JPH10142237A - プローブ顕微鏡の探針走査装置 - Google Patents
プローブ顕微鏡の探針走査装置Info
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- JPH10142237A JPH10142237A JP8302026A JP30202696A JPH10142237A JP H10142237 A JPH10142237 A JP H10142237A JP 8302026 A JP8302026 A JP 8302026A JP 30202696 A JP30202696 A JP 30202696A JP H10142237 A JPH10142237 A JP H10142237A
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- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 147
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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- 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]
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- G01Q70/02—Probe holders
- G01Q70/04—Probe holders with compensation for temperature or vibration induced errors
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 探針走査装置の共振周波数ｆ0 を高くするこ
とができ、かつ探針を高速走査することのできるプロー
ブ顕微鏡の探針走査装置を提供することにある。 【解決手段】 第１のボイスコイルモータによってｚ方
向の力を受けるスピンドル８の試料側端部に、ばね４１
が結合され、その先端に探針４５が取り付けられてい
る。スピンドル８はばね１１によって中筒１３に支持さ
れている。スピンドル８の動きは、ばね４１により拡大
されて探針４５に伝わり、該探針４５の変位は増幅され
る。このため、前記第１のボイスコイルモータの可動
子、スピンドル８、ばね１１、ばね４１および探針４５
からなる系の共振周波数ｆ0 を増大することができる。
前記のばね４１を２段のばねにすると、比較的コンパク
トな構成で、前記系の共振周波数ｆ0 を増大することが
できるようになる。
とができ、かつ探針を高速走査することのできるプロー
ブ顕微鏡の探針走査装置を提供することにある。 【解決手段】 第１のボイスコイルモータによってｚ方
向の力を受けるスピンドル８の試料側端部に、ばね４１
が結合され、その先端に探針４５が取り付けられてい
る。スピンドル８はばね１１によって中筒１３に支持さ
れている。スピンドル８の動きは、ばね４１により拡大
されて探針４５に伝わり、該探針４５の変位は増幅され
る。このため、前記第１のボイスコイルモータの可動
子、スピンドル８、ばね１１、ばね４１および探針４５
からなる系の共振周波数ｆ0 を増大することができる。
前記のばね４１を２段のばねにすると、比較的コンパク
トな構成で、前記系の共振周波数ｆ0 を増大することが
できるようになる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はプローブ顕微鏡の
探針走査装置に関し、特に探針走査機構の共振周波数を
高くできるようしたプローブ顕微鏡の探針走査装置に関
する。
探針走査装置に関し、特に探針走査機構の共振周波数を
高くできるようしたプローブ顕微鏡の探針走査装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来の走査型プローブ顕微鏡の探針走査
装置の一例として、ピエゾスキャナを用いたものがあ
る。このピエゾスキャナは、ピエゾ素子の電極への印加
電圧とその変位量との関係（印加電圧変位特性）が非線
形（ノンリニアリティ）であり、また該変位量を大きく
取れないという問題があった。また、数百ボルト〜千ボ
ルト程度の高電圧を前記電極に印加することが必要であ
り、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り、その取扱いが難しいとい
う問題があった。
装置の一例として、ピエゾスキャナを用いたものがあ
る。このピエゾスキャナは、ピエゾ素子の電極への印加
電圧とその変位量との関係（印加電圧変位特性）が非線
形（ノンリニアリティ）であり、また該変位量を大きく
取れないという問題があった。また、数百ボルト〜千ボ
ルト程度の高電圧を前記電極に印加することが必要であ
り、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り、その取扱いが難しいとい
う問題があった。
【０００３】そこで、本出願人は、ｚ方向粗動機構であ
るパルスモータおよびねじ等を粘性体の入ったハウジン
グとヒータ機構とボイスコイル機構とに置き換え、ｚ方
向微動素子であるピエゾ素子をばね要素に置き換えた試
料位置決め装置を開発し、特許出願した（特願平８−２
５２０１号）。
るパルスモータおよびねじ等を粘性体の入ったハウジン
グとヒータ機構とボイスコイル機構とに置き換え、ｚ方
向微動素子であるピエゾ素子をばね要素に置き換えた試
料位置決め装置を開発し、特許出願した（特願平８−２
５２０１号）。
【０００４】この試料位置決め装置によれば、前記ピエ
ゾスキャナが有していた前記問題点を全て解消すること
ができるが、ｚ方向粗動機構とｚ方向微動機構とを一体
化した装置を提供するだけであり、これらの機構にｘ，
ｙ走査機構を一体化するという配慮がなされていなかっ
た。また、該試料位置決め装置はサンプルスキャンに使
