JP2007309903A - 走査型プローブ顕微鏡用走査機構および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質なＡＦＭ像を取得できる走査型プローブ顕微鏡用走査機構を提供する。
【解決手段】走査機構は、可動部１２４とＸＹ弾性部材とＺ弾性部材１２７Ａと１２７Ｂと固定部１２５とからなるＸＹステージと、可動部１２４をＸ方向に移動させるＸアクチュエーター１２２Ａと、可動部１２４をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーター１２３と、Ｚアクチュエーター１２３の中央部を保持している保持部材１３０と、Ｚアクチュエーター１２３の下側の自由端に固定された試料台１３１と、Ｚアクチュエーター１２３の上側の自由端に固定されたセンサーターゲット１３２と、センサーターゲット１３２の変位を検出する変位センサー１１４とを有している。保持部材１３０は可動部１２４に固定されている。センサーターゲット１３２は試料台１３１とほぼ同等の重さを有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

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）などを包含している。最近では、試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつけて圧痕をつけ、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などもこのＳＰＭの一つと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。

最近では、例えば特開２００１−３３０４２５号公報で提案されているような、液体中の生きた生物試料の動く様子を観察可能な生体動画観察用ＡＦＭが注目を集めている。この生体動画観察用ＡＦＭは、１枚の画像を取得するのに要する時間は遅くとも１秒以下であり、従来の生体用ＡＦＭが１枚の画像を取得するのに数分〜数十分要したことを考えると、比較にならないほど高速であることが分かる。

一方で、走査機構に使用されるアクチュエーターは一般的に圧電体である。圧電体は高速で高分解能で高発生力という特徴をもつが、印加電圧と出力変位の関係が線形ではなく、ヒステリシスを持つという問題がある。この問題解決のために例えば特開平７−７２９２８号公報が提案されている。
特開２００１−３３０４２５号公報 特開平７−７２９２８号公報

高速に動作可能な走査機構を得るためにはアクチュエーターや構成部品の小型軽量化が必須である。小型で大きな変位を得れる積層型圧電素子をアクチュエーターとして用いる場合はヒステリシスが大きい傾向があることや、アクチュエーターが高速に動作するほどその慣性力は大きくなり、ベース部材に不要な振動を生じるなど、観察像を劣化させる問題がある。積層型圧電素子あるいは圧電素子の他にボイスコイル式アクチュエーターを用いることもできる。この場合、ボイスコイルが小型になるほど印加する駆動電流の位相に対して変位の位相遅れが大きく生じる傾向がある。結果、圧電素子を用いてヒステリシスが大きい場合と同様の問題を生じる。

本発明の目的は、より正確で高品質なＡＦＭ像を取得できる走査型プローブ顕微鏡用走査機構を提供することである。

本発明の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、固定部と、可動部と、前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーターと、前記Ｚアクチュエーターの中央部を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、前記Ｚアクチュエーターの一方の自由端に固定された試料台と、前記Ｚアクチュエーターの他方の自由端に固定されたセンサーターゲットであり、前記試料台とほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーとを備えている。

本発明の別の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、固定部と、可動部と、前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーターと、前記Ｚアクチュエーターの中央部を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、前記Ｚアクチュエーターの一方の自由端に固定されたカンチレバー取り付け部と、前記Ｚアクチュエーターの他方の自由端に固定されたセンサーターゲットであり、カンチレバー取り付け部およびこれに取り付けられたカンチレバーとほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーとを備えている。

本発明のまた別の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、固定部と、可動部と、前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、Ｚ方向に変位しうる二本のＺアクチュエーターと、前記Ｚアクチュエーターのそれぞれの一端を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、一方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定された試料台と、他方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定されたセンサーターゲットであり、前記試料台とほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーと、前記試料台と前記センサーターゲットとが互いに逆向きで同一変位量になるように前記Ｚアクチュエーターを駆動する駆動部とを備えている。

本発明のさらに別の走査型プローブ顕微鏡用走査機構は、固定部と、可動部と、前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、Ｚ方向に変位しうる二本のＺアクチュエーターと、前記Ｚアクチュエーターのそれぞれの一端を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、一方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定されたカンチレバー取り付け部と、他方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定されたセンサーターゲットであり、カンチレバー取り付け部およびこれに取り付けられたカンチレバーとほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーと、前記カンチレバー取り付け部と前記センサーターゲットとが互いに逆向きで同一変位量になるように前記Ｚアクチュエーターを駆動する駆動部とを備えている。

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記のいずれかの走査型プローブ顕微鏡用走査機構を備えている。

本発明によれば、より正確で高品質なＡＦＭ像を取得できる走査型プローブ顕微鏡用走査機構が提供される。

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＞
本実施形態は試料走査型の走査型プローブ顕微鏡である。図１は、本発明の第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。図２は、図１に示されたステージを下方から見た平面図である。図３は、図２に示されたステージのIII−III線に沿った断面を示している。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、図１に示されるように、自由端に探針を持つカンチレバー１０１と、カンチレバー１０１を励振する振動子１０２と、対物レンズ１０３を通してカンチレバー１０１の変位を光学的に検出するカンチレバー変位センサー１０４と、観察試料を保持する試料台１３１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査機構１１０と、観察試料の画像を生成する画像生成用コントローラ１４０と、生成された画像を表示する表示装置１５０とを有している。

