JPH09304402A

JPH09304402A - プローブ走査装置

Info

Publication number: JPH09304402A
Application number: JP8118015A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Yasutake; 正敏安武; Yorihiro Sato; 順紘佐藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 1997-11-28
Anticipated expiration: 2016-05-13
Also published as: JP3106239B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ｚ方向の粗動・微動機構およびｘ，ｙスキャ
ン機構を一体化し、かつズーム機能を備えた、簡単な構
成のプローブ走査装置を提供することにある。【解決手段】筐体１に、ｚ方向のボイスコイルモータ
（２〜６）と、ｘ，ｙ方向のボイスコイルモータ（２１
〜２５）と、ズーム装置（３４〜３８）とが装着されて
いる。探針１０はスピンドル８、第１、第２のばね１
１、１２、中筒１３、粘性体１７、太管部１５および細
管部１４からなる支持手段により支持されている。前記
ｘ，ｙ方向のボイスコイルモータによって生成された力
は、スピンドル２７などを介して、前記太管部１５に伝
えられる。太管部１５はこの力を受けると、前記細管部
１４を支点として揺動する。ｘ，ｙ方向のズーム装置の
板バネ３７はスピンドル２７の一部を弾性的に支持する
ことによりズーミング機能を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は走査型プローブ顕
微鏡等のプローブ走査装置に関し、特に微小プローブを
試料表面に近接させるｚ粗動と試料表面を測定する時に
該微小プローブと試料表面との距離を制御するｚ微動の
ための機構と、試料表面を走査するｘ，ｙ走査のための
機構とを一体化してプローブ走査を可能にすると共に、
これにズーム機能を付加したプローブ走査装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を、
図８を参照して説明する。円筒状のピエゾ素子５５の上
面に、試料台５１が載置されている。該試料台５１上
に、試料５２が載置されており、該試料５２の上方には
カンチレバー５３の自由端に取り付けられた微小プロー
ブ５４が対向して置かれている。ピエゾ素子５５の円筒
の表面には、ｚ微動のための円筒面上に巻かれた電極５
６と、ｘ，ｙ走査のための４分割された電極５７ａ、５
７ｂ（図示されていない）、５８ａ、５８ｂ（図示され
ていない）が形成されている。パルスモータ６０は例え
ば５００オングストローム／パルス程度の性能を有して
おり、該パルスモータ６０が駆動されるとねじ棒６１が
回動して、ピエゾ素子５５はｚ粗動される。

【０００３】カンチレバー５３のそり量はレーザ発生器
７１から出力されたレーザ光７２を位置検出器７３で検
出される。該位置検出器７３は４分割された光検出電極
から構成されており、カンチレバー５３のそり量が０の
時には、レーザ光７２のスポットが該４分割電極の中央
に来るように位置合わせされている。このため、カンチ
レバー５３にそりが発生すると、該レーザ光７２のスポ
ットが該４分割電極上を移動し、４分割電極から出力さ
れる電圧に差が発生する。この電圧は増幅器７４によっ
て増幅され、差動増幅器７５に入力する。差動増幅器７
５の反転入力端子（−）にはカンチレバーのそり量の基
準値が設定されており、例えばそのそり量が０の時に
は、差動増幅器７５の出力が０になるようになされてい
る。

【０００４】差動増幅器７５の差分出力は並列接続され
た積分回路７６と比例回路７７に入力し、積分回路７６
において該差分が平均化され、比例回路７７において該
差分の高周波成分が抽出され、これらが合成された後、
電圧増幅器７８で増幅されて電極５６に印加される。位
置検出器７３、増幅器７４、差動増幅器７５、積分回路
７６、比例回路７７、および電圧増幅器７８からなる回
路は、フイードバック回路を構成している。ＣＲＴ８０
は、ラスタスキャナ８１からｘおよびｙ方向の走査信号
を受け、またライン８２からカンチレバー５３のそり信
号を受けて、ディスプレイ上に試料５２の表面の形状あ
るいは物理量を映出する。

