位置決め装置及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡
【課題】複数軸方向へ駆動する位置決め装置において、高速駆動する移動機構を低速駆動する移動機構と組み合わせた際にクロストークによって高速駆動する軸方向の共振周波数が低下することを防止し高速な測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡に好適な位置決め装置を提供する。
【解決手段】ＸＹ方向の面の略中央に平面略正方形をなし、少なくともその一辺にＸ軸方向に撓む第１の弾性支持体と前記一辺に直交する少なくとも一辺にＹ軸方向に撓む第２の弾性支持体を有するＸＹ方向への被駆動部３と、その対向面がＸＹ方向への被駆動部３の対向面に平行に相対向するようにＸＹ方向へのステージ部１を支持する支持部９を有し、少なくとも前記ＸＹ方向への被駆動部３に対応する面と、これに相対向する支持部９の対向面の間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤１０が注入されている位置決め装置Ｍ１を用いた走査型プローブ顕微鏡とした。
【解決手段】ＸＹ方向の面の略中央に平面略正方形をなし、少なくともその一辺にＸ軸方向に撓む第１の弾性支持体と前記一辺に直交する少なくとも一辺にＹ軸方向に撓む第２の弾性支持体を有するＸＹ方向への被駆動部３と、その対向面がＸＹ方向への被駆動部３の対向面に平行に相対向するようにＸＹ方向へのステージ部１を支持する支持部９を有し、少なくとも前記ＸＹ方向への被駆動部３に対応する面と、これに相対向する支持部９の対向面の間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤１０が注入されている位置決め装置Ｍ１を用いた走査型プローブ顕微鏡とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動素子を用いて被対象物を第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向及びこれら第１の方向と第２の方向に対して直交する第３の方向に移動させることにより前記被対象物の位置決めを行う位置決め装置、及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡とは、自由端に先鋭化した探針を有するカンチレバーと、カンチレバーと被測定物（以下、サンプルと称する。）の相対位置を微小移動させる移動機構を備えており、探針先端とサンプルとの間に働く相互作用によるカンチレバーの自由端の変位を検出しながら、探針をサンプル表面に沿って、第１の方向（以下、Ｘ軸方向と称する。）及びこれに直交する第２の方向（以下、Ｙ軸方向と称する。）を含む面方向、すなわちサンプル表面に水平な面方向（以下、ＸＹ方向と称する。）に走査し、サンプルの表面形状や物性などの情報を３次元的に測定する装置である。走査型プローブ顕微鏡によってサンプルの表面形状を測定する際には、ＸＹ方向に走査しながらカンチレバーのたわみ量からサンプルと探針の間隔を測定し、サンプルと探針の間隔が一定になるようにＸＹ方向と直交する方向、すなわちサンプル表面に垂直な方向（以下、Ｚ軸方向と称する。）に動かすことで、Ｚ軸方向の移動量からサンプルの表面形状を測定する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
前記の走査型プローブ顕微鏡の移動機構として主に圧電素子を使用した位置決め装置が用いられるが、前述のようにサンプルと探針の相対位置を移動して表面形状に追従させて測定するため、走査型プローブ顕微鏡で用いる位置決め装置はＸＹ方向へはサンプル面に沿って所定の速度で走査するだけでよいが、Ｚ軸方向へはサンプル表面の微細な凹凸に追従しなければならないため、サンプル表面の傾斜によってＸＹ方向よりも高速な応答性が求められる。
【０００４】
しかしながら、複数軸方向へ駆動する位置決め装置の応答性は、前記位置決め装置を構成する高速で駆動したい軸方向への機構のみではなく低速で駆動する軸方向への機構を含めた位置決め装置全体の共振周波数によって決定される。そのため、複数軸を組み合わせた位置決め装置の場合、特定方向のみに高速に駆動するということができなくなる。
【０００５】
そのため、従来の走査型プローブ顕微鏡では、Ｚ軸方向への応答性を向上させるためにＸＹ方向とＺ軸方向の２つの移動機構をサンプル側とカンチレバー側に分離する方法（特許文献１を参照。）や、高速駆動する移動機構にその反作用を打ち消すように駆動素子を取り付けるカウンターバランス方式（特許文献２を参照。）が使われている。しかし、前者の例ではサンプルをＸＹ方向に駆動した際にサンプルの位置ずれが生じる場合があることや、質量の大きなサンプルでは質量の１／２乗に反比例して共振周波数が低下するため高速にＸＹ方向に駆動させることができないといった問題がある。また、後者の例ではカウンターバランスとなる駆動素子をもう一つ追加することとなるため、その駆動素子を駆動するために合計で２倍の電流が必要となり、２つの電源または２倍の容量を持つ電源が必要になるという問題がある。
【非特許文献１】特許庁ホームページ ＨＯＭＥ＞資料室（その他参考情報）＞標準技術集＞表面構造の原子領域分析（技術内容、図１、図２）
【特許文献１】特開平１０−３３９７３５号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−３３０４２５号公報（第４−５頁、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数軸方向へ駆動する位置決め装置において、高速駆動する移動機構を低速駆動する移動機構と組み合わせた際にクロストークによって高速駆動する軸方向の共振周波数が低下することを防止し、全体における制御可能な周波数帯域を向上することにより高速駆動する軸方向の応答性を向上し、高速な測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡に好適な位置決め装置及びこれを用いた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】
【０００７】
本願の第１の発明は、第１の方向(以下、Ｘ軸方向と称する)と該Ｘ軸方向に直交する第２の方向（以下、Ｙ軸方向と称する）を含む面の略中央に平面略正方形をなし、少なくともその一辺に前記Ｘ軸方向に撓む第１の弾性支持体と前記少なくとも一辺に直交する少なくとも一辺に前記Ｙ軸方向に撓む第２の弾性支持体を有する第１，２の方向（以下、ＸＹ方向と称する）への被駆動部を有し、略板状をなすＸＹ方向へのステージ部と、前記Ｘ軸方向に伸縮し、その一端が前記第１の弾性支持体を押圧する第１の駆動素子（以下、Ｘ軸方向の駆動素子と称する）と、前記Ｙ軸方向に伸縮し、その一端が前記第２の弾性支持体を押圧する第２の駆動素子（以下、Ｙ軸方向の駆動素子と称する）と、前記ＸＹ方向への被駆動部の第１の面側にその一端が配され、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する第３の方向（以下、Ｚ軸方向と称する）に伸縮する第３の駆動素子（以下、Ｚ軸方向の駆動素子と称する）と、前記ＸＹ方向へのステージ部の前記Ｚ軸方向の駆動素子が配される前記第１の面と相対向する第２の面側を、その対向面が前記第２の面に平行に相対向するように前記ＸＹ方向へのステージ部を支持する支持部よりなり、前記Ｚ軸方向の駆動素子の前記ＸＹ方向への被駆動部と反対側の端部側に被対象物（以下、サンプルと称する）を載置し、前記Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向の駆動素子をそれぞれの方向に伸縮させることにより、前記サンプルを前記Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向に移動させることにより前記サンプルの位置決めを行う位置決め装置において、
前記ＸＹ方向へのステージ部の前記第２の面の少なくとも前記ＸＹ方向への被駆動部に対応する面と、これに相対向する前記支持部の対向面の間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤が注入されていることを特徴とするものである。
【０００８】
なお、前記ＸＹ方向への被駆動部に第１，２の弾性支持体を介して固定部が配されてなり、これらＸＹ方向への被駆動部と固定部と第１の弾性支持体及び第２の弾性支持体は、単一の金属ブロックなどから作製される一体構造をなし、それぞれのＺ軸方向の上面と下面はつぎ目の無い平面であることが好ましい。このような一体成形は、放電加工等にて達成できる。
【０００９】
また、前記Ｚ軸方向の駆動素子はＸＹ方向への被駆動部の第１の面上に接着固定され、Ｚ軸方向の駆動素子はＸＹ方向への被駆動部の支持部への対向面の外周縁からＺ軸方向への垂線に囲まれた内側に固定されるものとし、Ｚ軸方向の駆動素子の重心が、ＸＹ方向への被駆動部の重心のＺ軸方向の直上に位置することが望ましい。
【００１０】
さらに、本願の第２の発明は、前記位置決め装置において、前記間隙の厚さが５〜５０μｍとなされていることを特徴とするものである。より好ましくは、１０〜３０μｍである。
【００１１】
前記間隙が５０μｍよりも厚いとＸＹ方向へのステージ部と支持部との間隔が離れすぎて、粘性剤が流動してしまい、Ｚ軸方向に駆動したときにＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動し、ＸＹ方向への被駆動部のＺ軸方向への振幅が増大するため、好ましくない。また、前記間隙の厚さが５μｍよりも小さいと粘性剤の注入が困難となるめ好ましくない。
【００１２】
さらに本願の第３の発明は、先述の位置決め装置において、前記ＸＹ方向へのステージ部のＸＹ方向への被駆動部以外及び第１，２の弾性支持体以外の部分に対応する第２の面と前記支持部の対向面の間にスペーサーが配され、前記スペーサーの厚さが５０μｍ以下であり、且つ前記粘性剤に含まれる微粒子の直径をｒとしたときに、ｒ＋（Ｒｚｂ＋Ｒｚｈ）÷２よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、Ｒｚｈは前記ＸＹ方向への被駆動部の前記第２の面の凹凸の最大高さ及びＲｚｂはその対向面となる前記支持部の凹凸の最大高さであり、いずれも表面粗さを表す。これらは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さＹｐと最も低い谷底までの深さＹｖとの和により示されるものである。なお、本発明においては、前記基準長さｌを本発明の位置決め装置のＸ軸方向およびＹ軸方向への最大変位量と規定することとする。
【００１４】
前記スペーサーの厚さは前記間隙の厚さを５０μｍ以下とするために５０μｍ以下とし、また実験の結果、前記スペーサーの厚さが５０μｍよりも厚いとＸＹ方向への被駆動部と支持部の間の間隙が広くなり、その間隙に充填された粘性剤が容易にＸＹ方向に流れてしまうため、スペーサーの厚さは５０μｍ以下であるとする。さらにＸＹ方向への被駆動部と支持部の間隔が粘性剤に含まれる微粒子の直径よりも狭くなる部分が生じないために、スペーサーの厚さの下限を上述のような関係式により規定している。
【００１５】
さらに本願の第４の発明は、上述の位置決め装置において、前記ＸＹ方向への被駆動部の前記Ｚ軸方向の駆動素子が配される前記第１の面側に凹部を設け、前記凹部内に前記Ｚ軸方向の駆動素子が配されてなり、前記ＸＹ方向への被駆動部と前記Ｚ軸方向の駆動素子と前記サンプルの全体の重心が、前記Ｘ軸方向の駆動素子及びＹ軸方向の駆動素子のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることを特徴とするものである。
【００１６】
さらにまた、本願の第５の発明は、上述の位置決め装置において、前記粘性剤がグリースであること、第６の発明は、前記粘性剤が潤滑油であること、第７の発明は、前記粘性剤がゲル状物質であることを特徴とするものである。なお、前記グリースまたは粘性剤としては、含まれる微粒子の直径が５μｍ以下であり、間隙から流れ出さない程度の粘度を有し、稠度が３００（１／１０ｍｍ）以下であるものが好ましい。また、前記ゲル状物質としては、シリコーンゲルが挙げられる。ただし、ゲルの場合は、高粘度であるため、駆動時の抵抗が大きくなるために留意が必要となる。