走査機構１１０は、観察試料を移動可能に保持するステージ１２０を含んでいる。図２と図３に示されるように、ステージ１２０は、可動部１２４とＸＹ弾性部材１２６Ａと１２６Ｂと１２６Ｃと１２６ＤとＺ弾性部材１２７Ａと１２７Ｂと１２７Ｃと１２７Ｄと固定部１２５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１２１と、可動部１２４をＸ方向に移動させるＸアクチュエーター１２２Ａと、可動部１２４をＹ方向に移動させるＹアクチュエーター１２２Ｂとを有している。

ＸＹステージの固定部１２５が固定台１２１の中に接着またはねじ締結によって固定されている。可動部１２４は、Ｚ弾性部材１２７Ａ〜１２７Ｄにより固定部１２５と接続されている。Ｚ弾性部材１２７Ａ〜１２７Ｄの配置位置は可動部１２４の中心からほぼ等距離であり、可動部１２４の重心は可動部１２４のほぼ中心に位置している。可動部１２４は、ＸＹ弾性部材１２６Ａ〜１２６Ｄにより固定部１２５と接続されている。ＸＹ弾性部材１２６Ａ〜１２６Ｄ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１２６Ａと１２６ＣはＸ軸上に配置され、ＸＹ弾性部材１２６Ｂと１２６ＤはＹ軸上に配置されている。また、ＸＹ弾性部材１２６ＡにはＸ方向駆動用のＸアクチュエーター１２２Ａを当接させる押圧部１２８Ａが設けられており、ＸＹ弾性部材１２６ＢにはＹ方向駆動用のＹアクチュエーター１２２Ｂを当接させる押圧部１２８Ｂが設けられている。

ＸＹ弾性部材１２６Ａ〜１２６ＤはＸ方向とＹ方向に変形しやすい。Ｚ弾性部材１２７Ａ〜１２７ＤはＸ方向とＹ方向には変形しやすいがＺ方向には変形しにくい。従って、ＸＹ弾性部材１２６Ａ〜１２６ＤとＺ弾性部材１２７Ａ〜１２７Ｄは、可動部１２４が固定部１２５に対してＸ方向とＹ方向に移動しうるように、可動部１２４と固定部１２５を連結している。

可動部１２４とＸＹ弾性部材１２６Ａ〜１２６ＤとＺ弾性部材１２７Ａ〜１２７Ｄと固定部１２５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１２１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Ｘアクチュエーター１２２Ａの一端は押圧部１２８Ａに当接しており、他端は固定台１２１に固定されている。Ｘアクチュエーター１２２Ａ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、Ｘアクチュエーター１２２Ａの中心線は可動部１２４のほぼ重心を通っている。Ｘアクチュエーター１２２Ａは例えば積層型圧電体であってよい。また、Ｙ方向駆動用のＹアクチュエーター１２２Ｂの一端は押圧部１２８Ｂに当接しており、他端は固定台１２１に固定されている。Ｙアクチュエーター１２２Ｂ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、Ｙアクチュエーター１２２Ｂの中心線は可動部１２４のほぼ重心を通っている。Ｙアクチュエーター１２２Ｂは例えば積層型圧電体であってよい。

ステージ１２０は、Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーター１２３と、Ｚアクチュエーター１２３の中央部を保持している保持部材１３０と、Ｚアクチュエーター１２３の一方の自由端に固定された試料台１３１と、Ｚアクチュエーター１２３の他方の自由端に固定されたセンサーターゲット１３２とをさらに有している。Ｚアクチュエーター１２３は例えば積層型圧電体やボイスコイル式アクチュエーターであってよい。保持部材１３０は可動部１２４に固定されている。可動部１２４は中央に開口が設けられており、Ｚアクチュエーター１２３は可動部１２４の開口を通って延びている。保持部材１３０は、Ｚアクチュエーター１２３の中心線が可動部１２４のほぼ重心を通るように位置決めされている。試料台１３１はＺアクチュエーター１２３の下側の自由端に固定され、センサーターゲット１３２はＺアクチュエーター１２３の上側の自由端に固定されている。センサーターゲット１３２は試料台１３１とほぼ同等の重さを有している。

走査機構１１０は、センサーターゲット１３２の変位を検出する変位センサー１１４を有している。変位センサー１１４は、可動部１２４の開口を通してセンサーターゲット１３２に向き合うように固定部１２５に固定されている。変位センサー１１４は、例えば静電容量センサーであってよいが、これに何ら限定されるものではない。変位センサー１１４は、例えば、より高速な変位検出手段である光学式変位センサーであっても、またＺアクチュエーター１２３にはり付けられたより小型な変位検出手段であるひずみゲージであってもよい。すなわち、変位センサー１１４は、センサーターゲット１３２の変位すなわちＺアクチュエーター１２３の上側の自由端の変位を検出できさえすれば、どのような変位検出手段であってもよい。

