JP2009162772A - 走査プローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料保持台や探針を交換しながら走査プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制する。
【解決手段】探針と、走査ステージ４００とを有し、探針と走査ステージ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、走査ステージは、試料を保持する試料保持台と、該試料保持台を移動させるための駆動素子と、駆動素子を支持する駆動素子支持体４０２とを有し、駆動素子は、第１の駆動素子と、第２の駆動素子と、第３の駆動素子と、を含み、第１の駆動素子４０３の中央部に第２の駆動素子４０４の一端が接合され、該第２の駆動素子の中央に第３の駆動素子４０５の一端が接合され、第２の駆動素子の他端には釣合い重り部材４０９が接合され、走査ステージは、装置本体に対して、一体的に交換可能に構成される。
【選択図】図４

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７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８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

ＳＰＭでは、観察すべき試料の大きさや観察すべき情報に応じて、装置の規模が異なっている。具体的には、小さい試料で観察すべき視野（走査範囲）が狭いものは、小さな駆動ステージを用い、また、走査範囲が広いものは、大きな駆動ステージを用いることがある。

一方、探針は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であれば、同じ探針を用いることができるので、ＳＰＭ本体から走査ステージを取り外し、別の走査ステージをＳＰＭ本体に装着する使用法、即ち走査ステージのみを交換することがある。

上述したように、慣性力を相殺するような可動部（カウンター質量、釣り合い錘）を持つ走査ステージの場合、走査ステージのみを交換すると、カウンター質量との釣り合い関係が維持できず、期待するような慣性力の相殺がなされない場合がある。

特に、走査ステージ或いはカウンター質量の駆動素子（アクチュエータ）として圧電素子のような電気機械変換体を用いる場合、使用に伴って駆動素子の動作性能が経過変化してしまう。よって、走査ステージのみを交換してＳＰＭの使用を続けると、カウンター質量の駆動素子の劣化が進む一方で、走査ステージは交換によりリフレッシュされる。よって、印加電圧に対する変位量は、カウンター質量の駆動素子と走査ステージの駆動素子との間で、異なることになり、走査ステージに発生する慣性力の相殺はより一層困難になってしまう。

このような課題は、試料を固定し、探針を走査する方式のＳＰＭにおいて、探針とそれを走査する駆動素子を交換する場合にも同様であることが判明した。

上述した課題を解決するための本発明の骨子は、
探針と、走査ステージと、を有し、前記探針と前記走査ステージとを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は前記試料の加工を行う走査プローブ装置において、
前記走査ステージは、前記試料を保持する試料保持台と、
該試料保持台を移動させるための駆動素子と、
前記駆動素子を支持する駆動素子支持体と、を有し、
前記駆動素子は、第１の方向に伸縮可能な第１の駆動素子と、第２の方向に伸縮可能な第２の駆動素子と、第３の方向に伸縮可能な第３の駆動素子と、を含み、
前記第１の駆動素子の中央部に前記第２の駆動素子の一端が接合され、該第２の駆動素子の中央に前記第３の駆動素子の一端が接合され、
前記第２の駆動素子の他端には釣合い重り部材が接合されており、
前記走査ステージは、装置本体に対して、一体的に交換可能に構成されていることを特徴とする。

また、本発明の別の骨子は、
探針と、試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料ステージ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、前記駆動素子を支持する駆動素子支持体と、を有する駆動ステージに設けられ、
前記駆動素子は、第１の方向に伸縮可能な第１の駆動素子と、第２の方向に伸縮可能な第２の駆動素子と、第３の方向に伸縮可能な第３の駆動素子と、を含み、
前記第１の駆動素子の中央部に前記第２の駆動素子の一端が接合され、該第２の駆動素子の中央に前記第３の駆動素子の一端が接合され、
前記第２の駆動素子の他端には釣合い重り部材が接合されており、
前記駆動ステージは、装置本体に対して、一体的に交換可能に構成されていることを特徴とする。

試料保持台や探針を交換しながら走査プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することができる。

参考の形態による走査ステージの構成を示す断面図。 参考の形態による走査ステージの構造を説明するための模式図。 参考の形態による走査ステージの駆動方法を説明するための模式図。 第１の実施の形態による走査ステージの構成を示す斜視図。 第１の実施の形態による走査ステージの構成を示す平面図。 第２の実施の形態による走査プローブ装置を示す模式図。 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。

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。これは探針（プローブ）もしくは試料を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、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）などの総称である。

走査型プローブ顕微鏡は、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。上述の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、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加工を行う、走査プローブ装置である。

そして、この走査プローブ装置においては、
（１）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、
前記試料ステージは、前記試料保持台と前記駆動素子と前記可動部とが一体的に、装置本体に対して、着脱可能に構成されていることを特徴とする。

