微動素子及び走査型プローブ顕微鏡
【課題】共振周波数をより高周波化した微動素子、並びに、該微動素子を備えて高周波領域での走査を可能とし、スループットを向上させた走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】微動素子１は、電圧を印加することで、所定の固定位置に固定される固定端１ａから自由端１ｂへ延びるＺ軸と、Ｚ軸と略直交する平面を構成する二軸であるＸ軸及びＹ軸との三軸の各方向に、固定端１ａに対して自由端１ｂを変位可能なものであり、Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子２と、Ｘ圧電素子に対してＺ軸方向に配列され、Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子３と、Ｘ圧電素子及びＹ圧電素子に対して自由端側でＺ軸方向に配列するとともに、Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子４とが一体となって構成され、Ｚ軸に略直交する断面積が固定端１ａに対して自由端１ｂが小さくなるように、Ｘ圧電素子、Ｙ圧電素子、及びＺ圧電素子によって形成されている。
【解決手段】微動素子１は、電圧を印加することで、所定の固定位置に固定される固定端１ａから自由端１ｂへ延びるＺ軸と、Ｚ軸と略直交する平面を構成する二軸であるＸ軸及びＹ軸との三軸の各方向に、固定端１ａに対して自由端１ｂを変位可能なものであり、Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子２と、Ｘ圧電素子に対してＺ軸方向に配列され、Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子３と、Ｘ圧電素子及びＹ圧電素子に対して自由端側でＺ軸方向に配列するとともに、Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子４とが一体となって構成され、Ｚ軸に略直交する断面積が固定端１ａに対して自由端１ｂが小さくなるように、Ｘ圧電素子、Ｙ圧電素子、及びＺ圧電素子によって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することで変形可能な微動素子及び微動素子を備えた走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡などの微小な走査行う手段として、電圧を印加することによって変形する微動素子が従来から採用されている。微動素子は、より詳しくは、所定の方向に分極された圧電体と、圧電体を挟み込む対をなす電極とで構成される圧電素子が、複数積層して構成されている。電極に電圧を印加することで、電極に挟み込まれた圧電体には電界が形成される。このため、圧電体は、電界の向きと分極された方向とに応じて対応する方向へ変形することとなる。そして、複数の圧電素子の圧電体の分極される方向を異なるものとすることで、圧電素子を積層した微動素子として、多方向に変形することが可能となり、一端を固定端とすることで自由端側を多方向に変位させることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−６３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の微動素子では、最も低周波領域の力学的な共振は、数ｋＨｚの範囲で発生しうる。すなわち、例えば、このような微動素子によって走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーを走査する場合、共振の影響を避けるために、数Ｈｚ程度の周波数での走査が限度とされていた。このため、上記のような走査では、毎秒数ライン程度の走査が限度であり、スループットの向上が望まれていた。
【０００４】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、共振周波数をより高周波化した微動素子、並びに、該微動素子を備えて高周波領域での走査を可能とし、スループットを向上させた走査型プローブ顕微鏡を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、電圧を印加することで、所定の固定位置に固定される固定端から自由端へ延びるＺ軸と、該Ｚ軸と略直交する平面を構成する二軸であるＸ軸及びＹ軸との三軸の各方向に、前記固定端に対して前記自由端を変位可能な微動素子であって、前記Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子と、該Ｘ圧電素子に対して前記Ｚ軸方向に配列され、前記Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子と、前記Ｘ圧電素子及び前記Ｙ圧電素子に対して前記自由端側で前記Ｚ軸方向に配列するとともに、該Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子とが一体となって構成され、前記Ｚ軸に略直交する断面積が前記固定端に対して前記自由端が小さくなるように、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子によって形成されていることを特徴としている。
【０００６】
この発明に係る微動素子によれば、固定端に対して自由端が小さくなるように形成されていることで、全体として、共振周波数を高周波領域にシフトすることができる。このため、所定の固定位置に固定された固定端に対して、自由端をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれの方向に高周波領域で変位させることが可能となる。特に、Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子、及び、Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子が、Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子に対して断面積の大きい固定端側に位置している。このため、Ｚ軸に略直交する平面内で、より高周波領域で変位させることができる。
【０００７】
また、上記の微動素子において、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、前記固定端から前記自由端にかけて段状に形成されていることがより好ましいとされている。
また、上記の微動素子において、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、前記固定端から前記自由端にかけて略テーパ状に形成されているものとしても良い。
【０００８】
この発明に係る微動素子によれば、全体として共振周波数の高周波化を図り、より高周波領域で変位させることが可能となるとともに、固定端側に配置された圧電素子が変形可能な方向で、より高周波領域で変位させることが可能となる。
【０００９】
また、上記の微動素子において、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子の各側面によって、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端まで連続する外側面が少なくとも一面形成されていることがより好ましいとされている。
【００１０】
この発明に係る微動素子によれば、全体として共振周波数の高周波化を図ることができるとともに、外側面がＺ軸に略平行で固定端から自由端まで連続した面で形成されていることで、固定端側のスペースを最小限にすることができる。
【００１１】
また、上記の微動素子において、前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交していることがより好ましいとされている。
この発明に係る微動素子によれば、Ｘ圧電素子またはＹ圧電素子のいずれかによって変位する方向と対応して省スペース化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記の微動素子と、該微動素子を、前記固定端で固定して支持するホルダと、先端を延出するように、基端が前記微動素子の前記自由端に固定されているとともに、前記先端に探針を有するカンチレバーと、該カンチレバーの前記探針に試料の観察表面が近接するように該試料を配置する載置台とを備えることを特徴としている。
