JPWO2006090594A1 - 走査型プローブ顕微鏡用微動機構およびこれを用いた走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

プローブによる走査スピードをより一層向上させつつ、高精度に測定することができることができる走査型プローブ顕微鏡用微動機構およびこれを含む走査型プローブ顕微鏡を提供することを課題とする。試料Ｓが載置されるステージ１６と、このステージ１６に載置された前記試料Ｓの表面に近接または接触させるプローブ２０とを有する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）１に設けられる走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、それぞれ独立して別個に設けられた第１の駆動部および第２の駆動部と、前記第１の駆動部を有し、この第１の駆動部により、前記試料Ｓの表面に平行な互いに交差するＸ方向およびＹ方向に、前記プローブ２０を微動させるプローブ微動機構部２６と、前記第２の駆動部を有し、この第２の駆動部により、前記試料Ｓの表面に垂直なＺ方向に、前記ステージ１６を微動させるステージ微動機構部２７と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、試料の表面にプローブを近接または接触させて走査することにより、試料の表面形状や粘弾性等の各種の物性情報を測定する走査型プローブ顕微鏡に設けられる走査型プローブ顕微鏡用微動機構およびこれを有する走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

周知のように、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の粘弾性等の物性情報や試料の表面形状の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。

これら走査型プローブ顕微鏡の中には、試料が載置されるステージと、先端にプローブを有し、試料の表面に近接または接触させるカンチレバーとを備えたものが周知となっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、これらステージとプローブとをＸ、Ｙ方向に相対的に移動させて、プローブにより試料を走査させるようになっており、この走査中にカンチレバーの変位量を測定しながら、ステージまたはプローブをＺ方向に動作させて、試料とプローブの距離制御を行うことにより、各種物性情報を測定するようになっている。

ところで、測定精度を向上させるためには、走査のためのステージおよびプローブの移動を高精度に行う必要がある。そのため、ステージおよびプローブを精度良く移動させるために、走査型プローブ顕微鏡用微動機構が設けられているのが一般的である。

走査型プローブ顕微鏡用微動機構は、ステージおよびプローブを微動させるための３次元アクチュエータなどの駆動部を備えており、この３次元アクチュエータによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるものが周知となっている。

ここで、プローブによる走査スピードを向上させるためには、Ｘ、Ｙ方向の移動に比して、Ｚ方向の移動について段違いの高速性が要求される。なぜなら、Ｚ方向については、ＸＹ方向に走査中に、試料とプローブの距離が一定となるように、随時追従させる必要があるからである。
特開２０００−３４６７８４号公報

しかしながら、上記のように３次元アクチュエータを用いた構成では、その３次元アクチュエータによって、Ｚ方向だけでなくＸ、Ｙ方向にも動かす必要があるため、３次元アクチュエータ自体が大きくなってしまい、これにより３次元アクチュエータの共振周波数が低下してしまう。そのため、Ｚ方向の振動の周波数を上げるのが困難になるという問題がある。また、３次元アクチュエータによってＸＹＺ方向に同時に動かすため、それらが互いに影響し合い、移動精度が低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、プローブによる走査スピードをより一層向上させつつ、高精度に測定することができる走査型プローブ顕微鏡用微動機構およびこれを含む走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。

本発明は、試料が載置されるステージと、このステージに載置された前記試料の表面に近接または接触させるプローブとを有する走査型プローブ顕微鏡に設けられる走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、それぞれ独立して別個に設けられた第１の駆動部および第２の駆動部と、前記第１の駆動部を有し、この第１の駆動部により、前記試料の表面に平行な互いに交差するＸ方向およびＹ方向に、前記プローブを微動させるプローブ微動機構部と、前記第２の駆動部を有し、この第２の駆動部により、前記試料の表面に垂直なＺ方向に、前記ステージを微動させるステージ微動機構部と、を備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、プローブ微動機構部に設けられた第１の駆動部により、Ｘ、Ｙ方向にプローブが微動する。また、ステージ微動機構部に設けられた第２の駆動部により、Ｚ方向にステージが微動する。このとき、第１および第２の駆動部は、独立して別個に駆動させられる。

これにより、第１および第２の駆動部を分けてそれぞれを小さくすることによって、共振周波数を上げることができ、また、第１および第２の駆動部が影響し合うのを防止することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記プローブ微動機構部が、前記プローブの変位を検出するプローブ変位検出手段を備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、プローブ変位検出手段によって、プローブの変位が検出される。

これにより、プローブを微動させながら、そのプローブの変位量を確実に測定することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記プローブ微動機構部が、前記Ｚ方向に向けられたプローブ側貫通孔を備えることを特徴とする。

さらに、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記プローブ側貫通孔に照明光が通されることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、プローブ微動機構部にプローブ側貫通孔が設けられ、このプローブ側貫通孔に照明光が通されることになる。

これにより、プローブ微動機構部によって照明光が邪魔されることなく、走査型プローブ顕微鏡に照明装置を容易に設置することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記ステージ微動機構部が、前記Ｚ方向に向けられたステージ側貫通孔を備えることを特徴とする。

さらに、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記ステージ側貫通孔に照明光が通されることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、ステージ微動機構部にステージ側貫通孔が設けられ、このステージ側貫通孔に照明光が通される。

