JPH11133040A - 微動機構装置および走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微動機構の負荷を軽減でき、測定部を観察で
きる光学顕微鏡を設けるスペースを確保でき、カンチレ
バーが移動しても光学的検出系はその背面の同一箇所に
光を照射できる微動機構装置と走査型プローブ顕微鏡を
提供する。 【解決手段】 探針16を有するカンチレバー17と、探針
等を微動させるＸ，Ｙ，Ｚの微動機構12,13,14と、カン
チレバーのたわみ変形量を検出する光学的検出装置を備
える。Ｚ微動機構はＹ微動機構に、カンチレバーはＺ微
動機構に固定される。光学的検出装置は、光源31からの
光を接近・退避方向へ反射する第１反射部33、その反射
光をカンチレバーの背面に照射する第２反射部39、カン
チレバーでの反射光を接近・退避方向へ反射する第３反
射部45、その反射光を光検出器37に入射させる第４反射
部35を備える。光源と光検出器と第１反射部と第４反射
部はＹ微動機構に固定され、第２反射部と第３反射部は
Ｚ微動機構に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微動機構装置および
走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、探針（プローブと
もいう）の走査・移動を行う際にカンチレバーを含む探
針部分の側を移動することにより大型試料の測定に好適
な微動機構装置、およびこの微動機構装置を備え、光学
顕微鏡や電子顕微鏡等による測定部分の監視を可能に
し、カンチレバーのたわみ変形を光学的検出系で検出す
る走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）につい
ての技術文献として、例えば日本応用磁気学会誌Ｖｏ
ｌ．１６．Ｎｏ．３．１９９２（５１１頁）「ＳＴＭ／
ＡＦＭ／ＭＦＭによる電子・磁性材料評価とその応
用」、および１９９２年度精密工学会秋季大会学術講演
会講演論文集（２７７頁）「ＡＦＭ及びＭＦＭ機能を有
する光てこ方式フォース顕微鏡」を挙げることができ
る。これらの文献に示されているようにＳＰＭは、走査
型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などを総称し、いずれも
固体のプローブを試料に極めて接近または接触して得ら
れるトンネル電流、原子間力、磁気力、押圧力（以下こ
れらを総称して「相互作用力」という）を利用して、試
料の表面構造や漏洩磁界分布を得るもので、レンズ光学
系を用いた顕微鏡像よりも１桁から２桁分解能が高いと
いう特徴を持つ。

【０００３】これらのＳＰＭは、測定の際に試料に対向
して配置される探針を備えている。探針の形状には、Ｓ
ＰＭの測定対象の違い等に応じて棒状、円錐状、角柱
状、鳥のくちばし状などがある。

【０００４】さらに上記ＳＰＭの具体例として、探針に
よる試料の測定の際、当該探針とこれを先端に設けたカ
ンチレバー（片持ち梁部材）の側を移動するように構成
された探針移動型原子間力顕微鏡がある。この原子間力
顕微鏡の技術文献として、例えば特開平６−８２２４９
号公報と特開平８−２７８３１７号公報を挙げることが
できる。

【０００５】特開平６−８２２４９号公報に示された原
子間力顕微鏡は、先部に検出チップ（探針に相当）を有
するばね要素（カンチレバーに相当）、およびこれに関
連する光学的検出系の側を微動機構で動かし、試料の側
を動かさない構成を備えている。この構成によって大型
または重量のある試料の測定を可能にしている。

【０００６】特開平８−２７８３１７号公報に示された
原子間力顕微鏡は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の各々に積層型
圧電素子棒を配し、それらを先端で結合し、その結合部
に、探針を備えたカンチレバーをＺ方向用圧電駆動部材
を介して取り付けている。そして、Ｘ軸とＹ軸の各圧電
素子棒を伸縮させ、探針の位置がＸまたはＹの方向に変
化したときでも、カンチレバーのたわみ変形が光学的に
必ず検出できるように、光路変換部材を用いて光学路を
設定した光学的検出系を備え、さらに、この光学的検出
系を任意の位置に配置できるようにしてカンチレバーの
上側のスペースを開放した構成を示している。この構成
によって、試料に対して探針を移動しても、光源からの
光は、カンチレバー背面の同一箇所に照射され、かつそ
の反射光は受光素子の同一点に入射される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来の原子
間力顕微鏡は、探針側を微動機構で移動させて大型の試
料の測定に対応しているが、構造上、カンチレバーの上
方に光学的検出系の構成部材が配置され、測定部分を観
察するための光学顕微鏡を併設できないという問題を有
する。一方、上記第２の従来の原子間力顕微鏡は、上記
問題は起きないが、Ｘ方向用圧電駆動部材（Ｘ微動機構
に相当）とＹ方向用圧電駆動部材（Ｙ微動機構に相当）
がブロックおよびヒンジを介して固定されているため、
ＸＹ直交座標系での走査を行っても互いに干渉が生じ
Ｘ，Ｙの各方向に独立した正確な変位動作が得られない
という他の問題が起きる。

【０００８】本発明の目的は、上記課題に鑑みて、大型
の試料の測定に対応でき、測定の際の微動機構の負荷を
軽減でき、ＸＹ方向の走査が独立して正確な変位動作が
でき、直交座標系の走査の動作特性を向上できる微動機
構装置を提供すること、好ましくはカンチレバーを含む
測定部分を上方から観察できる他の顕微鏡（光学顕微鏡
や電子顕微鏡等）を配置するためのスペースを確保でき
る微動機構装置を提供すること、また光学的検出系を利
用してカンチレバーのたわみ変形を検出する構成の走査
型プローブ顕微鏡において、上記微動機構装置を利用し
て、カンチレバーがＸ，Ｙ，Ｚのいずれの方向に移動し
てもカンチレバーの背面の同一箇所に光を照射できる走
査型プローブ顕微鏡を提供すること、さらに本発明に係
る微動機構装置を用いて構成され、探針の先端部が他の
光学顕微鏡等によって観察できる複合型の走査型プロー
ブ顕微鏡を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
微動機構装置およびこの微動機構装置を用いた走査型プ
ローブ顕微鏡は、上記目的を達成するため、次のように
構成される。