【００１３】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、微動素子によって、カンチレバーの探針を試料の観察表面上においてよりより高周波領域で走査することができ、試料の観察におけるスループットの向上を図ることができる。特に、探針の向きを微動素子のＺ軸方向とし、試料の観察表面がＸ軸とＹ軸に対して略平行となるように載置台によって試料を配置すれば、Ｚ圧電素子よりも高周波領域で走査可能なＸ圧電素子及びＹ圧電素子によって、より効率的に観察表面上を走査して観察することができる。
【００１４】
また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記微動素子は、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端へ連続して形成された外側面を少なくとも一面有していることがより好ましいとされている。
【００１５】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、試料の観察におけるスループットを向上させるとともに、外側面がＺ軸に略平行で固定端から自由端まで連続した面で形成されていることで、固定端側のスペースを最小限として、他の構成との干渉を防ぐことができ、また、装置全体の省スペース化を図ることができる。
【００１６】
また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記微動素子の前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交しているとともに、前記カンチレバーは、前記Ｚ軸方向視して、前記外側面に略直交して延設されていることがより好ましいとされている。
【００１７】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーが外側面にＺ軸方向視して略直交して延設されていることで、微動素子の固定端側がカンチレバーの先端側とＺ軸方向に干渉してしまうことが無い。このため、カンチレバーの変位測定やカンチレバーの先端付近に位置する試料の観察表面の目視観察などを好適に行うことができる。また、カンチレバーの延設する方向がＸ軸またはＹ軸と略平行となることで、走査性がより良好なものとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の微動素子によれば、固定端に対して自由端の断面積を小さくして、また、Ｚ圧電素子に対してＸ圧電素子及びＹ圧電素子を固定端側に設けることで、共振周波数を高周波化して、より高周波領域で変位させることが可能となる。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、上記の微動素子を備えることで、探針の走査の高速化を図ることができ、スループットの向上によって、より効率良く観察を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１から図３は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に示すように、本実施形態の微動素子１は、所定の位置に固定される固定端１ａと、固定端１ａと対向して固定端１ａに対して自由に変位可能な自由端１ｂとを有している。また、微動素子１は、各々所定の方向に変形可能な３つの圧電素子であるＸ圧電素子２、Ｙ圧電素子３、及びＺ圧電素子４が、固定端１ａから自由端１ｂへ延びるＺ軸方向に配列して一体となって構成されている。これら圧電素子は、例えば、セラミック系接着剤やエポキシ系接着剤などによって接着固定されている。
【００２０】
Ｚ圧電素子４は、Ｚ軸方向に変形することが可能であり、３つの圧電素子の中で、最も自由端１ｂ側に位置している。また、Ｙ圧電素子３は、Ｚ軸と略直交する平面を構成して互いに直交する二軸であるＸ軸及びＹ軸の内、Ｙ軸方向に変形することが可能であり、Ｚ圧電素子４の固定端１ａ側に接合されている。さらに、Ｘ圧電素子２は、Ｘ軸方向に変形することが可能であり、Ｙ圧電素子３の固定端１ａ側に接合されていて、３つの圧電素子の中で最も固定端１ａ側に位置している。本実施形態において、例えば、Ｘ圧電素子２は各辺が１０ｍｍ、Ｙ圧電素子３は各辺が６ｍｍ、また、Ｚ圧電素子４は各辺が３ｍｍであるそれぞれ略立方体形状を呈していて、全体として、固定端１ａ側よりも自由端１ｂ側でＺ軸に略直交する断面積が小さくなる段状に形成されている。
【００２１】
図２は、Ｘ圧電素子２及びＹ圧電素子３の構造の一例を示している。本実施形態において、Ｘ圧電素子２とＹ圧電素子３は、同一の構造を有しているので、ここではＸ圧電素子２について説明する。図２に示すように、Ｘ圧電素子２は、複数の板状の圧電材板２ａと、圧電材板２ａを挟み込む複数電極２ｂとの積層構造である。なお、図２においては、２枚の圧電材板２ａと３枚の電極２ｂとで構成されているが、これに限定するものでは無い。
【００２２】
圧電材板２ａは、予め図示しない分極用電極で挟み込み電圧を印加することによって、積層する方向と略直交する方向である分極方向Ｓ１に分極されている。そして、各圧電材板２ａは、このように分極処理が施された上で、分極方向Ｓ１を正反交互に異なるものとして電極２ｂを介して積層されている。そして、電極２ｂに電圧を印加して積層方向に電界を形成することで、分極方向Ｓ１と対応する方向にずりせん断変形（１５モード）することが可能である。すなわち、Ｘ圧電素子２は、このような積層構造によって各辺１０ｍｍの略立方形状を形成していて、各圧電材板２ａの分極方向Ｓ１がＸ軸方向と略平行となるように設けられていることで、Ｘ軸方向に変形することを可能とさせている。なお、圧電材板２ａの材質としては、１５モードにおける圧電定数ｄ１５が大きいものが好適であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などで形成された圧電セラミックなどが好適である。
【００２３】
図３は、Ｚ圧電素子４の構造の一例を示している。図３に示すように、Ｚ圧電素子４は、複数の板状の圧電材板４ａと、圧電材板４ａを挟みこむ複数の電極４ｂとの積層構造である。なお、図３においては、２枚の圧電材板４ａと３枚の電極４ｂとで構成されているが、これに限定するものでは無い。
【００２４】
圧電材板４ａは、押出成形などによってセラミックス粉末を成形したグリーンシートであり、電極４ｂと積層して一体焼成することで、所定の形状、すなわち本実施形態においては各辺３ｍｍの略立方体形状に形成されている。そして、この状態で電極４ｂに電圧を印加することで、各圧電材板４ａは分極方向Ｓ２を積層方向と一致させて正反交互に異なるものとして分極処理される。このため、Ｚ圧電素子４では、再び電極４ｂに電圧を印加して積層方向に電界を形成することで、分極方向Ｓ２である積層方向に伸縮変形（３３モード）することが可能である。すなわち、Ｚ圧電素子４は、各圧電材板４ａの分極方向Ｓ２がＺ軸と略平行となるように設けられていることでＺ軸方向に変形することを可能とさせる。なお、圧電材板４ａの材質としては、３３モードにおける圧電定数ｄ３３が大きいものが好適であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などで形成された圧電セラミックなどが好適である。
【００２５】
このような微動素子１では、固定端１ａに対して自由端１ｂで断面積が小さくなるように形成することで、共振周波数が１０ｋＨｚ以上となることが確認できた。すなわち、従来の微動素子と比べて、共振周波数を４倍から５倍近く高周波領域にシフトすることができた。このため、所定の固定位置に固定された固定端１ａに対して、自由端１ｂをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれの方向に、より高周波領域で変位させることが可能となり、具体的には、５ｋＨｚ程度までの周波数領域において変位させることが可能となった。特に、Ｘ圧電素子２及びＹ圧電素子３が、Ｚ圧電素子４に対して固定端１ａ側において断面積が大きくなるように設定されている。このため、Ｚ軸に略直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内で、より高周波領域で変位させることが可能である。
【００２６】
図４は、本実施形態の変形例を示している。この変形例の微動素子１０は、Ｘ圧電素子２、Ｙ圧電素子３、及び、Ｚ圧電素子４が、それぞれＺ軸方向に断面積が連続して小さくなる略テーパ状に形成されていて、これらの圧電素子を一体とした状態で、全体として、固定端１０ａから自由端１０ｂにかけて略テーパ状に形成されている。このような略テーパ形状をなした微動素子１０においても同様に、共振周波数を高周波化して、より高周波領域で変位させることが可能となる。
