(57)【要約】【課題】ボイスコイル部の発熱によるプローブ走査装置（ＳＰＭ）の測定画像の精度の低下を防止する。【解決手段】試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、ボイスコイルモータはそれぞれのボイスコイル箱に収容され、一又は複数のボイスコイル箱には一又は複数の孔が形成され、孔を基準としてボイスコイル箱の外側にはファン５４が設けられ、ファン５４はボイスコイル箱内から前記孔を通って外側へと向かう空気流ａを発生させる、プローブ走査装置。【選択図】図１
2006267116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、さらに、各ボイスコイルモータを冷却するためのファン５４が設けられている、プローブ走査装置。
【請求項２】
試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、ボイスコイルモータはそれぞれのボイスコイル箱に収容され、一又は複数のボイスコイル箱には一又は複数の孔が形成され、ボイスコイル箱の外側にはファン５４が設けられ、ファン５４はボイスコイル箱内から前記孔を通って外側へと向かう空気流ａを発生させる、プローブ走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は走査型プローブ顕微鏡等のプローブ走査装置に関し、特に操作性が良好で、かつ熱等の影響を受けずに高精度に試料表面を観察できるようにしたズーム機能を備えたプローブ走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
先に、本出願人は図９に示されているようなズーム機能を有するプローブ走査装置を発明し、特許出願した（特願平８年１１８０１５号）。このプローブ走査装置の構成と動作を、以下に簡単に説明する。
【０００３】
筐体１の上内部に、心棒部３を有する磁石２と、その周囲にコイル６が巻回されている可動子４と、メンブレン５からなる第１のボイスコイルモー夕が取り付けられている。また、該可動子４には、ｚ方向に延びるスピンドル８が固着されている。このスピンドル８の下側端部には変位検出器９が装着され、さらに該変位検出器９にカンチレバーおよび探針（チップ）１０が装着されている。
【０００４】
一方、筐体１は試料室に突出する細管部１４とこれに連なる太管部１５とを有し、太管部１５の内側に粘性体１７を介して中筒１３が支持されている。そして、スピンドル８は該中筒に保持されている第１、第２のばね１１、１２により、弾性的に支持されている。加熱コイル１６は、探針１０のｚ粗動時に粘性体１７を軟化させるために通電される。
【０００５】
また、該筐体１の横内部に、心棒部２２を有する磁石２１と、その周囲にコイル２５が巻回されている可動子２３と、メンブレン２４からなる第２のボイスコイルモータが取り付けられている。該可動子２３には、ｘ方向に延びるスピンドル２７が取り付けられ、該スピンドル２７の解放端は前記太管部１５の一部１５ａに細線２６を介して固着されている。また、図示されていないが、該第２のボイスコイルモータと９０°異なる方向に、第３のボイスコイルモータが取り付けられており、前記と同様に、図示されていない細線とスピンドルが第３のボイスコイルモータの可動子と前記太管部１５との間を接続している。そして、前記第２および第３のボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１０はｘｙ方向に走査される。
【０００６】
前記探針１０と対向する位置には試料台３１が設けられ、該試料台３１上に検査または加工すべき試料３２が載置されている。また、該試料台３１は粗動ｘ，ｙ，ｚステージ３３上に設置されている。
前記磁石２１の近くには、ホルダ３４、加熱コイル３５、該ホルダ３４内に入れられた粘性体３６、一端がスピンドル２７に固定され、他端が該粘性体３６内に植立されている板ばね３７およびクランプ装置３８からなるズーム装置が設けられている。
【０００７】
