JP2007171021A - 走査プローブ装置及び走査プローブ装置用の駆動ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】 カウンター質量となる可動部の可動範囲を確保することができ、常に良好に慣性力を相殺し、支持体の振動、しかして試料又は探針の振動を抑制する。
【解決手段】 試料又は探針を駆動する駆動ステージにおいて、探針１又は試料保持台５０５を移動させるためのカウンター駆動素子５００と、該探針又は試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部５１５、５１０と、を有し、前記可動部は、前記カウンター駆動素子５００の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通常、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と呼ばれる技術を応用した試料の情報取得や試料の加工や情報記録などを行う走査プローブ装置に関する。

特許文献１には、走査動作に伴う振動の発生が抑えられた、これにより高精度な位置制御を高速で行える走査型プローブ顕微鏡用の走査機構が記載されている。

図６に示すように、走査機構２００は、駆動素子（アクチュエータ）の台座２０１、２０２と、この台座に設けられた駆動素子保持部材２０６，２０７を有している。更に、走査機構２００は、これらの保持部材に保持されたＹ方向に伸縮可能な駆動素子２０３と、駆動素子２０３の一端に固定されたＸ方向に伸縮可能な駆動素子２０４と、を有している。加えて、走査機構２００は、駆動素子２０４の一端に固定されたＺ方向に伸縮可能な駆動素子２０５と、駆動素子２０５の一端に設けられた試料ステージ２０８とを有している。駆動素子２０５はその中央付近が駆動素子２０４に接合されており、駆動素子２０４はその中央付近が駆動素子２０３に接合されており、駆動素子２０３はその中央付近が保持部材２０６，２０７によって保持されている。

特許文献２には、高速で走査を行っても振動の発生の少ない小型で軽量な駆動ステージを有し、高速に鮮明な像を取得できるＳＰＭが記載されている。

図７には、支持体９と、前記支持体９に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部５０５、５１５と、前記複数の可動部を駆動する２つの駆動素子５００、５１０からなる駆動ステージが示されている。このステージは、前記駆動素子の駆動時に、前記複数のそれぞれの可動部の生じる慣性力が互いに相殺する方向に可動部５０５、５１５を駆動する構成されている。この場合は駆動素子自体もＸＹＺの３方向に動くために、駆動素子も含めて可動部ということもできる。
特開２００２−０８２０３６号公報 特開２０００−０８８９８３号公報

図７に示したようなステージの場合には、外側の円筒状の圧電素子の上に試料保持台が設けられ、慣性力を相殺する方向に動く可動部である内側の円筒状の圧電素子は、外側の円筒状の圧電素子と試料保持台とで画成された内側空間内に設けられている。

従って、内側の圧電素子とカウンター質量の動く範囲が限定されてしまう。

特に、微小な試料を観察するためのＳＰＭでは、試料保持台を大きくする必要が無いため、装置をより小型化するには、試料保持台及び外側の圧電素子を小さくする必要があり、内側空間は更に小さくなる。

一方、探針を走査するステージとして、図７のステージの使用を試みた場合にも、外側の圧電素子を大きくする必要はないので、装置の小型化のためには、外側圧電素子を小さくする必要があり、この場合も内側空間は更に小さくなる。

そうすると、内側の圧電素子とカウンター質量の動く範囲はますます限定され、外側の圧電素子の動きに応じて生じる慣性力を打ち消すに充分な動きを、内側の圧電素子がなしえない恐れが生じる。

更に、ＳＰＭの一使用形態としては、観察乃至測定用の光を、ステージを通して、試料又は探針が設けられたカンチレバーに照射したいという要望も生じてきた。

本発明の目的は、慣性力を相殺する方向に動く駆動素子の可動範囲を従来より拡大できる走査プローブ装置及びその駆動ステージを提供することにある。

本発明の別の目的は、観察乃至測定用の光、配線などを圧電素子の中に通すことが可能な走査プローブ装置及びその駆動ステージを提供することにある。

本発明の第１の骨子は、探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置において、
前記探針は、該探針を保持する探針台と、該探針を移動させるための駆動素子と、を有する駆動ステージに設けられ、
前記探針台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部が、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする。

本発明の第２の骨子は、探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置において、
前記試料ステージは、試料保持台を移動させるための駆動素子を有し、
前記試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部が、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする。

本発明の第３の骨子は、探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置用の駆動ステージにおいて、
前記探針又は試料保持台を移動させるための駆動素子と、該探針又は試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部と、を有し、
前記可動部は、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする。

本発明においては、前記駆動素子及び前記可動部はそれぞれ電気機械変換体を有することが好ましいものである。

本発明においては、前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子を有することが好ましいものである。