【００２７】
なお、上記の実施形態では、微動素子１、１０として、段状に形成されたものとテーパ状に形成されたものを例に挙げたがこれに限るものでは無く、例えば、Ｘ圧電素子及びＹ圧電素子とが略テーパ状に形成されるとともに、これらの自由端側に位置するＺ圧電素子を段状に縮小させるものなどとしても良い。また、側面がＺ軸方向に曲面を呈していても良い。さらに、これらの断面形状は、正方形として説明したがこれに限るものではなく、長方形や円形など様々な断面形状が選択可能である。また、Ｘ圧電素子２とＹ圧電素子３との配置が逆の構成としても良く、少なくともＸ圧電素子２とＹ圧電素子３に対してＺ圧電素子４が自由端側に配置されていれば良い。
【００２８】
（第２の実施形態）
図５は、この発明に係る第２の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
図５に示すように、この実施形態の微動素子２０は、第１の実施形態同様に、Ｚ軸方向に配列するＸ圧電素子２１、Ｙ圧電素子２２、及びＺ圧電素子２３において、Ｚ軸方向の略直交する断面積が、固定端２０ａから自由端２０ｂへ配列する順に小さくなるように設定されている。また、Ｘ圧電素子２１、Ｙ圧電素子２２、及びＺ圧電素子２３の各一側面２１ａ、２２ａ、２３ａは、固定端２０ａから自由端２０ｂまで連続する外側面２０ｃを形成している。この外側面２０ｃは、Ｚ軸に略平行となるように設定されているとともに、Ｘ軸と略直交するように設定されている。
【００３０】
このような微動素子２０では、第１の実施形態同様に、固定端２０ａ側に対して自由端２０ｂ側で断面積が小さくなるように設定されていることで、全体として共振周波数の高周波化を図ることができる。また、Ｚ圧電素子２３に対してＸ圧電素子２１及びＹ圧電素子２２が固定端２０ａ側に位置していることで、Ｚ軸に略直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内で、より高周波領域で変位させることができる。さらに、外側面２０ｃがＺ軸に略平行で固定端２０ａから自由端２０ｂまで連続した面で形成されていることで、外側面２０ｃに面する側、すなわちＸ圧電素子によって変位する方向であるＸ軸方向において、固定端２０ａが広がらない形状とすることができる。このため、固定端２０ａ側のスペースを最小限として、省スペース化を図ることができる。
【００３１】
図６は、第２の実施形態の変形例を示したものである。図６に示すように、この変形例の微動素子２５において、Ｚ軸方向に配列するＸ圧電素子２６、Ｙ圧電素子２７、及びＺ圧電素子２８は、Ｚ軸に略平行で、Ｘ軸に略直交する第一の側面２６ａ、２７ａ、２８ａと、第一の側面２６ａ、２７ａ、２８ａの両側に隣接する第二の側面２６ｂ、２７ｂ、２８ｂ及び第三の側面２６ｃ、２７ｃ、２８ｃとによって、凹部２６ｄ、２７ｄ、２８ｄが形成されている。そして、各第一の側面２６ａ、２７ａ、２８ａによって、Ｚ軸に略平行で、Ｘ軸に略直交し、固定端２５ａから自由端２５ｂまで連続する第一の外側面２５ｃが形成されている。また、第二の側面２６ｂ、２７ｂ、２８ｂによって、Ｚ軸に略平行で、固定端２５ａから自由端２５ｂまで連続する第二の外側面２５ｄが形成されている。さらに、第三の側面２６ｃ、２７ｃ、２８ｃによって、Ｚ軸に略平行で、固定端２５ａから自由端２５ｂまで連続する第三の外側面２５ｅが形成されている。そして、これら第一の外側面２５ｃ、第二の外側面２５ｄ、及び第三の外側面２５ｅによってＺ軸方向に連通する溝部２５ｆが形成されている。
【００３２】
この変形例の微動素子２５によれば、Ｚ軸に略平行な第一の外側面２５ｃ、第二の外側面２５ｄ、及び第三の外側面２５ｅによって、同様に、固定端２５ａ側の省スペース化を図ることができる。また、第一の外側面２５ｃ、第二の外側面２５ｄ、及び第三の外側面２５ｅによって形成される溝部２５ｆによって、その両側には張出部２５ｇが形成される。このため、上記の微動素子２０に比べて、全体の剛性を高め、共振周波数の高周波化をさらに図ることができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図７及び図８は、この発明に係る第３の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
図７に示すように、この実施形態の走査型プローブ顕微鏡３０は、ホルダ３１と、ホルダ３１に固定して支持されている微動素子２０と、基端３２ｂで微動素子２０の自由端２０ｂに固定されているとともに、先端３２ａに探針３２ｃを有するカンチレバー３２と、試料Ｍを固定する載置台３３とを備えている。微動素子２０は、ホルダ３１の下面３１ａにおいて、自由端２０ｂ側を下向きとしてＺ軸を上下方向に略一致させるとともに、Ｘ軸と略直交する外側面２０ｃがホルダ３１に上下に連通して形成された貫通孔３１ｂに面するようにして、固定端２０ａで固定されている。なお、微動素子２０の構造の詳細については、第２の実施形態で説明したものであるので、その説明を省略する。
【００３５】
また、図８に示すように、カンチレバー３２は、基端３２ｂで、先端３２ａを延出するようにして、微動素子２０の自由端２０ｂに固定されている。また、カンチレバー３２は、Ｚ軸方向視して、Ｘ軸と略平行となるように、すなわち外側面２０ｃと略直交するように、また、Ｙ軸方向視して先端３２ａに向かって下方に傾斜するようにして延出されていて、片持ち状に支持されている。また、カンチレバー３２の先端３２ａは、ホルダ３１の貫通孔３１ｂの直下に位置していて、探針３２ｃを下向きとして設けられている。載置台３３は、試料Ｍの観察表面Ｍ１を、カンチレバー３２の探針３２ｃの直下で近接するように配置させることが可能なものである。
【００３６】
また、図７に示すように、ホルダ３１の上方には、カンチレバー３２の変位を測定する測定手段３４と、試料Ｍの観察表面Ｍ１を目視観察可能な観察手段３５と、微動素子２０を制御するとともに、測定手段３４による観察データを採取する制御手段３６を備える。なお、本実施形態においては、制御手段３６による制御の一例として、測定手段３４の観察データに基づいて、カンチレバー３２の傾きが一定となるように微動素子２０を制御する場合について説明する。
【００３７】
制御手段３６は、制御部３７と、微動素子２０の自由端２０ｂをＸ軸方向に変位させるＸ駆動部３８、Ｙ軸方向に変位させるＹ駆動部３９、及びＺ軸方向に変位させるＺ駆動部４０を備える。Ｘ駆動部３８、Ｙ駆動部３９、及びＺ駆動部４０は、それぞれ対応する微動素子２０のＸ圧電素子２１、Ｙ圧電素子２２、及びＺ圧電素子２３と接続されていて、各圧電素子の電極に所定の電圧を印加することで、電圧と対応する分だけ自由端２０ｂ、すなわちカンチレバー３２を変位させることが可能である。
【００３８】
観察手段３５は、より詳しくは光学式顕微鏡であり、貫通孔３１ｂを介して試料Ｍの観察表面Ｍ１を目視で観察可能である。また、測定手段３４は、カンチレバー３２の上面に形成された図示しない反射面に向けてレーザ光Ｌを照射する光照射部４１と、ミラー４２を利用して、反射面で反射されたレーザ光Ｌを受光する光検出部４３とを備えている。なお、光照射部４１から照射されたレーザ光Ｌは、ホルダ３１の貫通孔３１ｂ内を通過しながらカンチレバー３２の反射面に達し、反射面で反射された後、再度貫通孔３１ｂ内を通過して光検出部４３に入射するようになっている。また、光検出部４３は、例えば、フォトディテクタであり、レーザ光Ｌの入射位置からカンチレバー３２の傾きを検出することができる。そして、光検出部４３は、検出したカンチレバー３２の傾きをＤＩＦ信号としてプリアンプ４４に出力している。
【００３９】
光検出部４３から出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ４４によって増幅された後、制御手段３６に設けられたＺ電圧フィードバック回路４５に送られる。Ｚ電圧フィードバック回路４５は、ＤＩＦ信号が常に一定となるように、Ｚ駆動部４０をフィードバック制御する。これにより、微動素子２０により走査を行ったときに、カンチレバー３２の傾きが一定になるように制御することができる。また、このＺ電圧フィードバック回路４５には、制御手段３６の制御部３７が接続されていて、制御部３７がこのＤＩＦ信号に基づいて試料Ｍの表面形状を測定することができるようになっている。
