(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、液体窒素温度以下の低温でピエゾ素子により試料ステージを駆動する場合、常温に比較し、動作ストロークの減少が著しいという点である。【解決手段】直交するＸ方向及びＹ方向に移動するＸＹテーブルであって、前記ＸＹテーブルのＸ方向及びＹ方向の少なくとも各方向片側に当接してガス圧によって弾性伸縮する弾性伸縮体を備え、前記ガス圧により前記弾性伸縮体が伸縮することにより前記ＸＹテーブルが移動することを特徴とするＸＹテーブル。【選択図】        図１
2006226707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交するＸ方向及びＹ方向に移動するＸＹテーブルであって、
前記ＸＹテーブルのＸ方向及びＹ方向の少なくとも各方向片側に当接してガス圧によって弾性伸縮する弾性伸縮体を備え、
前記ガス圧により前記弾性伸縮体が伸縮することにより前記ＸＹテーブルが移動することを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項２】
試料を置載する試料台と、
前記試料台を支持し、少なくとも２カ所に弾性ヒンジ部を有する、少なくとも３個の支持部材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載したＸＹテーブル。
【請求項３】
前記ＸＹテーブルのＸ方向及びＹ方向の各方向両側に当接する前記弾性伸縮体と、
Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ１対を四方に配置した支持部材を、備えることを特徴とする請求項１又は２に記載したＸＹテーブル。
【請求項４】
前記支持部材が板状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されたＸＹテーブル。
【請求項５】
前記弾性圧縮体につながった配管の途中に断熱体を有する圧力伝達体を備え、前記ガス圧を発生させる作動ガスが前記圧力伝達体により封止され、
外部から前記圧力伝達体に加圧することにより、その圧力が前記ガスにより伝達され、前記弾性伸縮体が伸縮することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載されたＸＹテーブル。
【請求項６】
前記弾性伸縮体がダイアフラムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載されたＸＹテーブル。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載されたＸＹテーブルを備えた、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であって、
前記ＸＹテーブルにより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８】
クライオスタットを有する超高真空走査形プローブ顕微鏡である請求項７に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記ＸＹテーブルが前記クライオスタット中に収納されることを特徴とする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ＸＹテーブル及び微小領域の観察を目的とした試料観察装置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形プローブ顕微鏡が注目されている。
【０００３】
走査形プローブ顕微鏡においてはミクローオーダの位置決め精度が必要とされるが、円筒形状をしたピエゾ素子に電圧を印可して変位させることにより、探針と試料のどちらかを走査させる手法が用いられることが多い。
【０００４】
また走査形プローブ顕微鏡において、低温を保持する装置であるクライオスタットを用いると、試料を室温から液体窒素温度又は液体ヘリウム温度に冷却して観察を行い、原子像、電気的性質、磁性的性質、物質の相転移を調べることができる。特に、超伝導材料などの低温下での観察に有効である。冷却方式は、液フロー方式、機械式冷凍方式、液溜方式等があるが、シンプルで液の循環する時の音や機械の作動音の影響を受けない、液溜方式がよく用いられる。
【０００５】
しかしながら、ピエゾ素子には温度依存性がある。ピエゾ素子の感度は温度の低下と共に低下する。１Ｋ（ケルビン度）につき０．２％低下し、４Ｋでは常温の３０％程度になるといわれている。この温度依存性は常温では無視できるが、例えば、７７Ｋの窒素温度以下の低温でピエゾ素子により試料ステージを駆動する場合、常温に比較し、感度低下による動作ストロークの減少が無視できないという問題があった。
【０００６】
作動ストローク減少の問題を解消するため可動部の慣性を利用した摩擦駆動によるピエゾステージも存在するが、動作時の反力による振動があるため、粗動送りにしか用いることができない。
