(57)【要約】【課題】  走査機構を三角波駆動信号で高速に走査すると、三角波の高調波成分が共振周波数で加振して不要な振動を生じてしまったり、変位の振幅が小さくなってしまったりする問題があった。また、図13に示すように、積層型圧電体の電圧と変位の関係も非線形でヒステリシスを生じる問題があった。【解決手段】積層型圧電体を有する走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、XY走査の少なくとも1方向は正弦波駆動信号により走査され、前記正弦波駆動信号の周波数は前記走査機構の機械的共振周波数より低い周波数であって、前記正弦波駆動信号によって走査される方向の座標における試料の高さ情報を、前記高さ情報を取得するタイミングの走査方向座標点と高さ情報表示画面上の座標点とが一致する位置に表示する。【選択図】       図7
2006300592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層型圧電体を有する走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、
XY走査の少なくとも1方向は正弦波駆動信号により走査され、
前記正弦波駆動信号の周波数は前記走査機構の機械的共振周波数より低い周波数であって、
前記正弦波駆動信号によって走査される方向の座標における試料の高さ情報を、前記高さ情報を取得するタイミングの走査方向座標点と高さ情報表示画面上の座標点とが一致する位置に表示することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項２】
XY走査方向の走査において、高速走査される方向の駆動は正弦波駆動され、
これと直行する方向の駆動は三角波の高調波成分をカットした波形信号により駆動されることを特徴とする請求項１記載の走査機構。
【請求項３】
XY方向ともに正弦波駆動することを特徴とする請求項1記載の走査機構。
【請求項４】
前記走査機構は、
観察試料を保持する試料台と、
前記試料台をZ方向に移動させるZ積層型圧電体と、
可動テーブルと、
固定台と、
前記可動テーブルをX方向に移動し、一端が前記固定台に固定されたX積層型圧電体と、
前記可動テーブルをY方向に移動し、一端が前記固定台に固定されたY積層型圧電体とからなることを特徴とする請求項1記載の走査機構。
【請求項５】
積層型圧電体を有する走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、
XY走査の少なくとも1方向は正弦波駆動信号により走査され、
前記正弦波駆動信号の周波数は前記走査機構の機械的共振周波数より低い周波数であって、
試料の高さ情報を取得する時間間隔は、前記正弦波駆動による走査方向の変位間隔が一定となるように変化されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用走査機構。
【請求項６】
請求項1ないし５のいずれか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡用走査機構を有する走査型プローブ顕微鏡。
【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用走査機構に関わる。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡(ＳＰＭ)は、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り、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)、走査型電気容量顕微鏡(ＳＣａＭ)、走査型近接場光顕微鏡(ＳＮＯＭ)、走査型熱顕微鏡(ＳＴｈＭ)などを含む。最近では試料表面にダイヤモンド製の探針を押しつけて圧痕をつけ、その圧痕のつき具合を解析して試料の固さなどを調べるナノインデンテータ等もこのＳＰＭの一つと位置づけられており、前述の各種の顕微鏡と共に広く普及している。
【０００３】
最近では、例えば特開２００１−３３０４２５で提案されているような、液体中の生きた生物試料の動く様子が観察可能な生体動画観察用AFMが注目を集めている。この生体動画観察用ＡＦＭは、１枚の画像を取得するのに要する時間は遅くとも１秒以下であり、従来の生体用ＡＦＭが１枚の画像を取得するのに数分〜数十分要することを考えると，比較にならないほど高速であることが分かる。
