走査型プローブ装置
【課題】走査ステージあるいは探針の駆動ステージを交換するたびに操作者による校正の手間を要することなく、これらのステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる走査型プローブ装置を提供する。
【解決手段】探針と、試料を保持する試料保持台５０５を移動させるための駆動素子５００と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部５１０、５１５とを備えた走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置をつぎのように構成する。
すなわち、前記走査ステージが、該走査ステージを駆動する駆動回路５を備え、前記試料保持台を含む前記駆動素子と前記可動部が前記走査型プローブ装置本体１に対して着脱交換可能とした構成とする。
【解決手段】探針と、試料を保持する試料保持台５０５を移動させるための駆動素子５００と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部５１０、５１５とを備えた走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置をつぎのように構成する。
すなわち、前記走査ステージが、該走査ステージを駆動する駆動回路５を備え、前記試料保持台を含む前記駆動素子と前記可動部が前記走査型プローブ装置本体１に対して着脱交換可能とした構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と呼ばれる技術を応用した走査型プローブ装置に関する。
特に、探針と試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得し、または情報記録を行い、または試料を加工する走査型プローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノメートル以下の分解能で導電性物質表面を観察可能な走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が開発され、更に絶縁物質等の表面をＳＴＭと同様の分解能で観察可能な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等が開発されてきた。
さらに別の発展形として、尖鋭なプローブ先端の微小開口からしみ出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）等が開発されてきた。
また、これら以外にも走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）、等が開発されている。
このように、現在では機械的探針（プローブ）を機械的に走査し、上記した試料表面の種々の物理量を高い分解能で測定できる走査型プローブ顕微鏡が開発されているが、これらの顕微鏡は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称されている。
【０００３】
ところで、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）においては、高精度な制御を達成するため、走査動作に伴う振動の発生を抑制することが求められる。
そのため、例えば特許文献１では、走査動作に伴う振動の発生を抑制し、これにより高精度な位置制御を高速で行える走査型プローブ顕微鏡用走査機構が提案されている。
この提案では、例えば図７に示すように、走査機構７００は、駆動素子（アクチュエータ）の台座７０２と、この台座に設けられた駆動素子保持部材７０６、７０７を有している。
更に、走査機構７００は、これらの保持部材に保持されたＹ方向に伸縮可能な駆動素子７０３と、駆動素子７０３の一端に固定されたＸ方向に伸縮可能な駆動素子７０４と、を有している。
加えて、走査機構７００は、駆動素子７０４の一端に固定されたＺ方向に伸縮可能な駆動素子７０５と、駆動素子７０５の一端に設けられた試料保持部材７０８とを有している。
駆動素子７０５はその中央付近が駆動素子７０４に接合されており、駆動素子７０４はその中央付近が駆動素子７０３に接合されており、駆動素子７０３はその中央付近が保持部材７０６、７０７によって保持されている。
【０００４】
また、特許文献２には、高速で走査を行っても振動の発生の少ない小型で軽量な駆動ステージを有し、高速に鮮明な像を取得できる走査型プローブ顕微鏡が提案されている。
この提案では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の駆動ステージとして、支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、前記複数の可動部を駆動する１つ以上の駆動素子からなる駆動ステージが構成される。
このステージは、前記駆動素子の駆動時に、前記複数のそれぞれの可動部の生じる慣性力が互いに相殺する方向に可動部を駆動する構成とされている。
具体的には、図８（ａ）に示すように このステージは、円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが２つ同心円状に重なった構造を有している。
第１の円筒形圧電素子８００の内側に第２の円筒形圧電素子８１０が同心円状に配置されている（図８（ａ）では分解して表示）。
第１の円筒形圧電素子８００の周囲には、４分割された電極８０１〜８０４が配置されており、その上部には移動台８０５が接合されている（図８（ａ）では分解して表示）。
また、第２の円筒形圧電素子８１０の周囲には、４分割された電極８１１〜８１４が配置されており、上部には重り８１５が接合されている（図８（ａ）では分解して表示）。
第１、第２の円筒形圧電素子８００、８１０は、相対する電極（８０１と８０３、８０２と８０４、８１１と８１３、８１２と８１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。
また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。つまり、この圧電素子８００、８１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。これにより、この圧電素子の上部に配置した移動台８０５と重り８１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。
また、図８（ｂ）の本ステージの結線図に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子８００と内側の円筒形圧電素子８１０は、常に逆方向に駆動されることになる。
図８（ｃ）は、駆動時の変形の様子の断面図である。
図中で、円筒形圧電素子８００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子８１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。
増幅器８２０〜８２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子８００と８１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されている。また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整するのが望ましい。
以上のように構成された本発明は、常に外側の第１の円筒形圧電素子８００と内側の第２の円筒形圧電素子８１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動されるので、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。
【特許文献１】特開２００２−０８２０３６号公報
【特許文献２】特開２０００−０８８９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）では、観察すべき試料の大きさや観察すべき情報に応じて、装置の規模が異なってくる。
例えば、小さい試料で観察すべき視野（走査範囲）が狭い場合には、小さな駆動ステージが用いられ、また、走査範囲が広い場合には、大きな駆動ステージが用いられることとなる。
一方、探針については、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であれば、同じ探針を用いることができるので、本体から走査ステージを取り外し、別の走査ステージを本体に装着して使用する使用法が採られる場合がある。すなわち、走査ステージのみを交換する使用法が採られる場合がある。
【０００６】
しかしながら、このように走査ステージのみを交換する使用法を採る際に、例えば上述した慣性力を相殺する可動部（カウンター質量、釣り合い錘）を持つ走査ステージを用いる場合、つぎのような不都合が生じる。