【００１７】
さらにまた、本願の第８の発明は、前記位置決め装置において、間隙の厚さは５〜５０μｍであることが好ましいことから、前記位置決め装置の前記第２の面と前記支持部の対向面の間に前記グリースまたは粘性剤に含まれる微粒子が挟まれることを防止するために、ＸＹ方向への被駆動部の前記第２の面の表面粗さを表す最大高さをＲｚｈとし、前記支持部の対向面の表面粗さを示す最大高さをＲｚｂとしたときに、Ｒｚｈは１０μｍ以下であり、Ｒｚｂは１０μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本願の第９の発明は、サンプルに近接又は接触させるプローブと、前記サンプルをＸ軸方向と前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向及びこれらＸ軸方向とＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向に移動させることにより前記サンプルの位置決めを行う位置決め装置よりなる走査型プローブ顕微鏡において、前記位置決め装置として、上述した位置決め装置のうちいずれかを用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る位置決め装置においては、ＸＹ方向への被駆動部の支持部への平滑な対向面である第２の面と、前記支持部の平滑な対向面を、所定の厚さの間隙をあけて相対向させ、前記間隙に粘性剤を注入して支持部上にＸＹ方向への被駆動部を固定し、前記ＸＹ方向への被駆動部の前記支持部への対向面と相対向する第１の面側に高速駆動するＺ軸方向への駆動素子を配している。
【００２０】
本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、前記ＸＹ方向への被駆動部が粘性剤の粘性により支持部に対して密着するように固定されることとなり、位置決め装置のＸＹ方向への被駆動部が支持部に密着せず、浮いているような状態と比較して、Ｚ軸方向の駆動素子を駆動したときに、ＸＹ方向への被駆動部に加わる力によって前記ＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動する振幅が減少する。
【００２１】
本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、前記ＸＹ方向への被駆動部が粘性剤の粘性により支持部に対して密着するように固定されることとなり、前記ＸＹ方向への被駆動部のＺ軸方向への剛性が高くなり、Ｚ軸方向の振動モードの共振周波数が向上する。すなわち、Ｚ軸方向への振動の共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化する。通常、このような形状の位置決め装置の外形はＸＹ方向の長さがＺ軸方向の長さよりも長いため、１次モードの共振はＺ軸方向への振動モードとなることが多いが、そのＺ軸方向への振動の共振周波数が向上するため、位置決め装置全体の制御帯域を制限する１次モードの共振周波数が向上することとなる。
【００２２】
さらに、本発明の位置決め装置においては、間隙に薄く充填された粘性剤を介してＸＹ方向への被駆動部が支持部に密着することとなるため、粘性剤の粘性によりＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に浮き上がることが無くなり、ＸＹ方向への被駆動部の振動方向がＸＹ平面に拘束されることになる。そのため低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００２３】
従って、本発明の位置決め装置においては、Ｚ軸方向の駆動素子が配されるＸＹ方向への被駆動部のＺ軸方向への振動の振幅が減少する上、Ｚ軸方向への振動の共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化し、位置決め装置全体の制御帯域を制限するＺ軸方向への振動の共振周波数が向上し、且つ低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなることから、位置決め装置全体における制御可能な周波数帯域が向上し、高速駆動するＺ軸方向の応答性が向上する。
【００２４】
このような本発明の位置決め装置を用いた走査型プローブ顕微鏡においては、サンプルを複数軸方向に移動させて、例えばサンプルの表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を拡大することができ、高速な測定が可能となる。
【００２５】
また、本発明に係る位置決め装置においては、前記ＸＹ方向への被駆動部の前記Ｚ軸方向の駆動素子が配される前記第１の面側に凹部を設け、前記凹部内に前記Ｚ軸方向の駆動素子が配されてなり、前記ＸＹ方向への被駆動部と前記Ｚ軸方向の駆動素子とこのＺ軸方向の上側に配されるサンプルの全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子及びＹ軸方向の駆動素子のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されている。
【００２６】
本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、ＸＹ方向へ駆動した際にＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に捩れるように動くことを防止でき、ＸＹ方向への動作によって生じるＺ軸方向へのクロストークを防止することができ、低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きの混入が更に抑えられ、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００２７】
また、本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、ＸＹ方向へ駆動した際にＺ軸方向の駆動素子７がＸＹ方向に倒れる方向の振動が生じることを防止することができ、Ｚ軸方向の振動へのＸＹ方向のクロストークの混入を防止することができ、Ｚ軸方向の応答性の精度を更に向上することができる。
【００２８】
このような本発明の位置決め装置を用いた本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、サンプルを複数軸方向に移動させて、例えばサンプルの表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を拡大することができ、高速な測定が可能となる。
【００２９】
なお、本発明の位置決め装置においては、前記ＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動すると、粘性剤が支持部とＸＹ方向への被駆動部の間隙から押し出されることとなるが、粘性剤は５０μｍ以下の薄さで配されており、粘性剤の粘性抵抗による摩擦が大きく、押し出される量が非常に少なく、粘性剤を損失しにくいことからＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動する振幅を長期間に渡って抑えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
【実施例１】
【００３１】
以下、本発明に係る位置決め装置及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例について図１〜図５を用いて説明する。
【００３２】
本実施例の走査型プローブ顕微鏡は図１に示すように、主に、被対象物であるサンプル１３に近接又は接触するプローブＰとサンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向（図１中にはＸ，Ｚ軸方向のみを示すが、Ｙ軸方向は紙面と直交する方向である。）に移動させることによりサンプル１３の位置決めを行う位置決め装置Ｍ１により構成される。
【００３３】
プローブＰは図示するように自由端に先鋭化した探針２５を有するカンチレバー１４とカンチレバー１４に振動を与えるカンチレバー加振部１５、カンチレバー加振部１５を駆動させるための加振電源１６により構成される。
【００３４】
一方、位置決め装置Ｍ１は図１〜５に示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面の略中央に平面略正方形をなし、相対向する２辺にＸ軸方向に撓む第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂと相対向する２辺にＹ軸方向に撓む第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂを有するＸＹ方向への被駆動部３を有し、前記ＸＹ方向への被駆動部３の周辺に第１，２の弾性支持体４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂを介して配される固定部２を有し、略板状をなすＸＹ方向へのステージ部１と、Ｘ軸方向に伸縮し、その一端が前記第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂを押圧するＸ軸方向の駆動素子５と、Ｙ軸方向に伸縮し、その一端が前記第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂを押圧するＹ軸方向の駆動素子６と、ＸＹ方向への被駆動部３の第１の面３ａ側にその一端が配され、Ｚ軸方向に伸縮するＺ軸方向の駆動素子７と、ＸＹ方向へのステージ部１のＺ軸方向の駆動素子７が配される第１の面１ａと相対向する第２の面１ｂ側を、その対向面９ａが前記第２の面１ｂに平行に相対向するようにＸＹ方向へのステージ部１を支持する支持部９よりなる。
【００３５】
このとき、前記第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂ及び前記第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂは、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６の駆動により、ＸＹ方向への被駆動部３にＸ軸方向又はＹ軸方向に力が加わった時に各軸が独立して変位し、その駆動方向をＸＹ方向に拘束すると共にＸＹ方向のクロストークを防止する機能を有している。
【００３６】
また、ＸＹ方向への被駆動部３と固定部２と第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂ及び第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂは、単一の金属ブロックなどから放電加工により作製される一体構造をなし、それぞれのＺ軸方向の上面と下面はつなぎ目の無い同一の平面であることが好ましい。これは、固定部２とＸＹ方向への被駆動部３の間に機械的摩擦が存在するとナノメートルレベルでの反復駆動が不可能となるため、固定部２とＸＹ方向への被駆動部３の間に摩擦面が存在しないようにするためである。
【００３７】
なお、ＸＹ方向へのステージ部１の固定部２には、第１の弾性支持体４０ａ及び第２の弾性支持体４１ａに隣接するように貫通孔が設けられ、この各貫通孔内にそれぞれＸ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６が配設されている。これらＸ，Ｙ，Ｚ方向の駆動素子５，６，７としては、電圧を印加することにより伸長する複数の圧電素子を積層したピエゾ素子等の積層型圧電素子を用いることが望ましい。
【００３８】
また、前記Ｚ軸方向の駆動素子７はＸＹ方向への被駆動部３の第１の面３ａ上に接着固定され、Ｚ軸駆動素子７はＸＹ方向への被駆動部３の支持部９への対向面の外周縁からＺ軸方向への垂線に囲まれた内側に固定されるものとし、Ｚ軸方向の駆動素子７の重心が、ＸＹ方向への被駆動部３の重心のＺ軸方向の直上に位置することが望ましい。このような構成とすることで、ＸＹ方向への被駆動部３がＸＹ方向に駆動した場合にＺ軸方向の駆動素子７のＸＹ方向への振動が混入することが抑えられ、より精度の高い制御が可能となる。
