JP5295814B2

JP5295814B2 - 走査機構および走査型プローブ顕微鏡

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Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査機構を用いた装置のひとつに走査型プローブ顕微鏡がある。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）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などがある。

走査型プローブ顕微鏡で用いられる走査機構は、例えば機械的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、機械的探針を介して得るものである。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。このＺ方向の走査はＸＹＺ方向の各走査の中で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数百倍程度となる。

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、この例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、一般的な走査型プローブ顕微鏡においてはＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。この例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自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。

特開２００４−３３３３５号公報は、高速に動作可能な走査機構を開示している。特開２００４−３３３３５号公報に開示されている走査機構のひとつを図１５に示す。

図１５に示す走査機構５００Ａは、固定台５０１と、固定台５０１に収容されたＸＹステージ５０９と、ＸＹステージ５０９と固定台５０１の間にＸ軸に沿って延びているＸアクチュエーター５０２Ａと、ＸＹステージ５０９と固定台５０１の間にＹ軸に沿って延びているＹアクチュエーター５０２Ｂとを備えている。

ＸＹステージ５０９は、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部５０４と、可動部５０４の周囲に位置する固定部５０５と、可動部５０４のＸ軸に沿った両側に位置し、可動部５０４と固定部５０５を接続している一対の第一の弾性支持部５０６Ａと５０６Ｃと、可動部５０４のＹ軸に沿った両側に位置し、可動部５０４と固定部５０５を接続している一対の第二の弾性支持部５０６Ｂと５０６Ｄとを有している。

第一の弾性支持部５０６Ａと５０６Ｃは、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｘ軸に沿っては弾性変形しにくい。第二の弾性支持部５０６Ｂと５０６Ｄは、Ｘ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｙ軸に沿っては変形しにくい。

従って、可動部５０４は、第一の弾性支持部５０６Ａと５０６Ｃにより、Ｘ軸に平行なＸ方向に関して高剛性に支持され、第二の弾性支持部５０６Ｂと５０６Ｄにより、Ｙ軸に平行なＹ方向に関して高剛性に支持されている。

この走査機構５００Ａにおいて、Ｘ走査の際は、Ｘアクチュエーター５０２ＡがＸ軸に沿って伸縮される。Ｘアクチュエーター５０２Ａの伸びは第一の弾性支持部５０６Ｃを介して可動部５０４を押し、第二の弾性支持部５０６Ｂと５０６ＤをＸ軸に沿って弾性変形させつつ可動部５０４がＸ軸に沿って一方向に移動される。Ｘアクチュエーター５０２Ａの縮みは弾性変形している第二の弾性支持部５０６Ｂと５０６Ｄの復元力により可動部５０４がＸ軸に沿って逆方向に移動される。

Ｙ走査の際も同様に、Ｙアクチュエーター５０２ＢのＹ軸に沿った伸縮により可動部５０４がＹ軸に沿って移動される。

この走査機構は高い共振周波数を有しており、高速走査に適している。

特開２００４−３３３３５号公報

しかし、図１５に示した走査機構では、各軸に設けられた対を成す弾性支持部は同じ形をしているが、その一方だけに圧電素子が設けられているために非対称な構造となっている。このため、圧電素子が設けられた弾性支持部と、それに対向する圧電素子のない弾性支持部とで弾性特性が異なってしまう。そのため、例えば可動部をＸ方向に移動させる場合、可動部のＹアクチュエーターが設けられた側に、より強い引っ張り力が生じ、図１５の矢印に示すような回転を伴う移動となり直進性が悪くなる。これは、サブナノメートルのオーダの精度が要求される走査型プローブ顕微鏡においては望ましくない。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、非常に高い直進性を有する高速走査に適した走査機構を提供することである。

本発明は、互いに直交するＸ軸とＹ軸に沿って走査対象物を走査する走査機構であり、固定枠と、前記固定枠内に位置し、前記走査対象物を支持し、前記Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部と、前記可動部と一体的に形成され、前記可動部のＸ軸に沿った両側に設けられた同一形状の第一および第二の弾性部と、前記第一の弾性部と前記固定枠の間にそれらを接続するようにＸ軸に沿って設けられた、前記第一の弾性部を介して前記可動部をＸ軸に沿って移動させる第一の圧電素子と、前記第二の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠と接続するように前記第二の弾性部からＸ軸に沿って延出した、前記可動部がＹ軸に沿って移動したときのＹ軸方向の弾性変形が前記第一の圧電素子と同等となる弾性特性を有する第一の延出部と、前記可動部と一体的に形成され、前記可動部のＹ軸に沿った両側に設けられた同一形状の第三および第四の弾性部と、前記第三の弾性部と前記固定枠の間にそれらを接続するようにＹ軸に沿って設けられた、前記第三の弾性部を介して前記可動部をＹ軸に沿って移動させる第二の圧電素子と、前記第四の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠と接続するように前記第四の弾性部からＹ軸に沿って延出した、前記可動部がＸ軸に沿って移動したときのＸ軸方向の弾性変形が前記第二の圧電素子と同等となる弾性特性を有する第二の延出部と、前記第一〜第四の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠に固定された、前記第一〜第四の弾性部を支持する支持部とを備えている。

