JPH09281120A - 微小位置決め機構及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡及び微小領域加工機 - Google Patents
微小位置決め機構及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡及び微小領域加工機Info
- Publication number
- JPH09281120A JPH09281120A JP9001709A JP170997A JPH09281120A JP H09281120 A JPH09281120 A JP H09281120A JP 9001709 A JP9001709 A JP 9001709A JP 170997 A JP170997 A JP 170997A JP H09281120 A JPH09281120 A JP H09281120A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- micro
- sample
- sample surface
- spring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/02—Coarse scanning or positioning
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/871—Scanning probe structure with environmental regulation means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/872—Positioner
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡便な構造で探針を破壊することなく試料に
位置決めする。 【解決手段】微小プローブを有し、このプローブを数mm
から数Åの距離に近接させ試料表面の形状およびさまざ
ま物理量（電位、磁気、摩擦、静電容量、等）を測定す
る走査プローブ顕微鏡および前記微小プローブを試料表
面に近接させ試料表面を加工する微小領域加工機におい
て、従来技術のZ 方向微動素子であるピエソ素子をばね
要素１０に置き換え、またZ 方向の粗動機構をパルスモ
ーターとねじ１７及てこ機構等から粘性体１３−１の入
ったハウジング１３−２とヒーター機構１４に置き換え
前記ばね要素１０と一体化した。
位置決めする。 【解決手段】微小プローブを有し、このプローブを数mm
から数Åの距離に近接させ試料表面の形状およびさまざ
ま物理量（電位、磁気、摩擦、静電容量、等）を測定す
る走査プローブ顕微鏡および前記微小プローブを試料表
面に近接させ試料表面を加工する微小領域加工機におい
て、従来技術のZ 方向微動素子であるピエソ素子をばね
要素１０に置き換え、またZ 方向の粗動機構をパルスモ
ーターとねじ１７及てこ機構等から粘性体１３−１の入
ったハウジング１３−２とヒーター機構１４に置き換え
前記ばね要素１０と一体化した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小プローブを有
し、このプローブを数mmから数Åの距離に近接させ試料
表面の形状およびさまざま物理量（電位、磁気、摩擦、
静電容量、等）を測定する走査プローブ顕微鏡および前
記微小プローブを試料表面に近接させ試料表面を加工す
る微小領域加工機おいて、センサーおよび加工針である
微小のプローブを破損することなしに、試料最表面まで
接近させる機構に関するものである。
し、このプローブを数mmから数Åの距離に近接させ試料
表面の形状およびさまざま物理量（電位、磁気、摩擦、
静電容量、等）を測定する走査プローブ顕微鏡および前
記微小プローブを試料表面に近接させ試料表面を加工す
る微小領域加工機おいて、センサーおよび加工針である
微小のプローブを破損することなしに、試料最表面まで
接近させる機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のＳＰＭは（構成を図２に示す）、
探針を試料面に数ｍｍの距離から接近させ試料表面と探
針間の距離をÅ程度の精度で制御する近接装置（Ｚ粗
動）と、試料の形状及さまざま物理量（電位、磁気、摩
擦、静電容量、等）を測定するために、試料表面の形状
に応じて探針と試料間の物理量（力）が一定になるよう
に探針と試料間の距離をÅ程度の精度制御する装置（Ｚ
微動）の二つの機構を必要とした。たとえばＺ粗動用と
して、パルスモーターと差動ねじ機構、パルスモーター
とねじ及てこ機構等がある。Ｚ微動の機構としては、一
般的には、ピエゾ素子が使われ印加電圧に応じた変位量
を発生している。従って従来のＳＰＭは、パルスモータ
と複雑で精密なねじ及変位縮小機構、ピエゾ素子および
ピエゾ素子駆動用の高圧電源が必要となり高価な構成と
なる。またピエゾ素子のＸＹＺの移動範囲（ダイナミッ
クレンジ）は、分解能とのトレードオフの関係にあり、
測定範囲に応じてピエゾ素子全体を交換している。また
ピエゾ素子の電極の印加電圧は数百〜千Ｖ と高電圧な
ため、ピエゾ素子の周辺をシールドしたり、装置の蓋を
開けると電圧を落とす保護回路が必要となる。特に溶液
中の試料の測定は、ピエゾ素子電極間の電流リークが問
題を起こしやすい。またピエゾ素子の印加電圧変位特性