このズーム装置によれば、加熱コイル３５に通電して粘性体３６を軟化させ、前記ｘ，ｙ走査機構により探針１０をズームする試料３２の位置上に運び、その後加熱コイル３５の通電を停止して、粘性体３６を固化させる。このようにすると、板ばね３７のばね定数が前記細管部１４と太管部１５の合成横方向のばね定数に加算され、ｘ走査幅が制限されることになる。ｙ方向も図示されていないズーム装置を作動させることにより、同様にｙ走査幅が制限されることになり、ズーム機能を実現することができる。なお、詳細は前記の特許出願の明細書に詳細に記されているので説明を省略する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記した装置には、次のような問題があった。(1)ズーム機能を作動させる時には、加熱コイル３５に通電して粘性体３６を軟化させ、探針１０をズームする試料３２の位置上に運び、その後加熱コイル３５の通電を停止して、粘性体３６を固化させるようにしていたので、加熱コイル３５に通電して粘性体３６を軟化させる時間、および加熱コイル３５の通電を停止して粘性体３６を固化させるに要する時間が大きく、素早くズーム動作に入れない。(2)ズーム機能を使用しない通常時は、加熱コイル３５に通電して粘性体３６を軟化させておく。この時、加熱コイル３５で発生した熱が板ばね３７、スピンドル２７を介して、細管部１４、太管部１５等からなるスキャナ部に伝わり、該スキャナ部を構成する部材が熱膨脹する。このため、探針１０が動かされ、試料３２の検出画像に歪みが生ずる。
【０００９】
この発明の目的は、前記した従来技術の問題点を除去し、操作性が良好で、かつ試料の検出画像に歪みが生じないプローブ走査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するために、本発明は、少なくとも、ｘ，ｙ方向に配置されたボイスコイルモータからの動力を、スピンドルを介してスキャナ部に伝達する構成を有するプローブ走査装置において、前記スピンドルに弾性部材を選択的に連結する低融点金属を用いたスイッチ手段を具備し、該スイッチ手段により、前記スピンドルに弾性部材を連結することによりズーミングさせるようにした点に第１の特徴がある。また、該スイッチ手段を外周に加熱部材が設けられた円筒状部材と、該円筒状部材の中に充填された低融点金属とから構成するようにした点に第２の特徴がある。  また、少なくとも、ｘ，ｙ方向に配置されたボイスコイルモータからの動力を、スピンドルを介して細管部と太管部とを含むスキャナ部に伝達する構成を有するプローブ走査装置において、前記細管部と同軸の弾性を有する円筒状管と、該円筒状管を前記太管部に選択的に連結するスイッチ手段を具備し、該スイッチ手段により、前記円筒状管を前記太管部に連結することによりズーミングさせるようにした点に第３の特徴がある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低融点金属を用いたスイッチ手段を用いているので、該低融点金属を固化から軟化に変化させる温度が低く、該スイッチ手段を切り替えるに要する熱量が少なくて済む。このため、スイッチ手段の切替えを素早く行うことができ、操作性の良好なズーム機構を提供することができる。また、スイッチ手段を切り替えるに要する熱量が少ないので、この熱がスキャナ部に伝導されて、該スキャナ部に悪影響が及ぼされるのを防止することができる。
本発明によれば、低融点金属を用いたスイッチ手段を用いているので、小さな熱量の供給および冷却で該スイッチ手段をオンオフできる。このため、スイッチ手段の切替えを素早く行うことができ、操作性の良好なズーム機構を提供することができる。また、スイッチ手段の切り替えに要する熱量が少ないので、スイッチ手段で使用された熱がスキャナ部に伝導されて、該スキャナ部が悪影響を与えるのを防止することができる。このため、信頼性の大きなズーム機構を有するプローブ走査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の要部の断面図を示す。本実施形態のズーム機構は、筐体１またはこれとは別部材で形成されたボイスコイル箱の中に収容されており、ズーム用ばね５１と、機械式ズームスイッチ５２と、平行ばね５３とから構成されている。５４はファンであり、前記ボイスコイル箱に形成された孔を通って、空気流ａを発生する働きをする。なお、他の符号は、図９と同一または同等物を示す。
【００１３】
次に、前記機械式ズームスイッチ５２の一具体例を、図２および図３を参照して説明する。図２は該機械式ズームスイッチ５２をスピンドル２７を含む面で切った断面図、図３は図２をＸ−Ｘ´線で切った断面図を示す。機械式ズームスイッチ５２は、図示されているように、外周の一部に加熱コイル６０が巻回された円筒状部材６１と、その中に充填された低融点金属６２から構成されている。前記ズーム用ばね５１は例えばＳＵＳで作ることができ、スピンドル２７は例えばインバー（ＩＮＶＡＲ）等の低熱膨脹材で作ることができる。ズーム用ばね５１は、図示の例では、円板状をしているが、十文字状であっても良いし他の形状であっても良い。