本発明によれば、非常に高い直進性を有する高速走査に適した走査機構が提供される。

本発明の第一実施形態による走査機構の上面図である。図１中のＡ−Ａ線に沿った走査機構の断面図である。図１と図２に示した走査機構を備えた本発明の第二実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。本発明の第二実施形態の変形例による走査型プローブ顕微鏡に含まれる走査機構の上面図である。図４中のＢ−Ｂ線に沿った走査機構の断面図である。図４と図５に示した走査機構を備えた本発明の第二実施形態の変形例による走査型プローブ顕微鏡を示している。本発明の第三実施形態による走査機構の上面図である。図７中のＣ−Ｃ線に沿った走査機構の断面図である。試料の光学観察に利用された図７と図８に示した走査機構を示している。図７と図８に示した走査機構を備えた本発明の第四実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。本発明の第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡に含まれる走査機構の上面図である。図１１中のＤ−Ｄ線に沿った走査機構の断面図である。本発明の第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。本発明の第五実施形態の変形例による走査型プローブ顕微鏡に含まれる走査機構を示している。特開２００４−３３３３５号公報に開示された走査機構を示している。

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、走査機構に向けられている。以下、図１、図２を参照しながら本実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の走査機構１０Ａの上面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った走査機構１０Ａの断面図である。

図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１０Ａは、固定枠１１と、固定枠１１内に位置するＸＹステージ１８Ａと、ＸＹステージ１８Ａと固定枠１１の間にＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ａと、ＸＹステージ１８Ａと固定枠１１の間にＹ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｂとを備えている。

ＸＹステージ１８Ａは、互いに直交するＸ軸とＹ軸に沿って（つまりＸ軸とＹ軸に平行なＸＹ方向に）移動される可動部１４Ａと、可動部１４ＡのＸ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ａ，１６Ｃと、可動部１４ＡのＹ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ｂ，１６Ｄと、弾性部１６ＣからＸ軸に沿って延出した延出部１３Ａと、弾性部１６ＤからＹ軸に沿って延出した延出部１３Ｂと、弾性部１６Ａ〜１６Ｄを支持する支持部１５とを有している。

可動部１４Ａは、走査対象物を支持するためのものである。可動部１４Ａには、これに限定されないが、例えば、試料やカンチレバー、Ｚ方向に伸縮する圧電素子などが載置されたり固定されたりする。

ＸＹステージ１８Ａの支持部１５は、圧電素子１２Ａと延出部１３ＡのＹ軸に沿った両側に位置している。別の言い方をすれば、圧電素子１２Ｂと延出部１３ＢのＸ軸に沿った両側に位置している。支持部１５は固定枠１１に固定されている。支持部１５の固定は、これに限定されないが、例えば、ねじ締結や接着によってなされている。

弾性部１６Ａ〜１６Ｄは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。弾性部１６Ａ〜１６Ｄは共にＴ字形状を有している。弾性部１６Ａ，１６Ｃは、それぞれ、ＺＸ面に広がる板状部分と、ＹＺ面に広がる板状部分とを有している。また、弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、それぞれ、ＹＺ面に広がる板状部分と、ＺＸ面に広がる板状部分とを有している。

より詳しくは、弾性部１６Ａ，１６Ｃは、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った一方の端部が可動部１４Ａと接続し、Ｘ軸に沿った一方の端部がＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った両端部が支持部１５と接続している。また、弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った一方の端部が可動部１４Ａと接続し、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った両端部が支持部１５と接続している。これらの板状部分の厚さ、すなわちＺ軸に沿った寸法は、これに限定されないが、例えば、可動部１４Ａの厚さと同じである。

このような形状を有することにより、弾性部１６Ａ，１６Ｃは、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｘ軸に沿っては変形しにくい。弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、Ｘ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｙ軸に沿っては変形しにくい。従って、可動部１４Ａは、弾性部１６Ａ，１６Ｃにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、弾性部１６Ｂ，１６Ｄにより、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。

圧電素子１２Ａの側に位置する弾性部１６Ａは、圧電素子１２Ａによって押される押圧部１７Ａを有し、延出部１３Ａの側に位置する弾性部１６Ｃは、延出部１３Ａと接続された押圧部１７Ｃを有している。また、圧電素子１２Ｂの側に位置する弾性部１６Ｂは、圧電素子１２Ｂによって押される押圧部１７Ｂを有し、延出部１３Ｂの側に位置する弾性部１６Ｄは、延出部１３Ｂと接続された押圧部１７Ｄを有している。

圧電素子１２Ａと延出部１３Ａは、可動部１４Ａと弾性部１６Ａ，１６Ｃを間に挟んでＸ軸に沿って配置されている。圧電素子１２Ａは、押圧部１７Ａと固定枠１１の間にそれらを接続するようにＸ軸に沿って設けられている。延出部１３Ａは、押圧部１７Ｃと固定枠１１の間にＸ軸に沿って延びている。

圧電素子１２Ｂと延出部１３Ｂは、可動部１４Ａと弾性部１６Ｂ，１６Ｄを間に挟んでＹ軸に沿って配置されている。圧電素子１２Ｂは、押圧部１７Ｂと固定枠１１の間にそれらを接続するようにＹ軸に沿って設けられている。延出部１３Ｂは、押圧部１７Ｄと固定枠１１の間にＹ軸に沿って延びている。

