JP2006329858A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 慣性駆動ステージの上盤の振動を減衰させ、走査型プローブ顕微鏡像の原子像観察が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 少なくとも１つの探針を用い、複数の探針を用いる場合にはそれぞれの探針を独立に動かして試料表面の観察及び分析を行なう走査型プローブ顕微鏡において、
慣性駆動ステージの基盤１側に上盤７が押し付けられるように、前記基盤１及び上盤７の周りにリング状制振材８を巻回する。このように構成すれば、慣性駆動ステージの上盤７の振動を減衰させ、ＳＰＭ像の原子像観察が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、更に詳しくは試料表面の観察及び分析を行なう走査型プローブ顕微鏡及び探針を独立に動かすマルチプローブ等に使用される走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、探針を試料に数ｎｍ程度近づけ、試料上で探針を走査して試料像を得る装置であり、非常に高い分解能がある。ＳＰＭは探針又は試料をマイクロメータ（μｍ）以下の精度で移動させることが必要であり、ネジ及びテコを利用したモータ駆動の移動機構や慣性駆動方式と呼ばれるよりコンパクトな移動機構が使用されている。

特に、最近では多探針ＳＰＭと呼ばれる２個以上の探針を独立に動かす装置が開発されてきており、コンパクトな慣性駆動方式の移動機構（慣性駆動ステージ）は、多探針ＳＰＭには必要不可欠になっている。図５は従来装置の構成例を示す図であり、従来の慣性駆動ステージ（１軸）の基本構造を示した図である。（ａ）はＸ軸方向から見た図、（ｂ）はＹ方向から見た図である。（ａ）と（ｂ）は向きが９０度違った方向から見ている。

図において、１は基盤であり、該基盤１にはＸ方向に伸びる溝２があり、片方の溝はＹ方向にずれないようにＶ字型溝になっている。もう一方の溝２は、Ｖ字型の溝と相まって全体として滑らかな移動を実現するため、凹字型の溝となっている。溝２の上側には、凹状のサファイアやアルミナ或いは超硬合金等の硬いものでできた滑り部材３が取り付けられている。その表面は鏡面研磨されている。

７は上盤であり、該上盤７には圧電素子５が装着されており、更に該圧電素子５には、ルビーやサファイヤ或いは超硬合金等の硬いものでできた球４が接着されている。そして図のように、球４は滑り部材３の上に置かれている。（ｂ）のように圧電素子５及び球４はＸ方向にそれぞれ３組ずつで構成されている。即ち、図５の（ａ）に示すＶ字型の溝を持つ移動機構と、凹型の溝を持つ移動機構とが、（ｂ）に示すように、それぞれＸ軸方向に３個設けられている。基盤１には永久磁石６が取り付けられており、上盤７は磁性体でできており、永久磁石６により基盤１に引き寄せられている。

その動作は図示しないピエゾ素子駆動用の電源により、のこぎり歯状の電圧を圧電素子５に印加することにより、Ｘ方向に上盤７を移動させることができる。波形を変えることにより、Ｘ方向のプラス側にもマイナス側にも移動できる。この図に示す機構は１軸の場合であり、ＳＰＭに使用するには、２軸以上必要であり、２個以上を組み合わせて使用する。

従来のこの種の装置としては、固定ステージと可動ステージを有し、シェアー型ピエゾ素子を可動ステージの駆動に用いる移動ステージにおいて、固定ステージと可動ステージが接触するように固定ステージと可動ステージの間に引力を与えるようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−２７１８５６号公報（段落０００７、図１）

前述した従来の装置では、永久磁石６で引き寄せることにより、上盤７は基盤１に押し付けられているが、慣性駆動ステージの上盤７の振動の減衰を行う構成を有しないために上盤７は振動に弱く、ＳＰＭ像のノイズの原因になり、原子分解能の像を得ることは難しい状況にある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、慣性駆動ステージの上盤の振動を減衰させ、ＳＰＭ像の原子像観察が可能なＳＰＭを提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、少なくとも１つの探針を用い、複数の探針を用いる場合にはそれぞれの探針を独立に動かして試料表面の観察及び分析を行なう走査型プローブ顕微鏡において、慣性駆動ステージの基盤側に上盤が押し付けられるように、前記基盤及び上盤の周りにリング状制振材が巻回されていることを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記リング状制振材としてゴム製のＯリングを用いたことを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記基盤及び上盤から前記リング状制振材が外れないように、前記基盤及び上盤の少なくとも何れか一方に、前記リング状制振材の動きを規制するガイドを設けたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、基盤及び上盤の周りにリング状制振材が巻回されており、上盤が基盤に対して相対的に移動するには、リング状制振材が伸縮することになり、上盤の振動を減衰させることが可能となり、ＳＰＭ像の原子像観察が可能となる。
（２）請求項２記載の発明によれば、リング状制振材としてゴム製のＯリングを用いることにより、振動を減衰させることができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、リング状制振材が慣性駆動ステージの基盤や上盤から外れないようにすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。図において、（ａ）はＸ方向から見た図、（ｂ）Ｙ方向から見た図である。（ａ）と（ｂ）は９０度別の方向から見ている。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、８は上盤７と基盤１の周りに巻回されたリング状制振材である。このリング状制振材８はその伸縮により基盤１に対する上盤７の相対的な振動を制振させる作用をもつ。（ｂ）に示したように、基盤１と上盤７とが合わさったユニットの周りにリング状制振材８が巻き付けられている。このリング状制振材８は、基盤１と上盤７を合わせたユニットの外径（外周の長さ）よりも小さい内径（長さ）を有しており、装着時には、伸長状態にあり、基盤１に上盤７を押し付けている。

