JP3917000B2 - プローブ走査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡等のプローブ走査装置に係り、特に、温度ドリフトやノイズの少ない計測を可能にするプローブ走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先に、本出願人は図１０に示したズーム機能を有するプローブ走査装置を発明し、特許出願した（特開平１０年２２１３４８号）。このプローブ走査装置の構成と動作を以下に簡単に説明する。
【０００３】
筐体１は、試料室に突出する細管部１４とこれに連なる太管部１５とを主要部とする走査管２０を有する。太管部１５の内側には中筒１３が粘性体１７を介して支持されている。太管部１５、中筒１３および細管部１４は同材質であり、それぞれの熱伝導度および熱膨脹係数は実質的に同一である。太管部１５の外側面には低融点金属ホルダ７４が固着されている。低融点金属ホルダ７４は、セラミックあるいはスーパーエンプラ等の断熱材料で構成され、その上面に形成された溝内に低融点金属（例えば、ｕアロイ）７５が断熱的に収容されている。
【０００４】
筐体１の上部には、第１のボイスコイルモータ（ＶＣＭ）が取付けられている。この第１のボイスコイルモータは、心棒部３を有する磁石２と、その周囲にコイル５が巻回されている可動子４ａと、可動子４ａに固着された可動子部品４ｂと、メンブレン６ａと、メンブレン６ａの外周を固着している固着部品６ｂとから構成されている。前記可動子部品４ｂには、ｚ方向に伸びるスピンドル８が固着されている。このスピンドル８の下側端部には、探針１０の変位量を検出する検出体９が装着されている。
【０００５】
前記スピンドル８は、中筒１３に保持されている第１、第２のばね１１、１２により弾性的に支持されている。前記太管部１５の外側であって粘性体１７に対向する位置には加熱コイル１６が巻回されている。加熱コイル１６は、探針１０のＺ方向への粗動時に粘性体１７を軟化させるために通電される。
【０００６】
前記筐体１の側部には、心棒部２２を有する磁石２１と、その周囲にコイル２４が巻回されている可動子２３ａと、可動子２３ａに固着された可動子部品２３ｂと、メンブレン２５と、このメンブレン２５の外周を固着している固着部品２５ａとからなる第２のボイスコイルモータが取付けられている。
【０００７】
さらに、前記筐体１の横部には、走査管２０の太管部１５がＸＹ方向に傾いた時に、可動子２３ａが心棒部２２または磁石２１に接触するのを防止するために、薄いリング状の板ばね２３ｃが設けられている。この薄いリング状板ばね２３ｃは、その外周部を筐体１とメンブレン固着部品２５ａとで押えられ、その内周部を可動子部品２３ｂとリング状ばね押え部品２３ｄとで押さえられている。可動子部品２３ｂおよびリング状ばね押え部品２３ｄには、ｘ方向に伸びるスピンドル２７が取り付けられている。スピンドル２７の解放端は、前記太管部１５の突起部１５ａに固着されている。
【０００８】
なお、図示は省略したが、前記第２のボイスコイルモータと９０°異なる方向に第３のボイスコイルモータが取り付けられている。第３のボイスコイルモータは、前記第２のボイスコイルモータと同一または同等の構成をしている。ｙ方向（紙面に垂直方向）スピンドルは、第３のボイスコイルモータの可動子に固着された可動子部品と前記太管部１５とを接続している。そして、第２および第３のボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１０はｘｙ方向に走査されることになる。前記探針１０と対向する位置には、図示しない試料台が設けられ、その上に試料が載置される。
【０００９】
細管部１４の外側には、一端が筐体１に固着された外管部７１が、細管部１４と同軸であって、かつ前記試料室に突出する方向に延びている。外管部７１の先端外周にはセラミック等から形成された断熱部材７２を介して熱伝導筒７３が装着されている。熱伝導筒７３の外周には加熱コイル７６が巻回されている。前記熱伝導筒７３の下側端部は、前記低融点金属ホルダ７４の低融点金属７５内に埋没している。