ＸＹステージ１８Ａは一体的に形成されている。つまり、可動部１４Ａと支持部１５と弾性部１６Ａ〜１６Ｄと押圧部１７Ａ〜１７Ｄと延出部１３Ａ，１３Ｂは一体的に形成されている。ＸＹステージ１８Ａは、例えばアルミニウム製の金属のブロックを選択的に切り欠いて作製される。

固定枠１１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１８Ａの材質よりも高い弾性率を有している。例えば、固定枠１１はステンレス鋼で、ＸＹステージ１８Ａはアルミニウムから成る。

圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａの押圧部１７Ａと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。延出部１３Ａは、固定枠１１にＸＹステージ１８Ａを組み込んだ際に弾性部１６Ｃの押圧部１７Ｃと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるような形状をしている。すなわち延出部１３Ａは、固定枠１１から分離されたＸＹステージ１８Ａにおいて、固定枠１１との接続面と押圧部１７Ｃとの距離よりも僅かに長い形状をしている。また、圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂの押圧部１７Ｂと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。延出部１３Ｂは、固定枠１１にＸＹステージ１８Ａを組み込んだ際に弾性部１６Ｄの押圧部１７Ｄと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるような形状をしている。すなわち延出部１３Ｂは、固定枠１１から分離されたＸＹステージ１８Ａにおいて、固定枠１１との接続面と押圧部１７Ｄとの距離よりも僅かに長い形状をしている。

圧電素子１２Ａと延出部１３Ａは、可動部１４Ａの重心を通るＸ軸に平行な直線が圧電素子１２Ａと延出部１３Ａの中心を通るよう配置されている。また、圧電素子１２Ｂと延出部１３Ｂは、可動部１４Ａの重心を通るＹ軸に平行な直線が圧電素子１２Ｂと延出部１３Ｂの中心を通るよう配置されている。

圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａを介して可動部１４ＡをＸ軸に沿って移動させるためのものであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂを介して可動部１４ＡをＹ軸に沿って移動させるためのものであり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮する。

延出部１３Ａは、可動部１４ＡがＹ軸に沿って移動したときのＹ軸方向の弾性変形が圧電素子１２Ａと同等となる弾性特性を有している。例えば、延出部１３Ａは、ＸＹステージ１８Ａと一体的にアルミニウムで形成されている。そして圧電素子１２Ａは積層型圧電セラミックスから成る。アルミニウムの弾性定数は７×１０^１０[Ｎ／ｍ^２]程度であり、また積層型圧電セラミックス圧電素子の弾性定数は４×１０^１０〜５×１０^１０[Ｎ／ｍ^２]程度である。従って、延出部１３Ａは圧電素子１２Ａよりも変形しにくい。このため、延出部１３Ａは圧電素子１２Ａよりも僅かに細い形状に形成されている。

同様に、延出部１３Ｂは、可動部１４ＡがＸ軸に沿って移動したときのＸ軸方向の弾性変形が圧電素子１２Ｂと同等となる弾性特性を有している。このため、延出部１３Ｂは圧電素子１２Ｂよりも僅かに細い形状に形成されている。

このように構成された走査機構１０Ａにおいては、Ｘ走査の際、圧電素子１２ＡがＸ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ａが伸びる時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながら可動部１４Ａを押す。これにより可動部１４ＡはＸ軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部１６Ｃは可動部１４Ａに押されることにより弾性変形され、延出部１３Ａも弾性部１６Ｃに押されることによりＸ軸に沿って縮むように弾性変形される。さらに弾性部１６Ｂ，１６Ｄも可動部１４Ａの移動方向に引っ張られるために弾性変形され、これに伴って弾性部１６Ｂに接続された圧電素子１２Ｂと弾性部１６Ｄから延出した延出部１３Ｂも可動部１４Ａの移動方向に撓むよう弾性変形される。このとき、弾性部１６Ｂ，１６Ｄは同じ形状・同じ材質であり、弾性部１６Ｂに接続された圧電素子１２Ｂと弾性部１６Ｄから延出した延出部１３Ｂは、Ｘ軸への撓み方向に関してほぼ同じ弾性特性を有しているので、弾性部１６Ｂ，１６Ｄの弾性変形量は同じになり、また圧電素子１２Ｂと延出部１３Ｂの弾性変形量も同じとなる。圧電素子１２Ａが縮む時は、弾性変形されている弾性部１６Ａ〜１６Ｄと圧電素子１２Ｂと延出部１３Ａ，１３Ｂのすべての復元力に従って可動部１４ＡがＸ軸に沿って逆方向に移動される。このような可動部１４ＡのＸ軸に沿った移動においては、可動部１４ＡのＹ方向にかかる力が釣り合うことになる。従って、可動部１４Ａは、Ｙ方向のどちらかの向きに引っ張られることがなく、Ｘ方向に非常に高い直進性をもって移動される。