【００１０】微動機構装置（請求項１に対応）： 支持
部材と； この支持部材に固定される２つの固定部と、
それらの固定部間に配置される二対の平行平板型たわみ
部と、該平行平板型たわみ部で連結されてＸ方向に移動
するＸ移動部と、二対の平行平板型たわみ部のそれぞれ
の平行平板間に位置して固定部に対しＸ移動部を移動さ
せるＸ方向圧電アクチュエータとからなるＸ微動機構
と； Ｘ移動部に設けられ、Ｘ方向に直交するＹ方向に
設けられた二対の他の平行平板型たわみ部と、該他の平
行平板型たわみ部で連結されてＹ方向に移動するＹ移動
部と、二対の他の平行平板型たわみ部のそれぞれの平行
平板間に位置してＸ移動部に対しＹ移動部を移動させる
Ｙ方向圧電アクチュエータとからなるＹ微動機構と；
Ｙ移動部に設けられ、ＸＹ方向に直交するＺ方向に移動
するＺ移動部と該Ｚ移動部を移動させるＺ方向圧電アク
チュエータとからなるＺ微動機構と；から構成される。

【００１１】上記の構成では、試料と対向する部分に広
いスペースを確保でき、大型の試料の測定に対応でき
る。また微動機構をＸ微動機構とＹ微動機構に分離して
構成し、Ｘ，Ｙが独立して駆動できるようにしたため、
試料の表面形状に追従して動作する微動機構の負荷が軽
減され、ＸＹ方向の走査の動作特性を向上することがで
きる。

【００１２】上記の微動機構装置において、好ましくは
Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構でＺ方向に貫かれる開口部が形
成された構成とすることによって他の観察手段を上方よ
り配置することを可能にした（請求項２に対応）。この
場合、Ｚ方向圧電アクチュエータにはチューブ型圧電素
子を用いることが好ましい（請求項３に対応）。

【００１３】第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に
対応）： 先端に探針を有し他端が固定されたカンチレ
バーと、測定の際に探針とカンチレバーをＸ方向に移動
・走査させるＸ微動機構とＸ方向に直交するＹ方向に移
動・走査させるＹ微動機構と、測定の際に探針とカンチ
レバーをＸ，Ｙ方向に直交するＺ方向に接近・退避させ
るＺ微動機構と、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構を支持する支
持部材と、探針と試料間の相互作用力の変化でカンチレ
バーがたわみ変形するときたわみ変形量を検出する光学
的検出装置を備えている。Ｘ微動機構とＹ微動機構とＺ
微動機構には、前述した微動機構装置が利用される。測
定のとき探針は試料台上の試料に所定距離で対向した状
態にあり、光学的検出装置は光源と光検出器を含み、光
源から出射された光はカンチレバーの背面で反射され、
その後光検出器に入射されるように構成される。カンチ
レバーと、光学的検出装置の光源からの光をカンチレバ
ーの背面に導く第１反射部と、カンチレバーで反射され
た光を光検出器に導く第２反射部はＺ微動機構に固定さ
れる。測定の際に探針が移動しても、カンチレバーのた
わみ変形量が一定であるときには、光がカンチレバーの
背面の同一箇所に照射されかつ光検出器で同一箇所に入
射される。

【００１４】上記の走査型プローブ顕微鏡では、光学的
検出装置を上記構成にしたことにより、カンチレバーを
Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向に微動させても、カンチレバー背面
の反射面に対する光学的検出装置の各部品の相対的位置
関係は変化せず、カンチレバーの反射面への入射位置は
一定である。例えばＺ微動機構が動作してＺ軸方向に微
動したとしても、光源と第１反射部、光検出器と第２反
射部の距離は変化するが、第１反射部への入射角は同じ
であるので、カンチレバーの反射面の入射点は同じであ
り、カンチレバーのたわみ変形量が同じである限り、光
検出器の受光面における入射点は同じ位置である。この
ことは、ＸまたはＹの方向へ微動しても変わることはな
い。従って、探針が試料に対してＸＹＺの直交する３軸
方向に微動しても、カンチレバーのたわみ変形量が同じ
であれば、カンチレバーへの入射点と、光検出器への入
射点は一定である。

【００１５】第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に
対応）： 第１の構成の走査型プローブ顕微鏡におい
て、好ましくは、Ｙ微動機構のＹ移動部に設けた光源か
らの光をＹ方向に照射するようにし、その光をＺ微動機
構の移動方向に反射する第３反射部を設け、また第２反
射部からＺ微動機構の移動方向に反射した光をＹ移動部
に設けた光検出器にＹ方向から入射するように反射する
第４反射部を設けるようにした。これにより、探針が試
料に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動しても、カ
ンチレバーのたわみ変形量が同じであれば、カンチレバ
ーへの入射点と、光検出器への入射点は一定である。

【００１６】第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項６に
対応）： さらに第２の走査型プローブ顕微鏡におい
て、好ましくは、Ｘ微動機構のＸ移動部において光源と
光検出器を光がそれぞれＹ方向に照射および入射される
ように設け、光源からの光がＹ移動部に設けらた第３反
射部、Ｚ微動機構に設けられた第１反射部、カンチレバ
ー背面、第２反射部、Ｙ移動部に設けられた第４反射部
を経由して光検出器に入射される。従って、探針が試料
に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動しても、カン
チレバーのたわみ変形量が同じであれば、カンチレバー
への入射点と、光検出器への入射点は一定である。

【００１７】第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項７に
対応）： 上記第１〜３の構成の走査型プローブ顕微鏡
において、好ましくは、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構が、探
針の上方に位置する部分に、他の観察手段を配置するた
めの開口部を有している。従って他の測定手段を配置す
るためのスペースを容易に確保することができ、これに
よって探針等を含む走査型プローブ顕微鏡の測定部分を
測定範囲に沿って広く監視することができる。

