JPH07325091A

JPH07325091A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH07325091A
Application number: JP11815494A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ito; 修一伊東
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】試料の厚さが変化しても、走査量が変化しな
い、メカニカルアプローチ機構を備えた走査型プローブ
顕微鏡を提供する。【構成】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、一端が固定
され、Ｚステージ２２に載置された試料４を走査するた
めの円筒型圧電体３と、試料４に対向して配されたプロ
ーブ５と、試料４とプローブ５との距離を調節するメカ
ニカルアプローチ機構２２，２２ａ，２４，２４ａ，２
５，２６，２７と、を有する。このメカニカルアプロー
チ機構は、円筒型圧電体３と試料４との間に配されてい
ることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料をプローブに対し
てアプローチさせるメカニカルアプローチ手段を備えた
走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】前述したようなアプローチ
機構を有する走査型プローブ顕微鏡として、例えば特開
昭６２−１３０３０２号公報に開示されているものが知
られている。以下、図１を参照して、従来の走査型プロ
ーブ顕微鏡のメカニカルアプローチ機構について説明す
る。

【０００３】剛体ベース１には、クッション１７を介し
てＸＹＺ駆動装置である圧電体３が固定された部材１６
が取り付けられている。圧電体３には、試料４が設置さ
れ、この試料４に対してカンチレバー７に固定された探
針（プローブ）５が近接している。そして試料４をＸＹ
方向に駆動し、探針５と試料４との間に流れるトンネル
電流が一定となるように試料４をＺ方向に駆動制御する
ことによって、試料４の表面を検出することができる。

【０００４】前記部材１６は、パッド１５を介してネジ
１４によって押圧されており、このネジ１４を操作する
ことによって試料４と探針５との間の距離を調整してい
る。すなわち、試料走査式の走査型プローブ顕微鏡にお
ける、試料のプローブに対するアプローチ機構は、試料
が載置された走査機構全体をプローブに対してアプロー
チさせている。

【０００５】しかしながら、この特開昭６２−１３０３
０２号公報に開示されているアプローチ機構には、以下
の問題点がある。この問題点を図３及び図４を参照して
説明する。

【０００６】図３は、図１に示した走査型プローブ顕微
鏡におけるアプローチ機構の概略を示している。この図
において、符号２０で示すのは、試料をプローブに対し
てアプローチさせるアプローチ機構であり、図１のネジ
１４、パッド１５及び部材１６の部分に対応している。
この図に示すように、試料４が載置された走査機構全体
がアプローチ機構２０に載っており、アプローチ機構２
０は、圧電体３に設けられた試料４の表面を探針５に近
接させるように駆動される。この場合、試料４の厚みが
（ａ）で示すように厚い場合ｔ１と、（ｂ）で示すよう
に薄い場合ｔ２では、圧電体３へ同じ印加電圧を与えて
も、試料表面のＸＹ走査量が変化してしまうという問題
が発生する。

【０００７】具体的に説明すると、（ａ）の場合、圧電
体３の固定端から試料４の表面までの距離はＬ１であ
る。また、（ｂ）の場合、圧電体３の固定端から試料４
の表面までの距離はＬ２である。ここで、ｔ１＞ｔ２の
場合、明らかにＬ１＞Ｌ２となる。ところで、圧電体３
は、通常、円筒型のものが用いられており、例えば、試
料４をＸ方向に走査するときは、図４に示すように圧電
体３をＸ方向にたわませることによって変位させてい
る。このため、試料４の表面における実際の変位量ｘ
は、圧電体３の固定端から試料４の表面までの距離Ｌに
比例することとなり、試料４の厚さによって、その試料
の走査量が変わってしまう。

【０００８】実際の実験結果によれば、長さ４０mmの円
筒型圧電体を用い、厚さ０．５mmの試料を走査したとき
の走査量は、約３０μm であるのに対し、厚さ５mmの試
料を走査したときの走査量は、約３３μm になり、走査
量が１０％増加した。このような走査量の変化は、走査
型プローブ顕微鏡測定の測定精度を悪化させる。

【０００９】上述した従来技術とは別に、特開平３−２
０８２４６号公報には、図２に示すような、試料４を載
置した載物台２９を圧電体３の変形によって衝撃的に移
動させ、これによって試料４を載物台２９上で移動させ
る技術が開示されている。しかしながら、この公報に開
示されている技術は、試料を水平方向に移動させる手段
であって、この構成をそのまま垂直方向の移動に利用す
るという思想については何等言及していない。従って、
試料の厚さが図３に示すように変化した場合、圧電体３
の走査量は、厚さに応じて同様に変化してしまう。

