JPH0989910A - 走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構

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JPH0989910A
JPH0989910A JP7244131A JP24413195A JPH0989910A JP H0989910 A JPH0989910 A JP H0989910A JP 7244131 A JP7244131 A JP 7244131A JP 24413195 A JP24413195 A JP 24413195A JP H0989910 A JPH0989910 A JP H0989910A
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    • Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
    • Y10S977/86—Scanning probe structure
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Abstract

(57)【要約】 【課題】プローブを高速で走査できるプローブ走査機構
を提供する。 【解決手段】カンチレバー１２はホルダーにより移動体
１６に取り付けられる。移動体１６の一角には三枚のサ
ファイア板１８が設けられており、サファイア板１８の
平面は互いに直交している。三本のピエゾアクチュエー
ター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚは、互いに直交する方向に
変位可能で、一端がそれぞれ固定台３２Ｘ、３２Ｙ、３
２Ｚに固定されている。ピエゾアクチュエーター３０
Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚの他端にはサファイア板２２が取り
付けられている。サファイア板２２は、ルビー球２０を
間に挟んで、移動体１６に設けられたサファイア板１８
に対向している。サファイア板１８と２２の中央部には
引き合う極性の磁石が設けられ、両者は十分に狭い間
隔、例えば数μｍの間隔を置いて向き合っている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料を原子または
分子のオーダーの分解能で観察、測定、加工する走査型
プローブ顕微鏡のプローブ走査機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】試料を原子オーダーの分解能で観察する
装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning
Probe Microscope ）が知られている。ＳＰＭの一つ
に、ビニッヒ（Binnig）やローラー（Rohrer）等によっ
て発明された走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning
Tunneling Microscope ）がある。また、別のＳＰＭと
しては、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Micro
scope ）がある。ＡＦＭは、サーボ技術を始めとするＳ
ＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダー
で観察できる装置で、例えば特開昭６２−１３０３０２
号に開示されている。
【０００３】ＡＦＭは、鋭く尖った突起部（探針）を自
由端に持つカンチレバーを備えている。この探針を試料
に近づけると、探針先端の原子と試料表面の原子との間
に働く相互作用力（原子間力）によりカンチレバーの自
由端が変位する。この自由端の変位を電気的あるいは光
学的に測定しながら、探針を試料面に沿ってＸＹ方向に
走査することにより、試料の凹凸情報等を三次元的にと
らえることができる。
【０００４】走査を行なうための機構としては、互いに
直交する方向に移動可能なＸテーブルとＹテーブルを有
し、これを積層型ピエゾアクチュエーターを用いて移動
させる構成のＸＹステージや、三本の積層型ピエゾアク
チュエーターが互いに直交する様に連結されている、い
わゆるトライポッド、円筒状の圧電体の内側面に周方向
に連続した一枚の共通電極を設け、外側面に周方向に四
枚の駆動電極を設けてなる、いわゆる圧電チューブスキ
ャナーなどがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のＸＹステージ
は、ＸテーブルのＸ方向の運動とＹテーブルのＹ方向の
運動とは完全に独立しており、一方の運動が他方に影響
を与えることはないが、テーブルの慣性質量が大きいた
め、高速走査には適さない。
【０００６】また、トライポッドとチューブスキャナー
は比較的高速での走査を行なえるが、各方向の運動が他
の方向の運動と独立でないため、ある方向の運動が他の
方向の運動に影響を与えてしまう。
【０００７】このように、前述した走査機構では、ピエ
ゾアクチュエーター自体の固有振動数や、ある方向の変
位に対して他の方向が変位する干渉や、リンギング現象
のために走査周期は３００Ｈｚが限界である。チューブ
スキャナーは実際に数十Ｈｚ程度が限界である。
【０００８】リンギングとは、ピエゾアクチュエーター
に印加する電圧を急激に上げると、変位発生後に振動を
残す現象をいう。円筒型ピエゾアクチュエーターでは、
大きな走査幅を得るには、全長の長いものを使用する必
要があるが、全長の長いものほど、リンギングは発生し
易い。
【０００９】このような走査機構は、静止した試料や時
間変化の遅い試料を観察する目的にはそれほど支障なく
使用できるが、走査周期が長いために、例えば、貧食細
胞が食刺を伸ばしたり、細胞が刺激に反応する様子を観
察するといった目的には応えることができない。本発明
は、各方向の運動が互いに独立しており、プローブを高
速で走査できるプローブ走査機構を提供することを目的
とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によるプローブ走
査機構は、探針を有するレバー部と、前記レバー部を保
持するレバー保持部を備えた移動部材と、前記移動部材
を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部と、第一の軸