同様に、Ｙ走査の際は、圧電素子１２ＢがＹ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ｂが伸びる時は、圧電素子１２Ｂが弾性部１６Ｂを弾性変形させながら可動部１４Ａを押す。これにより可動部１４ＡはＸＹ軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部１６Ｄは可動部１４Ａに押されることにより弾性変形され、延出部１３Ｂも弾性部１６Ｄに押されることによりＹ軸に沿って縮むように弾性変形される。さらに弾性部１６Ａ，１６Ｃも可動部１４Ａの移動方向に引っ張られるために弾性変形され、これにともなって弾性部１６Ａに接続された圧電素子１２Ａと弾性部１６Ｃから延出した延出部１３Ａも可動部１４Ａの移動方向に撓むよう弾性変形される。このとき、弾性部１６Ａ，１６Ｃは同じ形状・同じ材質であり、弾性部１６Ａに接続された圧電素子１２Ａと弾性部１６Ｃから延出した延出部１３Ａは、Ｙ軸への撓み方向に関してほぼ同じ弾性特性を有しているので、弾性部１６Ａ，１６Ｃの弾性変形量は同じになり、また圧電素子１２Ａと延出部１３Ａの弾性変形量も同じとなる。圧電素子１２Ｂが縮む時は、弾性変形されている弾性部１６Ａ〜１６Ｄと圧電素子１２Ａと延出部１３Ａ，１３Ｂのすべての復元力に従って可動部１４ＡがＹ軸に沿って逆方向に移動される。このような可動部１４ＡのＹ軸に沿った移動においては、可動部１４ＡにかかるＸ方向の力が釣り合うことになる。従って、可動部１４ＡがＸ方向のどちらかの向きに引っ張られることがなく、Ｙ方向に非常に高い直進性をもって移動される。

さらに、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂと延出部１３Ａと延出部１３Ｂのそれぞれの中心軸が可動部１４Ａの重心を通るため、可動部１４Ａが高速で移動された場合も、慣性力による回転モーメントが発生し難い。このため、可動部１４Ａは回転動作なく非常に高い直進性をもって移動される。

さらに、圧電素子１２Ａの伸びは、弾性部１６Ａ〜１６Ｄと圧電素子１２Ｂと延出部１３Ａ，１３Ｂをそれぞれ弾性変形させ、その結果、それらの変形の反作用が、圧電素子１２Ａが固定されている固定枠１１の部位に働く。また圧電素子１２Ｂの伸びは、弾性部１６Ａ〜１６Ｄと圧電素子１２Ａと延出部１３Ａ，１３Ｂをそれぞれ弾性変形させ、その結果、それらの変形の反作用が、圧電素子１２Ｂが固定されている固定枠１１の部位に働く。固定枠１１の材質の弾性率はＸＹステージ１８Ａのそれよりも高い場合、固定枠１１に引き起こされる変形が小さい。従って、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの伸びすなわち変位はそれぞれ押圧部１７Ａ，１７Ｂに効率良く伝えられる。

加えて、Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部１４Ａは、Ｘ軸に沿った両側に位置し、支持部１５に支えられた弾性部１６Ａ、１６Ｃと、Ｙ軸に沿った両側に位置し、支持部１５に支えられた弾性部１６Ｂ、１６Ｄによって支持されている。このため、走査機構１０Ａは高い共振周波数を有する。従って、走査機構１０Ａは対応し得る走査速度の上限が高い。

加えて、ＸＹステージ１８Ａは一体的に形成されているため、つまり可動部１４Ａと支持部１５と弾性部１６Ａ〜１６Ｄと押圧部１７Ａ〜１７Ｄと延出部１３Ａ，１３Ｂが一体的に形成されているため、組み立て時の工程を増やすことなく上述した効果を得ることができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。以下、図３を参照しながら本実施形態について説明する。

図３は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。

図３に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、走査機構１０Ａと、ホストコンピュータ１０１と、コントローラ１０２と、カンチレバー１０５と、カンチレバーホルダ１０６と、変位センサ１０８と、Ｚ圧電素子１０７と、Ｚ圧電駆動部１１１と、ＸＹ圧電駆動部１１２を備えている。

試料１０３は試料台１０４に載置され、試料台１０４は走査機構１０Ａの可動部１４Ａに載置される。つまり、試料１０３は走査機構１０Ａの可動部１４Ａに支持される。

走査機構１０Ａは、試料１０３をＸ軸とＹ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第一実施形態（図１，図２）で説明した通りである。

カンチレバー１０５は、柔軟なレバー部の自由端にプローブを備えている。カンチレバー１０５は試料１０３に対向して配置され、試料１０３との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位する。

Ｚ圧電素子１０７は、カンチレバー１０５をＺ軸に沿って走査するためのものであり、鏡枠１０９に保持されている。

カンチレバーホルダ１０６はカンチレバー１０５を保持するためのものであり、Ｚ圧電素子１０７の自由端に固定されている。

変位センサ１０８は、カンチレバー１０５の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するためのものであり、鏡枠１０９に保持されている。

