(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、チューブスキャナは大きさに比較して変形量が小さい点である。特に、ＳＣＭ等の限られた空間で使用する場合、収納できる大きさのチューブスキャナでは変形量が十分ではなかった。【解決手段】  ベースと、互いに反対方向に伸縮する２枚の短冊状ピエゾ素子を電極を挟んで重ね合わせることにより変形可能なバイモロフ型ピエゾ素子を変形方向を一致させて２個対向配置し、一端が前記ベースの異なる位置に取り付けられた１対のバイモロフ型ピエゾ素子と、前記バイモロフ型ピエゾ素子の他端によって支持されるステージと、を備えるスキャナであって、前記電極に印加する電圧に基づいて対向する前記バイモロフ型ピエゾ素子を同一方向に変形させることにより前記ステージを変位させることを特徴とするスキャナ。【選択図】        図３
2006250852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
互いに反対方向に伸縮する２枚の短冊状ピエゾ素子を電極を挟んで重ね合わせることにより変形可能なバイモロフ型ピエゾ素子を変形方向を一致させて２個対向配置し、一端が前記ベースの異なる位置に取り付けられた１対のバイモロフ型ピエゾ素子と、
前記バイモロフ型ピエゾ素子の他端によって支持されるステージと、を備えるスキャナであって、
前記電極に印加する電圧に基づいて対向する前記バイモロフ型ピエゾ素子を同一方向に変形させることにより前記ステージを変位させることを特徴とするスキャナ。
【請求項２】
変形方向を９０°異ならせて更に１対設けると共に、前記各バイモロフ型ピエゾ素子の他端と前記ステージとの間をバイモロフ素子の変形方向には剛性を有し、変形方向と直交する方向には変形する接続部材を介して接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
【請求項３】
前記各バイモロフ型ピエゾ素子が２個１組として設けられ、
前記各組のバイモロフ型ピエゾ素子の各前記他端はクリップにより束ねられると共に、各前記クリップに取り付けられた中継部材を介して前記接続部材と接続される請求項２に記載されたスキャナ。
【請求項４】
前記各一組のバイモロフ型ピエゾ素子は、２個が互いに間隔を空けて配置された請求項３に記載されたスキャナ。
【請求項５】
前記ベースを前記バイモロフ型ピエゾ素子の伸縮方向に変位させる積層型ピエゾ素子を前記ベースに取り付けた請求項１乃至４のいずれかに記載したスキャナ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載されたスキャナを用いて試料に対向する探針を相対的に走査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、微小領域を走査するスキャナ及びそのようなスキャナを備えた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。
【背景技術】
【０００２】
最近、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、且つ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し、探針と試料間に発生するトンネル電流、原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、その測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。通常、この走査形プローブ顕微鏡の探針と試料を相対的に走査するためのスキャナは、分極化した筒型のピエゾ素子が使用されている。このチューブスキャナには電極がコーティングされており、各電極に電圧を制御して印加することにより、その電極の下のピエゾ素子が電圧の正負に応じて膨張又は収縮する。この変位を組み合わせることによりチューブスキャナがＸ、Ｙ、Ｚ方向に変位する。
【０００３】
また、走査形プローブ顕微鏡は超伝導マグネット（ＳＣＭ）内等の限られた空間で観察する場合もある。ＳＣＭ内に走査ユニットを入れるためには、温度２０Ｋの極低温、超高真空環境で使用することが前提である。
【０００４】
