JP2007147421A

JP2007147421A - 走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造

Info

Publication number: JP2007147421A
Application number: JP2005341464A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Taneda; 裕介種子田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】
走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造について、そのＺ方向の変位量を犠牲にすることなく、高い共振周波数を有する高精度な位置制御を高速で行えるようにすること。
【解決手段】
走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造について、試料面の情報を得るためのプローブと、該プローブを振動させる手段とを、Ｚ方向に走査させる円筒型圧電素子に接続するための支持部材が該円筒型圧電素子の内側に窪んだキャップ状の構造となっており、上記円筒型圧電素子の内部に上記プローブと、該プローブを振動させる手段とを存在させていること。
【選択図】図３

Description

この発明は走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造に関するものであり、走査型プローブ顕微鏡の技術を応用した試料観察、加工や情報記録などを行う装置に利用することができるものである。

本発明と関連する従来技術として、特開２００２−８２０３６号公報に記載されている発明（ＰＺＴの中央付近を把持することにより、ＰＺＴプローブを把持部分に力を及ばないようにし、共振による振幅の増大を防ぐもの）、特開２００３−３１５２３９号公報に記載されているもの（ＸＹ軸スキャナとは独立して駆動するＺ軸スキャナ用のＰＺＴ（ピエゾ素子）を連結してＺ軸に高い共振周波数を持たせるもの）がある。

ところで、物質表面の表面形状等の測定を行う際、光学顕微鏡では回折限界のため、その分解能は使用する光の波長もしくはその半分程度に留まってしまうことが知られている。他方、近年の科学技術の進歩に伴い、例えば、半導体等の微細形状を有する製品の検査や、ＤＮＡ等の生体組織の測定に要求される分解能は、ｎｍオーダーになっている。このｎｍオーダーの測定を可能にするものとして、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プローブ顕微鏡(ＳＰＭ)が広く知られている。走査型プローブ顕微鏡
には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などがある。

これらナノメートル（ｎｍ）オーダーの測定が可能な顕微鏡のうち、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が被測定物の表面形状しか測定できないのに対して、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）はその光学特性、更には物質の組成分析も行うことができる利点があるため、現在注目されている。
このような走査型プローブ顕微鏡においては、ＸＹ方向走査の間、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Ｚ方向の移動を担う走査機構（スキャナ）を動かしている。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。

特に近年では、使い勝手等を含めて高精度、高速走査のニーズが多くなっていることから、スキャナの走査周波数の向上が求められている。
高い走査周波数を実現するには、構造体が高い共振周波数を有していることが必要であり、走査型プローブ顕微鏡のスキャナには、上記の特開２００２−８２０３６号公報（特許文献１）や特開２００３−３１５２３９号公報（特許文献２）に開示されているように円筒型圧電素子や積層型圧電素子を組合せてたり、小型化を行ったりして高帯域化を図っている。
特開２００２−８２０３６号公報特開２００３−３１５２３９号公報

しかし、Ｚ方向の走査（スキャナ）に関しては、Ｚ方向変位量が単純に圧電素子の長さに依存しているために、圧電素子を短くすることができず、そのため共振周波数が上げられないという問題があり、上記特許文献１，２に記載されている発明ではこの問題は解決されていない。
特にチューニングフォークと光ファイバーを用いた走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）では、チューニングフォーク（例えば液晶振動子によるもの）の長さがそのままＺ軸のスキャナに加わるために共振周波数が非常に低くなってしまうという問題がある。

そこで本発明の目的は、以上の問題認識に基づき、走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造について、そのＺ方向の変位量を犠牲にすることなく、高い共振周波数を有する高精度な位置制御を高速で行えるようにすることである。

上記課題を解決するための手段は、走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造について、
（イ）試料面の情報を得るためのプローブと、該プローブを振動させる手段とを、Ｚ方向に走査させる円筒型圧電素子に接続するための支持部材が該円筒型圧電素子の内側に窪んだキャップ状の構造となっており、
（ロ）上記円筒型圧電素子の内部に上記プローブと、該プローブを振動させる手段とを存在させていることである。