【００１８】第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項８に
対応）： 第４の構成の走査型プローブ顕微鏡におい
て、微動機構の支持部材は支持基盤に固定され、光学顕
微鏡等のフレームも支持基盤に固定され、かつそのフレ
ームに固定された光学顕微鏡等の対物レンズ等は微動機
構の開口部に合わせて配設されている。従ってカンチレ
バーを含む測定部位を測定範囲に沿って光学的に広く監
視できると共に大きな試料も支障なく測定することがで
きる。

【００１９】

【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。

【００２０】図１〜図３を参照して微動機構装置の第１
の実施形態を説明する。図１は微動機構装置をＸ方向に
沿って切った縦断面図（図２中のＡ−Ａ線断面図）を示
し、図２は図１を下方から見た図を示す。これらの図に
おいて、装置フレームの一部をなす支持部材１１にＸ微
動機構１２が固定されている。支持部材１１は板状部材
で、その中央部に例えば矩形の開口部（空間部）１１ａ
が形成されている。Ｘ微動機構１２も板状体の形態を有
する。さらにＹ微動機構１３は、Ｘ微動機構１２に囲ま
れるように位置してＸ微動機構１２と同じ板状体の中に
組み込まれて一体的に形成されている。Ｙ微動機構１３
には、Ｙ移動部１３２の中央部に円形の開口部（空間
部）１３２ａが形成されている。機能の観点からＸ微動
機構１２とＹ微動機構１３に分けて説明するが、これら
２つの機構は同一の板状体によって形成されている。Ｚ
微動機構１４は、Ｙ微動機構１３の下側位置で、Ｙ移動
部１３２の開口部１３２ａの周囲に固定されている。各
微動機構は、図示された座標系１００において、その移
動部がそれぞれＸ，Ｙ，Ｚの各方向へ微動動作させる機
能を備えている。

【００２１】次に、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構の構成につ
いてより詳細に述べる。Ｘ微動機構１２は、両端の固定
部１２０が支持部材１１にボルト１２４（または接着剤
等）で固定され、当該固定部の内側に平行平板型たわみ
部１２１ａを形成し、Ｘ移動部１２２を備えている。Ｘ
微動機構１２において平行平板型たわみ部１２１ａは二
対設けられている。対向する２つのたわみ部１２１ａと
固定部１２０とＸ移動部１２２とによって空間部１２１
ｂが形成される。空間部１２１ｂには、Ｘ移動部１２２
をＸ方向に移動させる圧電アクチュエータ１２３が、固
定部１２０の突起部１２０ａとＸ移動部１２２の突起部
１２２ａの間に固定されている。

【００２２】Ｙ微動機構１３は、Ｘ移動部１２２にてＸ
方向に延びる溝１３１ｃを形成することにより作られ、
その溝１３１ｃの両端部近傍にたわみ部１３１ａを形成
し、Ｙ移動部１３２を備えている。Ｙ微動機構１３にお
いて平行平板型たわみ部１３１ａは二対設けられてい
る。たわみ部１３１ａとＸ移動部１２２とＹ移動部１３
２によって空間部１３１ｂが形成される。空間部１３１
ｂには、Ｙ移動部１３２をＹ方向に移動させる圧電アク
チュエータ１３３が、Ｘ移動部１２２側の突起部１２２
ｂとＹ移動部１３２の突起部１３２ｂの間に固定されて
いる。なお溝１３１ｃは、Ｙ方向圧電アクチュエータ１
３３を駆動してＹ移動部１３２を移動したときに、Ｙ方
向に所望の変位量だけ変位させるのに必要な幅に設定さ
れる。そしてＹ移動部１３２のほぼ中央には上記の開口
部１３２ａが形成されている。

【００２３】Ｚ微動機構１４は、円筒形のＺ移動部１４
１とそれをＺ方向に移動する円筒型圧電素子（圧電アク
チュエータ）１４２とで構成され、円筒型圧電素子１４
２の側がＹ移動部１３２に固定されている。Ｚ微動機構
１４は円筒型に形成したので、中央部にはＺ方向に開口
された空間部分を有している。なおＺ移動部１４１の下
端には、探針１６を先端に備えたカンチレバー１７が固
定部材１５と取付け材１７１を介して固定され、Ｚ移動
部１４１が後述する移動（微動）動作を行うことによっ
て、探針１６に対向する試料（図示せず）を測定するこ
とができる。また図１に仮想線で示す１８は、探針１６
等の測定部を監視するための他の観測手段であり、例え
ば光学顕微鏡の対物レンズである。

【００２４】次に図３を参照して上記微動機構装置の動
作を説明する。１００は例えば走査型原子間力顕微鏡の
コントローラであり、顕微鏡測定に必要な全体的な制御
を行う。１０１はＸ方向の微動制御回路であり、コント
ローラ１００の指令に基づき左右２個の圧電アクチュエ
ータ１２３の電極（図示せず）に同一条件の電圧を印加
し、Ｘ移動部１２２をＸ方向に所望の伸縮量で微動変位
させる。変位は、Ｘ固定部１２０とＸ移動部１２２を連
結している平行平板型たわみ部１２１ａが圧電アクチュ
エータの伸縮動作に追従してたわむことにより、生じさ
せることができる。従って、Ｘ移動部１２２に設けられ
たＹ微動機構１３とこのＹ微動機構１３に固定されてい
るＺ微動機構１４も、同時に同量Ｘ方向に変位する。