【００１０】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたものであり、試料の厚さが変化しても、走査量
が変化しない、メカニカルアプローチ機構を有する走査
型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、一端が固定され、試料載置部に載置され
た試料を走査するための圧電体と、前記試料に対向して
配されたプローブと、前記試料とプローブとの距離を調
節するメカニカルアプローチ手段と、を有する走査型プ
ローブ顕微鏡において、前記メカニカルアプローチ手段
が、前記圧電体と試料載置部に載置される試料との間に
配されていることを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明では、図５に示すように、試料４を探針
５に対してアプローチさせるアプローチ機構２０を、走
査手段である圧電体３と試料４との間に配し、そのアプ
ローチ機構の伸び縮みによって試料４の表面と探針５と
の間の距離を調節している。この構成によれば、圧電体
３の表面と探針５との間の距離は一定であるため試料４
の厚さが変化したとしても、圧電体３の駆動に際して試
料４の表面における走査量が変化することはない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の適した実施例について説明す
る。なお、以下に示す図においては、前述した図１乃至
図４に示した構成要素と同一の部材については同一の参
照符号が付してある。

【００１４】図６は、本発明の第１の実施例を示す図で
ある。ベース１上には、走査手段である圧電体（本実施
例では、円筒型圧電体を用いる）３が固定されており、
その円筒型圧電体３の自由端には蓋２４が固定されてい
る。この蓋２４の中央部分には、めねじ２４ａが螺刻さ
れた孔が形成されており、この孔には、一端に試料４が
載置されるＺステージ２２が形成されたおねじ２２ａが
螺合されている。Ｚステージ２２の裏面と蓋２４の表面
との間には、コイルばね２３が配されており、その付勢
力によってＺステージ２２は蓋２４に対して半固定され
ている。

【００１５】また、Ｚステージ２２の下方のベース１に
は、モータ２７が固定されている。このモータ２７から
は、ベース１に形成された孔１ａを通る駆動軸２６が延
出しており、この駆動軸２６は、前記おねじ２２ａの他
端部とカップリング２５によって結合されている。この
カップリング２５は、駆動軸２６の回転運動をＺステー
ジ２２に伝えるが、Ｚステージ２２の上下方向の運動を
妨げないように構成されている。具体的には、図７に示
すように、おねじ２２ａに形成されているおねじ凹部２
５ａの側面に対称的に形成された２つのおねじ係合部２
５ｂと、駆動軸２６と垂直な方向に伸びた駆動軸係合部
２６ａとが、ある程度のガタ（円筒形圧電体の最大走査
量相当の隙間）を有し、緩く係合するように構成されて
いる。このような構成を取ることで、円筒形圧電体の
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の運動が制限されることなく試料の走
査が可能となる。

【００１６】試料４の探針５に対するアプローチは、モ
ータ２７の駆動により、駆動軸２６を介してＺステージ
２２を回転させることによって行われる。このアプロー
チが行われた後、円筒型圧電体３がＸＹ方向に駆動され
て試料４の表面が走査されると共に、試料表面４と探針
５との間に流れるトンネル電流が一定となるように円筒
型圧電体３がＺ方向に駆動、制御されることによって、
試料４の表面が測定される。この測定に際しては、コイ
ルばね２３がＺステージ２２を半固定しているため、上
記したねじ構造を具備するアプローチ機構が測定に悪影
響を及ぼすことはない。また、駆動軸２６は、モータ２
７によって駆動されているが、モータ２７を用いる代わ
りに手動で駆動軸２６を回転させるように構成しても良
い。

【００１７】図５を参照して説明したように、円筒型圧
電体３の表面と探針５との間の距離は一定であるため、
円筒型圧電体３がＸＹ方向に駆動される際に、試料４に
おける表面での走査量も一定に維持される。すなわち、
試料４の厚さが変化したとしても、その表面での走査量
は常に一定に維持される。なお、ねじのピッチとモータ
２７の最小回転角を変えることで、Ｚステージ２２の移
動量を自由かつ確実に設定することができる。

【００１８】また、この実施例の構成によれば、アプロ
ーチ時における移動体は試料を載置したＺステージ２２
であって、走査手段である円筒型圧電体３を含まないた
め、前述した従来技術の構成と比較し、移動体自体が小
さく、軽量になる。従って、モータ等の駆動源の大き
さ、出力が小さいものを用いることができ、従来よりも
高速のアプローチが可能になる。さらに、アプローチ機
構として、機械的要素であるねじを用いているため、構
成が簡単になる。