【０００７】
なお、従来技術としては、試料を搭載しかつ底面を静圧案内されて基準面上を移動するＸＹ移動部を備えた走査形プローブ顕微鏡がある（例えば、特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２１１７３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする問題点は、液体窒素温度以下の低温でピエゾ素子により試料ステージを駆動する場合、常温に比較し、動作ストロークの減少が著しいという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、直交するＸ方向及びＹ方向に移動するＸＹテーブルであって、前記ＸＹテーブルのＸ方向及びＹ方向の少なくとも各方向片側に当接してガス圧によって弾性伸縮する弾性伸縮体を備え、前記ガス圧により前記弾性伸縮体が伸縮することにより前記ＸＹテーブルが移動することを特徴とするＸＹテーブルである。
【００１１】
請求項２の発明は、試料を置載する試料台と、前記試料台を支持し、少なくとも２カ所に弾性ヒンジ部を有する、少なくとも３個の支持部材と、を備えることを特徴とする請求項１に記載したＸＹテーブルである。
【００１２】
請求項３の発明は、前記ＸＹテーブルのＸ方向及びＹ方向の各方向両側に当接する前記弾性伸縮体と、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ１対を四方に配置した支持部材を、備えることを特徴とする請求項１又は２に記載したＸＹテーブルである。
【００１３】
請求項４の発明は、前記支持部材が板状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されたＸＹテーブルである。
【００１４】
請求項５の発明は、前記弾性圧縮体につながった配管の途中に断熱体を有する圧力伝達体を備え、前記ガス圧を発生させる作動ガスが前記圧力伝達体により封止され、外部から前記圧力伝達体に加圧することにより、その圧力が前記ガスにより伝達され、前記弾性伸縮体が伸縮することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載されたＸＹテーブルである。
【００１５】
請求項６の発明は、前記弾性伸縮体がダイアフラムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載されたＸＹテーブルである。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載されたＸＹテーブルを備えた、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であって、前記ＸＹテーブルにより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。
【００１７】
請求項８の発明は、クライオスタットを有する超高真空走査形プローブ顕微鏡である請求項７に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記ＸＹテーブルが前記クライオスタット中に収納されることを特徴とする走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、ダイアフラムを用いて試料ステージを駆動することにより、極低温においても良好な動作ストロークを確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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】
【００２０】
本発明の構成を図１及び３を用いて説明する。図３は走査形プローブ顕微鏡の外観である。常温における試料を観察する観察チャンバ３０は除振台３７を介して架台３６により支持されている。観察チャンバ３０は試料交換を行う試料交換チャンバ３１と連結されており、図示しない真空ポンプにより超高真空が保持されている。
【００２１】
また、観察チャンバ３０の下方には、ぶら下がるようにして、クライオスタット１０が設置されている。クライオスタット１０の内部には搬送ロッド３３で連結されたＳＰＭセル３４が置かれている。ＳＰＭセル３４内部には試料ステージ５が設置されている。また、ＳＰＭセル３４の外部は液体窒素３５で満たされている。
【００２２】
図１は図３中のＳＰＭセル３４の詳細図である。ＳＰＭセル３４内部には試料ステージ５が設置されている。試料ステージ５は試料６を置載する試料台１、試料台１を支持して平行に対面する２対の矩形板状の支持部材２、試料台１を両側から挟むよう設置され２対のダイアフラム９から構成される。試料台１の１辺に当接するダイアフラム９の数は、１個でもよいが、２個以上でもよい。もちろん、ダイアフラムは試料台の一方に当接し、他方はバネ等の弾性体が当接してもよい。