Ｚ圧電駆動部１１１は、Ｚ圧電素子１０７を駆動するためのものである。

ＸＹ圧電駆動部１１２は、走査機構１０Ａの圧電素子１２Ａ，１２Ｂを駆動するためのものである。

コントローラ１０２は、Ｚ圧電駆動部１１１とＸＹ圧電駆動部１１２を制御するためのものある。

ホストコンピュータ１０１は、カンチレバー１０５の変位情報と走査機構１０Ａの走査情報とに基づいて試料１０３の物理情報を取得する処理部を構成している。

本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。

変位センサ１０８は、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサであり、カンチレバー１０５上に直径２〜３０μｍ程度の光束を照射し、その反射光によりカンチレバー１０５の自由端にある機械的探針のＺ変位をとらえ、そのＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。

コントローラ１０２は、ＸＹ方向にラスター走査するためのＸＹ走査信号を生成し、ＸＹ走査信号をＸＹ圧電駆動部１１２とホストコンピュータ１０１に供給する。コントローラ１０２はＺ制御部１１０を含んでおり、Ｚ制御部１１０は、変位センサ１０８で得られるカンチレバー１０５の変位情報を一定に維持するようにＺ圧電駆動部１１１を制御するためのＺ走査信号を生成し、Ｚ走査信号をＺ圧電駆動部１１１とホストコンピュータ１０１に供給する。

Ｚ圧電駆動部１１１は、コントローラ１０２から供給されるＺ走査信号を所定のゲインで増幅してＺ駆動信号を生成し、Ｚ駆動信号をＺ圧電素子１０７に供給する。

ＸＹ圧電駆動部１１２は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号を所定のゲインで増幅してＸＹ駆動信号を生成し、ＸＹ駆動信号を走査機構１０Ａの圧電素子１２Ａ，１２Ｂに供給する。具体的には、コントローラ１０２から供給されるＸ走査信号を増幅して生成したＸ駆動信号を圧電素子１２Ａに供給し、コントローラ１０２から供給されるＹ走査信号を増幅して生成したＹ駆動信号を圧電素子１２Ｂに供給する。

ホストコンピュータ１０１は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号とＺ走査信号とに基づいて試料１０３の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。

この走査型プローブ顕微鏡では、走査機構１０Ａを用いることにより、高い直進性をもって試料１０３が高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、測定精度が向上し、測定時間が短縮される。

［変形例］
この走査型プローブ顕微鏡では次の変形が可能である。

図６に第二実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡を示す。図６において、図３に示した部材と同一の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。

この図６に示す走査型プローブ顕微鏡は、図３に示した走査型プローブ顕微鏡のＺ圧電素子１０７と走査機構１０Ａを図４と図５に示す走査機構１０Ｂに置き換えた構成になっている。図３に示した走査型プローブ顕微鏡では、カンチレバー１０５をＺ走査し、試料１０３をＸＹ走査しているのに対し、図６に示す走査型プローブ顕微鏡では、走査機構１０Ｂにより試料１０３を互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査する。

図４と図５に走査機構１０Ｂを示す。図４は、走査機構１０Ｂの上面図であり、図５は、図４中のＢ−Ｂ線に沿った走査機構１０Ｂの断面図である。図４と図５において、図１と図２に示した部材と同一の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。

走査機構１０Ｂは、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って（つまりＸ軸とＹ軸とＺ軸に平行なＸＹＺ方向に）試料１０３を走査する走査機構である。図４と図５に示すように、走査機構１０Ｂは、可動部１４Ａに設けられた、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する二つの圧電素子１９Ａ，１９Ｂを有している。二つの圧電素子１９Ａ，１９ＢはそれぞれＺ軸に沿って反対側に延びている。

上側の圧電素子１９Ａの移動端には、走査対象物である試料台２０Ａとそれに載置された試料１０３とが取り付けられている。つまり、試料１０３は圧電素子１９Ａの移動端に保持される。下側の圧電素子１９Ｂの移動端には、試料台２０Ａと同一の部材である試料台２０Ｂが取り付けられている。試料台２０Ｂは試料台２０Ａと同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。

Ｚ走査の際、Ｚ圧電駆動部１１１によりＺ駆動信号を二つの圧電素子１９Ａ，１９Ｂに供給し、二つの圧電素子１９Ａ，１９Ｂが同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子１９Ａの伸縮が可動部１４Ａに与えるＺ軸に沿った力が、圧電素子１９Ｂの伸縮によって打ち消される。これにより、圧電素子１９Ａの伸縮により生じる可動部１４ＡのＺ方向の振動がほぼ０に抑えられる。

この走査型プローブ顕微鏡では、走査機構１０Ｂを用いることにより、高い直進性をもって試料１０３が高精度にＸＹ方向に高速走査される。さらに、試料１０３をＺ走査する際に生じる振動ノイズを低減でき、試料１０３のＺ走査の精度を高くすることができる。従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、図３に示した走査型プローブ顕微鏡と同等以上に、測定精度が向上し、測定時間が短縮される。

＜第三実施形態＞
本実施形態は別の走査機構に向けられている。以下、図７〜図９を参照しながら本実施形態について説明する。

図７は、本実施形態の走査機構１０Ｃの上面図であり、図８は、図７中のＣ−Ｃ線に沿った走査機構１０Ｃの断面図である。図７，図８において、図１，図２に示した部材と同一の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７と図８に示すように、ＸＹステージ１８Ｂは可動部１４Ｂを備えており、可動部１４ＢはＺ軸に沿って延びた貫通穴２１を有している。