【０００５】以上のように、従来の走査型プローブ顕微
鏡においては、ｚ粗動はパルスモータ６０とねじ棒６１
により行い、ｚ微動はピエゾ素子５５上の円筒状電極５
６に前記フイードバック信号を印加することにより行
い、ｘ，ｙ走査は４分割された電極５７ａ、５７ｂ、５
８ａ、５８ｂにラスタスキャナ８１から出力されたｘ，
ｙ走査信号を印加することにより行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来は
上記のような構成のピエゾスキャナを用いていたので、
前記ピエゾ素子の電極への印加電圧とその変位量との関
係（印加電圧変位特性）が非線形（ノンリニアリティ）
であり、また該変位量を大きく取れないという問題があ
った。また、数百ボルト〜千ボルト程度の高電圧を前記
電極に印加することが必要であり、周辺をシールドした
り、装置の蓋を開けると電圧を落とす保護回路が必要と
なり、その取扱いが難しいという問題があった。

【０００７】そこで、本発明者は、ｚ方向粗動機構であ
るパルスモータおよびねじ等を粘性体の入ったハウジン
グとヒータ機構とボイスコイル機構とに置き換え、ｚ方
向微動素子であるピエゾ素子をばね要素に置き換えた試
料位置決め装置を開発し、特許出願した（特願平８−２
５３０１号）。

【０００８】この試料位置決め装置によれば、前記ピエ
ゾスキャナが有していた前記問題点を全て解消すること
ができるが、ｚ方向粗動機構とｚ方向微動機構とを一体
化した装置を提供するだけであり、これらの機構にｘｙ
スキャン機構を一体化するという配慮がなされていなか
った。また、ズーム機能を備える点について、何らの配
慮もされていなかった。

【０００９】本発明の目的は、前記した従来技術の問題
点を除去し、ｚ方向の粗動・微動機構およびｘ，ｙスキ
ャン機構を一体化し、かつズーム機能を備えた、簡単な
構成のプローブ走査装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、試料の表面に探針を近接させて、該試料
表面の形状あるいは物理量を計測する装置に使用される
プローブ走査装置において、ｘ，ｙおよびｚ方向の３方
向に配置されたボイスコイルモータと、該ボイスコイル
モータからの力により、ｘ，ｙおよびｚ方向の３方向に
移動させられる探針支持手段と、該探針支持手段の移動
範囲を制限することによりズーム機能を実現するズーミ
ング手段とを具備した点に特徴がある。

【００１１】この発明によれば、前記探針支持手段が走
査する範囲内の任意の領域をズーミングすることができ
る。この結果、試料表面の任意の位置を拡大計測できる
ようになり、その効果は大きい。

【００１２】

【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プロ
ーブ走査装置の構成図である。図示されているように、
筐体１に磁石２が固着され、該磁石２の心棒部３に可動
子４が遊嵌されている。該可動子４はメンブレン５によ
って弾性的に前記筐体１に支持されており、またその周
囲にコイル６が巻回されている。該磁石２、心棒部３、
可動子４、メンブレン５およびコイル６は、スピーカ等
で使用されているボイスコイルモータを形成している。

【００１３】前記可動子４には、細線７の一方の端部が
固着されており、該細線７の他方の端部はｚ方向に延び
るスピンドル８の一端に固着されている。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にカンチレバー等の探針１０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１
１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。該第１、第２のばね１１、１２
は例えば図２(a) 、(b) に示されているように、中筒１
３に設けられた十字型の板ばねまたは通常の板ばねから
構成されている。なお、前記細線７は、後述されるよう
にスピンドル８がｘ，ｙ方向に走査された時に起きる可
動子４に対するスピンドル８の歪みを吸収する働きをし
ている。

【００１４】前記筐体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とを有し、該太管部１５の一
部にヒータ用コイル１６が巻回されている。また、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
すが、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。

【００１５】前記筐体１には、また、第２の磁石２１が
装着されており、その心棒部２２に可動子２３が遊嵌さ
れている。該可動子２３はメンブレン２４により筐体１
に弾性的に支持されており、また該可動子２３の周囲に
コイル２５が巻回されている。該可動子２３には細線２
６の一端が固着され、その他端はｘ方向のスピンドル２
７に固着されている。該スピンドル２７の他端は前記太
管部１５の側部に固着されている。前記第２の磁石２
１、心棒部２２、可動子２３、メンブレン２４およびコ
イル２５は前記と同様のボイスコイルモータを形成して
いる。該ボイスコイルモータはｘ方向のスピンドル２７
に作用するが、図示されていない同構成のボイスコイル
モータが９０°回転した位置に設けられており、ｙ方向
のスピンドルに作用する。