これにより、ステージ微動機構部によって照明光が邪魔されることなく、走査型プローブ顕微鏡に照明装置を容易に設置することができる。

本また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記プローブ側貫通孔を通して、プローブまたはプローブが設けられたカンチレバーが観察可能な位置に対物レンズを備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、プローブ側貫通孔を通して、プローブまたはカンチレバーが観察可能な位置に対物レンズが配置される。

これにより、プローブ微動機構部によって対物レンズが邪魔されることなく、プローブや試料に対物レンズを一層近づけることができ、そのため高ＮＡの対物レンズを設けることができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記ステージ側貫通孔を通して試料が観察可能な位置に対物レンズを備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、ステージ側貫通孔を通して、試料が観察可能な位置に対物レンズが配置される。

これにより、ステージ微動機構部によって対物レンズが邪魔されることなく、試料に対物レンズを一層近づけることができ、そのため高ＮＡの対物レンズを設けることができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記対物レンズが複数設けられており、前記複数の対物レンズの配置を変更する配置変更手段を備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、配置変更手段によって、複数の対物レンズの配置が変更される。

これにより、種々の試料に応じて、複数種類の倍率の対物レンズを選択することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記ステージ微動機構部が、前記第２の駆動部を有する機構本体部と、この機構本体部から、前記機構本体部の厚さ方向に交差する方向に延出し、前記ステージを支持する延出部とを備え、この延出部の厚さ寸法が、前記機構本体部の厚さ寸法より小さく設定されていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、延出部の厚さ寸法が、前記機構本体部の厚さ寸法より小さく設定されていることから、延出部の厚さ方向のスペースが開放される。

ここで、延出部および機構本体部の厚さ寸法が同等であると、例えば延出部の下方に対物レンズなどを設けるときに、充分なスペースがないため、対物レンズを試料に近づけることができない。そこで、試料の下方に凹部などを設けて、この凹部内に対物レンズを設置することが考えられるが、対物レンズを凹部内に設置すると、異なる倍率の他の対物レンズに変更するときに、対物レンズを移動させるのが困難になる。

本発明においては、延出部の厚さ方向のスペースが開放されることから、対物レンズを容易に移動させることができる等、延出部近傍のスペースを有効に活用することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記機構本体部が片持ち支持されていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、機構本体部が片持ち支持されることにより、簡易な構成により充分に延出部近傍のスペースを開放することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記第２の駆動部が、Ｚ軸方向に伸縮可能な複数本のアクチュエータから構成され、前記ステージ部により前記アクチュエータの移動端同士が互いに連結されていることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、ステージ部が複数本のアクチュエータにより支持されているため、ステージ部の剛性を高めることができ、Ｚ方向の移動を高速に行うことが可能となる。また、複数のアクチュエータで囲まれる空間内に、対物レンズを配置したり、空間部分から照明光をサンプルに照射することが可能となる。また、隣り合うアクチュエータの間を通して、対物レンズ配置変換手段により対物レンズの交換も行うことが可能となる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記第２の駆動部が、円筒状の圧電素子を備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、円筒状の圧電素子により、ステージを高精度に移動させることができる。また、円筒の中空部により照明を照射したり、対物レンズを配置することが可能となる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記第１の駆動部が、円筒状の圧電素子を備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、円筒状の圧電素子により、プローブを高精度に微動させることができ、また、円筒の中空部により照明を照射したり、対物レンズを配置することが可能となる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記プローブ微動機構部が、第１の駆動部を介して互いに同心上かつ面一に連結された複数のフレーム部を備えることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、第１の駆動部の駆動により、フレーム部を介してプローブが微動する。このフレーム部は互いに同心上かつ面一に連結されていることから、プローブ微動機構部を小さくすることができ、厚さも薄く構成することができる。したがって、より高ＮＡの対物レンズを配置することが可能となる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、前記プローブの前記Ｘ方向の微動量、前記プローブの前記Ｙ方向の微動量、または前記ステージの前記Ｚ方向の微動量の少なくとも一つを検出する微動量検出手段を備え、または、前記微動量検出手段からの検出結果に基づいて、前記Ｘ方向、Ｙ方向、またはＺ方向の微動量の誤差を算出する算出手段を備えることを特徴とする。

これら発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構においては、微動量検出手段により、プローブのＸ方向の微動量、プローブのＹ方向の微動量、またはステージのＺ方向の微動量の少なくとも一つが検出される。また、この微動量検出手段からの検出結果に基づいて、算出手段により、Ｘ方向、Ｙ方向、またはＺ方向の微動量の誤差が算出される。

これにより、例えば圧電素子のヒステリシスやクリープに起因する微動量の誤差についての情報を得ることができ、走査型プローブ顕微鏡に設置したときに、その情報に基づいて、走査型プローブ顕微鏡による測定結果を容易に補正することができる。

また、前記に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構のいずれか一つを備えた走査型プローブ顕微鏡であることを特徴とする。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡においては、上記の走査型プローブ顕微鏡用微動機構に係る発明と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、第１および第２の駆動部の共振周波数を上げることができるだけでなく、第１および第２の駆動部が影響し合うのを防止することができるため、プローブによる走査スピードをより一層向上させつつ、測定精度の向上を図ることができる。

