JP2007333724A - 走査型プローブ装置における駆動ステージ、走査型プローブ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】支持体101と、前記支持体に固定された少なくとも2つ以上の複数の可動部102、103と、前記複数の可動部を駆動する2つ以上の駆動素子106、107と、を備え、
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慣性力が互いに相殺される方向に駆動される走査型プローブ装置における駆動ステージにおいて、
複数の可動部の慣性力の差を検出する慣性力差検出手段190と、前記加速度センサの検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段192と、を有する構成とする。
【選択図】 図1
Description
特に、探針と試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得し、または情報記録を行い、または試料を加工する走査型プローブ装置における駆動ステージ、に関する。
さらに別の発展形として、尖鋭なプローブ先端の微小開口からしみ出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる走査型近接場光顕微鏡(SNOM)等が開発されてきた。
また、これら以外にも走査型磁気力顕微鏡(MFM)、走査型電気容量顕微鏡(SCaM)、走査型熱顕微鏡(SThM)、等が開発されている。
このように、現在では探針(プローブ)もしくは試料を走査し、上記した試料表面の種々の物理量を高い分解能で測定できる顕微鏡が開発されているが、これらの顕微鏡は走査型プローブ顕微鏡(SPM)と総称されている。
その際、上記物理相互作用等を高精度に検出するため、上記駆動ステージの駆動に伴う振動の発生を抑制することが求められる。
つぎに、これを図11を用いて説明する。この図において、支持体301の内側に、移動台302、303がそれぞれ4本の平行ヒンジバネ304、305で、図中で水平方向に移動できるように支持されている。
また、圧電素子306、307は、一端を支持体301に結合され、他方がそれぞれ移動台302、303に結合されている。
2つの圧電素子306、307は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
また、駆動信号は、それぞれ増幅器310、311で増幅されて圧電素子306、307に与えられている。ここで、増幅器310、311の信号増幅率A1、A2は、移動台302、303を駆動した時の慣性力が逆向きで等しくなるように設定されている。
つまり、移動台302、303の質量と駆動加速度をそれぞれm1、m2と、a1、a2としたときに、m1×a1=m2×a2となるように設定されている。また、移動台302、303を駆動する際の周波数特性が異なっている場合には、これらの増幅率を駆動周波数に応じて設定することができる。
また、移動台に搭載されるものの質量に応じて増幅率を制御することで、移動台上に搭載するものの質量によらず振動が生じないようにすることができる。
また、上記図に示された構成例では駆動される移動台が2つあるが、どちらか一方の移動台のみを試料を搭載する試料台として使用するようにしてもよいし、その両方を試料台として使用するようにしてもよい。
以上のような構成例のステージでは、駆動信号を入力すると移動台302、303が相対する方向に、かつ慣性力が等しくなるように駆動されるので、支持体301に伝わる慣性力が相殺される。
そのため、高速な走査を行っても振動の少ない駆動ステージを提供することができる。
すなわち、上記した従来例の駆動ステージでは、駆動素子の駆動時に、それぞれの移動台の慣性力が互いに相殺される方向に駆動することで、振動の発生を少なくするものである。したがって、振動の発生を無くすためにはこれら移動台の慣性力が等しくなるように駆動することが必要である。
このような場合、上記試料の取り替え前に相互の移動台との間で慣性力が等しくなるように設定されていたとしても、上記質量の変化によって相殺される慣性力のバランスが崩れるため、等しい慣性力により互いにキヤンセルすることができなくなる場合が生じる。
このような現象は、圧電素子の特性の変化等によっても生じる。
本発明の駆動ステージは、支持体と、前記支持体に固定された少なくとも2つ以上の複数の可動部と、前記複数の可動部を駆動する2つ以上の駆動素子と、を備え、
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慣性力が互いに相殺される方向に駆動される走査型プローブ装置における駆動ステージにおいて、
複数の可動部の慣性力の差を検出する慣性力差検出手段と、前記慣性力差検出手段の検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の駆動ステージは、前記慣性力調整手段が、前記可動部を駆動する駆動信号の増幅率を、前記複数の可動部の慣性力の差異に応じて調整可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の駆動ステージは、前記駆動素子が、それぞれ圧電素子で構成されていることを特徴とする。本発明に用いられる圧電素子としては、スタック型あるいは円筒形の圧電素子(ピエゾ素子)が好ましく用いられる。
