JPH09178760A - 自走式走査型プローブ顕微鏡およびこれを含む複合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の大型化、高価格化を招くことなく、か
つ単体で大型試料の任意の場所の測定を可能とする走査
型プローブ顕微鏡、およびこの走査型プローブ顕微鏡と
他の顕微鏡等とを複合してなる複合装置を提供する。 【解決手段】 カンチレバー23の先部に設けられ、試料
に臨む探針22と、当該探針と試料の間に働く物理量を検
出する手段24,25 と、探針と試料を３次元的に相対的に
移動する微動装置12,42,43と、微動装置の動作を制御す
る制御手段とを備え、当該制御手段で生成される制御量
に基づいて試料の表面の性状情報を得るようにしたもの
であって、圧電素子等を用いてなる自走用移動機構12,1
3 を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料・探針間に働
く物理量を利用して試料表面およびその近傍の性状（形
状や電気的性質等）を得る自走式走査型プローブ顕微
鏡、およびこの自走式走査型プローブ顕微鏡を用いて構
成される複合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料と探針
（プローブともいう）の間に働く物理量（トンネル電流
や原子間力等）を利用して試料の表面および表面近傍の
性状（形状や電気的性質等）を得る装置である。走査型
プローブ顕微鏡の測定分解能は、原子オーダにも及び、
極めて微細な形状を測定することができる。走査型プロ
ーブ顕微鏡の種類には、測定に利用する物理量に応じ
て、例えば走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁
気力顕微鏡などがある。

【０００３】走査型プローブ顕微鏡での測定行為では、
試料と探針を、直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各軸方向
に相対的に微小に移動させることが必要である。この微
小移動を行うための機構の構成としては、試料側を駆動
する構成と探針側を駆動する構成がある。

【０００４】図１３は、走査型プローブ顕微鏡の一種で
ある光てこ検出方式の原子間力顕微鏡の従来例を示す
（特開平３−２９６６１２号公報）。フレーム８１の下
部に粗動機構８２を設け、粗動機構８２の可動部の上に
試料８３が配置される。フレーム８１の上壁部には金属
顕微鏡（光学顕微鏡）８４が設けられると共に、円筒型
圧電素子８５を介して原子間力顕微鏡８６が設けられ
る。原子間力顕微鏡８６では、先端に探針８７を備えた
カンチレバー８８、カンチレバー８８を固定するホルダ
８９、レンズからなるレーザ発射部９０、反射ミラー９
１、光検出器９２を備え、さらに探針側を微小駆動させ
る構成を有する。フレーム８１にはさらにレーザ光源
（半導体レーザ）９３が設けられ、レーザ光源９３から
出射されたレーザ光はレンズ９４および光ファイバ９５
で案内されてレーザ発射部９０まで導かれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の原子間
力顕微鏡では、試料８３と探針８７を相対的に微小変位
させる微動装置として円筒型圧電素子８５を用いてい
る。円筒型圧電素子８５は直交する３軸であるＸ，Ｙ，
Ｚの各軸方向への駆動を行うための電極を所定箇所に備
え、これらの電極を適宜に選択して電圧を印加すること
により変位を生じさせる。圧電素子を利用した微動装置
としてその他に、３本の積層型圧電素子を互いに直交さ
せてなるトライポッド型のものがある。

【０００６】上記円筒型圧電素子８５は微小変位を高精
度に発生することができ、走査型プローブ顕微鏡による
高分解能な測定を可能にする。他方、円筒型圧電素子８
５により得られる変位の大きさは、圧電素子の変位量に
よって規定され、せいぜい数μｍ〜数十μｍ程度であ
る。従って上記原子間力顕微鏡では、表面積の大きな試
料の任意の場所を測定する場合を想定して、金属顕微鏡
８４と、試料８３の側で相対的に大きな変位を発生でき
る粗動機構８２とを備え、粗動機構８２によって試料８
３と原子間力顕微鏡８６との相対的位置関係を変化させ
るようにしている。

【０００７】かかる構成によれば、微小変位用および大
変位用の少なくとも２つの移動装置（８２，８５）を用
意しなければならず、装置全体が大型化および複雑化
し、さらに高価になるという問題がある。