すなわち、慣性力を相殺する可動部（カウンター質量、釣り合い錘）をそのままにして、走査ステージのみを交換すると、カウンター質量との釣り合い関係が維持できず、期待する慣性力の相殺がなされない場合が生じる。
特に、走査ステージ或いはカウンター質量の駆動素子（アクチュエータ）として、圧電素子のような電気機械変換体を用いる場合には、使用に伴って駆動素子の動作性能が経過変化してしまうこととなる。
そのため、走査ステージのみを交換して走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の使用を続けると、カウンター質量の駆動素子の劣化が進む一方で、走査ステージは交換によりリフレッシュされるという現象が生じる。
このようなことから、印加電圧に対する変位量は、カウンター質量の駆動素子と走査ステージの駆動素子との間で、異なることになり、走査ステージに発生する慣性力の相殺はより一層困難となる。
また、走査ステージの駆動素子の特性、例えば、印加電圧に対する変位量はヒステリシスを持つことが多く、また、駆動素子毎に特性にばらつきがある。
以上のことを考慮し、期待する慣性力の相殺がなされるように駆動するためには、走査ステージを交換するたびに操作者が校正を行うことが必要となる。
すなわち、走査ステージを交換するたびに走査ステージに発生する慣性力が適正に相殺されるように操作者が校正をする手間を要することとなる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、走査ステージあるいは探針の駆動ステージを交換するたびに操作者による校正の手間を要することなく、これらのステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる走査型プローブ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した走査型プローブ装置を提供するものである。
本発明の走査型プローブ装置は、
探針と、
試料を保持する試料保持台を移動させるための駆動素子と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記走査ステージは、該走査ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の前記走査ステージは、前記試料保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブ装置は、
探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた探針の駆動ステージと、
試料を保持する走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記探針の駆動ステージは、該探針の駆動ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の前記探針の駆動ステージは、前記探針保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブ装置は、
探針を駆動する探針の駆動ステージと、試料を保持する走査ステージと、を有し、
前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記走査ステージが、上記したいずれかに記載の走査型プローブ装置における走査ステージによって構成され、
前記探針を駆動する探針の駆動ステージが、上記したいずれかに記載の走査型プローブ装置における探針の駆動ステージによって構成されていることを特徴としている。
また、本発明は、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、
または前記試料を加工する走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されている、前記探針又は前記試料を移動させるためのステージであって、
前記探針又は前記試料を移動させるための駆動素子と、該探針又は該試料の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備え、
前記ステージに、該ステージを駆動する駆動回路が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、走査ステージあるいは探針の駆動ステージを交換するたびに操作者による校正の手間を大幅に削減しつつ、これらのステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる走査型プローブ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の構成によれば、従来例の課題で説明したような走査圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることなく、操作者による校正の手間を要せず、走査ステージあるいは探針の駆動ステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる。
これにより、走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。特に、つぎに説明するように、ＸＹＺ各方向のなかでも最も高い周波数による動きとなるＺ方向の走査に求められる要求に対しても、有効に応えることが可能となる。
【００１１】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得て、モニターＴＶ上にマッピング表示することができる。
また、ＳＮＯＭなどは機械的探針先端から発せられる光を被加工物に作用して微細加工を行ったり、光による情報記録を行ったりすることができる。
さらには、試料表面に凹凸を形成し、やはり微細加工を行ったり、情報記録を行ったりすることができる。
【００１２】
このような走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）においては、ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相互作用が一定になるようフィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。
このＺ方向の動きは、規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きとなる。
そして、このＺ方向の走査はＸＹＺ各方向のなかでは最も高い周波数での動きとなる。
走査型プローブ顕微鏡のＸ方向の走査周波数は０．０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０から１０００ラインである。
またＺ方向の走査周波数はＸ走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画素数倍からその１００倍程度である。
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。
なお、この例に示す走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては、今のところ最も高い水準の走査周波数に当たるものであり、通常はＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。
この例に示すような高い水準の走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分白身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。
本発明によれば、これらの要求に対しても、有効に応えることが可能となる。
【実施例】
【００１３】
以下に、本発明の実施例１について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して、走査型プローブ装置に用いられる交換可能な走査ステージを構成した。
図１に、本実施例における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査ステージの断面図を示す。
図２に、本実施例における走査型プローブ装置に用いられる走査ステージの構成を説明するための模式図を示す。
図１及び図２において、１は走査型プローブ装置本体側に設けられた凹部、２は底部基台、３は底部基台２に設けられた電気接続コネクタ、４は走査型プローブ装置本体の凹部に設けられた電気接続コネクタ３と接続される電気接続コネクタである。
５は走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路、６はこれらの圧電素子を駆動するための信号を供給する制御回路である。