【００３９】
そして、サンプル１３はＺ軸方向への駆動素子７の上に載置され、その直上にカンチレバー１４の自由端に配される探針２５がサンプル１３に近接又は接触させるように配されている。カンチレバー１４にはレーザー光照射部１７からレーザー光が照射され、カンチレバー１４から反射されたレーザー光はフォトディテクタ１８に入射し、この入射位置からカンチレバー１４の変位量がカンチレバー変位検出部１９で検出される。このような変位量の検出方法は光テコ方式と呼ばれる。カンチレバー変位検出部１９で検出されたカンチレバー１４の変位量に基づき制御部２０でＺ軸方向の駆動素子７の制御信号がＺ駆動電源２２に出力されＺ軸方向への駆動素子７が駆動される。また、ＸＹ方向についても制御部２０から制御信号がＸＹ駆動電源２１に出力されＸ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６が駆動される。
【００４０】
このように本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、Ｘ方向の駆動素子５を駆動させて、第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂを押圧し、これら第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂをＸ軸方向に撓ませると共に、Ｙ軸方向の駆動素子６を駆動させて、第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂを押圧し、これら第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂをＹ軸方向に撓ませることにより、各軸を独立して変位させてＸＹ方向への被駆動部３の位置を変化させてＸＹ方向への被駆動部３上に配されるＺ軸方向の駆動素子７上に載置されたサンプル１３をＸＹ方向に移動させる。また、サンプル１３はＺ軸方向の駆動素子７上に配されていることからＺ軸方向の駆動素子７の伸縮によりＺ軸方向において移動する。従って、このような構成により、サンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させてサンプル１３の位置決めを行う。
【００４１】
ここで、Ｘ軸方向の駆動素子５とＹ軸方向の駆動素子６は、図１〜３に示すようにそれぞれその一端が第１の弾性支持体４０ａ，第２の弾性支持体４１ａに接し、他端が固定部２に接するようにして固定されることとなるが、これらＸ軸方向の駆動素子５とＹ軸方向の駆動素子６は、特に図３に示すようにＸＹ方向へのステージ部１の第２の面１ｂよりも高くなるように固定されており、支持部９へ接触しないようになされ、その駆動が妨げられないようになされている。
【００４２】
そして本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、ＸＹ方向へのステージ部１の第２の面１ｂの少なくともＸＹ方向への被駆動部３に対応する面と、これに相対向する支持部９の対向面９ａの間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤１０が注入されている。
【００４３】
さらに、前記間隙の厚さは、５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍがより好ましい。
【００４４】
実験の結果、前記間隙が５μｍより小さいと粘性剤の注入が非常に困難となり本発明の効果が得られにくくなること、また、前記間隙が５０μｍよりも大きいとＸＹ方向へのステージ部１と支持部９との間隔が離れすぎて、粘性剤１０が流動してしまい、Ｚ軸方向に駆動したときにＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動し、ＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向への振幅が増大するためである。
【００４５】
さらにまた、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、図３及び図５に示すように前記ＸＹ方向へのステージ部１のＸＹ方向への被駆動部３以外及び上述の貫通孔以外の部分、すなわち固定部２に対応する第２の面１ｂと前記支持部９の対向面９ａの間にスペーサー８が配され、前記スペーサー８の厚さが５０μｍ以下であり、且つ前記粘性剤１０に含まれる微粒子の直径をｒとしたときに、ｒ＋（Ｒｚｂ＋Ｒｚｈ）÷２よりも大きくなるようになされている。
【００４６】
前記最大高さＲｚｈ及び最大高さＲｚｂは、表面粗さを示すものであり、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さＹｐと最も低い谷底までの深さＹｖとの和により示されるものである。なお、本発明においては、前記基準長さｌを本発明の位置決め装置のＸ軸方向およびＹ軸方向への最大変位量と規定することとする。
【００４７】
なお、粘性剤１０として多用されるグリース等に含まれる微粒子の直径は５μｍ程度であることから、ＸＹ方向へのステージ部１の第２の面１ｂの表面粗さを表す最大高さＲｚｈおよび支持部９のＸＹ方向へのステージ部１を固定する対向面９ａの表面粗さを表すＲｚｂは、表面の凹凸の山となる部分が微粒子の直径よりも低くなり、谷となる部分が微粒子の直径よりも浅くなるために１０μｍ以下であることが目安となる。
【００４８】
前記スペーサー８の厚さは、実験の結果、５０μｍよりも厚いとＸＹ方向への被駆動部３と支持部９の間の間隙が広くなり、その間隙に充填された粘性剤１０が容易にＸＹ方向に流れてしまい、Ｚ軸方向の駆動素子７を駆動したときにＸＹ方向への被駆動部３が振動してしまうためである。さらにＸＹ方向への被駆動部３と支持部９の間隔が粘性剤１０に含まれる微粒子の直径よりも狭くなる部分が生じないために、スペーサー８の厚さの下限を上述のような関係式により規定している。
【００４９】
実験の結果、前記間隙の厚さは５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍがより好ましく、汎用的なグリースに含まれる微粒子の直径が５μｍ程度であることから、上式より前記最大高さＲｚｈ及び最大高さＲｚｂが１０μｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
また、ＸＹ方向へのステージ部１は、間にスペーサー８を挟む形で支持部９上にネジ止め固定されている。
【００５１】
ＸＹ方向へのステージ部１および支持部９の材質は、この位置決め装置Ｍ１によって駆動されることが想定される最大質量のサンプル１３を、Ｚ軸方向にこの位置決め装置Ｍ１で使用される最大加速度で駆動したときに、発生する応力によってこの位置決め装置Ｍ１のＺ軸方向の分解能以上に変位しない程度の高いヤング率を有していることが必要である。また、支持部９の質量は同様の条件で駆動したときに、この位置決め装置のＺ軸方向の分解能以上にＺ軸方向に動かない程度に重いことが必要である。
【００５２】
なお、本実施例の位置決め装置Ｍ１に用いられる粘性剤１０としては、グリースや潤滑油が挙げられ、これらに含まれる微粒子の直径が５μｍ以下であり、間隙から流れ出さない程度の粘度を有し、稠度が３００（１／１０ｍｍ）以下であるものが好ましく用いられる。
【００５３】
また、本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー変位検出部１９より得られた測定データが制御部２０に送られ、イメージデータ生成部２３に送られてイメージ化され、これが表示部２４に表示されることは言うまでもない。
【００５４】
さらにまた、走査型プローブ顕微鏡の構造としては、本実施例のようにサンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する構造ではなく、カンチレバー１４を本実施例の位置決め装置によりＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する構造としても良い。また、カンチレバー１４の変位量を検出する方法についても、上述した光テコ方式に限らず、歪ゲージを蒸着したカンチレバーを用いてカンチレバーの変位を検出する方式でも良く、さらにカンチレバーを使用せずトンネル電流を使用する走査型トンネル顕微鏡としても良い。
【００５５】
なお、カンチレバー１４を本実施例の位置決め装置によりＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する構造とした場合においては、従来のようにサンプル１３の質量の１／２乗に反比例する共振周波数が低下することもなく、共振周波数の制限を受けなくなる。
【００５６】
また、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、Ｚ軸方向の駆動素子７の一端側のみが伸縮するため、従来のように駆動素子を駆動する電流を２倍にする必要も無く、電流量が小さくてすむので電源を比較的小さいものと出来、コスト低減が達成される。
【００５７】
従って、本実施例で述べた位置決め装置及びこれを用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、以下のような効果が生じる。
【００５８】
１．ＸＹ方向への被駆動部３にＺ軸方向の駆動素子が載せられた構成の位置決め装置においては、Ｚ軸方向に駆動した際にＸＹ方向への被駆動部３に加わる力によりＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動する問題があるが、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、ＸＹ方向への被駆動部３を第１，２の弾性支持体４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂだけではなく粘性剤１０を介して支持部９へＺ軸方向に対して支える構造としているため、前記ＸＹ方向への被駆動部３が粘性剤１０の粘性により支持部９に対して密着するように固定されることから、位置決め装置のＸＹ方向への被駆動部３が支持部９に密着せず、浮いているような状態と比較して、Ｚ軸方向の駆動素子７を駆動したときに、ＸＹ方向への被駆動部３に加わる力によって前記ＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動する振幅が減少する。
【００５９】
２．また、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、ＸＹ方向への被駆動部３を第１，２の弾性支持体４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂだけではなく粘性剤１０を介して支持部９へＺ軸方向に対して支える構造としているため、前記ＸＹ方向への被駆動部３が粘性剤１０の粘性により支持部９に対して密着するように固定されることから、前記ＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向への剛性が高くなり、Ｚ軸方向の振動モードの共振周波数が向上する。すなわち、Ｚ軸方向への共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化する。通常、このような形状の位置決め装置の外形はＸＹ方向の長さがＺ軸方向の長さよりも長いため、１次モードの共振はＺ軸方向への振動モードとなることが多いが、そのＺ軸方向への振動の共振周波数が向上するため、位置決め装置Ｍ１全体の制御帯域を制限する１次モードの共振周波数が向上することとなる。
【００６０】
３．従来のＸＹ方向への被駆動部３にＺ軸方向の駆動素子が載せられた構成の位置決め装置では、低次の振動モードの方向がＸＹＺ軸方向の合成方向であったり、Ｚ軸方向を軸とした回転方向であったりすることがあった。このような回転方向であった場合、凹凸のあるサンプル面と完全に平行ということはないため、これらの低次の振動モードが存在することにより高速で駆動したいＺ軸方向の制御帯域が制限されることがあった。しかし、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、薄く充填された粘性剤１０を介してＸＹ方向への被駆動部３が支持部９に密着しており、粘性剤１０の粘性によりＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に浮き上がることが無くなり、ＸＹ方向への被駆動部３の振動方向がＸＹ平面に拘束されることになる。そのため低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００６１】