用されるものであり、プローブスキャンに使用すること
に対して配慮がなされていなかった。
ゾスキャナが有していた前記問題点を全て解消すること
ができるが、ｚ方向粗動機構とｚ方向微動機構とを一体
化した装置を提供するだけであり、これらの機構にｘ，
ｙ走査機構を一体化するという配慮がなされていなかっ
た。また、該試料位置決め装置はサンプルスキャンに使
用されるものであり、プローブスキャンに使用すること
に対して配慮がなされていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本出願人は、
図９に示されているようなプローブ走査装置を開発して
特許出願した（特願平８−１１８０１５号）。このプロ
ーブ走査装置は図から明らかなように、筐体１の上内部
に、心棒部３を有する磁石２と、その周囲にコイル６が
巻回されている可動子４と、メンブレン５からなる第１
のボイスコイルモータが取り付けられている。また、該
可動子４には、ｚ方向に延びるスピンドル８が固着され
ている。このスピンドル８の下側端部には変位検出器９
が装着され、さらに該変位検出器９にカンチレバーおよ
び探針（チップ）１０が装着されている。
図９に示されているようなプローブ走査装置を開発して
特許出願した（特願平８−１１８０１５号）。このプロ
ーブ走査装置は図から明らかなように、筐体１の上内部
に、心棒部３を有する磁石２と、その周囲にコイル６が
巻回されている可動子４と、メンブレン５からなる第１
のボイスコイルモータが取り付けられている。また、該
可動子４には、ｚ方向に延びるスピンドル８が固着され
ている。このスピンドル８の下側端部には変位検出器９
が装着され、さらに該変位検出器９にカンチレバーおよ
び探針（チップ）１０が装着されている。
【０００６】一方、筐体１は試料室に突出する細管部１
４とこれに連なる太管部１５とを有し、太管部１５の内
側に粘性体１７を介して中筒１３が支持されている。そ
して、スピンドル８は該中筒に保持されている第１、第
２のばね１１、１２により、弾性的に支持されている。
加熱コイル１６は、探針１０のｚ粗動時に粘性体１７を
軟化させるために通電される。
４とこれに連なる太管部１５とを有し、太管部１５の内
側に粘性体１７を介して中筒１３が支持されている。そ
して、スピンドル８は該中筒に保持されている第１、第
２のばね１１、１２により、弾性的に支持されている。
加熱コイル１６は、探針１０のｚ粗動時に粘性体１７を
軟化させるために通電される。
【０００７】また、該筐体１の横内部に、心棒部２２を
有する磁石２１と、その周囲にコイル２５が巻回されて
いる可動子２３と、メンブレン２４からなる第２のボイ
スコイルモータが取り付けられている。該可動子２３に
は、ｘ方向に延びるスピンドル２７が取り付けられ、該
スピンドル２７の解放端は前記太管部１５の一部１５ａ
に細線２６を介して固着されている。また、図示されて
いないが、該第２のボイスコイルモータと９０°異なる
方向に、第３のボイスコイルモータが取り付けられてお
り、前記と同様に、図示されていない細線とスピンドル
が第３のボイスコイルモータの可動子と前記太管部１５
との間を接続している。そして、前記第２および第３の
ボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１
０はｘｙ方向に走査される。
有する磁石２１と、その周囲にコイル２５が巻回されて
いる可動子２３と、メンブレン２４からなる第２のボイ
スコイルモータが取り付けられている。該可動子２３に
は、ｘ方向に延びるスピンドル２７が取り付けられ、該
スピンドル２７の解放端は前記太管部１５の一部１５ａ
に細線２６を介して固着されている。また、図示されて
いないが、該第２のボイスコイルモータと９０°異なる
方向に、第３のボイスコイルモータが取り付けられてお
り、前記と同様に、図示されていない細線とスピンドル
が第３のボイスコイルモータの可動子と前記太管部１５
との間を接続している。そして、前記第２および第３の
ボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１
０はｘｙ方向に走査される。
【０００８】前記探針１０と対向する位置には試料台３
１が設けられ、該試料台３１上に検査すべき試料３２が
載置されている。また、該試料台３１は粗動ｘ，ｙ，ｚ
ステージ３３上に設置されている。さて、上記のような
構成の探針走査装置では、前記第１のボイスコイルモー
タ、スピンドル８、変位検出器９および探針１０からな
るｚ方向微動機構の共振周波数ｆ0 を高くすることがで
きない。一般に、プローブ顕微鏡の探針走査装置は、試
料の観測時に、該ｚ方向の走査周波数がｚ方向微動機構
の共振周波数ｆ0 の１／５または１／１０以下の範囲で
しか使用することができないことが知られている。した
がって、図９の探針走査装置ではｚ方向微動機構の共振
周波数ｆ0 を高くすることができないため、探針を高速
走査して試料を観察することができないという問題があ
った。
１が設けられ、該試料台３１上に検査すべき試料３２が
載置されている。また、該試料台３１は粗動ｘ，ｙ，ｚ
ステージ３３上に設置されている。さて、上記のような
構成の探針走査装置では、前記第１のボイスコイルモー
タ、スピンドル８、変位検出器９および探針１０からな
るｚ方向微動機構の共振周波数ｆ0 を高くすることがで
きない。一般に、プローブ顕微鏡の探針走査装置は、試
料の観測時に、該ｚ方向の走査周波数がｚ方向微動機構
の共振周波数ｆ0 の１／５または１／１０以下の範囲で
しか使用することができないことが知られている。した
がって、図９の探針走査装置ではｚ方向微動機構の共振
周波数ｆ0 を高くすることができないため、探針を高速
走査して試料を観察することができないという問題があ
った。
【０００９】この発明の目的は、前記した従来技術の問
題点を除去し、探針走査装置の共振周波数ｆ0 を高くす
ることのできるプローブ顕微鏡の探針走査装置を提供す
ることにある。また、他の目的は、探針を高速走査する
ことのできるプローブ顕微鏡の探針走査装置を提供する