或いは、この走査プローブ装置においては、
（２）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、
前記駆動ステージは、前記探針台と前記駆動素子と前記可動部とが一体的に、装置本体に対して、着脱可能に構成さ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。

本発明に用いられる可動部とは、いわゆるカウンター質量そのもの、或いは、カウンター質量とそれを動かす電気機械変換体との組み合わせ、又は、カウンター質量を兼ねた電気機械変換体そのものでありうる。

本発明に用いられる試料保持台としては、その上に試料を載せるだけの部材であってもよいし、吸着手段を備えて試料が試料保持台上で動かないように固定する部材であってもよい。

また、本発明においては、ステージの装着とともに、ステージの電気接続コネクタと装置本体の電気接続コネクタとが接続され、ステージの取り外しとともに、ステージの電気接続コネクタと装置本体の電気接続コネクタと接続状態が遮断される構成であるとよい。

（参考形態１）
図１は、ＳＰＭに用いられる走査ステージの断面図、図２は走査ステージの構成を説明するための模式図である。

走査ステージは、必要に応じて、例えば金属製の外装部１を有しており、ＳＰＭ装置本体の凹部２にかん合するように交換可能に取り付けられる。又、必要に応じて螺子などで装置本体と走査ステージとを固定してもよい。

走査ステージの底部支持体９の外側と装置本体の凹部２の底面には電気接続コネクタ３、４が設けられており、走査スキャナを凹部２にかん合させた時に互いに接続され、外部から試料保持台の駆動素子であるスキャナ駆動素子５００と、カウンター駆動素子５１０とを駆動するための信号が供給される。

スキャナ駆動素子は円筒状の圧電素子であり、その上部に円盤状の試料保持台５０５を有している。一方、カウンター駆動素子は直径がスキャナ圧電素子より小さい円筒形の圧電素子であり、その上部にカウンター質量５１５を有している。

装置本体の制御回路６から出力されたＸ駆動信号、Ｙ駆動信号、Ｚ駆動信号に基づいて、駆動回路５で信号が適宜圧電素子を駆動するに適した電圧信号に変換され、スキャナ駆動素子５００と、カウンター駆動素子５１０とに印加される。

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。

図２に本発明の一参考形態の走査ステージの構成を示す。本ステージは、図２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２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２では裏側にあたるため不図示）、その上部には試料保持台５０５が接合されている（図２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２では裏側にあたるため不図示）、上部にはカウンター質量５１５が接合されている（図２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。ここで、変形例として、５０１〜５０４はＸＹ走査用に使用し、Ｚ軸駆動用に別の圧電素子を設けてもよい。つまり５０１〜５０４の上方にＺ用圧電素子を載せた構成であってもよい。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、この圧電素子の上部に配置した移動台５０５とカウンター質量５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。

図３は、本ステージの結線図を示した図である。本結線図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。駆動時の変形の様子は、特許文献２と同じであり、図７と同様に、円筒形圧電素子５００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子５１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。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のが望ましい。以上のように構成された本発明は、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ので、走査ステージの重心の移動がゼロ又は無視し得る程度に充分小さい。よって、高速に試料保持台を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。

そして、走査用の圧電素子のみを交換可能にするのではなく、底部支持体９に走査用圧電素子と慣性力相殺用の圧電素子を固定し、低部支持体９を装置本体に対して着脱可能として、両圧電素子を一体的に交換可能とする。

こうして、試料保持台を交換しながらＳＰＭの使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することができる。

また、試料保持台５０５に代えて、カンチレバーと探針とを取り付ければ、探針の走査ステージとなる。

（実施形態１）
本発明の第１の実施の形態について図４と図５を参照して説明する。本実施の形態の走査ステージ４００は、図４と図５に示されるように、ＳＰＭ本体側の走査ステージ保持台４０１と、これに交換可能に固定された駆動素子支持体４０２と、を有する。そして、駆動素子支持体４０２には駆動素子保持部材４０６、４０７が設けられている。駆動素子保持部材４０６、４０７は、駆動素子４０３を保持している。駆動素子４０３の一端には駆動素子４０４が固定され、駆動素子４０４の一端には駆動素子４０５が固定され、駆動素子４０４の他端には釣り合い重り部材４０９が固定されている。駆動素子４０５の一端には、試料保持台４０８を有している。

駆動素子４０３，４０４，４０５は、積層圧電体であり、さらに、釣り合い重り部材４０９も同等の積層圧電体である。駆動素子４０５はＺ方向（第一の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子４０４の一方の端部に接合されている。釣り合い重り部材４０９は駆動素子４０５とほぼ同じ重量を有しており、その中央付近が駆動素子４０４の他方の端部に接合されている。駆動素子４０４はＹ方向（第二の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子４０３の端部に接合されている。駆動素子４０３はＸ方向（第三の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子保持部材４０６，４０７によって保持されている。