【００１６】前記探針１０と対向する位置には試料台３
１が設けられ、該試料台３１上に検査すべき試料３２が
載置されている。また、該試料台３１は粗動ｘ，ｙ，ｚ
ステージ３３上に設置されている。また、前記第２の磁
石２１の近くに、ズーム装置が設けられている。該ズー
ム装置は、ホルダ３４、加熱コイル３５、該ホルダ３４
内に入れられた粘性体３６、一端がスピンドル２７に固
定され、他端が該粘性体３６内に植立されている板ばね
３７およびクランプ装置３８から構成されている。粘性
体３６は前記粘性体１７と同様の材料を用いることがで
きる。また、クランプ装置３８は必ずしも必要ではな
い。

【００１７】図３は、図１のプローブ走査装置に接続さ
れるｚ粗動・微動回路とｘ，ｙ走査回路の概略の構成を
示すブロック図であり、図１と同一の符号は同一または
同等物を示す。探針１０の変位、例えばカンチレバーの
そり量が変位検出器９から検出されると、該検出信号は
差動増幅器４１により基準値発生器４２からの基準値と
比較される。該基準値は探針１０と試料面との距離が所
定値になった時に変位検出器９が出力する値と等しくさ
れているので、該探針１０と試料面との距離が該所定値
からずれている時には、差動増幅器４１はそのずれ量に
応じた大きさの信号を出力する。差動増幅器４１の出力
は積分回路４３と比例回路４４とにより処理され、Ｖ−
Ｉ変換器４５に入る。Ｖ−Ｉ変換器４５は入力してきた
電圧を電流に変換し、コイル４に通電する。

【００１８】一方、ラスタスキャナ４６はｘおよびｙ方
向の走査信号電流ｘi ，ｙi を、それぞれｘ方向可動子
２３とｙ方向可動子３４に巻回されているコイル２５と
３５に供給する。また、該ラスタスキャナ４６はＣＲＴ
４７にｘ，ｙ走査信号を供給する。試料表面の形状、物
理量等の検査情報は、Ｖ−Ｉ変換器４５の入力側から取
り出されてＣＲＴ４７に供給される。

【００１９】次に、本実施形態の動作を、図１と図３を
参照して説明する。最初に、試料３２の表面に探針１０
を近付ける時の粗動動作を説明する。前記ヒータ用コイ
ル１６には図示されていない温度コントローラが接続さ
れているので、まず該温度コントローラをオンにして、
ヒータ用コイル１６に通電し、粘性体１７を加熱する。
例えばポリマ等の場合には、融点の少し上の温度まで加
熱すると、該粘性体１７はその粘度を急激に下げる。

【００２０】次に、前記変位検出器９、差動増幅器４
１、積分回路４３、比例回路４４およびＶ−Ｉ変換器４
５からなるフィードバック回路が動作する。すなわち、
最初は探針１０と試料表面との距離は大きいから、基準
値発生器４２から出力される基準値と変位検出器９から
の変位検出値との差は大きいので、差動増幅器４１から
は大きな信号電圧が出力される。該信号電圧は積分回路
４３および比例回路４４により処理され、Ｖ−Ｉ変換器
４５により電流Ｉに変換されて、可動子４に巻回された
コイル６に流れる。

【００２１】そうすると、磁石２の磁界とコイル６に流
れる電流Ｉにより、可動子４を下方に動かす力が発生す
る。この結果、該可動子４に接続された細線７、スピン
ドル８は下降する力を受け、また前記中筒１３は前記第
１および第２のばね１１、１２を介してスピンドル８か
ら同方向の力を受ける。この時、粘性体１７の粘度は下
がっているため、中筒１３は容易に下方に移動する。こ
の移動は、前記コイル６に流れる電流Ｉが大きいため、
速やかに行われる。

【００２２】以上のようにして、探針１０が試料３２の
表面に近付き両者の間が所定の距離になると、変位検出
器９からの変位検出値と基準値発生機４２からの基準値
とがほぼ等しい大きさになるから、差動増幅器４１から
出力される信号電圧は０付近の大きさになり、前記コイ
ル６に流れる電流Ｉも小さくなって、ｚ粗動は停止す
る。前記温度コントローラをオフにするタイミングは、
ｚ粗動の停止時か、あるいは余熱を考慮に入れて、該停
止時より早目にする。ヒータ用コイル１６による粘性体
１７の加熱がなくなると、粘性体の粘度は上がる。特
に、前記ポリマ等の場合には、融点の温度を下回ると固
化が始まり、中筒１３と太管部１５とは強固に固定され
る。