ことにある。
題点を除去し、探針走査装置の共振周波数ｆ0 を高くす
ることのできるプローブ顕微鏡の探針走査装置を提供す
ることにある。また、他の目的は、探針を高速走査する
ことのできるプローブ顕微鏡の探針走査装置を提供する
ことにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明は、試料表面の形状あるいは物理量を計
測するために試料の表面に近接または接触させて使用さ
れるプローブ顕微鏡の探針走査装置において、弾性部材
に支持され、少なくとも前記試料表面に垂直な方向であ
るｚ方向に駆動されるスピンドルと、該スピンドルの前
記試料表面側の端部に、前記スピンドルの動きにより変
位を拡大する変位拡大部材を介して支持された探針部材
とを具備した点に特徴がある。
ために、本発明は、試料表面の形状あるいは物理量を計
測するために試料の表面に近接または接触させて使用さ
れるプローブ顕微鏡の探針走査装置において、弾性部材
に支持され、少なくとも前記試料表面に垂直な方向であ
るｚ方向に駆動されるスピンドルと、該スピンドルの前
記試料表面側の端部に、前記スピンドルの動きにより変
位を拡大する変位拡大部材を介して支持された探針部材
とを具備した点に特徴がある。
【００１１】この発明によれば、探針部材が前記変位拡
大部材を介して支持されているので、該探針走査装置の
共振周波数を高くすることができる。
大部材を介して支持されているので、該探針走査装置の
共振周波数を高くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。まず、図９の探針走査装置におい
て、探針１０を試料表面に垂直な方向であるｚ方向に駆
動した場合の共振周波数ｆ0 について図４および図５を
参照して説明する。
を詳細に説明する。まず、図９の探針走査装置におい
て、探針１０を試料表面に垂直な方向であるｚ方向に駆
動した場合の共振周波数ｆ0 について図４および図５を
参照して説明する。
【００１３】図４は、図９の探針走査装置のスピンドル
８の下方端部に設けられている探針４５の取付け構造の
一例を示す図である。この例では、図示されているよう
に、スピンドル８の下方端部に探針４５が直接取り付け
られている。なお、図には示されていないが、プローブ
顕微鏡が原子間力顕微鏡の場合には探針はカンチレバー
に取り付いている。
８の下方端部に設けられている探針４５の取付け構造の
一例を示す図である。この例では、図示されているよう
に、スピンドル８の下方端部に探針４５が直接取り付け
られている。なお、図には示されていないが、プローブ
顕微鏡が原子間力顕微鏡の場合には探針はカンチレバー
に取り付いている。
【００１４】図５は、図４の系の等価図である。前記第
１および第２のばね１１、１２の合計のばね定数Ｋは前
記第１のボイスコイルモータの最大推力Ｆ* で所定の長
さｄだけ変位するように、ばね定数Ｋを選定する。前記
第１のボイスコイルモータの可動部の質量とスピンドル
８の質量の合計質量をｍ、探針４５の質量とばね１１、
１２の等価質量との合計をＭとすれば、系の運動方程式
は次のようになる。
１および第２のばね１１、１２の合計のばね定数Ｋは前
記第１のボイスコイルモータの最大推力Ｆ* で所定の長
さｄだけ変位するように、ばね定数Ｋを選定する。前記
第１のボイスコイルモータの可動部の質量とスピンドル
８の質量の合計質量をｍ、探針４５の質量とばね１１、
１２の等価質量との合計をＭとすれば、系の運動方程式
は次のようになる。
【００１５】Ｆ＝（ｍ＋Ｍ）ｄ2 ｚ／ｄｔ2 ＋Ｋｚ したがって、前記系の共振周波数はｆ01は、次のように
なる。
なる。
【００１６】
【数１】 ここに、Ｋ＝Ｆ* ／ｄであるので、上式は下記のように
なる。
なる。
【００１７】
【数２】 次に、本発明の一実施形態について、図１を参照して説
明する。図１は本発明の一実施形態の構成を示す図であ
る。図において、４１は片持ち梁形式のばね、４５は探
針であり、他の符号は図８と同一または同等物を示す。
探針４５はカンチレバーに取り付けられていることもあ
るが、図には示されていない。
明する。図１は本発明の一実施形態の構成を示す図であ
る。図において、４１は片持ち梁形式のばね、４５は探
針であり、他の符号は図８と同一または同等物を示す。
探針４５はカンチレバーに取り付けられていることもあ
るが、図には示されていない。
【００１８】また、図２は、本実施形態の要部の拡大図
であり、図中の符号は、図１と同一物を示す。図示され
ているように、スピンドル８とばね４１との結合点をＰ
とし、片持ち梁形式のばね４１による拡大率をｓとすれ
ば、ｓ＝ｂ／ａとなる。すなわち、点Ｐがｚ方向に動い
た変位のｓ倍だけ探針４５はｚ方向に動くという訳であ
る。ここに、ｂはばね４１の長さであり、定数である。
であり、図中の符号は、図１と同一物を示す。図示され
ているように、スピンドル８とばね４１との結合点をＰ
とし、片持ち梁形式のばね４１による拡大率をｓとすれ
ば、ｓ＝ｂ／ａとなる。すなわち、点Ｐがｚ方向に動い
た変位のｓ倍だけ探針４５はｚ方向に動くという訳であ
る。ここに、ｂはばね４１の長さであり、定数である。
【００１９】次に、この実施形態の探針走査装置のｚ方
向微動機構の共振周波数ｆ02について検討する。本実施
形態では、前記第１のボイスコイルモータによる力Ｆが
Ｐ点に働くと、探針４５はその力Ｆの向きにより＋ｚま
たは−ｚ変位する。したがって、前記第１のボイスコイ
ルモータの最大推力Ｆ* で所定の長さｄだけ探針４５が
変位するように、ばね定数Ｋ0 （単位はトルク／角度）
を選定すると、ばね４１はｄ／ｂラジアンだけ振れるの
で、次式が成立する。
向微動機構の共振周波数ｆ02について検討する。本実施
形態では、前記第１のボイスコイルモータによる力Ｆが
Ｐ点に働くと、探針４５はその力Ｆの向きにより＋ｚま
たは−ｚ変位する。したがって、前記第１のボイスコイ
ルモータの最大推力Ｆ* で所定の長さｄだけ探針４５が
変位するように、ばね定数Ｋ0 （単位はトルク／角度）
を選定すると、ばね４１はｄ／ｂラジアンだけ振れるの
