(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、チューブスキャナの共振周波数に走査形プローブ顕微鏡のフィードバックが応答し、測定画像にノイズとして影響してしまうという点である。【解決手段】電圧を印加することにより変位自在なスキャナであって、前記スキャナの共振周波数を減衰させる減衰手段を着接したスキャナ。探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、前記スキャナを用いて前記探針と前記試料を相対的に走査することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図２
2006194678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加することにより変位自在なスキャナであって、
前記スキャナの共振周波数を減衰させる減衰手段を前記スキャナ表面に着接したスキャナ。
【請求項２】
前記スキャナは円筒形状の圧電素子であり、
前記減衰手段は前記スキャナの側面に着接したことを特徴とする請求項１に記載されたスキャナ。
【請求項３】
前記圧電素子は上面及び下面の開口部を密閉手段で密閉され、
前記減衰手段は前記圧電素子の内部側面に着接した柔軟性を有する樹脂状又はゲル状物質であることを特徴とする請求項２に記載されたスキャナ。
【請求項４】
探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、
請求項１乃至３のいずれかに記載されたスキャナを用いて前記探針と前記試料を相対的に走査することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。
【請求項５】
気密を保持した観察室を備えた請求項４に記載された走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は探針と試料を相対的に走査させるスキャナ及び走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像・磁気像・分光画像等を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されており、走査形プローブ顕微鏡は試料表面形状の観察や凹凸計測を行うために欠くことのできないツールとなっている。
【０００３】
走査形プローブ顕微鏡において、試料又は探針を水平方向、垂直方向に走査するための機構には、主に円筒状の圧電素子であるチューブスキャナが用いられている。チューブスキャナは薄いセラミックから構成されるので、チューブスキャナ自体の共振周波数は比較的低い。筒の形状にもよるが、１０μｍ×１０μｍ程度の走査幅を持つチューブスキャナの共振周波数は１０ｋＨｚ程度となる。この場合、共振周波数は走査形プローブ顕微鏡のフィードバックの応答周波数にたいして十分高いので、走査形プローブ顕微鏡の測定画像に影響しない。
【０００４】
しかしながら、走査幅が１００μｍ×１００μｍ程度と大きくなると、チューブスキャナの形状も大きくなり、共振周波数が低下する。共振周波数が低下すると走査形プローブ顕微鏡のフィードバックが応答し、測定画像にノイズとして影響してしまう。
【０００５】
なお、従来技術としては、モータを用いて探針を走査する走査形プローブ顕微鏡において、モータに流体ダンパを備えて共振振動を速やかに減衰させる走査形プローブ顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−６４３４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする問題点は、チューブスキャナの共振周波数に走査形プローブ顕微鏡のフィードバックが応答し、測定画像にノイズとして影響してしまうという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、電圧を印加することにより変位自在なスキャナであって、前記スキャナの共振周波数を減衰させる減衰手段を着接したスキャナである。
【０００９】
請求項２の発明は、前記スキャナは円筒形状の圧電素子であり、前記減衰手段は前記スキャナの側面に着接したことを特徴とする請求項１に記載されたスキャナである。
【００１０】
請求項３の発明は、前記圧電素子は上面及び下面の開口部を密閉手段で密閉され、前記減衰手段は前記圧電素子の内部側面に着接した柔軟性を有する樹脂状又はゲル状物質であることを特徴とする請求項２に記載されたスキャナである。
【００１１】
請求項４の発明は、探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、請求項１乃至３のいずれかに記載されたスキャナを用いて前記探針と前記試料を相対的に走査することを特徴とする走査形プローブ顕微鏡である。
【００１２】
請求項５の発明は、気密を保持した観察室を備えた請求項４に記載された走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１３】