【００１４】
また、前記円筒状部材６１はアルミニュウム、真鍮等から作ることができ、低融点金属６２としてはウッドメタル（ｕアロイ）等を用いることができる。図４はｕアロイの粘性特性の一例を示す図であり、横軸に温度、縦軸に粘度を示している。図から明らかなように、ある成分のｕアロイの粘度は約５５°Ｃを境にして、大きく変化することが分かる。すなわち、約５５°Ｃまでは固化しており、この温度を越えると急激に軟化することが分かる。なお、前記では、ｘ方向のズーム機構について説明したが、ｙ方向にも同様のズーム機構が設けられていることは勿論である。  次に、本実施形態の動作を説明する。本実施形態のズーム機構を使用しない時には、前記加熱コイル６０に通電して低融点金属６２を約５５°Ｃを少し越える温度に設定する。そうすると、低融点金属６２は軟化しているので、スピンドル２７はズーム用ばね５１から切り離され、ズームのない通常の状態で動作させることができる。
【００１５】
いま、細管部１４と太管部１５のばね定数をｋ1、太管部１５に印加されるｘ，ｙ方向の力をそれぞれＦx，Ｆy、てこ拡大率をβとすると、ｘ，ｙ方向の走査幅ｘ1，ｙ１は下記のようになる。
ｘ1＝β・Ｆx／ｋ1  
ｙ1＝β・Ｆy／ｋ1
なお、この時、ファン５４は動作しているので、空気流ａが発生しており、スピンドル２７は冷却される。このため、この状態でプローブ走査装置を長時間使用しても、加熱コイル６０で発生した熱が太管部１５等のスキャナ部に伝わり、悪影響を及ぼすのを極力低減することができる。一方、ズーム機構を使用する時には、まず加熱コイル６０に通電して低融点金属６２を前記した温度まで加熱し、軟化させる。次いで、ｘ，ｙ走査機構により探針１０を試料検査位置に運び、その後加熱コイル６０への通電を停止し、低融点金属６２を固化させる。このように、スイッチ５２は、定温である約５５°Ｃを上下させるだけで切り替わるので、該スイッチ５２切り替わり動作は早い。このため、スピンドル２７をズーム用ばね５１に短時間に連結でき、操作性が極めて良くなる。
【００１６】
該ズーム用ばね５１のばね定数をｋ2とすると、この時のｘ，ｙ方向の走査幅ｘ2，ｙ2は下記のようになる。
ｘ2＝β・Ｆx／（ｋ1＋ｋ2）
ｙ2＝β・Ｆy／（ｋ1＋ｋ2）
例えば、ズーム用ばね５１のばね定数ｋ2が前記ばね定数ｋ1の９倍（ｋ2＝９ｋ1）であるとすると、ｘ2＝ｘ1・１／１０、ｙ2＝ｙ1・１／１０とすることができ、１０倍のズームを実現することができるようになる。
【００１７】
次に、探針１０を、ズーム観察する試料位置上に正確に担持する方法について説明する。探針１０をズーム観察する試料位置上に正確に担持するためには、ズーム機構の下記の性質を把握しておく必要がある。
第１には、ズーム機構を作動させると、探針１０が指す原点が移動することである。プローブ走査装置の初期状態、すなわち、前記スイッチ５２の定融点金属６２が固化している時には、探針１０は装置の原点が、図５(a)に示されているように位置Ｃ0にあったとする。この時、ズーム機構を作動させるために、ズーム機構の加熱コイル６０に通電し、低融点金属６２を軟化させると、この軟化により探針１０はΔＬ1だけずれて、位置Ｃ0'に移動する。すなわち、低融点金属６２を軟化させた時の原点はＣ0'となる。これとは逆に、低融点金属６２が軟化している時にこれを固化させると、探針１０の位置は、Ｃ0'からＣ0に戻る。
【００１８】
第２には、探針１０をズーム観察する試料位置に持っていくために、ｘ，ｙ方向のスピンドルに力Ｆx、Ｆyを印加し、その後、低融点金属６２を固化させて、該力Ｆx、Ｆyを０にすると、探針１０が該力Ｆx、Ｆyを印加されていた位置から少し元に戻る性質を有していることである。たとえば、図５(b)に示されているように、ｘ，ｙ方向のスピンドルに力Ｆx、Ｆyを印加し、探針１０を位置Ｃ2まで担持し、低融点金属６２を固化させて、該力Ｆx、Ｆyを０にすると、探針１０はΔＬ2だけ戻って、位置Ｃ3に来る。
【００１９】
上記の二つの性質を考慮に入れた、探針１０をズーム開始位置に担持する方法は、図６のようになる。今、プローブ走査装置の初期状態の原点をＣ0、目標とするズーム開始位置をＣx,yとした時、操作者が加熱コイル６０に通電して低融点金属６２を軟化させると、探針１０は位置Ｃ0'に来る。ここで、操作者は原点Ｃ0−Ｃx,y間の距離Ｌ1に力Ｆx、Ｆyを０にした時の戻り距離ΔＬ2を加えた距離だけ、原点Ｃ0とＣx,yを結ぶ方向に、探針１０を移動させるようにする。すなわち、図示されている位置Ｄ1に探針１０が来るように操作し、加熱コイル６０への通電を切って低融点金属６２を固化させ、スピンドル２７に加えていた力Ｆx、Ｆyを０にする。そうすると、探針１０は、低融点金属６２を固化させた時に、点線で示されているように、位置Ｄ1から位置Ｄ2に移動し、力Ｆx、Ｆyを０にした時に、位置Ｄ2から目標位置Ｃx,yに担持されることになる。