また、第１および第２の駆動部の上下方向から照明光を照射したり、高ＮＡの対物レンズを交換可能に配置することができるため、高倍率の光学顕微鏡と走査型プローブ顕微鏡を容易に組み合わせることが可能となる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例を示す図であって、（ａ）は走査型プローブ顕微鏡の正面図、（ｂ）は（ａ）において符号Ａによって示す領域の拡大図である。 図１のプローブ微動機構部を拡大して示す平面図である。 図１のステージ微動機構部を拡大して示す平面図である。 図３のステージ微動機構部を示す底面図である。 図１のステージ微動機構部の変形例を拡大して示す平面図である。 図１のステージ微動機構部の他の変形例を拡大して示す平面図である。 ステージ微動機構部の別の変形例の(a)平面図、(b)正面図である。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の第２の実施例を示す正面図である。

符号の説明

１ 走査型プローブ顕微鏡
９ レボルバ（配置変更手段）
１０ 対物レンズ
１６ ステージ
２０ カンチレバー
２１ プローブ
２６ プローブ微動機構部
２７ ステージ微動機構部
４４ レーザ光源（プローブ変位検出手段）
４５ フォトダイオード（プローブ変位検出手段）
４８ 外フレーム部（フレーム部）
４９ 内フレーム部（フレーム部）
５１ Ｘ駆動部（第１の駆動部）
５２ Ｙ駆動部（第１の駆動部）
５４ Ｘ側圧電素子
６１ Ｙ側圧電素子
７０ プローブ側貫通孔
７３ Ｘ方向微動量検出部（微動量検出手段）
７４ Ｙ方向微動量検出部（微動量検出手段）
８３ 演算部（算出手段）
８５ Ｚ駆動部（第２の駆動部）
８６ 機構本体部
８７ 延出部
９０ Ｚ側圧電素子
１０８ Ｚ方向微動量検出部（微動量検出手段）
１０９ ステージ側貫通孔
１１０ 筒孔（ステージ側貫通孔）
１２０ 積層型圧電素子
１２１ ステージ
Ｍ 厚さ寸法（機構本体部の厚さ寸法）
Ｒ 厚さ寸法（延出部の厚さ寸法）
Ｓ 試料

（実施例１）
以下、本発明の第１実施例における走査型プローブ顕微鏡について、図面を参照して説明する。本実施例においては、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながら試料に近づけ、振巾や位相の変化量により、プローブと試料間の距離を一定に保ちながら走査するＤＦＭモード（Dynamic Force Mode）による液中測定を行うものとする。

この走査型プローブ顕微鏡１は、倒立顕微鏡と組み合わせたものであり、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、基台としての除振台２に設置された本体部３と、この本体部３の上方に設けられた測定部４と、測定部４の下方に設けられた倒立顕微鏡８と、この測定部４の上方に設けられ、倒立顕微鏡８に連なる照明部５とを備えている。

倒立顕微鏡８は、ＸＹステージ３１を介して除振台２に載置されている。

本体部３は、除振台２から垂直に延びる支柱１２に支持された、平板状のベース１３を備えて構成されるものである。ベース１３の中央部には、ベース開口部１５が形成されており、このベース開口部１５内に、試料Ｓが載置されるステージ１６が設けられており、このステージ１６の中央にはステージ開口部１７が形成されている。ステージ１６は、後述するステージ微動機構部２７により、Ｚ方向に沿って微動するようになっている。なお、Ｚ方向とは、試料Ｓの表面およびステージ１６に垂直な方向であって、走査型プローブ顕微鏡１の高さ方向をいう。

ステージ１６の上面には、上述の測定部４が設置されている。測定部４は、後述するプローブ微動機構部２６を備えており、このプローブ微動機構部２６には、クランク状のクランク固定部３０が設けられている。そして、クランク固定部３０により、プローブ微動機構部２６は、その中心がステージ開口部１７に一致するように設置されている。

なお、プローブ微動機構部２６およびステージ微動機構部２７は、走査型プローブ顕微鏡用微動機構を構成するものである。

プローブ微動機構部２６の下面には、カンチレバー２０を支持するカンチレバーホルダー２２が設けられている。カンチレバーホルダー２２の中央には、ガラスからなるガラスホルダ２３が設けられている。このガラスホルダ２３は、試料Ｓとガラスホルダ２３との間に、液の粘性による膜を形成させて、これによって液中測定時の照明光の乱反射等を防止するためのものである。

なお、カンチレバー２０は、長尺状のものに限定されず、上面視して三角形状のものや、断面が円形で光ファイバーの先端を先鋭化して湾曲させた近接場顕微鏡用のベントプローブなども本発明に含まれる。

カンチレバー２０は、ステージ開口部１７の上方に設けられている。カンチレバー２０の先端には、先鋭化されたプローブ２１が設けられており、後端は、カンチレバーホルダー２２に固定されている。これにより、カンチレバー２０は、プローブ２１が設けられた先端側が自由端となるように片持ち支持されている。また、カンチレバー２０は、不図示の加振手段により、Ｚ方向に沿って所定の周波数及び振幅で振動するようになっており、さらに、プローブ微動機構部２６により、ステージ１６に対して、Ｘ、Ｙ方向に微動するようになっている。なお、ＸＹ方向とは、試料Ｓの表面およびステージ１６に平行な互いに直交する方向であって、Ｚ方向と直交する方向をいう。さらに、Ｘ方向とは、走査型プローブ顕微鏡１の幅方向をいい、Ｙ方向とは、走査型プローブ顕微鏡１の奥行方向をいうものとする。

