JPH08136553A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】探針と試料との間の相対的な位置変動の少ない
走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】ステージ基台を支持する三本の送りねじ４０の
各々の上端には円形の凹部４２が形成されており、その
中に三つの小球５０が収容されている。小球５０はいず
れも凹部４２の底面４６と周壁４４に接していて、それ
ぞれ正三角形の頂点の位置にあり、これらの三つの小球
５０の上にボール４８が乗っている。つまり、ボール４
８は三つの小球５０と接する三点で支持されている。送
りねじ４０の上端には樹脂製のボール抑え５２が設けら
れている。このボール抑え５２はボール４８の脱落を防
止するためだけに設けられたものであり、送りねじ４０
が上を向いている状態ではボール４８の回転をいっさい
妨げない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料に近づけて支持し
た探針を走査することにより、試料表面の種々の情報を
得る走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡としては走査型ト
ンネル顕微鏡と原子間力顕微鏡が特に良く知られてい
る。走査型トンネル顕微鏡では、トンネル電流を得るた
め、探針は探針先端と試料表面の間の距離が１ｎｍ程度
になるまで試料に近づけられる。原子間力顕微鏡でも同
様に探針は試料に近づけられ、その距離は０．１ｎｍ程
度である。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡では、たとえば試料
表面の凹凸形状を観察する場合では観察対象である凹凸
は数十ｎｍ〜数μｍであり、ｎｍオーダーといった非常
に高い分解能が要求される。このような高分解能の画像
を得るには、温度変化による装置の各部の変位、音によ
る振動、床から伝わってくる振動、装置自体が発生する
振動などを極力排除する必要がある。すなわち、探針と
試料の間の相対的な位置変動を極力排除することが望ま
れる。

【０００４】この要望に応えるものとして、基台に対し
て上下方向に移動可能に設けられた三本の送りねじによ
って、探針を含むユニットまたは試料ステージを含むユ
ニットを支持する構造がある。一般に、送りねじの先端
は球状となっており、また、送りねじに支持されるユニ
ットには、位置ずれ等のない安定な支持が得られるよう
に、送りねじの先端の球状部が接する部分に溝や凹部な
どが形成されている。さらに、安定性の向上を図るため
に、通常は、三本の送りねじに支持されたユニットと基
台の間にばねが取り付けられ、ばねの弾性力によってユ
ニットが基台へ引っ張られる構造となっている。

【０００５】測定に先だって、ユニットの上に載せられ
た試料を探針の測定範囲まで接近させることが必要であ
る。ユニットの移動は、送りねじを回転させて、これを
上下方向に移動させることにより行なわれる。通常、三
本の送りねじは独立して回転される構造となっており、
このためユニットを水平を保ったまま上下動させるには
かなりの熟練を要する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の構造において、
送りねじの先端の球状部は送りねじと一緒に回転するた
め、送りねじを回転させた際に、この球状部とユニット
の接面との間の摩擦によって振動が発生する。このよう
な振動は、試料ステージを安定に探針に接近させる上で
好ましくない。

【０００７】また、試料や探針を交換するため、三本の
送りねじに支持されたユニットを基台から取り外すこと
が度々あり、この取り外したユニットを再び基台に取り
付ける際にはその都度ばねをユニットに設けたばね掛け
に掛けなければならない。この作業は、ユニットの装着
作業の円滑化を阻害する原因ともなっており、このよう
な手間のかからない構造が望まれている。

【０００８】本発明の目的は、探針と試料との間の相対
的な位置変動の少ない走査型プローブ顕微鏡を提供する
ことである。本発明の別の目的は、ユニットを基台に装
着する際の手間が少ない走査型プローブ顕微鏡を提供す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、基台と、基台に設けられた回転により上下に
移動し得る三本の送りねじと、三本の送りねじに支持さ
れるユニットと、三本の送りねじを同時に回転させる手
段とを備え、送りねじは滑らかに回転するボールを先端
部に備えている。

【００１０】さらに、本発明の走査型プローブ顕微鏡
は、一端が基台に固定されたばねと、ばねの他端に取り
付けられた係合部材とを備え、ユニットは基台に装着さ
れた際に係合部材と係合する爪を備えている。

【００１１】

【作用】ユニットに接触する送りねじの先端のボールは
自在に回転するので、送りねじが回転された際に、ボー
ルはユニットの接触面から抵抗を受けるため、両者間に
発生する静止摩擦力によって回転することはない。した
がって、ユニットとボールとの間に滑りが生じないた
め、摩擦は発生せず、送りねじの回転に起因する振動は
発生しない。