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、ズーム機構に、ある低い温度を境にして固化から軟化への変化、あるいはその逆の変化を急激に行う低融点金属を用いたので、加熱コイル６０に通電を開始すると該低融点金属を短時間で軟化させれるようになる。また、該低融点金属の固化から軟化への切り替わりが急激であるので、加熱コイル６０による加熱温度は軟化開始温度（約５５°Ｃ）を少し越えるだけで良い。このため、加熱コイル６０への通電を停止すると、該低融点金属の温度は短時間に前記軟化開始温度以下になり、低融点金属を軟化状態から固化状態へ切替えることができるようになる。この結果、素早くズーム動作に入ることができるようになる。なお、この時、前記ファン５４も低融点金属の冷却に寄与する。
【００２１】
また、本実施形態によれば、加熱コイル６０による加熱温度が低温であり、ファン５４が作動しておりかつスピンドル２７が低熱膨脹材で形成されているので、加熱コイル６０によって発生された熱は、スピンドル２７を熱膨脹させない。このため、細管部１４、太管部１５等からなるスキャナ部は加熱コイル６０によって発生された熱の影響を受けることはない。この結果、探針１０が動かされ、試料３２の検出画像に歪みが生ずるの防止することができる。
【００２２】
次に、本発明の他の実施形態について、図７を参照して説明する。この実施形態では、細管部１４の外側に、筐体１と一体で同軸状に構成された円筒状管７１が設けられ、さらにその外側にセラミック等から形成された断熱部材７２を介して熱伝導棒７３が１本または複数本取り付けられている。また熱伝導棒７３はリング状の形状であっても良い。太管部１５の外側には、セラミック等の断熱部材から形成されたホルダ７４が固定され、該ホルダ７４内に低融点金属（例えば、ｕアロイ）７５が収容されている。前記熱伝導棒７３の断熱部材７２側の端部には、加熱コイル７６が巻回され、他方の端部はホルダ７４内に挿入されている。７７はファンであり、孔１５ｂを通る空気流ａを起こすことにより、太管部１５を冷却するようにしている。なお、前記以外の符号は、図９と同一または同等物を示す。
【００２３】
次に、本実施形態の動作を説明する。ズーム機構を使用しない時には、加熱コイル７６に通電し、熱伝導棒７３を介して低融点金属７５に熱を供給する。これにより、ホルダ７４内の低融点金属７５は軟化し、円筒状管７１は太管部１５から切り離された状態になり、細管部１４、太管部１５等からなるスキャナ部は通常の動作をする。なお、この時、ファン７７は作動しているので、低融点金属７５の熱がホルダ７４を介して前記スキャナ部に伝わるのを、極力低減することができる。  ズーム機構を使用する時には、加熱コイル７６への通電を停止し、低融点金属７５の加熱を中止する。これにより、低融点金属７５は固化し、円筒状管７１は太管部１５に連結される。この状態でｘ，ｙ方向のスピンドル２７によりｘ，ｙ走査をすると、ｘ，ｙ方向の走査幅ｘ3，ｙ3は下記のようになる。
【００２４】
ｘ3＝β・Ｆx／（ｋ1＋ｋ3）
ｙ3＝β・Ｆy／（ｋ1＋ｋ3）
ここに、ｋ3は円筒状管７１のばね定数である。
この実施形態によれば、ホルダ７４内に低融点金属７５が収容されているので、該低融点金属７５の固化、軟化の切替えが短時間に行えるようになり、素早くズーム動作に入ることができるようになる。また、加熱コイル７６で発生された熱は熱伝導棒７３を介してのみスキャナ部に伝わるので、換言すれば加熱コイル７６で発生された熱のうち低融点金属７５の加熱に寄与しない不要な熱はスキャナ部側に全く伝わらないので、スキャナ部に伝わる熱を極力抑えることができるようになる。また、スキャナ部は常時、ファン７７により冷却されている。このため、スキャナ部が熱の影響を受けて膨脹したり、該熱により粘性体１７が軟化したりするという問題がなくなる。
【００２５】
次に、図８を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。この実施形態の特徴は、図１のものに、第２の機械式ズームスイッチ５５を付加した点に特徴がある。該第２の機械式ズームスイッチ５５を第１の機械式ズームスイッチ５５と並列に作動させると、ズームの倍率を大幅に上げることができる。