また、プローブ微動機構部２６の近傍には、モーター３７によってカンチレバー２０をＺ方向に粗動移動させるためのＺ粗動機構部３３が設けられており、Ｚ粗動機構部３３のベース部３４が本体部３のベース１３に固定されている。このＺ粗動機構部３３の上面にはＸＹステージ３５が設けられており、このＸＹステージ３５の上面に、前記クランク固定部３０が固定されている。

また、プローブ微動機構部２６の上方には、上述の照明部５が設けられている。照明部５は、照明光を発する光源４０と、この光源４０からの照明光を集光するためのコンデンサレンズ４１とを備えている。コンデンサレンズ４１は、倒立顕微鏡８に連なるレンズ支持部４２によって、プローブ微動機構部２６の中心上方に配されて、プローブ微動機構部２６に対して上下動可能に支持されている。

さらに、本実施例におけるプローブ微動機構部２６は、図２に示すように、幅寸法の異なる矩形枠状の外フレーム部（フレーム部）４８および内フレーム部（フレーム部）４９を備えており、これら外フレーム部４８および内フレーム部４９は、低熱膨張鋳鉄によりフラット状に形成されている。また、外フレーム部４８と内フレーム部４９とは、Ｘ駆動部（第１の駆動部）５２とＹ駆動部（第１の駆動部）５１とを介して、互いに同心上に連結されており、外フレーム部４８および内フレーム部４９の上面は面一にして配されている。Ｘ駆動部５２は、外フレーム部４８に形成されたＹ方向に延びるＸ側空洞部６０内に設置されており、Ｙ駆動部５１は、同様にＸ方向に延びるＹ側空洞部５７内に設置されている。

Ｘ駆動部５２は、Ｙ方向に向けられた積層型のＸ側圧電素子６１を備えている。Ｘ側圧電素子６１には、その周囲を取り囲むように、上面視して略ひし形のＸ側変位拡大機構部６２が設けられている。そして、Ｘ側変位拡大機構部６２は、Ｘ側連結部６３を介して、内フレーム部４９に連結されている。

また、Ｙ駆動部５１は、Ｘ方向に向けられた積層型のＹ側圧電素子５４を備えている。Ｙ側圧電素子５４には、上記と同様に、略ひし形のＹ側変位拡大機構部５５が設けられており、Ｙ側変位拡大機構部５５は、Ｙ側連結部５６を介して、内フレーム部４９に連結されている。

内フレーム部４９の四隅には、平行バネ６７が設置されている。

このような構成のもと、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加することにより、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５が、それぞれＸ方向、Ｙ方向に拡大縮小し、これにより内フレーム部４９をＸＹ方向に微動させるようになっている。

また、内フレーム部４９の底面には、略矩形の基板部６８が設けられている。基板部６８の中央には、Ｚ方向に向けられたプローブ側貫通孔７０が形成されている。そして、このプローブ側貫通孔７０に、図１に示す光源４０からの照明光が通されるようになっている。

なお、基板部６８の下面に、上述したように、カンチレバーホルダー２２を介してカンチレバー２０が設けられており、内フレーム部４９のＸＹ方向の微動により、基板部６８およびカンチレバーホルダー２２とともに、カンチレバー２０もＸＹ方向に微動するようになっている。

また、外フレーム部４８および内フレーム部４９の上面には、Ｙ方向微動量検出部７３およびＸ方向微動量検出部７４が設けられている。Ｙ方向微動量検出部７３は、内フレーム部４９に固定され、Ｘ方向に延びるＹ方向ターゲット７７と、外フレーム部４８に固定され、Ｙ方向ターゲット７７のＹ方向の移動量を検出するＹ方向センサ７８とを備えている。また、Ｘ方向微動量検出部７４は、同様にしてＹ方向に延びるＸ方向ターゲット８０と、Ｘ方向ターゲット８０のＹ方向の移動量を検出するＸ方向センサ８１とを備えている。これらＹ方向センサ７８およびＸ方向センサ８１としては、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。

このような構成のもと、内フレーム部４９がＸ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８０もＸ方向に微動し、そのＸ方向の微動量をＸ方向センサ８１が検出するようになっている。また、内フレーム部４９がＹ方向に微動すると、Ｙ方向ターゲット７７もＹ方向に微動し、そのＹ方向の微動量をＹ方向センサ７８が検出するようになっている。すなわち、Ｘ方向センサ８１は、Ｘ方向ターゲット８０および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＸ方向の微動量を検出し、Ｙ方向センサ７８は、またＹ方向ターゲット７７および内フレーム部４９を介して、カンチレバー２０のＹ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。

Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８は、それぞれ演算部（算出手段）８３に電気的に接続されており、Ｘ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８からの検出結果が、演算部８３に入力されるようになっている。演算部８３は、検出結果に応じて、印加された電圧と微動量とによって、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。すなわち、演算部８３は算出手段として機能するものである。さらに、演算部８３は、各種制御を行う制御部８４に電気的に接続されており、算出結果を制御部８４に入力するようになっている。そして、この制御部８４によって、印加電圧に対して、プローブ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。

また、プローブ微動機構部２６には、図１に示すように、レーザ光を発するレーザ光源（プローブ変位検出手段）４４と、このレーザ光源４４からのレーザ光を受光し、例えば４分割されたフォトディテクタ（プローブ変位検出手段）４５とが設けられている。これらレーザ光源４４およびフォトディテクタ４５は、カンチレバー２０の斜め上方に互いに対向して配置されている。そして、レーザ光源４４から出射されたレーザ光が、カンチレバー２０の上面に到達してそこで反射し、その反射光がフォトディテクタ４５に到達するようになっている。