支持部材２、２’には２カ所に両側が切り欠かれて弾性変形するように構成された弾性ヒンジ３、３’が形成されている。本実施例では試料ステージ５と支持部材２が一体形成されているが、個別に形成され組み合わされてもよい。また、支持部材２は円形棒状のものでもよい。
なお、図１ではＺ方向に変位させる機構は省略されている。
【００２３】
ダイアフラム９は半球面状の膜であり、それぞれ配管１１、１１’によりサーボバルブ１２に接続されている。サーボバルブ１２には、ヘリウム供給源１３に繋がった配管３９、他端部が開放された配管４０が接続されており、制御装置４１からの制御信号によって作動するモータＭの動作により配管３９、４０が、それぞれ、配管１１，１１’の何れかと繋がる様に成っている。なお、支持部材２及びダイアフラムは４．２Ｋでも靱性を示すチタン合金で構成されている。
【００２４】
図１においてはＸ方向に２個の支持部材２と２個のダイアフラム９が配置されているが、Ｙ方向にも図示しない２個の支持部材２と２個のダイアフラム９が配置されている。
【００２５】
以上、図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。図１において試料ステージ５、試料６、カンチレバー７等から構成されるＳＰＭセル３４はクライオスタット１０中に置載され、低温下で試料６を観察する。
【００２６】
先ず、試料台１に載置された試料６を、例えば、−Ｘ方向に変位させる場合、制御装置４１から−Ｘ方向に所定の量変位する変位信号に対応する電気信号をモータＭに送ると、サーボバルブ１２は、ヘリウム供給源１３に繋がった配管３９をダイアフラム９に繋がった配管１１に、開放端に繋がった配管４０をダイアフラム９’に繋がった配管１１’にそれぞれ繋ぎ、ヘリウム供給源１３からのガス流量と圧力を、電気信号に応じてコントロールする。
【００２７】
すると、配管１１を通ったヘリウムガスはダイアフラム９をコントロールされた分だけ押圧するので、ダイアフラム９はこの押圧分、−Ｘ方向に弾性変形する。その為、試料台１が−Ｘ方向に前記弾性変形分押圧され、この押圧により、試料台１の逆側がダイアフラム９’を押圧することになり、配管１１’中のヘリウムガスは配管４０を通って外部に抜けていく。この様な押圧に基づいて各弾性ヒンジ３、３’を中心に弾性変形が起こり、その結果、２つの弾性ヒンジ３間の支持部材２と、２つの弾性ヒンジ３’間の支持部材２’が、平行ばねのように変形し、−Ｘ方向に、試料６を載置した試料台１はステージベース４との平行度を保って移動する。
【００２８】
次に、Ｘ方向に変位させる場合、制御装置４１からＸ方向に所定の量変位する変位信号に対応する電気信号をモータＭに送ると、サーボバルブ１２は、配管３９を配管１１’に、配管４０を配管１１にそれぞれ繋ぎ、ヘリウム供給源１３からのガス流量と圧力を、電気信号に応じてコントロールする。
【００２９】
すると、配管１１’を通ったヘリウムガスはダイアフラム９’を前記コントロールされた分だけ押圧するので、ダイアフラム９’はこの押圧分、Ｘ方向に弾性変形する。その為、試料台１がＸ方向に前記弾性変形分押圧され、この押圧により、試料台１の逆側がダイアフラム９を押圧することになり、配管１１中のヘリウムガスは配管４０を通って外部に抜けていく。この様な押圧に基づいて各弾性ヒンジ３、３’を中心に弾性変形が起こり、その結果、２つの弾性ヒンジ３間の支持部材２と、２つの弾性ヒンジ３’間の支持部材２’が、平行ばねのように変形し、Ｘ方向に、試料６を載置した試料台１はステージベース４との平行度を保って移動する。
【００３０】
同様にして、Ｙ，−Ｙ方向にも、試料を変位させることが出来る。その結果、試料６を二次元方向（Ｘ，Ｙ方向）に変位させることが出来る。即ち、カンチレバー７に取り付けられた探針８と試料とを相対的に走査させることが出来る。
【００３１】
この様な二次元的走査に基で、極低温下での試料表面の凹凸像等の観察が行われる。チタン合金で構成されたダイアフラム９は、液体窒素温度中でも靱性に富むので、微小領域の観察を行う観察装置においては十分な動作ストロークを確保することができる。
【００３２】
図４は試料台１の動作を模式的に示した図である。ダイアフラムにより矢印の力が加わると２カ所の弾性ヒンジ３が弾性変形を起こして、試料台１がＸ方向に移動する。このとき、対面の２個の支持部材２は平行に変位し、試料台１の水平方向における並行度は保たれる。
【００３３】
このように、図１において試料６に対向配置した探針８付きカンチレバー７を試料６からの距離を数ナノメートル以下の距離にして、試料６の移動により試料表面を走査することにより、探針８と試料６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６表面の凹凸像・磁気像・分光画像等を得る。物理量の測定は図示しないレーザ光源より探針８の背面にレーザ照射して、その反射光を図示しないディテクタにより光てこ方式で受光することにより行う。