走査機構１１０はまた、図１に示されるように、Ｘアクチュエーター１２２Ａを駆動するＸ走査駆動部１１１と、Ｙアクチュエーター１２２Ｂを駆動するＹ走査駆動部１１２と、Ｚアクチュエーター１２３を駆動するＺ走査駆動部１１３と、変位センサー１１４の出力を増幅するセンサーアンプ１１５とを有している。

画像生成用コントローラ１４０は、Ｘ走査信号とＹ走査信号を生成する波形発生器１４１と、カンチレバー１０１を励振するための励振信号を生成する励振回路１４２と、カンチレバー１０１の振動振幅を検出する振幅検出回路１４３と、Ｚアクチュエーター１２３を伸縮させるための制御信号を生成するＺ制御回路１４４と、観察試料のＸ位置情報とＹ位置情報と高さ情報を取得する画像情報取得回路１４５と、観察試料の高さ情報の取得タイミングを決める取り込み指令発生器１４６とを含んでいる。

カンチレバー１０１はステージ１２０の試料台１３１に対向して配置されている。カンチレバー１０１の基端部には振動子１０２が設けられている。振動子１０２は励振回路１４２と接続されている。ステージ１２０はＸ走査駆動部１１１とＹ走査駆動部１１２とＺ走査駆動部１１３に接続されている。Ｘ走査駆動部１１１とＹ走査駆動部１１２は波形発生器１４１に接続されている。カンチレバー変位センサー１０４は振幅検出回路１４３に接続され、振幅検出回路１４３はＺ制御回路１４４に接続されている。Ｚ制御回路１４４はＺ走査駆動部１１３と接続されている。画像情報取得回路１４５は取り込み指令発生器１４６と波形発生器１４１とセンサーアンプ１１５と接続されている。

次に、走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

波形発生器１４１はＸ走査信号とＹ走査信号を生成する。これらの走査信号はＸ走査駆動部１１１とＹ走査駆動部１１２を通してステージ１２０に与えられる。これにより、試料台１３１がカンチレバー１０１に対してＸＹ走査される。走査信号は画像情報取得回路１４５にも送られ、画像情報取得回路１４５はＸＹ座標情報を得る。実際の変位は、波形発生器１４１の走査信号の入力に対して遅れがあるため、画像情報取得回路１４５は実際の遅れ時間だけ補正した信号をＸＹ座標情報として取得する。

励振回路１４２は、カンチレバー１０１の共振周波数近傍の周波数の励振信号を振動子１０２に出力する。振動子１０２は励振信号を機械的振動に変換する。この振動によりカンチレバー１０１はたわみ振動を起こす。カンチレバー変位センサー１０４はカンチレバー１０１のたわみを光学的に検出し、振幅検出回路１４３はカンチレバー変位センサー１０４で検出されるたわみ情報を振幅情報に変換する。

カンチレバー１０１のたわみは、試料台１３１に保持された観察試料とカンチレバー１０１の探針との間の距離により変化する。例えば、試料台１３１がカンチレバー１０１に近づくとカンチレバー１０１の振幅は小さくなり、反対に遠ざかるとカンチレバー１０１の振幅は大きくなる。ＸＹ走査中、カンチレバー１０１の探針と観察試料の表面との距離は観察試料の表面の起伏に応じて変化する。このためカンチレバー１０１の振幅も変化する。

観察試料の表面とカンチレバー１０１の探針との間の距離はＺアクチュエーター１２３を伸縮させることによって調整し得る。Ｚ制御回路１４４は、振幅検出回路１４３で検出される振幅を一定に維持するようにＺアクチュエーター１２３を伸縮させるＺ走査信号を生成する。Ｚ走査信号はＺ走査駆動部１１３を通してＺアクチュエーター１２３に与えられる。その結果、Ｚアクチュエーター１２３は観察試料の表面の起伏に追従して伸縮し、試料台１３１がカンチレバー１０１に対してＺ走査される。

通常、Ｚアクチュエーター１２３に印加した電圧を観察試料の高さ情報として用いることが多い。しかし、圧電体は図４に示すようなヒステリシスを有するため、印加電圧を観察試料の高さ情報とすると、実際の変位との間に誤差が生じてしまう。

本実施形態では、画像情報取得回路１４５が、変位センサー１１４で検出されるセンサーターゲット１３２の変位を観察試料の高さ情報として取り込む。Ｚアクチュエーター１２３はその中央部が保持部材１３０によって保持されているため、試料台１３１の変位とセンサーターゲット１３２の変位は同一である。このため、観察試料の高さ情報が正確に取得される。

観察試料の高さ情報の取得タイミングは取り込み指令発生器１４６により制御される。取り込み指令発生器１４６の指令に従って、画像情報取得回路１４５は、観察試料の高さ情報をセンサーアンプ１１５から取得するとともに波形発生器１４１から出力されたＸ走査信号とＹ走査信号とに基づいてＸＹ座標を取得する。画像情報取得回路１４５は、取得したＸＹ座標と高さ情報とから観察試料の画像を構築し、表示装置１５０は、構築した画像を表示する。