【００４０】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡３０によって、試料Ｍを測定する場合について、以下に説明する。まず、載置台３３上に試料Ｍを載置した後、カンチレバー３２の反射面に確実にレーザ光Ｌが入射するように、また、反射したレーザ光Ｌが光検出部４３に確実に入射するように、光照射部４１及び光検出部４３の位置や、カンチレバー３２の取付状態等を調整する。
【００４１】
次に、試料Ｍの測定を行う。すなわち、試料Ｍの観察表面Ｍ１に探針３２ｃが接触するように制御した状態で、Ｘ駆動部３８及びＹ駆動部３９より微動素子２０の自由端２０ｂを固定端２０ａに対してＸ軸方向及びＹ軸方向に変位させることで、探針３２ｃを試料Ｍの観察表面Ｍ１上で走査する。この際、観察表面Ｍ１の凹凸に応じてカンチレバー３２が上下に変位すれば、光検出部４３に入射するレーザ光Ｌ（反射面で反射したレーザ光）の照射位置が変化することとなる。光検出部４３は、この変位に応じたＤＩＦ信号をプリアンプ４４に出力する。出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ４４によって増幅された後、Ｚ電圧フィードバック回路４５に送られる。
【００４２】
Ｚ電圧フィードバック回路４５は、ＤＩＦ信号が常に一定になるように、Ｚ駆動部４０により微動素子２０のＺ圧電素子２３のフィードバック制御を行う。これにより、カンチレバー３２の傾きが一定になるように制御した状態で走査を行うことができる。また、制御部３７は、Ｚ電圧フィードバック回路４５により上下させる信号に基づいて、試料Ｍの表面形状を測定することができる。この際、上記のように微動素子２０が固定端２０ａから自由端２０ｂへ断面積が小さくなるように設定されていることで、Ｘ圧電素子２１及びＹ圧電素子２２によるＸ軸方向及びＹ軸方向への走査、及び、試料Ｍの表面形状に基づくＺ圧電素子２３のフィードバック制御を、従来よりも高速で行うことが可能となる。すなわち、カンチレバー３２の探針３２ｃの走査の高速化を図ることができ、スループットの向上によって、より効率良く観察することが可能となる。特に、走査を行うため、変位量を大きく必要とするＸ圧電素子２１及びＹ圧電素子２２が、Ｚ圧電素子２３よりも固定端２０ａ側に配置されていることで、より効率的に観察することが可能となる。また、カンチレバー３２の延設する方向が走査する一方向であるＸ軸方向と略一致することで、走査性をより良好なものとすることができる。また、微動素子２０には外側面２０ｃが形成されていることで、固定端２０ａ側において省スペース化を図れ、装置全体としても省スペース化を図ることができる。さらに、カンチレバー３２が外側面２０ｃにＺ軸方向視して略直交して延設されているため、微動素子２０の固定端２０ａ側がカンチレバー３２の先端３２ａ側とＺ軸方向に干渉してしまうことが無い。このため、測定手段３４によってカンチレバー３２にレーザ光Ｌを照射することによるカンチレバー３２の変位測定、また、観察手段３５による試料Ｍの観察表面Ｍ１の目視観察などを好適に行うことができる。
【００４３】
なお、本実施形態においては、微動素子として、第２の実施形態における微動素子２０を使用したが、これに限ることは無い。第１の実施形態における微動素子１、１０においても探針３２ｃの走査の高速化を図ることができ、スループットの向上を図ることができる。また、第２の実施形態における変形例として挙げた微動素子２５とすれば、微動素子２０と同様の効果を期待できるとともに、張出部２５ｇによって剛性を高めて、さらにスループットの向上を図ることができる。
【００４４】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、静止したカンチレバーを観察表面上で走査するものであるが、カンチレバーを共振させた状態で観察表面上を走査させる、いわゆるＤＦＭ（ダイナミックフォースモード）などとしても良い。この場合には、微動素子のＺ圧電素子によってカンチレバーを共振させながら、Ｘ圧電素子及びＹ圧電素子によって走査することとなる。また、本実施形態においては、微動素子２０によってカンチレバー３２を走査する場合について説明したが、載置台側に本発明の微動素子が設けられていて、試料Ｍを三軸に移動させる構成としても同様の効果を期待することができる。さらには、各実施形態における微動素子は、走査型プローブ顕微鏡における使用に限らず、様々な微小変位制御に使用することが可能である。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の第１の実施形態の微動素子の斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施形態の微動素子のＸ圧電素子の断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態の微動素子のＺ圧電素子の断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態の変形例の微動素子の斜視図である。
【図５】この発明の第２の実施形態の微動素子の斜視図である。
【図６】この発明の第２の実施形態の変形例の微動素子の斜視図である。
【図７】この発明の第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概要図である。
【図８】この発明の第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の拡大図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、 １０、２０、２５ 微動素子
１ａ、１０ａ、２０ａ、２５ａ 固定端
１ｂ、１０ｂ、２０ｂ、２５ｂ 自由端
２０ｃ 外側面
２５ｃ 第一の外側面（外側面）
２５ｄ 第二の外側面（外側面）
２５ｅ 第三の外側面（外側面）
３０ 走査型プローブ顕微鏡
３１ ホルダ
３２ カンチレバー
３２ａ 先端
３２ｂ 基端
３２ｃ 探針
３３ 載置台
Ｘ、Ｙ、Ｚ 軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することで変形可能な微動素子及び微動素子を備えた走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡などの微小な走査行う手段として、電圧を印加することによって変形する微動素子が従来から採用されている。微動素子は、より詳しくは、所定の方向に分極された圧電体と、圧電体を挟み込む対をなす電極とで構成される圧電素子が、複数積層して構成されている。電極に電圧を印加することで、電極に挟み込まれた圧電体には電界が形成される。このため、圧電体は、電界の向きと分極された方向とに応じて対応する方向へ変形することとなる。そして、複数の圧電素子の圧電体の分極される方向を異なるものとすることで、圧電素子を積層した微動素子として、多方向に変形することが可能となり、一端を固定端とすることで自由端側を多方向に変位させることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−６３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の微動素子では、最も低周波領域の力学的な共振は、数ｋＨｚの範囲で発生しうる。すなわち、例えば、このような微動素子によって走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーを走査する場合、共振の影響を避けるために、数Ｈｚ程度の周波数での走査が限度とされていた。このため、上記のような走査では、毎秒数ライン程度の走査が限度であり、スループットの向上が望まれていた。
【０００４】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、共振周波数をより高周波化した微動素子、並びに、該微動素子を備えて高周波領域での走査を可能とし、スループットを向上させた走査型プローブ顕微鏡を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、電圧を印加することで、所定の固定位置に固定される固定端から自由端へ延びるＺ軸と、該Ｚ軸と略直交する平面を構成する二軸であるＸ軸及びＹ軸との三軸の各方向に、前記固定端に対して前記自由端を変位可能な微動素子であって、前記Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子と、該Ｘ圧電素子に対して前記Ｚ軸方向に配列され、前記Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子と、前記Ｘ圧電素子及び前記Ｙ圧電素子に対して前記自由端側で前記Ｚ軸方向に配列するとともに、該Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子とが一体となって構成され、前記Ｚ軸に略直交する断面積が前記固定端に対して前記自由端が小さくなるように、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子によって形成されていることを特徴としている。