【００１９】次に、図８を参照して、前記実施例の変形
例について説明する。この変形例では、前記図６に示し
た実施例と異なる部分について詳細に説明する。この図
において、（ａ）は、アプローチ機構を側面から見た図
であり、（ｂ）は、それを上方から見た図である。

【００２０】この変形例では、前記実施例において、Ｚ
ステージ２２の上下動に伴って試料４が回転することを
防止する手段を備えている。以下、その構成の一例を説
明する。この一変形例では、Ｚステージ２２に試料台２
９を載置し、その上に試料４を載置するように構成して
いる。試料台２９の上面には、突起２２ｂが突設されて
おり、この突起２２ｂには、試料台２９の下面に形成さ
れた穴２９ｂが緩く嵌合している。また、試料台２９に
は、切欠き２９ａが形成されており、蓋２４の表面に突
設されたピン２８が緩く係合するようになっている。

【００２１】前記実施例同様、モータ（図示せず）を駆
動することにより、Ｚステージ２２は回転しながら上下
移動を果たし、これにより、試料台２９に載置された試
料４は探針５にアプローチされる。この場合、Ｚステー
ジ２２に突設された突起２２ｂと試料台２９に形成され
た穴２９ｂが緩く嵌合した状態にあるため、試料台２９
はＺステージ２２からずれ落ちるようなことはない。ま
た、試料台２９とＺステージ２２との間の摩擦により、
試料台２９はＺステージ２２の回転にともなって回転し
ようとするが、（ｂ）に示すように、ピン２８が切欠き
２９ａに係合しているため、試料台２９は回転せずにＺ
方向の移動のみを行う。

【００２２】また、このようなアプローチ機構によって
試料４を探針５にアプローチさせた後に、試料４を走査
する際、ピン２８が切欠き２９ａに接触しないようにＺ
ステージ２２を逆方向に僅かに回転させれば、ピン２８
と切欠き２９ａが接触しないため、良好な走査を行うこ
とができる。

【００２３】この変形例では、以上述べたように、アプ
ローチ機構に、試料の回り止め手段を付加したことによ
り、試料４を回転させることなく、上下方向の移動のみ
が行えるという効果が得られる。また、この変形例にお
いて、試料４のずれ、回転を防止するための突起２２ｂ
及びピン２８の設置箇所、数等については適宜変形する
ことができる。

【００２４】次に、図９及び図１０を参照して、本発明
の第２の実施例について説明する。この実施例において
も、前記実施例と異なる部分について詳細に説明する。
この実施例では、円筒型圧電体３と試料４との間に配さ
れたアプローチ機構は、円筒型圧電体３を衝撃的にＺ方
向に駆動して、Ｚステージ２２をＺ方向に滑らせて移動
させることにより、試料４を探針５にアプローチさせる
ように構成されている。図９において（ａ）はアプロー
チ機構の部分の側面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面
図、そして（ｃ）はステージ部分の斜視図である。

【００２５】試料４が載置されるＺステージ２２の外周
には、所定間隔をおいて軸方向に延出する４本の磁性体
のワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが固定されて
いる。夫々のワイヤの先端部は、内側に屈曲されてお
り、円筒型圧電体３に形成された軸方向に延出する４つ
の溝３ａに嵌合し、円筒型圧電体３を挟持するようにな
っている。この場合、ワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，
３０ｄの弾性力Ｆ１により、ステージ２２は円筒型圧電
体３の自由端に半固定された状態になる。円筒型圧電体
３は、内部に収容され、ＧＮＤされた円筒状の電極３ｆ
と、外周に所定間隔をおいて貼り付けられた４枚の電極
３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅとを有している。

【００２６】Ｚステージ２２の移動に際しては、円筒型
圧電体３の４枚の電極３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅに、図１
０に示すようなのこぎり波を同時に印加することによ
り、円筒型圧電体３を衝撃的にＺ方向に伸ばす。このと
き、円筒型圧電体３の各溝３ａに嵌合している４本のワ
イヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、その衝撃によ
ってＺ方向に移動されるので、Ｚステージ２２に働くＺ
方向の慣性力でＺステージ２２はＺ方向に移動する。こ
れにより、慣性力によるＺステージ２２の移動を行うこ
とができ、試料４を探針５にアプローチさせることがで
きる。