以上に説明した手法に従って観察試料の画像を構築することにより、高さ情報にひずみのない良好な観察像が得られる。

また、Ｚ走査が高速になると、その慣性力が保持部材１３０やステージ１２０を共振させ、不要な振動が生じやすくなるが、試料台１３１とセンサーターゲット１３２はほぼ同一の重さで、それらの変位は振幅が同じで向きが反対であるため、慣性力が打ち消しあい、不要な振動が生じない。このため、不要な振動による高さ情報の劣化はなく、良好な観察像が得られる。

さらに、変位センサー１１４は固定部１２５に固定されているため、ＸＹ走査時にＸ方向やＹ方向に移動することはない。このため、可動部負荷にならず、不要な振動も生じない。

＜第二実施形態＞
本実施形態はカンチレバー走査型の走査型プローブ顕微鏡である。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーがステージに保持される点において、第一実施形態の走査型プローブ顕微鏡と相違している。

図５は、本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。図５において、図１中の部材と同じ参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図６は、図５に示されたステージの断面を示している。図６の断面は図３に相当する断面である。図６において、図３中の部材と同じ参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００は、図５に示されるように、自由端に探針を持つカンチレバー２０１と、カンチレバー２０１の変位を光学的に検出する光ファイバーセンサーなどのカンチレバー変位センサー２０３と、試料を載せる試料台２０５と、カンチレバー２０１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査機構２１０と、観察試料の画像を生成する画像生成用コントローラ１４０と、生成された画像を表示する表示装置１５０とを有している。表示装置１５０の構成は第一実施形態と同様である。

走査機構２１０は、カンチレバー２０１を移動可能に保持するステージ２２０を含んでいる。ステージ２２０は、Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーター１２３と、Ｚアクチュエーター１２３の中央部を保持している保持部材１３０と、Ｚアクチュエーター１２３の一方の自由端に固定されたカンチレバー取り付け部２３１と、Ｚアクチュエーター１２３の他方の自由端に固定されたセンサーターゲット２３２を有している。カンチレバー取り付け部２３１はＺアクチュエーター１２３の下側の自由端に固定され、センサーターゲット２３２はＺアクチュエーター１２３の上側の自由端に固定されている。カンチレバー２０１はカンチレバー取り付け部２３１に取り付けられ、試料台２０５に対向して配置されている。センサーターゲット２３２はカンチレバー取り付け部２３１およびカンチレバー２０１とほぼ同等の重さを有している。ステージ２２０のそのほかの構成は、第一実施形態で説明したステージ１２０と同様である。

走査機構２１０の変位センサー１１４は、センサーターゲット２３２に向き合っており、センサーターゲット２３２の変位を検出する。走査機構２１０のそのほかの構成は、第一実施形態で説明した走査機構１１０と同様である。

画像生成用コントローラ１４０は、励振回路１４２から出力される励振信号がＺアクチュエーター１２３に印加されるように構成されている。

次に、走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

波形発生器１４１はＸ走査信号とＹ走査信号を生成する。これらの走査信号はＸ走査駆動部１１１とＹ走査駆動部１１２を通してステージ２２０に与えられる。これにより、カンチレバー２０１が試料台２０５に対してＸＹ走査される。

励振回路１４２は、カンチレバー２０１の共振周波数近傍の周波数の励振信号を出力する。励振信号はＺアクチュエーター１２３に印加される。これにより、カンチレバー２０１はたわみ振動を起こす。カンチレバー変位センサー２０３はカンチレバー２０１のたわみを光学的に検出し、振幅検出回路１４３はカンチレバー変位センサー２０３で検出されるたわみ情報を振幅情報に変換する。

カンチレバー変位センサー２０３は保持部材１３０に固定されておりＸＹ走査時にカンチレバー２０１と一緒に移動するため、カンチレバー変位センサー２０３が変位を検出するカンチレバー上の位置はＸＹ走査によって変化しない。

カンチレバー２０１のたわみは、試料台２０５に載置された観察試料とカンチレバー２０１の探針との間の距離により変化する。ＸＹ走査中、カンチレバー２０１の探針と観察試料の表面との距離は観察試料の表面の起伏に応じて変化する。このためカンチレバー２０１の振幅も変化する。

Ｚ制御回路１４４は、振幅検出回路１４３で検出される振幅を一定に維持するようにＺアクチュエーター１２３を伸縮させるＺ走査信号を生成する。Ｚ走査信号はＺ走査駆動部１１３を通してＺアクチュエーター１２３に与えられる。その結果、Ｚアクチュエーター１２３は観察試料の表面の起伏に追従して伸縮し、カンチレバー２０１が試料台２０５に対してＺ走査される。

Ｚ走査によるＺアクチュエーター１２３の変位はカンチレバー２０１の振動に重畳する。カンチレバー２０１の励振信号による振動は、Ｚ走査周波数よりも数倍から１０倍以上高い。例えば、Ｚ走査周波数が１００ｋＨｚ以下のとき、励振による振動は５００〜１５００ｈＨｚである。このように周波数に差があるので、Ｚ制御回路１１４はローパスフィルターによりＺ走査周波数の振幅信号を抽出できる。また、変位センサー１１４とセンサーアンプ１１５を合わせてローパスフィルター機能を持つことによりＺ走査周波数の振幅信号を抽出できる。あるいは、センサーアンプ１１５と画像情報取得回路１４５を合わせてフーリエ変換を利用してＺ走査周波数の振幅信号を抽出できる。これにより、変位センサー１１４は、励振信号の影響を受けることなく、カンチレバー２０１のＺ走査の変位を検出することができる。