従って、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、Ｚ軸方向の駆動素子７が配されるＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向への振動の振幅が減少する上、Ｚ軸方向への振動の共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化し、位置決め装置Ｍ１全体の制御帯域を制限するＺ軸方向への振動の共振周波数が向上し、且つ低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなることから、位置決め装置Ｍ１全体における制御可能な周波数帯域が向上し、高速駆動するＺ軸方向の応答性が向上する。
【００６２】
このような本実施例の位置決め装置Ｍ１を用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、サンプル１３を複数軸方向に移動させて、例えばサンプル１３の表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル１３表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を拡大することができ、高速な測定が可能となる。
【００６３】
なお、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、前記ＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動すると、粘性剤１０が支持部９とＸＹ方向への被駆動部３の間隙から押し出されることとなるが、粘性剤１０は５０μｍ以下の薄さで配されており、粘性剤１０の粘性抵抗による摩擦が大きく、押し出される量が非常に少なく、粘性剤１０を損失しにくいことからＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動する振幅を長期間に渡って抑えることが可能である。
【実施例２】
【００６４】
以下、本発明の第２の実施例について図１、図６及び図７を用いて説明する。本実施例の走査型プローブ顕微鏡は実施例１の走査型プローブ顕微鏡と略同一な構成を有するものである。
【００６５】
本実施例の走査型プローブ顕微鏡は図１に示すように、主に、被対象物であるサンプル１３に近接又は接触するプローブＰと、サンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させることによりサンプル１３の位置決めを行う位置決め装置Ｍ１の代わりに図６及び図７に示す位置決め装置Ｍ２により構成される。
【００６６】
プローブＰの構成及び位置決め装置Ｍ２の駆動機構、測定結果の表示機構は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００６７】
位置決め装置Ｍ２は図６及び図７（図６は位置決め装置Ｍ２の平面図を示し、図６中にはＸ，Ｙ軸方向のみを示すが、Ｚ軸方向は紙面と直交する方向である。図７は位置決め装置Ｍ２のＢ−Ｂ断面図を示し、図７中にはＸ，Ｚ軸方向のみを示すが、Ｙ軸方向は紙面と直交する方向である。）に示されるように実施例１の位置決め装置Ｍ１と略同様の構成を有するものであり、同一の部材には実施例１と同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６８】
本実施例の位置決め装置Ｍ２においては、ＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向の駆動素子７が配される第１の面１ａ側に凹部２６を設け、前記凹部２６内に前記Ｚ軸方向の駆動素子７が配されてなり、前記ＸＹ方向への被駆動部３と前記Ｚ軸方向の駆動素子７とサンプル（図示は省略する）の全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されている。
【００６９】
また、本実施例においては、凹部２６内に配されるＺ軸方向の駆動素子７を第１の面１ａ側に板バネ１１で上から押さえつけてＺ軸方向への駆動素子７を凹部２６内に固定するようにしている。なお、Ｚ軸方向の駆動素子７のＺ軸方向の上面が板バネ１１のＺ軸方向の上面よりも低い位置になるため、サンプルを載置する載置台１２をＺ軸方向の駆動素子７の上面に接着固定している。
【００７０】
従って、本実施例で述べた位置決め装置及びこれを用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、以下のような効果が生じる。
【００７１】
１．本実施例の位置決め装置Ｍ２においては、ＸＹ方向への被駆動部３とＺ軸方向の駆動素子７とサンプルの全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることから、ＸＹ方向へ駆動した際にＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に捩れるように動くことを防止でき、ＸＹ方向への動作によって生じるＺ軸方向へのクロストークを防止することができ、低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きの混入が更に抑えられ、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００７２】
２．本実施例の位置決め装置Ｍ２においては、ＸＹ方向への被駆動部３とＺ軸方向の駆動素子７とサンプルの全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることから、ＸＹ方向へ駆動した際にＺ軸方向の駆動素子７がＸＹ方向に倒れる方向の振動が生じることを防止することができ、Ｚ軸方向の振動へのＸＹ方向のクロストークの混入を防止することができ、Ｚ軸方向の応答性の精度を更に向上することができる。
【００７３】
このような本実施例の位置決め装置Ｍ２を用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、サンプル１３を複数軸方向に移動させて、例えばサンプル１３の表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル１３表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が更に高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を更に拡大することができ、更に高速な測定が可能となる。
【００７４】
本実施例の位置決め装置Ｍ２及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡においても、実施例１で示した位置決め装置Ｍ１及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡により得られた効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に関わる位置決め装置を使用した走査型プローブ顕微鏡の概略図である。
【図２】本発明に係る第１の実施例における位置決め装置Ｍ１を示す平面図である。なお図２中にはＸ，Ｙ軸方向のみを示すが、Ｚ軸方向は紙面と直交する方向である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図、即ち位置決め装置Ｍ１のＡ−Ａ断面図である。なお、図３中にはＸ，Ｚ軸方向のみを示すが、Ｙ軸方向は紙面と直交する方向である。
【図４】本発明に係る第１の実施例における位置決め装置Ｍ１を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る第１の実施例における位置決め装置Ｍ１に使用されるスペーサーの形状を示す平面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施例における位置決め装置を示す平面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ ＸＹ方向へのステージ部
２ 固定部
３ ＸＹ方向への被駆動部
５ Ｘ軸方向の駆動素子
６ Ｙ軸方向の駆動素子
７ Ｚ軸方向の駆動素子
８ スペーサー
９ 支持部
１０ 粘性剤
１１ 板バネ
１２ 載置台
１３ サンプル
１４ カンチレバー
１５ カンチレバー加振部
１６ 加振電源
１７ レーザー光照射部
１８ フォトディテクタ
１９ カンチレバー変位検出部
２０ 制御部
２１ ＸＹ駆動電源
２２ Ｚ駆動電源
２３ イメージデータ生成部
２４ 表示部
２５ 探針
２６ 凹部
４０ａ，４０ｂ 第１の弾性支持体
４１ａ，４１ｂ 第２の弾性支持体
Ｍ１，Ｍ２ 位置決め装置
Ｐ プローブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動素子を用いて被対象物を第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向及びこれら第１の方向と第２の方向に対して直交する第３の方向に移動させることにより前記被対象物の位置決めを行う位置決め装置、及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡とは、自由端に先鋭化した探針を有するカンチレバーと、カンチレバーと被測定物（以下、サンプルと称する。）の相対位置を微小移動させる移動機構を備えており、探針先端とサンプルとの間に働く相互作用によるカンチレバーの自由端の変位を検出しながら、探針をサンプル表面に沿って、第１の方向（以下、Ｘ軸方向と称する。）及びこれに直交する第２の方向（以下、Ｙ軸方向と称する。）を含む面方向、すなわちサンプル表面に水平な面方向（以下、ＸＹ方向と称する。）に走査し、サンプルの表面形状や物性などの情報を３次元的に測定する装置である。走査型プローブ顕微鏡によってサンプルの表面形状を測定する際には、ＸＹ方向に走査しながらカンチレバーのたわみ量からサンプルと探針の間隔を測定し、サンプルと探針の間隔が一定になるようにＸＹ方向と直交する方向、すなわちサンプル表面に垂直な方向（以下、Ｚ軸方向と称する。）に動かすことで、Ｚ軸方向の移動量からサンプルの表面形状を測定する（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
前記の走査型プローブ顕微鏡の移動機構として主に圧電素子を使用した位置決め装置が用いられるが、前述のようにサンプルと探針の相対位置を移動して表面形状に追従させて測定するため、走査型プローブ顕微鏡で用いる位置決め装置はＸＹ方向へはサンプル面に沿って所定の速度で走査するだけでよいが、Ｚ軸方向へはサンプル表面の微細な凹凸に追従しなければならないため、サンプル表面の傾斜によってＸＹ方向よりも高速な応答性が求められる。
【０００４】
しかしながら、複数軸方向へ駆動する位置決め装置の応答性は、前記位置決め装置を構成する高速で駆動したい軸方向への機構のみではなく低速で駆動する軸方向への機構を含めた位置決め装置全体の共振周波数によって決定される。そのため、複数軸を組み合わせた位置決め装置の場合、特定方向のみに高速に駆動するということができなくなる。
【０００５】
そのため、従来の走査型プローブ顕微鏡では、Ｚ軸方向への応答性を向上させるためにＸＹ方向とＺ軸方向の２つの移動機構をサンプル側とカンチレバー側に分離する方法（特許文献１を参照。）や、高速駆動する移動機構にその反作用を打ち消すように駆動素子を取り付けるカウンターバランス方式（特許文献２を参照。）が使われている。しかし、前者の例ではサンプルをＸＹ方向に駆動した際にサンプルの位置ずれが生じる場合があることや、質量の大きなサンプルでは質量の１／２乗に反比例して共振周波数が低下するため高速にＸＹ方向に駆動させることができないといった問題がある。また、後者の例ではカウンターバランスとなる駆動素子をもう一つ追加することとなるため、その駆動素子を駆動するために合計で２倍の電流が必要となり、２つの電源または２倍の容量を持つ電源が必要になるという問題がある。