さらに、本実施例におけるステージ微動機構部２７は、図３および図４に示すように、略長方形状に形成された機構本体部８６と、この機構本体部８６から、機構本体部８６の厚さ方向（すなわちＺ方向）に交差する方向（すなわちＸ方向）に延出する延出部８７とを備えている。

延出部８７の厚さ寸法Ｒは、機構本体部の厚さ寸法Ｍよりも小さく設定されている。そして、延出部８７の上面と機構本体部８６の上面とは略同一にされており、これにより、延出部８７の下方には、スペースＪが設けられている。

延出部８７には、Ｚ方向に向けられたステージ側貫通孔１０９が形成されており、このステージ側貫通孔１０９内に、上述のステージ１６が載せられている。

機構本体部８６には、延出部８７の延出方向と反対方向に延びる本体固定部９１が設けられている。本体固定部９１は、図１に示すベース１３の所定の位置に固定されており、これにより、機構本体部８６が片持ち支持されている。

また、機構本体部８６の内部には、空洞部９３が設けられている。空洞部９３の上内壁部９４のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第１平行バネ１０１が設けられており、延出部８７が設けられた方の端部には、第２平行バネ１０２が設けられている。一方、下内壁部９７のＸ方向の両端のうち、延出部８７が設けられた方の端部には、第３平行バネ１０３が、本体固定部９１が設けられた方の端部には、第４平行バネ１０４が設けられている。また、第２平行バネ１０２の近傍には、上内壁部９４から下方に向けて延びる下方壁部９５が設けられており、第４平行バネ１０４の近傍には、下内壁部９７から上方に向けて延びる上方壁部９６が設けられている。すなわち、下方壁部９５および上方壁部９６が、互いに反対方向に延ばされて対向して配置されている。

そして、これら下方壁部９５と上方壁部９６との間に、Ｚ駆動部（第２の駆動部）８５が設けられている。Ｚ駆動部８５は、Ｘ駆動部５２およびＹ駆動部５１とは、物理的に分離して別個に設けられたものであり、それぞれ独立して機能するものである。Ｚ駆動部８５は、Ｘ方向に向けられた積層型のＺ側圧電素子９０からなるものである。そして、Ｚ側圧電素子９０は、その一端が下方壁部９５に固定され、他端が上方壁部９６に固定されている。さらに、機構本体部８６の下端には、Ｘ方向に延びる底壁部１０７が設けられている。この底壁部１０７のＸ方向の両端のうち、本体固定部９１が設けられた方の端部は、機構本体部８６の側壁に一体的に固定されており、延出部８７が設けられた方の端部は、自由端となっている。この底壁部１０７の先端部には、演算部８３に接続されたＺ方向微動量検出部１０８が設けられている。Ｚ方向微動量検出部１０８には、静電容量センサが用いられるが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージや光学式変位系、差動トランスなどでもよい。

このような構成のもと、Ｚ側圧電素子９０に電圧を印加すると、Ｚ側圧電素子９０が伸縮するようになっている。そして、Ｚ側圧電素子９０が伸びると、下方壁部９５および上方壁部９６がＸ方向外方に押圧され、上方壁部９６は固定端付近を中心に図３における時計方向に回転するとともに、下方壁部９５も固定端付近を中心に時計方向に回転し、結果として、第１から第４の平行バネ１０１，１０２，１０３，１０４に案内されて、延出部８７がＺ方向に移動し、延出部８７に連結されたステージ１６がＺ方向に移動するようになっている。このとき、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出されるようになっている。すなわち、Ｚ方向微動量検出部１０８は、機構本体部８６を介して、ステージ１６のＺ方向の微動量を検出する微動量検出手段として機能するものである。そして、演算部８３が、Ｚ方向微動量検出部１０８の検出結果に応じて、印加された電圧と実際の微動量とによって、ステージ１６のＺ方向の微動量の誤差を算出するようになっている。この算出結果は制御部８４に入力され、この制御部８４によって、印加電圧に対して、ステージ微動機構部２７が線形に動作するように制御される。

なお、Ｚ方向については、単にＺ方向微動量検出部１０８により微動量を検出し、それを走査型プローブ顕微鏡の高さ上方として表示させてもよい。

このように構成されたステージ微動機構２７は、小型かつ高剛性であり、プローブ微動機構部２６に比べて共振周波数が高く高速動作が可能となっている。

さらに、本実施例においては、図１に示すように、スペースＪに対物レンズ１０が設けられている。すなわち、倒立顕微鏡８の上端に、レボルバ（配置変更手段）９が設けられており、このレボルバ９に、それぞれ倍率の異なる複数の対物レンズ１０が設けられている。そして、レボルバ９を回すことにより、複数の対物レンズ１０の配置が変更されるようになっており、複数の対物レンズ１０をスペースＪ内の観察位置Ｋに選択的に配置することができるようになっている。観察位置Ｋとは、ステージ１６の下方であって、ステージ開口部１７に一致する位置をいい、試料Ｓを観察するための位置をいう。

また、対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて、倒立顕微鏡８に設けられたフォーカシングダイヤル８ａを操作することによりＺ方向に上下動することができるようになっている。