【００２５】１０２はＹ方向の微動制御回路であり、コ
ントローラ１００の指令に基づき左右２個の圧電アクチ
ュエータ１３３に同一条件の電圧を印加し、Ｙ移動部１
３２をＸ移動部１２２に対しＹ方向の所望の位置に微動
変位させる。Ｙ方向の変位は、Ｘ移動部１２２とＹ微動
機構１３を連結する平行平板型たわみ部１３１ａがたわ
むことにより、生じさせることができる。その変位は、
溝１３１ｃに所定の幅を持たせることによって、吸収す
ることができる。従ってＹ移動部１３２に固定されてい
るＺ微動機構１４も同時に同量Ｙ方向に変位する。この
ように微動機構をＸ微動機構とＹ微動機構に分離して構
成し、Ｘ，Ｙの各方向の動きを独立して駆動できるよう
にしたため、試料の表面形状に追従して動作する微動機
構の負荷が軽減され、ＸＹ方向（直交座標系）の走査の
動作特性を向上できる。

【００２６】１０３はＺ方向の微動制御回路であり、コ
ントローラ１００の指令に基づき圧電アクチュエータ１
４２に電圧を印加し、Ｚ移動部１４１をＹ移動部１３２
に対しＺ方向の所望位置に微動変位させる。従って例え
ばＺ微動機構１４の下部に固定された探針１６等をＺ方
向に変位させることができる。

【００２７】上記第１の実施形態によれば、前述の構成
により、大型の試料の測定に対応でき、測定の際の微動
機構の負荷を軽減でき、Ｘ，Ｙの各方向の走査が独立し
て正確な変位動作が可能となり、直交座標系の動作特性
を向上させることができる。またＸ，Ｙの各微動機構に
開口部を設け、Ｚ微動機構は円筒形状の圧電アクチュエ
ータとＺ移動部を用いて構成したので、例えばＺ微動機
構の下部に固定したカンチレバーを含む測定部分を上方
から観察できる他の顕微鏡（光学顕微鏡や電子顕微鏡
等）を配置し、測定部を監視するためのスペースを確保
できる。

【００２８】次に微動機構装置の第２の実施形態を図４
と図５を参照して説明する。なお図１〜図３に示した要
素と実質的に同じ要素には同じ符号を付し、その説明を
省略する。図４は微動機構装置をＹ方向に沿って切った
断面図（図５中のＢ−Ｂ線断面図）を示し、図５は図４
を下方から見た図を示す。この実施形態では、Ｙ微動機
構をＸ微動機構とは別の板状部材で形成し、これをＸ移
動部に固定しており、Ｚ微動機構の圧電アクチュエータ
はブロック状に形成されている。

【００２９】以下にその構成を説明する。Ｘ微動機構２
２は、第１の実施形態のものと実質的に同一で板状体に
よって形成され、その中央部にＸ移動部２２２を備えて
いる。Ｘ移動部２２２では、Ｙ微動機構２３の配置箇所
に対応する部分に、開口部２２２ａが形成されている。

【００３０】Ｙ微動機構２３は、図５の下面形状に示す
通り、全般的にほぼ矩形の形状を有する。Ｙ微動機構２
３では、Ｘ移動部２２２に固定される固定部２３０が両
端部に設けられ、この固定部２３０の内側に平行平板型
たわみ部２３１ａが設けられ、中央部にＹ移動部２３２
を備えている。Ｙ微動機構２３では二対の平行平板型た
わみ部２３１ａが設けられる。たわみ部２３１ａと固定
部２３０とＹ移動部２３２とによって空間部２３１ｂが
形成され、各空間部２３１ｂで、Ｙ方向に移動する圧電
アクチュエータ１３３が、固定部２３０の突起部２３０
ａとＹ移動部２３２の突起部２３２ｂとの間に固定され
ている。またＹ移動部２３２のほぼ中央には開口部２３
２ａが形成されている。Ｙ微動機構２３は例えば複数の
ボルト１２７でＸ移動部２２２に固定されている。

【００３１】Ｚ微動機構１４５は、Ｚ方向の移動を生じ
させる圧電アクチュエータ１４６とその下端に取付けら
れたＺ移動部１４７とで構成され、Ｙ移動部２３２に固
定されている。なおＺ移動部１４７の端部には例えばＳ
ＴＭで使われる探針１６１が固定されている。

【００３２】上記のように構成した第２の実施形態の微
動機構装置によっても前記第１の実施形態と同様の作用
効果を奏することができる。本発明に係る微動機構装置
は走査型プローブ顕微鏡等の走査手段としての微動機構
として広く応用できる。

【００３３】次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第１
の実施形態を、原子間力顕微鏡を例にし、図６〜図８を
参照して説明する。この走査型プローブ顕微鏡は、微動
機構部として、前述の微動機構装置の第１実施形態（図
１〜図３）を適用したものである。図６は走査型プロー
ブ顕微鏡において探針が位置するほぼ中央部のＹ方向断
面図を１部省略して示した図、図７は図６のＣ−Ｃ線で
切って下方から見た図、図８は図６の構成に制御系を付
加した図である。なお本実施形態に係る走査型プローブ
顕微鏡に適用した微動機構装置において、前述の微動機
構装置の実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素に
は同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【００３４】図６〜図８において、Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動
機構は、走査型プローブ顕微鏡のフレームの一部をなす
支持部材１１に固定されている。支持部材１１の中央に
は矩形の開口部１１ａが形成されている。Ｘ微動機構１
２およびＹ微動機構１３は同じ板状部材で形成され、Ｙ
微動機構１３はＸ微動機構１２のＸ移動部１２２の中に
組み込まれている。Ｙ移動部１３２には円形状の開口部
１３２ａが形成され、その下部にＺ微動機構１４の円筒
型のＺ方向圧電アクチュエータ１４２の上端が固定され
ている。圧電アクチュエータ１４２には、それと同じ程
度の径の円筒型Ｚ移動部１４１が固定されている。Ｚ微
動機構１４のＺ移動部１４１の下部には、探針１６を備
えたカンチレバー１７が固定部材１５を介して固定され
ている。ここで探針１６の配置位置は円筒型圧電アクチ
ュエータ１４２のほぼ中心に設定されている。