本発明においては、前記ステージは、そこを光が通過する光路または配線を通す空間を有することが好ましいものである。

カウンター質量となる可動部の可動範囲を確保することができ、常に良好に慣性力を相殺し、支持体の振動、しかして試料又は探針の振動を抑制することができる。

本発明に用いられる走査プローブ装置としては、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）がある。

これは機械的探針（プローブ）を機械的に走査して試料表面の情報を得たり、試料の加工を行う走査型顕微鏡であって、ＳＴＭ、ＡＦＭ、ＭＦＭ、ＳＣａＭ、ＳＮＯＭ）、ＳＴｈＭなどの総称である。

ＳＴＭとは走査型トンネリング顕微鏡、ＡＦＭとは原子間力顕微鏡、ＭＦＭとは走査型磁気力顕微鏡、ＳＣａＭとは走査型電気容量顕微鏡、ＳＮＯＭとは走査型近接場光顕微鏡、ＳＴｈＭとは走査型熱顕微鏡の略称である。

走査型プローブ顕微鏡は、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て、モニターＴＶ上にマッピング表示することができる。また、ＳＮＯＭなどは機械的探針先端から発せられる光を被加工物に作用して微細加工を行ったり、光による情報記録を行ったりすることができる。さらには、試料表面に凹凸を形成するなどの、微細加工や情報記録を行うことができる。

このような走査型プローブ顕微鏡においては、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フィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。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。そしてこの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のＸ方向の走査周波数は０．０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０から１０００ラインである。またＺ方向の走査周波数はＸ走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画素数倍からその１００倍程度である。

例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。なお、この走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては今のところ最も高い走査周波数にあたり、多くの走査プローブ顕微鏡のＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。上述しような高い走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分白身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。

本発明の好適な実施形態は、探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置において、
（１）前記探針は、該探針を保持する探針台と、該探針を移動させるための駆動素子と、該探針台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部と、を有する駆動ステージに設けられ、
前記可動部は、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする。

或いは、（２）前記試料ステージは、試料保持台を移動させるための駆動素子と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部と、を有し、
前記可動部は、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする。

更には、上記（１）（２）の両方の構成を備えていてもよい。

本発明に用いることができる探針は、シリコンや窒化シリコンやタングステンやコバルトやカーボン繊維等が挙げられる。その形状や材質はＳＰＭの用途に応じて適宜選択される。

又、探針はシリコンや他の金属からなるカンチレバーに設けられ、カンチレバーの表面はアルミニウムやプラチナなどの金属で被覆されていてもよい。

本発明に用いられる駆動素子としては、圧電素子のような電気機械変換体が好ましく用いられる。圧電素子としては、円筒状や、積層型でありうる。少なくともカウンター質量を駆動する圧電素子としては、円筒状の素子が好ましく用いられる。

本発明に用いられる可動部とは、カウンター質量とそれを動かす電気機械変換体のような駆動素子との組み合わせ、又は、カウンター質量を兼ねた駆動素子そのものでありうる。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態による走査プローブ装置の駆動ステージの構成部品を説明するための模式図である。図２はその駆動ステージの断面図である。

本実施形態では、試料の駆動ステージではなく、探針の駆動ステージとして、実施形態１に示したような駆動ステージを用いている。

本実施形態では、試料保持台が内部に光を通す貫通孔を有する基台５０５に、探針１を有するカンチレバー２を保持するカンチレバー保持体３が接合して設けられている。

図３に本発明の一実施形態の駆動ステージの駆動方法を説明するための模式図である。

本ステージは、図３に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動素子が２つ同心円状に重なった構造をしている。第１の円筒形圧電素子５００の内側に第２の円筒形圧電素子５１０が同心円状に配置されている（図１では分解して表示）。第１の円筒形圧電素子５００の周囲には、４分割された電極５０１〜５０４が配置されており（ただし５０４は図１では裏側にあたるため不図示）、その上部にはカウンター質量５１５が接合されている（図１では分解して表示）。また、第２の円筒形圧電素子５１０の周囲には、４分割された電極５１１〜５１４が配置されており（ただし、５１４は図１では裏側にあたるため不図示）、上部には透明な試料保持台５０５が接合されている（図１では分解して表示）。第１、第２の円筒形圧電素子５００、５１０は、相対する電極（５０１と５０３、５０２と５０４、５１１と５１３、５１２と５１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。つまり、この圧電素子５００、５１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。それゆえ、圧電素子５１０の頂部に配置した試料保持台５０５と、圧電素子５００の頂部に配置したカウンター質量５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。

図中矢印に示すように、この駆動ステージの内部の光路を光が通過するこの光はカンチレバー先端付近のカンチレバー裏面（探針の設けられている面とは反対の面）で反射され、不図示の光学系を介して光センサに照射される。こうして、反射光の受光位置などを検出することでカンチレバーの変位、即ち探針の変位を測定することができる。