で、次式が成立する。
【００２０】ａ×Ｆ* ＝Ｋ0 ×ｄ／ｂ よって、ばね４１のばね定数Ｋ0 は、下式のようにな
る。 Ｋ0 ＝ａｂＦ* ／ｄ ・・・(2) また、運動方程式は、下式のようになる。
る。 Ｋ0 ＝ａｂＦ* ／ｄ ・・・(2) また、運動方程式は、下式のようになる。
【００２１】 ａＦ＝（Ｉ＋ａ2 ｍ）ｄ2 θ／ｄｔ2 ＋Ｋ0 θ ・・・(3) ここに、Ｉはばね４１の慣性モーメントであり探針およ
び探針の取付け機構なども含んだ値、θはばね４１の振
れ角、またｍはボイスコイルモータの可動部分４、６と
スピンドル８の合計質量である、(3) 式より、図２の系
の共振周波数ｆ02は下記の式で与えられる。
び探針の取付け機構なども含んだ値、θはばね４１の振
れ角、またｍはボイスコイルモータの可動部分４、６と
スピンドル８の合計質量である、(3) 式より、図２の系
の共振周波数ｆ02は下記の式で与えられる。
【００２２】
【数３】 この式から、同じボイスコイルモータを使い、同じ質量
ｍ，慣性モーメントＩを用いた場合には、ｓが｛ｍ／
（Ｉ／ｂ2 ）｝1/2 の時にｆ02は最大値ｆ02* になり、
次のように表せることがわかる。
ｍ，慣性モーメントＩを用いた場合には、ｓが｛ｍ／
（Ｉ／ｂ2 ）｝1/2 の時にｆ02は最大値ｆ02* になり、
次のように表せることがわかる。
【００２３】
【数４】 ここで、Ｍ´＝（Ｉ／ｂ）2 と置くと、次のようにな
る。
る。
【００２４】
【数５】 Ｍ´は(1) 式のＭと同程度かあるいは小さく、ｍは一般
的にＭ´やＭに比較して非常に大きいので、ｆ02* は
(1) 式のｆ01より大きくなる。現実的には、ｍが５ｇ程
度、Ｍ´は５０ｍｇ程度にすることは可能であるので、
例えば、ｍ＝５ｇ、Ｍ´＝Ｍ＝５０ｍｇとすると、（ｍ
／Ｍ´）1/2 の値は１０となる。ｓを１０にすることは
製作上可能であるので、ｓ＝１０とすれば、図２の系の
共振周波数ｆ02は前記(4) 式から下記のようになる。
的にＭ´やＭに比較して非常に大きいので、ｆ02* は
(1) 式のｆ01より大きくなる。現実的には、ｍが５ｇ程
度、Ｍ´は５０ｍｇ程度にすることは可能であるので、
例えば、ｍ＝５ｇ、Ｍ´＝Ｍ＝５０ｍｇとすると、（ｍ
／Ｍ´）1/2 の値は１０となる。ｓを１０にすることは
製作上可能であるので、ｓ＝１０とすれば、図２の系の
共振周波数ｆ02は前記(4) 式から下記のようになる。
【００２５】
【数６】 これは、(5) 式で、ｍ＝５ｇ、Ｍ´＝５０ｇとして得ら
れるｆ02* と同じ値である。 比較として、図４の系の
共振周波数を前記(1) 式から求めると、次のようにな
る。図４の系はその構成が異なるので、ｍとＭの値は図
２の系のｍとＭのそれぞれの値と厳密には異なるが、実
際上殆ど同じであるとして差支えない。したがって、図
４の系の共振周波数ｆ01は前記(1) 式から次のようにな
る。
れるｆ02* と同じ値である。 比較として、図４の系の
共振周波数を前記(1) 式から求めると、次のようにな
る。図４の系はその構成が異なるので、ｍとＭの値は図
２の系のｍとＭのそれぞれの値と厳密には異なるが、実
際上殆ど同じであるとして差支えない。したがって、図
４の系の共振周波数ｆ01は前記(1) 式から次のようにな
る。
【００２６】
【数７】 したがって、ｆ02／ｆ01＝（５．０５）1/2 となり、約
２．２倍の共振周波数になる。このように、拡大テコの
構成を取ることにより、同じボイスコイルモータを用
い、同じ変位量ｄを得る系の共振周波数を高くすること
ができる。
２．２倍の共振周波数になる。このように、拡大テコの
構成を取ることにより、同じボイスコイルモータを用
い、同じ変位量ｄを得る系の共振周波数を高くすること
ができる。
【００２７】次に、本発明の第２実施形態を、図３を参
照して説明する。図示されているように、スピンドル８
と第１のばね４１との結合点をＰとし、片持ち梁形式の
第１のばね４１による拡大率をｓ1 とすれば、ｓ1 ＝ｂ
1 ／ａ1 である。すなわち、点Ｐがｚ方向に動いた変位
のｓ1 倍だけ細線４２はｚ方向に動くという訳である。
同様に、片持ち梁形式の第２のばね４３による拡大率を
ｓ2 とすれば、ｓ2 ＝ｂ2 ／ａ2 である。すなわち、細
線４２がｚ方向に動いた変位のｓ2 倍だけ探針はｚ方向
に動くという訳である。この時、合計の拡大率ｓはｓ＝
ｓ1 ×ｓ2 である。細線４２の位置を変えると、すなわ
ちｂ1 を長く（短く）した分だけ、ａ2を短く（長く）
させることにより、拡大率ｓを適当に選ぶことができ
る。このような構成にすることにより、図２の実施例に
比べて、比較的コンパクトな構成で広範囲の拡大率ｓを
選定することができる。しかも、スピンドル８と探針４
５と中筒１３とを、同芯上に構成することができるよう
になる。本実施形態では、前記ａ1 とｂ2 を定数とし、
ｂ1 ＋ａ2 ＝一定と考えることができる。
照して説明する。図示されているように、スピンドル８
と第１のばね４１との結合点をＰとし、片持ち梁形式の
第１のばね４１による拡大率をｓ1 とすれば、ｓ1 ＝ｂ
1 ／ａ1 である。すなわち、点Ｐがｚ方向に動いた変位
のｓ1 倍だけ細線４２はｚ方向に動くという訳である。
同様に、片持ち梁形式の第２のばね４３による拡大率を
ｓ2 とすれば、ｓ2 ＝ｂ2 ／ａ2 である。すなわち、細
線４２がｚ方向に動いた変位のｓ2 倍だけ探針はｚ方向
に動くという訳である。この時、合計の拡大率ｓはｓ＝
ｓ1 ×ｓ2 である。細線４２の位置を変えると、すなわ
ちｂ1 を長く（短く）した分だけ、ａ2を短く（長く）
させることにより、拡大率ｓを適当に選ぶことができ
る。このような構成にすることにより、図２の実施例に
比べて、比較的コンパクトな構成で広範囲の拡大率ｓを
選定することができる。しかも、スピンドル８と探針４
５と中筒１３とを、同芯上に構成することができるよう
になる。本実施形態では、前記ａ1 とｂ2 を定数とし、
ｂ1 ＋ａ2 ＝一定と考えることができる。
【００２８】次に、この実施形態の探針走査装置のｚ方
向微動機構の共振周波数ｆ03について検討する。本実施