は、ノンリニアーであり正確な変位（測定範囲全体で精
度３％以内）の測定には別の変位センサー（たとえばキ
ャパシタンス変位センサー、歪ゲージ等）が必要にな
る。
探針を試料面に数ｍｍの距離から接近させ試料表面と探
針間の距離をÅ程度の精度で制御する近接装置（Ｚ粗
動）と、試料の形状及さまざま物理量（電位、磁気、摩
擦、静電容量、等）を測定するために、試料表面の形状
に応じて探針と試料間の物理量（力）が一定になるよう
に探針と試料間の距離をÅ程度の精度制御する装置（Ｚ
微動）の二つの機構を必要とした。たとえばＺ粗動用と
して、パルスモーターと差動ねじ機構、パルスモーター
とねじ及てこ機構等がある。Ｚ微動の機構としては、一
般的には、ピエゾ素子が使われ印加電圧に応じた変位量
を発生している。従って従来のＳＰＭは、パルスモータ
と複雑で精密なねじ及変位縮小機構、ピエゾ素子および
ピエゾ素子駆動用の高圧電源が必要となり高価な構成と
なる。またピエゾ素子のＸＹＺの移動範囲（ダイナミッ
クレンジ）は、分解能とのトレードオフの関係にあり、
測定範囲に応じてピエゾ素子全体を交換している。また
ピエゾ素子の電極の印加電圧は数百〜千Ｖ と高電圧な
ため、ピエゾ素子の周辺をシールドしたり、装置の蓋を
開けると電圧を落とす保護回路が必要となる。特に溶液
中の試料の測定は、ピエゾ素子電極間の電流リークが問
題を起こしやすい。またピエゾ素子の印加電圧変位特性
は、ノンリニアーであり正確な変位（測定範囲全体で精
度３％以内）の測定には別の変位センサー（たとえばキ
ャパシタンス変位センサー、歪ゲージ等）が必要にな
る。
【０００３】一方試料の交換及試料と探針間の位置合わ
せ等の作業には、試料と探針間の距離が数mm以上あるの
が望ましい。従って短時間で探針を測定領域に入れるた
めには、試料表面と探針間の距離が離れている時は高速
で接近させ、両者の距離が近ずくと低速に切り替え試料
面最近傍まで接近させる。この高速から低速への切り替
え点の検出は、たとえば特開平６−７４７４５の特許に
あるように、試料と探針間に働く長距離力（カンチレバ
ーの振動振幅が空気抵抗により試料面に近ずくと減衰す
る）を検出して速度の切り替えを行っても良い。又特開
平３−４０３５５号にあるように光学顕微鏡を備えた装
置の場合対物レンズの焦点距離をもちいて計測し、速度
切り替え点を求めてもよい。しかしいずれのＺ粗動系
も、駆動系にモーターとネジあるいは、テコ等の縮小系
を採用しており、１ステップあたりの移動量を５nm程度
にしている。これでも最後の１ステップは、試料表面と
探針間の距離をÅ程度の精度で制御するには大きく、試
料と探針の接触を防ぐためには、試料台の下のピエゾ素
子を含めたＺサーボ系をアクティブにしておきＺ粗動駆
動系が停止するまでの数ｎｍの距離だけ試料台を動か
す。このときＺサーボ系の移動速度の方が、モーターの
１ステップの立ち上がりより早い必要がある。またＺ粗
動駆動系の終点検出は、カンチレバーの振動振幅の減衰
量または、そり量により行う。
せ等の作業には、試料と探針間の距離が数mm以上あるの
が望ましい。従って短時間で探針を測定領域に入れるた
めには、試料表面と探針間の距離が離れている時は高速
で接近させ、両者の距離が近ずくと低速に切り替え試料
面最近傍まで接近させる。この高速から低速への切り替
え点の検出は、たとえば特開平６−７４７４５の特許に
あるように、試料と探針間に働く長距離力（カンチレバ
ーの振動振幅が空気抵抗により試料面に近ずくと減衰す
る）を検出して速度の切り替えを行っても良い。又特開
平３−４０３５５号にあるように光学顕微鏡を備えた装
置の場合対物レンズの焦点距離をもちいて計測し、速度
切り替え点を求めてもよい。しかしいずれのＺ粗動系
も、駆動系にモーターとネジあるいは、テコ等の縮小系
を採用しており、１ステップあたりの移動量を５nm程度
にしている。これでも最後の１ステップは、試料表面と
探針間の距離をÅ程度の精度で制御するには大きく、試
料と探針の接触を防ぐためには、試料台の下のピエゾ素
子を含めたＺサーボ系をアクティブにしておきＺ粗動駆
動系が停止するまでの数ｎｍの距離だけ試料台を動か
す。このときＺサーボ系の移動速度の方が、モーターの
１ステップの立ち上がりより早い必要がある。またＺ粗
動駆動系の終点検出は、カンチレバーの振動振幅の減衰
量または、そり量により行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、走査プロー
ブ顕微鏡のＺ粗動Ｚ微動に関するものである。特にＺ駆
動機構を単純にしＺ粗動Ｚ微動を一つの駆動装置より構
成したものであり、従来の機構と比較し構成要素が減少
した。またＺ粗動は、送り量を無段階で調節でき、探針
を破壊することなしに試料表面と探針間の距離を数mmか
ら数Åの距離に接近させることが可能になり、Ｚ微動
は、切り替え機構によりダイナミックレンジを可変でき
るようになった。
ブ顕微鏡のＺ粗動Ｚ微動に関するものである。特にＺ駆
動機構を単純にしＺ粗動Ｚ微動を一つの駆動装置より構
成したものであり、従来の機構と比較し構成要素が減少
した。またＺ粗動は、送り量を無段階で調節でき、探針
を破壊することなしに試料表面と探針間の距離を数mmか
ら数Åの距離に接近させることが可能になり、Ｚ微動
は、切り替え機構によりダイナミックレンジを可変でき
るようになった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】図１に課題を解決するた