５００は第１の円筒形圧電素子、５０５は移動台、５１０は第２の円筒形圧電素子、５１５は重りである。
【００１４】
本実施例においては、走査ステージは、底部基台２と、この底部基台２に固定されている移動台５０５を備えた第１の円筒形圧電素子５００及び重り５１５を備えた第２の円筒形圧電素子５１０により構成されている。
この走査ステージは、走査型プローブ装置本体側に設けられた凹部１に篏合するように着脱交換可能に取り付けられる。
この凹部１の底面には、電気接続コネクタ４が設けられており、上記凹部１に篏合させた時に、底部基台２に設けられた電気接続コネクタ３と互いに接続される。
これにより、外部の制御回路６から試料台の駆動素子である走査用圧電素子を構成する第１の円筒形圧電素子５００と、カウンター圧電素子である第２の円筒形圧電素子５１０とを駆動するための信号が供給される。
上記走査ステージを構成している底部基台２の外殻には、上記駆動回路５を有するＩＣチップが設けられており、上記走査ステージと一体的に走査型プローブ装置本体の凹部１から取り外して交換可能となっている。
【００１５】
本実施例においては、前述したように、スキャナ圧電素子は第１の円筒形圧電素子５００で構成され、その上部に試料台としての円盤状の移動台５０５を有している。
一方、カウンター圧電素子は直径がスキャナ圧電素子より小さい円筒形の圧電素子で構成され、その上部にカウンター質量としての重り５１５を有している。
そして、それぞれの圧電素子は、上記特許文献２に記載されているように駆動される。
【００１６】
つぎに、図２を用いて、上記走査ステージの具体的構成について、さらに詳細に説明する。
本実施例の走査ステージは、図２に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが２つ同心円状に重なった構造をしている。
すなわち、第１の円筒形圧電素子５００の内側に、第２の円筒形圧電素子５１０が同心円状に配置されている（図２では分解して表示）。
第１の円筒形圧電素子５００の周囲には、４分割された電極５０１〜５０４が配置されており（但し、５０４は図２では裏側にあたるため不図示）、その上部には移動台５０５が接合されている（図２では分解して表示）。
また、第２の円筒形圧電素子５１０の周囲には、４分割された電極５１１〜５１４が配置されており（ただし、５１４は図２では裏側にあたるため不図示）、上部には重り５１５が接合されている（図２では分解して表示）。
第１、第２の円筒形圧電素子５００、５１０は、相対する電極（５０１と５０３、５０２と５０４、５１１と５１３、５１２と５１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。
また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。
つまり、この圧電素子５００、５１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。したがって、これらによって圧電素子の上部に配置した移動台５０５と重り５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。
【００１７】
図３は、本実施例における走査ステージの結線図を示す図である。本結線図に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子５００と内側の円筒形圧電素子５１０は、常に逆方向に駆動されることになる。
駆動時の変形の様子は、前述した特許文献２と同じであり、図８（ｃ）と同様に、円筒形圧電素子５００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子５１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。
増幅器５２０〜５２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子５００と５１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されており、走査ステージ固有の値が設定されている。
また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整されるべく、増幅器は可変ゲインアンプとなっていてもよい。
本実施例では、増幅器５２０、５２１、５２２とインバータ５３０、５３１、５３２、５３３と、加算器５４０、５４１、５４２、５４３、５４４、５４５、５４６、５４７が１チップＩＣとして集積化されて、走査ステージに搭載されている。
そして、走査ステージの交換時に一体的に装置本体に対して取り外しできるようになっている。
したがって、装置本体からは、Ｘ駆動信号、Ｙ駆動信号、Ｚ駆動信号が供給され、走査ステージが装置本体に装着された時に装置本体の駆動制御回路と走査ステージの駆動回路とが接続される。
走査ステージの駆動回路は、固有の増幅率が設定されているので、装置本体は複雑な校正を行わなくても、Ｘ駆動信号、Ｙ駆動信号、Ｚ駆動信号を供給するだけで、所望の走査を行うことができる。
【００１８】
以上の本実施例の構成によれば、常に外側の第１の円筒形圧電素子５００と内側の第２の円筒形圧電素子５１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動されるので、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。すなわち、本実施例では走査用圧電素子である第１の円筒形圧電素子５００のみを交換可能にするのではなく、走査用圧電素子と慣性力相殺用のカウンター圧電素子とが固定されている底部基台２を、装置本体に対して着脱可能に構成されている。これにより、両圧電素子が一体的に交換可能となる。
したがって、従来例の課題で説明したような慣性力相殺用のカウンター圧電素子をそのまま用い、走査用圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることがない。
これにより、走査ステージを交換しながら走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。
【００１９】
［実施例２］
実施例２においては、実施例１とは異なる形態の走査型プローブ装置に用いられる交換可能な走査機構について説明する。
図４及び図５に、本実施例の走査機構の構成を示す。
図４及び図５において、４００は走査機構、４０１は走査機構保持台、４０２は駆動素子台座、４０３〜４０５は駆動素子、４０６、４０７は駆動素子保持部材、４０８は試料保持部材、４０９は重り部材である。
４１０は走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路である。
【００２０】
本実施例では、図４及び図５に示されるように駆動素子台座４０２の外殻には、上記駆動回路４１０を有するＩＣチップが設けられており、これらが一体的に走査型プローブ装置本体側の走査機構保持台４０１から取り外して交換可能となっている。
つまり、この駆動素子台座４０２には、駆動素子保持部材４０６、４０７と、駆動素子保持部材４０６、４０７によって保持された駆動素子４０３と、駆動素子４０３の一端に固定された駆動素子４０４が設けられている。
さらに、駆動素子４０４の一端に固定された駆動素子４０５と、駆動素子４０４の一端に固定された釣り合い重り部材４０９と、駆動素子４０５の一端に設けられた試料保持部材４０８が設けられている。
【００２１】
ここで、駆動素子４０３、４０４、４０５は、実施例１と同様に、積層圧電体で構成され、さらに、釣り合い重り部材４０９も同等の積層圧電体で構成されている。
駆動素子４０５はＺ方向（第１の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子４０４の一方の端部に接合されている。
一方、釣り合い重り部材４０９は駆動素子４０５とほぼ同じ重量を有しており、その中央付近が駆動素子４０４の他方の端部に接合されている。
このように、本実施例では走査用圧電素子である駆動素子４０５に対して、慣性力相殺用の圧電素子である釣り合い重り部材４０９を構成することで、振動が抑制するようにされている。
駆動素子４０４はＸ方向（第２の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子４０３の端部に接合されている。
駆動素子４０３はＹ方向（第３の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子保持部材４０６、４０７によって保持されている。
【００２２】
以上のように、本実施例では駆動素子台座４０２に設けられた釣り合い重り部材４０９を含む各駆動素子及び試料保持部材４０８が、駆動素子台座４０２と共に一体的に走査機構保持台４０１に対して交換可能に構成されている。
すなわち、走査機構４００を構成するこれらの釣り合い重り部材４０９を含む各駆動素子及び試料保持部材４０８が、駆動素子台座４０２と共に一体的に走査機構保持台４０１に対して交換可能に構成されている。