【０００６】
この発明に係る微動素子によれば、固定端に対して自由端が小さくなるように形成されていることで、全体として、共振周波数を高周波領域にシフトすることができる。このため、所定の固定位置に固定された固定端に対して、自由端をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれの方向に高周波領域で変位させることが可能となる。特に、Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子、及び、Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子が、Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子に対して断面積の大きい固定端側に位置している。このため、Ｚ軸に略直交する平面内で、より高周波領域で変位させることができる。
【０００７】
また、上記の微動素子において、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、前記固定端から前記自由端にかけて段状に形成されていることがより好ましいとされている。
また、上記の微動素子において、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、前記固定端から前記自由端にかけて略テーパ状に形成されているものとしても良い。
【０００８】
この発明に係る微動素子によれば、全体として共振周波数の高周波化を図り、より高周波領域で変位させることが可能となるとともに、固定端側に配置された圧電素子が変形可能な方向で、より高周波領域で変位させることが可能となる。
【０００９】
また、上記の微動素子において、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子の各側面によって、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端まで連続する外側面が少なくとも一面形成されていることがより好ましいとされている。
【００１０】
この発明に係る微動素子によれば、全体として共振周波数の高周波化を図ることができるとともに、外側面がＺ軸に略平行で固定端から自由端まで連続した面で形成されていることで、固定端側のスペースを最小限にすることができる。
【００１１】
また、上記の微動素子において、前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交していることがより好ましいとされている。
この発明に係る微動素子によれば、Ｘ圧電素子またはＹ圧電素子のいずれかによって変位する方向と対応して省スペース化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記の微動素子と、該微動素子を、前記固定端で固定して支持するホルダと、先端を延出するように、基端が前記微動素子の前記自由端に固定されているとともに、前記先端に探針を有するカンチレバーと、該カンチレバーの前記探針に試料の観察表面が近接するように該試料を配置する載置台とを備えることを特徴としている。
【００１３】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、微動素子によって、カンチレバーの探針を試料の観察表面上においてよりより高周波領域で走査することができ、試料の観察におけるスループットの向上を図ることができる。特に、探針の向きを微動素子のＺ軸方向とし、試料の観察表面がＸ軸とＹ軸に対して略平行となるように載置台によって試料を配置すれば、Ｚ圧電素子よりも高周波領域で走査可能なＸ圧電素子及びＹ圧電素子によって、より効率的に観察表面上を走査して観察することができる。
【００１４】
また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記微動素子は、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端へ連続して形成された外側面を少なくとも一面有していることがより好ましいとされている。
【００１５】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、試料の観察におけるスループットを向上させるとともに、外側面がＺ軸に略平行で固定端から自由端まで連続した面で形成されていることで、固定端側のスペースを最小限として、他の構成との干渉を防ぐことができ、また、装置全体の省スペース化を図ることができる。
【００１６】
また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記微動素子の前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交しているとともに、前記カンチレバーは、前記Ｚ軸方向視して、前記外側面に略直交して延設されていることがより好ましいとされている。
【００１７】
この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーが外側面にＺ軸方向視して略直交して延設されていることで、微動素子の固定端側がカンチレバーの先端側とＺ軸方向に干渉してしまうことが無い。このため、カンチレバーの変位測定やカンチレバーの先端付近に位置する試料の観察表面の目視観察などを好適に行うことができる。また、カンチレバーの延設する方向がＸ軸またはＹ軸と略平行となることで、走査性がより良好なものとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の微動素子によれば、固定端に対して自由端の断面積を小さくして、また、Ｚ圧電素子に対してＸ圧電素子及びＹ圧電素子を固定端側に設けることで、共振周波数を高周波化して、より高周波領域で変位させることが可能となる。
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、上記の微動素子を備えることで、探針の走査の高速化を図ることができ、スループットの向上によって、より効率良く観察を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１から図３は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に示すように、本実施形態の微動素子１は、所定の位置に固定される固定端１ａと、固定端１ａと対向して固定端１ａに対して自由に変位可能な自由端１ｂとを有している。また、微動素子１は、各々所定の方向に変形可能な３つの圧電素子であるＸ圧電素子２、Ｙ圧電素子３、及びＺ圧電素子４が、固定端１ａから自由端１ｂへ延びるＺ軸方向に配列して一体となって構成されている。これら圧電素子は、例えば、セラミック系接着剤やエポキシ系接着剤などによって接着固定されている。
【００２０】
Ｚ圧電素子４は、Ｚ軸方向に変形することが可能であり、３つの圧電素子の中で、最も自由端１ｂ側に位置している。また、Ｙ圧電素子３は、Ｚ軸と略直交する平面を構成して互いに直交する二軸であるＸ軸及びＹ軸の内、Ｙ軸方向に変形することが可能であり、Ｚ圧電素子４の固定端１ａ側に接合されている。さらに、Ｘ圧電素子２は、Ｘ軸方向に変形することが可能であり、Ｙ圧電素子３の固定端１ａ側に接合されていて、３つの圧電素子の中で最も固定端１ａ側に位置している。本実施形態において、例えば、Ｘ圧電素子２は各辺が１０ｍｍ、Ｙ圧電素子３は各辺が６ｍｍ、また、Ｚ圧電素子４は各辺が３ｍｍであるそれぞれ略立方体形状を呈していて、全体として、固定端１ａ側よりも自由端１ｂ側でＺ軸に略直交する断面積が小さくなる段状に形成されている。
【００２１】
図２は、Ｘ圧電素子２及びＹ圧電素子３の構造の一例を示している。本実施形態において、Ｘ圧電素子２とＹ圧電素子３は、同一の構造を有しているので、ここではＸ圧電素子２について説明する。図２に示すように、Ｘ圧電素子２は、複数の板状の圧電材板２ａと、圧電材板２ａを挟み込む複数電極２ｂとの積層構造である。なお、図２においては、２枚の圧電材板２ａと３枚の電極２ｂとで構成されているが、これに限定するものでは無い。