可動部１４Ｂの貫通穴１９２１は、例えば、図９に示すように、可動部１４Ｂに載置される試料２０１の光学観察に利用される。図９に示すように、試料２０１はガラス製の試料台２０２の上に載置され、試料台２０２は走査機構１０Ｃの可動部１４Ｂの上に載置される。試料２０２２０１は、その少なくとも一部が、Ｚ軸に沿って上方から見て、可動部１４Ｂの貫通穴２１の内側に配置される。可動部１４Ｂの下側に、光学顕微鏡の対物レンズ２０３が配置され、可動部１４Ｂの上側に、照明用の集光レンズ２０４が配置されている。

集光レンズ２０４を通して照明光が試料２０１に照射され、試料２０１を透過した光の一部が、可動部１４Ｂの貫通穴２１を通って対物レンズ２０３に入射する。これにより試料２０１が、対物レンズ２０３を含む光学顕微鏡によって透過観察される。

貫通穴２１の径を対物レンズ２０３の径より大きくしておくとよく、その場合には、対物レンズ２０３を貫通穴２１の中に進入させて試料２０１に接近させることができるので、試料２０１を高倍率で観察することができる。

＜第四実施形態＞
本実施形態は、第三実施形態の走査機構１０Ｃを備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。以下、図１０を参照しながら本実施形態について説明する。

図１０は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。図１０において、図３に示した部材と同一の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と図３を比較してわかるように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、図３に示した走査型プローブ顕微鏡の走査機構１０Ａを図７，図８に示した走査機構１０Ｃに置き換えた構成になっている。さらに、この走査型プローブ顕微鏡は、変位センサ１０８を変位センサ２０６に置き換えた構成になっている。加えて、この走査型プローブ顕微鏡は、対物レンズ２０３、照明用の集光レンズ２０４、ハーフミラー２０７を備えている。

試料２０１はガラス製の試料台２０２の上に載置され、試料台２０２は走査機構１０Ｃの可動部１４Ｂの上に載置される。試料２０１は、その少なくとも一部が、Ｚ軸に沿って上方から見て、可動部１４Ｂの貫通穴２１の内側に配置される。

走査機構１０Ｃは、試料２０１をＸ軸とＹ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第三実施形態で説明した通りである。

可動部１４Ｂの下側に、光学顕微鏡の対物レンズ２０３が配置され、可動部１４Ｂの上側に、照明用の集光レンズ２０４が配置されている。

Ｚ圧電素子１０７は、カンチレバー１０５をＺ軸に沿って走査するためのものであり、鏡枠２０５に保持されている。

変位センサ２０６は、カンチレバー１０５のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するためのものであり、鏡枠２０５に保持されている。

集光レンズ２０４とカンチレバー１０５の間には、変位センサ２０６からの光をカンチレバー１０５に導くとともに集光レンズ２０４からの照明光を透過するハーフミラー２０７が配置されている。

変位センサ２０６は、例えば光てこセンサであり、ハーフミラー２０７を介してカンチレバー１０５上に直径２〜３０μｍ程度の光束を照射し、その反射光によりカンチレバー１０５の自由端にある機械的探針のＺ変位をとらえ、そのＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２へ供給する。

コントローラ１０２は、ＸＹ方向にラスター走査するためのＸＹ走査信号をＸＹ圧電駆動部１１２とホストコンピュータ１０１に供給する。コントローラ１０２内のＺ制御部１１０は、変位センサ２０６で得られるカンチレバー１０５の変位情報を一定に維持するようにＺ圧電駆動部１１１を制御するためのＺ走査信号をＺ圧電駆動部１１１とホストコンピュータ１０１に供給する。

Ｚ圧電駆動部１１１は、コントローラ１０２から供給されるＺ走査信号に基づいてＺ圧電素子１０７を駆動する。

ＸＹ圧電駆動部１１２は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号に基づいて走査機構１０Ｃの圧電素子１２Ａ，１２Ｂを駆動する。圧電素子１２Ａ，１２Ｂの駆動の仕方は第二実施形態と同様である。

ホストコンピュータ１０１は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号とＺ走査信号とに基づいて試料２０１の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。

この走査型プローブ顕微鏡においては、集光レンズ２０４を通して照明光が試料２０１に照射され、試料２０１を透過した光の一部が、可動部１４Ｂの貫通穴２１を通って対物レンズ２０３に入射する。これにより試料２０１が、対物レンズ２０３を含む光学顕微鏡によって透過観察される。

貫通穴２１の径を対物レンズ２０３の径より大きくしておくとよく、その場合には、対物レンズ２０３を試料２０１に接近させることができるので、試料２０１を高倍率で観察することができる。

以上よりこの走査型プローブ顕微鏡においては、走査機構１０Ｃを用いることにより、高い直進性をもって試料２０１が高精度にＸＹ方向に高速走査される。さらに光学顕微鏡により試料２０１が透過観察される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、測定精度が向上し、測定時間が短縮されるだけではなく、光学顕微鏡との同時観察が可能になる。これは、試料２０１の位置決めなど、操作性の向上につながる。

＜第五実施形態＞
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、第三実施形態の走査機構１０Ｃをベースにした走査機構１０Ｄを有している。以下、図１１〜図１４を参照しながら本実施形態について説明する。