【００２３】ｚ粗動が終了すると、ｘ，ｙ走査とｚ微動
とが同時に行われる。まず、ｘ，ｙ走査機構の構成およ
び通常の方法で試料表面を計測する時のその動作につい
て、図１および図４を参照して説明する。ここに、図４
(a) はｘ方向の走査電流ｘi、同図(b) はｙ方向の走査
電流ｙi 、同図(c) は試料表面のｘ，ｙ走査領域を示し
ている。図の３２は試料であり、３２ａはそのｘ，ｙ走
査領域を示す。なお、ｘ方向の走査とｙ方向の走査は同
一または同等の機構により行われるので、これらの代表
としてｘ方向の走査機構に注目して、以下に説明する。
なお、通常の方法で試料表面を計測する時には、図示さ
れていない温度コントローラから加熱用コイル３５に通
電され、粘性体３６は柔らかい状態にされる。

【００２４】図１の磁石２１の心棒部２２に遊嵌された
可動子２３に巻回されているコイル２５に、前記ラスタ
スキャナ４６から図４(a) に示されているような波形の
電流ｘi が通電されると、該可動子２３に接続されてい
るｘ方向の細線２６とスピンドル２７がｘ方向の力を受
ける。

【００２５】いま、前記コイル２５に負方向の電流Ｉが
流れて、スピンドル２７が図１の左方向に押されたとす
ると、太管部１５は力点１５ａにおいて図示されていよ
うな力Ｆを受ける。そうすると、太管部１５は細管部１
４のたわみにより、該力Ｆと同方向に振られる。逆に、
前記コイル２５に正方向の電流Ｉが流れて、スピンドル
２７が図１の右方向に引かれたとすると、太管部１５は
力点１５ａにおいて力−Ｆを受ける。そうすると、太管
部１５は細管部１４の逆方向のたわみにより、該力−Ｆ
と同方向に振られる。このようにして、太管部１５は−
ｘから＋ｘ方向に振られると、探針１０はスピンドル
８、第１、第２のばね１１、１２、中筒１３および粘性
体１７を介して太管部１５に接続されているので、その
走査幅を拡大されて、−ｘから＋ｘ方向に走査されるこ
とになる。

【００２６】次に、上記の動作を、図５を参照して定量
的に説明する。図５は図１の細管部１４、太管部１５お
よび中筒１３を介して取り付けられた探針１０の概略の
概念図を示すものであり、図５の作用点１５ｂに前記探
針１０が取り付けられているものと仮定する。いま、力
点１５ａに力Ｆが印加されたとすると、該力点１５ａで
のたわみ量ｙは下記の(1) 式のようになる。

【００２７】

【数１】ここに、Ｅは細管部および太管部の材料のヤング率を示
す。また、前記Ｉ1 は太管部の断面二次モーメント、Ｉ
0 は細管部の断面二次モーメントを示している。次に、
前記作用点１５ｂにおけるたわみ量ｙ_Tは、下記の(2)
式で表すことができる。

【００２８】

【数２】ここに、θは力点１５ａでのたわみ角である。この式か
ら、作用点１５ｂ、すなわち走査点でのたわみ量は力点
１５ａでのたわみ量ｙに比べて、（ｌ_T−ｌ）ｔａｎθ
だけ拡大されていることがわかる。

【００２９】次に、前記(1) 式を、ｌ₀を変数として微
分すると、下記の(3) 式のようになる。

【００３０】

【数３】前記力点１５ａでのたわみ量の最大値を求めるために、
(3) 式＝０とおいてｌ ₀を求めると、下式のようにな
る。ｌ₀＝（−１±２^1/2）ｌしたがって、ｌ₀＝０．４１４ｌとなり、力点１５ａで
のたわみ量ｙは、細管部の長さｌ₀と力点までの長さｌ
との比（ｌ₀／ｌ）を０．４１４にすると、最大にな
る。このため、ｌ₀／ｌ＝０．４１４となるように設計
するのが最適である。