しかし、従来のチューブスキャナは大きさに比較して変位量が小さいということが問題であった。特に、ＳＣＭ内に走査ユニットを配置する場合は、スキャナの大きさが制限される。極低温ではピエゾ素子の変位量は室温での変位量の約１／６乃至１／８になることが知られており、チューブスキャナの長さ１００ｍｍに対してＸ、Ｙ、Ｚ変位量は各５μｍ程度である。ＳＣＭ観察に必要なＸＹ方向の変位量は少なくとも約３０μｍであり、これに相当するチューブスキャナの長さは６００ｍｍとなり、ＳＣＭ内に収容できない。
【０００５】
なお、従来技術としては、種々の形式のチューブ型ピエゾ駆動素子がある（例えば、非特許文献１）。
【０００６】
【非特許文献１】特許庁ホームページ＞標準技術集＞表面構造の原子領域分析                      ３−Ｂ−ｂ２  ピエゾ駆動素子の構成−チューブ型
【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、チューブスキャナは大きさに比較して変位量が小さい点である。特に、ＳＣＭ等の限られた空間で使用する場合、収納できる大きさのチューブスキャナでは変位量が十分ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、ベースと、互いに反対方向に伸縮する２枚の短冊状ピエゾ素子を電極を挟んで重ね合わせることにより変形可能なバイモロフ型ピエゾ素子を変形方向を一致させて２個対向配置し、一端が前記ベースの異なる位置に取り付けられた１対のバイモロフ型ピエゾ素子と、前記バイモロフ型ピエゾ素子の他端によって支持されるステージと、を備えるスキャナであって、前記電極に印加する電圧に基づいて対向する前記バイモロフ型ピエゾ素子を同一方向に変形させることにより前記ステージを変位させることを特徴とするスキャナである。
【０００９】
請求項２の発明は、変形方向を９０°異ならせて更に１対設けると共に、前記各バイモロフ型ピエゾ素子の他端と前記ステージとの間をバイモロフ素子の変形方向には剛性を有し、変形方向と直交する方向には変形する接続部材を介して接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスキャナである。
【００１０】
請求項３の発明は、前記各バイモロフ型ピエゾ素子が２個１組として設けられ、前記各組のバイモロフ型ピエゾ素子の各前記他端はクリップにより束ねられると共に、各前記クリップに取り付けられた中継部材を介して前記接続部材と接続される請求項２に記載されたスキャナである。
【００１１】
請求項４の発明は、前記各一組のバイモロフ型ピエゾ素子は、２個が互いに間隔を空けて配置された請求項３に記載されたスキャナである。
【００１２】
請求項５の発明は、前記ベースを前記バイモロフ型ピエゾ素子の伸縮方向に変位させる積層型ピエゾ素子を前記ベースに取り付けた請求項１乃至４のいずれかに記載したスキャナである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載されたスキャナを用いて試料に対向する探針を相対的に走査する走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるスキャナは、小形でかつ変位量が大きいという利点がある。従って、走査形プローブ顕微鏡のＳＣＭ内で使用する場合、装置を大きくすることなく広範囲を走査することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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】
【００１６】
本発明の構成を図５を用いて説明する。図５は本発明によるスキャナの断面図である。２個のバイモルフ型ピエゾ素子７の下端は固定端となっており、上端は自由端となっている。バイモルフ型ピエゾ素子は反対方向に分極する２枚の短冊状ピエゾ素子１５を張り合わし、中央電極膜１４には電極膜が形成されて電源１６が接続され、短冊状ピエゾ素子１５外側にも電極膜が形成されて接地されている。自由端には試料ステージ１２が設置されている。
【００１７】
以上、図５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４は図５におけるバイモルフ型ピエゾ単体の動作図である。図４（ａ）のように中央電極膜１４にプラスの電圧を印加すると左の短冊状ピエゾ素子１５が収縮し、右の短冊状ピエゾ素子１５が伸長するので、バイモルフ型ピエゾ素子７全体としては左に変形する。図４（ｂ）のように中央電極膜１４にマイナスの電圧を印加すると逆の作用が起こり、バイモルフ型ピエゾ素子７全体としては右に変形する。
【００１８】
図５において、中央電極膜１４にプラスの電圧を印可すると両側のバイモルフ型ピエゾ素子７が左に変形して、試料ステージ１２も左に変形する。中央電極膜１４にマイナスの電圧を印可すると右に変形する。
【００１９】
以上は、１軸（Ｘ方向）の動作について模式的に説明したが、図示しない１対のバイモルフ型ピエゾ素子７を紙面に直交する位置（Ｙ方向）に配置することによって、試料ステージ１２は、試料ステージ平面方向に自在に変形する。
【００２０】
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、バイモルフ型ピエゾ素子は短冊状金属板の両側に反対方向に分極する２枚の短冊状ピエゾ素子を張り合わせ、金属板を一方の電極とし、２枚のピエゾ素子を他方の電極としてもよい。
【００２１】
また、Ｘ方向を走査する１対のバイモルフ型ピエゾ素子の上にＹ方向を走査する１対のバイモルフ型ピエゾ素子を配置した、２段としてもよい。
【実施例２】
【００２２】
本発明の構成を図１乃至３を用いて説明する。図１は本発明による３次元スキャナの正面図である。
【００２３】
直進形のマイクロメータ１のロッドにはフランジ２がビス３で固定されている。フランジ２には３個の積層型ピエゾ素子４がＸＹ平面周上に等等間隔に設置されている。積層型ピエゾ素子４の他端にはフランジ５が設置されている。積層型ピエゾ素子４の両端部はそれぞれフランジ２、５にビス止め後、更に接着剤で固定されている。フランジ５にはロッドを介してベース６が固定されている。ベース６はインシュレータの役割をなす。ベース６には４個のバイモルフ型ピエゾ素子７がＸＹ平面周上９０度毎に設置されている。この取付は、ベース６に溝を設けてバイモルフ型ピエゾ素子７を挿入して、回りを接着するものである。バイモルフ型ピエゾ素子７は発生力を増すため２個の短冊状のバイモルフ型素子を１組とし、０．５ｍｍ程度離して取り付けられている。各バイモルフ型ピエゾ素子７には、実施例１と同様に中央部に図示しない電源が接続されており、外側の電極膜は接地されている。１組のバイモルフ型ピエゾ素子７の他端は先端の動きを拘束しないために、接着せずにクリップ８で挟んである。各組のバイモロフ型ピエゾ素子７に設置された４個のクリップ８には各々中継部材１０がビス３で固定されている。中継部材１０には接続部材である４枚の板バネ１１が放射状に等分に配置されている。板バネ１１の他端には円盤状の試料ステージ１２が設置されている。板バネ１１の取付は試料ステージ１２及び中継部材１０に０．２ｍｍの深溝を設け、その隙間に板バネ１１を挿入して半田付けを行っている。試料ステージ１２には試料ホルダ１３が設置されており、試料ホルダ１３には試料１８が着脱自在に置載されている。図２は試料ステージ部の正面図及び平面図であり、図３は試料ステージ部の斜視図である。
【００２４】
以上、図１乃至３における構成の各部について説明したが、次に動作について説明する。図２において対向する２個のバイモルフ型ピエゾ素子７ａの中央部に同じ電圧を印可すると、一端が固定端であるため自由端がＸ方向に変形しようとする。しかし、Ｘ方向に互いに向き合った２組のバイモルフ型ピエゾ素子７ａ自由端にはＸ方向を長手方向（縦弾性係数が大きい）とする２個の板バネ１１ａを介してステージ１２が設置されているため、バイモルフ型ピエゾ素子７ａは抗力をうけるが、板バネ１１ａが弾性変形することにより、試料ステージ１２がＸ方向に変形する。一方、これと直角方向の他の２枚の板バネ１１ｂは横方向（Ｘ方向）からの力を受けるので容易に変化する。つまり、Ｘ方向に発生した抗力は他方向の力をほとんど受けずに、バイモルフ型ピエゾ素子７ａの発生抗力に応じた量変形する。また、バイモルフ型ピエゾ素子の中央の電極膜に印加する電圧のプラスとマイナスを変更することにより、移動する方向が変わる。
【００２５】
同様に、Ｙ方向に配置された一組のバイモルフ型ピエゾ素子７ｂに電圧を印可するとＹ方向に変形する。Ｘ方向の変形とＹ方向の変形を組み合わせることにより、試料ステージ１２をＸＹ平面上自在に変形させることができる。
【００２６】
Ｚ方向の変形は積層型ピエゾ素子４で行なう。1個の積層型ピエゾ素子４ではバランスが良くないため、３個を用いている。この場合は３個の積層型ピエゾ素子４を並列に結線して同方向に電圧をかけて伸縮を行なうことによりＺ方向の変形を行なう。以上の電圧操作により３次元の移動が可能となる。
【００２７】
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、モルフ型ピエゾ素子を４個以上、例えば８個等間隔に用いてもよい。