【００１０】
このような構成では、前記加熱コイル７６への通電を制御して低融点合金７５を溶融または凝固させることにより、走査管２０のばね合成を、細管部１４のみのばね剛性または細管部１４と外管７１とを加算したばね剛性のいずれかに切り換えることができる。これによりボイスコイルモータへ供給する駆動電流が同一であっても走査管２０のＸＹ方向の可動範囲を異ならせることができるので、ズーム機能を発揮させることができる。
【００１１】
試料を計測する際には、初めに太管部１５の加熱コイル１６に通電して粘性体１７の温度を上昇させ、その粘性を低下させる。次いで、ｚ方向のボイスコイルモータに通電してスピンドル８をｚ方向へ粗動させる。探針１０が試料表面に接触して、その撓み量が所定値に達すると、前記ボイスコイルモータへの通電が制限されて探針１０の降下が停止する。すなわち、粗動が完了する。
【００１２】
次いで、加熱コイル１６への通電を制限して粘性体１７の温度を予熱温度まで下げる。その結果、粘性体１７の粘性が大きくなり、太管部１５と中筒１３とが粘性体１７の粘性により略一体化定されるので試料の計測が可能になる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成のプローブ走査装置では、試料の表面形状を正確に計測するためには、探針１０のｘｙ方向への走査速度を遅くすることが望ましい。すなわち、ｚ軸の共振周波数は第１、第２のばね１１、１２の合力やｚ軸可動部の質量の関数なので、ｘ軸やｙ軸の走査速度を時間軸にしてｚ軸の変化を周波数分解したときの周波数成分に前記ｚ軸の共振周波数成分が含まれていると、この成分の振幅が大きく観察される。そして、このような共振現象はｘｙ方向の走査速度を遅くすることにより防止できる。
【００１４】
しかしながら、走査速度を遅くすると計測に要する時間が必然的に長くなる。そして、粘性体１７は予熱温度でも多少の粘性を有し、中筒１３が僅かずつではあるが太管部１５に対して降下または上昇する。したがって、計測時間が長くなると、中筒１３の降下または上昇量が大きくなり、ｚ方向に関するデータが前記降下または上昇量に相当する誤差を含んでしまう。
【００１５】
さらに、計測時に加熱コイル１６への通電が制限されると、太管部１５や中筒１３を含む各部の温度が徐々に低下して熱収縮するので、ｚ方向に関するデータも熱収縮量に相当する誤差を含んでしまう。
【００１６】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、走査速度の遅い計測においても高精度でノイズの少ない計測を可能にするプローブ走査装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、一端を筐体に支持されてｚ方向に延設された太管部と、前記太管部の内側を通る中筒と、前記中筒の先端に設けられた探針と、前記太管部と中筒との間に充填された粘性体と、前記太管部を加熱する第１の加熱手段と、前記太管部をｘｙ方向に揺動させる走査手段と、前記中筒を前記太管部に対してｚ方向へ駆動するボイスコイルモータと、前記第１の加熱手段に駆動電流を供給して前記粘性体の粘性を低下させる第１の温度制御手段と、前記探針を試料表面まで粗動させる粗動モード、および前記粗動後に探針と試料表面との相対位置が所定の関係を維持するように前記探針をｚ方向に微動させる計測モードとを備えた駆動手段とを具備したプローブ走査装置において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【００１８】
(1)太管部と中筒とを選択的に固定する固定手段を具備した。
【００１９】
(2)前記固定手段が、中筒に固定されて低融点金属を断熱的に収容する低融点金属ホルダと、太管部に断熱部材を介して固定され、その一端が前記低融点金属内に埋設されるように位置決めされた熱伝導性部材と、熱伝導性部材を加熱する第２の加熱手段と、熱伝導性部材の温度が粗動時には前記低融点金属が軟化する第１温度まで上昇し、計測時には前記低融点金属が硬化する第２温度まで低下するように前記第２の加熱手段へ供給する駆動電流を制御する第２の温度制御手段とを含み、前記第１の温度制御手段は、太管部の温度が粗動時には前記粘性体の粘性が低下する第３温度まで上昇し、前記計測時には第４温度までさらに上昇するように第１の加熱手段を制御することを特徴とする。