【００３１】図４に戻って、ｘ，ｙ走査の動作を説明す
ると、今ｘ走査電流ｘi およびｙ走査電流ｙi が共に０
であるとすると、探針１０は同図(c) の試料３２上のあ
る一点Ｏを指している。この状態から、ｘ走査電流ｘi
およびｙ走査電流ｙi に図示されているように負の電流
−Ｉが通電されると、時刻ｔ1 において、探針１０は試
料３２上の走査原点（ｘ0 ，ｙ0 ）に来る。Ｔs は短針
１０が走査方向を１８０°変えるのに要する待ち時間で
ある。次に、ｘ走査電流ｘi が直線的に増加すると、そ
の間探針１０は試料３２上をｘ方向に走査し、時刻ｔ２
になると、試料３２上の走査終点（ｘ0 ，ｙn ）に来
る。この間、探針１０は試料３２の表面の形状に応じた
ｚ微動を行い、該形状に関わる情報が変位検出器９から
出力される。

【００３２】次に、時刻ｔ2 〜ｔ3 の間は、探針１０は
前記と同じ走査線上を走査し、時刻ｔ3 になると前記走
査原点（ｘ0 ，ｙ0 ）に戻る。この帰線期間に得られる
探針１０からの情報は、ブランキングをするこにより、
前記ＣＲＴ４７に映らないようにすることができる。時
刻ｔ4 になると、ｙ走査電流ｙi が一段階増加するの
で、探針１０は位置（ｘ0 ，ｙ1 ）に来る。そして、時
刻ｔ4 〜ｔ5 の間は、該位置（ｘ0 ，ｙ1 ）を起点とす
るｘ方向の走査が行われる。この間、探針１０は試料３
２の表面の形状に応じたｚ微動を行い、該形状に関わる
情報が変位検出器９から出力される。以下同様の動作が
繰り返されると、走査領域３２ａ内の走査が順次行わ
れ、探針１０が位置（ｘn ，ｙn ）に来ると、ｘ，ｙ走
査は終了する。

【００３３】次に、前記ｘ，ｙ走査の間に行われるｚ微
動の動作を簡単に説明する。前記フィードバック回路
（図３参照）は、試料３２の表面の凹凸に合わせて探針
１０、例えばカンチレバーのそり量が一定になるよう
に、探針１０を上下に変位ｚだけ動かす。この変位ｚ
は、ボイスコイル６に電流Ｉを流すことにより発生する
力Ｆを、前記第１および第２のばね１１、１２の合計の
ばね定数Ｋで割った量である。式で書くと、次のように
なる。

【００３４】ｚ＝Ｆ／Ｋここに、力Ｆは、ボイスコイル６と磁石２の心棒部３と
の間の磁場Ｂとボイスコイル６に流れる電流Ｉの乗に比
例する。したがって、変位ｚは該ボイスコイル６に流れ
る電流Ｉに比例し、変位ｘは探針１０が試料３２の表面
をトレースした時の変位量であるから、試料３２の表面
の凹凸は前記電流Ｉに比例する。すなわち、ボイスコイ
ル６に流れる電流Ｉをモニタすると、試料３２の表面の
凹凸を計測することができる。この時のリニアリティ
は、従来のピエゾスキャナより良好である。

【００３５】次に、試料３２の表面をズームして計測す
る場合の動作を説明する。まず、前記ｘ，ｙ走査機構を
動作させて、図６に示されているように、探針１０が試
料３２上を指している位置Ｏを、ズームにより計測する
位置Ｏ´に移動する。ここで、前記位置Ｏの座標を
（０，０）、位置Ｏ´の座標を（ｘ1 ，ｙ1 ）とする
と、下式が成立する。

【００３６】ｘ1 ＝β・Ｆ1 ／ｋ1 、ｙ1 ＝β・Ｆ2 ／
ｋ1 ここに、ｋ1 は細管部１４と太管部１５の合成横方向ば
ね定数、βはてこ拡大率である。該ばね定数ｋ1 は下記
の(4) 式で表すことができる。

【００３７】

【数４】つまり、前記力Ｆ1 、Ｆ2 に見合った電流を、ｘ方向の
コイル２５と図示されていないｙ方向のコイルに通電す
る。次いで、ズーム用の加熱コイル３５への通電をオフ
にし、粘性体３６を固化させる。そうすると、一端がス
ピンドル２７に固定された板ばね３７の他端はホルダ３
４に強固に固定される。ｙ方向は図示されていないが、
ｘ方向と同様になる。したがって、板ばね３７のｘ方向
のばね定数をＫx とし、該Ｋx が細管部ばね定数ｋ1 と
同程度とすると、また、スピンドル２７がｘ方向に作用
する力をＦx〜−Ｆx とすると、該力Ｆx と探針１０の
変位すなわち走査幅Ｗx とは下記のような関係になる。