画像情報取得回路１４５は、変位センサー１１４で検出されるセンサーターゲット２３２の変位を観察試料の高さ情報として取り込む。Ｚアクチュエーター１２３はその中央部が保持部材１３０によって保持されているため、カンチレバー２０１の変位とセンサーターゲット２３２の変位は同一である。このため、観察試料の高さ情報が正確に取得される。

画像情報取得回路１４５は、所定のタイミングで、観察試料の高さ情報をセンサーアンプ１１５から取得するとともに波形発生器１４１から出力されたＸ走査信号とＹ走査信号とに基づいてＸＹ座標を取得する。画像情報取得回路１４５は、取得したＸＹ座標と高さ情報とから観察試料の画像を構築し、表示装置１５０は、構築した画像を表示する。

以上に説明した手法に従って観察試料の画像を構築することにより、高さ情報にひずみのない良好な観察像が得られる。

また、Ｚ走査が高速になると、その慣性力が保持部材１３０やステージ２２０を共振させ、不要な振動が生じやすくなる。カンチレバー取り付け部２３１とカンチレバー２０１の合計の重さはセンサーターゲット２３２の重さとほぼ同一である。またカンチレバー取り付け部２３１とセンサーターゲット２３２の変位は振幅が同じで向きが反対である。このため、慣性力が打ち消しあい、不要な振動が生じない。このため、不要な振動による高さ情報の劣化はなく、良好な観察像が得られる。

本実施形態では、励振信号をＺアクチュエーター１２３に印加してカンチレバー２０１を励振しているが、カンチレバー近傍から励振周波数の超音波やレーザー光をカンチレバー２０１に照射してカンチレバー２０１を励振することも可能である。また、カンチレバー変位センサー２０３に代えて、たわみ検出用のピエゾ抵抗体やひずみゲージをカンチレバー２０１に設けてもよい。そのようなセンサーは、ＸＹＺ走査時にカンチレバー２０１と一緒に移動するため、ＸＹＺ走査の影響を受けずにカンチレバー２０１の振幅を検出できる。

＜第三実施形態＞
本実施形態は試料走査型の走査型プローブ顕微鏡である。図７は、本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。図７において、図１中の部材と同じ参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図８は、図７に示されたステージの断面を示している。図８の断面は図３に相当する断面である。図８において、図３中の部材と同じ参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３００は、図７に示されるように、自由端に探針を持つカンチレバー１０１と、対物レンズ１０３を通してカンチレバー１０１の変位を光学的に検出するカンチレバー変位センサー１０４と、試料台３３１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査機構３１０と、観察試料の画像を生成する画像生成用コントローラ１４０と、生成された画像を表示する表示装置１５０とを有している。画像生成用コントローラ１４０と表示装置１５０の構成は第一実施形態と同様である。

走査機構３１０は、試料台３３１を移動可能に保持するステージ３２０を含んでいる。ステージ３２０は、Ｚ方向に変位しうる二つのＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂと、Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂを保持している保持部材３３０と、Ｚアクチュエーター３２３Ａの自由端に固定された試料台３３１と、Ｚアクチュエーター３２３Ｂの自由端に固定されたセンサーターゲット３３２を有している。Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂはほぼ同一の性能を有し、例えば積層型圧電体であってよい。Ｚアクチュエーター３２３Ａは保持部材３３０の下面に固定され、Ｚアクチュエーター３２３Ｂは保持部材３３０の上面に固定されている。Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂは一直線上に配置されている。保持部材３３０は可動部１２４に固定され、Ｚアクチュエーター３２３Ｂは可動部１２４の開口を通って延びている。センサーターゲット３３２は試料台３３１とほぼ同等の重さを有している。ステージ３２０のそのほかの構成は、第一実施形態で説明したステージ１２０と同様である。

走査機構３１０の変位センサー１１４は、センサーターゲット３３２に向き合っており、センサーターゲット３３２の変位を検出する。また走査機構３１０は、第一実施形態のＺ走査駆動部１１３に代えて、Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂを駆動するＺ走査駆動部３１３を有している。走査機構３１０のそのほかの構成は、第一実施形態で説明した走査機構１１０と同様である。

次に、走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

波形発生器１４１はＸ走査信号とＹ走査信号を生成する。これらの走査信号はＸ走査駆動部１１１とＹ走査駆動部１１２を通してステージ３２０に与えられる。これにより、試料台３３１がカンチレバー１０１に対してＸＹ走査される。

励振回路１４２は、カンチレバー１０１の共振周波数近傍の周波数の励振信号を出力する。励振信号は振動子１０２に印加される。これにより、カンチレバー１０１はたわみ振動を起こす。カンチレバー変位センサー１０４はカンチレバー１０１のたわみを光学的に検出し、振幅検出回路１４３はカンチレバー変位センサー１０４で検出されるたわみ情報を振幅情報に変換する。