本実施形態によれば、ステージ中を測定用の光が通過するので、探針の変位測定用の光学系をコンパクトに装置本体に組み込むことができる。

以上のように構成された本実施形態では、常に外側の第１の円筒形圧電素子５００と内側の第２の円筒形圧電素子５１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動される。こうして、駆動ステージの重心移動はゼロであるか、無視し得る程度に小さく抑えられるので、２つの円筒形圧電素子を共通に指示するための支持体である基台６の振動が抑制される。よって、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。

詳しくは、カウンター質量を中心がくり抜かれた円盤状とし、これを動かす駆動素子を径の大きな円筒状として、探針を走査駆動する駆動素子の外側に配置したことにより、カウンター質量の可動範囲を確保することができる。こうして、常に良好に慣性力を相殺し、支持体の振動、しいては探針の振動を抑制することができる。

探針走査型の高分解能な走査プローブ顕微鏡の設計はノイズ除去の観点から非常に困難であるが、カウンター質量とそれを駆動する圧電素子を備えることで走査動作に伴う振動の発生を抑えられる。この場合、カンチレバーの変位をモニターするためのレーザーの光路を確保する必要があるため、カウンターピエゾを外側に配置する。これにより高精度な位置制御を高速で行える走査型プローブ顕微鏡用の走査機構が可能になる。

更に、ＳＰＭの一使用形態としてのＳＮＯＭの場合には、光ファイバープローブを圧電素子の中に通したい。この場合には、円筒形圧電素子の内部空間に光ファイバ（光路）を設けることが好ましい。また、探針を加熱及び／又は冷却するの素子を設けたり、探針に電圧を印加する機能を付加した場合には、円筒形圧電素子の空間中にその配線を通すことが好ましい。

（実施形態２）
図４は、本発明の一実施形態による走査プローブ装置の駆動ステージの構成部品を説明するための模式図である。

２つの円筒状の圧電素子からなる駆動素子の構造や動作は実施形態１と全く同様である。

６は光が透過する透過孔を有する支持体であり、そこに駆動素子５１０としての小径の円筒状の圧電素子が固定されて設けられる。試料保持台の駆動素子５１０の端部には光を透過する光透過性物質で形成された探針台又は試料保持台５０５（５０５は光透過性物質である必要はなく、中心に孔が空いたものであってもよい）が設けられ、探針台が探針を保持又は試料保持台が試料を保持できるように構成されている。

駆動素子は複数の電極５１１、５１２、５１３が設けられ、後述するように対向する電極間に電圧を印加すると円筒状の圧電素子が変位して、試料の走査駆動を行うことができる。

駆動素子５１０の外側には、カウンター質量５１５を動かすための大径の円筒状の圧電素子からなるカウンター駆動素子５００が支持体６に固定されて設けられる。この外側のカウンター駆動素子５００も複数の電極５０１、５０２、５０３を有しており、後述するように対向する電極間に電圧を印加すると円筒状の圧電素子が変位して、カウンター質量５１５の走査駆動を行うことができる。

それぞれの圧電素子は、特開２０００−０８８９８３号公報に記載されているように駆動される。

本発明の一実施形態の駆動ステージの駆動方法を説明するための模式図は図３と同じである。

本ステージは、図３に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動素子が２つ同心円状に重なった構造をしている。第１の円筒形圧電素子５００の内側に第２の円筒形圧電素子５１０が同心円状に配置されている（図４では分解して表示）。第１の円筒形圧電素子５００の周囲には、４分割された電極５０１〜５０４が配置されており（ただし５０４は図４では裏側にあたるため不図示）、その上部にはカウンター質量５１５が接合されている（図４では分解して表示）。また、第２の円筒形圧電素子５１０の周囲には、４分割された電極５１１〜５１４が配置されており（ただし、５１４は図４では裏側にあたるため不図示）、上部には透明な試料保持台５０５が接合されている（図４では分解して表示）。第１、第２の円筒形圧電素子５００、５１０は、相対する電極（５０１と５０３、５０２と５０４、５１１と５１３、５１２と５１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。つまり、この圧電素子５００、５１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。それゆえ、圧電素子５１０の頂部に配置した試料保持台５０５と、圧電素子５００の頂部に配置したカウンター質量５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。

この駆動ステージは上下を逆にして用いることもでき、その場合は、試料を試料保持台上に置くだけでよい。

また、図３に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子５００と内側の円筒形圧電素子５１０は、常に逆方向に駆動されることになる。基本的な駆動時の変形の様子は、特許文献２と同じである。図４において、内側の円筒形圧電素子５１０が、例えば左向きに曲がって下方に伸びる場合、外側の円筒形圧電素子５００は、右向きに曲がって上方に縮む。増幅器５２０〜５２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子５００と５１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されている。また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整する校正を施すことが望ましい。以上のように構成された本実施形態では、常に外側の第１の円筒形圧電素子５００と内側の第２の円筒形圧電素子５１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動される。こうして、駆動ステージの重心移動はゼロであるか、無視し得る程度に小さく抑えられるので、２つの円筒形圧電素子を共通に指示するための支持体である基台６の振動が抑制される。よって、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。