【００２０】
(3)ボイスコイルモータの駆動電流に含まれるオフセット電流を検出する手段をさらに具備し、第１の温度制御手段は、前記太管部の温度が、前記粗動時には前記粘性体の粘性が低下する温度まで上昇し、前記計測時には、前記オフセット電流が減少する温度に収束するように、前記第１の加熱手段へ供給する駆動電流を制御することを特徴とする。
【００２１】
(4)各温度制御手段は、各加熱手段に供給する駆動信号を計測時にホールドするホールド手段を含むことを特徴とする。
【００２２】
上記した特徴(1)によれば、中筒と太管部とが、固化した低融点金属により強固に固定されるので経時的な位置ズレを防止することができる。
【００２３】
上記した特徴(2)によれば、低融点金属が固化する温度まで熱伝導筒の温度を低下させても、熱伝導筒のｚ方向への熱収縮を太管部および中筒の熱膨張により相殺できる。
【００２４】
上記した特徴(3)によれば、計測時中の温度変化により生じる温度ドリフトを、ボイスコイルモータへのオフセット電流の供給によってではなく、太管部および中筒の熱膨張または熱収縮によって解消できる。
【００２５】
上記した特徴(4)によれば、計測中は第１および第２温度制御部の出力信号がホールドされるので、周囲温度の変化や制御系における温度揺らぎ等にかかわらずノイズの少ない画像を得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明を適用したプローブ走査装置の第１実施形態の主要部の構成を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２７】
本実施形態では、筐体１が熱膨張係数の極めて小さい材料、例えばスーパーインバー（３１％Ｎｉ−５％Ｃｏ−Ｆｅ）で構成されている。太管部１５の外周には加熱コイル１６が巻回されると共に、その温度を計測するための温度センサ９１が設けられている。太管部１５の先端部には、セラミックあるいはスーパーエンプラ等の断熱部材８２を介して筒状の熱伝導筒８３が固着されている。前記熱伝導筒８３の外周部には、加熱コイル８６が巻回されると共に、その温度を計測するための温度センサ９２が設けられている。中筒１３の外周には環状の低融点金属ホルダ８４が固着されている。前記低融点金属ホルダ８４は、セラミックあるいはスーパーエンプラ等の断熱材料で構成され、その上面に形成された溝内に低融点金属（例えば、ｕアロイ）８５が断熱的に収容されている。
【００２８】
外管部７１の先端外周にはセラミック等から形成された断熱部材７２を介して熱伝導筒７３が装着されている。熱伝導筒７３の外周には加熱コイル７６が巻回されると共に、その温度を計測するための温度センサ９３が設けられている。
【００２９】
前記熱伝導筒８３、低融点金属８５およびそのホルダ８４は、前記太管部１５と中筒１３とを計測時に相互に固定する固定手段として機能する。前記熱伝導筒８３および低融点金属ホルダ８４は、前記中筒１３の粗動範囲内では熱伝導筒８３の先端が前記低融点金属内８５に埋設されるように位置決めされる。
【００３０】
前記探針１０と対向する位置には試料台３１が設けられ、この試料台３１の上に試料３２が載置される。前記試料台３１は粗動ｘ、ｙ、ｚステージ３３上に搭載される。
【００３１】
前記各温度センサ９１，９２，９３の出力信号は、それぞれ温度監視部４０ａ、４０ｂ，４０ｃへ入力される。各温度監視部は、各温度センサの出力信号に基づいて各部の温度を演算し、演算結果を温度制御部４１へ通知する。温度制御部４１は、各部の温度が所定の温度に維持されるように、各加熱コイル１６，８６，７６へ供給する駆動電流を制御する。
【００３２】
このような構成のプローブ走査装置において、始めに太管部１５の加熱コイル１６に通電して粘性体１７の温度を上昇させ、その粘性を低下させる。その後、粘性体１７が所定の粘性を維持するように、温度センサ９１の出力信号に基づいて加熱コイル１６への通電が前記温度制御部４１により制御される。