カンチレバー１０１のたわみは、試料台３３１に保持された観察試料とカンチレバー１０１の探針との間の距離により変化する。ＸＹ走査中、カンチレバー１０１の探針と観察試料の表面との距離は観察試料の表面の起伏に応じて変化する。このためカンチレバー１０１の振幅も変化する。

Ｚ制御回路１４４は、振幅検出回路１４３で検出される振幅を一定に維持するようにＺアクチュエーター３２３Ａを伸縮させるＺ走査信号を生成してＺ走査駆動部３１３に出力する。Ｚ走査駆動部３１３はＺ走査信号をＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂに与える。その結果、Ｚアクチュエーター３２３Ａは観察試料の表面の起伏に追従して伸縮し、試料台３３１がカンチレバー１０１に対してＺ走査される。またＺアクチュエーター３２３Ｂは、Ｚアクチュエーター３２３Ａの伸縮に同期して伸縮する。つまり、Ｚ走査駆動部３１３は、試料台３３１とセンサーターゲット３３２とが互いに逆向きで同一変位量になるようにＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂを駆動する。

Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂに個体差があり変位がわずかに異なる場合には、それぞれの変位差に応じた補正係数を乗じた信号をＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂのどちらかに印加することで正確な変位情報を得ることができる。

画像情報取得回路１４５は、変位センサー１１４で検出されるセンサーターゲット３３２の変位を観察試料の高さ情報として取り込む。Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂは試料台３３１とセンサーターゲット３３２とが互いに逆向きで同一変位量になるように駆動されるため、試料台３３１の変位とセンサーターゲット３３２の変位は同一である。このため、観察試料の高さ情報が正確に取得される。

画像情報取得回路１４５は、所定のタイミングで、観察試料の高さ情報をセンサーアンプ１１５から取得するとともに波形発生器１４１から出力されたＸ走査信号とＹ走査信号とに基づいてＸＹ座標を取得する。画像情報取得回路１４５は、取得したＸＹ座標と高さ情報とから観察試料の画像を構築し、表示装置１５０は、構築した画像を表示する。

以上に説明した手法に従って観察試料の画像を構築することにより、高さ情報にひずみのない良好な観察像が得られる。

また、Ｚ走査が高速になると、その慣性力が保持部材３３０やステージ３２０を共振させ、不要な振動が生じやすくなる。試料台３３１とセンサーターゲット３３２は重さがほぼ同一であり、また試料台３３１とセンサーターゲット３３２の変位は振幅が同じで向きが反対である。このため、慣性力が打ち消しあい、不要な振動が生じない。このため、不要な振動による高さ情報の劣化はなく、良好な観察像が得られる。

＜第四実施形態＞
本実施形態はカンチレバー走査型の走査型プローブ顕微鏡である。本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーがステージに保持される点において、第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡と相違している。

図９は、本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。図９において、図１と図５と図７中の部材と同じ参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。図１０は、図９に示されたステージの断面を示している。図１０の断面は図３に相当する断面である。図１０において、図３中の部材と同じ参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡４００は、図９に示されるように、自由端に探針を持つカンチレバー２０１と、カンチレバー２０１の変位を光学的に検出する光ファイバーセンサーなどのカンチレバー変位センサー２０３と、試料を載せる試料台２０５と、カンチレバー２０１を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査機構４１０と、観察試料の画像を生成する画像生成用コントローラ１４０と、生成された画像を表示する表示装置１５０とを有している。表示装置１５０の構成は第一実施形態と同様である。

走査機構４１０は、カンチレバー２０１を移動可能に保持するステージ４２０を含んでいる。ステージ４２０は、Ｚ方向に変位しうる二つのＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂと、Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂを保持している保持部材３３０と、Ｚアクチュエーター３２３Ａの自由端に固定されたカンチレバー取り付け部４３１と、Ｚアクチュエーター３２３Ｂの自由端に固定されたセンサーターゲット４３２を有している。カンチレバー２０１はカンチレバー取り付け部４３１に取り付けられ、試料台２０５に対向して配置されている。センサーターゲット４３２はカンチレバー取り付け部４３１およびカンチレバー２０１とほぼ同等の重さを有している。ステージ４２０のそのほかの構成は、第三実施形態で説明したステージ３２０と同様である。

走査機構４１０の変位センサー１１４は、センサーターゲット４３２に向き合っており、センサーターゲット４３２の変位を検出する。走査機構４１０のそのほかの構成は、第三実施形態で説明した走査機構３１０と同様である。

画像生成用コントローラ１４０は、励振回路１４２から出力される励振信号がＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂに印加されるように構成されている。あるいは、励振回路１４２から出力される、Ｚアクチュエーター３２３Ａの高次の共振周波数の励振信号が印加されるように構成してもよい。

次に、走査型プローブ顕微鏡の動作について説明する。

波形発生器１４１はＸ走査信号とＹ走査信号を生成する。これらの走査信号はＸ走査駆動部１１１とＹ走査駆動部１１２を通してステージ４２０に与えられる。これにより、カンチレバー２０１が試料台２０５に対してＸＹ走査される。