【非特許文献１】特許庁ホームページ ＨＯＭＥ＞資料室（その他参考情報）＞標準技術集＞表面構造の原子領域分析（技術内容、図１、図２）
【特許文献１】特開平１０−３３９７３５号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−３３０４２５号公報（第４−５頁、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数軸方向へ駆動する位置決め装置において、高速駆動する移動機構を低速駆動する移動機構と組み合わせた際にクロストークによって高速駆動する軸方向の共振周波数が低下することを防止し、全体における制御可能な周波数帯域を向上することにより高速駆動する軸方向の応答性を向上し、高速な測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡に好適な位置決め装置及びこれを用いた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】
【０００７】
本願の第１の発明は、第１の方向(以下、Ｘ軸方向と称する)と該Ｘ軸方向に直交する第２の方向（以下、Ｙ軸方向と称する）を含む面の略中央に平面略正方形をなし、少なくともその一辺に前記Ｘ軸方向に撓む第１の弾性支持体と前記少なくとも一辺に直交する少なくとも一辺に前記Ｙ軸方向に撓む第２の弾性支持体を有する第１，２の方向（以下、ＸＹ方向と称する）への被駆動部を有し、略板状をなすＸＹ方向へのステージ部と、前記Ｘ軸方向に伸縮し、その一端が前記第１の弾性支持体を押圧する第１の駆動素子（以下、Ｘ軸方向の駆動素子と称する）と、前記Ｙ軸方向に伸縮し、その一端が前記第２の弾性支持体を押圧する第２の駆動素子（以下、Ｙ軸方向の駆動素子と称する）と、前記ＸＹ方向への被駆動部の第１の面側にその一端が配され、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する第３の方向（以下、Ｚ軸方向と称する）に伸縮する第３の駆動素子（以下、Ｚ軸方向の駆動素子と称する）と、前記ＸＹ方向へのステージ部の前記Ｚ軸方向の駆動素子が配される前記第１の面と相対向する第２の面側を、その対向面が前記第２の面に平行に相対向するように前記ＸＹ方向へのステージ部を支持する支持部よりなり、前記Ｚ軸方向の駆動素子の前記ＸＹ方向への被駆動部と反対側の端部側に被対象物（以下、サンプルと称する）を載置し、前記Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向の駆動素子をそれぞれの方向に伸縮させることにより、前記サンプルを前記Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向に移動させることにより前記サンプルの位置決めを行う位置決め装置において、
前記ＸＹ方向へのステージ部の前記第２の面の少なくとも前記ＸＹ方向への被駆動部に対応する面と、これに相対向する前記支持部の対向面の間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤が注入されていることを特徴とするものである。
【０００８】
なお、前記ＸＹ方向への被駆動部に第１，２の弾性支持体を介して固定部が配されてなり、これらＸＹ方向への被駆動部と固定部と第１の弾性支持体及び第２の弾性支持体は、単一の金属ブロックなどから作製される一体構造をなし、それぞれのＺ軸方向の上面と下面はつぎ目の無い平面であることが好ましい。このような一体成形は、放電加工等にて達成できる。
【０００９】
また、前記Ｚ軸方向の駆動素子はＸＹ方向への被駆動部の第１の面上に接着固定され、Ｚ軸方向の駆動素子はＸＹ方向への被駆動部の支持部への対向面の外周縁からＺ軸方向への垂線に囲まれた内側に固定されるものとし、Ｚ軸方向の駆動素子の重心が、ＸＹ方向への被駆動部の重心のＺ軸方向の直上に位置することが望ましい。
【００１０】
さらに、本願の第２の発明は、前記位置決め装置において、前記間隙の厚さが５〜５０μｍとなされていることを特徴とするものである。より好ましくは、１０〜３０μｍである。
【００１１】
前記間隙が５０μｍよりも厚いとＸＹ方向へのステージ部と支持部との間隔が離れすぎて、粘性剤が流動してしまい、Ｚ軸方向に駆動したときにＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動し、ＸＹ方向への被駆動部のＺ軸方向への振幅が増大するため、好ましくない。また、前記間隙の厚さが５μｍよりも小さいと粘性剤の注入が困難となるめ好ましくない。
【００１２】
さらに本願の第３の発明は、先述の位置決め装置において、前記ＸＹ方向へのステージ部のＸＹ方向への被駆動部以外及び第１，２の弾性支持体以外の部分に対応する第２の面と前記支持部の対向面の間にスペーサーが配され、前記スペーサーの厚さが５０μｍ以下であり、且つ前記粘性剤に含まれる微粒子の直径をｒとしたときに、ｒ＋（Ｒｚｂ＋Ｒｚｈ）÷２よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、Ｒｚｈは前記ＸＹ方向への被駆動部の前記第２の面の凹凸の最大高さ及びＲｚｂはその対向面となる前記支持部の凹凸の最大高さであり、いずれも表面粗さを表す。これらは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さＹｐと最も低い谷底までの深さＹｖとの和により示されるものである。なお、本発明においては、前記基準長さｌを本発明の位置決め装置のＸ軸方向およびＹ軸方向への最大変位量と規定することとする。
【００１４】
前記スペーサーの厚さは前記間隙の厚さを５０μｍ以下とするために５０μｍ以下とし、また実験の結果、前記スペーサーの厚さが５０μｍよりも厚いとＸＹ方向への被駆動部と支持部の間の間隙が広くなり、その間隙に充填された粘性剤が容易にＸＹ方向に流れてしまうため、スペーサーの厚さは５０μｍ以下であるとする。さらにＸＹ方向への被駆動部と支持部の間隔が粘性剤に含まれる微粒子の直径よりも狭くなる部分が生じないために、スペーサーの厚さの下限を上述のような関係式により規定している。
【００１５】
さらに本願の第４の発明は、上述の位置決め装置において、前記ＸＹ方向への被駆動部の前記Ｚ軸方向の駆動素子が配される前記第１の面側に凹部を設け、前記凹部内に前記Ｚ軸方向の駆動素子が配されてなり、前記ＸＹ方向への被駆動部と前記Ｚ軸方向の駆動素子と前記サンプルの全体の重心が、前記Ｘ軸方向の駆動素子及びＹ軸方向の駆動素子のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることを特徴とするものである。
【００１６】
さらにまた、本願の第５の発明は、上述の位置決め装置において、前記粘性剤がグリースであること、第６の発明は、前記粘性剤が潤滑油であること、第７の発明は、前記粘性剤がゲル状物質であることを特徴とするものである。なお、前記グリースまたは粘性剤としては、含まれる微粒子の直径が５μｍ以下であり、間隙から流れ出さない程度の粘度を有し、稠度が３００（１／１０ｍｍ）以下であるものが好ましい。また、前記ゲル状物質としては、シリコーンゲルが挙げられる。ただし、ゲルの場合は、高粘度であるため、駆動時の抵抗が大きくなるために留意が必要となる。
【００１７】
さらにまた、本願の第８の発明は、前記位置決め装置において、間隙の厚さは５〜５０μｍであることが好ましいことから、前記位置決め装置の前記第２の面と前記支持部の対向面の間に前記グリースまたは粘性剤に含まれる微粒子が挟まれることを防止するために、ＸＹ方向への被駆動部の前記第２の面の表面粗さを表す最大高さをＲｚｈとし、前記支持部の対向面の表面粗さを示す最大高さをＲｚｂとしたときに、Ｒｚｈは１０μｍ以下であり、Ｒｚｂは１０μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本願の第９の発明は、サンプルに近接又は接触させるプローブと、前記サンプルをＸ軸方向と前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向及びこれらＸ軸方向とＹ軸方向に対して直交するＺ軸方向に移動させることにより前記サンプルの位置決めを行う位置決め装置よりなる走査型プローブ顕微鏡において、前記位置決め装置として、上述した位置決め装置のうちいずれかを用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る位置決め装置においては、ＸＹ方向への被駆動部の支持部への平滑な対向面である第２の面と、前記支持部の平滑な対向面を、所定の厚さの間隙をあけて相対向させ、前記間隙に粘性剤を注入して支持部上にＸＹ方向への被駆動部を固定し、前記ＸＹ方向への被駆動部の前記支持部への対向面と相対向する第１の面側に高速駆動するＺ軸方向への駆動素子を配している。
【００２０】
本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、前記ＸＹ方向への被駆動部が粘性剤の粘性により支持部に対して密着するように固定されることとなり、位置決め装置のＸＹ方向への被駆動部が支持部に密着せず、浮いているような状態と比較して、Ｚ軸方向の駆動素子を駆動したときに、ＸＹ方向への被駆動部に加わる力によって前記ＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動する振幅が減少する。
【００２１】
本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、前記ＸＹ方向への被駆動部が粘性剤の粘性により支持部に対して密着するように固定されることとなり、前記ＸＹ方向への被駆動部のＺ軸方向への剛性が高くなり、Ｚ軸方向の振動モードの共振周波数が向上する。すなわち、Ｚ軸方向への振動の共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化する。通常、このような形状の位置決め装置の外形はＸＹ方向の長さがＺ軸方向の長さよりも長いため、１次モードの共振はＺ軸方向への振動モードとなることが多いが、そのＺ軸方向への振動の共振周波数が向上するため、位置決め装置全体の制御帯域を制限する１次モードの共振周波数が向上することとなる。
【００２２】
さらに、本発明の位置決め装置においては、間隙に薄く充填された粘性剤を介してＸＹ方向への被駆動部が支持部に密着することとなるため、粘性剤の粘性によりＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に浮き上がることが無くなり、ＸＹ方向への被駆動部の振動方向がＸＹ平面に拘束されることになる。そのため低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００２３】
従って、本発明の位置決め装置においては、Ｚ軸方向の駆動素子が配されるＸＹ方向への被駆動部のＺ軸方向への振動の振幅が減少する上、Ｚ軸方向への振動の共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化し、位置決め装置全体の制御帯域を制限するＺ軸方向への振動の共振周波数が向上し、且つ低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなることから、位置決め装置全体における制御可能な周波数帯域が向上し、高速駆動するＺ軸方向の応答性が向上する。
【００２４】
このような本発明の位置決め装置を用いた走査型プローブ顕微鏡においては、サンプルを複数軸方向に移動させて、例えばサンプルの表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を拡大することができ、高速な測定が可能となる。
【００２５】
また、本発明に係る位置決め装置においては、前記ＸＹ方向への被駆動部の前記Ｚ軸方向の駆動素子が配される前記第１の面側に凹部を設け、前記凹部内に前記Ｚ軸方向の駆動素子が配されてなり、前記ＸＹ方向への被駆動部と前記Ｚ軸方向の駆動素子とこのＺ軸方向の上側に配されるサンプルの全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子及びＹ軸方向の駆動素子のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されている。