【０００８】また前述の従来例では原子間力顕微鏡８６
と金属顕微鏡８４を組み合わせてなり、比較的大きな面
積の試料を測定する場合に、金属顕微鏡８４で大きな領
域を観察してその中から微小な測定箇所を見つけ出し、
当該測定箇所に原子間力顕微鏡を位置合せして詳細な測
定を行うようにする。かかる原子間力顕微鏡８６と金属
顕微鏡８４は少なくとも数十〜百数十ｍｍの間をあけて
共通のフレーム８１に固設されている。従って、金属顕
微鏡８４による観察から原子間力顕微鏡８６による本来
の測定への位置変更の際には、試料８３を移動するため
の大型の粗動機構８２が必要となる。

【０００９】以上のように、原子間力顕微鏡と光学顕微
鏡等の他の装置との複合化を図る場合に、装置の大型
化、高価格化を招くという問題があった。このことは走
査型プローブ顕微鏡に関して一般的に言えることであ
る。

【００１０】本発明の目的は、前述した従来の課題を解
決し、装置の大型化、高価格化を招くことなく、かつ単
体で大型試料の任意の場所の測定を可能とする走査型プ
ローブ顕微鏡、およびこの走査型プローブ顕微鏡と他の
顕微鏡等とを複合してなる複合装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
（請求項１に対応）に係る自走式走査型プローブ顕微鏡
は、上記の目的を達成するために、カンチレバーの先部
に設けられ、試料に臨む探針と、当該探針と試料の間に
働く物理量を検出する手段と、探針と試料を３次元的に
相対的に移動する微動装置と、微動装置の動作を制御す
る制御手段とを備え、当該制御手段で生成される制御量
に基づいて試料の表面の性状情報を得るようにしたもの
であって、圧電素子等を用いてなる自走用移動機構を設
けている。

【００１２】第１の本発明では、走査型プローブ顕微鏡
に自走用移動機構を付加し、走査型プローブ顕微鏡のユ
ニットと当該移動機構を組み合わせ、走査型プローブ顕
微鏡自体に自走機能を持たせるようにした。この構成に
よれば、大型試料の任意の場所を測定する際にも、特別
な他の移動装置を用意する必要がなくなり、装置の大型
化、高価格化を避けることが可能となる。単体で大型試
料の任意の場所の測定を可能とする自走式の走査型プロ
ーブ顕微鏡を実現することができる。

【００１３】第２の本発明（請求項２に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、第１の発明において、前
述の自走用移動機構が、電圧印加によって軸方向に伸縮
しかつこの軸方向に直交する平面に含まれる方向に変形
する円筒型圧電素子と、この円筒型圧電素子の内部に同
軸的に配置される円筒型剛体部と、円筒型圧電素子と円
筒型剛体部を固定する端面部材を含んで構成される。円
筒型圧電素子と円筒型剛体部は、円筒型圧電素子が標準
の長さにあるとき、円筒型圧電素子の非固定端面と円筒
型剛体部の非固定端面が同一面上に位置するように構成
される。さらに、円筒型剛体部の内部に走査型プローブ
顕微鏡ユニットが設けられ、円筒型圧電素子の伸縮動作
と変形動作で自走するように構成される。

【００１４】第３の本発明（請求項３に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、第２の発明において、走
査型プローブ顕微鏡ユニットが、円筒型剛体部の内部に
軸方向に移動自在に設けられた接近用移動機構に固定さ
れる。

【００１５】第４の本発明（請求項４に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、第２または第３の発明に
おいて、好ましくは、円筒型剛体部の内部は隔壁で少な
くとも２つの領域に分けられ、領域の各々に走査型プロ
ーブ顕微鏡ユニットが設けられるように構成される。各
走査型プローブ顕微鏡ユニットは異なるタイプとするこ
とが望ましい。

【００１６】第５の本発明（請求項５に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、上記の各発明において、
好ましくは、自走用移動機構が微動装置を兼ねる。

【００１７】第６の本発明（請求項６に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、上記の各発明において、
好ましくは、自走用移動機構が微動装置とは別個に設け
られる。

【００１８】第７の本発明（請求項７に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、第６の発明において、微
動装置が、端面部材に固定される円筒型圧電素子であ
り、円筒型剛体部はこの円筒型圧電素子の非固定端面に
結合される。

【００１９】第８の本発明（請求項８に対応）に係る自
走式走査型プローブ顕微鏡は、第６の発明において、微
動装置が、接近用移動機構と走査型プローブ顕微鏡ユニ
ットの間に設けられる円筒型圧電素子である。