【００３８】Ｗx ＝β・２Ｆx ／（ｋ1 ＋Ｋx ）一方、板ばね３７のｙ方向のばね定数をＫy とし、該Ｋ
y が細管部ばね定数ｋ1 と同程度とすると、また、図示
されていないｙ方向のスピンドルがｙ方向に作用する力
をＦy 〜−Ｆy とすると、該力Ｆy と探針１０の変位す
なわち走査幅Ｗy とは、同様に下記のような関係にな
る。

【００３９】Ｗy ＝β・２Ｆy ／（ｋ1 ＋Ｋy ）すなわち、細管部１４と太管部１５の合成横方向ばね定
数ｋ1 に、板ばね３７のバネ定数Ｋx 、Ｋy が加算され
ることになる。したがって、この状態で、前記ｘ、ｙ走
査機構に、図４に示したＸ、Ｙ方向の走査電流を供給す
ると、走査範囲は図６(a) 、(b) に示されている３２ｂ
となり、かつ該走査範囲３２ｂの計測情報がＣＲＴ８０
に一杯に表示されることになるから、ＣＲＴ８０にはズ
ーム（拡大）された計測情報が映出されることになる。
なお、正方形の走査領域、すなわちＷx ＝Ｗy とする場
合には、バネ定数をＫx＝Ｋy とし、力±Ｆx ＝±Ｆy
となるように、前記ｘ、ｙ走査機構のコイルに電流を流
すようにすればよい。

【００４０】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。この実施形態は、ズームの倍率をさらに大きく
するために、図１のクランプ３８を設けた点に特徴があ
る。該クランプ３８により、例えば板ばね３７の中央、
すなわち１／２の長さの所を押圧する。そうすると、該
板ばね３７はその長さが１／２になったことになり、ば
ね定数Ｋ´は前記Ｋx の８倍になる。すなわち、ばね定
数Ｋ´＝８Ｋx となる。ここで、前記ｘ，ｙ走査機構に
図４(a) 、(b) に示したようなｘ，ｙ方向の走査電流を
流すと、スピンドル２７がｘ方向に作用する力Ｆx と探
針１０の変位すなわち走査幅Ｗx'とは下記のような関係
になる。

【００４１】Ｗx'＝β・２Ｆx ／（ｋ1 ＋８Ｋx ）一方、図示されていないｙ方向のスピンドルがｙ方向に
作用する力Ｆy と探針１０の変位すなわち走査幅Ｗy'と
は、同様に下記のような関係になる。Ｗy'＝β・２Ｆy ／（ｋ1 ＋８Ｋy ）したがって、この状態で、前記ｘ、ｙ走査機構に、図４
に示したＸ、Ｙ方向の走査電流を供給すると、走査範囲
は図６(b) に示されている３２ｂ´となり、かつ該走査
範囲３２ｂ´の計測情報がＣＲＴ８０に一杯に表示され
ることになるから、ＣＲＴ８０にはさらに９倍程度拡大
された計測結果が映出されることになる。なお、前記ク
ランプ３８で板ばね３７をクランプする位置は、１／２
の長さに限定されるものではない。

【００４２】次に、本発明の第３の実施形態を、図７を
参照して説明する。この実施形態は、図１のホルダ３
４、加熱コイル３５、粘性体３６、板ばね３７およびク
ランプ装置３８に代えて、加熱コイル３５´、粘性体３
６´および円筒状管３７´を設けた点に特徴がある。す
なわち、図示されているように、細管部１４の外側に、
上端が筐体１と連続または固着されかつ下端に座部を有
する円筒状の管３７´を設け、該座部の外側には加熱コ
イル３５´が巻かれ、太管部１５と円筒管３７´の座部
との間には、グリコールフタレート等からなる粘性体３
６´が挿入されている。なお、前記管３７´の曲げ方向
のばね定数ｋT は、ｋT ＝γｋ1 （ただし、γ＝１〜１
０）とするのが好適である。