〔実施の態様〕
（１）そして、解決手段における上記円筒型圧電素子の内径は、前記支持部材の前記円筒型圧電素子の内側に窪んだ部分の外径とほぼ同じである（請求項２に対応）。
（２）解決手段又は上記（１）の実施の態様における上記支持部材はヤング率／密度の比が高い材料で構成されている（請求項３に対応）。
（３）解決手段、上記（１）又（２）の上記支持部材と前記円筒型圧電素子の結合は、該円筒型圧電素子の接合表面に金属を蒸着して金属薄膜を形成し、その面に前記支持部材を接合した構成である（請求項４に対応）。
（４）解決手段、上記（１）又（２）の上記プローブは光源から発せられる光の波長よりも小さい開口を有する光ファイバー型プローブであり、当該プローブを振動させる手段はチューニングフォーク型振動子を用いる（請求項５に対応）。

（１）請求項1の発明の効果
試料面の情報を得るためのプローブと、該プローブを振動させる手段とを、Ｚ方向に走査させる円筒型圧電素子に接続するための支持部材が該円筒型圧電素子の内側に窪んだキャップ状の構造となっており、上記円筒型圧電素子の内部に該プローブと、該プローブを振動させる手段とが存在しているので、走査型近接場光顕微鏡用スキャナの固定面からプローブまでの距離を可能な限り縮めた構成となる。したがって、走査型近接場光顕微鏡用スキャナの固定面からプローブまでの距離を可能な限り縮めた構成によって高い共振周波数を確保することができ、Ｚ方向の変位量を犠牲にすることなく、高い共振周波数を有する高精度な位置制御を高速で行えるようにすることができる。それゆえ、高精度な位置制御を高速で行える走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造が構成される。

（２）請求項２の発明の効果
スキャナ全体を小型化することができ、請求項１の発明の効果をさらに高めることができる。
（３）請求項３の発明の効果
支持部材に高い共振周波数を確保することができるので、スキャナ構造全体としても高い共振周波数を確保することができ、請求項１，２の発明の効果をさらに高めることができる。
（４）請求項４の発明の効果
局部加熱を用いないのでセラミックスの熱歪みによる残留応力がなく、したがって割れが生じ難く、加工コストが安い。また、金属とセラミックスの接続部が強固になるため、通常行われる接着剤等の弾性材を用いる場合よりも高い共振周波数を確保することができ、請求項１乃至３の発明の効果をさらに高めることができる。
（５）請求項５の発明の効果
請求項１乃至４の発明の効果を最も顕著に奏する走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造を実現できる。

１．実施例
図１に従来の走査型近接場光顕微鏡の全体構成を示し、図２に本発明の走査型近接場光顕微鏡のスキャナ構造を示し、図３に本発明の走査型近接場光顕微鏡の全体構成を示しているので、まず図１を参照しつつ、走査型近接場光顕微鏡の全体構成を説明する。
光源１から照射されたレーザーはレンズ７を用いて光ファイバー２ａ内に集光され、カプラー３および光ファイバー２ｂ内を通り、加振用振動子１４上に固定されていて波長以下の開口を持つプローブ４の先端で近接場光が発生する。
一般に知られている通り、この近接場光は開口径とほぼ同じだけの距離内に存在する非伝播光であり、通常は観察されない。しかし、ＸＹ走査ステージ６上に載置された試料５をこの近接場光領域に接触させると、近接場光が散乱され伝播光に変換される。この散乱光が再びプローブ４を通って光ファイバー２ｂ、カプラー３と伝幡し、光ファイバー２ｃ端面から出射され、フォトマルチプライヤ（ＰＭＴ）９によって検知される。この検知された光の強度や周波数スペクトルに応じて、例えばその表面形状や試料の構造、組成を測定することができる。