リング状制振材８の材料としては、ゴム、高分子系やエストラマー系のものが用いられる。リング状制振材８の具体例としては、バイトンＯリング（デュポン社の登録商標）を挙げることができる。このバイトンＯリングは、制振作用を有するだけでなく、良好な弾性を有しており、基盤１に上盤７をしっかり押圧させることができる。なお、リング状制振材８としては、バイトンＯリングに限るものではなく、その他のゴム製Ｏリングを使用することもできる。リング状制振材８の断面形状も円形に限らず、矩形等のものを使用してもよい。更に、ひも状制振材を結んでリング状制振材８として用いてよい。リング状制振材８の巻回も、１ターンに限らず、複数ターン巻くようにしてもよい。また、リング状制振材８の配置数は１個でもよいが、バランス的には（ｂ）に示すように両端に２個取り付けるのが望ましい。なお、締付け力の高いリング状制振材８を用いることで、場合によっては磁石６（図５参照）は不要となる場合もある。

このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。図示していないピエゾ素子駆動用の電源により、のこぎり歯状の電圧を圧電素子５に印加することにより、Ｘ方向に上盤７を移動させることができる。この場合において、波形を変えることにより、Ｘ方向のプラス側にもマイナス側にも移動することができる。基盤１と上盤７は、リング状制振材８に巻かれているので、振動を減衰でき、このステージを３個組み合わせた３軸移動可能なＳＰＭにおいても原子分解能で像観察が可能である。

以上、詳細に説明したように、この実施の形態例によれば、慣性駆動ステージの基盤１及び上盤７をリング状制振材８で巻いたので、振動を減衰させることが可能となり、ＳＰＭ像の原子像観察が可能となる。
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、ガイド９は、上盤７に設けられリング状制振材８の移動を規制するガイドである。このようにすれば、リング状制振材８が基盤１及び上盤７から外れない。

なお、ガイド９は上盤７ではなく、基盤１側に設けるようにすることもできる。
（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態例を示す構成図である。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す実施の形態例は、図２で示したガイド９の代わりにガイド溝１０を設けたものである。図では、上盤７にガイド溝１０設けた場合を例にとっているが、基盤１側に設けてもよい。この実施の形態例では、図２に示すようなガイドによる出っ張りがないので、コンパクトな装置を作ることができる。
（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態例を示す構成図で、本発明を多探針走査型プローブ顕微鏡に適用させた例を示す図である。この実施の形態例は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の３軸移動機構を示したものである。図において、１１は基台、１２は該基台１１上に載置された試料ホルダ、１３は該試料ホルダ１２に載置された試料である。１４はＸ方向移動ステージ、１５はＹ方向移動ステージ、１６はＺ方向移動ステージである。１７は各移動ステージに設けられたピエゾスキャナ、１８は探針、１９は探針１８からの信号を受信して処理するＳＰＭユニットである。

慣性駆動ステージが下からそれぞれＸ方向（Ｘ方向移動ステージ１４），Ｙ方向（Ｙ方向移動ステージ１５），Ｚ方向（Ｚ方向移動ステージ１６）に移動できるように取り付けられている。Ｚ方向移動ステージ１６には、ピエゾスキャナ１７が取り付けられており、ピエゾスキャナ１７の先端には探針１８が取り付けられている。Ｘ方向移動ステージ１４，Ｙ方向移動ステージ１５，Ｚ方向移動ステージ１６には、上記リング状制振材８と同様なリング状制振材２０は装着されている。

更に、基台１１には、試料ホルダ１２が取り付けられており、試料ホルダ１２には試料１３が固定されている。図ではＸ・Ｙ・Ｚ方向移動ステージ１４〜１６，ピエゾスキャナ１７，探針１８を組み合わせた探針ユニットは２個しか示されていないが、もっと数を増やすことも可能である。最近は４組使用するＳＰＭが主流となっている。

このように構成された装置において、Ｘ・Ｙ・Ｚ方向移動ステージ１４〜１６を動作させて、探針１８を用いて試料１３表面上を走査し、ＳＰＭ像を観察するが、本発明の移動機構（ステージ）は、リング状制振材が設けられているため、振動に強く、また振動を減衰させる効果があり、安定な原子像を得ることが可能である。また、例えば４本の探針を試料上の任意の位置に接触固定させ、一般的に行われている４端子法による電気計測も可能である。

以上、説明した効果を列挙すれば、以下の通りである。
１）慣性駆動ステージの基盤と上盤をリング状制振材で巻いたことにより、振動を減衰させる効果があり、ＳＰＭの原子像観察が可能になる。
２）慣性駆動ステージの基盤又は上盤にリング状制振材用のガイドを設けることにより、リンク状制振材が抜け落ちることがなく、より安定に動作が可能となる。
３）慣性駆動ステージの基盤又は上盤にリング状制振材用のガイド溝を設けることにより、リング状制振材が抜け落ちることがなく、より安定に動作可能となる。また、構造をよりコンパクトにでき、ステージを組み合わせるのが容易になる。

本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態例を示す構成図である。 従来装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 基盤
７ 上盤
８ リング状制振材

Claims (3)

1. 少なくとも１つの探針を用い、複数の探針を用いる場合にはそれぞれの探針を独立に動かして試料表面の観察及び分析を行なう走査型プローブ顕微鏡において、
   慣性駆動ステージの基盤側に上盤が押し付けられるように、前記基盤及び上盤の周りにリング状制振材が巻回されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記リング状制振材としてゴム製のＯリングを用いたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記基盤及び上盤から前記リング状制振材が外れないように、前記基盤及び上盤の少なくとも何れか一方に、前記リング状制振材の動きを規制するガイドを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。

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