形態では、前記第１のボイスコイルモータによる力Ｆが
Ｐ点に働くと、探針４５はその力Ｆの向きにより＋ｚま
たは−ｚ変位する。したがって、前記第１のボイスコイ
ルモータの最大推力Ｆ* で所定の長さｄだけ探針４５が
変位するように、ばね４１のばね定数Ｋ1 （単位はトル
ク／角度）とばね４３のばね定数Ｋ2 （単位はトルク／
角度）とを選定すると、ばね４１はｄ／ｂ1 ラジアンだ
け振れるので、次のようになる。
向微動機構の共振周波数ｆ03について検討する。本実施
形態では、前記第１のボイスコイルモータによる力Ｆが
Ｐ点に働くと、探針４５はその力Ｆの向きにより＋ｚま
たは−ｚ変位する。したがって、前記第１のボイスコイ
ルモータの最大推力Ｆ* で所定の長さｄだけ探針４５が
変位するように、ばね４１のばね定数Ｋ1 （単位はトル
ク／角度）とばね４３のばね定数Ｋ2 （単位はトルク／
角度）とを選定すると、ばね４１はｄ／ｂ1 ラジアンだ
け振れるので、次のようになる。
【００２９】
【数８】 この式を変形すると、次のようになる。
【００３０】
【数９】 また、運動方程式は、次のようになる。 ａ1 Ｆ＝（Ｉ1 ＋ａ1 2 ｍ）ｄ2 θ1 ／ｄｔ2 ＋Ｋ1 θ
1＋（Ｉ2 ×ｄ2 θ2 ／ｄｔ2 ＋Ｋ2 θ2 ）ｂ1 ／ａ2 ここに、Ｉ1 はばね４１の慣性モーメントであり細線４
２も含んだ値、Ｉ2 はばね４３の慣性モーメントであり
探針およびその取付け機構も含んだ値、θ1 はばね４１
の振れ角、θ2 はばね４３の振れ角、またｍはボイスコ
イルモータの可動部分４、６とスピンドル８の合計質量
である。θ1 とθ2 とはｂ1 ×θ1 ＝ａ2 ×θ2 の関係
にあるから、運動方程式は、次のようになる。
1＋（Ｉ2 ×ｄ2 θ2 ／ｄｔ2 ＋Ｋ2 θ2 ）ｂ1 ／ａ2 ここに、Ｉ1 はばね４１の慣性モーメントであり細線４
２も含んだ値、Ｉ2 はばね４３の慣性モーメントであり
探針およびその取付け機構も含んだ値、θ1 はばね４１
の振れ角、θ2 はばね４３の振れ角、またｍはボイスコ
イルモータの可動部分４、６とスピンドル８の合計質量
である。θ1 とθ2 とはｂ1 ×θ1 ＝ａ2 ×θ2 の関係
にあるから、運動方程式は、次のようになる。
【００３１】
【数１０】 上式に(6) 式を代入すると、次のようになる。
【００３２】
【数１１】 したがって、系の共振周波数ｆ03は次のようになる。
【００３３】
【数１２】 この式から、同じボイスコイルモータを使い、同じｍ、
Ｉ1 、Ｉ2 を用いた場合には、ｓが下式になる時に、系
の共振周波数ｆ03は最大値ｆ03* になり、次のように表
される。
Ｉ1 、Ｉ2 を用いた場合には、ｓが下式になる時に、系
の共振周波数ｆ03は最大値ｆ03* になり、次のように表
される。
【００３４】
【数１３】 ここで、Ｍ1 ´＝Ｉ1 ／ａ1 2 、Ｍ2 ´＝Ｉ2 ／ｂ2 2
とすれば、上式は次のようになる。
とすれば、上式は次のようになる。
【００３５】
【数１４】 Ｍ1 ´とＭ2 ´は(1) 式のＭと同程度かあるいは小さ
く、ｍは一般的にＭ1 ´、Ｍ2 ´やＭに比較して非常に
大きいので、ｆ03* は(1) 式のｆ01より大きくなること
は、第１の実施形態と同じである。このように、拡大テ
コの構成を採ることにより、同じボイスコイルモータを
用い、同じ変位量ｄを得る系の共振周波数を高くするこ
とができる。
く、ｍは一般的にＭ1 ´、Ｍ2 ´やＭに比較して非常に
大きいので、ｆ03* は(1) 式のｆ01より大きくなること
は、第１の実施形態と同じである。このように、拡大テ
コの構成を採ることにより、同じボイスコイルモータを
用い、同じ変位量ｄを得る系の共振周波数を高くするこ
とができる。
【００３６】次に、本発明の第３の実施形態を、図６を
参照して説明する。この実施形態は、前記第１および第
２のばね４１、４３の中筒１３に対する付け根の近傍
に、凹部４１ａ、４３ａを設け、拡大てこの作用をより
効果的にしたものである。なお、図中の図２と同符号
は、同一または同等物を示す。この実施形態によっても
前記の各実施形態と同様に、系の共振周波数ｆ03をより
大きくすることができる。
参照して説明する。この実施形態は、前記第１および第
２のばね４１、４３の中筒１３に対する付け根の近傍
に、凹部４１ａ、４３ａを設け、拡大てこの作用をより
効果的にしたものである。なお、図中の図２と同符号
は、同一または同等物を示す。この実施形態によっても
前記の各実施形態と同様に、系の共振周波数ｆ03をより
大きくすることができる。
【００３７】次に、本発明の第４の実施形態を、図７を
参照して説明する。この実施形態は、３段の拡大てこに
したものである。図中の４６は細線、４７は第３のばね
を示し、他の符号は図６と同一または同等物を示す。な
お、本発明は前記した２段および３段のてこに限定され
るものではない。
参照して説明する。この実施形態は、３段の拡大てこに
したものである。図中の４６は細線、４７は第３のばね
を示し、他の符号は図６と同一または同等物を示す。な
お、本発明は前記した２段および３段のてこに限定され
るものではない。
【００３８】前記の説明は、探針走査装置のスピンドル
８がｚ方向に動いた時のものであったが、該探針走査装
置をｘまたはｙ方向に動かして走査した時にも、系の共
振周波数を高くすることができる。ｘおよびｙ方向の走
査系は同一または同等の構成を有しているので、ｘ方向
の走査系を代表に挙げて、図１および図８を参照して説
明する。ここに、図８は図１の要部の等価図であり、対
応する部材には同一の符号が付されている。
８がｚ方向に動いた時のものであったが、該探針走査装
置をｘまたはｙ方向に動かして走査した時にも、系の共
振周波数を高くすることができる。ｘおよびｙ方向の走
査系は同一または同等の構成を有しているので、ｘ方向
の走査系を代表に挙げて、図１および図８を参照して説
明する。ここに、図８は図１の要部の等価図であり、対
応する部材には同一の符号が付されている。
【００３９】ｘ方向の走査系は図示されているように心
棒部２２を有する磁石２１と、その周囲にコイル２５が