【００１２】また、ユニットを基台に装着した際に、ユ
ニットに設けた爪が、基台に固定されたばねに取り付け
られた係合部に自動的に係合するので、これまでのよう
にユニットのばね掛けにばねをいちいち掛ける手間が不
要となる。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明しよう。図１と図２に示すように、走査型プロ
ーブ顕微鏡は、探針基台８６と、探針変位センサー１４
と、ステージ基台６０と、これらを保持する基台１２と
を有している。探針基台８６は例えば積層型圧電素子を
有していて、探針８８を上下方向に微動可能に支持して
いる。探針変位センサー１４は、探針８８の上下方向の
変位を測定する光学系を含んでいる。これら探針変位セ
ンサー１４と探針基台８６は基台１２に確実に固定され
ている。

【００１４】図１に示すように、基台１２に、ステージ
基台６０を支持するための三つの送りねじ機構が設けら
れている。それぞれの送りねじ機構は、周面に歯を有す
るプーリー２６を有している。このプーリー２６は、そ
の軸３０がベアリング３０に保持されていて、滑らかに
回転できるようになっている。三つの送りねじ機構の三
つのプーリー２６は共に一本の歯付ベルト５６と噛み合
っており、歯付ベルト５６はモーター１８により正逆両
方向に回転される駆動プーリー２２と噛み合っている。
駆動プーリー２２とプーリー２６は互いの回転軸が平行
となるように設けられている。モーター１８はギヤヘッ
ド２０と共に、基台１２に取り付けれたモーター基台１
６に固定されている。

【００１５】図１と図６に示すように、プーリー軸３０
の上端部にはピン３２が設けられており、このピン３２
にカップリング３４の下端部に形成された溝が係合して
いる。カップリング３４の上端部には下端部の溝に直交
するように別の溝が形成されており、この溝にスプライ
ン軸３６の下端部に設けたピン３８が係合している。ス
プライン軸３６は軸断面が四角形をしており、基台１２
に固定されたナット５４と螺合している送りねじ４０の
下部に形成した四角い穴に係合している。送りねじ４０
の上端部にはボール４８が回転自在に設けられている。
カップリング３４とプーリー軸３０の間には僅かな隙間
があり、ピン３２の軸方向に僅かに移動できるようにな
っている。同様に、カップリング３４とスプライン軸３
６との間にも僅かな隙間があり、ピン３８の軸方向に僅
かに移動できるようになっている。この結果、プーリー
軸３０のピン３２とカップリング３４とスプライン軸３
６のピン３８は相俟ってオルダムカップリングを形成し
ており、送りねじ４０とプーリー軸３０の偏心を緩衝す
る機能を有している。

【００１６】ここで、送りねじ４０の先端部のボール４
８の保持構造について、図７を参照しながら説明しよ
う。送りねじ４０の上端には円形の凹部４２が形成され
ており、その中に三つの小球５０が収容されている。小
球５０はいずれも凹部４２の底面４６と周壁４４に接し
ていて、それぞれ正三角形の頂点の位置にある。周壁４
４により外方向への移動が規制されたこれらの三つの小
球５０の上にボール４８が乗っている。つまり、ボール
４８は三つの小球５０と接する三点で支持されている。
送りねじ４０の上端には樹脂製のボール抑え５２が設け
られている。このボール抑え５２はボール４８の脱落を
防止するためだけに設けられたものであり、送りねじ４
０が上を向いている状態ではボール４８の回転をいっさ
い妨げない。

【００１７】ステージ基台６０は、図２に示すように、
中央を貫通する穴を有しており、その内部に圧電素子基
台６４に下端が固定された円筒型圧電素子６６が配置さ
れている。圧電素子６６の上端に、試料８４を載せるた
めの試料ステージ６８が固定されている。

【００１８】また、図３に示すように、基台１２には横
方向に開いた凹部があり、この凹部にステージ基台６０
が収容される。ステージ基台６０は横方向から挿入され
る。ステージ基台６０は、図１と図３から分かるよう
に、基台１２に設けられた三本の送りねじ４０の先端の
ボール４８によって支持される。ステージ基台６０に
は、図４に示すように、直線的に放射状に延びる三本の
Ｖ溝６２が形成されており、これら三本のＶ溝６２にそ
れぞれの送りねじ４０のボール４８が納まることで、ス
テージ基台６０が安定に支持される。それぞれのＶ溝６
２に対してボール４８は二点で接しており、したがって
ステージ基台６０は六点によって支持される。このよう
に六点によって六自由度が固定されることで、ステージ
基台６０は三次元体的に固定される。

【００１９】このように六自由度を固定することにより
ステージ基台６０を三次元体的に固定するためにステー
ジ基台６０に設ける構造は、異なる方向に延びる三本の
溝に限らず、ボール４８との係合により六自由度を規制
する構造であればどのようなものでもよい。たとえば図
５に示すように、一本のＶ溝と円錐状の凹部であっても
よい。この場合、ボールがＶ溝と二点で接することによ
り二自由度が固定され、別のボールが平面と一点で接す
ることにより一自由度が固定され、さらに別のボールが
円錐状凹部と円で接することにより三自由度が固定さ
れ、結局、三本の溝の場合と同様に六自由度が固定され
る。