【００２０】第９の本発明（請求項９に対応）に係る複
合装置は、金属顕微鏡、走査型電子顕微鏡、その他の検
査装置、半導体製造プロセス装置、処理装置のうちいず
れか１つの試料テーブル上に載置された試料の近傍に、
第１から第８のいずれかに記載された自走式走査型プロ
ーブ顕微鏡を載置することによりなることを特徴とす
る。

【００２１】第９の本発明では、走査型プローブ顕微鏡
と金属顕微鏡等の他の装置との複合を図る際に、複合化
のために大型の移動装置を用意する必要がなくなり、装
置の大型化、高価格化を招くことなく走査型プローブ顕
微鏡と他の装置との複合装置を実現することができる。

【００２２】第１０の本発明（請求項１０に対応）に係
る複合装置は、第９の発明において、好ましくは、自走
式走査型プローブ顕微鏡を前記試料の上に搬送する搬送
機構を備える。搬送機構を設けたため、試料の表面と自
走式走査型プローブ顕微鏡の載置面との間に段差や隙間
があっても当該顕微鏡を容易に試料表面に配置すること
ができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２４】図１〜図６は本発明に係る自走式走査型プ
ローブ顕微鏡の第１実施形態を説明するための図であ
る。自走式走査型プローブ顕微鏡は、走査型プローブ顕
微鏡の本体をなす装置部分Ａ（以下「ＳＰＭ装置部Ａ」
という）と、自走動作を行う機構部分Ｂ（以下「自走機
構部Ｂ」という）からなる。本実施形態では、ＳＰＭ装
置部Ａの一例として原子間力顕微鏡を示している。

【００２５】まず、相対的に大きな変位を生じさせる自
走機構部Ｂを説明する。自走機構部Ｂは、図１〜図３に
示されるように、図中上部側端面部に位置する共通のプ
レート１１に円筒型圧電素子１２と円筒型剛体部１３が
固設される。プレート１１は所要の厚みおよび剛性を有
する。円筒型剛体部１３は好ましくは円筒型圧電素子１
２の内側空間に同軸状態で配置され、後述するように、
自走による移動時に支柱として機能し、かつ内部空間が
ＳＰＭ装置部Ａの配置空間として使用される。円筒型剛
体部１３と円筒型圧電素子１２はプレート１１を介して
一体的に形成され、円筒型剛体部１３の軸方向と円筒型
圧電素子１２の軸方向は同じ方向となっている。円筒型
圧電素子１２の下端面には自走機構部Ｂの脚部となるリ
ング１４が固設される。一方、円筒型剛体部１３は、円
筒型圧電素子１２が収縮したとき、自走機構部Ｂを支え
る支柱部としての機能を有する。好ましくは、円筒型圧
電素子１２の軸方向の長さが標準的な長さ（例えば軸方
向に伸縮をしないときの長さ）であるとき、その長さと
円筒型剛体部１３の軸方向の長さとはほぼ等しくなるよ
うに設定される。なお円筒型圧電素子１２の上記標準的
な長さは任意に定義することができる。

【００２６】円筒型圧電素子１２では、図３および図４
（ａ）に示すように、その内側のほぼ全面に共通電極１
５が配置され、外側には、Ｚ軸駆動用電極１６、および
周方向に４分割されて形成されたＸ軸駆動用電極１７、
Ｙ軸駆動用電極１８が２段構成で配置される。なおＺ軸
方向は円筒型圧電素子１２の軸方向と一致し、Ｘ軸およ
びＹ軸はＺ軸に直交する平面に含まれ、かつ互いに直交
している。外側の電極１６，１７，１８に対して適宜に
電圧を印加すると、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸のいずれかの方向
またはそれらを組合せた方向に駆動することが可能とな
る。

【００２７】なお円筒型圧電素子１２の電極に配置構造
については他の構造を採用できる。例えば図４（ｂ）に
示す円筒型圧電素子では、円周方向に４分割されること
によって形成されたＸ軸駆動用電極１７とＹ軸駆動用電
極１８からなるＸＹ軸駆動用電極部を２個のＺ軸駆動用
電極１６で挟み込み、３段構成となっている。これによ
り、ＸＹ軸駆動部と円筒型圧電素子の両端面の各々との
距離を等しくし、円筒型圧電素子１２の上端および下端
のどちらを固定したときでも、均一なＸＹ軸方向の変位
を得ることができる。また図４（ｃ）に示す円筒型圧電
素子では、Ｚ軸駆動用電極１６を２つのＸＹ軸駆動用電
極部で挟み込むようにした３段構成となっている。これ
により、上下のＸＹ軸駆動部の各々を独立して駆動する
ことが可能となり、ＸＹ軸方向に駆動する際に、回転方
向の移動を発生することなく水平に移動することができ
る。