図１１と図１２は、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡で用いる走査機構１０Ｄを示している。図１１は、走査機構１０Ｄの上面図であり、図１２は、図１１中のＤ−Ｄ線に沿った走査機構１０Ｄの断面図である。図１１と図１２において、図１，図２に示した部材と同一の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１１と図１２に示す走査機構１０Ｄは、カンチレバー１０５を互いに直交するＸＹＺ方向に走査する走査機構である。

図１１と図１２に示すように、ＸＹステージ１８Ｃは可動部１４Ｃを備えており、可動部１４ＣはＺ軸に沿って延びた二つの貫通穴２２Ａと貫通穴２２Ｂを有している。貫通穴２２Ａと貫通穴２２Ｂは同じ形状をしており、可動部１４Ｃの重心を避けるように設けられている。より詳しくは、可動部１４Ｃの重心を通るＹ軸に沿った軸上を避け、かつ可動部１４Ｃの重心を通るＹ軸に沿った軸に対して対称的に設けられている。

走査機構１０Ｄは、可動部１４Ｃの重心位置に電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する二つの圧電素子２３Ａ，２３Ｂを有している。二つの圧電素子２３Ａ，２３ＢはそれぞれＺ軸に沿って反対側に延びている。

下側の圧電素子２３Ｂの移動端には、走査対象物であるカンチレバーホルダ２４Ｂとそれに支持されたカンチレバー１０５が取り付けられている。つまり、カンチレバー１０５は圧電素子２３Ｂの移動端に保持されている。上側の圧電素子２３Ａの移動端には、カンチレバーホルダ２４Ｂと同一の部材であるカンチレバーホルダ２４Ａが取り付けられている。カンチレバーホルダ２４Ａはカンチレバーホルダ２４Ｂと同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。

Ｚ走査の際、図１３に示すＺ圧電駆動部１１１によりＺ駆動信号が二つの圧電素子２３Ａ，２３Ｂに供給され、二つの圧電素子２３Ａ，２３Ｂが同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子２３Ａの伸縮が可動部１４Ｃに与えるＺ軸に沿った力が、圧電素子２３Ｂの伸縮によって打ち消される。これにより可動部１４ＣはＺ方向にほとんど振動しない。

走査機構１０Ｄを含む走査型プローブ顕微鏡を図１３に示す。図１３において、図３に示した部材と同一の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。

変位センサ３０４は、例えば光てこセンサであり、走査機構１０Ｄの貫通穴２２Ａを通してカンチレバー１０５上に直径２〜３０μｍ程度の光束を照射し、その反射光によりカンチレバー１０５の自由端にある機械的探針のＺ変位をとらえ、そのＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２へ供給する。この変位センサ３０４は、走査機構１０Ｄと共に鏡枠３０３に固定されている。

この走査機構１０Ｄは、可動部１４Ｃの重心位置に圧電素子２３Ａ，２３Ｂを備えている。また貫通穴２２Ａと貫通穴２２Ｂは同じ形状で、可動部１４Ｃの重心を通るＹ軸に沿った軸上を避け、かつ可動部１４Ｃの重心を通るＹ軸に沿った軸に対して対称的に設けられているので、ＸＹ走査方向に対して対称性がある。

従って走査機構１０Ｄによれば、カンチレバー１０５が高い直進性をもって高精度にＸＹ方向に高速走査される。さらに、カンチレバー１０５をＺ走査する際に生じる振動ノイズが低減され、カンチレバー１０５のＺ走査の精度が向上する。従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、測定精度が向上し、測定時間が短縮される。

なお走査機構１０Ｄでは、貫通穴２２Ａと貫通穴２２Ｂの位置が可動部１４Ｃの重心を通るＹ軸に沿った軸に対して対称的に設けられており、Ｘ方向に対する可動部１４Ｃの剛性がＹ方向に比べて低くなっている。従ってこの走査型プローブ顕微鏡では、走査速度の高い方向をＹ方向に合わせることが望ましい。

［変形例］
さらに本実施形態の走査型プローブ顕微鏡では光学顕微鏡との同時観察も可能である。そのための構成を図１４に示す。

図１４に示す走査型プローブ顕微鏡は、変位センサ３０４の代わりに変位センサ４０２を備えている。変位センサ４０２は、走査機構１０Ｄと共に鏡枠４０１に固定されている。走査型プローブ顕微鏡はさらに、変位センサ４０２からの光をカンチレバー１０５に導くハーフミラー４０３と、照明用の集光レンズ４０４と、光学顕微鏡の一部を構成する対物レンズ４０５とを備えている。試料３０１はガラス製の試料台３０２の上に載置される。試料台３０２は、試料３０１がカンチレバー１０５と対向するように支持される。

変位センサ４０２は、例えば光てこセンサであり、ハーフミラー４０３を介してカンチレバー１０５上に直径２〜３０μｍ程度の光束を照射し、その反射光によりカンチレバー１０５の自由端にある機械的探針のＺ変位をとらえ、そのＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２へ供給する。

この構成においては、走査機構１０Ｄの貫通穴２２Ａに光学顕微鏡の照明光を通すことにより試料の透過観察が可能になる。しかも対物レンズの大きさや配置位置に制約がないため光学顕微鏡による観察方法の自由度が高い。