めのＺ粗動Ｚ微動系の一体化した構成図をしめす。Ｚ駆
動系は、力発生部（７）にボイスコイルモーター等の直
動力発生機構を使用し、Ｚ粗動部（６）は、粘性体の入
ったハウジングとヒーター機構を採用した。Ｚ微動部
（５）は、ばね要素を前記ボイスコイルモーター等の直
動力発生機構で駆動した。変位センサー（カンチレバ
ー）（２）と変位検出機構（１）及び以下は図に示され
ていないが、変位検出器コントローラーとＺ軸サーボ系
で閉ループを構成し、変位センサー（カンチレバー）と
試料間に働く物理量（力）が一定になるように駆動機
構、すなわちＺ微動部（５）のばね要素にかかる力の制
御をボイスコイルモーターに印化する電流で行った。
めのＺ粗動Ｚ微動系の一体化した構成図をしめす。Ｚ駆
動系は、力発生部（７）にボイスコイルモーター等の直
動力発生機構を使用し、Ｚ粗動部（６）は、粘性体の入
ったハウジングとヒーター機構を採用した。Ｚ微動部
（５）は、ばね要素を前記ボイスコイルモーター等の直
動力発生機構で駆動した。変位センサー（カンチレバ
ー）（２）と変位検出機構（１）及び以下は図に示され
ていないが、変位検出器コントローラーとＺ軸サーボ系
で閉ループを構成し、変位センサー（カンチレバー）と
試料間に働く物理量（力）が一定になるように駆動機
構、すなわちＺ微動部（５）のばね要素にかかる力の制
御をボイスコイルモーターに印化する電流で行った。
【０００６】
【発明の実施の形態】図３にＺ粗動系Ｚ微動系の一体化
した実施例の構成図をしめす。構成は、試料（３）の下
に、試料（３）をＸＹに走査する微動系（５）たとえば
ヒエゾスキャナーを用いた２次元スキャナーがある。こ
の２次元スキャナーは、変位センサー（カンチレバー）
（２）と変位検出機構（１）側に取り付けてもよい。カ
ンチレバーの端部にはプローブ（探針）２０が設けられ
ている。その下に試料台を上下するスピンドルの上部
（試料台固定部）（８−１）とスピンドル（８−２）と
スピンドルの下部（８−３）が構成され、スピンドルの
下部（８−３）にはコイル（８−４）が巻かれており、
磁石（１６）とともにスピーカー等で使われているボイ
スコイルモーターを形成している。スピンドル（８）
は、軸受け（１２）によりベース部（１５）に固定され
ている。コイル（８−４）には、図には示してないが定
電流源が取り付けられており、コイル電流コントローラ
ーにより制御される。従ってコイルに流れる電流に比例
した力がスピンドルの下部（８−３ ）に発生し、この
電流が変位（試料の凹凸）として読み込まれる。スピン
ドルの下部（８−３）には、位置調節ねじ（１７）が接
触しており、これによりＺ粗動の移動範囲を規定してい
る。スピンドルの上部（８−１）と中筒（１１）の間に
は、ばね要素（１０）が固定されており、ばねクランプ
（９）によりばねの長さが変えられる。これによりばね
要素（１０）のばね定数を可変している。図３はコイル
状のばねの場合を示したが、図４は同様な構成を十字型
の板ばねで構成したもので、スピンドルの上部（４０
８）十字型の板ばね（４１０）ばねクランプ（４０９）
をそれぞれ示す。ここでは板ばね（４１０）をクランプ
することにより長さを変え、ばね定数を可変している。
図３に戻り中筒（１１）は、ベース部（１５）に粘性体
ハウジング（１３−２）の中に充填された粘性体（１３
−１）（たとえばエチレングリコール等のポリマー類）
により、連結されている。粘性体ハウジング（１３−
２）の外部には、ヒーター（１４）が配される。図には
示してないがヒーター（１４）は、温度コントローラー
に接続されている。試料（３）の上には、カンチレバー
（２）とカンチレバーの変位検出器（１）及図には示し
てないが変位信号コントローラーにより、レバーの変位
を検出している。
した実施例の構成図をしめす。構成は、試料（３）の下
に、試料（３）をＸＹに走査する微動系（５）たとえば
ヒエゾスキャナーを用いた２次元スキャナーがある。こ
の２次元スキャナーは、変位センサー（カンチレバー）
（２）と変位検出機構（１）側に取り付けてもよい。カ
ンチレバーの端部にはプローブ（探針）２０が設けられ
ている。その下に試料台を上下するスピンドルの上部
（試料台固定部）（８−１）とスピンドル（８−２）と
スピンドルの下部（８−３）が構成され、スピンドルの
下部（８−３）にはコイル（８−４）が巻かれており、
磁石（１６）とともにスピーカー等で使われているボイ
スコイルモーターを形成している。スピンドル（８）
は、軸受け（１２）によりベース部（１５）に固定され
ている。コイル（８−４）には、図には示してないが定
電流源が取り付けられており、コイル電流コントローラ
ーにより制御される。従ってコイルに流れる電流に比例
した力がスピンドルの下部（８−３ ）に発生し、この
電流が変位（試料の凹凸）として読み込まれる。スピン
ドルの下部（８−３）には、位置調節ねじ（１７）が接
触しており、これによりＺ粗動の移動範囲を規定してい
る。スピンドルの上部（８−１）と中筒（１１）の間に
は、ばね要素（１０）が固定されており、ばねクランプ
（９）によりばねの長さが変えられる。これによりばね
要素（１０）のばね定数を可変している。図３はコイル
状のばねの場合を示したが、図４は同様な構成を十字型
の板ばねで構成したもので、スピンドルの上部（４０
８）十字型の板ばね（４１０）ばねクランプ（４０９）
をそれぞれ示す。ここでは板ばね（４１０）をクランプ
することにより長さを変え、ばね定数を可変している。