【００２６】
本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、ＸＹ方向へ駆動した際にＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に捩れるように動くことを防止でき、ＸＹ方向への動作によって生じるＺ軸方向へのクロストークを防止することができ、低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きの混入が更に抑えられ、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００２７】
また、本発明の位置決め装置においては、このような構造を有することから、ＸＹ方向へ駆動した際にＺ軸方向の駆動素子７がＸＹ方向に倒れる方向の振動が生じることを防止することができ、Ｚ軸方向の振動へのＸＹ方向のクロストークの混入を防止することができ、Ｚ軸方向の応答性の精度を更に向上することができる。
【００２８】
このような本発明の位置決め装置を用いた本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、サンプルを複数軸方向に移動させて、例えばサンプルの表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を拡大することができ、高速な測定が可能となる。
【００２９】
なお、本発明の位置決め装置においては、前記ＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動すると、粘性剤が支持部とＸＹ方向への被駆動部の間隙から押し出されることとなるが、粘性剤は５０μｍ以下の薄さで配されており、粘性剤の粘性抵抗による摩擦が大きく、押し出される量が非常に少なく、粘性剤を損失しにくいことからＸＹ方向への被駆動部がＺ軸方向に振動する振幅を長期間に渡って抑えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
【実施例１】
【００３１】
以下、本発明に係る位置決め装置及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡の第１の実施例について図１〜図５を用いて説明する。
【００３２】
本実施例の走査型プローブ顕微鏡は図１に示すように、主に、被対象物であるサンプル１３に近接又は接触するプローブＰとサンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向（図１中にはＸ，Ｚ軸方向のみを示すが、Ｙ軸方向は紙面と直交する方向である。）に移動させることによりサンプル１３の位置決めを行う位置決め装置Ｍ１により構成される。
【００３３】
プローブＰは図示するように自由端に先鋭化した探針２５を有するカンチレバー１４とカンチレバー１４に振動を与えるカンチレバー加振部１５、カンチレバー加振部１５を駆動させるための加振電源１６により構成される。
【００３４】
一方、位置決め装置Ｍ１は図１〜５に示すように、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面の略中央に平面略正方形をなし、相対向する２辺にＸ軸方向に撓む第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂと相対向する２辺にＹ軸方向に撓む第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂを有するＸＹ方向への被駆動部３を有し、前記ＸＹ方向への被駆動部３の周辺に第１，２の弾性支持体４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂを介して配される固定部２を有し、略板状をなすＸＹ方向へのステージ部１と、Ｘ軸方向に伸縮し、その一端が前記第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂを押圧するＸ軸方向の駆動素子５と、Ｙ軸方向に伸縮し、その一端が前記第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂを押圧するＹ軸方向の駆動素子６と、ＸＹ方向への被駆動部３の第１の面３ａ側にその一端が配され、Ｚ軸方向に伸縮するＺ軸方向の駆動素子７と、ＸＹ方向へのステージ部１のＺ軸方向の駆動素子７が配される第１の面１ａと相対向する第２の面１ｂ側を、その対向面９ａが前記第２の面１ｂに平行に相対向するようにＸＹ方向へのステージ部１を支持する支持部９よりなる。
【００３５】
このとき、前記第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂ及び前記第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂは、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６の駆動により、ＸＹ方向への被駆動部３にＸ軸方向又はＹ軸方向に力が加わった時に各軸が独立して変位し、その駆動方向をＸＹ方向に拘束すると共にＸＹ方向のクロストークを防止する機能を有している。
【００３６】
また、ＸＹ方向への被駆動部３と固定部２と第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂ及び第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂは、単一の金属ブロックなどから放電加工により作製される一体構造をなし、それぞれのＺ軸方向の上面と下面はつなぎ目の無い同一の平面であることが好ましい。これは、固定部２とＸＹ方向への被駆動部３の間に機械的摩擦が存在するとナノメートルレベルでの反復駆動が不可能となるため、固定部２とＸＹ方向への被駆動部３の間に摩擦面が存在しないようにするためである。
【００３７】
なお、ＸＹ方向へのステージ部１の固定部２には、第１の弾性支持体４０ａ及び第２の弾性支持体４１ａに隣接するように貫通孔が設けられ、この各貫通孔内にそれぞれＸ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６が配設されている。これらＸ，Ｙ，Ｚ方向の駆動素子５，６，７としては、電圧を印加することにより伸長する複数の圧電素子を積層したピエゾ素子等の積層型圧電素子を用いることが望ましい。
【００３８】
また、前記Ｚ軸方向の駆動素子７はＸＹ方向への被駆動部３の第１の面３ａ上に接着固定され、Ｚ軸駆動素子７はＸＹ方向への被駆動部３の支持部９への対向面の外周縁からＺ軸方向への垂線に囲まれた内側に固定されるものとし、Ｚ軸方向の駆動素子７の重心が、ＸＹ方向への被駆動部３の重心のＺ軸方向の直上に位置することが望ましい。このような構成とすることで、ＸＹ方向への被駆動部３がＸＹ方向に駆動した場合にＺ軸方向の駆動素子７のＸＹ方向への振動が混入することが抑えられ、より精度の高い制御が可能となる。
【００３９】
そして、サンプル１３はＺ軸方向への駆動素子７の上に載置され、その直上にカンチレバー１４の自由端に配される探針２５がサンプル１３に近接又は接触させるように配されている。カンチレバー１４にはレーザー光照射部１７からレーザー光が照射され、カンチレバー１４から反射されたレーザー光はフォトディテクタ１８に入射し、この入射位置からカンチレバー１４の変位量がカンチレバー変位検出部１９で検出される。このような変位量の検出方法は光テコ方式と呼ばれる。カンチレバー変位検出部１９で検出されたカンチレバー１４の変位量に基づき制御部２０でＺ軸方向の駆動素子７の制御信号がＺ駆動電源２２に出力されＺ軸方向への駆動素子７が駆動される。また、ＸＹ方向についても制御部２０から制御信号がＸＹ駆動電源２１に出力されＸ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６が駆動される。
【００４０】
このように本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、Ｘ方向の駆動素子５を駆動させて、第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂを押圧し、これら第１の弾性支持体４０ａ，４０ｂをＸ軸方向に撓ませると共に、Ｙ軸方向の駆動素子６を駆動させて、第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂを押圧し、これら第２の弾性支持体４１ａ，４１ｂをＹ軸方向に撓ませることにより、各軸を独立して変位させてＸＹ方向への被駆動部３の位置を変化させてＸＹ方向への被駆動部３上に配されるＺ軸方向の駆動素子７上に載置されたサンプル１３をＸＹ方向に移動させる。また、サンプル１３はＺ軸方向の駆動素子７上に配されていることからＺ軸方向の駆動素子７の伸縮によりＺ軸方向において移動する。従って、このような構成により、サンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させてサンプル１３の位置決めを行う。
【００４１】
ここで、Ｘ軸方向の駆動素子５とＹ軸方向の駆動素子６は、図１〜３に示すようにそれぞれその一端が第１の弾性支持体４０ａ，第２の弾性支持体４１ａに接し、他端が固定部２に接するようにして固定されることとなるが、これらＸ軸方向の駆動素子５とＹ軸方向の駆動素子６は、特に図３に示すようにＸＹ方向へのステージ部１の第２の面１ｂよりも高くなるように固定されており、支持部９へ接触しないようになされ、その駆動が妨げられないようになされている。
【００４２】
そして本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、ＸＹ方向へのステージ部１の第２の面１ｂの少なくともＸＹ方向への被駆動部３に対応する面と、これに相対向する支持部９の対向面９ａの間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤１０が注入されている。
【００４３】
さらに、前記間隙の厚さは、５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍがより好ましい。
【００４４】
実験の結果、前記間隙が５μｍより小さいと粘性剤の注入が非常に困難となり本発明の効果が得られにくくなること、また、前記間隙が５０μｍよりも大きいとＸＹ方向へのステージ部１と支持部９との間隔が離れすぎて、粘性剤１０が流動してしまい、Ｚ軸方向に駆動したときにＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動し、ＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向への振幅が増大するためである。
【００４５】
さらにまた、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、図３及び図５に示すように前記ＸＹ方向へのステージ部１のＸＹ方向への被駆動部３以外及び上述の貫通孔以外の部分、すなわち固定部２に対応する第２の面１ｂと前記支持部９の対向面９ａの間にスペーサー８が配され、前記スペーサー８の厚さが５０μｍ以下であり、且つ前記粘性剤１０に含まれる微粒子の直径をｒとしたときに、ｒ＋（Ｒｚｂ＋Ｒｚｈ）÷２よりも大きくなるようになされている。
【００４６】
前記最大高さＲｚｈ及び最大高さＲｚｂは、表面粗さを示すものであり、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さＹｐと最も低い谷底までの深さＹｖとの和により示されるものである。なお、本発明においては、前記基準長さｌを本発明の位置決め装置のＸ軸方向およびＹ軸方向への最大変位量と規定することとする。
【００４７】
なお、粘性剤１０として多用されるグリース等に含まれる微粒子の直径は５μｍ程度であることから、ＸＹ方向へのステージ部１の第２の面１ｂの表面粗さを表す最大高さＲｚｈおよび支持部９のＸＹ方向へのステージ部１を固定する対向面９ａの表面粗さを表すＲｚｂは、表面の凹凸の山となる部分が微粒子の直径よりも低くなり、谷となる部分が微粒子の直径よりも浅くなるために１０μｍ以下であることが目安となる。