【００２８】円筒型圧電素子１２の軸方向の長さが標準
的な長さであるとき、円筒型剛体部１３の下端面とリン
グ１４の下端面はほぼ同一面上にある。円筒型圧電素子
１２のＺ軸駆動用電極１６に所要電圧を印加してＺ軸方
向に駆動することにより、円筒型剛体部１３の端面を円
筒型圧電素子１２のリング１４の端面から突出させた
り、逆にリング１４の端面を円筒型剛体部１３の端面か
ら突出させることができる。

【００２９】円筒型圧電素子１２の内面に設けられた共
通電極には基準電位が与えられている。円筒型圧電素子
１２の外面の電極１６，１７，１８のいずれかに必要な
電圧を加えることにより円筒型圧電素子１２に移動のた
めの必要な変化を生じさせることができる。図１〜図３
において、円筒型圧電素子１２の各電極に必要な電圧を
印加するための制御手段および電源に関する構成の図示
は、よく知られているので、省略している。自走機構部
Ｂは、円筒型圧電素子１２のＺ軸方向の伸縮動作と、移
動しようとする方向の変形動作、すなわちＸ軸方向また
はＹ軸方向の変形動作との組合せによって、これを多数
回繰り返すことによって、相対的に大きな変位での移動
を行うことができる。

【００３０】次にＳＰＭ装置部Ａについて説明する。Ｓ
ＰＭ装置部Ａすなわち原子間力顕微鏡は、円筒型剛体部
１３の内部空間に配置される。ＳＰＭ装置部Ａは、ホル
ダ２１に固定された、先端に探針２２を備えるカンチレ
バー２３と、レーザ光源２４および光検出器２５からな
る変位検出機構部と、これらを取り付ける共通フレーム
２６とを備える。なお、レーザ光源２４に電力を供給す
る機構、および光検出器２５から検出信号を取り出す機
構、検出信号を処理・表示する機構等はよく知られてい
るので、その図示を省略している。

【００３１】またＳＰＭ装置部Ａは、上記共通フレーム
２６を下部に固定するインチワーム型微動装置２７を備
える。微動装置２７は、積層型圧電素子２８，２９，３
０から構成される。図２に示されるように、圧電素子２
８，３０は、それぞれの両端が円筒型剛体部１３の内壁
面に当接した状態にあり、上下位置にて平行な位置関係
にある。なお圧電素子２８，３０は、上下位置にて、例
えば上から見て直交または所定の角度で交差するような
位置関係に配置することもできる。圧電素子２９は、圧
電素子２８，３０の各中間部を連結する。

【００３２】かかる構成において、微動装置２７は、圧
電素子２８〜３０を適宜に動作させることにより、イン
チワームの作動方式にて円筒型剛体部１３の内部空間で
その軸方向に移動する。微動装置２７が移動することに
よって、ＳＰＭ装置部Ａも共に移動する。なお図１中、
圧電素子２８〜３０を駆動するための制御および電源の
構成の図示は省略する。

【００３３】次に本実施形態による自走式走査型プロー
ブ顕微鏡の動作について説明する。その動作は次の３つ
に分けられる。 （１）自走式走査型プローブ顕微鏡の移動動作（自走機
構部Ｂによる相対的に大きな変位の自走移動）。 （２）探針２２の試料への接近動作（インチワーム型微
動装置２７による接近動作）。 （３）ＳＰＭ装置部Ａによる測定動作（円筒型圧電素子
１２によるＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向への変位動作）。

【００３４】図５の（ａ）〜（ｅ）を参照して、上記の
「（１）自走式走査型プローブ顕微鏡の移動動作」を説
明する。図５は、自走式走査型プローブ顕微鏡をＸ軸方
向に移動する例を示し、（ａ）〜（ｅ）の基本動作から
なっている。

【００３５】（ａ）：円筒型圧電素子１２をＺ軸方向に
伸長駆動し、リング１４の端面を突出させた状態で平ら
なベース面３１上に設置する。この時、リング１４の端
面のみがベース面３１に接触して静立しており、この状
態を基準状態とする。