また、本発明の駆動ステージは、前記圧電素子が円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第1の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第2の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする。また、本発明の駆動ステージは、前記慣性力差検出手段が、前記支持体に設けられた3軸加速度センサであることを特徴とする。
また、本発明の駆動ステージは、支持体と、前記支持体に固定された少なくとも2つ以上の複数の可動部と、
前記複数の可動部を駆動する2つ以上の駆動素子と、を備え、
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慣性力が互いに相殺される方向に駆動される走査型プローブ装置における駆動ステージにおいて、
前記2つ以上の駆動素子におけるいずれかの駆動素子を駆動した状態で、他の非駆動状態にある駆動素子から出力される出力信号を受けて、前記複数の可動部の慣性力の差を検出すると共に、
前記検出した検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段を有することを特徴とする。
また、本発明の駆動ステージは、前記慣性力調整手段が、前記出力信号を受けて増幅率を設定し出力する増幅率設定手段であることを特徴とする。
また、本発明の走査型プローブ装置は、試料に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを備え、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置において、
前記駆動ステージとして、上記いずれかに記載の駆動ステージを有することを特徴とする。
つぎに、本発明を適用した実施例1における駆動ステージについて説明する。図1に、本実施例の駆動ステージの構成を説明する図を示す。支持体101の内側に、複数の可動部となる移動台102、103がそれぞれ4本の平行ヒンジバネ104、105で、図中で水平方向に移動できるように固定され支持されている。
また、駆動素子としての圧電素子106、107は、一端を支持体101に結合され、他方がそれぞれ移動台102、103に結合されている。
2つの圧電素子106、107は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
本実施例においては、本発明における前記慣性力差検出手段の検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段が、つぎのように構成されている。
106、107の支持体101に結合されている場所の近くに少なくとも一方向の加速度を検出するための、ジャイロのような加速度センサ190が配置されている。
この加速度センサ190が、複数の可動部の慣性力の差を検出する慣性力差検出手段であり、ここでは支持体の振動に因る支持体の加速度を駆動素子の駆動中に検知することにより、複数の可動部の慣性力の差を検出する。
信号発生回路のような駆動信号発生手段191は、駆動信号aを発生する。駆動信号発生手段191により生成された駆動信号aは、増幅器110で増幅され、圧電素子107を駆動する。
一方、駆動信号aは、掛算器193において増幅率設定手段192の出力dと掛け合わされ、掛算器出力bとなる。掛算器193と増幅率設定手段192とは、慣性力調整手段を構成している。
掛算器出力bは、増幅器111で増幅され、圧電素子106を駆動する。増幅率設定手段192は、駆動信号aと加速度センサ190の出力cに基づき、増幅率を設定し出力する。
このように、慣性力調整手段は、前記可動部を駆動する駆動信号の増幅率を、前記複数の可動部の慣性力の差異に応じて調整可能に構成されており、これにより、複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように、その差異に応じて少なくとも一方の可動部の慣性力を調整する。
図2に、本実施例の駆動ステージの動作を説明する各信号の時間経過を示す図を示す。
図2において、ステージ駆動信号aは、移動台が往復移動をするようなノコギリ波であり、不図示の信号発生回路から発生される。
当初、アナログ電子回路などで構成される増幅率設定手段192の出力dは、移動台102と103の慣性力が互いにキャンセルする値に設定されている。そのため、加速度センサ出力cは出力を生じない。
ここで、図2に示すように、T2〜T3の間において、一方の移動台102に搭載された試料の取り替え等により、移動台102の質量が増加したとする。
すると、T3の移動台の移動方向が切り替わる際に発生する加速度が大きくなり、キャンセルしきれなくなるため、加速度センサに出力が生じる。