【００２６】
例えば、細管部１４と太管部１５のばね定数をｋ1＝ｋ、ズーム用ばね５１のばね定数をｋ2＝９ｋ、ズーム用ばね５６のばね定数をｋ3＝９０ｋとすると、ｘ，ｙ方向の走査幅ｘ4，ｙ4は下記のようになり、１００倍ズームを実現することができる。
【００２７】
ｘ4＝β・Ｆx／（ｋ1＋ｋ2＋ｋ3）＝β・Ｆx／１００ｋ
ｙ4＝β・Ｆy／（ｋ1＋ｋ2＋ｋ3）＝β・Ｆy／１００ｋ
なお、この実施形態では、第２の機械式ズームスイッチ５５を付加したものであるが、さらに第３、第４の機械式ズームスイッチを付加するようにしても良い。また、本発明の他の実施形態として、図１または図８のズーム機構と、図７のズーム機構とを併用しても良い。
【００２８】
本発明によれば、低融点金属を用いたスイッチ手段を用いているので、小さな熱量の供給および冷却で該スイッチ手段をオンオフできる。このため、スイッチ手段の切替えを素早く行うことができ、操作性の良好なズーム機構を提供することができる。また、スイッチ手段の切り替えに要する熱量が少ないので、スイッチ手段で使用された熱がスキャナ部に伝導されて、該スキャナ部が悪影響を与えるのを防止することができる。このため、信頼性の大きなズーム機構を有するプローブ走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の要部の構成の断面図である。
【図２】図１の機械式ズームスイッチの一例の断面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ´線断面図である。
【図４】低融点金属（ｕ−アロイ）の粘性特性を示す図である。
【図５】本実施形態の動作の特徴の説明図である。
【図６】ズーム位置合わせの方法の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の要部の構成の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の要部の構成の断面図である。
【図９】先に出願されたプローブ走査装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  筐体
１０  探針
１４  細管部
１５  太管部
１７  粘性体
２３  可動子
２７  スピンドル
５１、５６  ズーム用ばね
５２、５５  機械式ズームスイッチ
５３  平行ばね
５４  ファン
６０  加熱コイル
６１  円筒状部材
６２  低融点金属
７１  円筒状管
７２  断熱部材
７３  熱伝導棒
７４  ホルダ
７５  低融点金属
７７  ファン
【図１】
2006267116.tif 000003
【図２】
2006267116.tif 000004
【図３】
2006267116.tif 000005
【図４】
2006267116.tif 000006
【図５】
2006267116.tif 000007
【図６】
2006267116.tif 000008
【図７】
2006267116.tif 000009
【図８】
2006267116.tif 000010
【図９】
2006267116.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月1日(2006.5.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、さらに、各ボイスコイルモータを冷却するためのファン５４が設けられている、プローブ走査装置。
【請求項２】
試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、ボイスコイルモータはそれぞれのボイスコイル箱に収容され、一又は複数のボイスコイル箱には一又は複数の孔が形成され、ボイスコイル箱の外側にはファン５４が設けられ、ファン５４はボイスコイル箱内から前記孔を通って外側へと向かう空気流ａを発生させる、プローブ走査装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプローブ装置において、ファン５４がボイスコイルモータを冷却する手段に置換されたことを特徴とする、プローブ走査装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡等のプローブ走査装置に関し、特に操作性が良好で、かつ熱等の影響を受けずに高精度に試料表面を観察できるようにしたプローブ走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