チューブスキャナに減衰手段を着接することにより、大きな走査幅を有するチューブスキャナの低い共振周波数の影響を低減することができる。また、チューブスキャナの内面に減衰手段を着接し、両端を密閉することで、真空中でも使用可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
実施例１の構成を図１及び２を用いて説明する。図１は本発明のスキャナの外観図、図２は本発明のスキャナの断面図である。
【００１６】
まず、本発明の構成を説明する。円筒状のチューブスキャナ１は、薄いＰｂＺｒＴｉＯ３等の圧電セラミックから構成され、半径方向に分極されており、長手方向は非分極となっている。チューブスキャナ１の外側表面には、２個のＸ駆動電極５と２個のＹ駆動電極６が交互にメタライズされている。またその下には、Ｚ駆動電極７がメタライズされている。各電極に図示しない電線が接続されており、電圧が印加される構成になっている。また、チューブスキャナ１の内側にも図示しない電極がメタライズされており、接地電極となっている。チューブスキャナの走査幅は１００μｍ×１００μｍ程度であり、チューブスキャナの径は大きい。このためチューブスキャナの共振周波数が低く、走査形プローブ顕微鏡のフィードバックが応答し、測定画像にノイズとして影響してしまう周波数帯と重なる。
【００１７】
また、チューブスキャナ１の内部側面に柔軟性を有する樹脂状の減衰手段である減衰材２が塗布されている。チューブスキャナ１上面には密閉手段であるホルダベース３が、下面には密閉手段であるスキャナベース４が接着されており、チューブスキャナ１内部は気密が保持されている。
【００１８】
以上、図１、２における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。チューブスキャナ１の電極に正又は負の電圧を印加することにより、長手方向（Ｚ方向）に膨張又は縮小の変位が起こり、チューブスキャナ１が伸縮、湾曲して変位する。
【００１９】
例えば、図１において、左のＹ駆動電極６に正電位を印加すると電極に被われた部分のチューブスキャナ１が長手方向に縮小し、右のＹ駆動電極６に負電位を印加すると電極に被われた部分のチューブスキャナ１が長手方向に伸長する。この作用により、チューブスキャナ１が右方向に湾曲する。同様な変位をＸＹＺ方向に組み合わせ、ＸＹ方向への走査及びＺ方向への変位測定が可能となる。
【００２０】
チューブスキャナ１の内部に塗布された減衰材２によりチューブスキャナ１の共振振動は減衰される。測定画像へのチューブスキャナ１の影響は低減される。また、減衰材２の物質は柔らかいのでチューブスキャナ１の走査を阻害しない。
【００２１】
さらに、チューブスキャナ１の両端はそれぞれスキャナベース４、ホルダベース３によって密封されているので、装置が真空に引かれた場合でも、チューブスキャナ１の内部側面に塗布した減衰材２からガスは放出されず、真空は劣化しない。
【００２２】
以上、図１、２における動作について説明したが、このようなチューブスキャナによれば、大きな走査幅を有していてもその共振周波数の影響を低減させ、さらに真空中でも使用可能である。
【００２３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、樹脂状の減衰材はゲル状の減衰材を用いてもよい。
【００２４】
また、図３のようにチューブスキャナ１の内部側面に樹脂状又はゲル状の減衰材２が充填されていてもよい。
【００２５】
さらに、図４のようにチューブスキャナ１の内部側面に筒状のスキャナケース８が設置されていてもよい。この場合、スキャナケース８の外径はチューブスキャナ１の内径より小さく、スキャナケース８とチューブスキャナ１との隙間には樹脂状又はゲル状の減衰材２が充填されている。
【実施例２】
【００２６】
実施例２の構成を図５を用いて説明する。図３は本発明のスキャナの断面図である。
【００２７】
構成は基本的に実施例１と同様であるが、本発明の特徴はチューブスキャナ１の側面の外側にゲル状の減衰材２が着接されていることである。
【００２８】
本発明の構成を説明すると、チューブスキャナ１の上面にホルダベース３が接着されていおり、ホルダベース３下面にはスキャナケース８が接着されている。スキャナケース８の内径は、チューブスキャナ１の外径より大きく、スキャナケースでチューブスキャナを覆っている。スキャナケース８とチューブスキャナ１との隙間には樹脂状又はゲル状の減衰材２が充填されている。スキャナケース８の下面は開口しているが、減衰材２はゲル状のため落ちてくることはない。減衰材２がチューブスキャナ１の共振振動を減衰させるため、チューブスキャナ１の共振振動の画像への影響を低減させることができる。
【００２９】
なお、実施例２は減衰材２が露出しているため、真空中の使用より大気中での使用に適している。チューブスキャナ１の内部は気密が保持されていなくてもよい。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、チューブスキャナの代わりに円筒形状でない積層ピエゾ素子やトライポッド型スキャナを用いて、それらの素子表面に減衰材が塗布されていてもよい。
【実施例３】
【００３１】