励振回路１４２は、カンチレバー２０１の共振周波数近傍の周波数の励振信号を出力する。励振信号はＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂに印加される。これにより、カンチレバー２０１はたわみ振動を起こす。カンチレバー変位センサー２０３はカンチレバー２０１のたわみを光学的に検出し、振幅検出回路１４３はカンチレバー変位センサー２０３で検出されるたわみ情報を振幅情報に変換する。

カンチレバー２０１のたわみは、試料台２０５に載置された観察試料とカンチレバー２０１の探針との間の距離により変化する。ＸＹ走査中、カンチレバー２０１の探針と観察試料の表面との距離は観察試料の表面の起伏に応じて変化する。このためカンチレバー２０１の振幅も変化する。

Ｚ制御回路１４４は、振幅検出回路１４３で検出される振幅を一定に維持するようにＺアクチュエーター３２３Ａを伸縮させるＺ走査信号を生成してＺ走査駆動部３１３に出力する。Ｚ走査駆動部３１３はＺ走査信号をＺアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂに与える。その結果、Ｚアクチュエーター３２３Ａは観察試料の表面の起伏に追従して伸縮し、カンチレバー２０１が試料台２０５に対してＺ走査される。またＺアクチュエーター３２３Ｂは、Ｚアクチュエーター３２３Ａの伸縮に同期して伸縮する。

Ｚ走査によるＺアクチュエーター３２３Ａの変位はカンチレバー２０１の振動に重畳する。カンチレバー２０１の励振信号による振動は、Ｚ走査周波数よりも数倍から１０倍以上高い。例えば、Ｚ走査周波数が１００ｋＨｚ以下のとき、励振による振動は５００〜１５００ｈＨｚである。このように周波数に差があるので、Ｚ制御回路１１４はローパスフィルターによりＺ走査周波数の振幅信号を抽出できる。また、変位センサー１１４とセンサーアンプ１１５を合わせてローパスフィルター機能を持つことによりＺ走査周波数の振幅信号を抽出できる。あるいは、センサーアンプ１１５と画像情報取得回路１４５を合わせてフーリエ変換を利用してＺ走査周波数の振幅信号を抽出できる。これにより、変位センサー１１４は、励振信号の影響を受けることなく、カンチレバー２０１のＺ走査の変位を検出することができる。

画像情報取得回路１４５は、変位センサー１１４で検出されるセンサーターゲット４３２の変位を観察試料の高さ情報として取り込む。Ｚアクチュエーター３２３Ａと３２３Ｂはカンチレバー取り付け部４３１とセンサーターゲット４３２とが互いに逆向きで同一変位量になるように駆動されるため、カンチレバー２０１の変位とセンサーターゲット４３２の変位は同一である。このため、観察試料の高さ情報が正確に取得される。

画像情報取得回路１４５は、所定のタイミングで、観察試料の高さ情報をセンサーアンプ１１５から取得するとともに波形発生器１４１から出力されたＸ走査信号とＹ走査信号とに基づいてＸＹ座標を取得する。画像情報取得回路１４５は、取得したＸＹ座標と高さ情報とから観察試料の画像を構築し、表示装置１５０は、構築した画像を表示する。

以上に説明した手法に従って観察試料の画像を構築することにより、高さ情報にひずみのない良好な観察像が得られる。

また、Ｚ走査が高速になると、その慣性力が保持部材１３０やステージ４２０を共振させ、不要な振動が生じやすくなる。カンチレバー取り付け部４３１とカンチレバー２０１の合計の重さはセンサーターゲット４３２の重さとほぼ同一である。またカンチレバー取り付け部４３１とセンサーターゲット４３２の変位は振幅が同じで向きが反対である。このため、慣性力が打ち消しあい、不要な振動が生じない。このため、不要な振動による高さ情報の劣化はなく、良好な観察像が得られる。

本実施形態では、励振信号をＺアクチュエーター３２３Ａに印加してカンチレバー２０１を励振しているが、カンチレバー近傍から励振周波数の超音波やレーザー光をカンチレバー２０１に照射してカンチレバー２０１を励振することも可能である。また、カンチレバー変位センサー２０３に代えて、たわみ検出用のピエゾ抵抗体やひずみゲージをカンチレバー２０１に設けてもよい。そのようなセンサーは、ＸＹＺ走査時にカンチレバー２０１と一緒に移動するため、ＸＹＺ走査の影響を受けずにカンチレバー２０１の振幅を検出できる。

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を示している。 図１に示されたステージを下方から見た平面図である。 図２に示されたステージのIII−III線に沿った断面を示している。 圧電体のヒステリシスを示している。 本発明の第二実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図５に示されたステージの断面を示している。 本発明の第三実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図７に示されたステージの断面を示している。 本発明の第四実施形態の走査型プローブ顕微鏡を示している。 図９に示されたステージの断面を示している。