【００３３】
次いで、加熱コイル８６に通電し、熱伝導筒８３の温度を上昇させて低融点金属８５を溶融させる。これにより、太管部１５と中筒１３との固定が解除される。
そして、ｚ方向のボイスコイルモータに通電してスピンドル８をｚ方向へ粗動させる。中筒１３は試料に向かって所定の速度で降下し、その先端に配置されている探針１０が試料表面に接近する。探針１０が試料表面に接触して、その撓み量が所定値に達すると、前記ボイスコイルモータへの通電が制限されて探針１０の降下が停止する。すなわち、粗動が完了する。
【００３４】
次いで、前記加熱コイル８６への通電を制限し、熱伝導筒８３の温度を低下させて低融点金属８５を固化させる。これにより、中筒１３と太管部１５とが強固に固定されて両者は実質的に一体化される。
【００３５】
次いで、探針１０と試料表面との距離が一定に保たれるようにｚ方向のボイスコイルモータを微動させながら探針１０をｘｙ方向へ走査すれば、ボイスコイルモータの駆動電流が試料の表面形状を代表できる。この間、本実施形態では中筒１３が太管部１５に対して位置ズレを起こすことがないので、ｘｙ方向走査速度が遅く、計測に長時間を要する場合であっても高精度の計測が可能になる。
【００３６】
また、本実施形態では上記した計測期間内は、各温度監視部４０が各部の温度を常時監視し、それぞれの温度が所定の温度に維持されるように、前記温度制御部４１が各加熱コイルへの通電を常時制御するので、温度ドリフトに影響されない高精度の計測が可能になる。
【００３７】
さらに、本実施形態では筐体１を熱膨張係数の極めて小さいスーパーインバーで構成したので、温度ドリフトの影響をさらに低減することができる。
【００３８】
図２は、本発明を適用したプローブ走査装置の第２実施形態の主要部の構成を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００３９】
上記した第１実施形態では、ｚ方向の粗動が完了した後、太管部１５と中筒１３とを固定するために加熱コイル８６への通電を制限して熱伝導筒８３の温度を低下させると、熱伝導筒８３が熱収縮して探針１０を上方へ引き上げてしまう。このとき、ｚ方向のボイスコイルモータには、この熱収縮分を補うためのオフセット電流が流れる。
【００４０】
ボイスコイルモータにオフセット電流が常時流れると、ｚ方向の観察範囲が狭くなるのみならず、ボイスコイルモータの発熱量が増えて各部が熱膨張するので、ｘ，ｙ，ｚの各方向に温度ドリフトが生じてしまう。
【００４１】
このような新たな技術課題を解決するために、次に説明する本発明の第２実施形態では、前記熱伝導筒８３の温度Ｔ83を低下させたときの当該熱伝導筒８３のｚ方向への実質的な熱収縮量（すなわち、探針１０の引き上げ量）と、前記太管部１５を粗動時の温度から所定温度まで更に上昇させたときの太管部１５および中管１３のｚ方向への実質的な熱膨張量（すなわち、探針１０の引き下げ量）との和とが一致して両者が相殺されるような前記所定温度Ｔ4を予め求めておく。そして、計測中は太管部１５の温度が前記所定温度に維持されるように加熱コイル１６への通電を制御するようにしている。
【００４２】
図２において、各温度センサ９１，９２，９３の出力信号は温度監視部６１へ入力される。温度監視部６１は、各温度センサの出力信号に基づいて各部の温度を演算し、演算結果を温度制御部６０ａ，６０ｂ，６０ｃへ提供する。各温度制御部６０は、各部の温度が所定の温度に維持されるように、各加熱コイル１６，８６、７６への通電を制御する。
【００４３】
ＶＣＭ駆動部６４は、検出体９により検出された探針１０の変位量に基づいてＺ方向のボイスコイルモータを駆動する。動作制御部６２は、動作モード（粗動モードまたは計測モード）に応じて各部を制御する。
【００４４】
図３は、前記第１および第２温度制御部６０ａ，６０ｂの主要部の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００４５】