その際、相互に設けられた電気接続コネクタ（不図示）を介して、互いに電気接続されるように構成されている。これらについては、基本的には実施例１と同様の構成が採られる。
【００２３】
このように、本実施例では走査用圧電素子である駆動素子４０５のみを交換可能にするのではなく、この走査用圧電素子と慣性力相殺用のカウンター圧電素子である釣り合い重り部材４０９を含む駆動素子台座４０２が、一体的に交換可能に構成されている。
したがって、従来例の課題で説明したような慣性力相殺用のカウンター圧電素子をそのまま用い、走査用圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることがない。
これにより、走査機構を交換しながら走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。
【００２４】
［実施例３］
本発明の実施例３においては、探針の駆動ステージ及び試料ステージの両方に駆動回路が設けられた走査型プローブ装置の構成例について説明する。
なお、本実施例では、試料ステージとして実施例１の走査ステージと同様の構成のものが用いられる。
また、探針の駆動ステージにも実施例１の走査ステージの基本構成を適用して、探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた探針の駆動ステージが構成される。そして、この探針の駆動ステージは、前記探針保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成される。
【００２５】
図６に本実施例の走査型プローブ装置の構成例を説明する図を示す。
図６において、６１０は走査型プローブ装置本体、６１１は走査型プローブ装置本体における篏合凹部を有する試料ステージ支持部、６１２は試料ステージの底部基台、６１３は試料ステージに載置された試料である。
６１４は走査型プローブ装置本体における篏合凹部を有する探針の駆動ステージ支持部、６１５は探針の駆動ステージの底部基台、６１６は走査プローブ、６１７は探針である。
６１８は、走査型プローブ装置全体の制御を司る制御コンピュータである。
６１９は試料ステージの底部基台６１２の外殻に設けられている走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路である。
６２０は探針の駆動ステージの底部基台６１５の外殻に設けられている探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを駆動する駆動回路である。
これら駆動回路は、実施例１と同様にＩＣチップに搭載されている。
【００２６】
本実施例の構成例では、それぞれに慣性力相殺用のカウンター圧電素子を含む両ステージは、上記慣性力相殺用のカウンター圧電素子を含んで一体的に交換可能に構成されている。この交換可能とした構成は、基本的には実施例１と同様の構成が採られる。
その際、相互に設けられた電気接続コネクタ（不図示）を介して、互いに電気接続されるように構成されている。これらにおいても、基本的には実施例１と同様の構成が採られる。
【００２７】
本実施例の構成によれば、探針の駆動ステージあるいは試料ステージの交換に際し、探針保持台を移動させるための駆動素子あるいは走査用圧電素子のみを交換可能にするのではなく、慣性力相殺用のカウンター圧電素子が、一体的に交換可能に構成されている。
したがって、従来例の課題で説明したような慣性力相殺用のカウンター圧電素子をそのまま用い、走査用圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることない。
これにより、探針の駆動ステージあるいは試料ステージを交換しながら走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例１における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査ステージの断面図を示す図。
【図２】本発明の実施例１における走査型プローブ装置に用いられる走査ステージの構成を説明するための模式図。
【図３】本発明の実施例１における走査ステージの結線を示す図。
【図４】本発明の実施例２における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査機構の構成を説明するための模式図。
【図５】本発明の実施例２における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査機構の構成を説明するための模式図。
【図６】本発明の実施例３における探針の駆動ステージ及び試料ステージの両方に駆動回路が設けられた走査型プローブ装置の構成例を説明する図。
【図７】従来例である特許文献１の走査型プローブ顕微鏡用走査機構を説明する図。
【図８】従来例である特許文献２の走査型プローブ顕微鏡の駆動ステージを説明する図。
【符号の説明】
【００２９】
１：走査型プローブ装置本体側に設けられた凹部
２：底部基台
３：底部基台２に設けられた電気接続コネクタ
４：走査型プローブ装置本体の凹部に設けられた電気接続コネクタ
５：走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路
６：圧電素子を駆動するための信号を供給する制御回路
４００：走査機構
４０１：走査機構保持台
４０２：駆動素子台座
４０３〜４０５：駆動素子
４０６，４０７：駆動素子保持部材
４０８：試料保持部材
４０９：重り部材
４１０：走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路
５００：第１の円筒形圧電素子
５０１〜５０４：電極
５０５：移動台
５１０：第２の円筒形圧電素子
５１１〜５１４：電極
５１５：重り
６１０：走査型プローブ装置本体
６１１：試料ステージ支持部
６１２：試料ステージの底部基台
６１３：試料ステージに載置された試料
６１４：駆動ステージ支持部
６１５：探針の駆動ステージの底部基台
６１６：走査プローブ
６１７：探針
６１８：走査型プローブ装置全体の制御を司る制御コンピュータ
６１９：走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路
６２０：探針保持台を移動させるための駆動素子と慣性力を相殺する方向に動く可動部とを駆動する駆動回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と呼ばれる技術を応用した走査型プローブ装置に関する。
特に、探針と試料とを相対的に移動させながら、試料の情報を取得し、または情報記録を行い、または試料を加工する走査型プローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノメートル以下の分解能で導電性物質表面を観察可能な走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が開発され、更に絶縁物質等の表面をＳＴＭと同様の分解能で観察可能な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等が開発されてきた。
さらに別の発展形として、尖鋭なプローブ先端の微小開口からしみ出すエバネッセント光を利用して試料表面状態を調べる走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）等が開発されてきた。
また、これら以外にも走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）、等が開発されている。
このように、現在では機械的探針（プローブ）を機械的に走査し、上記した試料表面の種々の物理量を高い分解能で測定できる走査型プローブ顕微鏡が開発されているが、これらの顕微鏡は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と総称されている。
【０００３】
ところで、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）においては、高精度な制御を達成するため、走査動作に伴う振動の発生を抑制することが求められる。
そのため、例えば特許文献１では、走査動作に伴う振動の発生を抑制し、これにより高精度な位置制御を高速で行える走査型プローブ顕微鏡用走査機構が提案されている。
この提案では、例えば図７に示すように、走査機構７００は、駆動素子（アクチュエータ）の台座７０２と、この台座に設けられた駆動素子保持部材７０６、７０７を有している。
更に、走査機構７００は、これらの保持部材に保持されたＹ方向に伸縮可能な駆動素子７０３と、駆動素子７０３の一端に固定されたＸ方向に伸縮可能な駆動素子７０４と、を有している。