【００２２】
圧電材板２ａは、予め図示しない分極用電極で挟み込み電圧を印加することによって、積層する方向と略直交する方向である分極方向Ｓ１に分極されている。そして、各圧電材板２ａは、このように分極処理が施された上で、分極方向Ｓ１を正反交互に異なるものとして電極２ｂを介して積層されている。そして、電極２ｂに電圧を印加して積層方向に電界を形成することで、分極方向Ｓ１と対応する方向にずりせん断変形（１５モード）することが可能である。すなわち、Ｘ圧電素子２は、このような積層構造によって各辺１０ｍｍの略立方形状を形成していて、各圧電材板２ａの分極方向Ｓ１がＸ軸方向と略平行となるように設けられていることで、Ｘ軸方向に変形することを可能とさせている。なお、圧電材板２ａの材質としては、１５モードにおける圧電定数ｄ１５が大きいものが好適であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などで形成された圧電セラミックなどが好適である。
【００２３】
図３は、Ｚ圧電素子４の構造の一例を示している。図３に示すように、Ｚ圧電素子４は、複数の板状の圧電材板４ａと、圧電材板４ａを挟みこむ複数の電極４ｂとの積層構造である。なお、図３においては、２枚の圧電材板４ａと３枚の電極４ｂとで構成されているが、これに限定するものでは無い。
【００２４】
圧電材板４ａは、押出成形などによってセラミックス粉末を成形したグリーンシートであり、電極４ｂと積層して一体焼成することで、所定の形状、すなわち本実施形態においては各辺３ｍｍの略立方体形状に形成されている。そして、この状態で電極４ｂに電圧を印加することで、各圧電材板４ａは分極方向Ｓ２を積層方向と一致させて正反交互に異なるものとして分極処理される。このため、Ｚ圧電素子４では、再び電極４ｂに電圧を印加して積層方向に電界を形成することで、分極方向Ｓ２である積層方向に伸縮変形（３３モード）することが可能である。すなわち、Ｚ圧電素子４は、各圧電材板４ａの分極方向Ｓ２がＺ軸と略平行となるように設けられていることでＺ軸方向に変形することを可能とさせる。なお、圧電材板４ａの材質としては、３３モードにおける圧電定数ｄ３３が大きいものが好適であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などで形成された圧電セラミックなどが好適である。
【００２５】
このような微動素子１では、固定端１ａに対して自由端１ｂで断面積が小さくなるように形成することで、共振周波数が１０ｋＨｚ以上となることが確認できた。すなわち、従来の微動素子と比べて、共振周波数を４倍から５倍近く高周波領域にシフトすることができた。このため、所定の固定位置に固定された固定端１ａに対して、自由端１ｂをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれの方向に、より高周波領域で変位させることが可能となり、具体的には、５ｋＨｚ程度までの周波数領域において変位させることが可能となった。特に、Ｘ圧電素子２及びＹ圧電素子３が、Ｚ圧電素子４に対して固定端１ａ側において断面積が大きくなるように設定されている。このため、Ｚ軸に略直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内で、より高周波領域で変位させることが可能である。
【００２６】
図４は、本実施形態の変形例を示している。この変形例の微動素子１０は、Ｘ圧電素子２、Ｙ圧電素子３、及び、Ｚ圧電素子４が、それぞれＺ軸方向に断面積が連続して小さくなる略テーパ状に形成されていて、これらの圧電素子を一体とした状態で、全体として、固定端１０ａから自由端１０ｂにかけて略テーパ状に形成されている。このような略テーパ形状をなした微動素子１０においても同様に、共振周波数を高周波化して、より高周波領域で変位させることが可能となる。
【００２７】
なお、上記の実施形態では、微動素子１、１０として、段状に形成されたものとテーパ状に形成されたものを例に挙げたがこれに限るものでは無く、例えば、Ｘ圧電素子及びＹ圧電素子とが略テーパ状に形成されるとともに、これらの自由端側に位置するＺ圧電素子を段状に縮小させるものなどとしても良い。また、側面がＺ軸方向に曲面を呈していても良い。さらに、これらの断面形状は、正方形として説明したがこれに限るものではなく、長方形や円形など様々な断面形状が選択可能である。また、Ｘ圧電素子２とＹ圧電素子３との配置が逆の構成としても良く、少なくともＸ圧電素子２とＹ圧電素子３に対してＺ圧電素子４が自由端側に配置されていれば良い。
【００２８】
（第２の実施形態）
図５は、この発明に係る第２の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
図５に示すように、この実施形態の微動素子２０は、第１の実施形態同様に、Ｚ軸方向に配列するＸ圧電素子２１、Ｙ圧電素子２２、及びＺ圧電素子２３において、Ｚ軸方向の略直交する断面積が、固定端２０ａから自由端２０ｂへ配列する順に小さくなるように設定されている。また、Ｘ圧電素子２１、Ｙ圧電素子２２、及びＺ圧電素子２３の各一側面２１ａ、２２ａ、２３ａは、固定端２０ａから自由端２０ｂまで連続する外側面２０ｃを形成している。この外側面２０ｃは、Ｚ軸に略平行となるように設定されているとともに、Ｘ軸と略直交するように設定されている。
【００３０】
このような微動素子２０では、第１の実施形態同様に、固定端２０ａ側に対して自由端２０ｂ側で断面積が小さくなるように設定されていることで、全体として共振周波数の高周波化を図ることができる。また、Ｚ圧電素子２３に対してＸ圧電素子２１及びＹ圧電素子２２が固定端２０ａ側に位置していることで、Ｚ軸に略直交するＸ軸及びＹ軸で構成される平面内で、より高周波領域で変位させることができる。さらに、外側面２０ｃがＺ軸に略平行で固定端２０ａから自由端２０ｂまで連続した面で形成されていることで、外側面２０ｃに面する側、すなわちＸ圧電素子によって変位する方向であるＸ軸方向において、固定端２０ａが広がらない形状とすることができる。このため、固定端２０ａ側のスペースを最小限として、省スペース化を図ることができる。
【００３１】
図６は、第２の実施形態の変形例を示したものである。図６に示すように、この変形例の微動素子２５において、Ｚ軸方向に配列するＸ圧電素子２６、Ｙ圧電素子２７、及びＺ圧電素子２８は、Ｚ軸に略平行で、Ｘ軸に略直交する第一の側面２６ａ、２７ａ、２８ａと、第一の側面２６ａ、２７ａ、２８ａの両側に隣接する第二の側面２６ｂ、２７ｂ、２８ｂ及び第三の側面２６ｃ、２７ｃ、２８ｃとによって、凹部２６ｄ、２７ｄ、２８ｄが形成されている。そして、各第一の側面２６ａ、２７ａ、２８ａによって、Ｚ軸に略平行で、Ｘ軸に略直交し、固定端２５ａから自由端２５ｂまで連続する第一の外側面２５ｃが形成されている。また、第二の側面２６ｂ、２７ｂ、２８ｂによって、Ｚ軸に略平行で、固定端２５ａから自由端２５ｂまで連続する第二の外側面２５ｄが形成されている。さらに、第三の側面２６ｃ、２７ｃ、２８ｃによって、Ｚ軸に略平行で、固定端２５ａから自由端２５ｂまで連続する第三の外側面２５ｅが形成されている。そして、これら第一の外側面２５ｃ、第二の外側面２５ｄ、及び第三の外側面２５ｅによってＺ軸方向に連通する溝部２５ｆが形成されている。
【００３２】
この変形例の微動素子２５によれば、Ｚ軸に略平行な第一の外側面２５ｃ、第二の外側面２５ｄ、及び第三の外側面２５ｅによって、同様に、固定端２５ａ側の省スペース化を図ることができる。また、第一の外側面２５ｃ、第二の外側面２５ｄ、及び第三の外側面２５ｅによって形成される溝部２５ｆによって、その両側には張出部２５ｇが形成される。このため、上記の微動素子２０に比べて、全体の剛性を高め、共振周波数の高周波化をさらに図ることができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図７及び図８は、この発明に係る第３の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
図７に示すように、この実施形態の走査型プローブ顕微鏡３０は、ホルダ３１と、ホルダ３１に固定して支持されている微動素子２０と、基端３２ｂで微動素子２０の自由端２０ｂに固定されているとともに、先端３２ａに探針３２ｃを有するカンチレバー３２と、試料Ｍを固定する載置台３３とを備えている。微動素子２０は、ホルダ３１の下面３１ａにおいて、自由端２０ｂ側を下向きとしてＺ軸を上下方向に略一致させるとともに、Ｘ軸と略直交する外側面２０ｃがホルダ３１に上下に連通して形成された貫通孔３１ｂに面するようにして、固定端２０ａで固定されている。なお、微動素子２０の構造の詳細については、第２の実施形態で説明したものであるので、その説明を省略する。