【００３６】（ｂ）：円筒型圧電素子１２をＸ軸方向に
変形駆動することにより、プレート１１を介して、ＳＰ
Ｍ装置部Ａを内蔵した円筒型剛体部１３を当該Ｘ軸方向
に移動する。

【００３７】（ｃ）：（ｂ）の状態のまま、円筒型圧電
素子１２を円筒型剛体部１３の端面がリング１４の端面
より突出するまでＺ軸方向に収縮駆動し、円筒型剛体部
１３の端面をベース面３１に接触させて静立させる。

【００３８】（ｄ）：円筒型圧電素子１２をＸ軸方向に
変形駆動することにより、リング１４をＸ軸方向に移動
する。

【００３９】（ｅ）：再び、円筒型圧電素子１２をＺ軸
方向に伸長駆動して基準状態に戻すことにより、１周期
分の移動が完了する。このとき、ＳＰＭ装置部Ａの存在
位置は、初期の位置に対してＸ軸方向に微少量変位して
いる。

【００４０】上記の動作（ａ）〜（ｅ）を繰り返すこと
によって、単体の状態で大変位と高精度な微小変位とを
両立することが可能となる。上記の１周期分の移動量を
単位として多数回繰り返すことによって、自走方式に
て、大きな変位の移動を行うことができる。また繰り返
し回数を適当に少なく設定することによって、または静
止状態で変形を生じることによって微小な変位の移動を
行うことができる。

【００４１】またＹ軸方向の移動に関しても、円筒型圧
電素子１２のＺ軸方向の伸縮駆動とＹ軸方向の変形駆動
を組合せることによって、上記と同様に大変位の自走移
動と高精度の微小変位を両立して行うことができる。

【００４２】次に図６の（ａ）〜（ｆ）を参照して、上
記の「（２）探針２２の試料への接近動作」を説明す
る。この接近動作は、積層型圧電素子２８〜３０からな
るインチワーム型微動装置２７により行われ、（ａ）〜
（ｆ）の基本動作からなっている。基本動作（ａ）〜
（ｆ）の内容は、以下の通りである。

【００４３】（ａ）：初期状態では、積層型圧電素子２
８，３０は各々伸びた状態にあり、積層型圧電素子２９
は縮んだ状態となっている。このとき、積層型圧電素子
２８，３０の両端部は円筒型剛体部１３の内壁面に接触
しており、微動装置２７が下方に落下するのを防いでい
る。

【００４４】（ｂ）：下側の積層型圧電素子３０を縮め
てその両端部を円筒型剛体部１３の内壁面から離す。

【００４５】（ｃ）：積層型圧電素子２９を伸ばして、
積層型圧電素子３０を下方に微小に移動する。

【００４６】（ｄ）：積層型圧電素子３０を伸ばし、そ
の両端部を円筒型剛体部１３の内壁面に接する。

【００４７】（ｅ）：積層型圧電素子２８を縮めてその
両端部を円筒型剛体部１３の内壁面から離す。

【００４８】（ｆ）：積層型圧電素子２９を縮めて積層
型圧電素子２８を下方に微小に移動する。この状態で積
層型圧電素子２８を伸ばしてその両端部を円筒型剛体部
１３の内壁面に接することにより、１周期分の移動が完
了する。

【００４９】上記の動作（ａ）〜（ｆ）を繰り返すこと
によって、インチワーム型微動装置２７は微小距離で移
動し、ＳＰＭ装置部Ａによる測定が可能となるまで探針
２２を試料に接近させる。

【００５０】次に「（３）ＳＰＭ装置部Ａによる測定動
作」について説明する。本実施形態の構成では、ＳＰＭ
装置部Ａの移動に用いた円筒型圧電素子１２を、ＳＰＭ
装置部Ａによる測定の際に、探針２２をＸＹの各軸方向
に走査し、かつＺ軸方向に制御するスキャナとして用い
る。図５（ｅ）に示す状態ではリング１４の端面のみが
ベース面３１すなわち試料面に接しているので、この状
態で円筒型圧電素子１２を駆動することによって一般の
走査型プローブ顕微鏡におけるスキャナと同等の動作を
行うことができ、走査型プローブ顕微鏡による測定を実
現できる。