加えて、走査機構７００は、駆動素子７０４の一端に固定されたＺ方向に伸縮可能な駆動素子７０５と、駆動素子７０５の一端に設けられた試料保持部材７０８とを有している。
駆動素子７０５はその中央付近が駆動素子７０４に接合されており、駆動素子７０４はその中央付近が駆動素子７０３に接合されており、駆動素子７０３はその中央付近が保持部材７０６、７０７によって保持されている。
【０００４】
また、特許文献２には、高速で走査を行っても振動の発生の少ない小型で軽量な駆動ステージを有し、高速に鮮明な像を取得できる走査型プローブ顕微鏡が提案されている。
この提案では、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の駆動ステージとして、支持体と、前記支持体に支持された少なくとも２つ以上の複数の可動部と、前記複数の可動部を駆動する１つ以上の駆動素子からなる駆動ステージが構成される。
このステージは、前記駆動素子の駆動時に、前記複数のそれぞれの可動部の生じる慣性力が互いに相殺する方向に可動部を駆動する構成とされている。
具体的には、図８（ａ）に示すように このステージは、円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが２つ同心円状に重なった構造を有している。
第１の円筒形圧電素子８００の内側に第２の円筒形圧電素子８１０が同心円状に配置されている（図８（ａ）では分解して表示）。
第１の円筒形圧電素子８００の周囲には、４分割された電極８０１〜８０４が配置されており、その上部には移動台８０５が接合されている（図８（ａ）では分解して表示）。
また、第２の円筒形圧電素子８１０の周囲には、４分割された電極８１１〜８１４が配置されており、上部には重り８１５が接合されている（図８（ａ）では分解して表示）。
第１、第２の円筒形圧電素子８００、８１０は、相対する電極（８０１と８０３、８０２と８０４、８１１と８１３、８１２と８１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。
また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。つまり、この圧電素子８００、８１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。これにより、この圧電素子の上部に配置した移動台８０５と重り８１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。
また、図８（ｂ）の本ステージの結線図に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子８００と内側の円筒形圧電素子８１０は、常に逆方向に駆動されることになる。
図８（ｃ）は、駆動時の変形の様子の断面図である。
図中で、円筒形圧電素子８００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子８１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。
増幅器８２０〜８２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子８００と８１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されている。また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整するのが望ましい。
以上のように構成された本発明は、常に外側の第１の円筒形圧電素子８００と内側の第２の円筒形圧電素子８１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動されるので、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。
【特許文献１】特開２００２−０８２０３６号公報
【特許文献２】特開２０００−０８８９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）では、観察すべき試料の大きさや観察すべき情報に応じて、装置の規模が異なってくる。
例えば、小さい試料で観察すべき視野（走査範囲）が狭い場合には、小さな駆動ステージが用いられ、また、走査範囲が広い場合には、大きな駆動ステージが用いられることとなる。
一方、探針については、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であれば、同じ探針を用いることができるので、本体から走査ステージを取り外し、別の走査ステージを本体に装着して使用する使用法が採られる場合がある。すなわち、走査ステージのみを交換する使用法が採られる場合がある。
【０００６】
しかしながら、このように走査ステージのみを交換する使用法を採る際に、例えば上述した慣性力を相殺する可動部（カウンター質量、釣り合い錘）を持つ走査ステージを用いる場合、つぎのような不都合が生じる。
すなわち、慣性力を相殺する可動部（カウンター質量、釣り合い錘）をそのままにして、走査ステージのみを交換すると、カウンター質量との釣り合い関係が維持できず、期待する慣性力の相殺がなされない場合が生じる。
特に、走査ステージ或いはカウンター質量の駆動素子（アクチュエータ）として、圧電素子のような電気機械変換体を用いる場合には、使用に伴って駆動素子の動作性能が経過変化してしまうこととなる。
そのため、走査ステージのみを交換して走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の使用を続けると、カウンター質量の駆動素子の劣化が進む一方で、走査ステージは交換によりリフレッシュされるという現象が生じる。
このようなことから、印加電圧に対する変位量は、カウンター質量の駆動素子と走査ステージの駆動素子との間で、異なることになり、走査ステージに発生する慣性力の相殺はより一層困難となる。
また、走査ステージの駆動素子の特性、例えば、印加電圧に対する変位量はヒステリシスを持つことが多く、また、駆動素子毎に特性にばらつきがある。
以上のことを考慮し、期待する慣性力の相殺がなされるように駆動するためには、走査ステージを交換するたびに操作者が校正を行うことが必要となる。
すなわち、走査ステージを交換するたびに走査ステージに発生する慣性力が適正に相殺されるように操作者が校正をする手間を要することとなる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、走査ステージあるいは探針の駆動ステージを交換するたびに操作者による校正の手間を要することなく、これらのステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる走査型プローブ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した走査型プローブ装置を提供するものである。
本発明の走査型プローブ装置は、
探針と、
試料を保持する試料保持台を移動させるための駆動素子と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記走査ステージは、該走査ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の前記走査ステージは、前記試料保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブ装置は、
探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた探針の駆動ステージと、
試料を保持する走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記探針の駆動ステージは、該探針の駆動ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明の前記探針の駆動ステージは、前記探針保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴としている。
また、本発明において、前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴としている。
また、本発明の走査型プローブ装置は、
探針を駆動する探針の駆動ステージと、試料を保持する走査ステージと、を有し、
前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記走査ステージが、上記したいずれかに記載の走査型プローブ装置における走査ステージによって構成され、
前記探針を駆動する探針の駆動ステージが、上記したいずれかに記載の走査型プローブ装置における探針の駆動ステージによって構成されていることを特徴としている。
また、本発明は、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、