【０００４】
高速に画像を取得するための一つに、走査機構の高速化が必要となる。高速に動作する走査機構として例えば特開２００４−３３３３３５で提案されているような走査機構がある。
走査型プローブ顕微鏡で用いられる走査機構は、たとえば機械的探針と試料とを相対的にＸＹ方向にラスター走査し所望の試料領域の表面情報を、機械的探針を介して得て、モニターテレビ上にマッピング表示する。具体的には、図10に示すようにX方向、Y方向にそれぞれ異なる周波数の三角波状の駆動信号を圧電体に印加することで、走査機構の可動テーブルは図11に示すようなラスター走査を行なう。
【特許文献１】特開２００１−３３０４２５
【特許文献２】特開２００４−３３３３３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図12に示すように、走査機構を三角波駆動信号で高速に走査すると、三角波の高調波成分が共振周波数で加振して不要な振動を生じてしまったり、変位の振幅が小さくなってしまったりする問題があった。また、図13に示すように、積層型圧電体の電圧と変位の関係も非線形でヒステリシスを生じる問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決し、高速走査における振動発生を低減させ、XY方向の線形性が高く高品質なAFM像が得られる走査型プローブ顕微鏡用走査機構と、それを用いる走査型プローブ顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、積層型圧電体を有する走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、XY走査の少なくとも1方向は正弦波駆動信号により走査され、前記正弦波駆動信号の周波数は前記走査機構の機械的共振周波数より低い周波数であって、前記正弦波駆動信号によって走査される方向の座標における試料の高さ情報を、前記高さ情報を取得するタイミングの走査方向座標点と高さ情報表示画面上の座標点とが一致する位置に表示することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、積層型圧電体を有する走査型プローブ顕微鏡用走査機構において、XY走査の少なくとも1方向は正弦波駆動信号により走査され、前記正弦波駆動信号の周波数は前記走査機構の機械的共振周波数より低い周波数であって、試料の高さ情報を取得する時間間隔は、前記正弦波駆動による走査方向の変位間隔が一定となるように変化されることを特徴とする。
【０００９】
これらにより、走査機構変位に不要な振動は発生せず、変位振幅の減少も無く、駆動信号に対して線形性の高い変位が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、振動発生が低減され、変いい振幅の減少も小さく、観察像のゆがみが少ない高速走査が可能な走査型プローブ顕微鏡用走査機構を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第１の実施の形態について図１〜図６を用いて説明する。図１は走査型プローブ顕微鏡の画像を生成するシステムの一部を示しており、図２は走査機構詳細図である。
【００１２】
まず、走査機構１００について説明する。本提案の走査機構は、固定台１の中にXYステージ固定部５が接着もしくはねじ締結で固定されている。可動部４はZ方向をZ弾性部材７A〜７Dにより固定台５に対して支持されている。Z弾性部材７A〜７D の配置位置は可動部４の中心からほぼ等距離であり、可動部４の重心は可動部４のほぼ中心付近に位置している。可動部４はXY方向をXY弾性部材6A〜6Dにより固定台５に対して支持されている。また、XY弾性部材6A〜6DはXY各駆動軸に対して対象に配置されている。Y軸上に配置された一対のXY弾性部材の中で、一方のXY弾性部材6Dには圧電体２Aを当接させる押圧部8Aが設けられている。また、X軸上に配置された一対のXY弾性部材の中で、一方のXY弾性部材6Cには圧電体2Bを当接させる押圧部8Bが設けられている。ここで、可動部４、XY弾性部材６A〜６D、Z弾性部材７A〜７B、固定部5からなるXYステージは一体の部品から切り出されたものであり、例えばアルミニウムなどの材料でできている。XYステージを固定している固定台１はXYステージと同質材でも構わないが、ステンレス鋼などのようにアルミニウムよりもヤング率の高い材料で作られているとよりよい。
【００１３】
Y方向駆動用圧電体２Aの一端は押圧部８Aに当接しており、他端は固定台１に固定されている。圧電体2AにはY軸にそって所定の予圧がかかるように配置されており、圧電体２Aの中心線は可動部４のほぼ重心を通る。また、X方向駆動用圧電体２Bの一端は押圧部８Bに当接しており、他端は固定台１に固定されている。圧電体2BにはX軸にそって所定の予圧がかかるように配置されており、圧電体２Bの中心線は可動部４のほぼ重心を通る。可動部４の上面には圧電体３が固定されており、圧電体３の中心線は可動部４のほぼ重心を通る。さらに、試料台は圧電体３上に保持されることになる。
【００１４】
続いて走査機構１００を用いた走査型プローブ顕微鏡画像生成システム構成について図１を基に説明する。
【００１５】
走査機構１００に取付けられた試料台９に対向してカンチレバー１０３が配置されている。カンチレバー１０３近傍には振動子１０４が設けられていて振動子１０４は励振回路１０９と接続されている。走査機構１００はX走査ドライバ１０５とY走査ドライバ１０６、Z走査ドライバ１０７に接続されている。また、X走査ドライバとY走査ドライバは、波形発生器１０８に接続されている。カンチレバー１０３の変位は対物レンズ１０２を通してカンチレバー変位センサ１０１によって光学的に検出される。カンチレバー変位センサ１０１は振幅検出回路１１０に接続され、振幅検出回路１１０はZ制御回路１１１に接続されている。さらにZ制御回路１１１はZ走査ドライバ及び画像情報取得回路１１２と接続されている。また、画像情報取得回路１１２は取り込み指令発生器１１３と接続されている。ここでは、波形発生器１０８、励振回路１０９、振幅検出回路１１０、Z制御回路１１１、画像情報取得回路１１２取り込み指令発生器１１３をあわせて画像生成用コントローラ１１４と呼ぶ。画像生成用コントローラ１１４にて生成された画像は表示装置１１５に表示される。
【００１６】
次に作用について説明する。波形発生器１０８によりX走査信号とY走査信号が生成される。この走査信号はX走査ドライバ１０５及びY走査ドライバ１０６を通して走査機構１００に与えられる。具体的には図３に示すようにX走査信号は正弦波であり、Y走査信号は三角波であって、X走査信号の周波数はY走査信号よりおおよそ２桁高い周波数となっている。ただしX走査信号は、機械的な共振を避けるために、走査機構１００の共振周波数より低い周波数である。X走査信号は圧電体２Bに印加され、Y走査信号は圧電体２Aに印加される。このようにしてラスター走査が可能となる。ここで、周波数の高いX走査信号を正弦波とすることで、可動部４の変位は図４に示すような変位となる。高い走査周波数であっても変位波形の乱れは無く、振幅の減少も生じない。また、走査駆動信号と変位の関係を示す図５に示すグラフを見ると、ヒステリシスは無く電圧と変位の関係の線形性が良好であることがわかる。このことから、走査信号から可動部の実際の変位を知ることが可能となる。このため、変位センサなどを必要としない。
【００１７】
励振回路１０９は、カンチレバー１０３の共振周波数近傍の周波数の励振信号を出力する。この信号を受けて振動子１０４は電気信号を機械的振動に変換する。この振動によりカンチレバー１０３はたわみ振動を起こす。このたわみをカンチレバー変位センサ１０１が光学的に検出し、振幅検出回路１１０が振幅情報に変換する。
【００１８】
また、カンチレバーのたわみは試料台９との距離により変化する。例えば、試料台９がカンチレバー１０３に接近するとカンチレバーの振幅は小さくなり、離れるとカンチレバー１０３の振幅は大きくなる。走査機構がラスター走査をしているとき、試料台９表面に起伏があればカンチレバー１０３と試料台９表面との距離はラスター走査に従って変化する。このため、カンチレバー１０３の振幅も変化する。試料台９表面とカンチレバー１０３との距離はZ圧電体９を伸縮させることで可能となる。Z制御回路はZ圧電体９を伸縮させて振幅検出回路１１０で得た振幅が常に一定になるような制御を行う。このため、Z圧電体３は起伏高さと一致した伸縮をすることになる。このため、Z圧電体３に印加された電圧を観察対象の高さ情報として用いることができる。この高さ情報は画像情報取得回路１１２によって獲得される。高さ情報取得のタイミングは、取り込み指令発生器１１３により制御される。取り込み指令発生器１１３の指令に従って、高さ情報取得すると同時に、波形発生器から出力されたXY走査信号に基づくXY変位座標が取得される。
【００１９】
高さ情報をある一定の時間間隔で取得すると図６に示すようになる。模式的な図で、厳密なものではないが、X方向変位は正弦波的に変化する。このため、表示装置１１５に高さ情報を表示させる場合は、XY表示座標とXY変位座標とが一致する座標上に高さ情報を表示する。以上のようにすることでひずみの少ない良好な観察像が得られる。
【００２０】
また、XY走査速度を早くしていくと、駆動信号出力に対する可動部の変位は走査ドライバや積層型圧電体、ガイドなどの影響で遅れが大きくなる。このような時は、走査速度に対する可動部の遅れ時間をあらかじめ測定しておき、高さ情報の取得を開始する時間をこの遅れ時間分ずらす。このようにすると、さらに高速な走査で画像取得を行った場合でも、ひずみの少ない良好な観察像が得られる。
【００２１】
本発明の第２の実施の形態について図８を基に説明する。装置構成については第１の実施の形態と同様である。本実施の形態においては図７に示すとおりX方向走査信号、Y方向走査信号ともに正弦波である。また、一定の時間間隔で高さ情報を取得する場合は、X方向Y方向ともに正弦波的に変位が変化する。このため表示装置１１５に高さ情報を表示させる場合は、XY表示座標とXY変位座標とが一致する座標上に高さ情報を表示する。
【００２２】
このような走査信号とすることで、Y方向走査においても三角波の高調波成分による不要な振動発生や振幅の減少を抑えることができ、高い線形性を得ることが可能となる。
【００２３】
本発明の第３の実施の形態について図９を基に説明する。装置構成については第１実施の形態と同様である。本実施の形態においては走査信号は第１の実施例と同様である。また、高さ情報取得時間間隔は、図９に示すように変位間隔が一定となるように変化させる。このようにすれば、表示装置への高さ情報表示するXY座標は一定間隔となる。このため、XY座標上での高さ情報表示密度の差はなく、データの取り扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】走査型プローブ顕微鏡の画像を生成するシステムの一部を示す図である。
【図２】走査機構詳細図である。
【図３】積層型圧電体の駆動信号を示す図である。
【図４】可動部の変位波形を示す図である。
【図５】駆動信号と変位の関係を示す図である。
【図６】一定の時間間隔で取得する場合の高さ情報の分布を示す図である。
【図７】XYとも正弦波駆動する積層型圧電体の駆動信号を示す図である。
【図８】一定の時間間隔で取得する場合の高さ情報の分布を示す図である。
【図９】変化する時間間隔で取得する場合の高さ情報の分布を示す図である。
【図１０】背景技術の走査波形を示す図である。
【図１１】ラスター走査を示す図である。
【図１２】振動振幅の減少を示す図である。
【図１３】積層型圧電体の非線形性を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１        固定台
２A〜２B  XY用圧電体
３        Z用圧電体
４        可動部
５        固定台
６A〜６D  XY弾性部材
７A〜７D  Z弾性部材
８A〜８D  押圧部
９        試料台
１００    走査機構
１０１    カンチレバー変位センサ
１０２    対物レンズ
１０３    カンチレバー
１０４    振動子
１０５    X走査ドライバ
１０６    Y走査ドライバ
１０７    Z走査ドライバ
１０８    波形発生器
１０９    励振回路
１１０    振幅検出回路
１１１    Z制御回路
１１２    画像情報取得回路
１１３    取り込み指令発生器
１１４    画像生成用コントローラ
１１５    表示装置
【図１】
2006300592.tif 000003
【図２】
2006300592.tif 000004
【図３】
2006300592.tif 000005
【図４】
2006300592.tif 000006
【図５】
2006300592.tif 000007
【図６】
2006300592.tif 000008
【図７】
2006300592.tif 000009
【図８】
2006300592.tif 000010
【図９】
2006300592.tif 000011
【図１０】
2006300592.tif 000012
【図１１】
2006300592.tif 000013
【図１２】
2006300592.tif 000014
【図１３】
2006300592.tif 000015