従ってこの走査型プローブ顕微鏡によれば、光学顕微鏡との同時観察が可能になり、試料の位置決め等の操作性の向上につながる。

なお、第二実施形態、第四実施形態、第五実施形態の説明では、カンチレバーを励振させないで制御するコンタクトモードの走査型プローブ顕微鏡を例にあげたが、カンチレバーを励振させ、その振動振幅を一定に保つよう制御するＡＣモードの走査型プローブ顕微鏡に対しても同様の利点が得られる。また、Ｚサーボをかける構成の走査型プローブ顕微鏡を例にあげたが、Ｚサーボをかけない構成の走査型プローブ顕微鏡に対しても同様の利点が得られる。

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。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…走査機構、１１…固定枠、１２Ａ，１２Ｂ…圧電素子、１３Ａ，１３Ｂ…延出部、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…可動部、１５…支持部、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…弾性部、１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ…押圧部、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…ＸＹステージ、１９Ａ，１９Ｂ…圧電素子、２０Ａ，２０Ｂ…試料台、２１…貫通穴、２２Ａ，２２Ｂ…貫通穴、２３Ａ，２３Ｂ…圧電素子、２４Ａ，２４Ｂ…カンチレバーホルダ、１０１…ホストコンピュータ、１０２…コントローラ、１０３…試料、１０４…試料台、１０５…カンチレバー、１０６…カンチレバーホルダ、１０７…Ｚ圧電素子、１０８…変位センサ、１０９…鏡枠、１１０…Ｚ制御部、１１１…Ｚ圧電駆動部、１１２…ＸＹ圧電駆動部、２０１…試料、２０２…試料台、２０３…対物レンズ、２０４…集光レンズ、２０５…鏡枠、２０６…変位センサ、２０７…ハーフミラー、３０１…試料、３０２…試料台、３０３…鏡枠、３０４…変位センサ、４０１…鏡枠、４０２…変位センサ、４０３…ハーフミラー、４０４…集光レンズ、４０５…対物レンズ、５００Ａ…走査機構、５０１…固定台、５０２Ａ…Ｘアクチュエーター、５０２Ｂ…Ｙアクチュエーター、５０４…可動部、５０５…固定部、５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃ，５０６Ｄ…弾性支持部、５０９…ＸＹステージ。

Claims

互いに直交するＸ軸とＹ軸に沿って走査対象物を走査する走査機構であって、
固定枠と、
前記固定枠内に位置し、前記走査対象物を支持し、前記Ｘ軸とＹ軸に沿って移動される可動部と、
前記可動部と一体的に形成され、前記可動部のＸ軸に沿った両側に設けられた同一形状の第一および第二の弾性部と、
前記第一の弾性部と前記固定枠の間にそれらを接続するようにＸ軸に沿って設けられた、前記第一の弾性部を介して前記可動部をＸ軸に沿って移動させる第一の圧電素子と、
前記第二の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠と接続するように前記第二の弾性部からＸ軸に沿って延出した、前記可動部がＹ軸に沿って移動したときのＹ軸方向の弾性変形が前記第一の圧電素子と同等となる弾性特性を有する第一の延出部と、
前記可動部と一体的に形成され、前記可動部のＹ軸に沿った両側に設けられた同一形状の第三および第四の弾性部と、
前記第三の弾性部と前記固定枠の間にそれらを接続するようにＹ軸に沿って設けられた、前記第三の弾性部を介して前記可動部をＹ軸に沿って移動させる第二の圧電素子と、
前記第四の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠と接続するように前記第四の弾性部からＹ軸に沿って延出した、前記可動部がＸ軸に沿って移動したときのＸ軸方向の弾性変形が前記第二の圧電素子と同等となる弾性特性を有する第二の延出部と、
前記第一〜第四の弾性部と一体的に形成され、前記固定枠に固定された、前記第一〜第四の弾性部を支持する支持部とを備えている走査機構。
試料に対向して配置され、前記試料との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位するプローブと、
前記プローブのＺ軸に沿った変位を検出する変位センサと、
前記試料と前記プローブの一方を走査する請求項１に記載の走査機構と、
前記プローブの変位情報と前記走査機構の走査情報とに基づいて前記試料の物理情報を取得する処理部とを備えている走査型プローブ顕微鏡。
前記走査機構は、前記可動部の重心位置に設けられたＺ軸に沿って伸縮する第三の圧電素子をさらに備えており、前記第三の圧電素子の移動端に前記試料が保持される、請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記可動部が貫通穴を有している請求項１記載の走査機構。
試料に対向して配置され、前記試料との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位するプローブと、
前記プローブのＺ軸に沿った変位を検出する変位センサと、
前記試料と前記プローブの一方を走査する請求項４に記載の走査機構と、
前記プローブの変位情報と前記走査機構の走査情報とに基づいて前記試料の物理情報を取得する処理部とを備えている走査型プローブ顕微鏡。
前記貫通穴は前記可動部の重心を避けるように設けられ、
前記可動部の重心位置にＺ軸に沿って伸縮する第四の圧電素子をさらに備え、前記第四の圧電素子の移動端に前記プローブが支持される、請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡。