走査機構および走査型プローブ顕微鏡
【課題】ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構を提供する。
【解決手段】走査機構１０は、固定枠１１と、ＸＹ方向に移動可能なＸＹ可動部１４を有するＸＹステージ１３と、ＸＹ可動部１４をＸＹ方向に走査するＸＹアクチュエータを構成する圧電素子１２Ａ，１２Ｂを有している。走査機構１０はまた、ＸＹ可動部１４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３を有している。圧電素子２１は、カンチレバー２３をＺ方向に走査するＺアクチュエータを構成している。走査機構１０はさらに、ＸＹ可動部１４に保持された集光部２５を有している。集光部２５は、カンチレバー２３の変位を検出するための光をカンチレバー２３に入射させる働きをする。圧電素子２１と集光部２５は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている。
【解決手段】走査機構１０は、固定枠１１と、ＸＹ方向に移動可能なＸＹ可動部１４を有するＸＹステージ１３と、ＸＹ可動部１４をＸＹ方向に走査するＸＹアクチュエータを構成する圧電素子１２Ａ，１２Ｂを有している。走査機構１０はまた、ＸＹ可動部１４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３を有している。圧電素子２１は、カンチレバー２３をＺ方向に走査するＺアクチュエータを構成している。走査機構１０はさらに、ＸＹ可動部１４に保持された集光部２５を有している。集光部２５は、カンチレバー２３の変位を検出するための光をカンチレバー２３に入射させる働きをする。圧電素子２１と集光部２５は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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（ＳＰＭ）は、走査機構によって機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、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、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。
【０００３】
なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ方向に制御しながら、同じく走査機構をＸＹ方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。
【０００４】
このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このようなＡＦＭでは、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをＸＹＺに走査するレバースキャンタイプの走査機構を用いることが多い。
【０００５】
一方、試料をＸＹＺに走査する試料スキャンタイプの生物用ＡＦＭにおいては、倒立型光学顕微鏡による同時観察ができない上、試料や試料基板の制約が多いという問題はあるが、液体中の生きた生物試料の動く様子を高分解能で観察できるとして注目されている。生物試料の動く様子を観察しようとしたときＡＦＭに求められるのは観察速度である。この用途では１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。このようなＡＦＭの高速化を行おうとしたとき、ＡＦＭ装置の電気回路周りについては現在市販されている装置でも可能なレベルに達しており、課題となるところは機械機構にある。特に、走査速度の速い走査機構や、柔らかくかつ共振周波数の高いカンチレバーや、そのカンチレバーの変位を検出できる光てこ式の光学式変位センサーが挙げられる。
【０００６】
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、走査機構に求められるＸ方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。
【０００７】
そして生物試料の観察に適した高い周波数のカンチレバーとしては、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下であって、共振周波数は３００ｋＨｚ以上が求められる。このようなカンチレバーの寸法は現在市販されているカンチレバーに比べて１０分の１程度と極めて小さいものとなり、例えば窒化シリコン製のカンチレバーで、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍとなる。そのバネ定数は０．１Ｎ／ｍ、大気中の共振周波数は１．２ＭＨｚ、液体中での共振周波数は４００ｋＨｚ前後となる。
【０００８】
さらに光学式変位センサーとしては、極めて小さいカンチレバーの変位を検出するために収束光のスポット径が数μｍ以下となる集光光学系が要求される。
【０００９】
以上に説明したように、生物試料のＡＦＭによる高速観察には、倒立型光学顕微鏡観察との組み合わせが可能であること、すなわちレバースキャンタイプのＡＦＭであることが望ましく、しかも、柔らかくて共振周波数の高い小さなカンチレバーが使用可能であるとともに、高速走査をする走査機構を備えている必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１０−５２１６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
レバースキャンタイプのＡＦＭの欠点は、カンチレバーだけでなく光てこ式光学式変位センサーをも一緒にＸＹ走査しなければならないことにある。光てこ式光学式変位センサーには光源、ディテクタ、集光光学系が備わっているため小型化・軽量化が難しく、これが高速走査の妨げになるからである。この欠点を克服するために、特表２０１０−５２１６９３号公報に示すような、集光光学系だけをカンチレバーとともにＸＹ走査する、検出光追従型の走査機構が提案されている。しかしながらこの走査機構には次の問題がある。
【００１２】
走査対象物（以下ではＸＹ可動部と呼ぶ）をＸＹ走査すると、ＸＹ可動部には走査方向と反対の方向に慣性力がかかる。これは走査速度が速くなるほど大きくなる。またＸＹ可動部が重いほど大きくなる。走査周波数が１ｋＨｚを超える場合、慣性力はＸＹ可動部を変形させるほどになり、これがＸＹ可動部に揺れ振動を生じさせる。ＸＹ可動部のＺ軸に沿った寸法が長いほど、その影響は大きくなる。
【００１３】
前述の従来例の走査機構は、ＸＹ可動部がＺアクチュエータと対物系を保持し、それらを同時にＸＹ走査する検出光追従型の走査機構である。この走査機構において、例えばＸＹ可動部をＸ−Ｙ平面に平行なある方向へ走査すると、ＸＹ可動部には逆方向に慣性力が働く。しかしながらこの走査機構においては、Ｚアクチュエータと対物系がＺ方向に直列に配置されているため、ＸＹ可動部がＺ軸に沿って長い構造になっている。その結果、ＸＹ可動部に、Ｘ−Ｙ平面に平行な軸を回転中心とする揺れ振動が生じやすい。さらにＺアクチュエータに保持されたカンチレバーがＸＹ可動部の端に配置されているため、ＸＹ可動部の揺れ振動が増幅され、カンチレバー位置での揺れ量がより大きくなるという問題がある。すなわち、このような走査機構は、走査時に生じる慣性力の影響を受けやすく、振動ノイズが生じやすい機構と言える。このような走査機構はサブナノメートルのオーダの精度が要求される走査型プローブ顕微鏡の高速走査には望ましくない。
【００１４】
本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の走査機構は、カンチレバーと、Ｘ−Ｙ平面に平行なＸＹ方向に移動可能なＸＹ可動部と、前記ＸＹ可動部をＸＹ方向に走査するＸＹアクチュエータと、前記ＸＹ可動部に保持された、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向に前記カンチレバーを走査するＺアクチュエータと、前記ＸＹ可動部に保持された、前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに入射させる集光部とを備えている。前記Ｚアクチュエータと前記集光部は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一実施形態の走査機構の上面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った走査機構の断面図である。
【図３】第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図４】図３中のＢ−Ｂ線に沿った走査機構の断面図である。
【図５】第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図６】図５中のＣ−Ｃ線に沿った走査機構の断面図である。
【図７】第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図８】図７中のＤ−Ｄ線に沿った走査機構の断面図である。
【図９】第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図１０】図９中のＥ−Ｅ線に沿った走査機構の断面図である。
【図１１】走査の衝撃によりＸＹ可動部の土台部の変形する様子を示している。
【図１２】第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図１３】図１２中のＦ−Ｆ線に沿った走査機構の断面図である。
【図１４】第三実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図１５】図１４中のＧ−Ｇ線に沿った走査機構の断面図である。
【図１６】第三実施形態の変形例の変形例である走査機構の断面図である。
【図１７】第四実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１８】第四実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１９】第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
＜第一実施形態＞
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図１と図２を参照しながら本実施形態について説明する。図１は、本実施形態の走査機構の上面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った走査機構の断面図である。
【００２０】
図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１０は、固定枠１１と、固定枠１１内に配置されたＸＹステージ１３と、ＸＹステージ１３と固定枠１１の間に配置されたＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ａと、ＸＹステージ１３と固定枠１１の間に配置されたＹ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｂを有している。
【００２１】
ＸＹステージ１３は、互いに直交するＸ軸とＹ軸に沿って（つまりＸ軸とＹ軸を含むＸ−Ｙ平面に平行なＸＹ方向に）移動可能なＸＹ可動部１４と、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ａ，１６Ｃと、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ｂ，１６Ｄと、弾性部１６Ａ〜１６Ｄを支持している支持部１５とを有している。
【００２２】
ＸＹステージ１３の支持部１５は、圧電素子１２Ａと弾性部１６Ａ，１６ＣのＹ軸に沿った両側に位置している。別の言い方をすれば、圧電素子１２Ｂと弾性部１６Ｂ，１６ＤのＸ軸に沿った両側に位置している。支持部１５は固定枠１１に固定されている。支持部１５の固定は、これに限定されないが、例えば、ねじ締結や接着によってなされている。
【００２３】
弾性部１６Ａと１６Ｂは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共に十字形状を有している。また弾性部１６Ｃと１６Ｄは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共にＴ字形状を有している。圧電素子１２Ａの側に位置する弾性部１６Ａは、圧電素子１２Ａによって押される押圧部１７Ａを有している。また圧電素子１２Ｂの側に位置する弾性部１６Ｂは、圧電素子１２Ｂによって押される押圧部１７Ｂを有している。
【００２４】
弾性部１６Ａ，１６Ｃは、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｘ軸に沿った一方の端部がＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った両端部が支持部１５と接続している。
【００２５】
また、弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った両端部が支持部１５と接続している。これらの板状部分の厚さ、すなわちＺ軸に沿った寸法は、これに限定されないが、例えば、ＸＹ可動部１４の厚さと同じである。
【００２６】
このような形状を有することにより、弾性部１６Ａ，１６Ｃは、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｘ軸に沿っては変形しにくい。弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、Ｘ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｙ軸に沿っては変形しにくい。従って、ＸＹ可動部１４は、弾性部１６Ａ，１６Ｃにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、弾性部１６Ｂ，１６Ｄにより、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【００２７】
ＸＹステージ１３は一体的に形成されている。つまり、ＸＹ可動部１４と支持部１５と弾性部１６Ａ〜１６Ｄと押圧部１７Ａ，１７Ｂは一体的に形成されている。ＸＹステージ１３は、例えばアルミニウム製の金属のブロックを選択的に切り欠いて作製される。
【００２８】
固定枠１１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１３の材質よりも高い弾性率を有している。例えば、固定枠１１はステンレス鋼で、ＸＹステージ１３はアルミニウムから成る。
【００２９】
圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａの押圧部１７Ａと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。また、圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂの押圧部１７Ｂと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。
【００３０】
圧電素子１２Ａは、ＸＹ可動部１４の重心を通るＸ軸に平行な直線が圧電素子１２Ａの中心を通るよう配置されている。また、圧電素子１２Ｂは、ＸＹ可動部１４の重心を通るＹ軸に平行な直線が圧電素子１２Ｂの中心を通るよう配置されている。
【００３１】
圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａを介してＸＹ可動部１４をＸ軸に沿って移動させるためのＸアクチュエータであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂを介してＸＹ可動部１４をＹ軸に沿って移動させるためのＹアクチュエータであり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮し得る。
【００３２】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、例えば、実質的に同一の二つの積層型圧電素子で構成されている。圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向にＸＹ可動部１４を走査するＸＹアクチュエータを構成している。
【００３３】
走査機構１０はまた、ＸＹ可動部１４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３を有している。圧電素子２１は、一端がＸＹ可動部１４に固定され、−Ｚ方向に延出している。圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するホルダ２２が保持されている。圧電素子２１は、例えば、積層型圧電素子で構成されている。圧電素子２１は、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子２１は、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー２３を走査するＺアクチュエータを構成している。カンチレバー２３は、その自由端に機械的探針２４を有している。カンチレバー２３は、例えばＸ軸に沿って延びている。カンチレバー２３は、ホルダ２２に交換可能に取り付けられてよい。
【００３４】
走査機構１０はさらに、ＸＹ可動部１４に保持された集光部２５を有している。集光部２５は、図示しないカンチレバーの光学式変位センサー、例えば光てこセンサーから出射されるカンチレバー２３の変位を検出するための光をカンチレバー２３に入射させる働きをする。集光部２５は、これに限定されないが、例えば、二つの集光レンズ２６Ａ，２６Ｂを有している。集光レンズ２６Ａ，２６Ｂは、ＸＹ可動部１４に固定された、ＸＹ可動部１４を貫通して延びている筒体２７によって保持されている。
【００３５】
圧電素子２１と集光部２５は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている。言い換えれば、圧電素子２１と集光部２５は、投影されたＸ−Ｙ平面上において、互いに重なることなく、一方が他方の外側に位置している。圧電素子２１と集光部２５は、これに限定されないが、例えば、カンチレバー２３が延びている方向すなわちＸ軸に沿って並んでいる。
【００３６】
このように構成された走査機構１０においては、Ｘ走査の際、圧電素子１２ＡがＸ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ａが伸びる時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながらＸＹ可動部１４を押す。これによりＸＹ可動部１４はＸ軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部１６ＣはＸＹ可動部１４に押されることにより弾性変形される。さらに弾性部１６Ｂ，１６ＤもＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。圧電素子１２Ａが縮む時は、弾性変形されている弾性部１６Ａ〜１６Ｄのすべての復元力に従ってＸＹ可動部１４がＸ軸に沿って逆方向に移動される。このようにしてＸＹ可動部１４は、Ｘ方向に高い直進性をもって走査される。
【００３７】
同様に、Ｙ走査の際は、圧電素子１２ＢがＹ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ｂが伸びる時は、圧電素子１２Ｂが弾性部１６Ｂを弾性変形させながらＸＹ可動部１４を押す。これによりＸＹ可動部１４はＹ軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部１６ＤはＸＹ可動部１４に押されることにより弾性変形される。さらに弾性部１６Ａ，１６ＣもＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。圧電素子１２Ｂが縮む時は、弾性変形されている弾性部１６Ａ〜１６Ｄのすべての復元力に従ってＸＹ可動部１４がＹ軸に沿って逆方向に移動される。このようにしてＸＹ可動部１４は、Ｙ方向に高い直進性をもって走査される。
【００３８】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂのそれぞれの中心軸がＸＹ可動部１４の重心を通っているため、ＸＹ可動部１４が高速で移動された場合でも、慣性力による回転運動が発生し難い。このため、ＸＹ可動部１４は、高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に走査され得る。
【００３９】
ＸＹ可動部１４がＸＹ方向に走査される際、圧電素子２１とともにカンチレバー２３もＸＹ方向に走査される。従って、カンチレバー２３も、高速かつ高い直進性をもって走査される。
【００４０】
ＸＹ可動部１４がＸＹ方向に走査される際、集光部２５もＸＹ方向に走査される。従って、集光部２５も、高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に走査される。
【００４１】
集光部２５には、図示しない光てこセンサーから出射されたコリメートレーザ光２９が集光部２５の光軸２８に平行に入射する。集光部２５は、入射したレーザ光２９をカンチレバー２３の自由端に集光して照射する。カンチレバー２３の自由端で反射されたレーザ光２９は、集光部２５を通って図示しない光ディテクタに入射する。
【００４２】
ＸＹ可動部１４がＸＹ方向に走査される際、集光部２５とともに集光部２５の焦点位置も同じ距離だけＸＹ方向に走査されるので、集光部２５によって集光されたレーザ光２９の集光スポットも集光部２５と同じ距離だけＸＹ方向に走査される。従って、集光部２５が作るレーザ光２９の集光スポットが、高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に走査される。
【００４３】
以上より、走査機構１０においては、カンチレバー２３と集光部２５が作るレーザ光２９の集光スポットが高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に同じ距離だけ走査される。
【００４４】
さらに走査機構１０では、集光部２５と圧電素子２１が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。このため、集光部２５と圧電素子２１を含むＸＹ可動部１４のＺ軸に沿った長さが短く抑えられている。その結果、ＸＹ可動部１４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部１４の揺れ振動」が低減される。またカンチレバー２３がＸＹ可動部１４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づくため、カンチレバー２３の揺れ振動が増加することも回避される。
【００４５】
従って、走査機構１０においては、カンチレバー２３と集光部２５が作るレーザ光２９の集光スポットが高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に同じ距離だけ走査されるので、ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構が提供される。その結果、高速かつ高い直進性をもった高精度な検出光追従型の走査機構が提供される。
【００４６】
＜第二実施形態＞
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図３と図４を参照しながら本実施形態について説明する。図３は、本実施形態の走査機構３０の上面図であり、図４は、図３中のＢ−Ｂ線に沿った走査機構３０の断面図である。図３と図４において、図１と図２に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４７】
図３と図４に示すように、ＸＹステージ３３はＸＹ可動部３４を有し、ＸＹ可動部３４は、その下面にＺ軸に沿って延びた角穴３５を有している。角穴３５は、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する圧電素子２１が固定されている。その結果、圧電素子２１の重心は、ＸＹ可動部３４の厚み（Ｚ軸に沿った寸法）内に収まっている。すなわち圧電素子２１の重心がＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づけられている。これはカンチレバー２３の位置をＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づけることにもなる。圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するためのホルダ２２が取り付けられている。
【００４８】
また集光部２５は、ＸＹ可動部３４を貫通しＸＹ可動部３４に保持されている。集光部２５は、その重心がＸＹ可動部３４のＺ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、ＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するよう保持されている。
【００４９】
このように構成された走査機構３０においては、圧電素子２１と集光部２５が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。さらに、圧電素子２１と集光部２５の重心がいずれもＸＹ可動部３４のＺ方向の厚み内に収まっている。その結果、ＸＹ可動部３４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部３４の揺れ振動」が低減される。またカンチレバー２３がＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づくため、カンチレバー２３の揺れ振動が増加することも回避される。
【００５０】
［変形例１］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構４０を図５と図６に示す。図５は、本実施形態の変形例である走査機構４０の上面図であり、図６は、図５中のＣ−Ｃ線に沿った走査機構４０の断面図である。図５と図６において、図１と図２に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５１】
図５と図６に示すように、走査機構４０はＸＹステージ４３を有し、ＸＹステージ４３はＸＹ可動部４４を有している。走査機構４０はまた、ＸＹ可動部４４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部４４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２を有している。
【００５２】
圧電素子２１は、一端がＸＹ可動部４４に固定され、−Ｚ方向に延出している。また、圧電素子４１は、一端がＸＹ可動部４４に固定され、＋Ｚ方向に延出している。つまり、圧電素子２１と圧電素子４１はそれぞれＸＹ可動部４４からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００５３】
圧電素子２１と圧電素子４１は、例えば実質的に同一の積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子２１と圧電素子４１は、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー２３を走査するＺアクチュエータを構成している。
【００５４】
ＸＹ可動部４４の下面に設けられた圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するためのホルダ２２が取り付けられている。つまり、カンチレバー２３は圧電素子２１の自由端に保持されている。ＸＹ可動部４４の上面に設けられた圧電素子４１の自由端には、ホルダ２２と同一の部材である疑似ホルダ４２が取り付けられている。疑似ホルダ４２は、ホルダ２２と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。
【００５５】
カンチレバー２３をＺ方向に走査する際、図示しないＺ圧電駆動部によりＺ駆動信号を二つの圧電素子２１，４１に供給し、二つの圧電素子２１，４１が同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子２１の伸縮がＸＹ可動部４４に与えるＺ軸に沿った力が、圧電素子４１の伸縮によって打ち消される。これにより、圧電素子２１の伸縮により生じるＸＹ可動部４４のＺ方向の振動がほぼ０に抑えられる。
【００５６】
このように構成された走査機構４０においては、二つの圧電素子２１，４１と集光部２５が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。集光部２５は、その重心がＸＹ可動部４４のＺ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、ＸＹ可動部４４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。二つの圧電素子２１，４１はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、その重心がＸＹ可動部４４のＺ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、ＸＹ可動部４４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、ＸＹ可動部４４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部４４の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、ＸＹ可動部４４の重心を通るＸ−Ｙ平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するＸＹ可動部４４の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部４４の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。
【００５７】