図３に戻り中筒（１１）は、ベース部（１５）に粘性体
ハウジング（１３−２）の中に充填された粘性体（１３
−１）（たとえばエチレングリコール等のポリマー類）
により、連結されている。粘性体ハウジング（１３−
２）の外部には、ヒーター（１４）が配される。図には
示してないがヒーター（１４）は、温度コントローラー
に接続されている。試料（３）の上には、カンチレバー
（２）とカンチレバーの変位検出器（１）及図には示し
てないが変位信号コントローラーにより、レバーの変位
を検出している。
【０００７】次にＺ粗動Ｚ微動の一体化した系の動作を
示す。まずＺ粗動動作を説明する。最初に試料表面と探
針間の距離が離れている時、温度コントローラーをオン
しヒーター（１４）を加熱し粘性体の粘度を下げる。た
とえばポリマー等の場合は、融点あるいはガラス転移点
の少し上の温度にセットする。次に位置調節ねじ（１
７）により目視等で試料（３）とカンチレバー（２）の
距離を調整しＺ粗動移動範囲を規定する。次に定電流源
より電流Ｉをコイル（８−４）に流す。永久磁石（１
６）の磁界と電流Ｉ により、スピンドル（８）を上げ
る方向に力Ｆ０が発生する。この力Ｆ０は、ばね要素
（１０）介して中筒（１１）も押し上げる。このとき粘
性体の粘度は下がっているため、中筒（１１）は容易に
移動する。移動の速度はコイル（８−４）に流す電流Ｉ
の大きさを変えることで無段階に調節できる。またＺ粗
動駆動系の終点検出（コイル（８−４）に流す電流を零
にする。）は、従来法に示したカンチレバーの振動振幅
の減衰量またはそり量が設定値を超えた時行う。だだし
温度コントローラーのオフは終点検出時か、望ましく
は、余熱が残るため、従来法に示した移動速度切り替え
時にオフにする。ヒーター（１４）の加熱がなくなると
粘性体の粘度は上がる。特に上記ポリマー等の場合は、
融点あるいはガラス転移点の温度を下回ると固化が始ま
り中筒（１１）は、ベース部（１２）に強固に固定され
る。
示す。まずＺ粗動動作を説明する。最初に試料表面と探
針間の距離が離れている時、温度コントローラーをオン
しヒーター（１４）を加熱し粘性体の粘度を下げる。た
とえばポリマー等の場合は、融点あるいはガラス転移点
の少し上の温度にセットする。次に位置調節ねじ（１
７）により目視等で試料（３）とカンチレバー（２）の
距離を調整しＺ粗動移動範囲を規定する。次に定電流源
より電流Ｉをコイル（８−４）に流す。永久磁石（１
６）の磁界と電流Ｉ により、スピンドル（８）を上げ
る方向に力Ｆ０が発生する。この力Ｆ０は、ばね要素
（１０）介して中筒（１１）も押し上げる。このとき粘
性体の粘度は下がっているため、中筒（１１）は容易に
移動する。移動の速度はコイル（８−４）に流す電流Ｉ
の大きさを変えることで無段階に調節できる。またＺ粗
動駆動系の終点検出（コイル（８−４）に流す電流を零
にする。）は、従来法に示したカンチレバーの振動振幅
の減衰量またはそり量が設定値を超えた時行う。だだし
温度コントローラーのオフは終点検出時か、望ましく
は、余熱が残るため、従来法に示した移動速度切り替え
時にオフにする。ヒーター（１４）の加熱がなくなると
粘性体の粘度は上がる。特に上記ポリマー等の場合は、
融点あるいはガラス転移点の温度を下回ると固化が始ま
り中筒（１１）は、ベース部（１２）に強固に固定され
る。
【０００８】次にＺ微動を説明する。中筒（１１）は、
ベース部（１２）に固定されたため、スピンドル（８）
は、力Ｆ１により変位Ｘ１＝（Ｆ１−ｍ１ｇ）／Ｋだけ
試料台を移動できる。ここでｍ１は、スピンドル（８）
と試料（３）と走査する微動系（５）と試料台（４）と
ばね要素（１０）の質量の和であり、ｇは重力の加速度
であり、Ｋはばね要素（１０）のばね定数である。従っ
て、変位センサー（カンチレバー）と試料間に働く物理
量（力）が一定になるように試料（３）の凹凸に合わせ
て試料台（４）が変位するように、Ｚ 微動部のばね要
素（１０）にかかる力（Ｆ１）すなわちボイスコイルモ
ーターに印化する電流を制御すればよい。この電流が試
料（３）の凹凸形状を示す。また上式にあるようにばね
要素（１０）の弾性限界内では、変位と力はリニアの関
係にある。例として１０Ｎの力で１０6Ｎ／ｍのばねを
使用した場合変位は約１０μｍであり、１Ｎの力で同じ
ばねを使用した場合変位は約１μｍである。また今質量
ｍ１を１０ｇとするとＺ微動系の共振周波数は約６３Ｋ
Ｈｚとなり、十分なＺ方向の応答速度が得られる。
ベース部（１２）に固定されたため、スピンドル（８）
は、力Ｆ１により変位Ｘ１＝（Ｆ１−ｍ１ｇ）／Ｋだけ
試料台を移動できる。ここでｍ１は、スピンドル（８）
と試料（３）と走査する微動系（５）と試料台（４）と
ばね要素（１０）の質量の和であり、ｇは重力の加速度
であり、Ｋはばね要素（１０）のばね定数である。従っ
て、変位センサー（カンチレバー）と試料間に働く物理
量（力）が一定になるように試料（３）の凹凸に合わせ
て試料台（４）が変位するように、Ｚ 微動部のばね要
素（１０）にかかる力（Ｆ１）すなわちボイスコイルモ
ーターに印化する電流を制御すればよい。この電流が試
料（３）の凹凸形状を示す。また上式にあるようにばね
要素（１０）の弾性限界内では、変位と力はリニアの関
係にある。例として１０Ｎの力で１０6Ｎ／ｍのばねを
使用した場合変位は約１０μｍであり、１Ｎの力で同じ
ばねを使用した場合変位は約１μｍである。また今質量
ｍ１を１０ｇとするとＺ微動系の共振周波数は約６３Ｋ