【００４８】
前記スペーサー８の厚さは、実験の結果、５０μｍよりも厚いとＸＹ方向への被駆動部３と支持部９の間の間隙が広くなり、その間隙に充填された粘性剤１０が容易にＸＹ方向に流れてしまい、Ｚ軸方向の駆動素子７を駆動したときにＸＹ方向への被駆動部３が振動してしまうためである。さらにＸＹ方向への被駆動部３と支持部９の間隔が粘性剤１０に含まれる微粒子の直径よりも狭くなる部分が生じないために、スペーサー８の厚さの下限を上述のような関係式により規定している。
【００４９】
実験の結果、前記間隙の厚さは５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍがより好ましく、汎用的なグリースに含まれる微粒子の直径が５μｍ程度であることから、上式より前記最大高さＲｚｈ及び最大高さＲｚｂが１０μｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
また、ＸＹ方向へのステージ部１は、間にスペーサー８を挟む形で支持部９上にネジ止め固定されている。
【００５１】
ＸＹ方向へのステージ部１および支持部９の材質は、この位置決め装置Ｍ１によって駆動されることが想定される最大質量のサンプル１３を、Ｚ軸方向にこの位置決め装置Ｍ１で使用される最大加速度で駆動したときに、発生する応力によってこの位置決め装置Ｍ１のＺ軸方向の分解能以上に変位しない程度の高いヤング率を有していることが必要である。また、支持部９の質量は同様の条件で駆動したときに、この位置決め装置のＺ軸方向の分解能以上にＺ軸方向に動かない程度に重いことが必要である。
【００５２】
なお、本実施例の位置決め装置Ｍ１に用いられる粘性剤１０としては、グリースや潤滑油が挙げられ、これらに含まれる微粒子の直径が５μｍ以下であり、間隙から流れ出さない程度の粘度を有し、稠度が３００（１／１０ｍｍ）以下であるものが好ましく用いられる。
【００５３】
また、本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバー変位検出部１９より得られた測定データが制御部２０に送られ、イメージデータ生成部２３に送られてイメージ化され、これが表示部２４に表示されることは言うまでもない。
【００５４】
さらにまた、走査型プローブ顕微鏡の構造としては、本実施例のようにサンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する構造ではなく、カンチレバー１４を本実施例の位置決め装置によりＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する構造としても良い。また、カンチレバー１４の変位量を検出する方法についても、上述した光テコ方式に限らず、歪ゲージを蒸着したカンチレバーを用いてカンチレバーの変位を検出する方式でも良く、さらにカンチレバーを使用せずトンネル電流を使用する走査型トンネル顕微鏡としても良い。
【００５５】
なお、カンチレバー１４を本実施例の位置決め装置によりＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する構造とした場合においては、従来のようにサンプル１３の質量の１／２乗に反比例する共振周波数が低下することもなく、共振周波数の制限を受けなくなる。
【００５６】
また、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、Ｚ軸方向の駆動素子７の一端側のみが伸縮するため、従来のように駆動素子を駆動する電流を２倍にする必要も無く、電流量が小さくてすむので電源を比較的小さいものと出来、コスト低減が達成される。
【００５７】
従って、本実施例で述べた位置決め装置及びこれを用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、以下のような効果が生じる。
【００５８】
１．ＸＹ方向への被駆動部３にＺ軸方向の駆動素子が載せられた構成の位置決め装置においては、Ｚ軸方向に駆動した際にＸＹ方向への被駆動部３に加わる力によりＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動する問題があるが、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、ＸＹ方向への被駆動部３を第１，２の弾性支持体４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂだけではなく粘性剤１０を介して支持部９へＺ軸方向に対して支える構造としているため、前記ＸＹ方向への被駆動部３が粘性剤１０の粘性により支持部９に対して密着するように固定されることから、位置決め装置のＸＹ方向への被駆動部３が支持部９に密着せず、浮いているような状態と比較して、Ｚ軸方向の駆動素子７を駆動したときに、ＸＹ方向への被駆動部３に加わる力によって前記ＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動する振幅が減少する。
【００５９】
２．また、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、ＸＹ方向への被駆動部３を第１，２の弾性支持体４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂだけではなく粘性剤１０を介して支持部９へＺ軸方向に対して支える構造としているため、前記ＸＹ方向への被駆動部３が粘性剤１０の粘性により支持部９に対して密着するように固定されることから、前記ＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向への剛性が高くなり、Ｚ軸方向の振動モードの共振周波数が向上する。すなわち、Ｚ軸方向への共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化する。通常、このような形状の位置決め装置の外形はＸＹ方向の長さがＺ軸方向の長さよりも長いため、１次モードの共振はＺ軸方向への振動モードとなることが多いが、そのＺ軸方向への振動の共振周波数が向上するため、位置決め装置Ｍ１全体の制御帯域を制限する１次モードの共振周波数が向上することとなる。
【００６０】
３．従来のＸＹ方向への被駆動部３にＺ軸方向の駆動素子が載せられた構成の位置決め装置では、低次の振動モードの方向がＸＹＺ軸方向の合成方向であったり、Ｚ軸方向を軸とした回転方向であったりすることがあった。このような回転方向であった場合、凹凸のあるサンプル面と完全に平行ということはないため、これらの低次の振動モードが存在することにより高速で駆動したいＺ軸方向の制御帯域が制限されることがあった。しかし、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、薄く充填された粘性剤１０を介してＸＹ方向への被駆動部３が支持部９に密着しており、粘性剤１０の粘性によりＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に浮き上がることが無くなり、ＸＹ方向への被駆動部３の振動方向がＸＹ平面に拘束されることになる。そのため低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００６１】
従って、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、Ｚ軸方向の駆動素子７が配されるＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向への振動の振幅が減少する上、Ｚ軸方向への振動の共振周波数が高くなり、Ｚ軸方向の駆動がより高速化し、位置決め装置Ｍ１全体の制御帯域を制限するＺ軸方向への振動の共振周波数が向上し、且つ低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きが含まれなくなり、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなることから、位置決め装置Ｍ１全体における制御可能な周波数帯域が向上し、高速駆動するＺ軸方向の応答性が向上する。
【００６２】
このような本実施例の位置決め装置Ｍ１を用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、サンプル１３を複数軸方向に移動させて、例えばサンプル１３の表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル１３表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を拡大することができ、高速な測定が可能となる。
【００６３】
なお、本実施例の位置決め装置Ｍ１においては、前記ＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動すると、粘性剤１０が支持部９とＸＹ方向への被駆動部３の間隙から押し出されることとなるが、粘性剤１０は５０μｍ以下の薄さで配されており、粘性剤１０の粘性抵抗による摩擦が大きく、押し出される量が非常に少なく、粘性剤１０を損失しにくいことからＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に振動する振幅を長期間に渡って抑えることが可能である。
【実施例２】
【００６４】
以下、本発明の第２の実施例について図１、図６及び図７を用いて説明する。本実施例の走査型プローブ顕微鏡は実施例１の走査型プローブ顕微鏡と略同一な構成を有するものである。
【００６５】
本実施例の走査型プローブ顕微鏡は図１に示すように、主に、被対象物であるサンプル１３に近接又は接触するプローブＰと、サンプル１３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させることによりサンプル１３の位置決めを行う位置決め装置Ｍ１の代わりに図６及び図７に示す位置決め装置Ｍ２により構成される。
【００６６】
プローブＰの構成及び位置決め装置Ｍ２の駆動機構、測定結果の表示機構は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００６７】
位置決め装置Ｍ２は図６及び図７（図６は位置決め装置Ｍ２の平面図を示し、図６中にはＸ，Ｙ軸方向のみを示すが、Ｚ軸方向は紙面と直交する方向である。図７は位置決め装置Ｍ２のＢ−Ｂ断面図を示し、図７中にはＸ，Ｚ軸方向のみを示すが、Ｙ軸方向は紙面と直交する方向である。）に示されるように実施例１の位置決め装置Ｍ１と略同様の構成を有するものであり、同一の部材には実施例１と同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６８】
本実施例の位置決め装置Ｍ２においては、ＸＹ方向への被駆動部３のＺ軸方向の駆動素子７が配される第１の面１ａ側に凹部２６を設け、前記凹部２６内に前記Ｚ軸方向の駆動素子７が配されてなり、前記ＸＹ方向への被駆動部３と前記Ｚ軸方向の駆動素子７とサンプル（図示は省略する）の全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されている。
【００６９】
また、本実施例においては、凹部２６内に配されるＺ軸方向の駆動素子７を第１の面１ａ側に板バネ１１で上から押さえつけてＺ軸方向への駆動素子７を凹部２６内に固定するようにしている。なお、Ｚ軸方向の駆動素子７のＺ軸方向の上面が板バネ１１のＺ軸方向の上面よりも低い位置になるため、サンプルを載置する載置台１２をＺ軸方向の駆動素子７の上面に接着固定している。
【００７０】
従って、本実施例で述べた位置決め装置及びこれを用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、以下のような効果が生じる。
【００７１】
１．本実施例の位置決め装置Ｍ２においては、ＸＹ方向への被駆動部３とＺ軸方向の駆動素子７とサンプルの全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることから、ＸＹ方向へ駆動した際にＸＹ方向への被駆動部３がＺ軸方向に捩れるように動くことを防止でき、ＸＹ方向への動作によって生じるＺ軸方向へのクロストークを防止することができ、低い共振周波数の振動モードにＺ軸方向への動きの混入が更に抑えられ、Ｚ軸方向の制御帯域がＸＹ方向の低い共振周波数によって制限されることが無くなる。