【００３５】Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構の移動部は、それ
ぞれの圧電アクチュエータの電極（図示せず）に所望の
電圧を印加することにより、それぞれの方向に微動され
る。Ｘ，Ｙの方向は、探針で試料の表面を測定すると
き、探針の走査方向であり、試料表面と実質的に平行で
ある。Ｚ方向は、測定の際、試料表面に臨む探針を当該
試料表面に対して接近させたりあるいは退避させたりす
る移動方向である。上記の構成によって、Ｘ，Ｙの各微
動機構の中央に位置する部分を、ＸまたはＹの各方向ま
たはそれらを組み合わせた方向に微動させることがで
き、それ故に、Ｚ微動機構１４を介してその下部に取り
付けられた探針１６等をＸＹ平面内における任意の方向
に微小に移動させることができる。

【００３６】次に、先端に探針１６を備えたカンチレバ
ー１７のたわみ変形量を検出する光学的検出系の構成に
ついて説明する。Ｙ移動部１３２の下面には、光源３１
を備えた支持台３２が固定されている。光源３１からの
光は、Ｚ方向に照射されるように設定されている。Ｙ移
動部１３２の下面には、さらに、光検出器３７を備えた
支持台３８が固定され、光検出器３７はＺ方向から受光
するように設定される。Ｚ移動部１４１には、光源３１
から照射されるＺ方向の光をカンチレバー１７の背面に
当てるように導く第１反射部４４を備えた反射部支持部
材４０と、カンチレバー１７の背面で反射した光を光検
出器３７に対しＺ方向から入射するように導く第２反射
部４５を備えた反射部支持部材４０とが固定されてい
る。そしてＺ移動部１４１には、第１反射部４４で反射
した光をカンチレバー１７の背面に通すための孔、切
欠、スリット等の透光部１４ａと、カンチレバー１７で
反射した光を第２反射部４５に通すための同様の透光部
１４ｂが設けられている。ここで上記光源支持台３２
と、光検出器支持台３８は、図示されるように、Ｚ微動
機構１４を中心として反対側の位置に配置されている。
また第１反射部４４を備えた右側の反射部支持部材４０
と第２反射部４５を備えた左側の反射部支持部材４０
は、カンチレバー１７を中心として前述の支持板１５の
両側の位置に配置される。従って、光源３１、第１反射
部４４、第２反射部４５、光検出器３７、および探針１
６を含むカンチレバー１７等の測定部は、図でＹ方向の
ほぼ一直線上に配置される。これらの光学的検出装置に
おける光の経路は図において点線４１で示す。

【００３７】上記Ｚ方向の円筒型圧電アクチュエータ１
４２の直径は例えば４０ｍｍ程度である。上記の支持部
材１１の矩形開口部１１ａ、Ｙ微動機構１３の円形開口
部１３２ａ、およびＺ微動機構１４の内部空間を利用し
て、光学顕微鏡１８が配置されている。この光学顕微鏡
１８では、その対物レンズが、探針１６を含むカンチレ
バー１７の背面部に臨む。この構成により、光学顕微鏡
１８を用いて探針１６等からなる測定部分を観察するこ
とができる。なお、光学顕微鏡１８とＹ微動機構１３の
円形開口部１３２ａとの間、光学顕微鏡１８とＺ微動機
構１４の間には、Ｘ微動機構１２とＹ微動機構１３の各
動作でＸＹ方向への微動が生じた時であっても、互いに
接触しないように十分な広さの隙間が形成されている。

【００３８】上記構成を有する光学的検出系によれば、
光路を示した点線４１で明らかなように、光源３１から
出射された光（レーザ光等）はＺ方向に照射され、さら
に第１反射部４４によってカンチレバー１７の背面に一
定の角度で照射される。なお第１反射部４４とカンチレ
バー１７の間の光路にはＺ微動機構１４が存在するが、
前述の通り光が通過できる透過部１４ａが形成されてい
る。

【００３９】カンチレバー１７の背面で反射された光
は、さらに第２反射部４５で反射してＺ方向と平行にな
り、光検出器３７に入射される。この光路の部分につい
ても、カンチレバー１７と第２反射部４５との間にはＺ
微動機構１４が存在するが、前述の通り光が通過できる
透光部１４ｂが形成されている。

【００４０】上記光学的検出系に基づく点線４１で示さ
れた光路は固定され、カンチレバー１７が、Ｘ，Ｙの各
微動機構によりＸＹ平面内で移動し、またＺ微動機構１
４によりＺ軸方向に移動しても、上記光路に関して光軸
が移動することはない。

【００４１】探針１６の下方の位置には試料４２が配置
される。試料４２は試料台としての粗動ステージ４３の
上に配置されている。粗動ステージ４３によってＸ，
Ｙ，Ｚの各方向に相対的に大きな距離の移動を達成す
る。試料４２は、粗動ステージ４３によって任意の位置
へ移動される。カンチレバー１７の上方に配置された光
学顕微鏡１８によって探針１６と試料４２を観察するこ
とができる。

【００４２】上記の構成において、粗動ステージ４３に
よって試料４２をＸＹ平面の任意の位置でＺ方向に移動
させて探針１６に接近すると、探針１６と試料４２の間
に原子間力が生じ、カンチレバー１７にたわみ変形が生
じる。このときには、カンチレバー１７から光検出器３
７までの光路に関しての光軸が変化し、その変化は光検
出器３７で検出される。カンチレバー１７のたわみ変形
量を検出する光検出器３７では、探針１６で生じたＺ方
向の変位を検出することができる。上記光学的検出系で
は、測定の際に探針がＸＹ平面内で移動しても、カンチ
レバー１７のたわみ変形量が一定であるときには、光が
カンチレバー１７の背面の同一箇所に照射され、その結
果、前記光検出器で同一箇所に入射される。