そして、プローブ４と試料５間のＺ軸距離制御は原子間力を利用して行う。例えば加振用振動子１４を用いてプローブ４を振動させた状態で試料に近付けるとシアフォースによってその振幅が減少することから、その情報を検知することでプローブ４の周波数もしくは位相、振幅等を取得し、制御コントローラ８を用いてプローブ４と試料５間のＺ軸距離を一定に保つようにＺ軸スキャナ１２Ａを位置制御する。
この状態で試料５をプローブ４に対してＸＹ走査ステージ６によりＸＹ方向に走査することで測定することができる。

このようなプローブ４の位置制御、近接場光発生および散乱光の検出・解析を、ホストＰＣ１０を用いて統括的にコントロールすることで、平面領域内での試料５のデータが得られ、これを例えばＰＣの画面上に３次元的に表示することも可能である。
上記構成で用いられているＺ軸スキャナ１２Ａは、円筒型圧電素子や積層型圧電素子を用いた構成が広く採用されている。これらの中には分割電極を用いてＸＹ方向にも首振り運動を行うことによって走査するＸＹＺ軸スキャナも存在するが、これは圧電素子の全長を長くする必要があるため共振周波数が低くなり走査スピードが低下するので、本発明ではＺ方向のみの構成で説明する。

〔第一形態〕
次に図２を参照して、本発明の第一形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造を説明する。この第一形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナは、筺体等へ取り付けるための取り付け部材１１の下面にＺ方向に走査させる円筒型圧電素子１２が固定されている。また、支持部材１３は円筒型圧電素子１２の内側に窪んだ構造になっており、その窪んだ部分（円筒部分）１３ａが円筒型圧電素子１２に挿入され、円筒型圧電素子１２の下端にフランジ部分１３ｂが固定されている。そして、支持部材１３の窪んだ部分（円筒状部分）１３ａに加振用振動子１４が挿入されて着脱自在にに取り付けられるようになっており、この加振用振動子１４にプローブ４が固定されている。

上記円筒型圧電素子１２は円筒形状の圧電体と、その内側周面と外側周面に設けられた一対のＺ軸駆動電極を備えている。しかしながら必ずしも圧電素子は円筒型圧電素子である必要もなく、積層型圧電素子にＺ方向に伸びる貫通穴を設けて中空にしたものを用いることもできる。
また円筒型圧電素子１２は初期状態において制御コントローラ８から一定のバイアス電圧が印加されている。円筒型圧電素子１２に印加される電圧が変更されると、円筒型圧電素子１２に印加されている電圧とバイアス電圧との差の極性に応じて、円筒型圧電素子１２が伸縮し、円筒型圧電素子１２がＺ方向に変位される。その結果、プローブ４がＺ方向に変位すなわち走査される。
加振用振動子１４には、例えば水晶振動子を用いたチューニングフォークが用いられ、その振動する先端部分にプローブ４を接着して固定されている。

一般的に片側を固定された構造体の固有振動数ｆは、固定端から自由端の先端までの長さをＬ、使用する材質の密度をρ、使用する材質のヤング率をＥとすると、下記のように表される。

f=1/4L×（E/ρ）0.5 ・・・式（1）

そのため第一形態のようにすることで、円筒型圧電素子１２に支持部材１３の窪んだ部分（円筒状部分）１３ａが挿入することにより固定面（円筒状阻止１２の取り付け部材１１への固定面）からプローブまでの距離Ｌを可能な限り縮めた構成となるので、上記距離Ｌが縮められる分だけ高い共振周波数を確保することができる。

〔第二形態〕
次に、図４を参照して、本発明の第二形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造を説明する。この第二形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造では、円筒型圧電素子１２の内径を支持部材１３の円筒型圧電素子１２の内側に窪んだ部分の外径とほぼ同程度まで小さくしている。ただし、Ｚ方向に伸びる円筒型圧電素子１２の内径方向への変移を阻害しない程度に円筒型圧電素子１２の内径と支持部材１３の上記外径との間にクリアランスを保つ必要がある。通常の走査型近接場光顕微鏡用スキャナでは、上記変移は数μｍ程度のストロークであるため、部材の機械精度、接合精度を考慮しても上記クリアランスは数十〜数百μｍ確保できれば問題がない。
他方、本発明によれば、円筒型圧電素子１２自体の共振周波数とストロークは全長が一定であれば直径には依存しないため、円筒型圧電素子１２の内径を小さくすることができる。そして、円筒型圧電素子１２の内径を小さくすることで、円筒型圧電素子１２の外径を小さくできることから、スキャナ全体の小型化が図られ、小型で高い共振周波数のものを確保できる。