【実施例３】
【００２８】
実施例３は、実施例２のスキャナをトンネル顕微鏡に用いたものである。
【００２９】
図７はトンネル顕微鏡の装置外観図である。ベース２０の上に超高真空チャンバ２１が配置されている。超高真空チャンバ２１には真空継手２２が設置されおり、チャンバ２１に機器を入れたり、機器を接続したりすることができる。チャンバ２１内部には、図示しないＳＣＭに収容された実施例２におけるスキャナを用いた走査形トンネル顕微鏡が設置されている。また、チャンバ２１にはコンピュータ２３が接続されており、測定はコンピュータ制御される。
【００３０】
図６は、本発明のスキャナを走査形トンネル顕微鏡に用いた制御ブロック図である。走査形トンネル顕微鏡は、試料と金属製探針との距離をｌｎｍ以下に保ち、バイアス回路２７によりこれらの間に数Ｖ程度のバイアス電圧をかけると、探針１７と試料１８間の真空間隙を通って電子が移動しトンネル電流が流れるという、いわゆるトンネル効果の原理を利用する。トンネル電流は試料１８と探針１７との距離に敏感であり、距離に対して指数関数的に変化する。そこで、この信号をコンピュータ２６を用いて制御し、Ｚピエゾドライバ２９により積層型ピエゾ素子４駆動してトンネル電流が一定となるようしつつ、試料表面上をＸＹピエゾドライバ２８によりバイモルフ型ピエゾ素子７を駆動して二次元的に走査する。この時Ｚ方向を制御するために印可した電圧をコンピュータ２６により距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化することにより、試料１８表面の凹凸を原子レベルで観察することができる。
【００３１】
ＳＣＭ内は限られた空間しかなく、環境は温度２０Ｋの極低温で、真空である。ＳＭＣに収納された走査形トンネル顕微鏡では、凹凸像の他、Magnetic Resonance Force Microscope（ＭＲＦＭ）測定等が行われる。
【００３２】
本発明により、常温においてＸＹ方向の走査量±１５０μｍ、Ｚ方向の変位量±３８μｍであり、２０Ｋの極低温においてＸＹ方向の走査量±３０μｍの走査を行うスキャナを直径３２ｍｍ×長さ１３０ｍｍ程度の大きさで実現した。これによりトンネル顕微鏡がＳＣＭ内に収容できる。
【００３３】
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、本発明のスキャナは原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置である走査形プローブ顕微鏡全般に適応可能である。また、探針側にスキャナを取付けて走査してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるスキャナの実施例を示す図である。
【図２】本発明によるスキャナの試料ステージ付近の正面図及び上面図である。
【図３】本発明によるスキャナの試料ステージ付近の斜視図である。
【図４】バイモルフ型ピエゾ素子の基本的な変形図である。
【図５】本発明によるスキャナの実施例を示す図である。
【図６】本発明のスキャナを用いた走査形トンネル顕微鏡である。
【図７】図６の走査形トンネル顕微鏡の外観である。
【符号の説明】
【００３５】
１  マイクロメータ
２  フランジ
３  ビス
４  積層型ピエゾ素子
５  フランジ
６  ベース
７  バイモルフ型ピエゾ素子
７ａ  バイモルフ型ピエゾ素子
７ｂ  バイモルフ型ピエゾ素子
８  クリップ
９  ブロック
１０  中継部材
１１  板バネ
１１ａ  板バネ
１１ｂ  板バネ
１２  試料ステージ
１３  試料ホルダ
１４  中央電極膜
１５  短冊状ピエゾ素子
１６  電源
１７  探針
１８  試料
１９  探針ホルダ
２０  ベース
２１  チャンバ
２２  真空継手
２３  コンピュータ
２４  真空ポンプ
２５  ガスボンベ
２６  コンピュータ
２７  バイアス回路
２８  ＸＹピエゾドライバ
２９  Ｚピエゾドライバ
【図１】
2006250852.tif 000003
【図２】
2006250852.tif 000004
【図３】
2006250852.tif 000005
【図４】
2006250852.tif 000006
【図５】
2006250852.tif 000007
【図６】
2006250852.tif 000008
【図７】
2006250852.tif 000009