符号の説明

１００…走査型プローブ顕微鏡、１０１…カンチレバー、１０２…振動子、１０３…対物レンズ、１０４…カンチレバー変位センサー、１１０…走査機構、１１１…Ｘ走査駆動部、１１２…Ｙ走査駆動部、１１３…Ｚ走査駆動部、１１４…変位センサー、１１５…センサーアンプ、１２０…ステージ、１２１…固定台、１２２Ａ…Ｘアクチュエーター、１２２Ｂ…Ｙアクチュエーター、１２３…Ｚアクチュエーター、１２４…可動部、１２５…固定部、１２６Ａ…ＸＹ弾性部材、１２６Ｂ…ＸＹ弾性部材、１２６Ｃ…ＸＹ弾性部材、１２６Ｄ…ＸＹ弾性部材、１２７Ａ…Ｚ弾性部材、１２７Ｂ…Ｚ弾性部材、１２７Ｃ…Ｚ弾性部材、１２７Ｄ…Ｚ弾性部材、１２８Ａ…押圧部、１２８Ｂ…押圧部、１３０…保持部材、１３１…試料台、１３２…センサーターゲット、１４０…画像生成用コントローラ、１４１…波形発生器、１４２…励振回路、１４３…振幅検出回路、１４４…Ｚ制御回路、１４５…画像情報取得回路、１４６…取り込み指令発生器、１５０…表示装置、２００…走査型プローブ顕微鏡、２０１…カンチレバー、２０３…カンチレバー変位センサー、２０５…試料台、２１０…走査機構、２２０…ステージ、２３１…カンチレバー取り付け部、２３２…センサーターゲット、３００…走査型プローブ顕微鏡、３１０…走査機構、３１３…Ｚ走査駆動部、３２０…ステージ、３２３Ａ…Ｚアクチュエーター、３２３Ｂ…Ｚアクチュエーター、３３０…保持部材、３３１…試料台、３３２…センサーターゲット、４００…走査型プローブ顕微鏡、４１０…走査機構、４２０…ステージ、４３１…カンチレバー取り付け部、４３２…センサーターゲット。

Claims (11)

1. 移動対象物を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、
   固定部と、
   可動部と、
   前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、
   前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、
   前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、
   Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーターと、
   前記Ｚアクチュエーターの中央部を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、
   前記Ｚアクチュエーターの一方の自由端に固定された試料台と、
   前記Ｚアクチュエーターの他方の自由端に固定されたセンサーターゲットであり、前記試料台とほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、
   前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーとを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
2. 観察像構築に必要な観察試料高さ情報は前記変位センサーの信号に基づく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機構。
3. 移動対象物を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、
   固定部と、
   可動部と、
   前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、
   前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、
   前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、
   Ｚ方向に変位しうるＺアクチュエーターと、
   前記Ｚアクチュエーターの中央部を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、
   前記Ｚアクチュエーターの一方の自由端に固定されたカンチレバー取り付け部と、
   前記Ｚアクチュエーターの他方の自由端に固定されたセンサーターゲットであり、カンチレバー取り付け部およびこれに取り付けられたカンチレバーとほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、
   前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーとを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
4. 観察像構築に必要な観察試料高さ情報は前記変位センサーの信号に基づくことを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
5. 移動対象物を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、
   固定部と、
   可動部と、
   前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、
   前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、
   前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、
   Ｚ方向に変位しうる二本のＺアクチュエーターと、
   前記Ｚアクチュエーターのそれぞれの一端を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、
   一方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定された試料台と、
   他方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定されたセンサーターゲットであり、前記試料台とほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、
   前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーと、
   前記試料台と前記センサーターゲットとが互いに逆向きで同一変位量になるように前記Ｚアクチュエーターを駆動する駆動部とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
6. 観察像構築に必要な観察試料高さ情報は前記変位センサーの信号に基づくことを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
7. 前記Ｚアクチュエーターはほぼ同一の性能を有し、前記可動部の重心付近を通るＺ軸と平行な軸上に位置していることを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
8. 移動対象物を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って移動しうる走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、
   固定部と、
   可動部と、
   前記可動部が前記固定台に対してＸＹ方向に移動しうるように前記可動部と前記固定台を連結している弾性部材と、
   前記可動部をＸ方向に移動させるＸアクチュエーターと、
   前記可動部をＹ方向に移動させるＹアクチュエーターと、
   Ｚ方向に変位しうる二本のＺアクチュエーターと、
   前記Ｚアクチュエーターのそれぞれの一端を保持している保持部材であり、前記可動部に固定された保持部材と、
   一方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定されたカンチレバー取り付け部と、
   他方の前記Ｚアクチュエーターの自由端に固定されたセンサーターゲットであり、カンチレバー取り付け部およびこれに取り付けられたカンチレバーとほぼ同等の重さを有するセンサーターゲットと、
   前記センサーターゲットの変位を検出する変位センサーと、
   前記カンチレバー取り付け部と前記センサーターゲットとが互いに逆向きで同一変位量になるように前記Ｚアクチュエーターを駆動する駆動部とを備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
9. 観察像構築に必要な観察試料高さ情報は前記変位センサーの信号に基づくことを特徴とする請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
10. 前記Ｚアクチュエーターはほぼ同一の性能を有し、前記可動部の重心付近を通るＺ軸と平行な軸上に位置していることを特徴とする請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構を備えている走査型プローブ顕微鏡。

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