Ｈｚとなり、十分なＺ方向の応答速度が得られる。
【０００９】次にＺ方向の移動距離（ダイナミックレン
ジ）を可変にするばねクランプについて説明する。今図
５のようにコイル状のばねＳ１のばね定数２Ｋを２本直
列につなぐと、つないだばねのばね定数はＫとなる。従
ってばねの中点でクランプするとばね定数は２倍とな
る。このようにクランプする位置を変えると、スピンド
ルの上部（８−１）と中筒（１１）の間に固定されてい
るばね要素（１０）のばね定数Ｋがを可変され、変位は
式Ｘ１＝（Ｆ１−ｍ１ｇ）／Ｋにより可変される。今ば
ね定数が２Ｋになると、Ｚ方向のダイナミックレンジは
１／２になるが、変位当たりの力すなわちボイスコイル
に流れる電流は２倍になり、変位の読み取り分解能が向
上する。また図４に示される十字型の板ばねの場合ばね
定数は、Ｋ＝ＷｄＥｚＴ3／Ｌ3 となる。ここでＥｚは
Ｚ方向のヤング率、Ｗｄは板ばねの幅Ｔは厚さ、Ｌはス
ピンドルの上部（８−１）と中筒（１１）間の板ばねの
長さである。従ってＬを可変するとばね定数Ｋを可変で
きる。たとえば図４のばねクランプ（４０９）により元
の長さの０．８にすると、ばね定数は約２倍となる。図
６にクランプ機構の詳細図を示す。ばね（１０）は、試
料台固定部（８−１）より１２０度等配に３本吊されて
いる。ばねの中点のクランプ（９−２）はクランプを確
実に行うために凹または凸の溝があり、このクランプの
背面をソレノイドつきばねクランプ（９−１）を伸縮し
中筒（凹または凸の溝がある）に押し付けてばねを固定
したり解除したりする。このように外部からの信号でば
ね定数を可変できＺ方向のダイナミックレンジおよび読
み取り分解能を可変できる。
ジ）を可変にするばねクランプについて説明する。今図
５のようにコイル状のばねＳ１のばね定数２Ｋを２本直
列につなぐと、つないだばねのばね定数はＫとなる。従
ってばねの中点でクランプするとばね定数は２倍とな
る。このようにクランプする位置を変えると、スピンド
ルの上部（８−１）と中筒（１１）の間に固定されてい
るばね要素（１０）のばね定数Ｋがを可変され、変位は
式Ｘ１＝（Ｆ１−ｍ１ｇ）／Ｋにより可変される。今ば
ね定数が２Ｋになると、Ｚ方向のダイナミックレンジは
１／２になるが、変位当たりの力すなわちボイスコイル
に流れる電流は２倍になり、変位の読み取り分解能が向
上する。また図４に示される十字型の板ばねの場合ばね
定数は、Ｋ＝ＷｄＥｚＴ3／Ｌ3 となる。ここでＥｚは
Ｚ方向のヤング率、Ｗｄは板ばねの幅Ｔは厚さ、Ｌはス
ピンドルの上部（８−１）と中筒（１１）間の板ばねの
長さである。従ってＬを可変するとばね定数Ｋを可変で
きる。たとえば図４のばねクランプ（４０９）により元
の長さの０．８にすると、ばね定数は約２倍となる。図
６にクランプ機構の詳細図を示す。ばね（１０）は、試
料台固定部（８−１）より１２０度等配に３本吊されて
いる。ばねの中点のクランプ（９−２）はクランプを確
実に行うために凹または凸の溝があり、このクランプの
背面をソレノイドつきばねクランプ（９−１）を伸縮し
中筒（凹または凸の溝がある）に押し付けてばねを固定
したり解除したりする。このように外部からの信号でば
ね定数を可変できＺ方向のダイナミックレンジおよび読
み取り分解能を可変できる。
【００１０】測定終了後再び温度コントローラーをオン
しヒーター（１４）を加熱し粘性体の粘度を下げる。次
に定電流源より電流Ｉをコイル（８−４）に前回と逆方
向に流し試料台を下げる。位置調節ねじ（１７）にスピ
ンドル（８）が接触した後温度コントローラーをオフす
る。
しヒーター（１４）を加熱し粘性体の粘度を下げる。次
に定電流源より電流Ｉをコイル（８−４）に前回と逆方
向に流し試料台を下げる。位置調節ねじ（１７）にスピ
ンドル（８）が接触した後温度コントローラーをオフす
る。
【００１１】
【発明の効果】本発明は、従来技術のＺ方向微動素子で
あるピエソ素子をばね要素に置き換えまたＺ方向の粗動
機構をパルスモーターとねじ及てこ機構等から粘性体の
入ったハウジングとヒーター機構に置き換え前記ばね要
素と一体化した。これにより以下に示すような効果が得
られた。 １）Ｚ駆動機構を単純にしＺ 粗動Ｚ 微動を一つの駆
動装置より構成し、従来の機構と比較し構成要素が減少
した。 ２）Ｚ粗動は、送り量を無段階で調節でき、探針を破壊
することなしに試料表面と探針間の距離を数ｍｍから数
Åの距離に接近させることが可能になった。 ３）Ｚ微動は、ばね定数切り替え機構によりダイナミッ
クレンジを可変できるようになった。従来のようなピエ
ソ素子の交換は、不要になった。 ４）ピエゾ素子のように電極に数百〜千Ｖと高電圧が不
要なため、周辺をシールドしたり、装置の蓋を開けると
電圧を落とす保護回路が不要となり安全性が向上した。
また溶液中の試料の測定などでは、ピエゾ素子電極間の
電流リークが問題となったが、高電圧が不要なため前記
問題が生じず装置の信頼性が向上した。 ５）ピエゾ素子の印加電圧変位特性は、ノンリニアーで
あり正確な（測定範囲全体で精度３％以内）測定には別
の変位センサー（たとえばキャパシタンス変位センサ
ー、歪ゲージ等）が必要になるが、ばね要素を弾性限界
内で用いると印加電流変位特性リニアーであり正確な測
定が別の変位センサーなしで可能になった。
あるピエソ素子をばね要素に置き換えまたＺ方向の粗動
機構をパルスモーターとねじ及てこ機構等から粘性体の
入ったハウジングとヒーター機構に置き換え前記ばね要
素と一体化した。これにより以下に示すような効果が得