に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動させる第
二の駆動部と、第一および第二の軸方向に移動可能に前
記移動部材を保持する移動部材保持部とを有しているこ
とを特徴とする。
【００１１】あるいは、探針を有するレバー部と、前記
レバー部を保持するレバー保持部を備えた移動部材と、
前記移動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部
と、第一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を
移動させる第二の駆動部と、第一および第二の軸に直交
する第三の軸方向に前記移動部材を移動させる第三の駆
動部と、第一、第二、第三の軸方向に移動可能に前記移
動部材を保持する移動部材保持部とを有していることを
特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ説明する。まず、プローブ走査機構
の構成について図１を用いて説明する。カンチレバー１
２はホルダー（図４に符号１４で示される）により移動
体１６に取り付けられる。移動体１６の一角には三枚の
サファイア板１８が設けられており、サファイア板１８
の平面は互いに直交している。三本のピエゾアクチュエ
ーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚは、互いに直交する方向
に変位可能で、一端がそれぞれ固定台３２Ｘ、３２Ｙ、
３２Ｚに固定されている。ピエゾアクチュエーター３０
Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚの他端にはサファイア板２２が取り
付けられている。サファイア板２２は、ルビー球２０を
間に挟んで、移動体１６に設けられたサファイア板１８
に対向している。
【００１３】図２に示す様に、サファイア板１８の中央
部には磁石２４が設けられ、サファイア板２２の中央部
には磁石２６が設けられ、両者は互いに引き合う極性
で、十分に狭い間隔、例えば数μｍの間隔を置いて向き
合っている。磁石２４と磁石２６の磁束密度は約１２５
００ガウスである。磁石２４と磁石２６の間の引力によ
り、図１に示される様に、移動体１６は三本のピエゾア
クチュエーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚに支持されてい
る。
【００１４】Ｙ方向とＺ方向のピエゾアクチュエーター
３０Ｙと３０Ｚは動いてなく、Ｘ方向のピエゾアクチュ
エーター３０Ｘが駆動している状態を考える。ピエゾア
クチュエーター３０Ｘの伸縮によりサファイア板２２は
Ｘ方向に往復運動し、移動体１６は、ルビー球２０を介
してサファイア板２２に押され、あるいは磁力によりサ
ファイア板２２に引っ張られて、Ｘ方向に往復運動す
る。この往復運動の間、Ｙ方向とＺ方向を向いたサファ
イア板１８は、それに向き合ったサファイア板２２に対
してルビー球２０の回転を伴なってＸ方向に移動するだ
けで、Ｙ方向とＺ方向には移動しない。従って、移動体
１６のＹ方向とＺ方向の位置は変わらない。この運動の
抵抗は、Ｙ方向とＺ方向のルビー球２０の転がり抵抗の
みで極めて小さい。
【００１５】次に、三本のピエゾアクチュエーター３０
Ｘと３０Ｙと３０Ｚが共に駆動状態にあり、これにより
移動体１６が三次元的に運動している場合を考える。移
動体１６がＹ方向やＺ方向に運動していても、それらの
運動はＸ方向の成分を全く持たないので、Ｘ方向の運動
に関しては前述の状況と全く同じであり、ピエゾアクチ
ュエーター３０Ｘは、ピエゾアクチュエーター３０Ｙと
３０Ｚから何等影響を受けることなく、移動体１６をＸ
方向に駆動する。すなわち、任意の一本のピエゾアクチ
ュエーターは、他の二本のピエゾアクチュエーターに全
く影響されることなく、その方向に移動体１６を駆動す
る。
【００１６】このように、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向の運
動は完全に独立しているので、走査周波数はそれぞれの
方向の振動特性によってのみ決まる。実際の走査は共振
周波数以下の周期で行なわれ、また、ピエゾアクチュエ
ーター３０Ｘと３０Ｙと３０Ｚ、移動体１６、カンチレ
バー１２、カンチレバーホルダー１４から成る機構の共
振周波数は２００ｋＨｚ程度にすることができる。すな
わち、２００ｋＨｚ程度の周波数で走査を行なうことが
できる。
【００１７】この実施の形態では、移動部材１６を移動
可能に保持する手段として、磁石２４と２６を用いてい
るが、図３に示すように、バネ（好ましくは引っ張りバ
ネや板バネ）やゴムなどの弾性体２８を用いても一向に
構わない。
【００１８】次に、これまで説明したプローブ走査機構
を用いた原子間力顕微鏡について図４と図５を用いて説
明する。図４に示されるように、移動体１６には、カン
チレバー１２の上方の位置に、屈折プリズム４４が固定
されている。屈折プリズム４４は、図５に示すように、
二枚の三角プリズム４４ａと４４ｂを向きを９０°変え
てＺ方向に重ねて配置した構成となっている。
【００１９】再び図４に戻り、光ビームを射出するレー
ザー発振器４０、レーザー発振器からの光ビームを拡大
または平行化するエクスパンダー／コリメーター４２、
カンチレバーからの反射光を偏向する反射ミラー４６、
四分割された受光領域を備えた光センサー４８が所定の
配置されている。これらの光学素子は共に一つの筐体に
固定されている。
【００２０】カンチレバー１２は、前述した様に、ピエ
ゾアクチュエーター３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚを伸縮させ
ることによって、任意の方向に移動可能である。走査に
平行して、レーザー発振器４０から射出された光ビーム
はエクスパンダー／コリメーター４２を経て、屈折プリ
ズム４４で偏向され、カンチレバー１２の自由端部に入
射する。カンチレバー１２からの反射光は反射ミラー４
６で反射され、光センサー４８に入射する。光センサー
４８に対する反射光の入射位置は、カンチレバー１２の
自由端部の変位に応じて変化し、従って、光センサー４
８の各受光領域に入射する光量を調べることで、カンチ
レバー１２の自由端部の変位が求められる。
【００２１】走査の間、屈折プリズム４４は移動体１６
と一緒に移動し、これに応じて屈折プリズム４４に対す
る光ビームの入射位置が変わるが、屈折プリズム４４は
光ビームがカンチレバー１２の自由端部の同じ位置に入
射するように補償する。
【００２２】このＡＦＭでは、走査される部分を極めて