【００５１】上記の実施形態によれば、走査型プローブ
顕微鏡（ＳＰＭ装置部Ａ）に圧電素子を利用して構成し
た自走用移動機構（自走機構部Ｂ）を付設し、走査型プ
ローブ顕微鏡に自走機能を付加することによって自走式
走査型プローブ顕微鏡を実現する。これにより、大型試
料の任意の場所を測定する際にも、大変位のための移動
装置を別に用いる必要がなくなる。従って、装置の大型
化、高価格化を招くことなく、かつ単体で大型試料の任
意の場所の測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡を実
現することができる。また、走査型プローブ顕微鏡自体
の大きさも小型に作ることができるので、他の各種の装
置との複合の際にも高い汎用性を有している。

【００５２】図７は本発明の第２実施形態を示す。本実
施形態では、円筒型剛体部４１は、第１実施形態に比較
して軸方向の長さを短くして形成され、円筒型圧電素子
４２を介してプレート１１に固定される。それ以外の構
成は、前述の第１実施形態の場合と同じである。自走式
走査型プローブ顕微鏡の移動動作、および探針２２の試
料への接近動作は、第１実施形態と同じである。ＳＰＭ
装置部Ａによる測定のための動作は、新たに付設された
円筒型圧電素子４１をスキャナとして利用して行う。第
２実施形態によれば、ＳＰＭ装置部Ａによる測定の際
に、走査および制御する部分が、第１の実施形態に比べ
てプレート１１の分だけ小さくかつ軽量となり、より高
速な測定が可能となる。また円筒型圧電素子４２を自走
機構部の一部として利用することにより、１周期分の移
動量を大きくすることができ、より高速の移動が可能と
なる。

【００５３】図８は本発明の第３実施形態を示す。本実
施形態では、ＳＰＭ装置部Ａを下部に備えるフレーム２
６が、円筒型圧電素子４３を介して、インチワーム型微
動装置を形成する積層型圧電素子３０に固定される。そ
れ以外の構成は、前述の第１実施形態と同じである。自
走式走査型プローブ顕微鏡の移動動作、および探針の試
料への接近動作は、第１実施形態と同じである。ＳＰＭ
装置部Ａによる測定は、円筒型圧電素子４３をスキャナ
として利用して行う。第３実施形態によれば、測定の際
に走査および制御する部分が、第１実施形態に比べてプ
レート１１、円筒型剛体部４１、積層型圧電素子２８〜
３０の分だけ小さくかつ軽量になり、さらに高速な測定
が可能となる。

【００５４】図９および第１０図は本発明の第４実施形
態を示す。本実施形態では、円筒型剛体部４４の内部が
例えば隔壁４５によって２つに分割される。そして、一
方の内部空間（図９中右側）には前述したＳＰＭ装置部
Ａ（本実施形態では原子間力顕微鏡）をインチワーム型
微動装置２７と共に設け、他方の内部空間（図９中左
側）には他の種類のＳＰＭ装置部Ｃ（本実施形態では走
査型トンネル顕微鏡、４６は探針である）を他のインチ
ワーム型微動装置４７と共に設ける。第４実施形態によ
れば、１つの装置に、少なくとも２つの配置領域を形成
することによって少なくとも２つのＳＰＭ装置部Ａ，Ｃ
を容易に配置し、測定能力を高めた自走式走査型プロー
ブ顕微鏡を作ることができる。

【００５５】上記説明では走査型プローブ顕微鏡の自走
用移動機構として円筒型圧電素子を利用したものについ
て述べてきたが、自走用移動機構としては必ずしもこれ
に限定されるものではない。例えば積層型圧電素子や超
音波モータ等を用いても本発明の本質を変えることな
く、他の実施形態としての自走式走査型プローブ顕微鏡
を実現することができる。

【００５６】図１１は本発明に係る複合装置の第１実施
形態を示す。本実施形態は、除振台５１上に設けられた
移動装置５２、移動装置５２上の試料テーブル５３、さ
らに当該試料テーブル５３上に設置された試料５４に対
向するようにブリッジ５５に固定されて設置された光学
顕微鏡（金属顕微鏡）５６からなる大型試料対応の顕微
鏡装置に、前述した本発明に係る自走式走査型プローブ
顕微鏡の前記各実施形態で説明したいずれかの装置、す
なわち自走式走査型プローブ顕微鏡５７を装備して構成
される。すなわち、大型試料対応の光学顕微鏡装置と、
走査型プローブ顕微鏡とが複合された装置構成を有す
る。

