JP3260682B2 - プローブ走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はプローブ走査装置
に関し、特に熱ドリフトの発生を極力低減できるように
したプローブ走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のプローブ走査顕微鏡のプローブ走
査装置として、本出願人が先に出願した特願平８ー１１
８０１５号がある。このプローブ走査装置は、図４に示
されているように、筐体１に、ｚ方向の粗動に使用され
るｚ方向ボイスコイルモータと、ｘ、ｙ方向の走査に使
用されるｘ、ｙ方向ボイスコイルモータが装着されてい
る。ｚ方向ボイスコイルモータは磁石２と、心棒部３
と、コイル６が巻回された可動部４から構成されてい
る。該可動部４はｚ方向のみに移動するようにするため
のメンブレン５により、筐体１に支持されている。一
方、前記ｘ方向ボイスコイルモータは、磁石２１と、心
棒部２２と、コイル２５が巻回された可動部２３から構
成されている。なお、ｙ方向ボイスコイルモータは図示
されていないが、前記ｘ方向ボイスコイルモータと同一
の構成をしており、該ｘ方向ボイスコイルモータと９０
°離れた位置に設置されている。

【０００３】前記ｚ方向ボイスコイルモータの可動部４
にはｚ方向に延びるスピンドル８の一端が固定されてい
る。該スピンドル８の他端には、変位検出器９が装着さ
れており、該変位検出器９にカンチレバーなどの探針１
０が装着されている。また、該スピンドル８は、その中
央部で第１のばね１１により、またその下端部で第２の
ばね１２により中筒１３に支持されている。

【０００４】前記筐体１には、試料室に突出する細管部
１４とこれに連なる太管部１５とを有し、該太管部１５
の一部にはヒータ用コイル１６が巻回されている。該太
管部１５と前記中筒１３との間には、例えばグリコール
フタレート等のポリマ類からなる粘性体１７が挿入され
ている。該粘性体１７は、室温では固体と同様の性質を
示し、前記ヒータ用コイル１６に通電することにより加
熱されると、粘性を示すようになる。

【０００５】前記した構成のプローブ走査顕微鏡におい
て、試料台３１上に載置された試料３２を観察する時に
は、前記ヒータ用コイル１６に通電して粘性体１７を軟
化させ、ｚ方向ボイスコイルモータを駆動して、探針１
０が試料３２の表面に接触またはほぼ接触する位置まで
接近させられる。探針１０と試料３２の表面との距離が
所定の距離になると、ｚ粗動は終了し、ヒータ用コイル
１６への通電は停止される。このため、粘性体１７は室
温まで徐々に下がりやがて固化する。この結果、中筒１
３と太管部１５とは、強固に固定される。その後、前記
ｘ、ｙ方向ボイスコイルモータが駆動されて、探針１０
による試料表面の観察が開始される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記したように、ｚ粗
動時には、ヒータ用コイル１６に電流を流し、粘性体１
７を加熱して軟化させる動作が行われる。従来装置で
は、この時に発生した熱が、熱平衡に達するまでに時間
がかかり、測定を開始するまでに要する待ち時間が長く
なるという問題があった。また、熱平衡に達するまでに
測定を開始すると、熱ドリフトの発生が大きく、高分解
能の観察ができないという問題があった。

【０００７】この発明の目的は、前記した従来技術の問
題点を除去し、ｚ粗動時の発熱に起因する熱ドリフトの
発生を極力抑えることのできるプローブ走査装置を提供
することにある。他の目的は、前記ｚ粗動時の発熱に対
して、短時間に熱平衡状態になるような構成のプローブ
走査装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、筐体に支持された太管部と、該太管部
の内側に粘性体を介して支持された中筒と、該中筒に弾
性的に支持されかつ該中筒内をその軸方向に粗動するよ
うに構成されたスピンドルとを備え、前記粘性体を加
熱、軟化させて前記粗動を行うようにしたプローブ走査
装置において、前記筐体、前記太管部および前記細管部
を同一の材料で形成した点に第１の特徴がある。また、
前記粘性体を、断熱性の粘性体とした点に第２の特徴が
ある。また、前記太管部の長さを、該太管部の上端から
細管部の下端までの長さをＬとした時、１／４Ｌ〜１／
３Ｌにした点に第３の特徴がある。また、前記スピンド
ルの下端に、金属円板を複数個、その中心を棒材で連結
した熱絞りを該スピンドルと同軸となるように結合し、
該熱絞りに探針を取付け、該探針が該スピンドルの延長
線上に来るようにした点に第４の特徴がある。

【０００９】本発明の前記各特徴によれば、ｚ粗動時に
発生した熱が平衡状態に達する時間を従来のものに比べ
て大幅に短縮することができる。また、熱ドリフトの発
生を大きく抑制できるようになる。この結果、プローブ
走査顕微鏡の操作性が向上すると共に、高分解能の測定
が可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の要部の
断面図であり、図４と同一の符号は同一または同等物を
示す。本実施形態では、筐体１、細管部１４、太管部１
５および中筒１３を、熱伝導率の良い同一の材質の材料
で構成した。該材料の一例としては、Ａｌ、あるいはＡ
ｌ合金が好適である。この実施形態によれば、太管部１
５のコイル位置で発生した熱は、細管部１４、筐体１お
よび中筒１３に短時間に伝導する。この時、筐体１、太
管部１５および中筒１３は同一の材料で構成されている
ので、これらの線膨張率は等しくなり、短時間に熱平衡
に達して該中筒１３に支持された探針１０の熱ドリフト
を低減することができるようになる。