または前記試料を加工する走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されている、前記探針又は前記試料を移動させるためのステージであって、
前記探針又は前記試料を移動させるための駆動素子と、該探針又は該試料の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備え、
前記ステージに、該ステージを駆動する駆動回路が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、走査ステージあるいは探針の駆動ステージを交換するたびに操作者による校正の手間を大幅に削減しつつ、これらのステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる走査型プローブ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の構成によれば、従来例の課題で説明したような走査圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることなく、操作者による校正の手間を要せず、走査ステージあるいは探針の駆動ステージに発生する慣性力を適正に相殺することができる。
これにより、走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。特に、つぎに説明するように、ＸＹＺ各方向のなかでも最も高い周波数による動きとなるＺ方向の走査に求められる要求に対しても、有効に応えることが可能となる。
【００１１】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し所望の試料領域の表面情報を機械的探針を介して得て、モニターＴＶ上にマッピング表示することができる。
また、ＳＮＯＭなどは機械的探針先端から発せられる光を被加工物に作用して微細加工を行ったり、光による情報記録を行ったりすることができる。
さらには、試料表面に凹凸を形成し、やはり微細加工を行ったり、情報記録を行ったりすることができる。
【００１２】
このような走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）においては、ＸＹ走査の間、Ｚ方向についても試料と探針との相互作用が一定になるようフィードバック制御してＺ方向の移動を担う走査機構を動かしている。
このＺ方向の動きは、規則的な動きをするＸＹ方向の動きとは異なり、試料の表面形状や表面状態を反映するため不規則な動きとなる。
そして、このＺ方向の走査はＸＹＺ各方向のなかでは最も高い周波数での動きとなる。
走査型プローブ顕微鏡のＸ方向の走査周波数は０．０５から２００Ｈｚ程度であり、Ｙ方向の走査周波数は、Ｘ方向走査周波数のＹ方向走査ライン数分の１程度であって、Ｙ方向走査ライン数は１０から１０００ラインである。
またＺ方向の走査周波数はＸ走査方向周波数に対し、Ｘ方向走査１ラインあたりの画素数倍からその１００倍程度である。
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を１秒で取り込むとき、Ｘ方向の走査周波数は１００Ｈｚ、Ｙ方向の走査周波数は１Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１０ｋＨｚ以上となる。
なお、この例に示す走査周波数は走査型プローブ顕微鏡としては、今のところ最も高い水準の走査周波数に当たるものであり、通常はＸ方向走査周波数は数Ｈｚ程度に留まっている。
この例に示すような高い水準の走査周波数を実現するには、その走査機構は、外部からの振動に対し安定であるのはもちろん、内部の走査動作にともない自分白身で発生する振動が小さく抑えられていることが求められる。
本発明によれば、これらの要求に対しても、有効に応えることが可能となる。
【実施例】
【００１３】
以下に、本発明の実施例１について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して、走査型プローブ装置に用いられる交換可能な走査ステージを構成した。
図１に、本実施例における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査ステージの断面図を示す。
図２に、本実施例における走査型プローブ装置に用いられる走査ステージの構成を説明するための模式図を示す。
図１及び図２において、１は走査型プローブ装置本体側に設けられた凹部、２は底部基台、３は底部基台２に設けられた電気接続コネクタ、４は走査型プローブ装置本体の凹部に設けられた電気接続コネクタ３と接続される電気接続コネクタである。
５は走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路、６はこれらの圧電素子を駆動するための信号を供給する制御回路である。
５００は第１の円筒形圧電素子、５０５は移動台、５１０は第２の円筒形圧電素子、５１５は重りである。
【００１４】
本実施例においては、走査ステージは、底部基台２と、この底部基台２に固定されている移動台５０５を備えた第１の円筒形圧電素子５００及び重り５１５を備えた第２の円筒形圧電素子５１０により構成されている。
この走査ステージは、走査型プローブ装置本体側に設けられた凹部１に篏合するように着脱交換可能に取り付けられる。
この凹部１の底面には、電気接続コネクタ４が設けられており、上記凹部１に篏合させた時に、底部基台２に設けられた電気接続コネクタ３と互いに接続される。
これにより、外部の制御回路６から試料台の駆動素子である走査用圧電素子を構成する第１の円筒形圧電素子５００と、カウンター圧電素子である第２の円筒形圧電素子５１０とを駆動するための信号が供給される。
上記走査ステージを構成している底部基台２の外殻には、上記駆動回路５を有するＩＣチップが設けられており、上記走査ステージと一体的に走査型プローブ装置本体の凹部１から取り外して交換可能となっている。
【００１５】
本実施例においては、前述したように、スキャナ圧電素子は第１の円筒形圧電素子５００で構成され、その上部に試料台としての円盤状の移動台５０５を有している。
一方、カウンター圧電素子は直径がスキャナ圧電素子より小さい円筒形の圧電素子で構成され、その上部にカウンター質量としての重り５１５を有している。
そして、それぞれの圧電素子は、上記特許文献２に記載されているように駆動される。
【００１６】
つぎに、図２を用いて、上記走査ステージの具体的構成について、さらに詳細に説明する。
本実施例の走査ステージは、図２に示すように円筒形の圧電素子からなる駆動ステージが２つ同心円状に重なった構造をしている。
すなわち、第１の円筒形圧電素子５００の内側に、第２の円筒形圧電素子５１０が同心円状に配置されている（図２では分解して表示）。
第１の円筒形圧電素子５００の周囲には、４分割された電極５０１〜５０４が配置されており（但し、５０４は図２では裏側にあたるため不図示）、その上部には移動台５０５が接合されている（図２では分解して表示）。
また、第２の円筒形圧電素子５１０の周囲には、４分割された電極５１１〜５１４が配置されており（ただし、５１４は図２では裏側にあたるため不図示）、上部には重り５１５が接合されている（図２では分解して表示）。
第１、第２の円筒形圧電素子５００、５１０は、相対する電極（５０１と５０３、５０２と５０４、５１１と５１３、５１２と５１４）の電圧を制御して、一方が伸び他方が縮むようにすることにより、屈曲させることができる。
また、４つの電極に同じように電圧を印加することで長軸方向に伸縮させることができる。
つまり、この圧電素子５００、５１０の屈曲、伸縮を電圧で制御できる。したがって、これらによって圧電素子の上部に配置した移動台５０５と重り５１５をそれぞれ３次元方向に駆動することができる。
【００１７】
図３は、本実施例における走査ステージの結線図を示す図である。本結線図に示すように結線することで、外側の円筒形圧電素子５００と内側の円筒形圧電素子５１０は、常に逆方向に駆動されることになる。
駆動時の変形の様子は、前述した特許文献２と同じであり、図８（ｃ）と同様に、円筒形圧電素子５００は、左向きに曲がって上方向に伸びており、円筒形圧電素子５１０は、右向きに曲がって下方向に縮んでいる。
増幅器５２０〜５２２の増幅率−ＡＸ、−Ａｙ、−Ａｚはそれぞれ、円筒形圧電素子５００と５１０の発生する慣性力がキャンセルするように設定されており、走査ステージ固有の値が設定されている。
また、これらの増幅率は、移動台に載せるものの質量が変化した時には、最適な値に調整されるべく、増幅器は可変ゲインアンプとなっていてもよい。
本実施例では、増幅器５２０、５２１、５２２とインバータ５３０、５３１、５３２、５３３と、加算器５４０、５４１、５４２、５４３、５４４、５４５、５４６、５４７が１チップＩＣとして集積化されて、走査ステージに搭載されている。
そして、走査ステージの交換時に一体的に装置本体に対して取り外しできるようになっている。