そこで、増幅率設定手段192は、加速度センサ出力cおよび駆動信号aの値に基づいて、増幅率を設定しなおす。
この構成例においては、反力が大きくなる方向に加速度が生じたので、反力をキャンセルするように増幅率が大きくなるように再設定を行なう。
次のT4の移動方向が切り替わる際にも、まだ加速度が生じるため、増幅率設定手段192は、さらに増幅率を大きく再設定する。
以上の動作により、増幅率が適切に再設定されるので、T5以降は、加速度センサに出力は生じなくなる。
ここでは、質量が増加することにより、反力が増加する構成を採り挙げたが、取り替えられた試料の種類等によって質量が減少すれば、反力も減少する。
また、圧電素子の特性変化等によっても、反力は増減しうる可能性がある。
本実施例によれば、これらの変動に対しても適切に増幅率を再設定することが可能である。
以上のように構成した本実施例のステージでは、移動台102、103が相対する方向に、かつ慣性力が等しくなるように駆動されるので、支持体101に伝わる慣性力が相殺される。
そのため、高速な走査を行っても振動の少ない駆動ステージを提供することができる。
また、増幅率設定手段192が、加速度センサ190と駆動信号に基づき増幅率を設定するので、ステージの質量が変化しても振動が増加することのない駆動ステージを提供することができる。
また、経時変化等により圧電素子の特性が変化しても振動が増加することのない駆動ステージを提供することができる。
本発明においては、上記実施例及び後述する実施例のいずれにおいても、増幅率の設定動作は、走査プローブ装置本体の校正スイッチ或いは電源スイッチに応答して、開始されるように、CPUのような制御回路により設定動作開始を制御してもよい。
例えば、試料を交換したり、駆動ステージを装置本体に対して交換可能とし、新品の駆動ステージに交換した後などに、設定動作が開始される。具体的には、校正スイッチや電源スイッチをオンにすると、駆動信号発生手段、慣性力調整手段が動作を開始する。こうして、複数の可動部の慣性力の差を検出すると共に、検出した検出出力に基づいて、複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように慣性力調整手段の調整機能が働く。
この機能は、校正スイッチや電源スイッチのオン時だけではなく、装置の動作中においても適当な時間間隔をおいて複数回実行されてもよい。
実施例2においては、実施例1とは別の形態の駆動ステージについて説明する。
図3に、本実施例の駆動ステージの斜視図を示す。
本実施例の駆動ステージは、図3に示すように駆動素子としての円筒形の圧電素子を有する駆動ステージが2つ同心円状に重った構造を備えている。
第1の円筒形の圧電素子200の内側に第2の円筒形の圧電素子210が同心円状に配置されている(図3では分解して表示)。
第1の円筒形の圧電素子200の外周には、4分割された電極201〜204が配置されており(但し、204は図3では裏側にあたるため不図示)、内周には、共通電極209が配置されている。
第1の円筒形の圧電素子200の上部には可動部としての移動台205が接合されており(図3では分解して表示)、下部は圧電素子固定部281、282を介して支持部280に接合され固定されている。
また、第2の円筒形の圧電素子210の周囲には、4分割された電極211〜214が配置されており(但し、214は図3では裏側にあたるため不図示)、内周には共通電極219が配置されている。
上部には可動部としての重り215が接合されており(図3では分解して表示)、下部は圧電素子固定部281、282を介して支持部280に接合されている。
そして、圧電素子固定部282には、互いに直交するXYZ軸に対する加速度を測定可能な3軸加速度センサ290が配置されている。
増幅率設定手段292は、実施例1の増幅率設定手段192と同様に、3軸加速度センサ290の3つの出力信号と駆動信号x、y、zから、3軸方向の慣性力がキャンセルされるように、増幅率Ax、Ay,Azを設定するように働く。掛算器293、294、295と増幅率設定手段292とは、慣性力調整手段を構成している。こうして、慣性力調整手段は、複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように、その差異に応じて少なくとも一方の可動部の慣性力を調整する。
第1、第2の円筒形の圧電素子200、210は、共通電極209と219を電気的に接地し、相対する電極(201と203、202と204、211と213、212と214)の電圧を制御する。
これにより、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200、210の屈曲、伸縮を各電圧に印加する電圧で制御できる。それゆえ、この圧電素子の上部に配置した移動台205と重り215をそれぞれ3次元方向に駆動することができる。
このように結線したときの駆動信号x、y、zと各電極の電圧の関係は、電極201〜204に印加する電圧をa〜d、電極211〜214に印加する電圧をa’〜d’とすると、以下のように表される。下記の式では、駆動信号x、y、zの電圧をX、Y、Zで示す。