【００３４】
なお、常温で観察を行う場合は、図３における、搬送ロッド３３によりＳＰＭセル３４を観察チャンバ３０に移動させる。
このとき、図１における配管１１、１１’内の圧力上昇は、リリーフ弁１４がＨｅガスを放出することにより解消する。
【００３５】
以上、動作について説明したが、本発明のダイアフラムを用いて試料ステージを駆動することにより、例えば液体窒素温度以下の極低温においても良好な動作ストロークを確保するという効果が得られる。
【００３６】
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、支持部材で支持された試料台はベアリングやその他支持手段により支持されたＸＹテーブルでもよい。
また、探針側を本発明によるＸＹテーブルで探針側を支持してもよい。
さらに、本実施例では１段でＸＹ方向の移動を構成したが、Ｘ方向支持部材の上にＹ方向の支持部材を設ける２段構成にしてもよい。
【実施例２】
【００３７】
本発明の別の実施例の構成を図２を用いて説明する。実施例２は、基本的には実施例１と同様であるが、ダイアフラム９、９’に接続する配管１１、１１’の構成が異なる。実施例１と同様にクライオスタット１０中にＳＰＭセル３４が載置されている。試料ステージ５において、支持部材２により支持された試料台１に試料６が載置される。試料台１を挟む位置にダイアフラム９が配置される。ダイアフラム９、９’はそれぞれ配管１１、１１’によりベローズ２０、２０’に接続される。
【００３８】
また、配管１１、１１’のそれぞれには、調整弁２２を介してＨｅ供給源１３が接続され、これらの中にはＨｅガスで満たされている。
【００３９】
一方、ベローズ２０、２０’に断熱材２４、２４’を介して接するようにベローズ２１、２１’が配置される。断熱材２４、２４’により内部の流体は遮断される。すなわち、配管１１、１１’内のＨｅは閉じた状態となる。ベローズ２１、２１’はそれぞれ配管３８、３８’によりサーボバルブ１２に接続される。また、サーボバルブ１２には圧空供給源２３が接続される。
【００４０】
また、試料６の面内を走査するために、試料ステージ５には紙面に直交するＹ方向に同様の機構が設置される。
【００４１】
以上、図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。試料ステージ５、試料６、カンチレバー７からなるＳＰＭセル３４はクライオスタット１０中に載置され、極低温下で試料６を観察する。
【００４２】
試料ステージ５において、試料台１の位置を検出する図示しない位置検出手段からの信号をもとにサーボバルブ１２が制御され、圧空供給源２３から圧空がベローズ２１を加圧し弾性変形させる。これによりベローズ２１に接するベローズ２０は弾性変形し、配管１１中のＨｅガスを加圧する。このとき配管３８と配管１１は繋がっていないため圧空がＨｅ側に流入することはなく、圧力のみが伝達される。また、断熱材２４により、熱も遮断される。これによりダイアフラム９は加圧される。試料台１の移動方向に加圧されたダイアフラム９は弾性変形し、支持部材２、２’により支持された試料台１を水平運動させ、試料台１の位置をフィードバック制御する。もちろん、逆方向に移動させるときは、ダイアフラム９’側を弾性変形させる圧力がかけられる。
【００４３】
ＳＰＭセル３４が移動した場合、常温と冷却状態との大きな温度差により、配管１１、１１’内の圧力変動はＨｅ供給源１３に接続された調整弁２２により補償される。
【００４４】
以上、動作について説明したが、作動流体であるＨｅを常温の領域からアイソレートすることにより、常温からの作動流体の流入量が多い場合、走査形プローブ顕微鏡の温度上昇を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例１における試料ステージである
【図２】本発明の実施例２における試料ステージである
【図３】本発明のにおける装置外観である
【図４】本発明における試料ステージ動作の模式図である
【符号の説明】
【００４６】
１  試料台
２  支持部材
３  弾性ヒンジ
４  ステージベース
５  試料ステージ
６  試料
７  カンチレバー
８  探針
９  ダイアフラム
１０  クライオスタット
１１  配管
１１’  配管
１２  サーボバルブ
１３  Ｈｅ供給源
１４  リリーフ弁
２０  ベローズ
２１  ベローズ
２２  調整弁
２３  圧空供給源
２４  断熱材
３０  観察チャンバ
３１  試料交換チャンバ
３２  搬送ロッドチャンバ
３３  搬送ロッド
３４  ＳＰＭセル
３５  液体窒素
３６  架台
３７  除振台
３８  配管
３９  配管
４０  配管
４１  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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