【００４３】この実施形態において、ズームを行わない
時には、温度コントローラにより加熱コイル３５´に通
電し、粘性体３６´の温度がその融点以上になるように
しておく。一方、ズームを行う時には、前記したよう
に、原点Ｏ（０，０）をズーム原点Ｏ´（ｘ，ｙ）に移
動した後、前記温度コントローラにより加熱コイル３５
´への通電を止め、前記粘性体３６´の温度を融点温度
以下にする。この結果、太管１５と円筒管３７´の座部
とは粘性体３６´により強固に固定される。

【００４４】この状態で、ｘ，ｙ走査機構のコイル２
５、３５に電流を流し、力±ＦX ，±Ｆy を発生させ
る。そうすると、走査幅Ｗx とＷy は次のように狭めら
れ、拡大像を観測できるようになる。Ｗx ＝β・２Ｆx ／（ｋ1 ＋ｋT ）Ｗy ＝β・２Ｆy ／（ｋ1 ＋ｋT ）

【００４５】

【発明の効果】請求項１、２および６の発明によれば、
試料表面のｘ，ｙ走査領域内の任意の位置をズーミング
することができるという効果がある。また、このため、
試料表面をより精密に計測することができるという効果
もある。また、請求項３，４および５の発明によれば、
簡単な構成であるにもかかわらず、さらにズーミングの
倍率を大幅に上げることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブ走査装置の一実施形態の構成
図である。

【図２】図１の第１、第２のばねの一具体例を示す平面
図である。

【図３】ｘ，ｙ，ｚ方向のボイスコイルモータを駆動さ
せるためのブロック図である。

【図４】ｘ，ｙ方向のボイスコイルモータに供給する走
査電流の波形図と、走査領域を示す図である。

【図５】細管部と太管部のたわみを説明するための図で
ある。

【図６】本発明のズーム装置の動作の説明図である。

【図７】本発明のプローブ走査装置の第３実施形態の要
部の構成図である。

【図８】従来のピエゾスキャナの概略の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１筐体２、２１第１、第２の磁石３、２２心棒部４、２３可動子５、２４メンブレン６、２５コイル７、２６細線８、２７スピンドル９変位検出器１０探針１１、１２第１、第２のばね１３中筒１４細管１５太管１６ヒータ用コイル１７粘性体３１試料台３２試料３４ホルダ３５、３５´ 加熱コイル３６、３６´ 粘性体３７板ばね７´ 円筒状管３８クランプ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の表面に探針を近接させて、該試料
表面の形状あるいは物理量を計測する装置に使用される
プローブ走査装置であって、ｘ，ｙおよびｚ方向の３方向に配置されたボイスコイル
モータと、該ボイスコイルモータからの力により、ｘ，ｙおよびｚ
方向の３方向に移動させられる探針支持手段と、該探針支持手段の移動範囲を制限することによりズーム
機能を実現するズーミング手段とを具備したことを特徴
とするプローブ走査装置。
【請求項２】請求項１のプローブ走査装置において、前記ズーミング手段は、前記探針支持手段に印加される
ｘ，ｙ方向の力に負荷をかける手段であることを特徴と
するプローブ走査装置。
【請求項３】請求項１または２のプローブ走査装置に
おいて、前記ズーミング手段は、筐体に固定されたホルダの中に
入れられた粘性体と、該粘性体中に植立された弾性体と、該粘性体を加熱する加熱手段とを具備し、前記粘性体の温度をその融点以下にした時に、前記弾性
体により前記探針支持手段に印加されるｘ，ｙ方向の力
に負荷をかけるようにしたことを特徴とするプローブ走
査装置。
【請求項４】請求項１または２のプローブ走査装置に
おいて、複数段のズーミングを可能にしたことを特徴とするプロ
ーブ走査装置。
【請求項５】請求項２〜４のいずれかのプローブ走査
装置において、前記弾性体の一部をクランプする装置を備えたことを特
徴とするプローブ走査装置。
【請求項６】請求項１または２のプローブ走査装置に
おいて、前記ズーミング手段は、一端が筐体と連続または固定さ
れた前記探針支持手段と同軸の弾性体でできた円筒状管
と、該円筒状管の他端と前記探針支持手段の一部との間に挿
入された粘性体と、前記粘性体の温度をその融点以上にする加熱手段とを具
備し、前記粘性体の温度をその融点以下にした時に、前記弾性
体により前記探針支持手段に印加されるｘ，ｙ方向の力
に負荷をかけるようにしたことを特徴とするプローブ走
査装置。