【００４３】次に、図８を参照して制御系に関して説明
する。光源３１は、光源ドライバ５１から駆動信号を受
けて発光動作を行う。また光検出器３７から出力された
信号は、受光アンプ５２を経由してコントローラ５３に
入力される。コントローラ５３は、微動機構制御装置５
４を経由してＸ微動機構１２とＹ微動機構１３による
Ｘ，Ｙの各方向の動作と、Ｚ微動機構１４によるＺ方向
の動作を制御する機能を有する。微動機構制御装置５４
は、コントローラ５３からの指示を受け、Ｘ，Ｙの各微
動機構を制御し、探針１６をＸＹ方向へ移動する。その
とき、カンチレバー１７は探針・試料間の原子間力に基
づいてたわみ変形するが、カンチレバー１７のたわみ変
形量は、光検出器３７で検出され、コントローラ５３内
に取り込まれる。コントローラ５３は、カンチレバー１
７でのたわみ変形量が一定に保持されるように、微動機
構制御装置５４に指示し、Ｚ微動機構１４の伸縮動作を
制御する。かかるコントローラ５３による制御は、試料
４２の測定面を探針で測定する間、継続して行われる。
当該測定で得られたデータ、すなわち試料測定面におけ
る探針の位置データ（ＸＹデータ）および各測定点にお
ける高さデータ（Ｚデータ）はコンントローラ５３に保
存される。コントローラ５３は、測定データを用いて例
えば測定画像を作成し、出力装置５５に出力する。

【００４４】次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第２
の実施形態を図９〜図１１を参照して説明する。図９は
Ｙ方向に沿う断面図、図１０は一部を切り欠いた外観を
示す斜視図、図１１は図９のＤ−Ｄ線で切って下方から
見た図を一部省略して示したものである。なお、走査型
プローブ顕微鏡の第１の実施形態で説明した要素と実質
的に同じ要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省
略する。本実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の第１
の実施形態に比較し、光学的検出装置において、光源３
１と第１反射部４４との間に第３反射部３３を設け、第
２反射部４５と光検出器３７との間に第４反射部３５を
設けたものである。第３反射部３３および第４反射部３
５はそれぞれ支持部材３４，３６によって支持され、Ｙ
微動機構１３のＹ移動部１３２の下面に固定されてい
る。

【００４５】以下では、第１の実施形態と異なる部分の
構成を中心に説明する。まずＹ移動部１３２の下面に、
Ｙ方向に光を照射するように光源３１を備えた光源支持
部材３２０と、その光源３１からの光をＺ方向に向け第
１反射部４４に導くように反射させる第３反射部３３を
備えた反射部支持部材３４を固定する。さらに同じくＹ
移動部１３２の下面に、第２反射部４５からＺ方向に反
射されてきた光をＹ方向に反射させる第４反射部３５を
備えた反射部支持部材３６と、第４反射部３５から反射
された光を入射する光検出器３７を備えた光検出器支持
部材３８０が固定されている。光源支持部材３２０およ
び第３反射部支持部材３４と、第４反射部支持部材３６
および光検出器支持部材３８０とは、Ｚ微動機構１４を
中心として反対側の位置に配置されている。そして光源
３１、第３反射部３３、第１反射部４４、カンチレバー
１７の背面の反射部１７ａ（図１０に示す）、第２反射
部４５、第４反射部３５および光検出器３７は、Ｙ方向
で見るとほぼ一直線上に並ぶように配置されている。そ
の他の構成は前記走査型プローブ顕微鏡の第１の実施形
態と同じである。

【００４６】上記構成を有する光学的検出系によれば、
光路を示した点線４１で明らかなように、例えば光源３
１からＹ方向に平行に出射された光は、反射部３３，４
４によってカンチレバー１７の背面に設けられた反射面
１７ａに照射される。反射部３３で反射された光はＺ方
向と平行になる。反射部４４で反射された光はカンチレ
バー１７の背面に一定の角度で照射される。なお、反射
部４４とカンチレバー１７の間の光路にはＺ微動機構１
４が存在するが、前述の通り光路となる部分には光が進
行できるように透光部１４ａが形成されている。

【００４７】カンチレバー１７の反射面１７ａで反射さ
れた光は、さらに反射部４５，３５で反射され、光検出
器３７に入射される。反射部４５で反射された光はＺ方
向と平行になり、反射部３５で反射された光はＹ方向に
平行になっている。この光路の部分についても、カンチ
レバー１７と反射部４５との間にはＺ微動機構１４が存
在するが、前述の通り光路となる部分には光が進行でき
るように透光部１４ｂが形成されている。

【００４８】上記光学的検出系に基づく点線４１で示さ
れた光路は固定され、Ｘ，Ｙの各微動機構によってＸＹ
平面内での移動が生じ、かつＺ微動機構１４によってＺ
方向の移動が生じても、上記光路に関して光軸が移動す
ることはない。

【００４９】また上記光学的検出系によれば、測定の際
に探針１６が移動しても、カンチレバーのたわみ変形量
が一定であるときには、光がカンチレバー１７の背面の
同一箇所に照射され、その結果、前記光検出器３７で同
一箇所に入射される。

【００５０】次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第３
の実施形態を図１２を参照して説明する。図１２は図１
１に対応する図である。本実施形態では、第２の実施形
態と比較して、光源３１を備えた光源支持部材３２０と
光検出器３７を備えた光検出器支持部材３８０とを、Ｙ
移動部１３２ではなく、Ｘ微動機構１２のＸ移動部１２
２に固定した点が異なる。その他の構成は第２の実施形
態と同じである。

【００５１】本実施形態においても、Ｙ移動部１３２は
Ｘ微動機構１２のＸ移動部１２２と共に微動する。この
ためＹ移動部１３２がＹ方向に移動するとき、光源３１
と第３反射部３３の間隔と第４反射部と光検出器３７の
間隔はそれぞれ変化するが、前記実施形態と同様にＹ方
向の光軸は一直線上に存在して変わることがない。