また、このステージの内部は図４に矢印で示すように光路または配線を通す空間が形成されており、探針走査型の走査プローブ顕微鏡においてスキャナを通してレーザーの光路が確保できる。また、試料又は探針に加熱・冷却の機能や電圧を印加できる機能を付加した場合にはそのための配線を円筒形の圧電素子内の空間に収めることができる。また、ＳＮＯＭの測定を行う場合には圧電素子の中に光ファイバープローブを通したり、試料からの蛍光や透過した光をステージを通して検出できる。

更にまた、走査プローブ装置の探針で試料を観察したり、加工したりする際に、可視光を用いて試料の状態を光学的に観察することもできる。この場合、イメージセンサを発光源側において、反射光を受光して撮像してもよいし、イメージセンサを発光源と試料を挟んで光学的に反対側において透過光を受光して撮像してもよい。

以上のとおり、カウンター質量を中心がくり抜かれた円盤状とし、これを動かす駆動素子を径の大きな円筒状として、試料を走査駆動する駆動素子の外側に配置したことにより、カウンター質量の可動範囲を確保することができる。こうして、常に良好に慣性力を相殺し、支持体の振動、しいては試料の振動を抑制することができる。

（実施形態３）
図５は第３の実施の形態による走査プローブ装置としての原子間力顕微鏡を示す。

１０は装置本体のフレーム、１１は試料観察用の可視光源とイメージセンサとを有する装置本体の凹部、１２は試料を走査する駆動ステージ、１３は観察ないし加工する対象となる試料、１４は光源を有する装置本体の駆動ステージ用凹部、１５は探針を走査する駆動ステージである。

１８は駆動回路と制御回路と検出回路と画像処理回路とを有する駆動制御回路である。

カンチレバーからの、探針の変位測定用の反射光を受光する受光部は周知の構成を採用することができるので、図示していない。

試料１３の走査ステージ１２として、実施形態１の駆動ステージを用いることができる。

或いは、探針１の走査ステージ１５として、実施形態２の駆動ステージを用いることもできる。

第１の実施形態による走査プローブ装置の駆動ステージの構成部品を説明するための模式図。 第１の実施形態による走査プローブ装置の駆動ステージの断面図である。 本発明に用いられる駆動ステージの駆動方法を説明するための模式図である。 第２の実施形態による走査プローブ装置の駆動ステージの構成部品を説明するための模式図。 第３の実施の形態による走査プローブ装置の模式図。 従来の走査ステージの斜視図。 走査ステージの動きを説明するための断面図。

符号の説明

１、１７ 探針
２、１６ カンチレバー
５００ カウンター駆動素子
５１０ 駆動素子
５０５ 試料保持台
５１５ カウンター質量

Claims (11)

1. 探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置において、
   前記探針は、該探針を保持する探針台と、該探針を移動させるための駆動素子と、を有する駆動ステージに設けられ、
   前記探針台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部が、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする走査プローブ装置。
2. 前記駆動素子及び前記可動部はそれぞれ電気機械変換体を有する請求項１記載の走査プローブ装置。
3. 前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなる請求項２記載の走査プローブ装置。
4. 前記駆動ステージは、光が通過する光路、又は、配線が設けられた空間のうち少なくともいずれか一方を内部に有する請求項１記載の走査プローブ装置。
5. 探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置において、
   前記試料ステージは、試料保持台を移動させるための駆動素子と、を有し、
   前記試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部が、
   前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴と
   する走査プローブ装置。
6. 前記駆動素子及び前記可動部はそれぞれ電気機械変換体を有する請求項５記載の走査プローブ装置。
7. 前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子を有する請求項６記載の走査プローブ装置。
8. 前記試料ステージは、光が通過する光路、又は、配線が設けられた空間のうち少なくともいずれか一方を内部に有する請求項５記載の走査プローブ装置。
9. 探針と、試料を保持する試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は試料の加工を行う走査プローブ装置用の駆動ステージにおいて、
   前記探針又は試料保持台を移動させるための駆動素子と、該探針又は試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部と、を有し、
   前記可動部は、前記駆動素子の外側に、該駆動素子を囲むように設けられていることを特徴とする駆動ステージ。
10. 前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなる請求項９記載の駆動ステージ。
11. 光が通過する光路、又は、配線が設けられた空間のうち少なくともいずれか一方を内部に有する請求項９記載の駆動ステージ。

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