【００５７】本実施形態では、自走式走査型プローブ顕
微鏡５７は試料テーブル５３上の一部に載置されてい
る。当該載置部分５３ａは試料５４の表面と同じ高さと
なるように作られている。この構成によれば、他の移動
装置を付加することなく、また複合化のために大型の移
動装置を用意することなく、走査型プローブ顕微鏡５７
と他の測定装置との複合が可能となる。また前述の通
り、自走式走査型プローブ顕微鏡５７は小型に作ること
ができるので、試料テーブル５３上に複数の自走式走査
型プローブ顕微鏡５３を載置することができ、複合装置
として極めて汎用性の高いものとなる。

【００５８】上記実施形態による複合装置によれば、走
査型プローブ顕微鏡と光学顕微鏡等の他の装置との複合
を図る際に、光学顕微鏡等の試料テーブル上に載置され
た試料の近傍に前述した自走式走査型プローブ顕微鏡を
載置して構成することにより、複合化のために大型の移
動装置を用意する必要がなくなり、装置の大型化、高価
格化を招くことなく走査型プローブ顕微鏡と他の装置と
の複合装置を実現することができる。

【００５９】図１２は本発明に係る複合装置の第２実施
形態を示す。本実施形態では、図１１に示した実施形態
において、さらに、自走式走査型プローブ顕微鏡５７を
試料５４上に搬送し、載置するための搬送装置５８が、
試料テーブル５３上に設けられている。搬送装置５８
は、例えば、取付け部または把持部を備え、搬送機能を
備えたアーム回転式の構造を有する。かかる構造によっ
て、試料５４の厚み等に依存することなく、自走式走査
型プローブ顕微鏡５７による測定が可能となる。すなわ
ち、試料表面と自走式走査型プローブ顕微鏡の載置面と
の間に段差や隙間が存在する場合にも、問題なく対処で
きる。搬送装置５８は、小型の自走式走査型プローブ顕
微鏡５７を試料５４上に載置するためだけのものである
とすれば、小型の移動装置で充分である。また、搬送装
置５８を用いて走査型プローブ顕微鏡５７を試料５４上
の任意の位置に位置合わせをして載置することを考える
場合、走査型プローブ顕微鏡５７の自走用移動機構によ
って精密な位置合わせができるので、搬送装置５８は位
置合わせ精度の粗いもので充分であり、安価なものを使
用できる。

【００６０】ここで、図１１および図１２に示す複合装
置の実施形態では、光学顕微鏡（金属顕微鏡）との複合
を説明しているが、複合の対象はこれに限定されるもの
ではなく、例えば走査型電子顕微鏡などの他の測定装置
や検査装置、その他の成膜装置やエッチング装置などの
半導体製造プロセス装置や処理装置なども実現すること
ができる。

【００６１】なお上記説明では原子間力顕微鏡について
述べたが、本発明を他の走査型プローブ顕微鏡一般に適
用できるのは勿論である。さらに、走査型プローブ顕微
鏡以外、たとえばレーザ光源や微小な熱源等を本発明の
構成に組み込むことにより、試料の任意の場所で局部的
な加工などを行う装置への応用も可能である。

【００６２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型プローブ顕微鏡に圧電素子等を用いた自走
用移動機構を設けるようにしたため、走査型プローブ顕
微鏡自体に自走機能を付加することができる。これによ
り、大型試料の任意の場所を測定する際にも特別に他の
移動装置を用いる必要がなくなり、装置の大型化、高価
格化を招くことなく、かつ単体で大型試料の任意の場所
の測定を可能とする自走式走査型プローブ顕微鏡を実現
することができる。

【００６３】また自走用移動機構と測定のための微動装
置とを１つの機構で兼ねるように構成したため、構成を
簡素にすることができる。

【００６４】測定のための微動装置を自走用移動機構と
は別に設け、当該微動装置で、走査型プローブ顕微鏡の
みまたは走査型プローブ顕微鏡に直接的に関連する部分
のみを微小変位させるようにしたため、動作対象物を軽
量化することができ、測定時間を短縮することができ
る。

【００６５】また走査型プローブ顕微鏡と光学顕微鏡等
の他の装置との複合を図る際に、走査型プローブ顕微鏡
に自走機能を設けたため、光学顕微鏡等の試料テーブル
の近傍に自走式走査型プローブ顕微鏡を載置して構成す
ることができ、これにより、複合化のために大型の移動
装置を用意する必要がなくなり、装置の大型化、高価格
化を招くことなく走査型プローブ顕微鏡と他の装置との
複合装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自走式走査型プローブ顕微鏡の第
１実施形態を示す縦断面図である。