【００３５】
また、図８に示すように、カンチレバー３２は、基端３２ｂで、先端３２ａを延出するようにして、微動素子２０の自由端２０ｂに固定されている。また、カンチレバー３２は、Ｚ軸方向視して、Ｘ軸と略平行となるように、すなわち外側面２０ｃと略直交するように、また、Ｙ軸方向視して先端３２ａに向かって下方に傾斜するようにして延出されていて、片持ち状に支持されている。また、カンチレバー３２の先端３２ａは、ホルダ３１の貫通孔３１ｂの直下に位置していて、探針３２ｃを下向きとして設けられている。載置台３３は、試料Ｍの観察表面Ｍ１を、カンチレバー３２の探針３２ｃの直下で近接するように配置させることが可能なものである。
【００３６】
また、図７に示すように、ホルダ３１の上方には、カンチレバー３２の変位を測定する測定手段３４と、試料Ｍの観察表面Ｍ１を目視観察可能な観察手段３５と、微動素子２０を制御するとともに、測定手段３４による観察データを採取する制御手段３６を備える。なお、本実施形態においては、制御手段３６による制御の一例として、測定手段３４の観察データに基づいて、カンチレバー３２の傾きが一定となるように微動素子２０を制御する場合について説明する。
【００３７】
制御手段３６は、制御部３７と、微動素子２０の自由端２０ｂをＸ軸方向に変位させるＸ駆動部３８、Ｙ軸方向に変位させるＹ駆動部３９、及びＺ軸方向に変位させるＺ駆動部４０を備える。Ｘ駆動部３８、Ｙ駆動部３９、及びＺ駆動部４０は、それぞれ対応する微動素子２０のＸ圧電素子２１、Ｙ圧電素子２２、及びＺ圧電素子２３と接続されていて、各圧電素子の電極に所定の電圧を印加することで、電圧と対応する分だけ自由端２０ｂ、すなわちカンチレバー３２を変位させることが可能である。
【００３８】
観察手段３５は、より詳しくは光学式顕微鏡であり、貫通孔３１ｂを介して試料Ｍの観察表面Ｍ１を目視で観察可能である。また、測定手段３４は、カンチレバー３２の上面に形成された図示しない反射面に向けてレーザ光Ｌを照射する光照射部４１と、ミラー４２を利用して、反射面で反射されたレーザ光Ｌを受光する光検出部４３とを備えている。なお、光照射部４１から照射されたレーザ光Ｌは、ホルダ３１の貫通孔３１ｂ内を通過しながらカンチレバー３２の反射面に達し、反射面で反射された後、再度貫通孔３１ｂ内を通過して光検出部４３に入射するようになっている。また、光検出部４３は、例えば、フォトディテクタであり、レーザ光Ｌの入射位置からカンチレバー３２の傾きを検出することができる。そして、光検出部４３は、検出したカンチレバー３２の傾きをＤＩＦ信号としてプリアンプ４４に出力している。
【００３９】
光検出部４３から出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ４４によって増幅された後、制御手段３６に設けられたＺ電圧フィードバック回路４５に送られる。Ｚ電圧フィードバック回路４５は、ＤＩＦ信号が常に一定となるように、Ｚ駆動部４０をフィードバック制御する。これにより、微動素子２０により走査を行ったときに、カンチレバー３２の傾きが一定になるように制御することができる。また、このＺ電圧フィードバック回路４５には、制御手段３６の制御部３７が接続されていて、制御部３７がこのＤＩＦ信号に基づいて試料Ｍの表面形状を測定することができるようになっている。
【００４０】
次に、このように構成された走査型プローブ顕微鏡３０によって、試料Ｍを測定する場合について、以下に説明する。まず、載置台３３上に試料Ｍを載置した後、カンチレバー３２の反射面に確実にレーザ光Ｌが入射するように、また、反射したレーザ光Ｌが光検出部４３に確実に入射するように、光照射部４１及び光検出部４３の位置や、カンチレバー３２の取付状態等を調整する。
【００４１】
次に、試料Ｍの測定を行う。すなわち、試料Ｍの観察表面Ｍ１に探針３２ｃが接触するように制御した状態で、Ｘ駆動部３８及びＹ駆動部３９より微動素子２０の自由端２０ｂを固定端２０ａに対してＸ軸方向及びＹ軸方向に変位させることで、探針３２ｃを試料Ｍの観察表面Ｍ１上で走査する。この際、観察表面Ｍ１の凹凸に応じてカンチレバー３２が上下に変位すれば、光検出部４３に入射するレーザ光Ｌ（反射面で反射したレーザ光）の照射位置が変化することとなる。光検出部４３は、この変位に応じたＤＩＦ信号をプリアンプ４４に出力する。出力されたＤＩＦ信号は、プリアンプ４４によって増幅された後、Ｚ電圧フィードバック回路４５に送られる。
【００４２】
Ｚ電圧フィードバック回路４５は、ＤＩＦ信号が常に一定になるように、Ｚ駆動部４０により微動素子２０のＺ圧電素子２３のフィードバック制御を行う。これにより、カンチレバー３２の傾きが一定になるように制御した状態で走査を行うことができる。また、制御部３７は、Ｚ電圧フィードバック回路４５により上下させる信号に基づいて、試料Ｍの表面形状を測定することができる。この際、上記のように微動素子２０が固定端２０ａから自由端２０ｂへ断面積が小さくなるように設定されていることで、Ｘ圧電素子２１及びＹ圧電素子２２によるＸ軸方向及びＹ軸方向への走査、及び、試料Ｍの表面形状に基づくＺ圧電素子２３のフィードバック制御を、従来よりも高速で行うことが可能となる。すなわち、カンチレバー３２の探針３２ｃの走査の高速化を図ることができ、スループットの向上によって、より効率良く観察することが可能となる。特に、走査を行うため、変位量を大きく必要とするＸ圧電素子２１及びＹ圧電素子２２が、Ｚ圧電素子２３よりも固定端２０ａ側に配置されていることで、より効率的に観察することが可能となる。また、カンチレバー３２の延設する方向が走査する一方向であるＸ軸方向と略一致することで、走査性をより良好なものとすることができる。また、微動素子２０には外側面２０ｃが形成されていることで、固定端２０ａ側において省スペース化を図れ、装置全体としても省スペース化を図ることができる。さらに、カンチレバー３２が外側面２０ｃにＺ軸方向視して略直交して延設されているため、微動素子２０の固定端２０ａ側がカンチレバー３２の先端３２ａ側とＺ軸方向に干渉してしまうことが無い。このため、測定手段３４によってカンチレバー３２にレーザ光Ｌを照射することによるカンチレバー３２の変位測定、また、観察手段３５による試料Ｍの観察表面Ｍ１の目視観察などを好適に行うことができる。
【００４３】
なお、本実施形態においては、微動素子として、第２の実施形態における微動素子２０を使用したが、これに限ることは無い。第１の実施形態における微動素子１、１０においても探針３２ｃの走査の高速化を図ることができ、スループットの向上を図ることができる。また、第２の実施形態における変形例として挙げた微動素子２５とすれば、微動素子２０と同様の効果を期待できるとともに、張出部２５ｇによって剛性を高めて、さらにスループットの向上を図ることができる。
【００４４】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は、静止したカンチレバーを観察表面上で走査するものであるが、カンチレバーを共振させた状態で観察表面上を走査させる、いわゆるＤＦＭ（ダイナミックフォースモード）などとしても良い。この場合には、微動素子のＺ圧電素子によってカンチレバーを共振させながら、Ｘ圧電素子及びＹ圧電素子によって走査することとなる。また、本実施形態においては、微動素子２０によってカンチレバー３２を走査する場合について説明したが、載置台側に本発明の微動素子が設けられていて、試料Ｍを三軸に移動させる構成としても同様の効果を期待することができる。さらには、各実施形態における微動素子は、走査型プローブ顕微鏡における使用に限らず、様々な微小変位制御に使用することが可能である。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の第１の実施形態の微動素子の斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施形態の微動素子のＸ圧電素子の断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態の微動素子のＺ圧電素子の断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態の変形例の微動素子の斜視図である。
【図５】この発明の第２の実施形態の微動素子の斜視図である。
【図６】この発明の第２の実施形態の変形例の微動素子の斜視図である。
【図７】この発明の第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の概要図である。