このように、支持体４０２が走査ステージ保持台４０１の凹部にかん合し、螺子などで着脱可能に固定される。こうして、釣り合い重り部材４０９とともに試料保持台４０８が一体的に走査ステージ保持台４０１に対して交換可能になっている。

このように、走査用の圧電素子４０５と試料保持台４０８のみを交換可能にするのではなく、支持体４０２に走査用駆動素子４０５と慣性力相殺用の駆動素子４０９を固定し、支持体４０２を装置本体側の走査ステージ保持台４０１に対して着脱可能とする。こうして、両圧電素子を一体的に交換可能に構成する。

本実施の形態においては、駆動素子４０５のＺ方向下部に試料保持台４０８と同質量のカウンター質量を設け、試料保持台４０８の動く方向と逆の方向にそれを動かすことも好ましいものである。これにより、Ｚ方向の重心移動を抑制し、Ｚ方向の振動を抑制できる。この場合、運動方向がより対象性を増し、かつＸＹＺの全てにカウンターを設けることが可能になる。

また、駆動素子４０３の４０４と逆の端部に、試料保持台４０８、駆動素子４０５、駆動素子４０４、釣り合い重り部材４０９の合計の質量と同質量のカウンター質量を設けて、試料保持台４０８のＸ方向の動きと逆に動かすことも好ましいものである。これにより、Ｘ方向の重心移動を抑制し、Ｘ方向の振動を抑制できる。

以上のように、試料保持台を交換しながらＳＰＭの使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することができる。

また、試料保持台４０８に代えて、カンチレバーと探針とを取り付ければ、探針の走査ステージとなる。

（実施形態２）
図６は第２の実施の形態による走査プローブ装置を示す。

１０は装置本体のフレーム、１１は装置本体の凹部、１２は試料を走査する走査ステージ、１３は試料、１４は装置本体の駆動ステージ用凹部、１５は駆動ステージ、１６はカンチレバー、１７は探針を示している。

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。

走査ステージ１２として、実施形態１又は２の走査ステージを用いることができる。

或いは、駆動ステージ１５として、実施形態１又は参考形態の走査ステージを用いることもできる。或いは、走査ステージ１２と駆動ステージ１５との両方に、実施形態１又は２の走査ステージを用いることもできる。

いずれの構成を採る場合においても、ステージ１２又はステージ１５の少なくともいずれか一方を交換可能に構成する場合には、カウンター質量とそれを駆動する駆動素子も、試料保持台又は探針とともに一体的に装置本体に対して着脱自在とする。

１ 外装部
２ 凹部
３、４ コネクタ
１６ カンチレバー
１７ 探針
５００ スキャナ駆動素子
５１０ カウンター駆動素子
５０５ 試料保持台
５１５ カウンター質量

Claims (4)

1. 探針と、走査ステージと、を有し、前記探針と前記走査ステージとを相対的に移動させながら、試料の情報を取得するか、又は前記試料の加工を行う走査プローブ装置において、
   前記走査ステージは、前記試料を保持する試料保持台と、
   該試料保持台を移動させるための駆動素子と、
   前記駆動素子を支持する駆動素子支持体と、を有し、
   前記駆動素子は、第１の方向に伸縮可能な第１の駆動素子と、第２の方向に伸縮可能な第２の駆動素子と、第３の方向に伸縮可能な第３の駆動素子と、を含み、
   前記第１の駆動素子の中央部に前記第２の駆動素子の一端が接合され、該第２の駆動素子の中央に前記第３の駆動素子の一端が接合され、
   前記第２の駆動素子の他端には釣合い重り部材が接合されており、
   前記走査ステージは、装置本体に対して、一体的に交換可能に構成さ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積層圧電体を有する請求項１記載の走査プローブ装置。
3. 探針と、試料ステージと、を有し、前記探針と前記試料ステージ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、前記駆動素子を支持する駆動素子支持体と、を有する駆動ステージに設けられ、
   前記駆動素子は、第１の方向に伸縮可能な第１の駆動素子と、第２の方向に伸縮可能な第２の駆動素子と、第３の方向に伸縮可能な第３の駆動素子と、を含み、
   前記第１の駆動素子の中央部に前記第２の駆動素子の一端が接合され、該第２の駆動素子の中央に前記第３の駆動素子の一端が接合され、
   前記第２の駆動素子の他端には釣合い重り部材が接合されており、
   前記駆動ステージは、装置本体に対して、一体的に交換可能に構成されていることを特徴とする走査プローブ装置。
4. 前記駆動素子及び前記可動部はそれぞれ積層圧電体を有する請求項３記載の走査プローブ装置。