られた。 １）Ｚ駆動機構を単純にしＺ 粗動Ｚ 微動を一つの駆
動装置より構成し、従来の機構と比較し構成要素が減少
した。 ２）Ｚ粗動は、送り量を無段階で調節でき、探針を破壊
することなしに試料表面と探針間の距離を数ｍｍから数
Åの距離に接近させることが可能になった。 ３）Ｚ微動は、ばね定数切り替え機構によりダイナミッ
クレンジを可変できるようになった。従来のようなピエ
ソ素子の交換は、不要になった。 ４）ピエゾ素子のように電極に数百〜千Ｖと高電圧が不
要なため、周辺をシールドしたり、装置の蓋を開けると
電圧を落とす保護回路が不要となり安全性が向上した。
また溶液中の試料の測定などでは、ピエゾ素子電極間の
電流リークが問題となったが、高電圧が不要なため前記
問題が生じず装置の信頼性が向上した。 ５）ピエゾ素子の印加電圧変位特性は、ノンリニアーで
あり正確な（測定範囲全体で精度３％以内）測定には別
の変位センサー（たとえばキャパシタンス変位センサ
ー、歪ゲージ等）が必要になるが、ばね要素を弾性限界
内で用いると印加電流変位特性リニアーであり正確な測
定が別の変位センサーなしで可能になった。
【図１】走査プローブ顕微鏡のＺ粗動Ｚ微動の概略構成
図である。
図である。
【図２】従来の走査プローブ顕微鏡のＺ粗動Ｚ微動系の
概略構成図である。
概略構成図である。
【図３】走査プローブ顕微鏡のＺ粗動Ｚ微動の詳細構成
図である。
図である。
【図４】ばね要素クランプ機構図である。
【図５】ばね要素クランプ機構模式図である。
【図６】ばね要素クランプ機構詳細構成図である。
１ 変位検出系 ２ カンチレバー ３ 試料 ４ 試料台 ５ 微動機構（バネ要素） ６ 粗動機構（粘性体とヒーター） ７ 力（並進力）発生機構（ボイスコイルモーター）
Claims (8)
- 【請求項１】 微小プローブを有し、このプローブを数
mmから数Åの距離に近接させ試料表面の形状およびさま
ざま物理量を測定する走査プローブ顕微鏡および前記微
小プローブを試料表面に近接させ試料表面を加工する微
小領域加工機において、電磁的な直動の力発生機構を有
し、この力伝達部にＺ方向の微動用のばね要素と、Ｚ方
向の粗動用に粘性体の入ったハウジングとヒーター機構
を有することを特徴とする微小位置決め機構。 - 【請求項２】 前記ばね要素にばね定数を可変できるク
ランプ機構を有し、Ｚ 方向微動距離の移動範囲を可変
できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の微
小位置決め機構。 - 【請求項３】 前記ばねクランプ機構は、クランプを確
実に行うためにクランプ部に溝構造を有し、外部からの
信号によりクランプの脱着が可能となるような固定機構
を有することを特徴とする請求項２に記載の微小位置決
め機構。 - 【請求項４】 前記ハウジングに充填される粘性体はエ
チレングリコール等のポリマー類であることを特徴とす
る請求項１に記載の微小位置決め機構。 - 【請求項５】 前記ハウジング外部に温度可変機構を付
加し粘性体の粘性を可変または、特定の粘度に安定化さ
せることを特徴とする請求項１記載の微小位置決め機
構。 - 【請求項６】 Ｚ 粗動の移動範囲を限定したり、移動
範囲を目視等で前もって規定するための調節機構を有す
る請求項１に記載の微小位置決め機構。 - 【請求項７】 前記プローブを数ｍｍから数Åの距離に
近接させ試料表面の形状及びその他の物理量を測定する
ことを特徴とする請求項１から６記載の微小位置決め機
構を用いた走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項８】 前記プローブを試料表面に近接させ試料
表面を加工することを特徴とする請求項１から６記載の
微小位置決め機構を用いた微小領域加工機。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00170997A JP3390318B2 (ja) | 1996-02-13 | 1997-01-08 | 微小位置決め機構及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡及び微小領域加工機 |
| US08/800,074 US5945671A (en) | 1996-02-13 | 1997-02-12 | Scanning probe microscope and micro-area processing machine both having micro-positioning mechanism |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8-25301 | 1996-02-13 | ||
| JP2530196 | 1996-02-13 | ||
| JP00170997A JP3390318B2 (ja) | 1996-02-13 | 1997-01-08 | 微小位置決め機構及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡及び微小領域加工機 |
| US08/800,074 US5945671A (en) | 1996-02-13 | 1997-02-12 | Scanning probe microscope and micro-area processing machine both having micro-positioning mechanism |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281120A true JPH09281120A (ja) | 1997-10-31 |
