形態は、第一実施形態の構成に熱源と温度コントローラーを付加した構成をしている。走査機構の構成と作用は第一実施形態と同様である。

試料台９は保持具ヒーター１５を用いて着脱される。保持具ヒーター１５は例えばピンセットにヒーターが取り付けられたようなもので、試料台９をつかんで自在に移動させることができる。また、保持具ヒーター１５のＯＮ／ＯＦＦおよび温度設定はコントローラー１３により制御される。

試料台９を保持具ヒーター１５で保持し、圧電体３に固定する際に保持具ヒーター１５をＯＮするとワックスは暖められ粘性が低くなる。このため試料台９を軽く押し付けるだけで余分なワックスは試料台９下面から外に押し出され、ワックスの厚さを薄くすることができる。ここでヒーターの電源をＯＦＦする、または保持具ヒーター１５から試料台９を取り外すことでワックスは冷やされ、粘性は高くなり、試料台９は強固に固定される。また、試料台９を取り外すとき保持具ヒーター１５の電源をＯＮにし、試料台９を保持するとワックス１０の粘性が低くなるため、小さな力で試料台９をＺ圧電体から取り外すことができる。このため、Ｚ圧電体に無理な力をかけて破壊する心配がない。

＜第五実施形態＞
第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージを図６に示す。本実施形態は、第一実施形態の構成中の試料台が変更された構成をしている。走査機構の構成と作用は第一実施形態と同様である。

試料台１６は、その下面すなわち圧電体３に接合される面に溝１６ａを有している。このため、試料台１６を圧電体３の上面に取り付けた後、その面に沿って何回か滑らせると、余分なワックス１０が溝１６ａに入り、ワックス１０の厚さが薄くなる。このため、試料台１６は強固に固定される。また、試料台１６を取り外す際に、剥離材をワックス１０に与えると、溝１６ａに沿って剥離材が流れ、試料台１６の取り外しが容易になる。また、ワックス１０ではなく接着剤を用いた場合も同様な効果を得る。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージの平面図である。図１に示された走査型プローブ顕微鏡用走査ステージのII-II線に沿った断面図である。本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージの平面図である。本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージの平面図である。本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージの平面図である。本発明の第五実施形態の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージの平面図である。

符号の説明

１…固定台、２Ａ…圧電体、２Ｂ…圧電体、３…圧電体、４…可動部、５…固定部、６Ａ…ＸＹ弾性部材、６Ｂ…ＸＹ弾性部材、６Ｃ…ＸＹ弾性部材、６Ｄ…ＸＹ弾性部材、７Ａ…Ｚ弾性部材、７Ｂ…Ｚ弾性部材、７Ｃ…Ｚ弾性部材、７Ｄ…Ｚ弾性部材、８Ａ…押圧部、８Ｂ…押圧部、９…試料台、１０…ワックス、１１…樹脂材料、１２…ヒーター、１３…コントローラー、１４…ヒーター、１５…保持具ヒーター、１６…試料台、１６ａ…溝。

Claims

観察試料を保持する試料台と、
前記試料台をＸＹＺ方向に移動可能な走査機構とを備えており、前記試料台がワックスにより前記走査機構に固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査ステージ。
前記試料台を前記走査機構に着脱する際に前記試料台の近く熱源が置かれることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージ。
前記試料台は前記走査機構に接合される面に溝を有していることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査ステージ。