次に、このように構成された本実施例における走査型プローブ顕微鏡１の作用について説明する。

まず、試料Ｓを不図示の液中セルを介してステージ１６に載置する。そして、光源４０をオンにし、試料Ｓに向けて照明光を照射する。すると、その照明光は、プローブ側貫通孔７０を通り、試料Ｓを透過して、さらにステージ側貫通孔１０９を通ることにより、観察位置Ｋに配された対物レンズ１０に到達する。これによって、対物レンズ１０を介して、試料Ｓの状態が観察される。このとき、レボルバ９を回すと、はじめの対物レンズ１０がスペースＪを通って観察位置Ｋから外れ、他の対物レンズ１０が観察位置Ｋに配置される。これにより、適切な倍率の対物レンズ１０が選択される。また、フォーカシングダイヤル８ａを操作すると、対物レンズ１０が上方に移動し、対物レンズ１０が試料Ｓに近接し、フォーカシングされる。

これによって試料Ｓの初期観察が行われ、この結果に応じて、詳細測定が行われる。

詳細測定を行うには、試料Ｓの表面とプローブ２１の位置を、倒立顕微鏡８の像を見ながら、ＸＹステージ３５で位置合わせをする。次に、レーザ光源４４およびフォトディテクタ４５の位置を調整する。すなわち、レーザ光源４４から照射したレーザ光Ｌが、カンチレバー２０の上面で反射し、フォトディテクタ４５に確実に入射するよう位置調整を行う。それから、モータ３７を駆動して、Ｚ粗動機構部３３により、カンチレバー２０を粗動移動させて、カンチレバー２０を液中セルの培養液に浸漬させる。そして、プローブ２１を試料Ｓの表面近傍に位置させる。

この状態から、加振手段により、カンチレバー２０を介してプローブ２１を、Ｚ方向に沿って所定の周波数および振幅で振動させる。そして、図２に示すＸ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４に電圧を印加する。すると、Ｘ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４が伸縮し、Ｘ側変位拡大機構部６２およびＹ側変位拡大機構部５５を介して、内フレーム部４９がＸＹ方向に微動する。これにより、プローブ２１が試料Ｓ上を所定の走査速度でラスタースキャンする。

このとき、内フレーム部４９がＸＹ方向に微動すると、Ｘ方向ターゲット８１およびＹ方向ターゲット７８がそれぞれＸ方向、Ｙ方向に微動し、そのＸ、Ｙ方向の微動量がＸ方向センサ８１およびＹ方向センサ７８によって検出される。これら検出結果は演算部８３に入力されて、カンチレバー２０のＸＹ方向の微動量の誤差が算出され、この算出結果が制御部８４に入力される。このように、ＸＹ方向の微動量を補正することによって、Ｘ側圧電素子６１やＹ側圧電素子５４のヒステリシスやクリープに影響されず、ＸＹ方向に線形に動作する。

走査の際、試料Ｓの凹凸に応じて、プローブ２１と試料Ｓの表面との距離が変わると、原子間力や間欠的な接触力によりプローブ２１が斥力または引力を受けるので、カンチレバー２０の振動状態が変化し、振巾や位相が変わる。この振巾や位相の変化は、フォトディテクタ４５の異なる２対の分割面の出力差（ＤＩＦ信号と呼ぶ）として検出される。このＤＩＦ信号は、不図示のＺ電圧フィードバック回路に入力される。そして、Ｚ電圧フィードバック回路は、ＤＩＦ信号により振巾や位相が同じになるように、図３に示すＺ側圧電素子９０に電圧を印加する。

Ｚ側圧電素子９０は、電圧が印加されることにより高速で伸縮を繰り返す。Ｚ側圧電素子９０が伸縮すると、延出部８７を介してステージ１６が非常に高い周波数でＺ方向に移動し、ステージ１６上の試料ＳがＺ方向に移動する。これにより、上記走査の際、プローブ２１と試料Ｓの表面との間の距離が常に一定に保たれる。

また、ステージ１６がＺ方向に移動すると、Ｚ方向微動量検出部１０８により、機構本体部８６の微動量が検出され、この検出結果に応じて、ステージ１６のＺ方向の微動量の誤差が算出される。そして、その算出結果が制御部８４に入力され、Ｚ方向に線形に動作させることができる。

なお、Ｚ方向移動量検出部１０８により微動量を検出し、それを走査型プローブ顕微鏡の高さ情報として表示させてもよい。この場合、より高速走査が可能となる。

このようにして、Ｘ側、Ｙ側、Ｚ側圧電素子６１、５４、９０に印加した電圧、またはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向センサ８１、７８、１０８の信号を制御部８４に入力し、画像化することで試料Ｓの表面の形状像を測定することができる。また、プローブ２１と試料Ｓとの間に働くいろいろな力や物理作用を測定することで、粘弾性、試料Ｓの表面電位分布、試料Ｓの表面の漏れ磁界分布、近接場光学像等の各種の物性情報の測定を行うことができる。

以上より、本実施例における走査型プローブ顕微鏡１によれば、Ｚ駆動部８５が、Ｘ駆動部５２およびＹ駆動部５１とは、物理的に分離して別個に設けられたものであり、それぞれ独立して機能させることができることから、Ｚ側圧電素子９０の共振周波数をＸ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４よりも高く設定することができる。そのため、プローブ２１の走査速度を速くしても、ステージ１６を充分に追従させることができ、全体の走査スピードを向上させることができる。