| JP3390318B2 JP3390318B2 (ja) | 2003-03-24 |
Family
ID=27275035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00170997A Expired - Lifetime JP3390318B2 (ja) | 1996-02-13 | 1997-01-08 | 微小位置決め機構及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡及び微小領域加工機 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5945671A (ja) |
| JP (1) | JP3390318B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113686732A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 清华大学 | 平台液滴探针及制备方法、液滴摩擦力和法向力检测方法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3506867B2 (ja) | 1997-02-07 | 2004-03-15 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | プローブ走査装置 |
| JP2006118867A (ja) * | 2004-10-19 | 2006-05-11 | Hitachi Kenki Fine Tech Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 |
| US7665349B2 (en) * | 2005-04-12 | 2010-02-23 | Veeco Instruments Inc. | Method and apparatus for rapid automatic engagement of a probe |
| RU2515731C2 (ru) * | 2010-07-01 | 2014-05-20 | Закрытое акционерное общество "Нанотех-Актив" | Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1950327B2 (de) * | 1969-09-30 | 1972-07-06 | Siemens AG, 1000 Berlin u. 8000 München | Korpuskularstrahlgeraet mit magnetischen mitteln zur querverstellung von teilen |
| JPS60116506U (ja) * | 1984-01-18 | 1985-08-07 | 日本精工株式会社 | テ−ブルの超精密位置決め機構 |
| US4947042A (en) * | 1988-12-13 | 1990-08-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Tunnel unit and scanning head for scanning tunneling microscope |
| US5103174A (en) * | 1990-02-26 | 1992-04-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Magnetic field sensor and device for determining the magnetostriction of a material based on a tunneling tip detector and methods of using same |
| WO1996007074A1 (en) | 1994-08-27 | 1996-03-07 | International Business Machines Corporation | Fine positioning apparatus with atomic resolution |
| JP2883952B2 (ja) | 1995-10-16 | 1999-04-19 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 微小プローブ接近装置 |
-
1997
- 1997-01-08 JP JP00170997A patent/JP3390318B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1997-02-12 US US08/800,074 patent/US5945671A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113686732A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 清华大学 | 平台液滴探针及制备方法、液滴摩擦力和法向力检测方法 |