【図２】図１中のＤ−Ｄ線断面図である。

【図３】第１実施形態の円筒型圧電素子の一部を切欠い
た外観斜視図である。

【図４】円筒型圧電素子の各種の実施形態を示す外観斜
視図である。

【図５】第１実施形態における自走機構部による移動動
作を説明するための図である。

【図６】第１実施形態における探針の接近動作を説明す
るための図である。

【図７】本発明に係る自走式走査型プローブ顕微鏡の第
２実施形態を示す縦断面図である。

【図８】本発明に係る自走式走査型プローブ顕微鏡の第
３実施形態を示す縦断面図である。

【図９】本発明に係る自走式走査型プローブ顕微鏡の第
４実施形態を示す縦断面図である。

【図１０】図９におけるＥ−Ｅ線断面図である。

【図１１】本発明に係る複合装置の第１実施形態を示す
縦断面図である。

【図１２】本発明に係る複合装置の第２実施形態を示す
縦断面図である。

【図１３】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す縦
断面図である。

【符号の説明】

１１ プレート １２，４２，４３ 円筒型圧電素子 １３，４１，４４ 円筒型剛体部 １４ リング ２２ 探針 ２３ カンチレバー ２４ レーザ光源 ２５ 光検出器 ２７ インチワーム型微動装置 ２８，２９，３０ 積層型圧電素子 ５４ 試料 ５６ 光学顕微鏡 ５７ 自走式走査型プローブ顕微鏡 ５８ 搬送装置

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カンチレバーの先部に設けられ、試料に
   臨む探針と、当該探針と試料の間に働く物理量を検出す
   る手段と、前記探針と前記試料を３次元的に相対移動す
   る微動装置と、当該微動装置の動作を制御する制御手段
   とを備え、当該制御手段で生成される制御量に基づいて
   前記試料の表面の性状情報を得る走査型プローブ顕微鏡
   において、自走用移動機構を設けたことを特徴とする自
   走式走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記自走用移動機構は、電圧印加によっ
   て軸方向に伸縮しかつ前記軸方向に直交する平面に含ま
   れる方向に変形する円筒型圧電素子と、この円筒型圧電
   素子の内部に同軸的に配置される円筒型剛体部と、前記
   円筒型圧電素子と前記円筒型剛体部を固定する端面部材
   とからなり、前記円筒型圧電素子と前記円筒型剛体部
   は、前記円筒型圧電素子が標準の長さにあるとき、前記
   円筒型圧電素子の非固定端面と前記円筒型剛体部の非固
   定端面が同一面上に位置するように構成され、前記円筒
   型剛体部の内部に走査型プローブ顕微鏡ユニットが設け
   られ、前記円筒型圧電素子の伸縮動作と変形動作で自走
   することを特徴とする請求項１記載の自走式走査型プロ
   ーブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記走査型プローブ顕微鏡ユニットは、
   前記円筒型剛体部の内部に軸方向に移動自在に設けられ
   た接近用移動機構に固定されることを特徴とする請求項
   ２記載の自走式走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記円筒型剛体部の内部は隔壁で少なく
   とも２つの領域に分けられ、前記領域の各々に前記走査
   型プローブ顕微鏡ユニットが設けられることを特徴とす
   る請求項２または３記載の自走式走査型プローブ顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 前記自走用移動機構は前記微動装置を兼
   ねることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記
   載の自走式走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記自走用移動機構は前記微動装置とは
   別個に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいず
   れか１項に記載の自走式走査型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記微動装置は、前記端面部材に固定さ
   れる円筒型圧電素子であり、前記円筒型剛体部はこの円
   筒型圧電素子の非固定端面に結合されることを特徴とす
   る請求項６記載の自走式走査型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記微動装置は、前記接近用移動機構と
   前記走査型プローブ顕微鏡ユニットの間に設けられる円
   筒型圧電素子であることを特徴とする請求項６記載の自
   走式走査型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 金属顕微鏡、走査型電子顕微鏡、その他
   の検査装置、半導体製造プロセス装置、処理装置のうち
   いずれか１つの試料テーブル上に載置された試料の近傍
   に、請求項１〜８のいずれかに記載された自走式走査型
   プローブ顕微鏡を載置することによりなることを特徴と
   する複合装置。
10. 【請求項１０】 前記自走式走査型プローブ顕微鏡を前
    記試料の上に搬送する搬送機構を備えることを特徴とす
    る請求項９記載の複合装置。