また、それぞれ独立して機能させることから、Ｚ側圧電素子９０の動きがＸ側圧電素子６１およびＹ側圧電素子５４によって影響を受けないようにすることができる。そのため、走査スピードを向上させつつ、測定精度を向上させることができる。

ここで、ステージ１６には試料Ｓが載せられるだけなのに対して、カンチレバー２０側には、カンチレバーホルダー２２やレーザ光源４４、フォトダイオード４５などの多くの部品が設けられるため、カンチレバー２０側の機構は、全体的に大きくかつ重くなるのが一般的である。そのため、カンチレバー２０側に、走査速度が遅くてもよいプローブ微動機構部２６を設け、より高速応答性が必要なステージ１６側に、ステージ微動機構部２７を設けることで、より一層走査スピードを向上させることができる。

また、プローブ微動機構部２６には、変位検出手段としてのレーザ光源４４およびフォトディテクタ４５が設けられていることから、カンチレバー２０を微動させながら、カンチレバー２０の変位量を確実に測定することができる。

なお、変位検出手段は、この方式に限定されず、例えば、カンチレバー２０自体に抵抗体を設けて、カンチレバー２０の撓みに伴う抵抗値変化により測定を行う方式なども本発明に含まれる。

また、プローブ微動機構部２６には、プローブ側貫通孔７０が設けられ、このプローブ側貫通孔７０に照明光を通していることから、照明光の進行を邪魔することなく、高精度に測定することができる。

さらに、プローブ微動機構部２６は、外フレーム部４８および内フレーム部４９によってフラット状に形成されているため、全体を小さく薄くすることができる。したがって、ワークディスタンスの短い、より高ＮＡのコンデンサレンズを配置することができ、倒立顕微鏡８の分解能を向上させることができる。

また、Ｘ方向微動量検出部７４、Ｙ方向微動量検出部７３およびＺ方向微動量検出部１０８により、ＸＹＺ方向の微動量の誤差を検出し、プローブ微動機構部２６とステージ微動機構部２７を線形動作させることができるため、より高精度な測定を行うことができる。

さらに、レボルバ９を介して複数の対物レンズ１０が設けられており、レボルバ９を回すことにより、複数の対物レンズ１０を観察位置Ｋに選択的に配することができることから、適切な倍率の対物レンズ１０を容易かつ迅速に配置することができる。

また、対物レンズ１０を試料Ｓに一層近接させることができ、高ＮＡの対物レンズを設けて高精度な測定を行うことができる。

また、延出部８７の厚さ寸法Ｒを機構本体部８６の厚さ寸法Ｍよりも小さく設定して、延出部８７の下方にスペースＪを設けたことから、このスペースＪを有効活用することができる。本実施例においては、スペースＪに対物レンズ１０を配置したことによって、レボルバ９の回転が邪魔されることなく、簡単かつ迅速に対物レンズ１０の配置変更をすることができる。したがって、倒立顕微鏡８の操作性を向上させることができる。

さらに、機構本体部８６を介してステージ微動機構部２７が片持ち支持されていることから、簡易な構成により充分なスペースＪを確保することができる。

なお、本実施例においては、ステージ微動機構部２７が片持ち支持されるとしたが、これに限ることはなく、例えば、図５に示すように、機構本体部８６をＸ方向に並べて、その間に延出部８７を配置する構成として、Ｘ方向両端の本体固定部９１によって、両持ち支持するようにしてもよい。また、図６に示すように、機構本体部８６をそれぞれＸＹ方向に向けて互いに９０度になるように配置する構成とし、本体固定部９１によって両持ち支持するようにしてもよい。

さらに、図７に示すようなアクチュエータを複数本利用したステージ微動機構２７でもよい。図７(a)はこのステージ微動機構の平面図、図７(b)は正面図である。このステージ微動機構２７では同じ形状で同一の移動特性を有する３本のアクチュエータである積層型圧電素子１２０を平面視で三角形型に配置し、積層型圧電素子１２０の末端１２０ｂをベース１３に固定し、移動端１２０ａに試料Ｓを載置するためのステージ１２１を磁石１２５により固定した構造であり、ステージ１２１には貫通孔１２２が設けられ、積層型圧電素子１２０で囲まれる空間１２３には対物レンズ１０が配置された構成である。各々の積層型圧電素子１２０に電圧を印加すると、ステージ１２１は試料Ｓ表面に垂直な方向に移動する。

このように構成されたステージ移動機構２７においては、ステージ１２１が３本の積層型圧電素子１２０により支持されているため、ステージ１２１の剛性を高めることができ、Ｚ方向の移動を高速に行うことが可能となる。また、３本の積層型圧電素子１２０で囲まれる空間１２３内に、対物レンズ１０を配置したり、空間部分から照明光を試料Ｓに照射することが可能となる。また、隣り合う積層型圧電素子１２０の間１２４を通して、対物レンズ配置変換手段（図示せず）により対物レンズ１０の交換も行うことが可能となる。
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。

図８は、本発明の第２の実施例を示したものである。

図８において、図１から図７に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

この実施例と上記第１の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点において異なるものとなっている。