【００５２】次に本発明の走査型プローブ顕微鏡の第４
の実施形態を図１３と図１４を参照して説明する。本実
施形態は、第２の実施形態（図９〜図１１）で示した
Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構および光学的検出装置等を適用
し、光学顕微鏡とセットで構成した、走査型プローブ顕
微鏡を示す。図１３はＹ方向に沿って切った一部断面
図、図１４は図１３を右側面から見たもので、Ｘ方向に
沿って切った一部断面を示す側面図である。なお前述の
各実施形態で説明した要素と実質的に同じ要素には同じ
符号を付し、詳細な説明は省略する。

【００５３】図において、１１１は走査型プローブ顕微
鏡の支持部材であり、支持基盤４６に固定されている。
支持部材１１１には開口部１１１ａが設けられている。
この支持部材１１１には、第２の実施形態で説明したＸ
微動機構１２の両側の固定部１２０がボルト１２４で固
定されている。ＸＹＺ粗動機構４３は支持基盤４６に固
定されている。粗動機構４３は、測定する試料４２のサ
イズに合わせて、ＸＹ方向には例えばそれぞれ２５０ｍ
ｍあるいはそれ以上の移動ができるように設定されてい
る。光学顕微鏡４９はフレーム４７と対物レンズ１８で
構成される。フレーム４７は前記支持基盤４６に固定さ
れている。対物レンズ１８は、支持部材１１１の開口部
１１１ａ、Ｙ移動部１３２の開口部１３２ａ，Ｚ微動機
構１４の円筒空間部に挿入され、探針１６を含む測定部
に臨むように設定されている。

【００５４】なおＸおよびＹの微動機構として図１〜図
３に示したものを適用した例を説明したが、図４と図５
に示した微動機構を適用してもよいことは明らかであ
る。

【００５５】上記走査型プローブ顕微鏡のいずれの構成
においても、光学的検出系における光路等の構成は、カ
ンチレバー１７と探針１６がＸ，Ｙ，Ｚの各方向に移動
しても、その光軸がカンチレバー１７の背面の所定位置
からずれることはない。またＸ微動機構とＹ微動機構を
分離した構成では、Ｙ微動機構に加わる負荷を低減する
ことができる。例えばＹ方向をサンプリング方向、Ｘ方
向をフィード方向とすると、サンプリング方向について
その高速化を達成することができ、サンプリング方向の
高速化は測定全体の高速化に大きな影響を与える。従っ
て、Ｙ微動機構１３，２３に加わる負荷を小さくするこ
とによって、測定の高速化を達成することができる。

【００５６】上記の各実施形態では原子間力顕微鏡の例
をとって説明したが、上記の探針とカンチレバーを含む
類似の構造を有する走査型プローブ顕微鏡に対して、本
発明に係る光学的検出系を設けることが可能である。ま
たＸ微動機構とＹ微動機構の関係については、Ｘ微動機
構の中央部にＹ微動機構を組み込むまたは付設するよう
にしたが、この関係を反対にすることもできる。この場
合にはＹ微動機構の中央部にＸ微動機構が一体的に組み
込まれまたは別部材として付設され、このＸ微動機構に
対してＺ微動機構および関連する機構が付設されること
になる。また上記Ｚ移動部は必ずしも必要なく、Ｚ微動
機構においてカンチレバーを圧電アクチュエータに直接
に設けることも可能である。

【００５７】

【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、探針等を微動させる微動機構をＸ，Ｙ，Ｚの各方
向に分離独立して互いの干渉がないように構成したた
め、測定の際の探針等を微動させる微動機構部分の負荷
を軽減することができ、ＸＹ方向の走査動作を向上させ
ることができ、さらには大型試料の測定にも対応するこ
とができる。

【００５８】またカンチレバーのたわみ変形量を検出す
る光学的検出系の各部品をカンチレバーの上方側方のス
ペースを利用して配置するようにしたため、探針とカン
チレバーを含む測定部分を上方から観察できる光学顕微
鏡等を設置するスペースを確保できる。さらに、光学的
検出系を利用してカンチレバーのたわみ変形量を検出す
る構成において、複数の反射部を設けて光の光路（光
軸）を所定方向に設定したため、探針とカンチレバーが
Ｘ，Ｙ，Ｚのいずれの方向に移動してもカンチレバーの
同一背面に光を照射することができる。これにより、探
針が試料に対してＸＹＺの直交する３軸方向に微動して
も、カンチレバーのたわみ変形量が同じであれば、カン
チレバーへの入射点と、光検出器への入射点を一定にす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微動機構の第１実施形態を示す縦断面
図である。

【図２】図１に示す微動機構を下方から見た図である。

【図３】図２に示した微動機構に制御系を付加した図で
ある。

【図４】本発明の微動機構の第２実施形態を示す縦断面
図である。

【図５】図４に示す微動機構を下方から見た図である。

【図６】本発明の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７】図６においてＣ−Ｃ線で切って下方から見た図
である。

【図８】第１実施形態の構成に対して光学的検出系の電
気回路部と制御系を付加して示した図である。

【図９】本発明の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１０】第２実施形態における光学的検出系の要部を
示す一部断面斜視図である。

【図１１】図９においてＤ−Ｄ線で切って下方から見た
図である。

【図１２】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第３実施形
態を示し、図１１に対応する図である。

【図１３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の第４実施形
態を示し、要部を断面で示した図である。