〔第三形態〕
次に、本発明の第三形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造を説明する。この第三形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造では、支持部材１３にヤング率／密度の比が高い材料で構成されており、このことによって、より高い共振周波数を確保できる（式（１）参照）。なお、ヤング率／密度の比が高いとは、好ましくは２．５×１０^１１ｃｍ^２／ｓｅｃ^２以上であることである。そして、４×１０^１０ｃｍ^２／ｓｅｃ^２以下ではほとんど効果はない。このヤング率／密度の比が高い好適な材料としては、例えばステンレスやセラミックスがある。またセラミックスであれば加工性の観点からマシナブルセラミックスが好ましい。

さらに、図５を参照して、本発明の第四形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造を説明する。この第四形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造では、支持部材１３と円筒型圧電素子１２の結合に、円筒型圧電素子１２の接合表面１５に金属を蒸着して金属薄膜１６を形成し、その面に支持部材１３を接合する構成としている。より詳しくは、セラミックス焼結体の接合面にイオンプレーティングにより、アルミニウム、チタン、ニッケル等の金属を真空蒸着によって金属薄膜１６を形成し、その面に接合する固形金属を重ね、両材料を拘束し、１０^３Ｐａ以下の真空環境で、固形金属の融点以上での濡れが良くなりかけた温度で加熱し、拡散接合を行うものである。この方法を用いることで、局部加熱を用いないためセラミックスの応力がなく、割れが生じ難く、加工コストが安い。また、金属とセラミックスの接続部が強固になるため、通常行われる接着剤等の弾性材を用いる場合よりも高い共振周波数を確保できる。

は、従来の走査型近接場光顕微鏡の全体構成の説明図である。は、本発明の第一形態の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造を示す要部拡大断面図である。は、本発明の走査型近接場光顕微鏡の全体構成の説明図である。は、第二形態の説明図である。は、第四形態の説明図である。

符号の説明

１：光源
２ａ，２ｂ，２ｃ：光ファイバー
３：カプラー
４：プローブ
５：試料
６：ＸＹ走査ステージ
８：制御コントローラ
９：フォトマルチプライヤ（ＰＭＴ）
１０：ホストＰＣ
１１：取り付け部材
１２：円筒型圧電素子
１２Ａ：Ｚ軸スキャナ
１３：支持部材
１４：加振用振動子
１５：接合表面
１６：金属薄膜

Claims

試料面の情報を得るためのプローブと、該プローブを振動させる手段とを、Ｚ方向に走査させる円筒型圧電素子に接続するための支持部材が該円筒型圧電素子の内側に窪んだキャップ状の構造となっており、上記円筒型圧電素子の内部に上記プローブと、該プローブを振動させる手段とが存在する、走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造。
前記円筒型圧電素子の内径が、前記支持部材の前記円筒型圧電素子の内側に窪んだ部分の外径とほぼ同じである請求項１の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造。
前記支持部材はヤング率／密度の比が高い材料で構成されている請求項１，２の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造。
前記支持部材と前記円筒型圧電素子の結合は、該円筒型圧電素子の接合表面に金属を蒸着して金属薄膜を形成し、その面に前記支持部材を接合した構成である請求項１乃至３の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造。
前記プローブは光源から発せられる光の波長よりも小さい開口を有する光ファイバー型プローブであり、前記プローブを振動させる手段はチューニングフォーク型振動子を用いた請求項１乃至３の走査型近接場光顕微鏡用スキャナ構造。