巻回されている可動子２３と、メンブレン２４からなる
第２のボイスコイルモータと、スピンドル２７と、細線
２６とから構成されている。いま、第２のボイスコイル
モータが作動すると、前記可動子２３からの力Ｆがスピ
ンドル２７および細線２６を介して、太管部１５の一部
１５ａに印加される。該太管部１５の一部１５ａに前記
力が印加されると、太管部１５と中筒１３と第１のばね
４１と探針４５等からなる系は、筐体１と該太管部１５
とを接続する細管部１４の筐体１との接続点の付近を支
点として揺動し、結果として、探針４５はその力Ｆの向
きにより＋ｘまたは−ｘ変位する。したがって、前記第
２のボイスコイルモータの最大推力Ｆ* で所定の長さｄ
´だけ探針４５が変位するように、ばね定数Ｋ´（単位
はトルク／角度）を選定すると、ばね１４はｄ´／ｂ´
ラジアンだけ振れるのでＫ´の値はａ´×Ｆ* ＝Ｋ´×
ｄ´／ｂ´から、次のようになる。
棒部２２を有する磁石２１と、その周囲にコイル２５が
巻回されている可動子２３と、メンブレン２４からなる
第２のボイスコイルモータと、スピンドル２７と、細線
２６とから構成されている。いま、第２のボイスコイル
モータが作動すると、前記可動子２３からの力Ｆがスピ
ンドル２７および細線２６を介して、太管部１５の一部
１５ａに印加される。該太管部１５の一部１５ａに前記
力が印加されると、太管部１５と中筒１３と第１のばね
４１と探針４５等からなる系は、筐体１と該太管部１５
とを接続する細管部１４の筐体１との接続点の付近を支
点として揺動し、結果として、探針４５はその力Ｆの向
きにより＋ｘまたは−ｘ変位する。したがって、前記第
２のボイスコイルモータの最大推力Ｆ* で所定の長さｄ
´だけ探針４５が変位するように、ばね定数Ｋ´（単位
はトルク／角度）を選定すると、ばね１４はｄ´／ｂ´
ラジアンだけ振れるのでＫ´の値はａ´×Ｆ* ＝Ｋ´×
ｄ´／ｂ´から、次のようになる。
【００４０】Ｋ´＝ａ´ｂ´Ｆ* ／ｄ´ …(10) また、運動方程式は、下式のようになる。
【００４１】
【数１５】 ここに、Ｉ´は太管部１５、粘性体１７、中筒１７、第
１、第２のバネ４１、４３と探針４５からなる筒状揺動
体が揺動する時の慣性モーメント、θ´はその振れ角、
ｍ´はボイスコイルンモータの可動部分２３とアーム２
６、２７の合計質量である。(11)式より図８の系の共振
周波数ｆは下式で与えられる。
１、第２のバネ４１、４３と探針４５からなる筒状揺動
体が揺動する時の慣性モーメント、θ´はその振れ角、
ｍ´はボイスコイルンモータの可動部分２３とアーム２
６、２７の合計質量である。(11)式より図８の系の共振
周波数ｆは下式で与えられる。
【００４２】
【数１６】 ここに、ｓ´＝ｂ´／ａ´である。(10)、(11)、(12)式
は(2) 、(3) 、(4) 式と全く同様な形をしている。すな
わち、前述の探針を前記試料表面に垂直な方向であるｚ
方向に駆動する場合の第１の実施形態の時と同様に扱う
ことができる。したがって、この式の場合には、ｆ´を
最大にするには、ｓ´を次のようにすればよい。
は(2) 、(3) 、(4) 式と全く同様な形をしている。すな
わち、前述の探針を前記試料表面に垂直な方向であるｚ
方向に駆動する場合の第１の実施形態の時と同様に扱う
ことができる。したがって、この式の場合には、ｆ´を
最大にするには、ｓ´を次のようにすればよい。
【００４３】ｓ´＝ｍ´×ａ´2 すなわち、Ｉ´＝ｍ´×ａ´2 とすればよい。実際に
は、ｍ´は５ｇ程度であり、ｂ´が５０ｍｍ程度の時、
Ｉ´は３０００〜４０００（ｇ・ｍｍ2 ）程度にするこ
とができ、したがって、ａ´はほぼ２５ｍｍ程度にすれ
ば、最高の共振周波数が得られる。
は、ｍ´は５ｇ程度であり、ｂ´が５０ｍｍ程度の時、
Ｉ´は３０００〜４０００（ｇ・ｍｍ2 ）程度にするこ
とができ、したがって、ａ´はほぼ２５ｍｍ程度にすれ
ば、最高の共振周波数が得られる。
【００４４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、プローブ顕微鏡の探針走査装置の共振周波数
を従来のそれより大幅に大きくすることができる。この
ため、試料の観測時における探針走査装置の駆動周波数
を大幅に上げることができるようになり、結果的に高速
走査が可能になるという効果がある。
によれば、プローブ顕微鏡の探針走査装置の共振周波数
を従来のそれより大幅に大きくすることができる。この
ため、試料の観測時における探針走査装置の駆動周波数
を大幅に上げることができるようになり、結果的に高速
走査が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の要部の拡大図である。
【図３】第１の実施形態の探針走査装置の系の等価図で
ある。
ある。
【図４】従来装置の探針走査装置の一例を示す構成図で
ある。
ある。
【図５】図４の系の等価図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の要部の構成図であ
る。
る。
【図７】本発明の第３の実施形態の要部の構成図であ
る。
る。
【図８】ｘ，ｙ方向に駆動される探針走査装置の系の等
価図である。
価図である。
【図９】本出願人によって開発されたプローブ顕微鏡の
探針走査装置の構成図である。
探針走査装置の構成図である。
１ 筐体 ２、２１ 第１、第２の磁石 ３、２２ 心棒部 ４、２３ 可動子 ５、２４ メンブレン ６、２５ コイル ２６ 細線 ８、２７ スピンドル ９ 変位検出器 １０ 探針 １１ 第１、第２のばね １３ 中筒 １４ 細管 １５ 太管 １６ ヒータ用コイル １７ 粘性体 ３１ 試料台 ３２ 試料 ４１、４３、４７ ばね ４２、４６ 細線 ４５ 探針
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年８月７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正内容】
Claims (9)
- 【請求項１】 試料表面の形状あるいは物理量を計測す
るために試料の表面に近接または接触させて使用される
