WO2006090594A1

WO2006090594A1 - 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

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Publication number: WO2006090594A1
Application number: PCT/JP2006/302316
Authority: WO
Inventors: Masato Iyoki; Masatsugu Shigeno
Original assignee: Sii Nanotechnology Inc.
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2006-08-31
Also published as: DE112006000456T5; JPWO2006090594A1; JP5111102B2; US7614288B2; US20080061232A1

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

明細書

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

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 周知のように、金属、半導体、セラミック、榭脂、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。

[0003] 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。 ) o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。

[0004] 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。

[0005] 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次元ァクチユエータなどの駆動部を備えており、この 3次元ァクチユエータにより X 、 Υ、 Ζ方向に移動させるものが周知となっている。 [0006] 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。

特許文献 1：特開 2000— 346784号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、上記のように 3次元ァクチユエータを用いた構成では、その 3次元ァクチユエータによって、 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次元ァクチユエータ自体が大きくなつてしまい、これにより 3次元ァクチユ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次元ァクチユエータによって 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。

[0008] 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。課題を解決するための手段

[0009] 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。

[0010] 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、前記プロ一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。

[0011] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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。

[0012] 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さる。

[0013] 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!、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。

[0014] 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。

[0015] 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さる。

[0016] 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!、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。

[0017] 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。

[0018] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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。

[0019] 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ぐ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。

[0020] 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!、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。

[0021] 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。

[0022] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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。

[0023] 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ぐ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。

[0024] 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!、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。

[0025] 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

[0026] 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ぐプロ一ブゃ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。

[0027] 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!、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。

[0028] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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。

[0029] 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ぐ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。

[0030] 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!、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。

[0031] 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、配置変更手段によつて、複数の対物レンズの配置が変更される。

[0032] 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。

[0033] 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!、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。

[0034] 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、延出部の厚さ寸法力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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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!、て、前記機構本体部が片持ち支持されて、ることを特徴とする。

[0038] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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さる。

[0039] 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!、て、前記第 2の駆動部が、 Z軸方向に伸縮可能な複数本のァクチユエ一タカ構成され、前記ステージ部により前記ァクチユ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。

[0040] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、ては、ステージ部が複数本のァクチユ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、複数のァクチユ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、隣り合うァクチユエ一タの間を通して、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。

[0041] 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。 [0042] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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。

[0043] 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。

[0044] この発明に係る走査型プローブ顕微鏡用微動機構にお!、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。

[0045] 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!、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一ム部を備えることを特徴とする。

[0046] 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。

[0047] 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!、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。

[0048] 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。

[0049] 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、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。

[0050] 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。

[0051] 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。

発明の効果

[0052] 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ぐ第 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、プロ一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。

[0053] また、第 1および第 2の駆動部の上下方向力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一ブ顕微鏡を容易に組み合わせることが可能となる。

図面の簡単な説明

[0054] [図 1]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 2]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 3]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 4]図 3のステージ微動機構部を示す底面図である。

[図 5]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 6]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。

[図 7]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。

[図 8]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

[0055] 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 § フレーム音

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 試料発明を実施するための最良の形態

[0056] (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力試料に近づけ、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。

[0057] 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。

[0058] 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。

[0059] 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。

[0060] 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。

[0061] 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。

[0062] 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、これによつ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。

[0063] 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一の先端を先鋭ィ匕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。

[0064] 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、先鋭ィ匕されたプローブ 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方向に沿つて所定の周波数及び振幅で振動するようになつており、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。

[0065] 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。

[0066] 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。

[0067] 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） 4 9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、低熱膨張铸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。

[0068] 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を備えてヽる。 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。

[0069] 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。

[0070] 内フレーム部 49の四隅には、平行パネ 67が設置されている。

[0071] 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つている。

[0072] 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つている。

[0073] 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。

[0074] 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 8 0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ぐ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。

[0075] 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ヽる。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。

[0076] 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からの検出結果力演算部 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。

[0077] 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、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力カンチレバー 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。

[0078] 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 8 7とを備えている。

[0079] 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。

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 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平行パネ 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平行パネ 10 2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平行パネ 103が、本体固定部 91が設けられた方の端部には、第 4平行パネ 104が設けられている。また、第 2平行パネ 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平行パネ 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。

[0083] 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 8 5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ぐ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。

[0084] 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の平行パネ 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つている。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 8 4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。

[0085] 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ょヽ。

[0086] 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。

[0087] 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つている。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。

[0088] 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力シングダイヤル 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。

[0089] 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。

[0090] 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。これによつて、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力外れ、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。

[0091] これによつて試料 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

[0092] 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力力ンチレバー 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。

[0093] 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。

[0094] 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。

[0095] 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、力ンチレバー 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。

[0096] 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。

[0097] 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。

[0098] 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。

[0099] 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さる。

[0100] 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。

[0101] 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。

[0102] 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およびフオトディテクタ 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。

[0103] 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の橈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。

[0104] 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、このプロ一ブ側貫通孔 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ぐ高精度に測定することができる。

[0105] 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によつ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、ヮ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。

[0106] 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。

[0107] 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。

[0108] 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。

[0109] 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ぐ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。

[0110] 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。

[0111] 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ぐ例えば、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 X Y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ょヽ。

[0112] さらに、図 7に示すようなァクチユ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本のァクチユ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 1 20b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。

[0113] 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、空間部分力も照明光を試料 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。

[0114] 図 8は、本発明の第 2の実施例を示したものである。

[0115] 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。

[0116] 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。

[0117] 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 9 0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、る。

[0118] 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。

[0119] 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。

[0120] 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ぐ高精度に測定することができる。

[0121] 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。

[0122] 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ぐ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會である。

[0123] 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。

[0124] また、 DFMモードによる観察とした力これに限ることはなぐコンタクト 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。 [0125] さらに、液中測定とした力これに限ることはなぐ大気中であってもよい。

[0126] 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ぐ本発明の趣旨を逸脱しな、範囲にぉ、て、種々の変更をカ卩えることが可能である。

Claims

請求の範囲

[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ァクチユエータを含み、前記ステージにより前記ァクチユ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查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力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。