【００１１】次に、本発明の第２実施形態を説明する。
この実施形態は、図１の粘性体１７をポリマ粘性体のよ
うな断熱材で構成し、中筒１３に伝導する熱量を低減し
たものである。本実施形態によれば、中筒１３の温度上
昇を抑制することができるので、中筒１３の線膨脹を低
減することができる。このため、該中筒１３に支持され
た探針１０の熱ドリフトを低減することができるように
なる。

【００１２】次に、本発明の第３実施形態を説明する。
この実施形態では、太管部１５の長さａを、太管部１５
の上端から中筒１３の下端までの長さをＬとした時、１
／４Ｌ〜１／３Ｌにした点に特徴がある。ここに、実際
の装置では、Ｌは５ｃｍ程度である。本実施形態によれ
ば、太管部１５の長さが極力短くされているので、太管
部１５に巻回されたコイルから発生された熱は、細管部
１４を通って熱容量の大きな筐体１に伝導され、粘性体
１７を介して中筒１３に伝導される熱を低減することが
できる。このため、該中筒１３の温度上昇は低減され、
探針１０の熱ドリフトを低減することができるようにな
る。

【００１３】次に、本発明の第４実施形態を、図２を参
照して説明する。図２は、該実施形態の要部の断面面で
ある。この実施形態では、スピンドル８の下端に熱絞り
３４が固着され、その下端に探針１０が取付けられてい
る。この探針１０は針先がスピンドル８の軸の延長線上
に来るように、前記熱絞り３４に取付けられている。熱
絞り３４は図３に示されているように、Ａｌのような材
料で形成された円板を複数個、好ましくは２個、これら
の中心を同材質のパイプまたは棒で連結した構成をして
いる。このため、スピンドル８を介して上板３４ａに熱
が伝わると、熱はまず上板３４ａで吸収され、次いでそ
の中心に結合された前記パイプまたは棒を介して下板３
４ｂに伝達される。下板３４ｂに伝達された熱は、その
中心から均一に放射状に広がり、下板３４ｂは放射状に
熱膨脹する。このとき、探針１０のカンチレバーも同等
の膨脹をする。この結果、探針１０の針先は、常にスピ
ンドル８の軸の延長線上に保持され、熱ドリフトを大き
く低減できるようになる。なお、試料３２の載置台３３
上にも熱絞り３５を配置すると、試料３２の熱ドリフト
を大きく低減できるようになり、プローブ走査顕微鏡の
熱ドリフトの発生をさらに大きく低減できるようにな
る。

【００１４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ｚ粗動によって生じた熱は短時間で熱の平衡
状態に達する。このため、ｚ粗動後短時間で測定を開始
できるようになり、操作性を大きく向上させることがで
きる。また、熱ドリフトの発生を抑制できるので、高分
解能の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の要部の断面図である。

【図２】本発明の他の実施形態の要部の断面図である。

【図３】図２の熱絞りの一具体例を示す斜視図である。

【図４】従来装置の断面図である。

【符号の説明】

１ 筐体、 ８ スピンドル、 ９ 変位検出器 １０ 探針、 １１、１２ 第１のばね、第２のばね、 １３ 中筒、 １４ 細管部、 １５ 太管部、 １６ ヒータ用コイル、 １７ 粘性体、 ３２ 試料、 ３３ 試料台、 ３４、３５ 熱絞り。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−304401（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−304402（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−281120（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−121603（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−184600（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−142237（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−113519（ＪＰ，Ａ) 特表 平10−507541（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 21/30 H01J 37/28 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筐体に支持された太管部と、該太管部の
   内側に粘性体を介して支持されており探針を支持してい
   る中筒と、該中筒に弾性的に支持されかつ該中筒内をそ
   の軸方向に粗動するように構成されたスピンドルとを備
   え、前記粘性体を加熱、軟化させて前記粗動を行うよう
   にしたプローブ走査装置において、 前記筐体、前記太管部および前記中筒を同一の材料で形
   成したことを特徴とするプローブ走査装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプローブ走査装置におい
   て、 前記同一の材料は、熱伝導率の良い金属材料であること
   を特徴とするプローブ走査装置。
3. 【請求項３】 筐体に支持された太管部と、該太管部の
   内側に粘性体を介して支持されており探針を支持してい
   る中筒と、該中筒に弾性的に支持されかつ該中筒内をそ
   の軸方向に粗動するように構成されたスピンドルとを備
   え、前記粘性体を加熱、軟化させて前記粗動を行うよう
   にしたプローブ走査装置において、 前記スピンドルの下端に、複数個の金属円板を、その中
   心を棒材で連結して形成した熱絞りを該スピンドルと同
   軸となるように結合し、該熱絞りに探針を取付けたこと
   を特徴とするプローブ走査装置 。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のプローブ走査装置にお
   いて、 前記スピンドルの延長線上に探針がくるよう
   に、該探針を取付けたことを特徴とするプローブ走査装
   置。