したがって、装置本体からは、Ｘ駆動信号、Ｙ駆動信号、Ｚ駆動信号が供給され、走査ステージが装置本体に装着された時に装置本体の駆動制御回路と走査ステージの駆動回路とが接続される。
走査ステージの駆動回路は、固有の増幅率が設定されているので、装置本体は複雑な校正を行わなくても、Ｘ駆動信号、Ｙ駆動信号、Ｚ駆動信号を供給するだけで、所望の走査を行うことができる。
【００１８】
以上の本実施例の構成によれば、常に外側の第１の円筒形圧電素子５００と内側の第２の円筒形圧電素子５１０の発生する慣性力がキャンセルするように駆動されるので、高速に駆動しても振動の少ないステージを提供することができる。すなわち、本実施例では走査用圧電素子である第１の円筒形圧電素子５００のみを交換可能にするのではなく、走査用圧電素子と慣性力相殺用のカウンター圧電素子とが固定されている底部基台２を、装置本体に対して着脱可能に構成されている。これにより、両圧電素子が一体的に交換可能となる。
したがって、従来例の課題で説明したような慣性力相殺用のカウンター圧電素子をそのまま用い、走査用圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることがない。
これにより、走査ステージを交換しながら走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。
【００１９】
［実施例２］
実施例２においては、実施例１とは異なる形態の走査型プローブ装置に用いられる交換可能な走査機構について説明する。
図４及び図５に、本実施例の走査機構の構成を示す。
図４及び図５において、４００は走査機構、４０１は走査機構保持台、４０２は駆動素子台座、４０３〜４０５は駆動素子、４０６、４０７は駆動素子保持部材、４０８は試料保持部材、４０９は重り部材である。
４１０は走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路である。
【００２０】
本実施例では、図４及び図５に示されるように駆動素子台座４０２の外殻には、上記駆動回路４１０を有するＩＣチップが設けられており、これらが一体的に走査型プローブ装置本体側の走査機構保持台４０１から取り外して交換可能となっている。
つまり、この駆動素子台座４０２には、駆動素子保持部材４０６、４０７と、駆動素子保持部材４０６、４０７によって保持された駆動素子４０３と、駆動素子４０３の一端に固定された駆動素子４０４が設けられている。
さらに、駆動素子４０４の一端に固定された駆動素子４０５と、駆動素子４０４の一端に固定された釣り合い重り部材４０９と、駆動素子４０５の一端に設けられた試料保持部材４０８が設けられている。
【００２１】
ここで、駆動素子４０３、４０４、４０５は、実施例１と同様に、積層圧電体で構成され、さらに、釣り合い重り部材４０９も同等の積層圧電体で構成されている。
駆動素子４０５はＺ方向（第１の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子４０４の一方の端部に接合されている。
一方、釣り合い重り部材４０９は駆動素子４０５とほぼ同じ重量を有しており、その中央付近が駆動素子４０４の他方の端部に接合されている。
このように、本実施例では走査用圧電素子である駆動素子４０５に対して、慣性力相殺用の圧電素子である釣り合い重り部材４０９を構成することで、振動が抑制するようにされている。
駆動素子４０４はＸ方向（第２の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子４０３の端部に接合されている。
駆動素子４０３はＹ方向（第３の方向）に伸縮可能であり、その中央付近が駆動素子保持部材４０６、４０７によって保持されている。
【００２２】
以上のように、本実施例では駆動素子台座４０２に設けられた釣り合い重り部材４０９を含む各駆動素子及び試料保持部材４０８が、駆動素子台座４０２と共に一体的に走査機構保持台４０１に対して交換可能に構成されている。
すなわち、走査機構４００を構成するこれらの釣り合い重り部材４０９を含む各駆動素子及び試料保持部材４０８が、駆動素子台座４０２と共に一体的に走査機構保持台４０１に対して交換可能に構成されている。
その際、相互に設けられた電気接続コネクタ（不図示）を介して、互いに電気接続されるように構成されている。これらについては、基本的には実施例１と同様の構成が採られる。
【００２３】
このように、本実施例では走査用圧電素子である駆動素子４０５のみを交換可能にするのではなく、この走査用圧電素子と慣性力相殺用のカウンター圧電素子である釣り合い重り部材４０９を含む駆動素子台座４０２が、一体的に交換可能に構成されている。
したがって、従来例の課題で説明したような慣性力相殺用のカウンター圧電素子をそのまま用い、走査用圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることがない。
これにより、走査機構を交換しながら走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。
【００２４】
［実施例３］
本発明の実施例３においては、探針の駆動ステージ及び試料ステージの両方に駆動回路が設けられた走査型プローブ装置の構成例について説明する。
なお、本実施例では、試料ステージとして実施例１の走査ステージと同様の構成のものが用いられる。
また、探針の駆動ステージにも実施例１の走査ステージの基本構成を適用して、探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた探針の駆動ステージが構成される。そして、この探針の駆動ステージは、前記探針保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成される。
【００２５】
図６に本実施例の走査型プローブ装置の構成例を説明する図を示す。
図６において、６１０は走査型プローブ装置本体、６１１は走査型プローブ装置本体における篏合凹部を有する試料ステージ支持部、６１２は試料ステージの底部基台、６１３は試料ステージに載置された試料である。
６１４は走査型プローブ装置本体における篏合凹部を有する探針の駆動ステージ支持部、６１５は探針の駆動ステージの底部基台、６１６は走査プローブ、６１７は探針である。
６１８は、走査型プローブ装置全体の制御を司る制御コンピュータである。
６１９は試料ステージの底部基台６１２の外殻に設けられている走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路である。
６２０は探針の駆動ステージの底部基台６１５の外殻に設けられている探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを駆動する駆動回路である。
これら駆動回路は、実施例１と同様にＩＣチップに搭載されている。
【００２６】
本実施例の構成例では、それぞれに慣性力相殺用のカウンター圧電素子を含む両ステージは、上記慣性力相殺用のカウンター圧電素子を含んで一体的に交換可能に構成されている。この交換可能とした構成は、基本的には実施例１と同様の構成が採られる。
その際、相互に設けられた電気接続コネクタ（不図示）を介して、互いに電気接続されるように構成されている。これらにおいても、基本的には実施例１と同様の構成が採られる。
【００２７】
本実施例の構成によれば、探針の駆動ステージあるいは試料ステージの交換に際し、探針保持台を移動させるための駆動素子あるいは走査用圧電素子のみを交換可能にするのではなく、慣性力相殺用のカウンター圧電素子が、一体的に交換可能に構成されている。
したがって、従来例の課題で説明したような慣性力相殺用のカウンター圧電素子をそのまま用い、走査用圧電素子のみを交換した場合のような不都合が生じることない。
これにより、探針の駆動ステージあるいは試料ステージを交換しながら走査型プローブ装置の使用を繰り返し行っても、常に良好に慣性力を相殺し、振動を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例１における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査ステージの断面図を示す図。
【図２】本発明の実施例１における走査型プローブ装置に用いられる走査ステージの構成を説明するための模式図。
【図３】本発明の実施例１における走査ステージの結線を示す図。
【図４】本発明の実施例２における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査機構の構成を説明するための模式図。
【図５】本発明の実施例２における走査型プローブ装置に用いられる本体に対して交換可能とした走査機構の構成を説明するための模式図。
【図６】本発明の実施例３における探針の駆動ステージ及び試料ステージの両方に駆動回路が設けられた走査型プローブ装置の構成例を説明する図。
【図７】従来例である特許文献１の走査型プローブ顕微鏡用走査機構を説明する図。
【図８】従来例である特許文献２の走査型プローブ顕微鏡の駆動ステージを説明する図。
【符号の説明】
【００２９】
１：走査型プローブ装置本体側に設けられた凹部
２：底部基台
３：底部基台２に設けられた電気接続コネクタ
４：走査型プローブ装置本体の凹部に設けられた電気接続コネクタ
５：走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路
６：圧電素子を駆動するための信号を供給する制御回路
４００：走査機構
４０１：走査機構保持台
４０２：駆動素子台座
４０３〜４０５：駆動素子
４０６，４０７：駆動素子保持部材
４０８：試料保持部材
４０９：重り部材
４１０：走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路
５００：第１の円筒形圧電素子
５０１〜５０４：電極
５０５：移動台
５１０：第２の円筒形圧電素子
５１１〜５１４：電極
５１５：重り
６１０：走査型プローブ装置本体
６１１：試料ステージ支持部
６１２：試料ステージの底部基台
６１３：試料ステージに載置された試料
６１４：駆動ステージ支持部
６１５：探針の駆動ステージの底部基台
６１６：走査プローブ
６１７：探針
６１８：走査型プローブ装置全体の制御を司る制御コンピュータ
６１９：走査圧電素子とカウンター圧電素子とを駆動する駆動回路
６２０：探針保持台を移動させるための駆動素子と慣性力を相殺する方向に動く可動部とを駆動する駆動回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と、
試料を保持する試料保持台を移動させるための駆動素子と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記走査ステージは、該走査ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴とする走査型プローブ装置。
【請求項２】
前記走査ステージは、前記試料保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ装置。
【請求項４】
前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型プローブ装置。
【請求項５】
前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ装置。
【請求項６】
前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ装置。
【請求項７】
探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた探針の駆動ステージと、
試料を保持する走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記探針の駆動ステージは、該探針の駆動ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴とする走査型プローブ装置。
【請求項８】
前記探針の駆動ステージは、前記探針保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ装置。
【請求項９】
前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１０】
前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１１】
前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１２】
前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴とする請求項１０に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１３】
前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されている、前記探針又は前記試料を移動させるためのステージであって、
前記探針又は前記試料を移動させるための駆動素子と、該探針又は該試料の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備え、
前記ステージに、該ステージを駆動する駆動回路が設けられていることを特徴とするステージ。
【請求項１】
探針と、
試料を保持する試料保持台を移動させるための駆動素子と、該試料保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記走査ステージは、該走査ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴とする走査型プローブ装置。
【請求項２】
前記走査ステージは、前記試料保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の走査型プローブ装置。
【請求項４】
前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査型プローブ装置。
【請求項５】
前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ装置。
【請求項６】
前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ装置。
【請求項７】
探針保持台を移動させるための駆動素子と、該探針保持台の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備えた探針の駆動ステージと、
試料を保持する走査ステージと、
を有し、前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置であって、
前記探針の駆動ステージは、該探針の駆動ステージを駆動する駆動回路を備え、前記走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されていることを特徴とする走査型プローブ装置。
【請求項８】
前記探針の駆動ステージは、前記探針保持台を含む前記駆動素子と前記可動部とが、前記走査型プローブ装置本体に対して一体的に着脱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の走査型プローブ装置。
【請求項９】
前記駆動回路は、増幅率が変更可能な可変増幅器を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１０】
前記駆動素子及び前記可動部は、それぞれ電気機械変換体で構成されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１１】
前記電気機械変換体は円筒型の圧電素子からなり、前記駆動素子を構成する第１の円筒型の圧電素子の内側に、前記可動部を構成する第２の円筒型の圧電素子が同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１２】
前記駆動素子は第１の方向に伸縮する第１の電気機械変換体を備え、
前記第１の電気機械変換体の一方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記試料保持台を有する第２の電気機械変換体が支持され、
前記第１の電気機械変換体の他方の端部に、該第１の方向と直交する方向に伸縮する前記可動部を構成する第３の電気機械変換体が支持されていることを特徴とする請求項１０に記載の走査型プローブ装置。
【請求項１３】
前記探針と前記試料とを相対的に移動させ、前記試料の情報を取得し、または前記試料に情報を記録し、または前記試料を加工する走査型プローブ装置本体に対して着脱交換可能に構成されている、前記探針又は前記試料を移動させるためのステージであって、
前記探針又は前記試料を移動させるための駆動素子と、該探針又は該試料の移動の際に生じる慣性力を相殺する方向に動く可動部とを備え、
前記ステージに、該ステージを駆動する駆動回路が設けられていることを特徴とするステージ。
【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２００７−２０５８５６（Ｐ２００７−２０５８５６Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４６８６（Ｐ２００６−２４６８６）
【出願日】平成１８年２月１日（２００６．２．１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１日（２００６．２．１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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