軽量に抑えることができる。具体的には、移動体１６と
ホルダー（板バネ）１４、カンチレバー１２、屈折プリ
ズム４４の総質量は１ｇ以下に抑えることができる。こ
れにより、高速走査が可能となる。
【００２３】本発明は、上述の実施の形態に何等限定さ
れるものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で行な
われる実施は、すべて本発明に含まれる。本明細書には
以下の各項に記した発明が含まれる。
【００２４】１．探針を有するレバー部と、前記レバー
部を保持するレバー保持部を備えた移動部材と、前記移
動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部と、第
一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動さ
せる第二の駆動部と、第一および第二の軸方向に移動可
能に前記移動部材を保持する移動部材保持部とを有して
いることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ
走査機構。
【００２５】２．探針を有するレバー部と、前記レバー
部を保持するレバー保持部を備えた移動部材と、前記移
動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部と、第
一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動さ
せる第二の駆動部と、第一および第二の軸に直交する第
三の軸方向に前記移動部材を移動させる第三の駆動部
と、第一、第二、第三の軸方向に移動可能に前記移動部
材を保持する移動部材保持部とを有していることを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構。
【００２６】３．第１項において、さらに球状部材を有
し、前記第一および第二の駆動部と前記移動部材は互い
に対向する平面を備えており、互いに対向する前記駆動
部の平面と前記移動部材の平面の間に前記球状部材が挟
持されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプロ
ーブ走査機構。
【００２７】４．第２項において、さらに球状部材を有
し、前記第一、第二、第三の駆動部と前記移動部材は互
いに対向する平面を備えており、互いに対向する前記駆
動部の平面と前記移動部材の平面の間に前記球状部材が
挟持されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプ
ローブ走査機構。
【００２８】５．第３項または第４項において、前記移
動部材保持部は、一端が前記駆動部に係合し、他端が前
記移動部材に係合している弾性部材であることを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構。
【００２９】６．第３項または第４項において、前記移
動部材保持部は、互いに対向する前記駆動部の平面と前
記移動部材の平面に設けられた互いに引き合う磁性体で
あることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ
走査機構。
【００３０】７．第５項において、前記弾性部材が引っ
張りバネであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
のプローブ走査機構。 ８．第５項において、前記弾性部材が板バネであること
を特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機
構。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、各方向の運動が互いに
独立しており、プローブを高速で走査できるプローブ走
査機構が得られる。これにより、貧食細胞が食刺を伸ば
す様子や細胞が刺激に反応する様子などを観察できる走
査型プローブ顕微鏡が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のプローブ走査機構の構成
を示す斜視図である。
【図２】移動体を保持する構成を示す図である。
【図３】図２の構成に代わる移動体を保持する別の構成
を示す図である。
【図４】図１のプローブ走査機構を用いた原子間力顕微
鏡の構成を示す図である。
【図５】図４の屈折プリズムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１２…カンチレバー、１６…移動体、１８…サファイア
板、２０…ルビー球、２２…サファイア板、２４、２６
…磁石、３０Ｘ、３０Ｙ、３０Ｚ…ピエゾアクチュエー
ター。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】探針を有するレバー部と、 前記レバー部を保持するレバー保持部を備えた移動部材
    と、 前記移動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部
    と、 第一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動
    させる第二の駆動部と、 第一および第二の軸方向に移動可能に前記移動部材を保
    持する移動部材保持部とを有していることを特徴とする
    走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構。
  2. 【請求項２】探針を有するレバー部と、 前記レバー部を保持するレバー保持部を備えた移動部材
    と、 前記移動部材を第一の軸方向に移動させる第一の駆動部
    と、 第一の軸に直交する第二の軸方向に前記移動部材を移動
    させる第二の駆動部と、 第一および第二の軸に直交する第三の軸方向に前記移動
    部材を移動させる第三の駆動部と、 第一、第二、第三の軸方向に移動可能に前記移動部材を
    保持する移動部材保持部とを有していることを特徴とす
    る走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査機構。
JP24413195A 1995-09-22 1995-09-22 プローブ走査機構、および、それを用いた走査型プローブ顕微鏡 Expired - Lifetime JP3577141B2 (ja)

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