第２温度制御部６０ｂにおいて、粗動時目標温度設定部６１１には、粗動時における熱伝導筒８３の目標温度Ｔ1として、前記低融点金属８５の融点よりも高い温度が設定されている。計測時目標温度設定部６１２には、計測時における熱伝導筒８３の目標温度Ｔ2として、前記低融点金属８５が固化する温度よりも低い温度Ｔ2が設定されている。但し、この温度が低すぎると計測時における熱伝導筒８３の熱収縮量が大きくなるので、本実施形態では前記固化温度よりも１〜２℃だけ低い温度に設定されている。
【００４６】
比較部６１４は、切換スイッチ６１３により選択される目標温度Ｔ1またはＴ2と前記温度センサ９２により検知された熱伝導筒８３の実温度Ｔ83とを比較し、その差分信号ΔＴをＰＩ制御部６１６へ出力する。ＰＩ制御部６１６は、前記差分信号ΔＴがゼロに収束するように、ドライバ回路６１８を介して前記加熱コイル８６へ駆動信号を供給する。
【００４７】
第１温度制御部６０ａにおいて、粗動時目標温度設定部６０１には、粗動時における太管部１５の目標温度Ｔ3として、前記粘性体１７の粘性が十分に低下する温度が設定されている。計測時目標温度設定部６０２には、計測時における太管部１５の目標温度Ｔ4が設定されている。この目標温度Ｔ4は、前記熱伝導筒８３の温度をＴ1からＴ2まで低下させたときの当該熱伝導筒８３のｚ方向への実質的な熱収縮量（すなわち、探針１０の引き上げ量）と、前記太管部１５の温度をＴ3からＴ4まで上昇させたときの太管部１５および中管１３のｚ方向への実質的な熱膨張量（すなわち、探針１０の引き下げ量）の和とが一致して両者が相殺されるような値に設定されている。
【００４８】
比較部６０４は、切換スイッチ６０３により選択される目標温度Ｔ3またはＴ4と前記温度センサ９１により検知された太管部１５の実温度Ｔ15とを比較し、その差分信号ΔＴをＰＩ制御部６０６へ出力する。ＰＩ制御部６０６は、前記差分信号ΔＴがゼロに収束するように、ドライバ回路６０８を介して前記加熱コイル１６へ駆動信号を供給する。
【００４９】
次いで、図４のフローチャートを参照して本実施形態の動作を詳細に説明する。なお、初期状態では動作制御部６２が粗動モードで動作し、第１温度制御部６０ａでは切換スイッチ６０３により粗動時目標温度Ｔ3が選択され、第２温度制御部６０ｂでは切換スイッチ６１３により粗動時目標温度Ｔ1が選択されているものとする。
【００５０】
ステップＳ１では、第１および第２温度制御部６０ａ，６０ｂが付勢されて加熱コイル１６，８６に駆動電流が供給され、太管部１５および熱伝導筒８３の温度が上昇する。ステップＳ２では、温度センサ９１により検知される太管部１５の温度Ｔ15および温度センサ９２により検知される熱伝導筒８３の温度Ｔ83が、それぞれ前記目標温度Ｔ3，Ｔ1に達したか否かが判定される。
【００５１】
太管部１５および熱伝導筒８３の温度がいずれも前記目標温度に到達すると、ステップＳ３では、ＶＣＭ駆動部６４が付勢されてスピンドル８がｚ方向へ粗動される。ステップＳ４では、探針１０が試料表面に到達したか否かが探針１０の撓み量に基づいて判定される。探針１０が試料表面に到達したと判定されると、ステップＳ５において、ＶＣＭ駆動部６４によるボイスコイルモータへの通電が制限されて探針１０の降下が停止する。すなわち、粗動が完了して計測モードへ移行する。
【００５２】
計測モードでは、ステップＳ６において、第１温度制御部６０ａの切換スイッチ６０３が計測時目標温度（Ｔ4）側に切り換えられ、第２温度制御部６０ｂの切換スイッチ６１３が計測時目標温度（Ｔ2）側に切り換えられる。
【００５３】
ステップＳ７では、熱伝導筒８３の温度Ｔ83が前記計測時目標温度Ｔ2まで低下したか否かが判定される。熱伝導筒８３の温度Ｔ83が目標温度Ｔ2まで低下して、太管部１５と中筒１３とが一体化されると、ステップＳ８では、太管部１５の温度Ｔ15が前記計測時目標温度Ｔ4に到達したか否かが判定される。太管部１５の温度Ｔ15が前記目標温度Ｔ4に到達していると、ステップＳ９において計測が行われる。
【００５４】