図６は原子間力顕微鏡のノンコンタクトモードのシステム図である。試料測定部分は真空チャンバ１０中に収納され、真空ポンプ２５により真空が保持されている。先端にプローブを有するカンチレバー１３が試料１２に対向して設置されている。試料１２はＸＹＺ方向に変位自在なチューブスキャナ１に置載されている。このチューブスキャナ１には実施例１又は２のいずれかに記載されたチューブスキャナ１が用いられる。
【００３２】
カンチレバー１３の固定端には振動させるための圧電振動子を備えている。カンチレバー１３はその長さや厚さによって数十kHzから数百kHzの固有振動数を有しており、圧電振動子にこの固有振動周波数を加えると、探針１１が構成されている自由端が固有振動周波数で数nm程度上下動する。このときの状態を定常状態として探針１１を試料１２に接近させた場合、最下点で探針１１−試料１２間に原子間引力が作用する。探針１１が原子間引力を受けると、カンチレバー１３のバネ定数が見かけ上変化したことになり、定常状態の振動周波数ｆ０に比べて周波数が低く（振動周期が長く）なる。
【００３３】
カンチレバー１３の先端にレーザダイオードから構成されるレーザ光源１４からのレーザ光が照射されており、カンチレバー１３から反射されたレーザ光は分割フォトダイオードから構成される検出器１５で検出している。カンチレバー１３が変位すると検出器１５に入射するレーザ光のスポットがシフトする。これに合わせて検出器１５の出力が変化し、カンチレバー１３の変位を検出することができる。
【００３４】
この光てこ方式において、カンチレバー１３から反射されたレーザ光に含まれる周波数成分の内から、引力の作用による周波数変化Δf、振幅変化ΔA、位相変化のいずれかをフィードバック信号として、チューブスキャナ１をＺ方向に変位させることにより探針１１−試料１２間の距離を一定に保つようにしている。この時のチューブスキャナ１に入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。チューブスキャナ１の共振周波数が低いと、原子間力顕微鏡のフィードバックが応答し、測定画像にノイズとして影響する。
【００３５】
フィードバック信号の検出においては、大気中では間接的に周波数シフトを検出するスロープ検出が、真空中では直接それを検出するＦＭ検出法が使用されているのが一般的である。試料表面の水分等による表面張力の影響を除外して高分解能の画像を得る目的や、冷却する目的で、真空中での観察が行われる。
【００３６】
以上、図６について説明したが、走査幅が１００μｍ×１００μｍ程度と大きくなると、チューブスキャナ１の形状も大きくなり共振周波数が低下するが、このようなチューブスキャナ１を用いた原子間力顕微鏡によれば、大きな走査幅を有していても共振周波数を減衰させることにより、原子間力顕微鏡のフィードバックが応答して測定画像にノイズとして影響することがない。
【００３７】
また、チューブスキャナ１の内面に減衰手段を着接したものの場合、両端を密閉することでガスが真空中に放出されることがなく、真空中でも使用可能である。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、原子間力顕微鏡に限らず、走査形トンネル顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置でもよい。
【００３９】
また、真空中での使用に限らず、大気中で使用してもよい。
【００４０】
さらに、チューブスキャナのホルダベースにカンチレバーを設置して探針側を走査してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１における本発明によるスキャナの外観図である。
【図２】実施例１における本発明によるスキャナの断面図である。
【図３】実施例１における本発明によるスキャナの断面図である。
【図４】実施例１における本発明によるスキャナの断面図である。
【図５】実施例２における本発明によるスキャナの断面図である。
【図６】実施例３における本発明による走査形プローブ顕微鏡である。
【図７】従来技術によるスキャナの外観図である。
【図８】従来技術によるスキャナの断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  チューブスキャナ
２  減衰材
３  ホルダベース
４  スキャナベース
５  Ｘ駆動電極
６  Ｙ駆動電極
７  Ｚ駆動電極
８  スキャナケース
１０  真空チャンバ
１１  探針
１２  試料
１３  カンチレバー
１４  レーザ光源
１５  検出器
１６  プレアンプ
１７  ＦＭデモジュレータ
１８  エラーアンプ
１９  フィルタ
２０  ＸＹ駆動ドライバ
２１  Ｚ駆動ドライバ
２２  アンプ
２３  基準電圧
２４  コンピュータ
２５  真空ポンプ
【図１】
2006194678.tif 000003
【図２】
2006194678.tif 000004
【図３】
2006194678.tif 000005
【図４】
2006194678.tif 000006
【図５】
2006194678.tif 000007
【図６】
2006194678.tif 000008
【図７】
2006194678.tif 000009
【図８】
2006194678.tif 000010