このとき、増幅率Ax、Ay、Azはそれぞれ、円筒形の圧電素子200と210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。
本実施例によれば、駆動部の質量や、圧電素子の特性が変化しても、加速度センサ290が支持部の加速度を検出し、増幅率設定手段292が、増幅率を適切に設定することで常に複数の可動部による慣性力がキャンセルされた状態で駆動することができる。
図6は、本発明の実施例3の移動ステージを説明する図である。支持体101の内側に、移動台102、103がそれぞれ4本の平行ヒンジバネ104、105で、図中で水平方向に移動できるように支持され固定されている。
また、圧電アクチュエータ106、107は、一端を支持体101に結合され、他方がそれぞれ移動台102、103に結合されている。
2つの圧電アクチュエータ106、107は、電圧を印加すると長さが図中で左右方向に伸びるように分極処理が施されている。
前記検出した検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段の構成が、つぎのように構成されている。
本実施例では、駆動信号発生手段191において、駆動信号aを発生するように構成されている。
そして、駆動信号発生手段191により生成された駆動信号aは、増幅器110で増幅され、圧電アクチュエータ107を駆動する。
一方、駆動信号aは、掛算器193において増幅率設定手段192の出力dと掛け合わされ、掛算器出力bとなる。掛算器出力bは、増幅器111で増幅され、圧電アクチュエータ106を駆動する。
増幅率設定手段192は、圧電アクチュエータ106の非駆動時に同アクチュエータに生じた電圧に基づき、増幅率を設定し出力する。切り替えスイッチ194は増幅器111と増幅率設定手段192のいずれかを圧電アクチュエータ106に接続する。
ステージ駆動信号aは、移動台が往復移動をするようなノコギリ波である。当初、掛算器193の設定値は0に設定され、かつ圧電アクチュエータ106は増幅率設定手段192に接続される。移動台102及びその搭載物の移動の反力は支持体101を介して、移動台103に移動を生じさせる。この結果、圧縮又は伸長された圧電アクチュエータ106には電圧が生じ、増幅率設定手段192により検出値cとして検出される。この値に応じて移動台102及びその搭載物の移動の反力をキャンセルする増幅率が決定される。
次に圧電アクチュエータ106を増幅器111に接続し、増幅率設定手段192は掛算器193の設定値を前述の増幅率になるように徐々に上げてゆく。このように増幅率を徐々に変化させることで、圧電アクチュエータ106に急激な電圧がかかることによる損傷や機構上の損傷を防ぐことが出来る。なお、ステージ駆動信号aが0になる点で前述の増幅率に設定する事や、同駆動信号をいったん停止して増幅率の設定を行うことでも同様の効果を得られる。
以上のように構成した本実施例のステージでは、移動台102、103が相対する方向に、かつ慣性力が等しくなるように駆動されるので、移動台が移動可能に固定支持されている支持体101に伝わる慣性力が相殺される。
そのため、高速な走査を行っても振動の少ない駆動ステージを提供することができる。また、増幅率設定手段192が、片方のステージを駆動した結果、他方のステージに生じた慣性力に応じて増幅率を設定するので、搭載物の質量が変化しても振動が増加することのない移動ステージを提供することができる。
図8に実施例4の駆動ステージの斜視図を示す。本ステージは、図8に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが2つ同心円状に重った構造をしている。
第1の円筒形の圧電素子500の内側に第2の円筒形の圧電素子510が同心円状に配置されている(図9では分解して表示)。
第1の円筒形の圧電素子500の外周には、4分割された電極501〜504が配置されており(ただし504は図8では裏側にあたるため不図示)、内周には、共通電極509が配置されている。
第1の円筒形の圧電素子500の上部には移動台505が接合されており(図8では分解して表示)、下部は圧電素子固定部581を介して支持部580に接合され固定されている。
また、第2の円筒形の圧電素子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9では裏側にあたるため不図示)、内周には共通電極519が配置されている。
上部には重り515が接合されており(図8では分解して表示)、下部は圧電素子固定部582を介して支持部580に接合されている。
そして、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ように構成されている。
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、伸縮を各電圧に印加する電圧で制御できる。それゆえ、この圧電素子の上部に配置した移動台505と重り515をそれぞれ3次元方向に駆動することができる。