【図８】この発明の第３の実施形態の走査型プローブ顕微鏡の拡大図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、 １０、２０、２５ 微動素子
１ａ、１０ａ、２０ａ、２５ａ 固定端
１ｂ、１０ｂ、２０ｂ、２５ｂ 自由端
２０ｃ 外側面
２５ｃ 第一の外側面（外側面）
２５ｄ 第二の外側面（外側面）
２５ｅ 第三の外側面（外側面）
３０ 走査型プローブ顕微鏡
３１ ホルダ
３２ カンチレバー
３２ａ 先端
３２ｂ 基端
３２ｃ 探針
３３ 載置台
Ｘ、Ｙ、Ｚ 軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加することで、所定の固定位置に固定される固定端から自由端へ延びるＺ軸と、該Ｚ軸と略直交する平面を構成する二軸であるＸ軸及びＹ軸との三軸の各方向に、前記固定端に対して前記自由端を変位可能な微動素子であって、
前記Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子と、
該Ｘ圧電素子に対して前記Ｚ軸方向に配列され、前記Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子と、
前記Ｘ圧電素子及び前記Ｙ圧電素子に対して前記自由端側で前記Ｚ軸方向に配列するとともに、該Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子とが一体となって構成され、
前記Ｚ軸に略直交する断面積が前記固定端に対して前記自由端が小さくなるように、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子によって形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項２】
請求項１に記載の微動素子において、
前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、
前記固定端から前記自由端にかけて各素子によって段状に形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項３】
請求項１に記載の微動素子において、
前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、
前記固定端から前記自由端にかけて略テーパ状に形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の微動素子において、
前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子の各側面によって、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端まで連続する外側面が少なくとも一面形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項５】
請求項４に記載の微動素子において、
前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交していることを特徴とする微動素子。
【請求項６】
請求項１から請求項３に記載の微動素子と、
該微動素子を、前記固定端で固定して支持するホルダと、
先端を延出するように、基端が前記微動素子の前記自由端に固定されているとともに、前記先端に探針を有するカンチレバーと、
該カンチレバーの前記探針に試料の観察表面が近接するように該試料を配置する載置台とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記微動素子は、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端へ連続して形成された外側面を少なくとも一面有していることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記微動素子の前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交しているとともに、
前記カンチレバーは、前記Ｚ軸方向視して、前記外側面に略直交して延設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１】
電圧を印加することで、所定の固定位置に固定される固定端から自由端へ延びるＺ軸と、該Ｚ軸と略直交する平面を構成する二軸であるＸ軸及びＹ軸との三軸の各方向に、前記固定端に対して前記自由端を変位可能な微動素子であって、
前記Ｘ軸方向に変形可能なＸ圧電素子と、
該Ｘ圧電素子に対して前記Ｚ軸方向に配列され、前記Ｙ軸方向に変形可能なＹ圧電素子と、
前記Ｘ圧電素子及び前記Ｙ圧電素子に対して前記自由端側で前記Ｚ軸方向に配列するとともに、該Ｚ軸方向に変形可能なＺ圧電素子とが一体となって構成され、
前記Ｚ軸に略直交する断面積が前記固定端に対して前記自由端が小さくなるように、前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子によって形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項２】
請求項１に記載の微動素子において、
前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、
前記固定端から前記自由端にかけて各素子によって段状に形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項３】
請求項１に記載の微動素子において、
前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子は、前記固定端側に位置するものから順に前記Ｚ軸に直交する断面積が小さくなるように設定されていて、
前記固定端から前記自由端にかけて略テーパ状に形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の微動素子において、
前記Ｘ圧電素子、前記Ｙ圧電素子、及び前記Ｚ圧電素子の各側面によって、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端まで連続する外側面が少なくとも一面形成されていることを特徴とする微動素子。
【請求項５】
請求項４に記載の微動素子において、
前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交していることを特徴とする微動素子。
【請求項６】
請求項１から請求項３に記載の微動素子と、
該微動素子を、前記固定端で固定して支持するホルダと、
先端を延出するように、基端が前記微動素子の前記自由端に固定されているとともに、前記先端に探針を有するカンチレバーと、
該カンチレバーの前記探針に試料の観察表面が近接するように該試料を配置する載置台とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記微動素子は、前記Ｚ軸に略平行で、前記固定端から前記自由端へ連続して形成された外側面を少なくとも一面有していることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記微動素子の前記外側面は、前記Ｘ軸または前記Ｙ軸のいずれかに略直交しているとともに、
前記カンチレバーは、前記Ｚ軸方向視して、前記外側面に略直交して延設されてい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８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２９９１（Ｐ２００８−２９９１Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７３８６４（Ｐ２００６−１７３８６４）
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【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２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【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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