本実施形態によれば、熱伝導筒８３の温度を低下させて太管部１５と中筒１３とを一体化する際に生じるｚ方向の温度ドリフトが、ボイスコイルモータへのオフセット電流の供給によってではなく、太管部１５および中筒１３の熱膨張によって解消される。したがって、ｚ方向のボイスコイルモータにオフセット電流を流し続けることにより生じ得る温度ドリフトを完全に防止できる。
【００５５】
図５は、本発明を適用したプローブ走査装置の第３実施形態の主要部の構成を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態では、前記ＶＣＭ駆動部６４から出力される駆動信号に含まれるオフセット電流を検出するオフセット電流検出部６３を設け、前記第１温度制御部６０ａが前記太管部１５の温度を、粗動時には粘性体１７の粘性が低下する温度まで上昇させ、計測時には前記オフセット電流が減少する温度に収束させるようにした点に特徴がある。
【００５６】
図６は、前記第１および第２温度制御部６０ａ，６０ｂの主要部の構成を示したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００５７】
第１温度制御部６０ａにおいて、粗動時目標温度設定部６０１には、粗動時における太管部１５の目標温度Ｔ3として、前記粘性体１７の粘性が十分に低下する温度が設定されている。比較部６０４は、前記粗動時目標温度Ｔ3と前記温度センサ９１により検知された太管部１５の実温度Ｔ15とを比較して差分信号ΔＴを出力する。
【００５８】
切換スイッチ６０５は、前記オフセット電流検出部６３により検知されたオフセット電流値を代表するオフセット信号Ｓoffまたは前記差分信号ΔＴをＰＩ制御部６０６へ出力する。ＰＩ制御部６０６の出力信号はドライバ回路６０８を介して前記加熱コイル１６へ供給される。
【００５９】
第２温度制御部６０ｂにおいて、粗動時目標温度設定部６１１には、粗動時における熱伝導筒８３の目標温度Ｔ1として、前記低融点金属８５の融点よりも高い温度が設定されている。計測時目標温度設定部６１２には、計測時における熱伝導筒８３の目標温度Ｔ2として、前記低融点金属８５が固化する温度よりも低い温度Ｔ2が設定されている。
【００６０】
比較部６１４は、切換スイッチ６１３により選択された目標温度Ｔ1またはＴ2と前記温度センサ９２により検知された熱伝導筒８３の実温度Ｔ83とを比較し、その差分信号ΔＴをＰＩ制御部６１６へ出力する。ＰＩ制御部６１６の出力信号はドライバ回路６１８を介して前記加熱コイル８６へ供給される。
【００６１】
次いで、図７のフローチャートを参照して本実施形態の動作を詳細に説明する。なお、初期状態は粗動モードであり、第１温度制御部６０ａでは切換スイッチ６０５により比較器６０４が選択され、第２温度制御部６０ｂでは切換スイッチ６１３により粗動時目標温度（Ｔ1）側が選択されているものとする。
【００６２】
ステップＳ１では、第１温度制御部６０ａおよび第２温度制御部６０ｂが付勢されて加熱コイル１６，８６に駆動電流が供給され、太管部１５および熱伝導筒８３の温度が上昇する。ステップＳ２では、温度センサ９１により検知される太管部１５の温度Ｔ15および温度センサ９２により検知される熱伝導筒８３の温度Ｔ83が、それぞれ前記目標温度Ｔ3，Ｔ1に達したか否かが判定される。
【００６３】
太管部１５および熱伝導筒８３の温度がいずれも目標温度に到達すると、ステップＳ３では、ＶＣＭ駆動部６４が付勢されてスピンドル８がｚ方向へ粗動される。ステップＳ４では、探針１０が試料表面に到達したか否かが探針の撓み量に基づいて判定される。探針１０が試料表面に到達したと判定されると、ステップＳ５において、ＶＣＭ駆動部６４によるボイスコイルモータへの通電が制限されて探針１０の降下が停止する。すなわち、粗動が完了して計測モードへ移行する。
【００６４】
計測モードでは、ステップＳ６において、第２温度制御部６０ｂの切換スイッチ６１３が計測時目標温度（Ｔ2）側に切り換えられる。ステップＳ７では、第１温度制御部６０ａの切換スイッチ６０５がオフセット信号Ｓoff側に切り換えられる。ステップＳ８では、熱伝導筒８３の温度Ｔ83が目標温度まで低下したか否かが判定される。ステップＳ９では、オフセット信号Ｓoffが安定したか否かが前記動作制御部６２において判定される。オフセット信号Ｓoffが安定したと判定されると、ステップＳ１１において計測が行われる。