［変形例２］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構５０を図７と図８に示す。図７は、本実施形態の変形例である走査機構５０の上面図であり、図８は、図７中のＤ−Ｄ線に沿った走査機構５０の断面図である。図７と図８において、図５と図６に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５８】
図７と図８に示すように、走査機構５０はＸＹステージ５３を有し、ＸＹステージ５３はＸＹ可動部５４を有している。走査機構５０はまた、ＸＹ可動部５４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部５４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２を有している。
【００５９】
走査機構５０はさらに、ＸＹ可動部５４に保持された単レンズ５６を有している。単レンズ５６は、ＸＹ可動部５４に形成された貫通穴５５内に配置され、ＸＹ可動部５４の厚み内に収まっている。単レンズ５６は、望ましくは、その重心がＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。単レンズ５６は、図１に示した集光部２５と同等の集光性を備えている。つまり、単レンズ５６は、カンチレバー２３の変位を検出するための光をカンチレバー２３に入射させる集光部を構成している。例えば、単レンズ５６は、長さ１０μｍ、幅２μｍの小さなカンチレバーにも集光し得るように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。焦点スポット径は１．２２×波長／ＮＡで求められるため、例えば光てこセンサーの検出光に波長６５０ｎｍの赤色レーザを用いた場合、ＮＡが０．４のときに焦点スポット径は約２μｍになるからである。また単レンズ５６は、その直径が１０ｍｍ以下であることが望ましい。ＸＹ走査の高速化を図るためには、ＸＹ可動部５４自体を小型・軽量にすることが重要だからである。
【００６０】
このように構成された走査機構５０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ５６が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ５６は、それ自体がＸＹ可動部５４内に収まるように、望ましくは、その重心がＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。また、二つの圧電素子２１，４１はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、その重心がＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、ＸＹ可動部５４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、ＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。
【００６１】
さらに集光部が小型・軽量の単レンズであるため、集光部にかかる慣性力が低減される。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」がより低減される。またＸＹ可動部５４自体を小型・軽量にすることが可能になり、その結果、走査機構の共振周波数を上げることができる。これは高速走査に効果がある。
【００６２】
［変形例３］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構６０を図９と図１０に示す。図９は、本実施形態の変形例である走査機構６０の上面図であり、図１０は、図９中のＥ−Ｅ線に沿った走査機構６０の断面図である。図９と図１０において、図７と図８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００６３】
図９と図１０に示すように、走査機構６０はＸＹステージ６３を有し、ＸＹステージ６３はＸＹ可動部６４を有している。走査機構６０はまた、ＸＹ可動部６４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部６４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２を有している。
【００６４】
ＸＹ可動部６４の下面に設けられた圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するためのホルダ２２が取り付けられている。ホルダ２２は、カンチレバー２３をＸ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度に傾きをもって保持している。これは、カンチレバー２３のレバー面と、図示しないＸ−Ｙ平面に平行に配置された試料との干渉を避けるためであり、ほとんどすべてのＡＦＭにおいて実施されている。ＸＹ可動部６４の上面に設けられた圧電素子４１の自由端には、ホルダ２２と同一の部材である疑似ホルダ４２が取り付けられている。疑似ホルダ４２は、ホルダ２２と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。
【００６５】
走査機構６０はさらに、ＸＹ可動部６４に保持された単レンズ６６を有している。単レンズ６６は、収束光をカンチレバー２３のレバー面に対して垂直に入射させるように、その光軸６８がＸ−Ｙ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されている。また単レンズ６６は、ＸＹ可動部６４に形成された貫通穴６５内に配置され、ＸＹ可動部６４の厚み内に収まっている。単レンズ６６は、望ましくは、その重心がＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。さらに単レンズ６６は、長さ１０μｍ、幅２μｍの小さなカンチレバーにも集光できるように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。
【００６６】
このように構成された走査機構６０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ６６が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ６６は、その重心がＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。また、二つの圧電素子２１，４１はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、その重心がＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、ＸＹ可動部６４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部６４の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、ＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するＸＹ可動部６４の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部６４の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。さらに、単レンズ６６の光軸６８がＸ−Ｙ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されているので、カンチレバー２３に対して垂直に収束光を入射させることができる。また単レンズ６６は、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。その結果、カンチレバー２３に形成する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー２３の変位検出の精度向上に効果がある。
【００６７】
＜第三実施形態＞
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図１１〜図１３を参照しながら本実施形態について説明する。
【００６８】
第二実施形態に示した走査機構４０，５０，６０は、Ｚ軸に沿って反対側に延びている二つの圧電素子２１，４１を有し、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズをほぼ０に抑えている。しかしながらＺ方向への走査は最大１００ｋＨｚ以上にも及ぶため、走査の衝撃により、二つの圧電素子２１，４１が設けられたＸＹ可動部の土台部が変形するという問題がある。走査機構５０を例にしたＸＹ可動部５４の土台部が変形する様子を図１１に示す。この変形は、最大１００ｋＨｚ以上の振動ノイズとなって集光部（走査機構５０では単レンズ５６）に伝わる。集光部は、その外周部だけでＸＹ可動部に保持されているため振動ノイズに対して強固であるとは言えず、その結果、集光部がＸＹ可動部に対して振動する。これはＡＦＭ観察の高精度化を妨げる。
【００６９】
図１２は、上記問題を解決する本実施形態である走査機構７０の上面図であり、図１３は、図１２中のＦ−Ｆ線に沿った走査機構７０の断面図である。図１２と図１３において、図７と図８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７０】
図１２と図１３に示すように、走査機構７０はＸＹステージ７３を有し、ＸＹステージ７３はＸＹ可動部７４を有している。走査機構７０はまた、ＸＹ可動部７４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部７４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２と、ＸＹ可動部７４に保持された単レンズ７６を有している。単レンズ７６は、ＸＹ可動部７４に形成された貫通穴７５内に配置され、ＸＹ可動部７４の厚み内に収まっている。望ましくは、単レンズ７６は、その重心がＸＹ可動部７４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。
【００７１】
ＸＹ可動部７４に設けられた単レンズ７６と二つの圧電素子２１，４１から成るＺアクチュエータが、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ７６と二つの圧電素子２１，４１から成るＺアクチュエータとの間には、それらを機械的に分離するように、ＸＹ可動部７４を貫通する開口部７７が設けられている。
【００７２】
このように構成された走査機構７０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ７６との間に、それらを機械的に分離する開口部７７が設けられているため、Ｚ方向への走査の際に生じる振動ノイズの単レンズ７６への伝達が低減される。
【００７３】
［変形例］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の変形例である走査機構８０を図１４と図１５に示す。図１４は、本実施形態の変形例である走査機構８０の上面図であり、図１５は、図１４中のＧ−Ｇ線に沿った走査機構８０の断面図である。図１４と図１５において、図１２と図１３に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７４】
図１４と図１５に示すように、走査機構８０はＸＹステージ８３を有し、ＸＹステージ８３はＸＹ可動部８４を有している。走査機構８０はまた、ＸＹ可動部８４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部８４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２と、ＸＹ可動部８４に保持された単レンズ８６を有している。
【００７５】
単レンズ８６は、ＸＹ可動部８４に形成された貫通穴８５内に配置されている。単レンズ８６を保持するためのＸＹ可動部８４に設けられた貫通穴８５は、単レンズ８６の外形（円）を僅かに広げた楕円形あるいは卵形をしており、単レンズ８６は、貫通穴８５内において、二つの圧電素子２１，４１から離れた位置で保持されている。すなわち、単レンズ８６の外周部の一部分、例えば半分ないし３／４が貫通穴８５に接合され、残りの外周部は貫通穴８５に接触しないように保持されている。その結果、二つの圧電素子２１，４１に最も近い単レンズ８６の部分とＸＹ可動部８４の間にすき間すなわち開口部８７が形成されている。開口部８７は、単レンズ８６とＸＹ可動部８４を機械的に分離している。さらに単レンズ８６は、ＸＹ可動部８４の厚み内に収まっており、望ましくは、その重心がＸＹ可動部８４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。
【００７６】
このように構成された走査機構８０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ８６との間には、それらを機械的に分離するように、開口部８７が形成されている。さらに単レンズ８６は、二つの圧電素子２１，４１から離れた位置で保持されている。このため、単レンズ８６は、二つの圧電素子２１，４１を保持しているＸＹ可動部８４の土台部とは完全に機械的に分離されている。その結果、Ｚ方向への走査の際に生じる振動ノイズの単レンズ８６への伝達がより低減される。
【００７７】
第三実施形態の別の変形例を図１６に示す。図１６に示す走査機構９０は、単レンズ９６の配置を除いては、走査機構８０と同じである。単レンズ９６は、その光軸９８がＸ−Ｙ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されてもよい。このような構成においても、単レンズ９６への振動ノイズの伝達の低減について同様の効果を得ることができる。
【００７８】
＜第四実施形態＞
本実施形態は、第二実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。以下、図１７を参照しながら本実施形態について説明する。図１７は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡１００を示している。
【００７９】
図１７に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー２３を保持した走査機構５０と、ホストコンピュータ１０１と、Ｚ制御部１０３を備えたコントローラ１０２と、レーザ光源１１１と、分割ディテクタ１１２と、Ｚ圧電ドライバ１０６と、ＸＹ圧電ドライバ１０７を備えている。カンチレバー２３に対向する位置には、試料台１１７に載置された試料１１６が配置されている。
【００８０】
走査機構５０は、カンチレバー２３をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第二実施形態（図７と図８）で説明した通りである。この走査機構５０は図示しない鏡枠によって保持されている。
【００８１】
カンチレバー２３は、試料１１６に対向して配置されるプローブを柔軟なレバー部の自由端に備えており、カンチレバー２３は試料１１６との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位する。
【００８２】
レーザ光源１１１と分割ディテクタ１１２は、カンチレバー２３の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、図示しない鏡枠に保持されている。
【００８３】
Ｚ圧電ドライバ１０６は、走査機構５０に搭載された二つの圧電素子２１，４１を駆動するためのものである。
【００８４】
ＸＹ圧電ドライバ１０７は、走査機構５０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂを駆動するためのものである。
【００８５】
コントローラ１０２は、Ｚ圧電ドライバ１０６とＸＹ圧電ドライバ１０７を制御するためのものある。
【００８６】
ホストコンピュータ１０１は、カンチレバー２３の変位情報と走査機構５０の走査情報とに基づいて試料１１６の物理情報を取得する処理部を構成している。
【００８７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
【００８８】
レーザ光源１１１と分割ディテクタ１１２で構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源１１１から照射されたコリメートレーザ光１１３は、走査機構５０に設けられた単レンズ５６を介してカンチレバー２３上に直径数μｍ程度の集光スポットを形成し、その反射光を分割ディテクタ１１２で受けることで、カンチレバー２３の自由端にある機械的探針２４のＺ変位をとらえる。分割ディテクタ１１２は、カンチレバー２３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。
【００８９】
コントローラ１０２は、ＸＹ方向にラスター走査するためのＸＹ走査信号を生成し、ＸＹ走査信号をＸＹ圧電ドライバ１０７とホストコンピュータ１０１に供給する。コントローラ１０２はＺ制御部１０３を含んでおり、Ｚ制御部１０３は、分割ディテクタ１１２で得られるカンチレバー２３の変位情報を一定に維持するようにＺ圧電ドライバ１０６を制御するためのＺ走査信号を生成し、そのＺ走査信号をＺ圧電ドライバ１０６とホストコンピュータ１０１に供給する。
【００９０】
Ｚ圧電ドライバ１０６は、コントローラ１０２から供給されるＺ走査信号を所定のゲインで増幅してＺ駆動信号を生成し、Ｚ駆動信号を走査機構５０に搭載された二つの圧電素子２１，４１に供給する。
【００９１】
ＸＹ圧電ドライバ１０７は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号を所定のゲインで増幅してＸＹ駆動信号を生成し、ＸＹ駆動信号を走査機構５０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂに供給する。具体的には、コントローラ１０２から供給されるＸ走査信号を増幅して生成したＸ駆動信号を圧電素子１２Ａに供給し、コントローラ１０２から供給されるＹ走査信号を増幅して生成したＹ駆動信号を圧電素子１２Ｂに供給する。
【００９２】
ホストコンピュータ１０１は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号とＺ走査信号とに基づいて試料１１６の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。
【００９３】
この走査型プローブ顕微鏡１００では、走査機構５０を用いることにより、高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１００によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。
【００９４】
［変形例］
さらにこの走査型プローブ顕微鏡では次の変形が可能である。第四実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡１２０を図１８に示す。図１８において、図１７に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００９５】
図１８に示した走査型プローブ顕微鏡１２０は、図１７に示した走査機構５０を走査機構６０に置き換えた構成になっている。さらに、レーザ光源１２１とビームスプリッタ１２２と波長板１２３と分割ディテクタ１２４を備えている。
【００９６】
レーザ光源１２１とビームスプリッタ１２２と波長板１２３と分割ディテクタ１２４は、カンチレバー２３の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源１２１から照射されたコリメートレーザ光１２５は、ビームスプリッタ１２２と波長板１２３を介して走査機構６０に設けられた単レンズ６６に照射され、カンチレバー２３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。その反射光は、波長板１２３を通ることでビームスプリッタ１２２によって偏向されて分割ディテクタ１２４に入射する。分割ディテクタ１２４は、カンチレバー２３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。
【００９７】
この走査型プローブ顕微鏡１２０では、走査機構６０を用いることにより、高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１２０によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。またこの走査型プローブ顕微鏡１２０によれば、走査機構６０によりカンチレバーへ照射する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー２３の変位検出の精度向上に効果がある。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１２０によれば、より高精度に試料を観察することができる。
【００９８】
＜第五実施形態＞
本実施形態は、第二実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。図１９を参照しながら本実施形態について説明する。図１９は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡１３０を示している。図１９において、図１８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００９９】
図１９に示した走査型プローブ顕微鏡１３０は、コリメートレーザ光１３６を出射するレーザ光源１３１と、ビームスプリッタ１３２と、波長板１３３と、ハーフミラー１３５と、分割ディテクタ１３４、対物レンズ１４１と、照明光１４４を出射する照明光源１４２と、照明光１４４を集光するコンデンサレンズ１４３を備えている。
【０１００】
レーザ光源１３１とビームスプリッタ１３２と波長板１３３と分割ディテクタ１３４とハーフミラー１３５は、カンチレバー２３の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ方式の変位センサーであり、レーザ光源１３１から出射されたコリメートレーザ光１３６は、ビームスプリッタ１３２と波長板１３３とハーフミラー１３５を介して走査機構６０に設けられた単レンズ６６に照射され、カンチレバー２３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。そしてその反射光は、単レンズ６６とハーフミラー１３５と波長板１２３を通り、ビームスプリッタ１３２で分割ディテクタ１３４側に反射される。分割ディテクタ１３４は、カンチレバー２３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。
【０１０１】
また照明光源１４２から出射された照明光１４４は、コンデンサレンズ１４３とハーフミラー１３５と単レンズ６６を通って試料１１６に照射され、対物レンズ１４１に入射される。これにより倒立型光学顕微鏡によって試料１１６が透過観察される。
【０１０２】
この走査型プローブ顕微鏡１３０では、走査機構６０を用いることにより、高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１３０によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。
【０１０３】
またこの走査型プローブ顕微鏡１３０によれば、走査機構６０によりカンチレバーへ照射する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー２３の変位検出の精度向上に効果がある。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１３０によれば、より高精度に試料を観察することができる。
【０１０４】
さらにこの走査型プローブ顕微鏡１３０では、倒立型光学顕微鏡による試料１１６の透過観察が可能になっている。これは試料１１６の観察位置決めなど、操作性の向上につながる。
【０１０５】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…走査機構、１１…固定枠、１２Ａ，１２Ｂ…圧電素子、１３…ＸＹステージ、１４…ＸＹ可動部、１５…支持部、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…弾性部、１７Ａ，１７Ｂ…押圧部、２１…圧電素子、２２…ホルダ、２３…カンチレバー、２４…機械的探針、２５…集光部、２６Ａ，２６Ｂ…集光レンズ、２７…筒体、２８…光軸、２９…レーザ光、３０…走査機構、３３…ＸＹステージ、３４…ＸＹ可動部、３５…角穴、４０…走査機構、４１…圧電素子、４２…疑似ホルダ、４３…ＸＹステージ、４４…ＸＹ可動部、５０…走査機構、５３…ＸＹステージ、５４…ＸＹ可動部、５５…貫通穴、５６…単レンズ、６０…走査機構、６３…ＸＹステージ、６４…ＸＹ可動部、６５…貫通穴、６６…単レンズ、６８…光軸、７０…走査機構、７３…ＸＹステージ、７４…ＸＹ可動部、７５…貫通穴、７６…単レンズ、７７…開口部、８０…走査機構、８３…ＸＹステージ、８４…ＸＹ可動部、８５…貫通穴、８６…単レンズ、８７…開口部、９０…走査機構、９６…単レンズ、８９…光軸、１００…走査型プローブ顕微鏡、１０１…ホストコンピュータ、１０２…コントローラ、１０３…Ｚ制御部、１０６…Ｚ圧電ドライバ、１０７…ＸＹ圧電ドライバ、１１１…レーザ光源、１１２…分割ディテクタ、１１３…レーザ光、１１６…試料、１１７…試料台、１２０…走査型プローブ顕微鏡、１２１…レーザ光源、１２２…ビームスプリッタ、１２３…波長板、１２４…分割ディテクタ、１２５…レーザ光、１３０…走査型プローブ顕微鏡、１３１…レーザ光源、１３２…ビームスプリッタ、１３３…波長板、１３４…分割ディテクタ、１３５…ハーフミラー、１３６…レーザ光、１４１…対物レンズ、１４２…照明光源、１４３…コンデンサレンズ、１４４…照明光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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（ＳＰＭ）は、走査機構によって機械的探針を機械的に走査して試料表面の情報を得る走査型顕微鏡であって、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。走査型プローブ顕微鏡は、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、機械的探針を介して所望の試料領域の表面情報を得て、モニターＴＶ上にマッピング表示する。
【０００３】
なかでもＡＦＭは最も広く使用されている装置であって、機械的探針をその自由端にもつカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する光学式変位センサーと、機械的探針と試料を相対的に走査する走査機構を主要な機械機構として備えている。その光学式変位センサーとしては、構成が簡単でありかつ高い変位検出感度を有することから、光てこ式の光学式変位センサーが最も広く使われている。カンチレバー上に直径数μｍから数十μｍの光束を照射し、その反射光の反射方向がレバーの反りに応じて変化するのを二分割光ディテクタなどによりとらえて、カンチレバーの自由端にある機械的探針の動作をとらえ電気信号として出力する。この出力が一定になるように走査機構をＺ方向に制御しながら、同じく走査機構をＸＹ方向に走査することにより、コンピュータのモニター上に試料表面の凹凸の状態をマッピング・表示する。
【０００４】
このようなＡＦＭでは、液体中の生物試料を観察する場合、倒立型光学顕微鏡と組み合わせて観察することが一般的である。倒立型光学顕微鏡観察は試料の知見を得るだけでなく、試料の特定部位にカンチレバーを位置決めするときにも有効だからである。このようなＡＦＭでは、様々な生体試料および試料基板に対応できるように、カンチレバーをＸＹＺに走査するレバースキャンタイプの走査機構を用いることが多い。
【０００５】
一方、試料をＸＹＺに走査する試料スキャンタイプの生物用ＡＦＭにおいては、倒立型光学顕微鏡による同時観察ができない上、試料や試料基板の制約が多いという問題はあるが、液体中の生きた生物試料の動く様子を高分解能で観察できるとして注目されている。生物試料の動く様子を観察しようとしたときＡＦＭに求められるのは観察速度である。この用途では１秒以内、望ましくは０．１秒以内に一画面を得ることが目標となる。このようなＡＦＭの高速化を行おうとしたとき、ＡＦＭ装置の電気回路周りについては現在市販されている装置でも可能なレベルに達しており、課題となるところは機械機構にある。特に、走査速度の速い走査機構や、柔らかくかつ共振周波数の高いカンチレバーや、そのカンチレバーの変位を検出できる光てこ式の光学式変位センサーが挙げられる。
【０００６】
例えば、Ｘ方向１００画素、Ｙ方向１００画素の画像を０．１秒で取り込むとき、走査機構に求められるＸ方向の走査周波数は１ｋＨｚ、Ｙ方向の走査周波数は１０Ｈｚ、Ｚ方向の走査周波数は１００ｋＨｚ以上に達する。
【０００７】
そして生物試料の観察に適した高い周波数のカンチレバーとしては、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下であって、共振周波数は３００ｋＨｚ以上が求められる。このようなカンチレバーの寸法は現在市販されているカンチレバーに比べて１０分の１程度と極めて小さいものとなり、例えば窒化シリコン製のカンチレバーで、長さ１０μｍ、幅２μｍ、厚さ０．１μｍとなる。そのバネ定数は０．１Ｎ／ｍ、大気中の共振周波数は１．２ＭＨｚ、液体中での共振周波数は４００ｋＨｚ前後となる。
【０００８】
さらに光学式変位センサーとしては、極めて小さいカンチレバーの変位を検出するために収束光のスポット径が数μｍ以下となる集光光学系が要求される。
【０００９】
以上に説明したように、生物試料のＡＦＭによる高速観察には、倒立型光学顕微鏡観察との組み合わせが可能であること、すなわちレバースキャンタイプのＡＦＭであることが望ましく、しかも、柔らかくて共振周波数の高い小さなカンチレバーが使用可能であるとともに、高速走査をする走査機構を備えている必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１０−５２１６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
レバースキャンタイプのＡＦＭの欠点は、カンチレバーだけでなく光てこ式光学式変位センサーをも一緒にＸＹ走査しなければならないことにある。光てこ式光学式変位センサーには光源、ディテクタ、集光光学系が備わっているため小型化・軽量化が難しく、これが高速走査の妨げになるからである。この欠点を克服するために、特表２０１０−５２１６９３号公報に示すような、集光光学系だけをカンチレバーとともにＸＹ走査する、検出光追従型の走査機構が提案されている。しかしながらこの走査機構には次の問題がある。
【００１２】
走査対象物（以下ではＸＹ可動部と呼ぶ）をＸＹ走査すると、ＸＹ可動部には走査方向と反対の方向に慣性力がかかる。これは走査速度が速くなるほど大きくなる。またＸＹ可動部が重いほど大きくなる。走査周波数が１ｋＨｚを超える場合、慣性力はＸＹ可動部を変形させるほどになり、これがＸＹ可動部に揺れ振動を生じさせる。ＸＹ可動部のＺ軸に沿った寸法が長いほど、その影響は大きくなる。
【００１３】
前述の従来例の走査機構は、ＸＹ可動部がＺアクチュエータと対物系を保持し、それらを同時にＸＹ走査する検出光追従型の走査機構である。この走査機構において、例えばＸＹ可動部をＸ−Ｙ平面に平行なある方向へ走査すると、ＸＹ可動部には逆方向に慣性力が働く。しかしながらこの走査機構においては、Ｚアクチュエータと対物系がＺ方向に直列に配置されているため、ＸＹ可動部がＺ軸に沿って長い構造になっている。その結果、ＸＹ可動部に、Ｘ−Ｙ平面に平行な軸を回転中心とする揺れ振動が生じやすい。さらにＺアクチュエータに保持されたカンチレバーがＸＹ可動部の端に配置されているため、ＸＹ可動部の揺れ振動が増幅され、カンチレバー位置での揺れ量がより大きくなるという問題がある。すなわち、このような走査機構は、走査時に生じる慣性力の影響を受けやすく、振動ノイズが生じやすい機構と言える。このような走査機構はサブナノメートルのオーダの精度が要求される走査型プローブ顕微鏡の高速走査には望ましくない。
【００１４】
本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の走査機構は、カンチレバーと、Ｘ−Ｙ平面に平行なＸＹ方向に移動可能なＸＹ可動部と、前記ＸＹ可動部をＸＹ方向に走査するＸＹアクチュエータと、前記ＸＹ可動部に保持された、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向に前記カンチレバーを走査するＺアクチュエータと、前記ＸＹ可動部に保持された、前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに入射させる集光部とを備えている。前記Ｚアクチュエータと前記集光部は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一実施形態の走査機構の上面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った走査機構の断面図である。
【図３】第二実施形態の走査機構の上面図である。
【図４】図３中のＢ−Ｂ線に沿った走査機構の断面図である。
【図５】第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図６】図５中のＣ−Ｃ線に沿った走査機構の断面図である。
【図７】第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図８】図７中のＤ−Ｄ線に沿った走査機構の断面図である。
【図９】第二実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図１０】図９中のＥ−Ｅ線に沿った走査機構の断面図である。
【図１１】走査の衝撃によりＸＹ可動部の土台部の変形する様子を示している。
【図１２】第三実施形態の走査機構の上面図である。
【図１３】図１２中のＦ−Ｆ線に沿った走査機構の断面図である。
【図１４】第三実施形態の変形例である走査機構の上面図である。
【図１５】図１４中のＧ−Ｇ線に沿った走査機構の断面図である。
【図１６】第三実施形態の変形例の変形例である走査機構の断面図である。
【図１７】第四実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１８】第四実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡を示している。
【図１９】第五実施形態による走査型プローブ顕微鏡を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
＜第一実施形態＞
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図１と図２を参照しながら本実施形態について説明する。図１は、本実施形態の走査機構の上面図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った走査機構の断面図である。
【００２０】
図１と図２に示されるように、本実施形態の走査機構１０は、固定枠１１と、固定枠１１内に配置されたＸＹステージ１３と、ＸＹステージ１３と固定枠１１の間に配置されたＸ軸に沿って延びている圧電素子１２Ａと、ＸＹステージ１３と固定枠１１の間に配置されたＹ軸に沿って延びている圧電素子１２Ｂを有している。
【００２１】
ＸＹステージ１３は、互いに直交するＸ軸とＹ軸に沿って（つまりＸ軸とＹ軸を含むＸ−Ｙ平面に平行なＸＹ方向に）移動可能なＸＹ可動部１４と、ＸＹ可動部１４のＸ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ａ，１６Ｃと、ＸＹ可動部１４のＹ軸に沿った両側に設けられた弾性部１６Ｂ，１６Ｄと、弾性部１６Ａ〜１６Ｄを支持している支持部１５とを有している。
【００２２】
ＸＹステージ１３の支持部１５は、圧電素子１２Ａと弾性部１６Ａ，１６ＣのＹ軸に沿った両側に位置している。別の言い方をすれば、圧電素子１２Ｂと弾性部１６Ｂ，１６ＤのＸ軸に沿った両側に位置している。支持部１５は固定枠１１に固定されている。支持部１５の固定は、これに限定されないが、例えば、ねじ締結や接着によってなされている。
【００２３】
弾性部１６Ａと１６Ｂは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共に十字形状を有している。また弾性部１６Ｃと１６Ｄは、向きが異なる点を除けば、まったく同一形状をしている。これらは共にＴ字形状を有している。圧電素子１２Ａの側に位置する弾性部１６Ａは、圧電素子１２Ａによって押される押圧部１７Ａを有している。また圧電素子１２Ｂの側に位置する弾性部１６Ｂは、圧電素子１２Ｂによって押される押圧部１７Ｂを有している。
【００２４】
弾性部１６Ａ，１６Ｃは、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｘ軸に沿った一方の端部がＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った両端部が支持部１５と接続している。
【００２５】
また、弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、ＹＺ面に広がりＹ軸に沿って細長い矩形の板状部分と、ＺＸ面に広がりＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分とを有している。Ｙ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸＹ可動部１４と接続し、Ｙ軸に沿った一方の端部がＸ軸に沿って細長い矩形の板状部分の中央部と接続している。Ｘ軸に沿って細長い矩形の板状部分は、Ｘ軸に沿った両端部が支持部１５と接続している。これらの板状部分の厚さ、すなわちＺ軸に沿った寸法は、これに限定されないが、例えば、ＸＹ可動部１４の厚さと同じである。
【００２６】
このような形状を有することにより、弾性部１６Ａ，１６Ｃは、Ｙ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｘ軸に沿っては変形しにくい。弾性部１６Ｂ，１６Ｄは、Ｘ軸に沿っては弾性変形しやすいが、Ｙ軸に沿っては変形しにくい。従って、ＸＹ可動部１４は、弾性部１６Ａ，１６Ｃにより、Ｘ軸に沿った方向に関して高剛性に支持され、弾性部１６Ｂ，１６Ｄにより、Ｙ軸に沿った方向に関して高剛性に支持されている。
【００２７】
ＸＹステージ１３は一体的に形成されている。つまり、ＸＹ可動部１４と支持部１５と弾性部１６Ａ〜１６Ｄと押圧部１７Ａ，１７Ｂは一体的に形成されている。ＸＹステージ１３は、例えばアルミニウム製の金属のブロックを選択的に切り欠いて作製される。
【００２８】
固定枠１１の材質は、好ましくは、ＸＹステージ１３の材質よりも高い弾性率を有している。例えば、固定枠１１はステンレス鋼で、ＸＹステージ１３はアルミニウムから成る。
【００２９】
圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａの押圧部１７Ａと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。また、圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂの押圧部１７Ｂと固定枠１１の間に所定の予圧がかかるように配置されている。
【００３０】
圧電素子１２Ａは、ＸＹ可動部１４の重心を通るＸ軸に平行な直線が圧電素子１２Ａの中心を通るよう配置されている。また、圧電素子１２Ｂは、ＸＹ可動部１４の重心を通るＹ軸に平行な直線が圧電素子１２Ｂの中心を通るよう配置されている。
【００３１】
圧電素子１２Ａは、弾性部１６Ａを介してＸＹ可動部１４をＸ軸に沿って移動させるためのＸアクチュエータであり、電圧印加に応じてＸ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子１２Ｂは、弾性部１６Ｂを介してＸＹ可動部１４をＹ軸に沿って移動させるためのＹアクチュエータであり、電圧印加に応じてＹ軸に沿って伸縮し得る。
【００３２】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、例えば、実質的に同一の二つの積層型圧電素子で構成されている。圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂは、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向にＸＹ可動部１４を走査するＸＹアクチュエータを構成している。
【００３３】
走査機構１０はまた、ＸＹ可動部１４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３を有している。圧電素子２１は、一端がＸＹ可動部１４に固定され、−Ｚ方向に延出している。圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するホルダ２２が保持されている。圧電素子２１は、例えば、積層型圧電素子で構成されている。圧電素子２１は、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子２１は、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー２３を走査するＺアクチュエータを構成している。カンチレバー２３は、その自由端に機械的探針２４を有している。カンチレバー２３は、例えばＸ軸に沿って延びている。カンチレバー２３は、ホルダ２２に交換可能に取り付けられてよい。
【００３４】
走査機構１０はさらに、ＸＹ可動部１４に保持された集光部２５を有している。集光部２５は、図示しないカンチレバーの光学式変位センサー、例えば光てこセンサーから出射されるカンチレバー２３の変位を検出するための光をカンチレバー２３に入射させる働きをする。集光部２５は、これに限定されないが、例えば、二つの集光レンズ２６Ａ，２６Ｂを有している。集光レンズ２６Ａ，２６Ｂは、ＸＹ可動部１４に固定された、ＸＹ可動部１４を貫通して延びている筒体２７によって保持されている。
【００３５】
圧電素子２１と集光部２５は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている。言い換えれば、圧電素子２１と集光部２５は、投影されたＸ−Ｙ平面上において、互いに重なることなく、一方が他方の外側に位置している。圧電素子２１と集光部２５は、これに限定されないが、例えば、カンチレバー２３が延びている方向すなわちＸ軸に沿って並んでいる。
【００３６】
このように構成された走査機構１０においては、Ｘ走査の際、圧電素子１２ＡがＸ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ａが伸びる時は、圧電素子１２Ａが弾性部１６Ａを弾性変形させながらＸＹ可動部１４を押す。これによりＸＹ可動部１４はＸ軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部１６ＣはＸＹ可動部１４に押されることにより弾性変形される。さらに弾性部１６Ｂ，１６ＤもＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。圧電素子１２Ａが縮む時は、弾性変形されている弾性部１６Ａ〜１６Ｄのすべての復元力に従ってＸＹ可動部１４がＸ軸に沿って逆方向に移動される。このようにしてＸＹ可動部１４は、Ｘ方向に高い直進性をもって走査される。
【００３７】
同様に、Ｙ走査の際は、圧電素子１２ＢがＹ軸に沿って伸縮する。圧電素子１２Ｂが伸びる時は、圧電素子１２Ｂが弾性部１６Ｂを弾性変形させながらＸＹ可動部１４を押す。これによりＸＹ可動部１４はＹ軸に沿って一方向に移動される。これに伴って弾性部１６ＤはＸＹ可動部１４に押されることにより弾性変形される。さらに弾性部１６Ａ，１６ＣもＸＹ可動部１４の移動方向に引っ張られるために弾性変形される。圧電素子１２Ｂが縮む時は、弾性変形されている弾性部１６Ａ〜１６Ｄのすべての復元力に従ってＸＹ可動部１４がＹ軸に沿って逆方向に移動される。このようにしてＸＹ可動部１４は、Ｙ方向に高い直進性をもって走査される。
【００３８】
圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂのそれぞれの中心軸がＸＹ可動部１４の重心を通っているため、ＸＹ可動部１４が高速で移動された場合でも、慣性力による回転運動が発生し難い。このため、ＸＹ可動部１４は、高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に走査され得る。
【００３９】
ＸＹ可動部１４がＸＹ方向に走査される際、圧電素子２１とともにカンチレバー２３もＸＹ方向に走査される。従って、カンチレバー２３も、高速かつ高い直進性をもって走査される。
【００４０】
ＸＹ可動部１４がＸＹ方向に走査される際、集光部２５もＸＹ方向に走査される。従って、集光部２５も、高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に走査される。
【００４１】
集光部２５には、図示しない光てこセンサーから出射されたコリメートレーザ光２９が集光部２５の光軸２８に平行に入射する。集光部２５は、入射したレーザ光２９をカンチレバー２３の自由端に集光して照射する。カンチレバー２３の自由端で反射されたレーザ光２９は、集光部２５を通って図示しない光ディテクタに入射する。
【００４２】
ＸＹ可動部１４がＸＹ方向に走査される際、集光部２５とともに集光部２５の焦点位置も同じ距離だけＸＹ方向に走査されるので、集光部２５によって集光されたレーザ光２９の集光スポットも集光部２５と同じ距離だけＸＹ方向に走査される。従って、集光部２５が作るレーザ光２９の集光スポットが、高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に走査される。
【００４３】
以上より、走査機構１０においては、カンチレバー２３と集光部２５が作るレーザ光２９の集光スポットが高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に同じ距離だけ走査される。
【００４４】
さらに走査機構１０では、集光部２５と圧電素子２１が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。このため、集光部２５と圧電素子２１を含むＸＹ可動部１４のＺ軸に沿った長さが短く抑えられている。その結果、ＸＹ可動部１４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部１４の揺れ振動」が低減される。またカンチレバー２３がＸＹ可動部１４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づくため、カンチレバー２３の揺れ振動が増加することも回避される。
【００４５】
従って、走査機構１０においては、カンチレバー２３と集光部２５が作るレーザ光２９の集光スポットが高速かつ高い直進性をもってＸＹ方向に同じ距離だけ走査されるので、ＸＹ走査時に生じる慣性力に起因する振動ノイズが低減された検出光追従型の走査機構が提供される。その結果、高速かつ高い直進性をもった高精度な検出光追従型の走査機構が提供される。
【００４６】
＜第二実施形態＞
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図３と図４を参照しながら本実施形態について説明する。図３は、本実施形態の走査機構３０の上面図であり、図４は、図３中のＢ−Ｂ線に沿った走査機構３０の断面図である。図３と図４において、図１と図２に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４７】
図３と図４に示すように、ＸＹステージ３３はＸＹ可動部３４を有し、ＸＹ可動部３４は、その下面にＺ軸に沿って延びた角穴３５を有している。角穴３５は、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮する圧電素子２１が固定されている。その結果、圧電素子２１の重心は、ＸＹ可動部３４の厚み（Ｚ軸に沿った寸法）内に収まっている。すなわち圧電素子２１の重心がＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づけられている。これはカンチレバー２３の位置をＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づけることにもなる。圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するためのホルダ２２が取り付けられている。
【００４８】
また集光部２５は、ＸＹ可動部３４を貫通しＸＹ可動部３４に保持されている。集光部２５は、その重心がＸＹ可動部３４のＺ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、ＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するよう保持されている。
【００４９】
このように構成された走査機構３０においては、圧電素子２１と集光部２５が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。さらに、圧電素子２１と集光部２５の重心がいずれもＸＹ可動部３４のＺ方向の厚み内に収まっている。その結果、ＸＹ可動部３４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部３４の揺れ振動」が低減される。またカンチレバー２３がＸＹ可動部３４の重心を通るＸ−Ｙ平面に近づくため、カンチレバー２３の揺れ振動が増加することも回避される。
【００５０】
［変形例１］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構４０を図５と図６に示す。図５は、本実施形態の変形例である走査機構４０の上面図であり、図６は、図５中のＣ−Ｃ線に沿った走査機構４０の断面図である。図５と図６において、図１と図２に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５１】
図５と図６に示すように、走査機構４０はＸＹステージ４３を有し、ＸＹステージ４３はＸＹ可動部４４を有している。走査機構４０はまた、ＸＹ可動部４４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部４４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２を有している。
【００５２】
圧電素子２１は、一端がＸＹ可動部４４に固定され、−Ｚ方向に延出している。また、圧電素子４１は、一端がＸＹ可動部４４に固定され、＋Ｚ方向に延出している。つまり、圧電素子２１と圧電素子４１はそれぞれＸＹ可動部４４からＺ軸に沿って反対側に延びている。
【００５３】
圧電素子２１と圧電素子４１は、例えば実質的に同一の積層型圧電素子で構成されており、電圧印加に応じてＺ軸に沿って伸縮し得る。圧電素子２１と圧電素子４１は、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向にカンチレバー２３を走査するＺアクチュエータを構成している。
【００５４】
ＸＹ可動部４４の下面に設けられた圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するためのホルダ２２が取り付けられている。つまり、カンチレバー２３は圧電素子２１の自由端に保持されている。ＸＹ可動部４４の上面に設けられた圧電素子４１の自由端には、ホルダ２２と同一の部材である疑似ホルダ４２が取り付けられている。疑似ホルダ４２は、ホルダ２２と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。
【００５５】
カンチレバー２３をＺ方向に走査する際、図示しないＺ圧電駆動部によりＺ駆動信号を二つの圧電素子２１，４１に供給し、二つの圧電素子２１，４１が同じ量だけ逆向きに伸縮される。これにより、圧電素子２１の伸縮がＸＹ可動部４４に与えるＺ軸に沿った力が、圧電素子４１の伸縮によって打ち消される。これにより、圧電素子２１の伸縮により生じるＸＹ可動部４４のＺ方向の振動がほぼ０に抑えられる。
【００５６】
このように構成された走査機構４０においては、二つの圧電素子２１，４１と集光部２５が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。集光部２５は、その重心がＸＹ可動部４４のＺ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、ＸＹ可動部４４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。二つの圧電素子２１，４１はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、その重心がＸＹ可動部４４のＺ方向の厚み内に収まるように、望ましくは、ＸＹ可動部４４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、ＸＹ可動部４４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部４４の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、ＸＹ可動部４４の重心を通るＸ−Ｙ平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するＸＹ可動部４４の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部４４の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。
【００５７】
［変形例２］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構５０を図７と図８に示す。図７は、本実施形態の変形例である走査機構５０の上面図であり、図８は、図７中のＤ−Ｄ線に沿った走査機構５０の断面図である。図７と図８において、図５と図６に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５８】
図７と図８に示すように、走査機構５０はＸＹステージ５３を有し、ＸＹステージ５３はＸＹ可動部５４を有している。走査機構５０はまた、ＸＹ可動部５４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部５４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２を有している。
【００５９】
走査機構５０はさらに、ＸＹ可動部５４に保持された単レンズ５６を有している。単レンズ５６は、ＸＹ可動部５４に形成された貫通穴５５内に配置され、ＸＹ可動部５４の厚み内に収まっている。単レンズ５６は、望ましくは、その重心がＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。単レンズ５６は、図１に示した集光部２５と同等の集光性を備えている。つまり、単レンズ５６は、カンチレバー２３の変位を検出するための光をカンチレバー２３に入射させる集光部を構成している。例えば、単レンズ５６は、長さ１０μｍ、幅２μｍの小さなカンチレバーにも集光し得るように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。焦点スポット径は１．２２×波長／ＮＡで求められるため、例えば光てこセンサーの検出光に波長６５０ｎｍの赤色レーザを用いた場合、ＮＡが０．４のときに焦点スポット径は約２μｍになるからである。また単レンズ５６は、その直径が１０ｍｍ以下であることが望ましい。ＸＹ走査の高速化を図るためには、ＸＹ可動部５４自体を小型・軽量にすることが重要だからである。
【００６０】
このように構成された走査機構５０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ５６が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ５６は、それ自体がＸＹ可動部５４内に収まるように、望ましくは、その重心がＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。また、二つの圧電素子２１，４１はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、その重心がＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、ＸＹ可動部５４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、ＸＹ可動部５４の重心を通るＸ−Ｙ平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。
【００６１】
さらに集光部が小型・軽量の単レンズであるため、集光部にかかる慣性力が低減される。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部５４の揺れ振動」がより低減される。またＸＹ可動部５４自体を小型・軽量にすることが可能になり、その結果、走査機構の共振周波数を上げることができる。これは高速走査に効果がある。
【００６２】
［変形例３］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第二実施形態の変形例である走査機構６０を図９と図１０に示す。図９は、本実施形態の変形例である走査機構６０の上面図であり、図１０は、図９中のＥ−Ｅ線に沿った走査機構６０の断面図である。図９と図１０において、図７と図８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００６３】
図９と図１０に示すように、走査機構６０はＸＹステージ６３を有し、ＸＹステージ６３はＸＹ可動部６４を有している。走査機構６０はまた、ＸＹ可動部６４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部６４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２を有している。
【００６４】
ＸＹ可動部６４の下面に設けられた圧電素子２１の自由端には、カンチレバー２３を保持するためのホルダ２２が取り付けられている。ホルダ２２は、カンチレバー２３をＸ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度に傾きをもって保持している。これは、カンチレバー２３のレバー面と、図示しないＸ−Ｙ平面に平行に配置された試料との干渉を避けるためであり、ほとんどすべてのＡＦＭにおいて実施されている。ＸＹ可動部６４の上面に設けられた圧電素子４１の自由端には、ホルダ２２と同一の部材である疑似ホルダ４２が取り付けられている。疑似ホルダ４２は、ホルダ２２と同等の質量をもつ部材であれば置き換え可能である。
【００６５】
走査機構６０はさらに、ＸＹ可動部６４に保持された単レンズ６６を有している。単レンズ６６は、収束光をカンチレバー２３のレバー面に対して垂直に入射させるように、その光軸６８がＸ−Ｙ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されている。また単レンズ６６は、ＸＹ可動部６４に形成された貫通穴６５内に配置され、ＸＹ可動部６４の厚み内に収まっている。単レンズ６６は、望ましくは、その重心がＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。さらに単レンズ６６は、長さ１０μｍ、幅２μｍの小さなカンチレバーにも集光できるように、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。
【００６６】
このように構成された走査機構６０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ６６が、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ６６は、その重心がＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。また、二つの圧電素子２１，４１はほぼ同形状・同質量であるため、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、その重心がＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。その結果、ＸＹ可動部６４を高速でＸＹ方向に走査する際に生じる「慣性力に起因するＸＹ可動部６４の揺れ振動」が低減される。さらに、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータは、ＸＹ可動部６４の重心を通るＸ−Ｙ平面に対してほぼ対称形となる。これは「慣性力に起因するＸＹ可動部６４の揺れ振動」を相殺するカウンターバランスとして働く。その結果、「慣性力に起因するＸＹ可動部６４の揺れ振動」がより低減される。加えて、二つの圧電素子２１，４１で構成されるＺアクチュエータにより、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズもほぼ０に抑えられる。さらに、単レンズ６６の光軸６８がＸ−Ｙ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されているので、カンチレバー２３に対して垂直に収束光を入射させることができる。また単レンズ６６は、そのＮＡが０．４以上の光学特性を備えている。その結果、カンチレバー２３に形成する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー２３の変位検出の精度向上に効果がある。
【００６７】
＜第三実施形態＞
本実施形態は、走査機構に向けられている。以下、図１１〜図１３を参照しながら本実施形態について説明する。
【００６８】
第二実施形態に示した走査機構４０，５０，６０は、Ｚ軸に沿って反対側に延びている二つの圧電素子２１，４１を有し、カンチレバー２３をＺ方向に走査する際に生じる振動ノイズをほぼ０に抑えている。しかしながらＺ方向への走査は最大１００ｋＨｚ以上にも及ぶため、走査の衝撃により、二つの圧電素子２１，４１が設けられたＸＹ可動部の土台部が変形するという問題がある。走査機構５０を例にしたＸＹ可動部５４の土台部が変形する様子を図１１に示す。この変形は、最大１００ｋＨｚ以上の振動ノイズとなって集光部（走査機構５０では単レンズ５６）に伝わる。集光部は、その外周部だけでＸＹ可動部に保持されているため振動ノイズに対して強固であるとは言えず、その結果、集光部がＸＹ可動部に対して振動する。これはＡＦＭ観察の高精度化を妨げる。
【００６９】
図１２は、上記問題を解決する本実施形態である走査機構７０の上面図であり、図１３は、図１２中のＦ−Ｆ線に沿った走査機構７０の断面図である。図１２と図１３において、図７と図８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７０】
図１２と図１３に示すように、走査機構７０はＸＹステージ７３を有し、ＸＹステージ７３はＸＹ可動部７４を有している。走査機構７０はまた、ＸＹ可動部７４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部７４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２と、ＸＹ可動部７４に保持された単レンズ７６を有している。単レンズ７６は、ＸＹ可動部７４に形成された貫通穴７５内に配置され、ＸＹ可動部７４の厚み内に収まっている。望ましくは、単レンズ７６は、その重心がＸＹ可動部７４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。
【００７１】
ＸＹ可動部７４に設けられた単レンズ７６と二つの圧電素子２１，４１から成るＺアクチュエータが、Ｘ−Ｙ平面への投影においてＸ軸に沿って並ぶように配置されている。単レンズ７６と二つの圧電素子２１，４１から成るＺアクチュエータとの間には、それらを機械的に分離するように、ＸＹ可動部７４を貫通する開口部７７が設けられている。
【００７２】
このように構成された走査機構７０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ７６との間に、それらを機械的に分離する開口部７７が設けられているため、Ｚ方向への走査の際に生じる振動ノイズの単レンズ７６への伝達が低減される。
【００７３】
［変形例］
さらにこの走査機構では次の変形が可能である。第三実施形態の変形例である走査機構８０を図１４と図１５に示す。図１４は、本実施形態の変形例である走査機構８０の上面図であり、図１５は、図１４中のＧ−Ｇ線に沿った走査機構８０の断面図である。図１４と図１５において、図１２と図１３に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７４】
図１４と図１５に示すように、走査機構８０はＸＹステージ８３を有し、ＸＹステージ８３はＸＹ可動部８４を有している。走査機構８０はまた、ＸＹ可動部８４に保持された圧電素子２１と、圧電素子２１に保持されたホルダ２２と、ホルダ２２に保持されたカンチレバー２３と、ＸＹ可動部８４に保持された圧電素子４１と、圧電素子４１に保持された疑似ホルダ４２と、ＸＹ可動部８４に保持された単レンズ８６を有している。
【００７５】
単レンズ８６は、ＸＹ可動部８４に形成された貫通穴８５内に配置されている。単レンズ８６を保持するためのＸＹ可動部８４に設けられた貫通穴８５は、単レンズ８６の外形（円）を僅かに広げた楕円形あるいは卵形をしており、単レンズ８６は、貫通穴８５内において、二つの圧電素子２１，４１から離れた位置で保持されている。すなわち、単レンズ８６の外周部の一部分、例えば半分ないし３／４が貫通穴８５に接合され、残りの外周部は貫通穴８５に接触しないように保持されている。その結果、二つの圧電素子２１，４１に最も近い単レンズ８６の部分とＸＹ可動部８４の間にすき間すなわち開口部８７が形成されている。開口部８７は、単レンズ８６とＸＹ可動部８４を機械的に分離している。さらに単レンズ８６は、ＸＹ可動部８４の厚み内に収まっており、望ましくは、その重心がＸＹ可動部８４の重心を通るＸ−Ｙ平面にほぼ一致するように保持されている。
【００７６】
このように構成された走査機構８０においては、二つの圧電素子２１，４１と単レンズ８６との間には、それらを機械的に分離するように、開口部８７が形成されている。さらに単レンズ８６は、二つの圧電素子２１，４１から離れた位置で保持されている。このため、単レンズ８６は、二つの圧電素子２１，４１を保持しているＸＹ可動部８４の土台部とは完全に機械的に分離されている。その結果、Ｚ方向への走査の際に生じる振動ノイズの単レンズ８６への伝達がより低減される。
【００７７】
第三実施形態の別の変形例を図１６に示す。図１６に示す走査機構９０は、単レンズ９６の配置を除いては、走査機構８０と同じである。単レンズ９６は、その光軸９８がＸ−Ｙ平面に垂直な軸に対して５度ないし２０度になるよう傾けて保持されてもよい。このような構成においても、単レンズ９６への振動ノイズの伝達の低減について同様の効果を得ることができる。
【００７８】
＜第四実施形態＞
本実施形態は、第二実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。以下、図１７を参照しながら本実施形態について説明する。図１７は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡１００を示している。
【００７９】
図１７に示すように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１００は、カンチレバー２３を保持した走査機構５０と、ホストコンピュータ１０１と、Ｚ制御部１０３を備えたコントローラ１０２と、レーザ光源１１１と、分割ディテクタ１１２と、Ｚ圧電ドライバ１０６と、ＸＹ圧電ドライバ１０７を備えている。カンチレバー２３に対向する位置には、試料台１１７に載置された試料１１６が配置されている。
【００８０】
走査機構５０は、カンチレバー２３をＸ軸とＹ軸とＺ軸に沿って走査するためのものであり、その詳細な構成は第二実施形態（図７と図８）で説明した通りである。この走査機構５０は図示しない鏡枠によって保持されている。
【００８１】
カンチレバー２３は、試料１１６に対向して配置されるプローブを柔軟なレバー部の自由端に備えており、カンチレバー２３は試料１１６との相互作用に応じてＺ軸に沿って変位する。
【００８２】
レーザ光源１１１と分割ディテクタ１１２は、カンチレバー２３の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、図示しない鏡枠に保持されている。
【００８３】
Ｚ圧電ドライバ１０６は、走査機構５０に搭載された二つの圧電素子２１，４１を駆動するためのものである。
【００８４】
ＸＹ圧電ドライバ１０７は、走査機構５０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂを駆動するためのものである。
【００８５】
コントローラ１０２は、Ｚ圧電ドライバ１０６とＸＹ圧電ドライバ１０７を制御するためのものある。
【００８６】
ホストコンピュータ１０１は、カンチレバー２３の変位情報と走査機構５０の走査情報とに基づいて試料１１６の物理情報を取得する処理部を構成している。
【００８７】
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡は以下のように動作する。
【００８８】
レーザ光源１１１と分割ディテクタ１１２で構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源１１１から照射されたコリメートレーザ光１１３は、走査機構５０に設けられた単レンズ５６を介してカンチレバー２３上に直径数μｍ程度の集光スポットを形成し、その反射光を分割ディテクタ１１２で受けることで、カンチレバー２３の自由端にある機械的探針２４のＺ変位をとらえる。分割ディテクタ１１２は、カンチレバー２３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。
【００８９】
コントローラ１０２は、ＸＹ方向にラスター走査するためのＸＹ走査信号を生成し、ＸＹ走査信号をＸＹ圧電ドライバ１０７とホストコンピュータ１０１に供給する。コントローラ１０２はＺ制御部１０３を含んでおり、Ｚ制御部１０３は、分割ディテクタ１１２で得られるカンチレバー２３の変位情報を一定に維持するようにＺ圧電ドライバ１０６を制御するためのＺ走査信号を生成し、そのＺ走査信号をＺ圧電ドライバ１０６とホストコンピュータ１０１に供給する。
【００９０】
Ｚ圧電ドライバ１０６は、コントローラ１０２から供給されるＺ走査信号を所定のゲインで増幅してＺ駆動信号を生成し、Ｚ駆動信号を走査機構５０に搭載された二つの圧電素子２１，４１に供給する。
【００９１】
ＸＹ圧電ドライバ１０７は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号を所定のゲインで増幅してＸＹ駆動信号を生成し、ＸＹ駆動信号を走査機構５０に搭載された圧電素子１２Ａ，１２Ｂに供給する。具体的には、コントローラ１０２から供給されるＸ走査信号を増幅して生成したＸ駆動信号を圧電素子１２Ａに供給し、コントローラ１０２から供給されるＹ走査信号を増幅して生成したＹ駆動信号を圧電素子１２Ｂに供給する。
【００９２】
ホストコンピュータ１０１は、コントローラ１０２から供給されるＸＹ走査信号とＺ走査信号とに基づいて試料１１６の表面形状の三次元画像を構築し、これをモニター上に表示する。
【００９３】
この走査型プローブ顕微鏡１００では、走査機構５０を用いることにより、高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１００によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。
【００９４】
［変形例］
さらにこの走査型プローブ顕微鏡では次の変形が可能である。第四実施形態の変形例である走査型プローブ顕微鏡１２０を図１８に示す。図１８において、図１７に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００９５】
図１８に示した走査型プローブ顕微鏡１２０は、図１７に示した走査機構５０を走査機構６０に置き換えた構成になっている。さらに、レーザ光源１２１とビームスプリッタ１２２と波長板１２３と分割ディテクタ１２４を備えている。
【００９６】
レーザ光源１２１とビームスプリッタ１２２と波長板１２３と分割ディテクタ１２４は、カンチレバー２３の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される光学式変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこセンサーであり、レーザ光源１２１から照射されたコリメートレーザ光１２５は、ビームスプリッタ１２２と波長板１２３を介して走査機構６０に設けられた単レンズ６６に照射され、カンチレバー２３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。その反射光は、波長板１２３を通ることでビームスプリッタ１２２によって偏向されて分割ディテクタ１２４に入射する。分割ディテクタ１２４は、カンチレバー２３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。
【００９７】
この走査型プローブ顕微鏡１２０では、走査機構６０を用いることにより、高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１２０によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。またこの走査型プローブ顕微鏡１２０によれば、走査機構６０によりカンチレバーへ照射する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー２３の変位検出の精度向上に効果がある。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１２０によれば、より高精度に試料を観察することができる。
【００９８】
＜第五実施形態＞
本実施形態は、第二実施形態の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡に向けられている。図１９を参照しながら本実施形態について説明する。図１９は、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡１３０を示している。図１９において、図１８に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００９９】
図１９に示した走査型プローブ顕微鏡１３０は、コリメートレーザ光１３６を出射するレーザ光源１３１と、ビームスプリッタ１３２と、波長板１３３と、ハーフミラー１３５と、分割ディテクタ１３４、対物レンズ１４１と、照明光１４４を出射する照明光源１４２と、照明光１４４を集光するコンデンサレンズ１４３を備えている。
【０１００】
レーザ光源１３１とビームスプリッタ１３２と波長板１３３と分割ディテクタ１３４とハーフミラー１３５は、カンチレバー２３の自由端のＺ軸に沿った変位を光学的に検出するための光学式変位センサーを構成しており、それぞれ図示しない鏡枠に保持されている。これらで構成される変位センサーは、例えば走査型プローブ顕微鏡によく用いられる光てこ方式の変位センサーであり、レーザ光源１３１から出射されたコリメートレーザ光１３６は、ビームスプリッタ１３２と波長板１３３とハーフミラー１３５を介して走査機構６０に設けられた単レンズ６６に照射され、カンチレバー２３上に直径２μｍ程度の集光スポットを形成する。そしてその反射光は、単レンズ６６とハーフミラー１３５と波長板１２３を通り、ビームスプリッタ１３２で分割ディテクタ１３４側に反射される。分割ディテクタ１３４は、カンチレバー２３のＺ変位を反映した変位信号をコントローラ１０２に出力する。
【０１０１】
また照明光源１４２から出射された照明光１４４は、コンデンサレンズ１４３とハーフミラー１３５と単レンズ６６を通って試料１１６に照射され、対物レンズ１４１に入射される。これにより倒立型光学顕微鏡によって試料１１６が透過観察される。
【０１０２】
この走査型プローブ顕微鏡１３０では、走査機構６０を用いることにより、高精度にＸＹ方向に高速走査される。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１３０によれば、観察分解能が向上し、観察時間が短縮される。
【０１０３】
またこの走査型プローブ顕微鏡１３０によれば、走査機構６０によりカンチレバーへ照射する集光スポット径を直径２μｍ程度にまで小さくすることができる。これはカンチレバー２３の変位検出の精度向上に効果がある。従ってこの走査型プローブ顕微鏡１３０によれば、より高精度に試料を観察することができる。
【０１０４】
さらにこの走査型プローブ顕微鏡１３０では、倒立型光学顕微鏡による試料１１６の透過観察が可能になっている。これは試料１１６の観察位置決めなど、操作性の向上につながる。
【０１０５】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…走査機構、１１…固定枠、１２Ａ，１２Ｂ…圧電素子、１３…ＸＹステージ、１４…ＸＹ可動部、１５…支持部、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…弾性部、１７Ａ，１７Ｂ…押圧部、２１…圧電素子、２２…ホルダ、２３…カンチレバー、２４…機械的探針、２５…集光部、２６Ａ，２６Ｂ…集光レンズ、２７…筒体、２８…光軸、２９…レーザ光、３０…走査機構、３３…ＸＹステージ、３４…ＸＹ可動部、３５…角穴、４０…走査機構、４１…圧電素子、４２…疑似ホルダ、４３…ＸＹステージ、４４…ＸＹ可動部、５０…走査機構、５３…ＸＹステージ、５４…ＸＹ可動部、５５…貫通穴、５６…単レンズ、６０…走査機構、６３…ＸＹステージ、６４…ＸＹ可動部、６５…貫通穴、６６…単レンズ、６８…光軸、７０…走査機構、７３…ＸＹステージ、７４…ＸＹ可動部、７５…貫通穴、７６…単レンズ、７７…開口部、８０…走査機構、８３…ＸＹステージ、８４…ＸＹ可動部、８５…貫通穴、８６…単レンズ、８７…開口部、９０…走査機構、９６…単レンズ、８９…光軸、１００…走査型プローブ顕微鏡、１０１…ホストコンピュータ、１０２…コントローラ、１０３…Ｚ制御部、１０６…Ｚ圧電ドライバ、１０７…ＸＹ圧電ドライバ、１１１…レーザ光源、１１２…分割ディテクタ、１１３…レーザ光、１１６…試料、１１７…試料台、１２０…走査型プローブ顕微鏡、１２１…レーザ光源、１２２…ビームスプリッタ、１２３…波長板、１２４…分割ディテクタ、１２５…レーザ光、１３０…走査型プローブ顕微鏡、１３１…レーザ光源、１３２…ビームスプリッタ、１３３…波長板、１３４…分割ディテクタ、１３５…ハーフミラー、１３６…レーザ光、１４１…対物レンズ、１４２…照明光源、１４３…コンデンサレンズ、１４４…照明光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーと、
Ｘ−Ｙ平面に平行なＸＹ方向に移動可能なＸＹ可動部と、
前記ＸＹ可動部をＸＹ方向に走査するＸＹアクチュエータと、
前記ＸＹ可動部に保持された、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向に前記カンチレバーを走査するＺアクチュエータと、
前記ＸＹ可動部に保持された、前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに入射させる集光部とを備え、
前記Ｚアクチュエータと前記集光部は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている走査機構。
【請求項２】
前記Ｚアクチュエータの重心と前記集光部の重心がいずれも前記ＸＹ可動部の厚み内に収まっている請求項１に記載の走査機構。
【請求項３】
前記Ｚアクチュエータが、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記ＸＹ可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている請求項２に記載の走査機構。
【請求項４】
前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には、前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダとほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項３に記載の走査機構。
【請求項５】
前記集光部が単レンズである請求項４に記載の走査機構。
【請求項６】
前記カンチレバーは、Ｘ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記ＸＹ可動部に保持されている請求項５に記載の走査機構。
【請求項７】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である請求項６に記載の走査機構。
【請求項８】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である請求項７に記載の走査機構。
【請求項９】
前記ＸＹ可動部は、前記Ｚアクチュエータと前記集光部の間に設けられた開口部を有している請求項２に記載の走査機構。
【請求項１０】
前記Ｚアクチュエータが、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記ＸＹ可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている請求項９に記載の走査機構。
【請求項１１】
前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダ（およびカンチレバー）とほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項１０に記載の走査機構。
【請求項１２】
前記集光部が単レンズである請求項１１に記載の走査機構。
【請求項１３】
前記カンチレバーは、Ｘ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記ＸＹ可動部に保持されている請求項１２に記載の走査機構。
【請求項１４】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である請求項１３に記載の走査機構。
【請求項１５】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である請求項１４に記載の走査機構。
【請求項１６】
前記開口部は、前記Ｚアクチュエータに最も近い前記集光部の部分と前記ＸＹ可動部の間に形成され、前記集光部と前記ＸＹ可動部を機械的に分離している請求項９に記載の走査機構。
【請求項１７】
前記Ｚアクチュエータが、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記ＸＹ可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている請求項１６に記載の走査機構。
【請求項１８】
前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダとほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項１７に記載の走査機構。
【請求項１９】
前記集光部が単レンズである請求項１８に記載の走査機構。
【請求項２０】
前記カンチレバーは、Ｘ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記ＸＹ可動部に保持されている請求項１９に記載の走査機構。
【請求項２１】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である請求項２０に記載の走査機構。
【請求項２２】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である請求項２１に記載の走査機構。
【請求項２３】
請求項１〜請求項２２のいずれかひとつに記載の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２４】
倒立型光学顕微鏡を備えた請求項２３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２５】
光学顕微鏡用の照明光源と、光学顕微鏡用の対物レンズを備え、前記照明光源から照射される照明光を前記集光部を通して試料の透過観察を行う請求項２４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１】
カンチレバーと、
Ｘ−Ｙ平面に平行なＸＹ方向に移動可能なＸＹ可動部と、
前記ＸＹ可動部をＸＹ方向に走査するＸＹアクチュエータと、
前記ＸＹ可動部に保持された、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ方向に前記カンチレバーを走査するＺアクチュエータと、
前記ＸＹ可動部に保持された、前記カンチレバーの変位を検出するための光を前記カンチレバーに入射させる集光部とを備え、
前記Ｚアクチュエータと前記集光部は、Ｘ−Ｙ平面への投影において並ぶように配置されている走査機構。
【請求項２】
前記Ｚアクチュエータの重心と前記集光部の重心がいずれも前記ＸＹ可動部の厚み内に収まっている請求項１に記載の走査機構。
【請求項３】
前記Ｚアクチュエータが、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記ＸＹ可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている請求項２に記載の走査機構。
【請求項４】
前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には、前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダとほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項３に記載の走査機構。
【請求項５】
前記集光部が単レンズである請求項４に記載の走査機構。
【請求項６】
前記カンチレバーは、Ｘ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記ＸＹ可動部に保持されている請求項５に記載の走査機構。
【請求項７】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である請求項６に記載の走査機構。
【請求項８】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である請求項７に記載の走査機構。
【請求項９】
前記ＸＹ可動部は、前記Ｚアクチュエータと前記集光部の間に設けられた開口部を有している請求項２に記載の走査機構。
【請求項１０】
前記Ｚアクチュエータが、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記ＸＹ可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている請求項９に記載の走査機構。
【請求項１１】
前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダ（およびカンチレバー）とほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項１０に記載の走査機構。
【請求項１２】
前記集光部が単レンズである請求項１１に記載の走査機構。
【請求項１３】
前記カンチレバーは、Ｘ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記ＸＹ可動部に保持されている請求項１２に記載の走査機構。
【請求項１４】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である請求項１３に記載の走査機構。
【請求項１５】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である請求項１４に記載の走査機構。
【請求項１６】
前記開口部は、前記Ｚアクチュエータに最も近い前記集光部の部分と前記ＸＹ可動部の間に形成され、前記集光部と前記ＸＹ可動部を機械的に分離している請求項９に記載の走査機構。
【請求項１７】
前記Ｚアクチュエータが、Ｚ軸に沿って伸縮し得る実質的に同一の二つの積層型圧電素子を有し、前記二つの積層型圧電素子はそれぞれ前記ＸＹ可動部からＺ軸に沿って反対側に延びている請求項１６に記載の走査機構。
【請求項１８】
前記二つの積層型圧電素子の一方の自由端には前記カンチレバーを保持するホルダが保持され、前記二つの積層型圧電素子の他方の自由端には、前記ホルダとほぼ同質量の疑似ホルダが保持されている請求項１７に記載の走査機構。
【請求項１９】
前記集光部が単レンズである請求項１８に記載の走査機構。
【請求項２０】
前記カンチレバーは、Ｘ−Ｙ平面に対して５度ないし２０度の角度で前記ホルダに保持され、
前記単レンズは、その光軸がＺ軸に対して５度ないし２０度の角度で前記ＸＹ可動部に保持されている請求項１９に記載の走査機構。
【請求項２１】
前記単レンズの直径が１０ｍｍ以下である請求項２０に記載の走査機構。
【請求項２２】
前記単レンズのＮＡが０．４以上である請求項２１に記載の走査機構。
【請求項２３】
請求項１〜請求項２２のいずれかひとつに記載の走査機構を備えた走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２４】
倒立型光学顕微鏡を備えた請求項２３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２５】
光学顕微鏡用の照明光源と、光学顕微鏡用の対物レンズを備え、前記照明光源から照射される照明光を前記集光部を通して試料の透過観察を行う請求項２４に記載の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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１８５０６６（Ｐ２０１２−１８５０６６Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９１０４（Ｐ２０１１−４９１０４）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
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