プローブ顕微鏡の探針走査装置であって、 弾性部材に支持され、少なくとも前記試料表面に垂直な
方向であるｚ方向に駆動されるスピンドルと、 該スピンドルの前記試料表面側の端部に、前記スピンド
ルの動きにより変位を拡大する変位拡大部材を介して支
持された探針部材とを具備し、 前記探針走査装置の共振周波数を拡大したことを特徴と
するプローブ顕微鏡の探針走査装置。 - 【請求項２】 請求項１記載のプローブ顕微鏡の探針走
査装置であって、 前記スピンドルは、該スピンドルに垂直な平面内にある
ｘ，ｙ方向に前進または後退する弾性部材により駆動さ
れる筒状揺動体を介して、ｘ，ｙ方向に駆動されること
を特徴とするプローブ顕微鏡の探針走査装置。 - 【請求項３】 請求項１または２記載のプローブ顕微鏡
の探針走査装置であって、 前記スピンドルを支持または駆動する弾性部材はボイス
コイルモータの可動部であり、前記変位拡大部材は片持
ち梁形式の弾性部材から構成されていることを特徴とす
るプローブ顕微鏡の探針走査装置。 - 【請求項４】 請求項３記載のプローブ顕微鏡の探針走
査装置であって、 前記片持ち梁形式の弾性部材の固定端と前記スピンドル
から力を受ける点Ｐまでの長さをａ、前記固定端とその
自由端の前記探針部材取付け位置までの長さをｂ（定
数）とした時、ｂ／ａを下式で決まる値またはその近傍
の値にしたことを特徴とするプローブ顕微鏡の探針走査
装置。 ｂ／ａ＝｛ｍ／（Ｉ／ｂ2 ）｝1/2 ここに、ｍは前記ボイスコイルモータの可動部の質量と
前記スピンドルの質量の合計質量、Ｉは前記弾性部材お
よび探針の慣性モーメントである。 - 【請求項５】 請求項１または２記載のプローブ顕微鏡
の探針走査装置であって、 前記スピンドルを支持または駆動する弾性部材はボイス
コイルモータの可動部であり、前記変位拡大部材は片持
ち梁形式の弾性部材を複数段接続して、最終段の変位量
を拡大したことを特徴とするプローブ顕微鏡の探針走査
装置。 - 【請求項６】 請求項５記載のプローブ顕微鏡の探針走
査装置であって、 前記変位拡大部材は片持ち梁形式の弾性部材の先端と次
段の弾性部材の固定端近傍とを硬い細線で接続したこと
を特徴とするプローブ顕微鏡の探針走査装置。 - 【請求項７】 請求項６記載のプローブ顕微鏡の探針走
査装置であって、 第１段の弾性部材の固定端と前記スピンドルから力を受
ける点Ｐまでの長さをａ1 （定数）、前記固定端と前記
細線までの長さをｂ1 とし、第２段の弾性部材の固定端
と前記細線までの長さをａ2 とし、前記固定端とその自
由端の探針部材取付け位置までの長さをｂ2 （定数）と
した時、ｂ1 ／ａ1 ×ｂ2 ／ａ2 （＝ｓ）を下式で決ま
る値またはその近傍の値にしたことを特徴とするプロー
ブ顕微鏡の探針走査装置。 ｓ＝｛（Ｉ1/ａ12 ＋ｍ）／（Ｉ2 ／ｂ2 2 ）｝1/2 ここに、ｍは前記ボイスコイルモータの可動部の質量と
前記スピンドルの質量の合計質量、Ｉ1 は前記第１段の
弾性部材と前記細線の慣性モーメント、Ｉ2 は前記第２
段の弾性部材および探針の慣性モーメントである。 - 【請求項８】 請求項２記載のプローブ顕微鏡の探針走
査装置であって、 前記筒状揺動体の固定端と前記弾性部材から力を受ける
点Ｐ´までの長さをａ´、該筒状揺動体の固定端とその
自由端の前記探針部材取付け位置までの長さをｂ´（定
数）とする時、ｂ´／ａ´を下式で決まる値またはその
近傍の値にしたことを特徴とするプローブ顕微鏡の探針
走査装置。 ｂ´／ａ´＝｛｛ｍ´／（Ｉ´／ｂ´2 ）｝1/2 ここに、ｍ´は前記ｘ，ｙ方向に前進または後退する弾
性部材と該弾性部材によって生成された力を前記筒状揺
動体に伝達する力伝達部材の合計質量、Ｉ´は前記筒状
揺動体の慣性モーメントである。 - 【請求項９】 請求項２または３記載のプローブ顕微鏡
の探針走査装置であって、 前記片持ち梁形式の弾性部材が請求項４のｂ／ａを満足
し、前記筒状揺動体が請求項８のｂ´／ａ´とを満足す
ることを特徴とするプローブ顕微鏡の探針走査装置。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08302026A JP3106242B2 (ja) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | プローブ顕微鏡 |
| US08/968,193 US5965885A (en) | 1996-11-13 | 1997-11-12 | Probe scanning apparatus for probe microscope |
| KR1019970059468A KR100527967B1 (ko) | 1996-11-13 | 1997-11-12 | 프로브현미경의탐침주사장치 |
| CNB971222924A CN1140767C (zh) | 1996-11-13 | 1997-11-12 | 探测显微镜的探测扫描装置 |
| TW086117060A TW358881B (en) | 1996-11-13 | 1997-11-13 | Probe scanning apparatus for probe microscope |
| AT97309152T ATE233891T1 (de) | 1996-11-13 | 1997-11-13 | Abtastgerät für probenmikroskop |
| EP97309152A EP0843151B1 (en) | 1996-11-13 | 1997-11-13 | Probe scanning apparatus for probe microscope |
| DE69719458T DE69719458T2 (de) | 1996-11-13 | 1997-11-13 | Abtastgerät für Probenmikroskop |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08302026A JP3106242B2 (ja) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | プローブ顕微鏡 |