| CN113686732B (zh) * | 2021-07-27 | 2022-04-22 | 清华大学 | 平台液滴探针及制备方法、液滴摩擦力和法向力检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3390318B2 (ja) | 2003-03-24 |
| US5945671A (en) | 1999-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6323483B1 (en) | High bandwidth recoiless microactuator | |
| EP0783662B1 (en) | Fine positioning apparatus with atomic resolution | |
| US5296704A (en) | Scanning tunneling microscope | |
| JP2580244B2 (ja) | 原子間力を検出するための機構、撓みを検出する方法 | |
| US5220555A (en) | Scanning tunnel-current-detecting device and method for detecting tunnel current and scanning tunnelling microscope and recording/reproducing device using thereof | |
| US5371728A (en) | Information recording/reproducing apparatus using probe | |
| JP3390318B2 (ja) | 微小位置決め機構及びそれを用いた走査型プローブ顕微鏡及び微小領域加工機 | |
| US6078044A (en) | Probe scanning apparatus | |
| JP2883952B2 (ja) | 微小プローブ接近装置 | |
| KR100971467B1 (ko) | 탐침의 강도를 가변하는 장치와 이를 이용한 전기기계장치 | |
| JP3602434B2 (ja) | 高精度移動機構 | |
| JPH07243846A (ja) | 変位測定プローブ | |
| JP3128512B2 (ja) | プローブ走査装置 | |
| EP1436636B1 (en) | Method and apparatus for sub-micron imaging and probing on probe station | |
| JPH06147886A (ja) | 表面形状計測装置 | |
| JP3106239B2 (ja) | プローブ走査装置 | |
| JPH09264897A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| EP0350144A2 (en) | Height adjusting device for a pick-up | |
| US6734426B2 (en) | Probe scanning device | |
| JP2004069445A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| JPH0387637A (ja) | 表面特性測定装置 | |
| JPH03146801A (ja) | ピエゾ駆動型探針ユニット粗動機構 | |
| JPH0989550A (ja) | 高精度表面形状測定方法及び装置 | |
| JP3512259B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| JPH08263885A (ja) | 情報処理装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090117 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100117 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110117 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110117 Year of fee payment: 8 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D03 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110117 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120117 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130117 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140117 Year of fee payment: 11 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140117 Year of fee payment: 11 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |