走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置
【目的】本発明の目的は、走査型プローブ顕微鏡の移動テーブル上の試料を高精度かつ高分解能で微小移動を可能することにある。
【構成】一端が固定された圧電素子30に駆動電圧を与えることにより変位させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台 2を移動させるようにした移動ステージ 105において、移動操作を指示する指示手段 103と、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧を上記指示手段の操作期間、所定間隔で発生して上記圧電素子に与える電圧印加手段 102,101,104とを設けて構成した。
【構成】一端が固定された圧電素子30に駆動電圧を与えることにより変位させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台 2を移動させるようにした移動ステージ 105において、移動操作を指示する指示手段 103と、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧を上記指示手段の操作期間、所定間隔で発生して上記圧電素子に与える電圧印加手段 102,101,104とを設けて構成した。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の微細な表面形状を観察するための走査型プローブ顕微鏡に関するものであり、特に走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いられている圧電素子による移動ステージ上の試料を高精度に移動させることができるようにした走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料の微細な表面形状を観察するものであり、従来、この走査型プローブ顕微鏡として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などが知られている。
【０００３】走査型トンネル顕微鏡は、導電性の探針を用い、この探針を観察対象の試料である導電性試料の近傍に支持させる。そして、例えば、探針の先端を試料表面に１nm程度まで近付け、探針と試料との間に電圧を印加する。すると、探針と試料との間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は探針と試料との間の距離に依存して変化し、その大きさは0.1 nmの距離変化に対して１桁程度変化する。
【０００４】探針は試料表面に沿って移動（例えば、ラスタ走査）させるが、この移動の間、探針と試料との間に流れるトンネル電流値が一定となるように、探針と試料との間の距離を調整する圧電体（微動位置調整装置）に制御電圧を印加し、探針と試料との間を一定距離に保つ。
【０００５】すなわち、圧電体は印加電圧に応じて伸縮変形するのを利用して、試料を圧電体上に保持し、探針と試料との間に流れるトンネル電流値が一定となるように、圧電体に制御電圧を印加して伸縮制御し、探針と試料との間の距離を調整する。探針の試料表面に対する走査は、探針を移動させる方式でも、また、試料を移動させる方式でも構わない。
【０００６】このように探針‐試料間の距離が一定に保たれるように圧電体を制御する結果、探針先端は試料の表面形状を反映した曲面上を移動することになる。従って、圧電体に印加した制御電圧から各走査点上での探針先端の位置を算出することができ、この圧電体に印加した制御電圧から算出される探針先端の位置データに基づいて、試料の表面形状を示す３次元像を構成することにより、試料の表面形状を観察することができる。
【０００７】また、原子間力顕微鏡は、絶縁体の表面形状を原子オーダで観察することのできる装置であり、試料表面を走査する探針は柔軟なカンチレバーによって支持されている。また、上述同様に試料を圧電体上に保持し、探針と試料との間の距離を調整することができるようにしてある。
【０００８】そして、原子間力顕微鏡では探針を試料表面に近付けると、探針先端の原子と試料表面の原子との間には、ファンデル・ワールス（Ｖａｎｄｅｒ Ｗａａｌｓ）相互作用による引力が働き、さらに原子の結合距離程度にまで近付けると、パウリ（Ｐａｕｌｉ）の排他律による斥力が働くことを利用する。
【０００９】これらの引力および斥力（原子間力）は非常に小さい。しかし、探針は柔軟なカンチレバーによって支持されているため、探針先端の原子が原子間力を受けると、その大きさに応じてカンチレバーが変位する。そして、探針を試料表面に沿って走査させると、試料表面の凹凸に対応して探針と試料との間の距離が変化するため、カンチレバーが変位するので、このカンチレバーが変位量を検出し、上記圧電体等の微動素子により構成された微動位置調整装置をフィードバック制御してカンチレバーの変位量を一定に保つようにする。
【００１０】従って、このときの圧電体への印加電圧は、探針が走査している試料の表面形状に依存する関係があるので、この印加電圧情報より試料表面の凹凸像を得ることができる。
【００１１】磁気力顕微鏡は、原子間力顕微鏡と同様に、探針と試料の磁性粒子との間に働く磁力を一定に保ちながら、探針を試料表面に対して走査させることによって、試料表面の凹凸像を得る。
【００１２】なお、原子間力顕微鏡または磁気力顕微鏡に用いられるカンチレバーに設けられた探針を導電性物質で構成し、トンネル電流を検出できるようにすれば、走査型トンネル顕微鏡としても利用することができるようになる。そして、原子間力顕微鏡および磁気力顕微鏡においても、探針の試料表面に対する走査は、探針を移動させる方式、試料を移動させる方式のいずれであっても構わない。
【００１３】ところで、このような走査型プローブ顕微鏡の測定範囲はせいぜい１００μｍ程度である。そこで、試料上の任意の場所を測定するためには、試料を微小に移動する機構が必要となる。そのための機構が微動位置調整機能付の移動ステージ装置であり、当該装置の一つとして特公平３−２０８２４６号公報に示す如き構造のものが知られている。
【００１４】この公報に示される構成は、図９に示す如きものであって、（ａ）はしっかりとした基盤４上に、円筒状の圧電素子３をその軸線を直立させて固定し、圧電素子３上には載物台２を固定して設けた構成としたものである。圧電素子３の周囲にはその周面を４等分割して分けた各領域に電極３ａ〜３ｄを形成してあり、４つの電極３ａ〜３ｄのうち、対向する一対の電極３ａ，３ｂ（若しくは３ｃ，３ｄ）には、逆位相となるように図１０１０（ａ）に示すような余弦波の単一波形電圧を間欠的に印加する。
【００１５】圧電素子３は、このような余弦波の電圧を間欠的に印加されることにより、変形を生じる。すなわち、圧電素子３は、このような余弦波の電圧を対向する二つの電極に逆位相となるように印加されることにより、図１０（ｂ）に示すように、その載物台２は衝撃的に駆動される。そして、この衝撃的な変形によるその惰性で載物台２上の試料１は図１０（ｃ）のように載物台２上を滑り、微小移動されることになる。
【００１６】また、図９の（ｂ）に示す構成は、基盤４上に２つの支持台５ａ，５ｂを固定し、これらの支持台５ａ，５ｂから載物台２の上面に平行に腕を伸ばすかたちで、それぞれ棒状の圧電素子６ａ，６ｂを設ける。圧電素子６ａ，６ｂは一方をＸ軸に沿って、また、他方をＹ軸に沿ったかたちで、しかも、その軸線の延長線が基盤４上のある点で直交するように配し、その交点位置に載物台２を配する。
【００１７】そして、圧電素子６ａ，６ｂは載物台２の側面に接続する。
【００１８】このような構成として、圧電素子６ａ，６ｂに、上述のような余弦波の電圧を間欠的に印加することにより、電圧が印加された圧電素子６ａ，６ｂは衝撃的な変形を生じ、載物台２は変位される。そして、図１０R>０（ｂ）および（ｃ）に示すように、載物台２上の試料１は微小移動する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡では、試料を微小に移動する際に高精度かつ高分解能に移動させるようにしたいとの要求がある。その要求に応えるものとして、圧電素子上に載物台を設け、圧電素子の衝撃的駆動により載物台上の試料を滑べらせながら、微小移動させるようにする上述したような移動テーブルが提案されている。
【００２０】しかしながら、載物台と試料との間に働く摩擦力は一定したものではないことから、この従来技術における移動テーブルにおいては、載物台を衝撃的に駆動し、その惰性で試料を滑べらせた際に、その載物台と試料との間に働く摩擦力のばらつきによって、一回の衝撃的駆動による試料の移動量が一定にならず、目標の位置に合わせるのは困難であると云う問題点がある。
【００２１】そこで、この発明の目的とするところは、高精度にかつ高分解能で試料の微小移動を可能として、容易に目的の領域の試料像の観察を可能にする走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明はつぎのように構成した。すなわち、一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を変位させるようにした移動ステージにおいて、移動操作を指示する指示手段と、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧を上記指示手段の操作期間、所定間隔で発生して上記圧電素子に与える電圧印加手段とを設けて構成した。
【００２３】
【作用】このような構成において、圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を変位させるが、載物台上の試料の観察したい領域が走査型プローブ顕微鏡の探針の走査領域から外れている時は、指示手段により移動操作を指示する。すると、この指示手段の操作期間、電圧印加手段は駆動電圧を所定間隔で発生して圧電素子に与える。
【００２４】電圧印加手段から出力される駆動電圧は、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧である。
【００２５】従って、この電圧印加手段から前記電圧波形を前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子を変形駆動すると、駆動電圧が緩やかに変化する領域では圧電素子は緩やかに移動して載物台上の試料は載物台と一体に移動し、駆動電圧が急峻に変化する領域では載物台も急峻に動くことから、試料は慣性力によって定位置に止まろうとする作用が働き、その結果、載物台上を滑る。その滑る量は本システムの場合、載物台の急峻に変位する量と同じ距離になる。
【００２６】つまり、達磨落としのような原理で試料はその場に止まるので、載物台から見た試料の相対位置は載物台の変位量分だけ移動したと同様になる。このように、載物台上の試料の１回あたりの移動量は印加電圧（駆動電圧）の単一波形の急峻な立ち下がり（立上り）による圧電素子の急峻な変形の際の変位量に等しくなるので、印加電圧のレベル対応のものとなり、印加電圧（駆動電圧）のレベルさえ定まればそれに対応した所定の量だけ変位させることができるので、より高精度かつ高分解能な試料の移動が可能になる。
【００２７】従って、指示手段により移動操作を指示する期間、所定間隔で所要レベルの駆動電圧を発生させると、載物台上の試料は所要の微小ピッチ刻みで移動される。
【００２８】そのため、載物台上の試料の観察したい領域を精度良く、しかも、高分解能で移動させて探針による走査領域内に移動させることができるようになり、目的の領域を測定することが可能になる。
【００２９】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００３０】（第１実施例）図１は本発明の第１実施例としての微動位置調整機能付移動ステージ装置の構成例を示すブロック図である。また、図２は本システムに使用する移動テーブル部分の構成を示す斜視図である。
【００３１】微動位置調整機能付移動ステージ装置は、試料表面を探針に対して走査させると共に、Ｚ軸方向の変位制御を行うものであるが、本発明による走査型プローブ顕微鏡の微動位置調整装置は、その移動ステージ部分を図２に示すように、圧電材料を円筒形に形成した円筒圧電素子本体３０を用い、その内周面全体に内周面電極３０ａを形成してあり、また、円筒圧電素子本体３０の外周面には周面を円筒の軸線方向に沿って四分割したそれぞれの領域に、外周側電極３０ｂを形成した構成としてある。
【００３２】内周面電極３０ａは共通電極であり、この共通電極３０ａと外周側電極３０ｂとの間に、電圧を印加することにより、円筒圧電素子本体３０にはこの印加電圧に応じた変形（歪み）が生じるよう構成されている。なお、円筒圧電素子本体３０の下部はしっかりした基盤４に固定されて保持される。また、円筒圧電素子本体３０の上端には載物台２を固定して取り付けてある。
【００３３】移動ステージ部分を構成する円筒圧電素子本体３０の４つの電極３０ａのうち、対向する一対の電極をそれぞれペアとして一組にはＸ方向用の、他方の組にはＹ方向用の駆動電圧を印加することにより、Ｘ方向、Ｙ方向に変形させることができる。
【００３４】図１は本発明の移動テーブル装置の構成を示すブロック図である。
【００３５】図において、１０１は信号制御装置であり、例えば、マイコン（マイクロコンピュータ）１３により構成されている。また、１０２は指示信号検出装置である。１０３は位置を指定するための入力装置であり、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向に自在に操作することのできるスティックを有し、このスティックを操作することにより、Ｘ方向、Ｙ方向の操作量対応のアナログ信号を指示値として出力することができるジョイスティック２１を用いている。この入力装置１０３は、そのスティックをＸ方向、Ｙ方向に倒したときに、その操作量および操作方向対応のアナログ信号（Ｘ軸方向信号、Ｙ軸方向信号）を指示値として発生する。
【００３６】指示信号検出装置１０２はＸ検出Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１１、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２よりなり、Ｘ検出Ａ／Ｄ変換器１１は入力装置１０３より得られたＸ軸方向信号をディジタルデータに変換し、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２は入力装置１０３より得られたＹ軸方向信号をディジタルデータに変換して信号制御装置１０１に与えるものである。
【００３７】ここで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とは、載物台２の上面を二次元平面として見た場合に、この二次元平面上の直交軸の軸方向を指している。
【００３８】信号制御装置１０１はマイコン１３に内蔵されているメモリ上に、テーブル駆動データを保持させたデータテーブルを有している。このデータテーブルには、立上がりが緩やで、立ち下りは急峻とした単一波形を得るためのデータ列を保持させてある。そして、信号制御装置１０１はデータテーブルから得た波形のデータ列について、上記指示信号検出装置１０２を介して得た入力装置１０３の指示値に応じてその波形の振幅を変化させるように処理したデータをＸ，Ｙ軸の方向別に出力する構成としてある。
【００３９】これにより、緩やかな立ち上がりを持ち、立ち下りは急峻となる単一波形に対し、入力装置１０３の指示値に応じた振幅となるようなレベル値とした波形データをＸ，Ｙの方向別に得ることができる。
【００４０】１０４は駆動信号出力装置であり、Ｘ駆動Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器１４、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５および＋Ｘアンプ１６、−Ｘアンプ１７、＋Ｙアンプ１８および−Ｙアンプ１９より構成してある。Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器１４は、信号制御装置１０１の出力するＸ軸方向に対する波形データを受けてこれをアナログ信号に変換するものであり、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５は、信号制御装置１０１の出力するＹ軸方向に対する波形データを受けてこれをアナログ信号に変換するものである。
【００４１】また、＋Ｘアンプ１６は非反転増幅器であり、Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器１４の出力するアナログ信号を増幅して出力するものである。また、−Ｘアンプ１７は反転増幅器であり、Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器１４の出力するアナログ信号を反転増幅して出力するものである。＋Ｙアンプ１８は非反転増幅器であり、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５の出力するアナログ信号を増幅して出力するものである。また、−Ｙアンプ１９は反転増幅器であり、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５の出力するアナログ信号を反転増幅して出力するものである。
【００４２】＋Ｘアンプ１６と−Ｘアンプ１７とをペアとし、また、＋Ｙアンプ１８と−Ｙアンプ１９とをペアとして移動テーブル１０５を構成する上記円筒圧電素子本体３０の外側の４つの電極３０ａのうちの、対向する対の電極に対してそれぞれ対応するものを印加して円筒圧電素子本体３０の駆動に利用する。
【００４３】このような構成の本装置は、入力装置１０３であるジョイスティック２１をＸ方向、Ｙ方向に所望量倒すと、その倒した量（操作量）および方向（＋Ｘ方向，＋Ｙ方向、−Ｘ方向，−Ｙ方向）に対応した信号が出力され、この信号は指示信号検出装置１０２を構成するＸ検出Ａ／Ｄ変換器１１、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２によってその各方向別に入力されて、ディジタルデータに変換される。そして、このディジタルデータはＸ用、Ｙ用の指示値として信号制御装置１０１に入力される。
【００４４】信号制御装置１０１では、当該信号制御装置１０１を構成しているマイコン１３が、自己に内蔵されているメモリ上のデータテーブルから読出した単一波形の連続データに対して、Ｘ検出Ａ／Ｄ変換器１１、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２より与えられたＸ用、Ｙ用の指示値に対応した振幅となるようにデータ処理をしてＸ用、Ｙ用の駆動信号データを作成する。そして、このＸ用、Ｙ用の駆動信号データを駆動信号出力装置１０４に与える。
【００４５】駆動信号出力装置１０４では、Ｘ用の駆動信号データについてはＸ駆動Ｄ／Ａ変換器１４に、そして、Ｙ用の駆動信号データについてはＹ駆動Ｄ／Ａ変換器１５に与え、それぞれディジタルデータからアナログ信号に変換される。そして、Ｘ用のアナログ信号はＸ用の駆動信号として＋Ｘアンプ１６および−Ｘアンプ１７に入力され、また、Ｙ用のアナログ信号はＹ用の駆動信号として＋Ｙアンプ１８および−Ｙアンプ１９に入力されてそれぞれ増幅され、上記円筒圧電素子本体３０の外側の４つの電極３０ａのうちの対応するものに与えられる。
【００４６】Ｘ用およびＹ用の駆動信号は、それぞれ緩やかな立ち上がり特性で立上がり、その後に急峻な立ち下りを以て零に戻る波形形状の単一波形であり、逆位相の関係にあって、ジョイスティック２１のスティック操作量、操作方向対応のレベルに変換されたものが、円筒圧電素子本体３０の外側の４つの電極３０ａの対応するものに印加されるので、円筒圧電素子本体３０は上記スティック操作に対応した方向および量だけ、変形する。
【００４７】この変形はゆっくりと変位した後に急峻に戻る動作となるので、載物台２上の試料１は、載物台２と一体に移動し、その後、載物台２が戻るときは自己の慣性力により、上記急峻に戻る直前に位置した位置に取り残される。従って、載物台２上の試料１は載物台２上から見て、円筒圧電素子本体３０の変形量対応分だけ、位置が移動されることになる。
【００４８】詰まり、試料の質量をｍ、試料と載物台との間に働く摩擦力をＦとすると、載物台が加速度ａで移動しているとき、試料と載物台との相対的な加速度はａ−（Ｆ−ｍ）となるので、加速度ａがＦ−ｍに比較して十分大きいとき、試料と載物台との相対的な加速度は、摩擦力Ｆの影響をあまり受けず、ほぼ一定となる。従って、加速度Ｆに対応する試料の変位量もほぼ一定となる。
【００４９】好適には加速度ａは、Ｆ−ｍの１０倍以上あることが望ましい。
【００５０】ゆえに、上記スティック操作量および操作方向に対応した方向および量だけ、載物台２上の試料１を移動操作することができることになる。
【００５１】図３は図１の装置による試料位置移動調整モードでの駆動方法の実施例をフローチャートに示したものであり、マイコン１３に持たせる処理機能である。まず、移動ステージ１０５上の試料の移動をさせたい時は、マイコン１３に試料移動開始命令を与え、試料位置移動調整モードにする。マイコン１３では試料移動開始命令（ステップＳ２０１）によって、時間ｔだけ待ってから（ステップＳ２０２）、ジョイスティック２１が中心位置のままか否かを指示値のデータ値から判断する（ステップＳ２０３ａ）。
【００５２】そして、ジョイスティック２１が中心位置でないとき、当該ジョイスティック２１の指示値に応じた振幅となる緩やかな立ち上がりと急峻な立ち下りを持つ単一波形を出力する（ステップＳ２０４、Ｓ２０５）。再び、時間ｔだけ待って（ステップＳ２０２）から、同じループを繰り返す。ジョイスティック２１が中心位置に戻ったならば、上述の繰り返しループから抜けて試料移動を終了する（ステップＳ２０６）。
【００５３】以上が、試料移動調整モードの動作である。
【００５４】図４（ａ）は上記試料移動調整モードでの駆動方法における駆動信号の電圧波形を示したものである。図４（ａ）に示す駆動信号の電圧波形は、正電圧の緩やかな立上がりを有し、また立下がりは立上り曲線の傾き絶対値の最大よりも傾き絶対値が大きい急峻な立ち下り（負電圧の緩やかな立ち下りと急峻な立ち上がり）を持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりの電圧である。
【００５５】ジョイスティック２１を操作して、そのスティックを試料移動させたい方向に、ある一定角度倒したままにすると、上述した動作によって駆動信号出力装置１０４からはｖ１の振幅の単一波形が間欠的に発生する。この振幅ｖ１なる単一波形を円筒圧電素子本体３０に印加して載物台２を駆動させると、載物台２は緩やかに移動した後、急峻に元に戻ると云った動作を間欠的に繰り返す。
【００５６】図４（ｂ）は上記駆動のときの載物台２と試料１の移動の軌跡を示したものである。図に示すように、載物台２が緩やかに移動する間は、試料１は載物台２と一緒に移動する。そして、急峻な動きで載物台２が元に戻るとき、慣性力によって試料１だけその位置に取り残される。これを繰り返すことによって載物台２上の試料１はｄ１ステップ単位で載物台２上を移動して行くことになる。このとき、ｄ１＝ｄ２となる。ジョイスティック２１は所望の方向、所望の量だけ、スティックを倒すことができるので、スティックを所望の方向に所望の量だけ倒してその状態を保つことで、その状態で定まる一定のステップで試料位置を所望の方向に間欠的に移動させてゆくことができるようになる。
【００５７】なお、スティックを逆の方向に倒すと、指示値は逆の量となるので、図４（ｃ）に示すように、駆動信号は図４（ａ）とは極性が逆となるようにしておけば、これによって変位方向は逆になり、従って、図４（ｄ）に示す如く、試料位置を逆の方向に間欠的に移動させてゆくことができる。
【００５８】図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記駆動の時の移動ステージ１０５の一回の衝撃駆動の様子を横から観察した図である。図５（ａ）の状態にある載物台２上の試料１は、円筒圧電素子本体３０に駆動信号を与えて変形させると、駆動信号は最初は緩やかな変化となるために、この変形は緩やかなものとなり、従って、図５（ｂ）のように試料１は載物台２と一体に移動する。そして、駆動信号の振幅分の変形が成された後、駆動信号が急峻に戻るので円筒圧電素子本体３０と載物台２は急峻に元の位置に戻り、このとき載物台２上の試料１は慣性力によって現在の位置に止まるために、載物台２から見ると図５（ｃ）のように、載物台２上が動いた量だけ移動した形となる。
【００５９】以上、第１の実施例によれば、圧電素子の変形により載物台を急峻に変位させて載物台上の試料を微小移動させるようにした移動テーブルにおいて、載物台の一回の駆動を、目的の移動位置までは緩やかに変位させ、戻りは急峻に行うようにしたことによって、より高精度かつ高分解能な試料の移動が可能になる。
【００６０】なお、本実施例では、入力装置１０３として、ジョイスティック２１を用いるようにして、そのスティック操作により、任意の方向へ任意の距離だけ移動可能な駆動装置を示したが、入力装置１０３としてはこの他、トラックボール、マウス、キースイッチ、ジョグシャトル等を用いることも可能であることは云うまでもない。
【００６１】また、マイコン１３にコンピュータを接続して、そのコンピュータを介して、マイコン１３に移動目的地データを入力するようにし、この移動目的地データに基づいてマイコン１３に本発明の駆動方法を実施させるようにすることによって、目的位置に自動的に試料を移動させるようにすることも容易に実現可能である。
【００６２】以上は、一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を移動させるようにした移動ステージにおいて、移動操作を指示する指示手段（入力装置）と、緩やかな立ち上がりを持ち、この立上りの曲線の傾き絶対値の最大よりも傾き絶対値の大きい急峻な立ち下りを持つ若しくは緩やかな立ち下りと急峻な立ち上がりを持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりの電圧を上記指示手段による指示期間中、前記圧電素子に駆動電圧として印加する電圧印加手段とを有し、この電圧印加手段から前記電圧波形を前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子を変形駆動し、前記載物台上の試料を前記電圧波形の急峻な変化の際に、前記圧電素子の変形方向に滑べらせて微小移動させるようにしたものである。すなわち、駆動電圧の前縁を緩やかにし、後縁を急峻にするような波形としたものである。
【００６３】しかし、逆に駆動電圧の前縁を急峻にし、後縁を緩やかにした波形とすることでも実施可能である。これをつぎに第２実施例として説明する。
【００６４】（第２実施例）図６は、本発明の第２実施例の駆動方法を示す図である。
【００６５】図６（ａ）は、図４で説明したと同様に正電圧方向への緩やかな立上りと急峻な立ち下がりを持つ駆動電圧波形で、円筒圧電素子本体３０の４つの外周側電極３０ｂのうち、対向する二つの電極に逆位相となるように印加するものである。そしてこれにより、図４の（ｂ）の場合と全く同様な動作をさせることができるから、試料１は図５に示すように載物台２上を右方向へ移動される。
【００６６】一方、図６（ｂ）のように、正電圧方向への急峻な立ち上りと緩やかな立下りを持つ駆動電圧波形を圧電素子本体３０の４つの外周側電極３０ｂのうち、対向する二つの電極に逆位相となるように印加して駆動すると、載物台２と試料１の移動の軌跡は図６（ｃ）に示す如きとなり、載物台２上の試料１は図４（ｂ）とは逆方向に移動することになる。
【００６７】つまり、圧電素子本体３０を図７（ａ）の状態から図７（ｂ）の状態に急激にｄ３だけ変形させることで、載物台２上の試料１は自己の慣性力で初めの位置に止め置かれ、載物台２のみがｄ３だけ移動される。
【００６８】そして、つぎの段階では圧電素子本体３０がゆっくりと元に戻るので、圧電素子本体３０の定位置における載物台２上の試料１は図７（ｂ）の位置関係を保った状態で図７（ｃ）のような状態となる。これにより、載物台２から見た試料１は載物台２上を左方向へ距離ｄ３だけ移動されたことになる。
【００６９】ここで、単一波形駆動による載物台２の移動量はｄ２であることから、ｄ２＝ｄ３となるため、印加電圧（駆動電圧）の振幅を制御することで、載物台２上の試料１の移動量が定量化できる。
【００７０】また、この実施例の場合、右移動、左移動は駆動電圧の前縁を急峻にしたか、緩やかにしたかの違いのみであることから、片電源すなわち、正負いずれかの極性のみの電源で、波形形状のみを変えて出力させれば、左右両方向に試料を移動させることが可能となる。
【００７１】なお、波形のデータは右方向移動用、左方向移動用のものをそれぞれマイコン１３のデータテーブルに用意しておき、ジョイスティック２１の操作方向に応じてデータを使い分けるようにすれば良いから、基本的には図１のハードウエア構成で第２実施例を実現できる。また、第１の実施例の考え方は第２実施例にもそのまま適用できる。
【００７２】以上、第２実施例は、一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を変位させるようにした移動ステージにおいて、前記圧電素子に印加する前記電圧波形を、前記試料を正方向へ移動させる際には、正電圧の緩やかな立ち上がりと負電圧の急峻な立ち下りを持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりとし、逆方向へ移動させる際は、正電圧の急峻な立ち上がりと緩やかな立ち下りを持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりとする片電源駆動型の電圧印加手段を用いるようにしたものである。
【００７３】そして、圧電素子の急峻な変位により載物台を急峻に移動させて載物台上の試料を微小移動させるようにし、移動した後は緩やかに戻すことで定位置での載物台上での試料位置が目的位置になるようにし、また、試料を逆の方向に移動させる時には最初に、載物台の駆動を、目的の移動位置まで緩やかに変位させ、戻りは急峻に行うようにしたことによって、駆動電圧用の電源を単一極性の電源（正電源または負電源のいずれか）を用意するだけでどの方向に対しても、高精度で高分解能な試料の移動が可能になる。
【００７４】（第３実施例）つぎに第３実施例を説明する。図１１は本発明における第３実施例としての駆動方法を示す図である。
【００７５】図１１（ｂ）は図４と同様に、正電圧方向への緩やかな立上がりと、急峻な立ち下がりを持つＸ方向駆動電圧波形である。このとき、図１１（ａ）に示すように、（ｂ）よりも時間ｔ１だけ、位相の進んだ駆動電圧波形を圧電素子本体３０に、Ｚ方向駆動信号として印加すると、試料１の動きは図１２に示すようになる。
【００７６】まず、図１２の（ａ）の状態から、図１２の（ｂ）のように、試料１は載物台２に載った状態で緩やかに動いてゆく。図１２の（ｃ）に示すように、圧電素子本体３０がＺ方向に急に縮んだ瞬間は、試料１は空中に取り残される。つぎの瞬間（時間ｔ１後）に、図１２（ｄ）のように、試料１が空中にあるうちに、圧電素子本体３０がＸ方向に急に変化して元の状態に戻る。
【００７７】その後、試料１は自由落下して図１２（ｅ）のような状態になるため、試料１は載物台２上を右方向に移動したことになる。
【００７８】このとき、圧電素子本体３０のＺ方向への緩やに延ばして急峻に縮めると云う動作を組合わせたことによって、試料１と載物台２の間の摩擦力の影響をさらに軽減できる。図１３には第３実施例を達成するための装置構成をブロック図で示しておく。なお、図１３において、Ｚ方向急峻駆動用の制御系としてＺ駆動Ｄ／Ａ２０１、その出力を増幅してＺ駆動信号２０３を得るＺアンプ２０２を設け、マイコン２より、上述のＺ方向制御のための制御データを発生させて、Ｚ駆動Ｄ／Ａ２０１に与える構成とする点、そして、圧電素子本体３０にＺ駆動信号２０３を与える構成とした点を除き、図１の構成と基本的に同じである。
【００７９】つぎに上記の微動位置調整装置を走査型プローブ顕微鏡に適用する例を示す。
【００８０】（走査型プローブ顕微鏡としての応用例）図８は第１および第２実施例で説明した微動位置調整機能付移動ステージ装置を採用した走査型プローブ顕微鏡のブロック図であり、１００はホストコンピュータ、１３はマイコン、１３０はＡ／Ｄ変換部、１４０はＺ制御部である。また、１５０はＸＹ走査部、１７０はカンチレバーＺ変位検出部、１８０はカンチレバーθ変位検出部、１９０はカンチレバー、１９０ａは探針、１０５は移動ステージであって、ＸＹＺ軸方向に位置調整できる。２は試料台、１は試料である。
【００８１】載物台２は試料１を載置して保持するためのものであり、載物台２は移動ステージを構成する圧電素子本体３０上に固定して設けられている。圧電素子本体３０は上述したように圧電体を円筒型に形成して構成しており、制御信号（Ｚ制御信号Ｓ３、Ｘ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５）に応じて載物台２をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動できる。これにより、試料１はカンチレバー１９０の探針１９０ａに対してＸ軸、Ｙ軸方向に走査され、また、Ｚ軸方向に位置制御される。
【００８２】カンチレバー１９０は、その基端側が定位置に固定されている。そして、カンチレバー１９０は、その自由端先端側のＺ軸方向の変位をカンチレバーＺ変位検出部１７０により、また、自由端先端側の捩じれをカンチレバーθ変位検出部１８０にて検出される構成となっている。
【００８３】カンチレバーＺ変位検出部１７０はＺ軸方向変位を検出してその検出量に対応した出力であるＺ変位信号Ｓ１を発生するものであり、また、カンチレバーθ変位検出部１８０は捩じれ量を検出してその検出した捩じれ量対応の出力であるθ変位信号Ｓ２を発生するものであれば良い。
【００８４】マイコン１３は本システムの制御の中枢を担うものであり、試料位置移動調整モードと観測モードを設定できる。このモードはホストコンピュータ１００から与えることもできるし、また、マイコン１３にキースイッチなどの入力装置を設ける等してこれにより設定することができるようにしても良い。
【００８５】試料位置移動調整モードでは上述のような作用を実施し、載物台２上の試料１の位置の移動調整を行うことができる。また、試料１の測定時に載物台２をＸＹ走査するために、観測モードではＸＹ走査用の走査駆動信号を発生してＸＹ走査部１５０に与え、また、載物台２をＺ軸方向（圧電素子本体３０の軸方向）に制御するためにその制御量を演算してＺ制御部１４０に与えたり、また、制御量に対応したデータを試料表面の凹凸データの情報に変換してホストコンピュータ１００に与える機能を有する。
【００８６】ＸＹ走査部１５０はマイコン１３からの指令によりＸ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５を発生させて圧電素子本体３０へ与えるものであり、圧電素子本体３０はこのＸ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５に応じて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に変位するように構成されていて、圧電素子本体３０のかかる変位により、通常のＸＹ走査や上述した実施例のような急峻な変位による試料位置の微小移動を行わせることができるようにしてある。従って、ＸＹ走査部１５０は図１における駆動信号出力装置１０４をそのまま利用できる。
【００８７】Ｚ制御部１４０はカンチレバーＺ変位検出部１７０からのＺ変位信号Ｓ１やカンチレバーθ変位検出部１８０からのθ変位信号Ｓ２を、それぞれの基準値に保つように動作する制御回路からなり、圧電素子本体３０をＺ軸方向に伸縮させるＺ制御信号Ｓ３を出力する。
【００８８】Ａ／Ｄ変換部１３０はこのＺ制御部１４０からのＺ制御信号Ｓ３をＡ／Ｄ変換してディジタルデータ化し、マイコン１３に与えるものである。マイコン１３にはこのＺ制御信号Ｓ３のディジタルデータを取り込んで、ホストコンピュータ１００へ試料表面の凹凸情報を示す凹凸データとして転送する機能を有する。また、ホストコンピュータ１００はこの凹凸データとＸＹ走査の指令情報とをもとに、試料１の表面凹凸を画像形成してディスプレイ装置やプリンタ等の出力装置に出力表示するものである。
【００８９】また、１０２は図１の指示信号検出装置であり、１０３は図１の入力装置である。
【００９０】つぎに上記構成の装置の作用を説明する。試料１を載物台２上にセットしてスタートさせると、マイコン１３はＸＹ走査部１５０を介してＸ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５を圧電素子本体３０へ出力し、試料１を図１３に示したように２次元走査させる。これによって、カンチレバー１９０の探針１９０ａは、試料１の表面を所定の距離が保持されるように、以下のようなＺ軸制御のもとでＸＹ走査されることになる。
【００９１】すなわち、試料１の表面に探針１９０ａを近付けて走査することにより、試料１の表面の凹凸に従って探針先端が原子間力あるいは磁気力の影響により吸引あるいは反発されてカンチレバー１９０が変位する。
【００９２】カンチレバーＺ変位検出部１７０はカンチレバー１９０先端のＺ軸方向の変位を検出し、Ｚ変位信号Ｓ１を出力する。カンチレバーθ変位検出部１８０はカンチレバー１９０先端の捩じれ変位を検出し、θ変位信号Ｓ２を出力する。これらＺ変位信号Ｓ１やθ変位信号Ｓ２はＺ制御部１４０に入力され、Ｚ制御部１４０はこれらのＺ変位信号Ｓ１やθ変位信号Ｓ２に応じて、これらをそれぞれの基準値に保つようなＺ軸の変位量を求め、これをＺ制御信号Ｓ３として出力する。
【００９３】このようにして、Ｚ制御部１４０はＺ変位信号Ｓ１やθ変位信号Ｓ２に応じて、これらをそれぞれの基準値に保つようなＺ軸の変位量を得て、Ｚ制御信号Ｓ３として出力し、圧電素子本体３０に与えるので、圧電素子本体３０は探針１９０ａの試料表面に対する距離と、カンチレバー１９０のθ変位に従って、Ｚ軸方向伸縮制御がなされ、カンチレバー１９０が捩じれないように試料１と探針１９０ａの先端との間の距離が制御される。
【００９４】また、Ｚ制御信号Ｓ３はＡ／Ｄ変換部１３０でＡ／Ｄ変換され、マイコン１３に取り込まれる。マイコン１３ではこの取り込んだＺ制御信号Ｓ３のデータを、ホストコンピュータ１００へ凹凸デ−タとして転送し、また、ＸＹ走査の位置情報を合わせて位置データとしてホストコンピュータ１００に送る。ホストコンピュータ１００はこれらの情報をもとに、試料１の表面凹凸を画像形成して表示する。
【００９５】走査型プローブ顕微鏡の測定範囲はせいぜい１００μｍ程度である。従って、試料１を載物台２上にセットした状態で試料１の観察したい領域が探針による走査領域から外れる場合には、試料位置移動調整モードで位置移動させる必要がある。
【００９６】この場合はホストコンピュータ１００などから試料位置移動調整モードを設定すると、マイコン１３は試料位置移動調整モードになり、ジョイスティック等による入力装置１０３の手動操作により、第１あるいは第２実施例で説明したような動作がなされて、載物台２上の試料１は走査方向に走査量対応の所定のステップで微小移動される。微小移動を行って目的の領域が探針１９０ａによる走査領域に入ったならば、観察モードに切り替え、圧電素子本体３０に対して上述のようなＸＹ走査とＺ軸制御を行わせて測定を行う。
【００９７】なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施し得るものであり、例えば、上述の実施例ではいずれも、円筒型圧電素子を載物台の駆動源に使用した例を示したが、圧電素子はこれに限定されるものではなく、また、図９の（ｂ）に示すような構造のものにも本発明は適用可能である。
【００９８】以上、本発明の実施例について述べたが、本発明の微小位置調整機能付の移動ステージ装置は、圧電素子の変形により載物台を急峻に移動させて載物台上の試料を微小移動させるようにした移動テーブルにおいて、圧電素子の駆動電圧を所要レベルまで緩やかに変化した後、急峻に元に戻るパターン若しくはその逆のパターンとし、この駆動電圧により圧電素子を駆動することにより、載物台の一回の駆動を、目的の移動位置までは緩やかに変位させ、戻りは急峻に行う、あるいは目的の移動位置までは急峻に変位させ、戻りは緩やかに変位させるようにしたことによって、上記変位量分、試料を移動できるようにしたので、高精度かつ高分解能な試料の移動が可能になる。
【００９９】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれば、載物台上の試料位置を高精度かつ高分解能に移動することが可能になる微小位置調整機能付の移動ステージ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の全体構成を示すブロック図であって、本発明の移動テーブル装置の構成を示す図。
【図２】本発明の実施例を説明するための図であって、その移動ステージ部分の構成を示す斜視図。
【図３】本発明の実施例を説明するための図であって、マイコン１３による制御の過程を説明するためのフローチャート。
【図４】本発明の実施例を説明するための図であって、移動ステージ駆動電圧の波形と、載物台および試料の移動の軌跡を示す図。
【図５】本発明の第１実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図６】本発明の第２実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図７】本発明の第２実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図８】本発明の第２実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図９】従来技術を説明するための図であって、従来装置としての移動ステージ部分の構成を示す斜視図。
【図１０】従来技術を説明するための図であって、図９の装置の駆動状態を説明するための図。
【図１１】本発明の第３実施例を説明するための図であって、圧電素子に印加する駆動電圧の例を示す波形図。
【図１２】本発明の第３実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図１３】本発明の第３実施例を説明するための図であって、本発明の移動テーブル装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…試料
２…載物台
４…基盤
１１…Ｘ検出Ａ／Ｄ変換器
１２…Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器
１３…マイコン（マイクロコンピュータ）
１４…Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器
１５…Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器
１６…＋Ｘアンプ
１７…−Ｘアンプ
１８…＋Ｙアンプ
１９…−Ｙアンプ
２１…ジョイスティック
３０…円筒圧電素子本体
３０ａ…内周面電極
３０ｂ…外周側電極
１０１…信号制御装置
１０２…指示信号検出装置
１０３…入力装置
１０４…駆動信号出力装置
１０５…移動テーブル
１５０…ＸＹ走査部
１９０…カンチレバー
１９０ａ…探針
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の微細な表面形状を観察するための走査型プローブ顕微鏡に関するものであり、特に走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いられている圧電素子による移動ステージ上の試料を高精度に移動させることができるようにした走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、試料の微細な表面形状を観察するものであり、従来、この走査型プローブ顕微鏡として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）などが知られている。
【０００３】走査型トンネル顕微鏡は、導電性の探針を用い、この探針を観察対象の試料である導電性試料の近傍に支持させる。そして、例えば、探針の先端を試料表面に１nm程度まで近付け、探針と試料との間に電圧を印加する。すると、探針と試料との間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は探針と試料との間の距離に依存して変化し、その大きさは0.1 nmの距離変化に対して１桁程度変化する。
【０００４】探針は試料表面に沿って移動（例えば、ラスタ走査）させるが、この移動の間、探針と試料との間に流れるトンネル電流値が一定となるように、探針と試料との間の距離を調整する圧電体（微動位置調整装置）に制御電圧を印加し、探針と試料との間を一定距離に保つ。
【０００５】すなわち、圧電体は印加電圧に応じて伸縮変形するのを利用して、試料を圧電体上に保持し、探針と試料との間に流れるトンネル電流値が一定となるように、圧電体に制御電圧を印加して伸縮制御し、探針と試料との間の距離を調整する。探針の試料表面に対する走査は、探針を移動させる方式でも、また、試料を移動させる方式でも構わない。
【０００６】このように探針‐試料間の距離が一定に保たれるように圧電体を制御する結果、探針先端は試料の表面形状を反映した曲面上を移動することになる。従って、圧電体に印加した制御電圧から各走査点上での探針先端の位置を算出することができ、この圧電体に印加した制御電圧から算出される探針先端の位置データに基づいて、試料の表面形状を示す３次元像を構成することにより、試料の表面形状を観察することができる。
【０００７】また、原子間力顕微鏡は、絶縁体の表面形状を原子オーダで観察することのできる装置であり、試料表面を走査する探針は柔軟なカンチレバーによって支持されている。また、上述同様に試料を圧電体上に保持し、探針と試料との間の距離を調整することができるようにしてある。
【０００８】そして、原子間力顕微鏡では探針を試料表面に近付けると、探針先端の原子と試料表面の原子との間には、ファンデル・ワールス（Ｖａｎｄｅｒ Ｗａａｌｓ）相互作用による引力が働き、さらに原子の結合距離程度にまで近付けると、パウリ（Ｐａｕｌｉ）の排他律による斥力が働くことを利用する。
【０００９】これらの引力および斥力（原子間力）は非常に小さい。しかし、探針は柔軟なカンチレバーによって支持されているため、探針先端の原子が原子間力を受けると、その大きさに応じてカンチレバーが変位する。そして、探針を試料表面に沿って走査させると、試料表面の凹凸に対応して探針と試料との間の距離が変化するため、カンチレバーが変位するので、このカンチレバーが変位量を検出し、上記圧電体等の微動素子により構成された微動位置調整装置をフィードバック制御してカンチレバーの変位量を一定に保つようにする。
【００１０】従って、このときの圧電体への印加電圧は、探針が走査している試料の表面形状に依存する関係があるので、この印加電圧情報より試料表面の凹凸像を得ることができる。
【００１１】磁気力顕微鏡は、原子間力顕微鏡と同様に、探針と試料の磁性粒子との間に働く磁力を一定に保ちながら、探針を試料表面に対して走査させることによって、試料表面の凹凸像を得る。
【００１２】なお、原子間力顕微鏡または磁気力顕微鏡に用いられるカンチレバーに設けられた探針を導電性物質で構成し、トンネル電流を検出できるようにすれば、走査型トンネル顕微鏡としても利用することができるようになる。そして、原子間力顕微鏡および磁気力顕微鏡においても、探針の試料表面に対する走査は、探針を移動させる方式、試料を移動させる方式のいずれであっても構わない。
【００１３】ところで、このような走査型プローブ顕微鏡の測定範囲はせいぜい１００μｍ程度である。そこで、試料上の任意の場所を測定するためには、試料を微小に移動する機構が必要となる。そのための機構が微動位置調整機能付の移動ステージ装置であり、当該装置の一つとして特公平３−２０８２４６号公報に示す如き構造のものが知られている。
【００１４】この公報に示される構成は、図９に示す如きものであって、（ａ）はしっかりとした基盤４上に、円筒状の圧電素子３をその軸線を直立させて固定し、圧電素子３上には載物台２を固定して設けた構成としたものである。圧電素子３の周囲にはその周面を４等分割して分けた各領域に電極３ａ〜３ｄを形成してあり、４つの電極３ａ〜３ｄのうち、対向する一対の電極３ａ，３ｂ（若しくは３ｃ，３ｄ）には、逆位相となるように図１０１０（ａ）に示すような余弦波の単一波形電圧を間欠的に印加する。
【００１５】圧電素子３は、このような余弦波の電圧を間欠的に印加されることにより、変形を生じる。すなわち、圧電素子３は、このような余弦波の電圧を対向する二つの電極に逆位相となるように印加されることにより、図１０（ｂ）に示すように、その載物台２は衝撃的に駆動される。そして、この衝撃的な変形によるその惰性で載物台２上の試料１は図１０（ｃ）のように載物台２上を滑り、微小移動されることになる。
【００１６】また、図９の（ｂ）に示す構成は、基盤４上に２つの支持台５ａ，５ｂを固定し、これらの支持台５ａ，５ｂから載物台２の上面に平行に腕を伸ばすかたちで、それぞれ棒状の圧電素子６ａ，６ｂを設ける。圧電素子６ａ，６ｂは一方をＸ軸に沿って、また、他方をＹ軸に沿ったかたちで、しかも、その軸線の延長線が基盤４上のある点で直交するように配し、その交点位置に載物台２を配する。
【００１７】そして、圧電素子６ａ，６ｂは載物台２の側面に接続する。
【００１８】このような構成として、圧電素子６ａ，６ｂに、上述のような余弦波の電圧を間欠的に印加することにより、電圧が印加された圧電素子６ａ，６ｂは衝撃的な変形を生じ、載物台２は変位される。そして、図１０R>０（ｂ）および（ｃ）に示すように、載物台２上の試料１は微小移動する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡では、試料を微小に移動する際に高精度かつ高分解能に移動させるようにしたいとの要求がある。その要求に応えるものとして、圧電素子上に載物台を設け、圧電素子の衝撃的駆動により載物台上の試料を滑べらせながら、微小移動させるようにする上述したような移動テーブルが提案されている。
【００２０】しかしながら、載物台と試料との間に働く摩擦力は一定したものではないことから、この従来技術における移動テーブルにおいては、載物台を衝撃的に駆動し、その惰性で試料を滑べらせた際に、その載物台と試料との間に働く摩擦力のばらつきによって、一回の衝撃的駆動による試料の移動量が一定にならず、目標の位置に合わせるのは困難であると云う問題点がある。
【００２１】そこで、この発明の目的とするところは、高精度にかつ高分解能で試料の微小移動を可能として、容易に目的の領域の試料像の観察を可能にする走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明はつぎのように構成した。すなわち、一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を変位させるようにした移動ステージにおいて、移動操作を指示する指示手段と、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧を上記指示手段の操作期間、所定間隔で発生して上記圧電素子に与える電圧印加手段とを設けて構成した。
【００２３】
【作用】このような構成において、圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を変位させるが、載物台上の試料の観察したい領域が走査型プローブ顕微鏡の探針の走査領域から外れている時は、指示手段により移動操作を指示する。すると、この指示手段の操作期間、電圧印加手段は駆動電圧を所定間隔で発生して圧電素子に与える。
【００２４】電圧印加手段から出力される駆動電圧は、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧である。
【００２５】従って、この電圧印加手段から前記電圧波形を前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子を変形駆動すると、駆動電圧が緩やかに変化する領域では圧電素子は緩やかに移動して載物台上の試料は載物台と一体に移動し、駆動電圧が急峻に変化する領域では載物台も急峻に動くことから、試料は慣性力によって定位置に止まろうとする作用が働き、その結果、載物台上を滑る。その滑る量は本システムの場合、載物台の急峻に変位する量と同じ距離になる。
【００２６】つまり、達磨落としのような原理で試料はその場に止まるので、載物台から見た試料の相対位置は載物台の変位量分だけ移動したと同様になる。このように、載物台上の試料の１回あたりの移動量は印加電圧（駆動電圧）の単一波形の急峻な立ち下がり（立上り）による圧電素子の急峻な変形の際の変位量に等しくなるので、印加電圧のレベル対応のものとなり、印加電圧（駆動電圧）のレベルさえ定まればそれに対応した所定の量だけ変位させることができるので、より高精度かつ高分解能な試料の移動が可能になる。
【００２７】従って、指示手段により移動操作を指示する期間、所定間隔で所要レベルの駆動電圧を発生させると、載物台上の試料は所要の微小ピッチ刻みで移動される。
【００２８】そのため、載物台上の試料の観察したい領域を精度良く、しかも、高分解能で移動させて探針による走査領域内に移動させることができるようになり、目的の領域を測定することが可能になる。
【００２９】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００３０】（第１実施例）図１は本発明の第１実施例としての微動位置調整機能付移動ステージ装置の構成例を示すブロック図である。また、図２は本システムに使用する移動テーブル部分の構成を示す斜視図である。
【００３１】微動位置調整機能付移動ステージ装置は、試料表面を探針に対して走査させると共に、Ｚ軸方向の変位制御を行うものであるが、本発明による走査型プローブ顕微鏡の微動位置調整装置は、その移動ステージ部分を図２に示すように、圧電材料を円筒形に形成した円筒圧電素子本体３０を用い、その内周面全体に内周面電極３０ａを形成してあり、また、円筒圧電素子本体３０の外周面には周面を円筒の軸線方向に沿って四分割したそれぞれの領域に、外周側電極３０ｂを形成した構成としてある。
【００３２】内周面電極３０ａは共通電極であり、この共通電極３０ａと外周側電極３０ｂとの間に、電圧を印加することにより、円筒圧電素子本体３０にはこの印加電圧に応じた変形（歪み）が生じるよう構成されている。なお、円筒圧電素子本体３０の下部はしっかりした基盤４に固定されて保持される。また、円筒圧電素子本体３０の上端には載物台２を固定して取り付けてある。
【００３３】移動ステージ部分を構成する円筒圧電素子本体３０の４つの電極３０ａのうち、対向する一対の電極をそれぞれペアとして一組にはＸ方向用の、他方の組にはＹ方向用の駆動電圧を印加することにより、Ｘ方向、Ｙ方向に変形させることができる。
【００３４】図１は本発明の移動テーブル装置の構成を示すブロック図である。
【００３５】図において、１０１は信号制御装置であり、例えば、マイコン（マイクロコンピュータ）１３により構成されている。また、１０２は指示信号検出装置である。１０３は位置を指定するための入力装置であり、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向に自在に操作することのできるスティックを有し、このスティックを操作することにより、Ｘ方向、Ｙ方向の操作量対応のアナログ信号を指示値として出力することができるジョイスティック２１を用いている。この入力装置１０３は、そのスティックをＸ方向、Ｙ方向に倒したときに、その操作量および操作方向対応のアナログ信号（Ｘ軸方向信号、Ｙ軸方向信号）を指示値として発生する。
【００３６】指示信号検出装置１０２はＸ検出Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１１、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２よりなり、Ｘ検出Ａ／Ｄ変換器１１は入力装置１０３より得られたＸ軸方向信号をディジタルデータに変換し、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２は入力装置１０３より得られたＹ軸方向信号をディジタルデータに変換して信号制御装置１０１に与えるものである。
【００３７】ここで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とは、載物台２の上面を二次元平面として見た場合に、この二次元平面上の直交軸の軸方向を指している。
【００３８】信号制御装置１０１はマイコン１３に内蔵されているメモリ上に、テーブル駆動データを保持させたデータテーブルを有している。このデータテーブルには、立上がりが緩やで、立ち下りは急峻とした単一波形を得るためのデータ列を保持させてある。そして、信号制御装置１０１はデータテーブルから得た波形のデータ列について、上記指示信号検出装置１０２を介して得た入力装置１０３の指示値に応じてその波形の振幅を変化させるように処理したデータをＸ，Ｙ軸の方向別に出力する構成としてある。
【００３９】これにより、緩やかな立ち上がりを持ち、立ち下りは急峻となる単一波形に対し、入力装置１０３の指示値に応じた振幅となるようなレベル値とした波形データをＸ，Ｙの方向別に得ることができる。
【００４０】１０４は駆動信号出力装置であり、Ｘ駆動Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器１４、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５および＋Ｘアンプ１６、−Ｘアンプ１７、＋Ｙアンプ１８および−Ｙアンプ１９より構成してある。Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器１４は、信号制御装置１０１の出力するＸ軸方向に対する波形データを受けてこれをアナログ信号に変換するものであり、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５は、信号制御装置１０１の出力するＹ軸方向に対する波形データを受けてこれをアナログ信号に変換するものである。
【００４１】また、＋Ｘアンプ１６は非反転増幅器であり、Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器１４の出力するアナログ信号を増幅して出力するものである。また、−Ｘアンプ１７は反転増幅器であり、Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器１４の出力するアナログ信号を反転増幅して出力するものである。＋Ｙアンプ１８は非反転増幅器であり、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５の出力するアナログ信号を増幅して出力するものである。また、−Ｙアンプ１９は反転増幅器であり、Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器１５の出力するアナログ信号を反転増幅して出力するものである。
【００４２】＋Ｘアンプ１６と−Ｘアンプ１７とをペアとし、また、＋Ｙアンプ１８と−Ｙアンプ１９とをペアとして移動テーブル１０５を構成する上記円筒圧電素子本体３０の外側の４つの電極３０ａのうちの、対向する対の電極に対してそれぞれ対応するものを印加して円筒圧電素子本体３０の駆動に利用する。
【００４３】このような構成の本装置は、入力装置１０３であるジョイスティック２１をＸ方向、Ｙ方向に所望量倒すと、その倒した量（操作量）および方向（＋Ｘ方向，＋Ｙ方向、−Ｘ方向，−Ｙ方向）に対応した信号が出力され、この信号は指示信号検出装置１０２を構成するＸ検出Ａ／Ｄ変換器１１、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２によってその各方向別に入力されて、ディジタルデータに変換される。そして、このディジタルデータはＸ用、Ｙ用の指示値として信号制御装置１０１に入力される。
【００４４】信号制御装置１０１では、当該信号制御装置１０１を構成しているマイコン１３が、自己に内蔵されているメモリ上のデータテーブルから読出した単一波形の連続データに対して、Ｘ検出Ａ／Ｄ変換器１１、Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器１２より与えられたＸ用、Ｙ用の指示値に対応した振幅となるようにデータ処理をしてＸ用、Ｙ用の駆動信号データを作成する。そして、このＸ用、Ｙ用の駆動信号データを駆動信号出力装置１０４に与える。
【００４５】駆動信号出力装置１０４では、Ｘ用の駆動信号データについてはＸ駆動Ｄ／Ａ変換器１４に、そして、Ｙ用の駆動信号データについてはＹ駆動Ｄ／Ａ変換器１５に与え、それぞれディジタルデータからアナログ信号に変換される。そして、Ｘ用のアナログ信号はＸ用の駆動信号として＋Ｘアンプ１６および−Ｘアンプ１７に入力され、また、Ｙ用のアナログ信号はＹ用の駆動信号として＋Ｙアンプ１８および−Ｙアンプ１９に入力されてそれぞれ増幅され、上記円筒圧電素子本体３０の外側の４つの電極３０ａのうちの対応するものに与えられる。
【００４６】Ｘ用およびＹ用の駆動信号は、それぞれ緩やかな立ち上がり特性で立上がり、その後に急峻な立ち下りを以て零に戻る波形形状の単一波形であり、逆位相の関係にあって、ジョイスティック２１のスティック操作量、操作方向対応のレベルに変換されたものが、円筒圧電素子本体３０の外側の４つの電極３０ａの対応するものに印加されるので、円筒圧電素子本体３０は上記スティック操作に対応した方向および量だけ、変形する。
【００４７】この変形はゆっくりと変位した後に急峻に戻る動作となるので、載物台２上の試料１は、載物台２と一体に移動し、その後、載物台２が戻るときは自己の慣性力により、上記急峻に戻る直前に位置した位置に取り残される。従って、載物台２上の試料１は載物台２上から見て、円筒圧電素子本体３０の変形量対応分だけ、位置が移動されることになる。
【００４８】詰まり、試料の質量をｍ、試料と載物台との間に働く摩擦力をＦとすると、載物台が加速度ａで移動しているとき、試料と載物台との相対的な加速度はａ−（Ｆ−ｍ）となるので、加速度ａがＦ−ｍに比較して十分大きいとき、試料と載物台との相対的な加速度は、摩擦力Ｆの影響をあまり受けず、ほぼ一定となる。従って、加速度Ｆに対応する試料の変位量もほぼ一定となる。
【００４９】好適には加速度ａは、Ｆ−ｍの１０倍以上あることが望ましい。
【００５０】ゆえに、上記スティック操作量および操作方向に対応した方向および量だけ、載物台２上の試料１を移動操作することができることになる。
【００５１】図３は図１の装置による試料位置移動調整モードでの駆動方法の実施例をフローチャートに示したものであり、マイコン１３に持たせる処理機能である。まず、移動ステージ１０５上の試料の移動をさせたい時は、マイコン１３に試料移動開始命令を与え、試料位置移動調整モードにする。マイコン１３では試料移動開始命令（ステップＳ２０１）によって、時間ｔだけ待ってから（ステップＳ２０２）、ジョイスティック２１が中心位置のままか否かを指示値のデータ値から判断する（ステップＳ２０３ａ）。
【００５２】そして、ジョイスティック２１が中心位置でないとき、当該ジョイスティック２１の指示値に応じた振幅となる緩やかな立ち上がりと急峻な立ち下りを持つ単一波形を出力する（ステップＳ２０４、Ｓ２０５）。再び、時間ｔだけ待って（ステップＳ２０２）から、同じループを繰り返す。ジョイスティック２１が中心位置に戻ったならば、上述の繰り返しループから抜けて試料移動を終了する（ステップＳ２０６）。
【００５３】以上が、試料移動調整モードの動作である。
【００５４】図４（ａ）は上記試料移動調整モードでの駆動方法における駆動信号の電圧波形を示したものである。図４（ａ）に示す駆動信号の電圧波形は、正電圧の緩やかな立上がりを有し、また立下がりは立上り曲線の傾き絶対値の最大よりも傾き絶対値が大きい急峻な立ち下り（負電圧の緩やかな立ち下りと急峻な立ち上がり）を持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりの電圧である。
【００５５】ジョイスティック２１を操作して、そのスティックを試料移動させたい方向に、ある一定角度倒したままにすると、上述した動作によって駆動信号出力装置１０４からはｖ１の振幅の単一波形が間欠的に発生する。この振幅ｖ１なる単一波形を円筒圧電素子本体３０に印加して載物台２を駆動させると、載物台２は緩やかに移動した後、急峻に元に戻ると云った動作を間欠的に繰り返す。
【００５６】図４（ｂ）は上記駆動のときの載物台２と試料１の移動の軌跡を示したものである。図に示すように、載物台２が緩やかに移動する間は、試料１は載物台２と一緒に移動する。そして、急峻な動きで載物台２が元に戻るとき、慣性力によって試料１だけその位置に取り残される。これを繰り返すことによって載物台２上の試料１はｄ１ステップ単位で載物台２上を移動して行くことになる。このとき、ｄ１＝ｄ２となる。ジョイスティック２１は所望の方向、所望の量だけ、スティックを倒すことができるので、スティックを所望の方向に所望の量だけ倒してその状態を保つことで、その状態で定まる一定のステップで試料位置を所望の方向に間欠的に移動させてゆくことができるようになる。
【００５７】なお、スティックを逆の方向に倒すと、指示値は逆の量となるので、図４（ｃ）に示すように、駆動信号は図４（ａ）とは極性が逆となるようにしておけば、これによって変位方向は逆になり、従って、図４（ｄ）に示す如く、試料位置を逆の方向に間欠的に移動させてゆくことができる。
【００５８】図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記駆動の時の移動ステージ１０５の一回の衝撃駆動の様子を横から観察した図である。図５（ａ）の状態にある載物台２上の試料１は、円筒圧電素子本体３０に駆動信号を与えて変形させると、駆動信号は最初は緩やかな変化となるために、この変形は緩やかなものとなり、従って、図５（ｂ）のように試料１は載物台２と一体に移動する。そして、駆動信号の振幅分の変形が成された後、駆動信号が急峻に戻るので円筒圧電素子本体３０と載物台２は急峻に元の位置に戻り、このとき載物台２上の試料１は慣性力によって現在の位置に止まるために、載物台２から見ると図５（ｃ）のように、載物台２上が動いた量だけ移動した形となる。
【００５９】以上、第１の実施例によれば、圧電素子の変形により載物台を急峻に変位させて載物台上の試料を微小移動させるようにした移動テーブルにおいて、載物台の一回の駆動を、目的の移動位置までは緩やかに変位させ、戻りは急峻に行うようにしたことによって、より高精度かつ高分解能な試料の移動が可能になる。
【００６０】なお、本実施例では、入力装置１０３として、ジョイスティック２１を用いるようにして、そのスティック操作により、任意の方向へ任意の距離だけ移動可能な駆動装置を示したが、入力装置１０３としてはこの他、トラックボール、マウス、キースイッチ、ジョグシャトル等を用いることも可能であることは云うまでもない。
【００６１】また、マイコン１３にコンピュータを接続して、そのコンピュータを介して、マイコン１３に移動目的地データを入力するようにし、この移動目的地データに基づいてマイコン１３に本発明の駆動方法を実施させるようにすることによって、目的位置に自動的に試料を移動させるようにすることも容易に実現可能である。
【００６２】以上は、一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を移動させるようにした移動ステージにおいて、移動操作を指示する指示手段（入力装置）と、緩やかな立ち上がりを持ち、この立上りの曲線の傾き絶対値の最大よりも傾き絶対値の大きい急峻な立ち下りを持つ若しくは緩やかな立ち下りと急峻な立ち上がりを持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりの電圧を上記指示手段による指示期間中、前記圧電素子に駆動電圧として印加する電圧印加手段とを有し、この電圧印加手段から前記電圧波形を前記圧電素子に印加することによって、前記圧電素子を変形駆動し、前記載物台上の試料を前記電圧波形の急峻な変化の際に、前記圧電素子の変形方向に滑べらせて微小移動させるようにしたものである。すなわち、駆動電圧の前縁を緩やかにし、後縁を急峻にするような波形としたものである。
【００６３】しかし、逆に駆動電圧の前縁を急峻にし、後縁を緩やかにした波形とすることでも実施可能である。これをつぎに第２実施例として説明する。
【００６４】（第２実施例）図６は、本発明の第２実施例の駆動方法を示す図である。
【００６５】図６（ａ）は、図４で説明したと同様に正電圧方向への緩やかな立上りと急峻な立ち下がりを持つ駆動電圧波形で、円筒圧電素子本体３０の４つの外周側電極３０ｂのうち、対向する二つの電極に逆位相となるように印加するものである。そしてこれにより、図４の（ｂ）の場合と全く同様な動作をさせることができるから、試料１は図５に示すように載物台２上を右方向へ移動される。
【００６６】一方、図６（ｂ）のように、正電圧方向への急峻な立ち上りと緩やかな立下りを持つ駆動電圧波形を圧電素子本体３０の４つの外周側電極３０ｂのうち、対向する二つの電極に逆位相となるように印加して駆動すると、載物台２と試料１の移動の軌跡は図６（ｃ）に示す如きとなり、載物台２上の試料１は図４（ｂ）とは逆方向に移動することになる。
【００６７】つまり、圧電素子本体３０を図７（ａ）の状態から図７（ｂ）の状態に急激にｄ３だけ変形させることで、載物台２上の試料１は自己の慣性力で初めの位置に止め置かれ、載物台２のみがｄ３だけ移動される。
【００６８】そして、つぎの段階では圧電素子本体３０がゆっくりと元に戻るので、圧電素子本体３０の定位置における載物台２上の試料１は図７（ｂ）の位置関係を保った状態で図７（ｃ）のような状態となる。これにより、載物台２から見た試料１は載物台２上を左方向へ距離ｄ３だけ移動されたことになる。
【００６９】ここで、単一波形駆動による載物台２の移動量はｄ２であることから、ｄ２＝ｄ３となるため、印加電圧（駆動電圧）の振幅を制御することで、載物台２上の試料１の移動量が定量化できる。
【００７０】また、この実施例の場合、右移動、左移動は駆動電圧の前縁を急峻にしたか、緩やかにしたかの違いのみであることから、片電源すなわち、正負いずれかの極性のみの電源で、波形形状のみを変えて出力させれば、左右両方向に試料を移動させることが可能となる。
【００７１】なお、波形のデータは右方向移動用、左方向移動用のものをそれぞれマイコン１３のデータテーブルに用意しておき、ジョイスティック２１の操作方向に応じてデータを使い分けるようにすれば良いから、基本的には図１のハードウエア構成で第２実施例を実現できる。また、第１の実施例の考え方は第２実施例にもそのまま適用できる。
【００７２】以上、第２実施例は、一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変形させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を変位させるようにした移動ステージにおいて、前記圧電素子に印加する前記電圧波形を、前記試料を正方向へ移動させる際には、正電圧の緩やかな立ち上がりと負電圧の急峻な立ち下りを持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりとし、逆方向へ移動させる際は、正電圧の急峻な立ち上がりと緩やかな立ち下りを持つ一周期の単一波形の電圧あるいは単一波形の間欠的な連なりとする片電源駆動型の電圧印加手段を用いるようにしたものである。
【００７３】そして、圧電素子の急峻な変位により載物台を急峻に移動させて載物台上の試料を微小移動させるようにし、移動した後は緩やかに戻すことで定位置での載物台上での試料位置が目的位置になるようにし、また、試料を逆の方向に移動させる時には最初に、載物台の駆動を、目的の移動位置まで緩やかに変位させ、戻りは急峻に行うようにしたことによって、駆動電圧用の電源を単一極性の電源（正電源または負電源のいずれか）を用意するだけでどの方向に対しても、高精度で高分解能な試料の移動が可能になる。
【００７４】（第３実施例）つぎに第３実施例を説明する。図１１は本発明における第３実施例としての駆動方法を示す図である。
【００７５】図１１（ｂ）は図４と同様に、正電圧方向への緩やかな立上がりと、急峻な立ち下がりを持つＸ方向駆動電圧波形である。このとき、図１１（ａ）に示すように、（ｂ）よりも時間ｔ１だけ、位相の進んだ駆動電圧波形を圧電素子本体３０に、Ｚ方向駆動信号として印加すると、試料１の動きは図１２に示すようになる。
【００７６】まず、図１２の（ａ）の状態から、図１２の（ｂ）のように、試料１は載物台２に載った状態で緩やかに動いてゆく。図１２の（ｃ）に示すように、圧電素子本体３０がＺ方向に急に縮んだ瞬間は、試料１は空中に取り残される。つぎの瞬間（時間ｔ１後）に、図１２（ｄ）のように、試料１が空中にあるうちに、圧電素子本体３０がＸ方向に急に変化して元の状態に戻る。
【００７７】その後、試料１は自由落下して図１２（ｅ）のような状態になるため、試料１は載物台２上を右方向に移動したことになる。
【００７８】このとき、圧電素子本体３０のＺ方向への緩やに延ばして急峻に縮めると云う動作を組合わせたことによって、試料１と載物台２の間の摩擦力の影響をさらに軽減できる。図１３には第３実施例を達成するための装置構成をブロック図で示しておく。なお、図１３において、Ｚ方向急峻駆動用の制御系としてＺ駆動Ｄ／Ａ２０１、その出力を増幅してＺ駆動信号２０３を得るＺアンプ２０２を設け、マイコン２より、上述のＺ方向制御のための制御データを発生させて、Ｚ駆動Ｄ／Ａ２０１に与える構成とする点、そして、圧電素子本体３０にＺ駆動信号２０３を与える構成とした点を除き、図１の構成と基本的に同じである。
【００７９】つぎに上記の微動位置調整装置を走査型プローブ顕微鏡に適用する例を示す。
【００８０】（走査型プローブ顕微鏡としての応用例）図８は第１および第２実施例で説明した微動位置調整機能付移動ステージ装置を採用した走査型プローブ顕微鏡のブロック図であり、１００はホストコンピュータ、１３はマイコン、１３０はＡ／Ｄ変換部、１４０はＺ制御部である。また、１５０はＸＹ走査部、１７０はカンチレバーＺ変位検出部、１８０はカンチレバーθ変位検出部、１９０はカンチレバー、１９０ａは探針、１０５は移動ステージであって、ＸＹＺ軸方向に位置調整できる。２は試料台、１は試料である。
【００８１】載物台２は試料１を載置して保持するためのものであり、載物台２は移動ステージを構成する圧電素子本体３０上に固定して設けられている。圧電素子本体３０は上述したように圧電体を円筒型に形成して構成しており、制御信号（Ｚ制御信号Ｓ３、Ｘ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５）に応じて載物台２をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動できる。これにより、試料１はカンチレバー１９０の探針１９０ａに対してＸ軸、Ｙ軸方向に走査され、また、Ｚ軸方向に位置制御される。
【００８２】カンチレバー１９０は、その基端側が定位置に固定されている。そして、カンチレバー１９０は、その自由端先端側のＺ軸方向の変位をカンチレバーＺ変位検出部１７０により、また、自由端先端側の捩じれをカンチレバーθ変位検出部１８０にて検出される構成となっている。
【００８３】カンチレバーＺ変位検出部１７０はＺ軸方向変位を検出してその検出量に対応した出力であるＺ変位信号Ｓ１を発生するものであり、また、カンチレバーθ変位検出部１８０は捩じれ量を検出してその検出した捩じれ量対応の出力であるθ変位信号Ｓ２を発生するものであれば良い。
【００８４】マイコン１３は本システムの制御の中枢を担うものであり、試料位置移動調整モードと観測モードを設定できる。このモードはホストコンピュータ１００から与えることもできるし、また、マイコン１３にキースイッチなどの入力装置を設ける等してこれにより設定することができるようにしても良い。
【００８５】試料位置移動調整モードでは上述のような作用を実施し、載物台２上の試料１の位置の移動調整を行うことができる。また、試料１の測定時に載物台２をＸＹ走査するために、観測モードではＸＹ走査用の走査駆動信号を発生してＸＹ走査部１５０に与え、また、載物台２をＺ軸方向（圧電素子本体３０の軸方向）に制御するためにその制御量を演算してＺ制御部１４０に与えたり、また、制御量に対応したデータを試料表面の凹凸データの情報に変換してホストコンピュータ１００に与える機能を有する。
【００８６】ＸＹ走査部１５０はマイコン１３からの指令によりＸ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５を発生させて圧電素子本体３０へ与えるものであり、圧電素子本体３０はこのＸ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５に応じて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に変位するように構成されていて、圧電素子本体３０のかかる変位により、通常のＸＹ走査や上述した実施例のような急峻な変位による試料位置の微小移動を行わせることができるようにしてある。従って、ＸＹ走査部１５０は図１における駆動信号出力装置１０４をそのまま利用できる。
【００８７】Ｚ制御部１４０はカンチレバーＺ変位検出部１７０からのＺ変位信号Ｓ１やカンチレバーθ変位検出部１８０からのθ変位信号Ｓ２を、それぞれの基準値に保つように動作する制御回路からなり、圧電素子本体３０をＺ軸方向に伸縮させるＺ制御信号Ｓ３を出力する。
【００８８】Ａ／Ｄ変換部１３０はこのＺ制御部１４０からのＺ制御信号Ｓ３をＡ／Ｄ変換してディジタルデータ化し、マイコン１３に与えるものである。マイコン１３にはこのＺ制御信号Ｓ３のディジタルデータを取り込んで、ホストコンピュータ１００へ試料表面の凹凸情報を示す凹凸データとして転送する機能を有する。また、ホストコンピュータ１００はこの凹凸データとＸＹ走査の指令情報とをもとに、試料１の表面凹凸を画像形成してディスプレイ装置やプリンタ等の出力装置に出力表示するものである。
【００８９】また、１０２は図１の指示信号検出装置であり、１０３は図１の入力装置である。
【００９０】つぎに上記構成の装置の作用を説明する。試料１を載物台２上にセットしてスタートさせると、マイコン１３はＸＹ走査部１５０を介してＸ制御信号Ｓ４、Ｙ制御信号Ｓ５を圧電素子本体３０へ出力し、試料１を図１３に示したように２次元走査させる。これによって、カンチレバー１９０の探針１９０ａは、試料１の表面を所定の距離が保持されるように、以下のようなＺ軸制御のもとでＸＹ走査されることになる。
【００９１】すなわち、試料１の表面に探針１９０ａを近付けて走査することにより、試料１の表面の凹凸に従って探針先端が原子間力あるいは磁気力の影響により吸引あるいは反発されてカンチレバー１９０が変位する。
【００９２】カンチレバーＺ変位検出部１７０はカンチレバー１９０先端のＺ軸方向の変位を検出し、Ｚ変位信号Ｓ１を出力する。カンチレバーθ変位検出部１８０はカンチレバー１９０先端の捩じれ変位を検出し、θ変位信号Ｓ２を出力する。これらＺ変位信号Ｓ１やθ変位信号Ｓ２はＺ制御部１４０に入力され、Ｚ制御部１４０はこれらのＺ変位信号Ｓ１やθ変位信号Ｓ２に応じて、これらをそれぞれの基準値に保つようなＺ軸の変位量を求め、これをＺ制御信号Ｓ３として出力する。
【００９３】このようにして、Ｚ制御部１４０はＺ変位信号Ｓ１やθ変位信号Ｓ２に応じて、これらをそれぞれの基準値に保つようなＺ軸の変位量を得て、Ｚ制御信号Ｓ３として出力し、圧電素子本体３０に与えるので、圧電素子本体３０は探針１９０ａの試料表面に対する距離と、カンチレバー１９０のθ変位に従って、Ｚ軸方向伸縮制御がなされ、カンチレバー１９０が捩じれないように試料１と探針１９０ａの先端との間の距離が制御される。
【００９４】また、Ｚ制御信号Ｓ３はＡ／Ｄ変換部１３０でＡ／Ｄ変換され、マイコン１３に取り込まれる。マイコン１３ではこの取り込んだＺ制御信号Ｓ３のデータを、ホストコンピュータ１００へ凹凸デ−タとして転送し、また、ＸＹ走査の位置情報を合わせて位置データとしてホストコンピュータ１００に送る。ホストコンピュータ１００はこれらの情報をもとに、試料１の表面凹凸を画像形成して表示する。
【００９５】走査型プローブ顕微鏡の測定範囲はせいぜい１００μｍ程度である。従って、試料１を載物台２上にセットした状態で試料１の観察したい領域が探針による走査領域から外れる場合には、試料位置移動調整モードで位置移動させる必要がある。
【００９６】この場合はホストコンピュータ１００などから試料位置移動調整モードを設定すると、マイコン１３は試料位置移動調整モードになり、ジョイスティック等による入力装置１０３の手動操作により、第１あるいは第２実施例で説明したような動作がなされて、載物台２上の試料１は走査方向に走査量対応の所定のステップで微小移動される。微小移動を行って目的の領域が探針１９０ａによる走査領域に入ったならば、観察モードに切り替え、圧電素子本体３０に対して上述のようなＸＹ走査とＺ軸制御を行わせて測定を行う。
【００９７】なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施し得るものであり、例えば、上述の実施例ではいずれも、円筒型圧電素子を載物台の駆動源に使用した例を示したが、圧電素子はこれに限定されるものではなく、また、図９の（ｂ）に示すような構造のものにも本発明は適用可能である。
【００９８】以上、本発明の実施例について述べたが、本発明の微小位置調整機能付の移動ステージ装置は、圧電素子の変形により載物台を急峻に移動させて載物台上の試料を微小移動させるようにした移動テーブルにおいて、圧電素子の駆動電圧を所要レベルまで緩やかに変化した後、急峻に元に戻るパターン若しくはその逆のパターンとし、この駆動電圧により圧電素子を駆動することにより、載物台の一回の駆動を、目的の移動位置までは緩やかに変位させ、戻りは急峻に行う、あるいは目的の移動位置までは急峻に変位させ、戻りは緩やかに変位させるようにしたことによって、上記変位量分、試料を移動できるようにしたので、高精度かつ高分解能な試料の移動が可能になる。
【００９９】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれば、載物台上の試料位置を高精度かつ高分解能に移動することが可能になる微小位置調整機能付の移動ステージ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の全体構成を示すブロック図であって、本発明の移動テーブル装置の構成を示す図。
【図２】本発明の実施例を説明するための図であって、その移動ステージ部分の構成を示す斜視図。
【図３】本発明の実施例を説明するための図であって、マイコン１３による制御の過程を説明するためのフローチャート。
【図４】本発明の実施例を説明するための図であって、移動ステージ駆動電圧の波形と、載物台および試料の移動の軌跡を示す図。
【図５】本発明の第１実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図６】本発明の第２実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図７】本発明の第２実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図８】本発明の第２実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図９】従来技術を説明するための図であって、従来装置としての移動ステージ部分の構成を示す斜視図。
【図１０】従来技術を説明するための図であって、図９の装置の駆動状態を説明するための図。
【図１１】本発明の第３実施例を説明するための図であって、圧電素子に印加する駆動電圧の例を示す波形図。
【図１２】本発明の第３実施例を説明するための図であって、駆動電圧印加による圧電素子の変形の様子と載物台上の試料の移動様子を説明するための図。
【図１３】本発明の第３実施例を説明するための図であって、本発明の移動テーブル装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…試料
２…載物台
４…基盤
１１…Ｘ検出Ａ／Ｄ変換器
１２…Ｙ検出Ａ／Ｄ変換器
１３…マイコン（マイクロコンピュータ）
１４…Ｘ駆動Ｄ／Ａ変換器
１５…Ｙ駆動Ｄ／Ａ変換器
１６…＋Ｘアンプ
１７…−Ｘアンプ
１８…＋Ｙアンプ
１９…−Ｙアンプ
２１…ジョイスティック
３０…円筒圧電素子本体
３０ａ…内周面電極
３０ｂ…外周側電極
１０１…信号制御装置
１０２…指示信号検出装置
１０３…入力装置
１０４…駆動信号出力装置
１０５…移動テーブル
１５０…ＸＹ走査部
１９０…カンチレバー
１９０ａ…探針
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変位させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を移動させるようにした走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置において、移動操作を指示する指示手段と、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧を上記指示手段の操作期間、所定間隔で発生して上記圧電素子に与える電圧印加手段と、を設けて構成したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置。
【請求項１】 一端が固定された圧電素子に駆動電圧を与えることにより変位させ、この圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用の載物台を移動させるようにした走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置において、移動操作を指示する指示手段と、所要の電圧レベルまでは緩やかに変化し、その後、前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に戻る単発の駆動電圧若しくは、所要の電圧レベルまでは前記載物台上の試料と載物台との摩擦力が無視できる程度に急峻に変化し、その後、緩やかに戻る単発の駆動電圧を上記指示手段の操作期間、所定間隔で発生して上記圧電素子に与える電圧印加手段と、を設けて構成したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の移動ステージ装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図３】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図３】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開平６−２８８７５８
【公開日】平成６年（１９９４）１０月１８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−７２５５０
【出願日】平成５年（１９９３）３月３０日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【公開日】平成６年（１９９４）１０月１８日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月３０日
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
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