| US08/968,193 US5965885A (en) | 1996-11-13 | 1997-11-12 | Probe scanning apparatus for probe microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10142237A true JPH10142237A (ja) | 1998-05-29 |
| JP3106242B2 JP3106242B2 (ja) | 2000-11-06 |
Family
ID=26562961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08302026A Expired - Fee Related JP3106242B2 (ja) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | プローブ顕微鏡 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5965885A (ja) |
| EP (1) | EP0843151B1 (ja) |
| JP (1) | JP3106242B2 (ja) |
| CN (1) | CN1140767C (ja) |
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| 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 |
| JP3917000B2 (ja) * | 2001-06-15 | 2007-05-23 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | プローブ走査装置 |
| JP2006170971A (ja) * | 2004-12-10 | 2006-06-29 | Korea Electronics Telecommun | 駆動ヘッド及びそれを備えた個人用原子顕微鏡 |
| US8646111B2 (en) * | 2006-02-14 | 2014-02-04 | The Regents Of The University Of California | Coupled mass-spring systems and imaging methods for scanning probe microscopy |
| US20080122453A1 (en) * | 2006-04-17 | 2008-05-29 | Multispectral Imaging, Inc. | Low Noise Radiation Sensor |
| CN108593969A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-09-28 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种圆管型外绝缘窄尺寸扫描探针显微镜镜体 |
| CN109579978B (zh) * | 2018-10-16 | 2021-04-23 | 歌尔光学科技有限公司 | 测试方法及测试系统 |
| CN110375634A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-10-25 | 上海建工集团股份有限公司 | 一种滑动变阻式应变计及其使用方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01161790A (ja) * | 1987-12-17 | 1989-06-26 | Nec Corp | 圧電アクチュエータ用変位拡大機構 |
| 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 |
| DE69309318T2 (de) * | 1992-01-10 | 1997-10-30 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo | Verfahren und Vorrichtung zum Beobachten einer Fläche |
| US5646339A (en) * | 1994-02-14 | 1997-07-08 | International Business Machines Corporation | Force microscope and method for measuring atomic forces in multiple directions |
| US5479013A (en) * | 1994-08-24 | 1995-12-26 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. | STM probe |
| EP0783662B1 (en) * | 1994-08-27 | 1999-04-07 | International Business Machines Corporation | Fine positioning apparatus with atomic resolution |
| US5557452A (en) * | 1995-02-06 | 1996-09-17 | University Of Hawaii | Confocal microscope system |
| EP0807799B1 (en) * | 1996-05-13 | 2002-10-09 | Seiko Instruments Inc. | Probe Scanning Apparatus |
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1996
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