【００６５】
本実施形態によれば、計測時中の温度変化により生じるｚ方向の温度ドリフトが、ボイスコイルモータへのオフセット電流の供給によってではなく、太管部１５および中筒１３の熱膨張または熱収縮によって解消される。したがって、ｚ方向のボイスコイルモータにオフセット電流を流し続けることにより生じ得る発熱や周囲温度の変化による温度ドリフトを完全に防止できる。
【００６６】
図８は、本発明を適用したプローブ走査装置の第４実施形態の主要部の構成を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。本実施形態では、第１および第２温度制御部６０ａ，６０ｂにおいて、各ＰＩ制御部６０６，６１６の後段に、それぞれホールド回路６０７，６１７を追加した点に特徴がある。
【００６７】
図９は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、ステップＳ１からステップＳ９までは第３実施形態と同様の処理が実行される。
【００６８】
本実施形態では、ステップＳ９においてオフセット信号Ｓoffが安定したと判定されると、ステップＳ１０では、第１および第２温度制御部６０ａ，６０ｂの各ホールド回路６０７，６１７にホールド信号Ｓholdが供給される。各ホールド回路は、前記ホールド信号Ｓholdの入力タイミングで入力信号をホールドする。ステップＳ１１では計測が開始される。
【００６９】
本実施形態によれば、計測中は第１および第２温度制御部６０ａ，６０ｂの出力信号がホールドされ、各加熱コイルの発熱量が一定に保たれるので、周囲温度の変化や制御系における温度揺らぎ等にかかわらず、ノイズの少ない画像を得られるようになる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)太管部と中筒とを動作モードに応じて選択的に一体化させるプローブ走査装置において、中筒と太管部とを低融点金属を固化させることで一体化させるようにしたので、中筒と太管部との経時的な位置ズレを防止することができる。したがって、ｘｙ方向の走査速度が遅く、計測に長時間を要する場合であっても高精度の計測が可能になる。
(2)計測中は各部の温度が所定の温度に維持されるように各加熱コイルへの通電が制御されるので、温度ドリフトに影響されない高精度の計測が可能になる。
(3)筐体をスーパーインバー等の熱膨張係数の極めて小さい材料で構成したので、温度ドリフトの影響をさらに低減することができる。
(4)低融点金属が凝固する温度まで熱伝導筒の温度を低下させても、熱伝導筒のｚ方向への熱収縮が太管部および中筒の熱膨張により相殺されるので、ｚ方向のボイスコイルモータにオフセット電流が流れない。したがって、ボイスコイルモータにオフセット電流が流れることにより生じる温度ドリフトの発生を防止できる。
(5)計測時中の温度変化により生じるｚ方向の温度ドリフトが、ボイスコイルモータへのオフセット電流の供給によってではなく、太管部１５および中筒１３の熱膨張または熱収縮によって解消される。したがって、ｚ方向のボイスコイルモータにオフセット電流を流し続けることにより生じ得る温度ドリフトを完全に防止できる。
(6)計測中は第１および第２温度制御部の出力信号がホールドされるので、周囲温度の変化や制御系における温度揺らぎ等にかかわらず、ノイズの少ない画像を得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるプローブ走査装置の主要部の構成を示した断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態であるプローブ走査装置の主要部の構成を示した断面図である。
【図３】第２実施形態の制御系の構成を示したブロック図である。
【図４】第２実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図５】本発明の第３，４実施形態であるプローブ走査装置の主要部の構成を示した断面図である。