【図１４】図１３の右側面図を示し、Ｘ方向に沿って切
ることにより一部を断面で示した図である。

【符号の説明】

１１ 支持部材 １２，２２ Ｘ微動機構 １２２，２２２ Ｘ移動部 １３，２３ Ｙ微動機構 １３２，２３２ Ｙ移動部 １４，１４５ Ｚ微動機構 １４１，１４７ Ｚ移動部 １５ 固定部材 １６ 探針 １７ カンチレバー １８ 光学顕微鏡の対物レンズ ３１ 光源 ３３，３５ 反射部 ４４，４５ 反射部 ３７ 光検出器 ４２ 試料 ４３ ＸＹＺ粗動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 浩史 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 小野里 陽正 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持部材と、前記支持部材に固定される
   ２つの固定部と、それらの固定部間に配置される二対の
   平行平板型たわみ部と、該平行平板型たわみ部で連結さ
   れてＸ方向に移動するＸ移動部と、前記二対の平行平板
   型たわみ部のそれぞれの平行平板間に位置して前記固定
   部に対し前記Ｘ移動部を移動させるＸ方向圧電アクチュ
   エータとからなるＸ微動機構と、 前記Ｘ移動部に設けられ、前記Ｘ方向に直交するＹ方向
   に設けられた二対の他の平行平板型たわみ部と、該他の
   平行平板型たわみ部で連結されてＹ方向に移動するＹ移
   動部と、前記二対の他の平行平板型たわみ部のそれぞれ
   の平行平板間に位置して前記Ｘ移動部に対し前記Ｙ移動
   部を移動させるＹ方向圧電アクチュエータとからなるＹ
   微動機構と、 前記Ｙ移動部に設けられ、前記ＸＹ方向に直交するＺ方
   向に移動するＺ移動部と該Ｚ移動部を移動させるＺ方向
   圧電アクチュエータとからなるＺ微動機構と、 から構成したことを特徴とする微動機構装置。
2. 【請求項２】 前記Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構には、他の
   観察手段を上方より配置するためにＺ方向に貫かれる開
   口部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の
   微動機構装置。
3. 【請求項３】 前記Ｚ方向圧電アクチュエータはチュー
   ブ型圧電素子であることを特徴とする請求項１または２
   記載の微動機構装置。
4. 【請求項４】 先端に探針を有し他端が固定されたカン
   チレバーと、測定の際に前記探針と前記カンチレバーを
   Ｘ方向に移動・走査させるＸ微動機構と、前記Ｘ方向に
   直交するＹ方向に移動・走査させるＹ微動機構と、測定
   の際に前記探針と前記カンチレバーをＸＹ方向に直交す
   るＺ方向に接近・退避させるＺ微動機構と、前記Ｘ，
   Ｙ，Ｚの各微動機構を支持する支持部材と、前記探針と
   試料間の相互作用力の変化でカンチレバーがたわみ変形
   するときたわみ変形量を検出する光学的検出装置を備
   え、測定のとき前記探針は試料台上の試料に所定距離で
   対向した状態にあり、前記光学的検出装置は光源と光検
   出器を含み、前記光源から出射された光は前記カンチレ
   バーの背面で反射され、その後前記光検出器に入射され
   る走査型プローブ顕微鏡において、 前記Ｘ微動機構は、前記支持部材に２つの固定部で固定
   され、それらの固定部間に二対の平行平板型たわみ部を
   設け、該平行平板型たわみ部で連結されてＸ方向に移動
   するＸ移動部と、前記二対の平行平板型たわみ部のそれ
   ぞれの平行平板間に位置して前記固定部に対し前記Ｘ移
   動部を移動させるＸ方向圧電アクチュエータとを備え、 前記Ｙ微動機構は、Ｙ方向に二対の他の平行平板型たわ
   み部を設け、該他の平行平板型たわみ部で連結されてＹ
   方向に移動するＹ移動部と、前記二対の他の平行平板型
   たわみ部のそれぞれの平行平板間に位置して前記Ｘ移動
   部に対し前記Ｙ移動部を移動させるＹ方向圧電アクチュ
   エータとを備え、 前記Ｚ微動機構は、前記Ｙ移動部に対しＺ方向に移動す
   るＺ移動部と、該Ｚ移動部を移動させるＺ方向圧電アク
   チュエータとを備え、 前記カンチレバーは前記Ｚ微動機構の下部に固定され、 前記光学的検出装置は、前記光源と前記光検出器を前記
   Ｙ微動機構のＹ移動部に固定し、前記光源からの前記光
   を前記Ｚ微動機構の移動方向に照射し、その光を前記カ
   ンチレバーの背面に照射するように導く第１反射部と、
   前記カンチレバーで反射された前記光を前記光検出器に
   入射させるように前記Ｚ微動機構の移動方向に反射する
   第２反射部とを前記カンチレバーとの位置関係が一定に
   保持されるように前記Ｚ微動機構に固定し、 測定の際に前記探針が移動しても、前記カンチレバーの
   たわみ変形量が一定であるときには、前記光が前記カン
   チレバーの背面の同一箇所に照射されかつ前記光検出器
   で同一箇所に入射されることを特徴とする走査型プロー
   ブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記光学的検出装置は、前記光源からの
   前記光を前記Ｙ微動機構の移動方向に照射しその光を前
   記Ｚ微動機構の移動方向に反射し前記第１反射部に導く
   第３反射部と、前記第２反射部で反射された前記光が前
   記光検出器に前記Ｙ微動機構の移動方向に入射されるよ
   うに導く第４反射部とを前記Ｙ微動機構のＹ移動部にさ
   らに固定したことを特徴とする請求項４記載の走査型プ
   ローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記光学的検出装置の光源と光検出器は
   前記Ｘ方向微動機構の前記Ｘ移動部に固定されることを
   特徴とする請求項４または５記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
7. 【請求項７】 前記Ｘ，Ｙ，Ｚの各微動機構には、他の
   観察手段を上方より配置するためのＺ方向に貫かれる開
   口部が形成されていることを特徴とする請求項４〜６の
   いずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 支持基盤を備え、この支持基盤に、前記
   支持部材と、前記探針に対し対向配置される試料を載置
   する試料台と、該試料台をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動する移
   動ステージとを固定し、前記観察手段の支持フレームを
   固定し、該支持フレームに支持された前記観察手段の対
   物部を前記開口部に配設したことを特徴とする請求項７
   記載の走査型プローブ顕微鏡。