【００２７】上記構成において、ワイヤ３０ａ，３０
ｂ，３０ｃ，３０ｄの弾性力が不十分で、移動終了時の
Ｚステージ２２の位置が安定でない場合があり得る。こ
のような場合に対処すべく、円筒型圧電体３の上面に
は、スペーサ３２を介在させて電磁石３１を固定するの
が好ましい。この電磁石３１を設けることによって、Ｚ
ステージ２２の移動終了時に、電磁石３１に電流を流
し、発生する電磁力Ｆ２によってＺステージ２２を安定
して円筒型圧電体３の上端に固定することが可能にな
る。

【００２８】また、一般的に、走査型プローブ顕微鏡に
おいて、試料４を探針５にアプローチさせた場合、通常
試料表面が圧電体の走査面に対して傾いているため、測
定像が傾くという問題があった。しかし、このアプロー
チ機構を用いることにより、その傾きを補正することが
可能となる。すなわち、具体的に説明すると、試料４の
探針５に対するアプローチの終了後、Ｘ方向の１ライン
走査と、Ｙ方向の１ライン走査を行う。その結果、例え
ば、試料のＸ軸正方向が高く、試料のＸ軸負方向が低い
ときは、電極３ｂ，３ｃに圧電体を縮めるような電圧
を、電極３ｄ，３ｅに圧電体を伸ばすような電圧を印加
することにより、試料の傾きを補正することが可能にな
る。もちろんＹ方向の傾きも同様に行うことができる。

【００２９】以上のように、この実施例によれば、慣性
力を利用して試料４を探針５へアプローチさせることに
より、モータ等の他のアプローチ機構駆動手段が不要に
なるため、装置が非常に小さく、かつ簡素になる。ま
た、試料４の探針５に対するアプローチに加えて、試料
表面の傾きを行うことができる、という効果等が得られ
る。なお、本実施例において、ワイヤの数、配置箇所等
は、図示されたものに限られず、種々変形することが可
能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料の厚さが変化しても、走査量が変化しない、メカニ
カルアプローチ機構を有する走査型プローブ顕微鏡を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の走査型プローブ顕微鏡のメカニカルアプ
ローチ機構の構成を示す図。

【図２】従来の走査型プローブ顕微鏡において、試料台
を水平方向に駆動する構成を示す図。

【図３】図１に示した走査型プローブ顕微鏡のメカニカ
ルアプローチ機構の概略を示す図であり、（ａ）は厚い
試料を探針にアプローチさせる例を示す図、（ｂ）は薄
い試料を探針にアプローチさせる例を示す図。

【図４】図１に示すメカニカルアプローチ機構における
問題点を説明するための図。

【図５】本発明におけるメカニカルアプローチ機構の概
念を示す概略図。

【図６】本発明の第１の実施例を示す側面図。

【図７】図６に示した構成のうち、カップリングの部分
を拡大した斜視図。

【図８】図６に示した実施例の変形例を示す図であり、
（ａ）は、メカニカルアプローチ機構を側面から見た
図、（ｂ）は、それを上方から見た図。

【図９】本発明の第２の実施例を示す図であり、（ａ）
はメカニカルアプローチ機構の部分の側面図、（ｂ）は
Ｂ−Ｂ線に沿った断面図、そして（ｃ）はステージ部分
の斜視図。

【図１０】図９に示す圧電体の電極に印加する電圧波形
を示す図。

【符号の説明】

１…ベース、３…円筒型圧電体、４…試料、５…プロー
ブ、２２…Ｚステージ、２２ａおねじ、２２ｂ…突起、
２３…コイルばね、２４ａ…めねじ、２８…ピン、２９
…試料台、２９ａ…切欠き、３０ａ〜３０ｄ…ワイヤ。
３１…電磁石。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が固定され、試料載置部に載置され
た試料を走査するための圧電体と、前記試料に対向して
配されたプローブと、前記試料とプローブとの距離を調
節するメカニカルアプローチ手段と、を有する走査型プ
ローブ顕微鏡において、前記メカニカルアプローチ手段が、前記圧電体と試料載
置部に載置される試料との間に配されていることを特徴
とする、走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記メカニカルアプローチ手段は、試料
載置部に設けられたねじ機構を有しており、このねじ機
構によって、試料載置部に載置された試料がプローブに
対して移動される、請求項１に記載の走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項３】前記メカニカルアプローチ手段は、前記
ねじ機構による試料載置部に載置された試料の回転を防
止するための回転止め手段を有する、請求項２に記載の
走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記メカニカルアプローチ手段は、圧電
体の衝撃的な駆動によって、試料載置部に載置された試
料と前記プローブとの距離を調整する調整機構を有す
る、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。