【００２０】また、基台１２には、ステージ基台６０の
支持を更に安定にするためにステージ基台６０を下方へ
引っ張るためのコイルばね７４に代表される二つの与圧
機構が設けられている。図２に示すように、基台１２に
は貫通穴８０が形成されている。貫通穴８０の上下端に
はそれぞれ径が太くなっている径拡大部７８と８２が設
けられている。コイルばね７４は貫通穴８０の中を延
び、その下端は下側径拡大部８２に収容された固定部材
７６に固定され、その上端は上側径拡大部７８に納まる
係合部材７２に固定されている。この係合部材７２は上
側径拡大部７８に納まったとき、その上端部のみが基台
から突出した状態になる。また、ステージ基台６０に
は、これが正しい位置に装着された際に係合部材７２と
係合する爪７０が設けられている。

【００２１】続いて、ステージ基台６０の装着について
説明する。前述したように、ステージ基台６０は、基台
１２に設けられた凹部に横から挿入される。最初すなわ
ち挿入前は、図８に示すように、係合部材７２はその上
端の係合部７２ａのみが基台１２から突出した状態にあ
る。そして、ステージ基台６０が基台１２の凹部に挿入
され、ステージ基台６０が所定位置すなわちＶ溝６２が
送りねじ４０の真上にある位置に来る際に、係合部材７
２の上端部の係合部７２ａが爪７０の内側の空間７１に
入る。

【００２２】ステージ基台６０が所定位置に配置された
後、モーター１８が駆動され、駆動プーリー２２が回転
される。駆動プーリー２２の回転は歯付ベルト５６を介
して三つのプーリー２６を回転させる。これにより三本
の送りねじ４０が同期して上方に繰り出される。したが
って、ステージ基台６０は、これを下方に引っ張るコイ
ルばね７４の弾性力に逆らって上方に押し上げられる。

【００２３】ステージ基台６０は、三本のＶ溝６２と送
りねじ４０の先端のボール４８の接触によって六自由度
が固定され、三次元体的に固定されている上に、コイル
ばね７４の弾性力によって下方に引っ張られているの
で、極めて安定に保持されている。

【００２４】ところで、ステージ基台６０が上下に移動
される際、ボール４８とＶ溝６２の間に摩擦は生じな
い。その理由は次の通りである。図７を参照しての説明
において既に触れたように、ボール４８はＶ溝６２に二
点で接触し、小球５０は送りねじ４０の凹部４２に底面
４６と周面４４の二点で接触し、ボール４８と小球５０
は一点で接している。このため、送りねじ４０が回転し
たとき、ボール４８はＶ溝６２に対しては静止摩擦力に
よって固定され、小球５０は凹部４２内を転がり、送り
ねじ４０の回転軸周りを公転する。したがって、ボール
４８がＶ溝６２の接面に対して滑ることなく、すなわち
ボール４８とＶ溝６２の接面の間に摩擦が生じることな
く、ステージ基台６０が上下される。このため、ステー
ジ基台６０を上下させる際に、送りねじ４０の回転に起
因する振動は発生しない。

【００２５】これまでに説明したように、本実施例の走
査型プローブ顕微鏡では、ステージ基台を装着する際の
手間が少なくなるとともに、ステージ基台を上下させる
際の送りねじの回転に起因する振動の発生が防止され
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、探針と試料との間の相
対的な位置変動の少ない走査型プローブ顕微鏡を得られ
る。さらに、ユニットを基台に装着する際の手間が少な
い走査型プローブ顕微鏡が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の走査型プローブ顕微鏡を図３のＩ−Ｉ
線に沿って破断したときの側断面図である。

【図２】実施例の走査型プローブ顕微鏡を図３のＩＩ−
ＩＩ線に沿って破断したときの側断面図である。

【図３】実施例の走査型プローブ顕微鏡の模式的な上面
図である。

【図４】ボールとの接触により六自由度を固定するため
にステージ基台に形成する構造を説明する図である。

【図５】ボールとの接触により六自由度を固定するため
にステージ基台に形成する別の構造を説明する図であ
る。

【図６】ステージ基台を支持する送りねじ機構の部分断
面斜視図である。

【図７】図６に示した送りねじの先端部の構造を示す図
である。

【図８】ステージ基台を挿入した際に爪が係合部に係合
する様子を示す図である。

【符号の説明】

１２…基台、４０…送りねじ、４８…ボール、５０…小
球、６０…ステージ基台、６２…Ｖ溝。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台と、 基台に設けられた回転により上下に移動し得る三本の送
   りねじと、 三本の送りねじに支持されるユニットと、 三本の送りねじを同時に回転させる手段とを備え、さら
   に送りねじは滑らかに回転するボールを先端部に備えて
   いる、走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１において、 一端が基台に固定されたばねと、 ばねの他端に取り付けられた係合部材とを更に備え、 ユニットは、基台に装着された際に係合部材と係合する
   爪を備えている、走査型プローブ顕微鏡。