【図６】第３実施形態の制御系の構成を示したブロック図である。
【図７】第３実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図８】第４実施形態の制御系の構成を示したブロック図である。
【図９】第４実施形態の動作を示したフローチャートである。
【図１０】従来のズーム機構を備えたプローブ走査装置の主要部の構成を示した断面図である。
【符号の説明】
１…筐体、１０…探針、１４…細管部、１５…太管部、１６，７６，８６…加熱コイル、１７…粘性体、２３…可動子、２７…スピンドル、８２…断熱部材、８３…熱伝導筒、８４…低融点金属ホルダ、８５…低融点金属、９１，９２，９３…温度センサ、４０ａ、４０ｂ，４０ｃ…温度監視部、４１…温度制御部，６０ａ、６０ｂ，６０ｃ…温度制御部、６１…温度制御部，６２…動作制御部，６３…オフセット電流検出部、６４…ＶＣＭ駆動部

Claims (7)

1. 一端を筐体に支持されてＺ方向に延設された太管部と、
   前記太管部の内側を通る中筒と、
   前記中筒の先端に設けられた探針と、
   前記太管部と中筒との間に充填された粘性体と、
   前記太管部を加熱する第１の加熱手段と、
   前記太管部をＸＹ方向に揺動させる走査手段と、
   前記中筒を前記太管部に対してＺ方向へ駆動するボイスコイルモータと、
   前記第１の加熱手段に駆動電流を供給して前記粘性体の粘性を可変させる第１の温度制御手段と、を具備したプローブ走査装置において、
   前記中筒に固定され、低融点金属を収容する断熱材料からなる低融点金属ホルダと、
   前記太管部に断熱部材を介して固定され、一端が前記低融点金属内に埋設されるように位置決めされた熱伝導性筒と、
   前記熱伝導性筒を加熱する第２の加熱手段と、
   前記第２の加熱手段に駆動電流を供給して、前記熱伝導性筒を、前記探針を試料に接近させる粗動時には前記低融点金属が軟化する第１温度にして、前記探針と試料表面との相対位置を所定の距離に維持する計測時には前記低融点金属が硬化する第２温度にするようにする第２の温度制御手段と、を備えたことを特徴とするプローブ走査装置。
2. 前記第１の温度制御手段は、前記太管部の温度を、前記粗動時には前記粘性体の粘性が低下する第３温度まで上昇させ、前記計測時には前記第１温度から前記第２温度まで低下したときの前記熱伝導性筒のＺ方向の熱収縮を、前記太管部および中管のＺ方向の熱膨張で相殺するように第４温度にさらに上昇させるように制御することを特徴とする請求項１に記載のプローブ走査装置。
3. 前記ボイスコイルモータを駆動する駆動信号に含まれるオフセット電流を検出する手段と、を具備し、
   前記第１の温度制御手段が、前記太管部の温度を、
   前記粗動時には、前記粘性体の粘性が低下する第３温度まで上昇させ、
   前記計測時には、前記オフセット電流検出手段で検出されたオフセット電流が減少する第５温度にするように、前記第１の加熱手段へ供給する駆動電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のプローブ走査装置。
4. 前記第１の温度制御手段は、前記計測時に前記第１の加熱手段に供給する駆動信号を固定するホールド回路を含むことを特徴とする請求項３に記載のプローブ走査装置。
5. 前記第２の温度制御手段は、前記計測時に前記第２の加熱手段に供給する駆動信号を固定するホールド回路を含むことを特徴とする請求項３に記載のプローブ走査装置。
6. 前記ホールド回路は、前記オフセット信号が安定したときに前記駆動電流を固定することを特徴とする請求項４または５に記載のプローブ走査装置。
7. 前記太管部を筐体に対して選択的に固定するズーム機構をさらに具備したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプローブ走査装置。

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