【００７２】
２．本実施例の位置決め装置Ｍ２においては、ＸＹ方向への被駆動部３とＺ軸方向の駆動素子７とサンプルの全体の重心が、Ｘ軸方向の駆動素子５及びＹ軸方向の駆動素子６のＺ軸方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることから、ＸＹ方向へ駆動した際にＺ軸方向の駆動素子７がＸＹ方向に倒れる方向の振動が生じることを防止することができ、Ｚ軸方向の振動へのＸＹ方向のクロストークの混入を防止することができ、Ｚ軸方向の応答性の精度を更に向上することができる。
【００７３】
このような本実施例の位置決め装置Ｍ２を用いた本実施例の走査型プローブ顕微鏡においては、サンプル１３を複数軸方向に移動させて、例えばサンプル１３の表面形状を測定する場合に、微小な凹凸を有するサンプル１３表面を追従し、最も高速な応答性が求められるＺ軸方向の応答性が更に高速化され、Ｚ軸方向の制御帯域を更に拡大することができ、更に高速な測定が可能となる。
【００７４】
本実施例の位置決め装置Ｍ２及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡においても、実施例１で示した位置決め装置Ｍ１及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡により得られた効果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に関わる位置決め装置を使用した走査型プローブ顕微鏡の概略図である。
【図２】本発明に係る第１の実施例における位置決め装置Ｍ１を示す平面図である。なお図２中にはＸ，Ｙ軸方向のみを示すが、Ｚ軸方向は紙面と直交する方向である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図、即ち位置決め装置Ｍ１のＡ−Ａ断面図である。なお、図３中にはＸ，Ｚ軸方向のみを示すが、Ｙ軸方向は紙面と直交する方向である。
【図４】本発明に係る第１の実施例における位置決め装置Ｍ１を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る第１の実施例における位置決め装置Ｍ１に使用されるスペーサーの形状を示す平面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施例における位置決め装置を示す平面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１ ＸＹ方向へのステージ部
２ 固定部
３ ＸＹ方向への被駆動部
５ Ｘ軸方向の駆動素子
６ Ｙ軸方向の駆動素子
７ Ｚ軸方向の駆動素子
８ スペーサー
９ 支持部
１０ 粘性剤
１１ 板バネ
１２ 載置台
１３ サンプル
１４ カンチレバー
１５ カンチレバー加振部
１６ 加振電源
１７ レーザー光照射部
１８ フォトディテクタ
１９ カンチレバー変位検出部
２０ 制御部
２１ ＸＹ駆動電源
２２ Ｚ駆動電源
２３ イメージデータ生成部
２４ 表示部
２５ 探針
２６ 凹部
４０ａ，４０ｂ 第１の弾性支持体
４１ａ，４１ｂ 第２の弾性支持体
Ｍ１，Ｍ２ 位置決め装置
Ｐ プローブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向と該第１の方向に直交する第２の方向を含む面の略中央に平面略正方形をなし、少なくともその一辺に前記第１の方向に撓む第１の弾性支持体と前記少なくとも一辺に直交する少なくとも一辺に前記第２の方向に撓む第２の弾性支持体を有する第１，２の方向への被駆動部を有し、略板状をなす第１，第２の方向のステージ部と、
前記第１の方向に伸縮し、その一端が前記第１の弾性支持体を押圧する第１の駆動素子と、
前記第２の方向に伸縮し、その一端が前記第２の弾性支持体を押圧する第２の駆動素子と、
前記第１，第２の方向の被駆動部の第１の面側にその一端が配され、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に伸縮する第３の駆動素子と、
前記第１，第２の方向のステージ部の前記第３の駆動素子が配される前記第１の面と相対向する第２の面側を、その対向面が前記第２の面に平行に相対向するように前記第１，第２の方向のステージ部を支持する支持部よりなり、
前記第３の駆動素子の前記第１，第２の方向の被駆動部と反対側の端部側に被対象物を載置し、前記第１，２，３の駆動素子をそれぞれの方向に伸縮させることにより、前記被対象物を前記第１，２，３の方向に移動させて、前記被対象物の位置決めを行う位置決め装置において、
前記第１，第２の方向のステージ部の前記第２の面の少なくとも前記第１，第２の方向の被駆動部に対応する面と、これに相対向する前記支持部の対向面の間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤が注入されていることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記間隙の厚さが、５〜５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記第１，第２の方向のステージ部の第１，２の方向の被駆動部以外及び第１，２の弾性支持体以外の部分に対応する第２の面と前記支持部の対向面の間にスペーサーが配され、前記スペーサーの厚さが５０μｍ以下であり、且つ前記粘性剤に含まれる微粒子の直径をｒとしたときに、ｒ＋（Ｒｚｂ＋Ｒｚｈ）÷２よりも大きいことを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記第１，２の方向への被駆動部の前記第３の駆動素子が配される前記第１の面側に凹部を設け、前記凹部内に前記第３の駆動素子が配されてなり、前記第１，２の方向への被駆動部と前記第３の駆動素子と前記被対象物の全体の重心が、前記第１の駆動素子及び第２の駆動素子の第３の方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記粘性剤がグリースであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記粘性剤が潤滑油であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項７】
前記粘性剤がゲル状物質であること特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記間隙が５〜５０μｍであり、前記粘性剤に含まれる微粒子の直径が５μｍ以下であり、前記第１，第２の方向の被駆動部の前記第２の面の表面粗さを表す最大高さをＲｚｈとし、前記支持部の対向面の表面粗さを示す最大高さをＲｚｂとしたときに、Ｒｚｈは１０μｍ以下であり、Ｒｚｂは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項９】
被対象物に近接又は接触させるプローブと、前記被対象物を第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向及びこれら第１の方向と第２の方向に対して直交する第３の方向に移動させることにより前記被対象物の位置決めを行う位置決め装置よりなる走査型プローブ顕微鏡において、
前記位置決め装置が、請求項１から８のいずれかに記載の位置決め装置であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１】
第１の方向と該第１の方向に直交する第２の方向を含む面の略中央に平面略正方形をなし、少なくともその一辺に前記第１の方向に撓む第１の弾性支持体と前記少なくとも一辺に直交する少なくとも一辺に前記第２の方向に撓む第２の弾性支持体を有する第１，２の方向への被駆動部を有し、略板状をなす第１，第２の方向のステージ部と、
前記第１の方向に伸縮し、その一端が前記第１の弾性支持体を押圧する第１の駆動素子と、
前記第２の方向に伸縮し、その一端が前記第２の弾性支持体を押圧する第２の駆動素子と、
前記第１，第２の方向の被駆動部の第１の面側にその一端が配され、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に伸縮する第３の駆動素子と、
前記第１，第２の方向のステージ部の前記第３の駆動素子が配される前記第１の面と相対向する第２の面側を、その対向面が前記第２の面に平行に相対向するように前記第１，第２の方向のステージ部を支持する支持部よりなり、
前記第３の駆動素子の前記第１，第２の方向の被駆動部と反対側の端部側に被対象物を載置し、前記第１，２，３の駆動素子をそれぞれの方向に伸縮させることにより、前記被対象物を前記第１，２，３の方向に移動させて、前記被対象物の位置決めを行う位置決め装置において、
前記第１，第２の方向のステージ部の前記第２の面の少なくとも前記第１，第２の方向の被駆動部に対応する面と、これに相対向する前記支持部の対向面の間が所定の厚さの間隙を有し、前記間隙に粘性剤が注入されていることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記間隙の厚さが、５〜５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記第１，第２の方向のステージ部の第１，２の方向の被駆動部以外及び第１，２の弾性支持体以外の部分に対応する第２の面と前記支持部の対向面の間にスペーサーが配され、前記スペーサーの厚さが５０μｍ以下であり、且つ前記粘性剤に含まれる微粒子の直径をｒとしたときに、ｒ＋（Ｒｚｂ＋Ｒｚｈ）÷２よりも大きいことを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記第１，２の方向への被駆動部の前記第３の駆動素子が配される前記第１の面側に凹部を設け、前記凹部内に前記第３の駆動素子が配されてなり、前記第１，２の方向への被駆動部と前記第３の駆動素子と前記被対象物の全体の重心が、前記第１の駆動素子及び第２の駆動素子の第３の方向において相対向する上面と下面の間に入るように調整されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記粘性剤がグリースであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記粘性剤が潤滑油であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項７】
前記粘性剤がゲル状物質であること特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記間隙が５〜５０μｍであり、前記粘性剤に含まれる微粒子の直径が５μｍ以下であり、前記第１，第２の方向の被駆動部の前記第２の面の表面粗さを表す最大高さをＲｚｈとし、前記支持部の対向面の表面粗さを示す最大高さをＲｚｂとしたときに、Ｒｚｈは１０μｍ以下であり、Ｒｚｂは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項９】
被対象物に近接又は接触させるプローブと、前記被対象物を第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向及びこれら第１の方向と第２の方向に対して直交する第３の方向に移動させることにより前記被対象物の位置決めを行う位置決め装置よりなる走査型プローブ顕微鏡において、
前記位置決め装置が、請求項１から８のいずれかに記載の位置決め装置であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−８６６１（Ｐ２００９−８６６１Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２２６７５（Ｐ２００８−１２２６７５）
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
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