すなわち、本実施例における走査型プローブ顕微鏡１は、正立顕微鏡と組み合わせたものである。すなわち、正立顕微鏡８には光源４０が設けられ、光源４０の上端にはコンデンサレンズ４１が設けられている。また、コンデンサレンズ４１の上方にはステージ微動機構部２７が設けられている。ステージ微動機構部２７は円筒状のＺ側圧電素子９０からなり、Ｚ側圧電素子９０はＺ方向に向けて設置されている。Ｚ側圧電素子９０には、Ｚ方向に向けられた筒孔（ステージ側貫通孔）１１０が形成されており、この筒孔１１０に光源４０からの照明光が通されるようになっている。

また、プローブ微動機構部２６の上方には、観察位置Ｋに対物レンズ１０が設けられている。ここでの観察位置Ｋとは、プローブ微動機構部２６の上方から、カンチレバー２０または試料Ｓを観察する位置をいう。対物レンズ１０は、観察位置Ｋにおいて上下動するようになっており、下方に移動させると、プローブ側貫通孔７０に挿入されるようになっている。

このような構成のもと、光源４０からの照明光は、筒孔１１０を通って試料Ｓを透過する。また、対物レンズ１０を下方に移動させて、プローブ側貫通孔７０に挿入すると、対物レンズ１０はカンチレバー２０または試料Ｓに近接する。

以上より、ステージ微動機構部２７には筒孔１１０が設けられ、この筒孔１１０に照明光を通していることから、照明光の進行を邪魔することなく、高精度に測定することができる。

また、この対物レンズ１０を、プローブ側貫通孔７０に挿入することができることから、カンチレバー２０や試料Ｓに対物レンズ１０を一層近接させることができ、高ＮＡの対物レンズを設けて高精度な測定を行うことができる。

なお、上記第１および第２の実施例では、Ｘ側圧電素子６１、Ｙ側圧電素子５４およびＺ側圧電素子９０を積層型の圧電素子としたが、これに限ることはなく、適宜変更可能である。例えば、スタック型の圧電素子としたり、またはボイスコイルなどを用いたりすることも可能である。

また、プローブ微動機構部２６またはステージ微動機構部２７に、円筒状の圧電素子を用いることも可能である。

また、ＤＦＭモードによる観察としたが、これに限ることはなく、コンタクトＡＦＭなどの種々のモードに適用可能である。さらに、近接場顕微鏡にも適用することができる。近接場顕微鏡に適用すると、高ＮＡの対物レンズを使用することができるため、近接場信号の集光効率を向上させることができる。

さらに、液中測定としたが、これに限ることはなく、大気中であってもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

Claims (19)

1. 試料が載置されるステージと、前記試料の表面に近接または接触させるプローブとを有する走査型プローブ顕微鏡に設けられる走査型プローブ顕微鏡用微動機構において、
   第１の駆動部を含み、該第１の駆動部により前記試料の表面に平行な互いに交差するＸ方向およびＹ方向に、前記プローブを微動させるプローブ微動機構部と、
   前記第１の駆動部とは独立して設けられた前記第２の駆動部を含み、該第２の駆動部により前記試料の表面に垂直なＺ方向に、前記ステージを微動させるステージ微動機構部と、を含む走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
2. 前記プローブ微動機構部が、前記プローブの変位を検出するプローブ変位検出手段を含む請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
3. 前記ステージ微動機構部が、前記第２の駆動部を有する機構本体部と、該機構本体部から、前記機構本体部の厚さ方向に交差する方向に延出し、前記ステージを支持する延出部とを備え、
   該延出部の厚さ寸法が、前記機構本体部の厚さ寸法より小さい請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
4. 前記機構本体部が片持ち支持されている請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
5. 前記プローブ微動機構部が、前記Ｚ方向に向けられたプローブ側貫通孔を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
6. 前記プローブ側貫通孔に照明光が透過させることを特徴とする照明装置を含む請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
7. 前記ステージ微動機構部が、前記Ｚ方向に向けられたステージ側貫通孔を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
8. 前記ステージ側貫通孔に照明光を透過させることを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
9. 前記プローブ側貫通孔を通して、前記プローブが観察可能な位置に対物レンズを含む請求項５または請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
10. 前記ステージ側貫通孔を通して、前記試料が観察可能な位置に対物レンズを含む請求項７または請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
11. 前記対物レンズが複数設けられ、該複数の対物レンズの配置を変更する配置変更手段を含む請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
12. 前記対物レンズが複数設けられ、該複数の対物レンズの配置を変更する配置変更手段を含む請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
13. 前記第２の駆動部が、Ｚ軸方向に伸縮可能な複数のアクチュエータを含み、前記ステージにより前記アクチュエータの移動端同士が互いに連結されている請求項1から請求項１２のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
14. 前記第２の駆動部が、円筒状の圧電素子を含む請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
15. 前記第１の駆動部が、円筒状の圧電素子を含む請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
16. 前記プローブ微動機構部が、第１の駆動部を介して互いに同心上かつ面一に連結された複数のフレーム部を含む請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
17. 前記プローブの前記Ｘ方向の微動量、前記プローブの前記Ｙ方向の微動量、または前記ステージの前記Ｚ方向の微動量の少なくとも一つを検出する微動量検出手段を含む請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
18. 前記微動量検出手段からの検出結果に基づいて、前記Ｘ方向、Ｙ方向、またはＺ方向の少なくとも一つの微動量の誤差を算出する算出手段を含む請求項１７に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構。
19. 請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡用微動機構を含む走査型プローブ顕微鏡。

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