図10のように結線したときの駆動信号x、y、zと各電極の電圧の関係は、電極501〜504に印加する電圧をa〜d、電極511〜514に印加する電圧をa’〜d’とすると、以下のように表される。
Sz=(a”+c”)/2
Sx=Sz−a”
Sy=Sz−b”
なお、使用する電圧値の組み合わせは適宜選択可能であることはいうまでもない。
また、平均化による精度向上のため、より多くの電圧値を組み合わせて使用することも可能である。
さらに、前述の駆動信号のように回路により演算を行ってもかまわない。
また、高速に情報の記録再生を行っても振動によるエラーの生じにくい情報記録再生装置や、高速に加工を行っても精度の低下しない加工装置等を実現することができる。
また、本発明の駆動ステージは、試料が可動部に載置され、試料を探針に対して走査移動させる試料用の駆動ステージだけではなく、探針を可動部に取り付けて探針を試料に対して走査移動させる探針用の駆動ステージに用いることもできる。
102、103:移動台
104、105:平行ヒンジバネ
106、107:圧電素子
110:増幅器
111:増幅器
190:加速度センサ
191:駆動信号発生手段
192:増幅率設定手段
193:掛算器
194:切り換えスイッチ
200:第1の円筒形の圧電素子
201〜204:4分割された電極
205:移動台
210:第2の円筒形の圧電素子
211〜214:4分割された電極
215:重り
280:支持部
281、282:圧電素子固定部
290:3軸加速度センサ
292:増幅率設定手段
500:第1の円筒形の圧電素子
501〜504:4分割された電極
505:移動台
510:第2の円筒形の圧電素子
511〜514:4分割された電極
515:重り
580:支持部
581、582:圧電素子固定部
592:増幅率設定手段
Claims (8)
- 支持体と、前記支持体に固定された少なくとも2つ以上の複数の可動部と、
前記複数の可動部を駆動する2つ以上の駆動素子と、を備え、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慣性力が互いに相殺される方向に駆動される走査型プローブ装置における駆動ステージにおいて、
複数の可動部の慣性力の差を検出する慣性力差検出手段と、
前記慣性力差検出手段の検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段と、
を有することを特徴とする走査型プローブ装置における駆動ステージ。 - 前記慣性力調整手段は、前記可動部を駆動する駆動信号の増幅率を、前記複数の可動部の慣性力の差異に応じて調整可能に構成され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装置における駆動ステージ。
- 前記駆動素子は、それぞれ圧電素子で構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の走査型プローブ装置における駆動ステージ。
- 前記駆動素子は円筒形の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第1の円筒形の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第2の円筒形の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の走査型プローブ装置における駆動ステージ。
- 前記慣性力差検出手段は、前記支持体に設けられた3軸加速度センサであることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ装置における駆動ステージ。
- 支持体と、前記支持体に固定された少なくとも2つ以上の複数の可動部と、
前記複数の可動部を駆動する2つ以上の駆動素子と、を備え、
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慣性力が互いに相殺される方向に駆動される走査型プローブ装置における駆動ステージにおいて、
前記2つ以上の駆動素子におけるいずれかの駆動素子を駆動した状態で、他の非駆動状態にある駆動素子から出力される出力信号を受けて、前記複数の可動部の慣性力の差を検出すると共に、
前記検出した検出出力に基づいて、前記複数の可動部の慣性力の差異を減ずるように調整する慣性力調整手段を有することを特徴とする走査型プローブ装置における駆動ステージ。 - 前記慣性力調整手段は、前記出力信号を受けて増幅率を設定し出力する増幅率設定手段であることを特徴とする請求項6に記載の走査型プローブ装置における駆動ステージ。
- 試料に対し探針を相対的に駆動する駆動ステージを備え、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置において、
前記駆動ステージとして、請求項1乃至7のいずれかに記載の駆動ステージを有することを特徴とする走査型プローブ装置。
Priority Applications (2)
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