先に、本出願人は図９に示されているようなプローブ走査装置を発明し、特許出願した（特願平８年１１８０１５号：特許文献１）。このプローブ走査装置の構成と動作を、以下に簡単に説明する。
【０００３】
筐体１の上内部に、心棒部３を有する磁石２と、その周囲にコイル６が巻回されている可動子４と、メンブレン５からなる第１のボイスコイルモー夕が取り付けられている。また、該可動子４には、ｚ方向に延びるスピンドル８が固着されている。このスピンドル８の下側端部には変位検出器９が装着され、さらに該変位検出器９にカンチレバーおよび探針（チップ）１０が装着されている。
【０００４】
一方、筐体１は試料室に突出する細管部１４とこれに連なる太管部１５とを有し、太管部１５の内側に粘性体１７を介して中筒１３が支持されている。そして、スピンドル８は該中筒に保持されている第１、第２のばね１１、１２により、弾性的に支持されている。加熱コイル１６は、探針１０のｚ粗動時に粘性体１７を軟化させるために通電される。
【０００５】
また、該筐体１の横内部に、心棒部２２を有する磁石２１と、その周囲にコイル２５が巻回されている可動子２３と、メンブレン２４からなる第２のボイスコイルモータが取り付けられている。該可動子２３には、ｘ方向に延びるスピンドル２７が取り付けられ、該スピンドル２７の解放端は前記太管部１５の一部１５ａに細線２６を介して固着されている。また、図示されていないが、該第２のボイスコイルモータと９０°異なる方向に、第３のボイスコイルモータが取り付けられており、前記と同様に、図示されていない細線とスピンドルが第３のボイスコイルモータの可動子と前記太管部１５との間を接続している。そして、前記第２および第３のボイスコイルモータを駆動することにより、前記探針１０はｘｙ方向に走査される。
【０００６】
前記探針１０と対向する位置には試料台３１が設けられ、該試料台３１上に検査または加工すべき試料３２が載置されている。また、該試料台３１は粗動ｘ，ｙ，ｚステージ３３上に設置されている。
前記磁石２１の近くには、ホルダ３４、加熱コイル３５、該ホルダ３４内に入れられた粘性体３６、一端がスピンドル２７に固定され、他端が該粘性体３６内に植立されている板ばね３７およびクランプ装置３８からなるズーム装置が設けられている。
【０００７】
このズーム装置によれば、加熱コイル３５に通電して粘性体３６を軟化させ、前記ｘ，ｙ走査機構により探針１０をズームする試料３２の位置上に運び、その後加熱コイル３５の通電を停止して、粘性体３６を固化させる。このようにすると、板ばね３７のばね定数が前記細管部１４と太管部１５の合成横方向のばね定数に加算され、ｘ走査幅が制限されることになる。ｙ方向も図示されていないズーム装置を作動させることにより、同様にｙ走査幅が制限されることになり、ズーム機能を実現することができる。
【特許文献１】特願平８年１１８０１５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の課題は、より優れたプローブ走査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る第一のプローブ走査装置は、試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、さらに、各ボイスコイルモータを冷却するためのファン５４が設けられている。
また、本発明に係る第二のプローブ走査装置でも、上記課題を好適に解決することができる。本発明に係る第二のプローブ装置は、試料台３１に載置される試料３２と対向する位置に配置される探針１０を、試料３２に対して相対的に移動させる一又は複数のボイスコイルモータが探針１０に直接又は間接に接続し、ボイスコイルモータはそれぞれのボイスコイル箱に収容され、一又は複数のボイスコイル箱には一又は複数の孔が形成され、ボイスコイル箱の外側にはファン５４が設けられ、ファン５４はボイスコイル箱内から前記孔を通って外側へと向かう空気流ａを発生させる構成が採用されている。
【００１０】
また、これらのプローブ走査装置において、ファン５４は主としてボイスコイルモータを冷却するために設けられているのであるから、他の冷却手段に適宜変更することは当然に可能である。
【発明の効果】
【００１１】
上記説明からも明らかなように、本発明に係るプローブ操作装置は、冷却手段、好適にはファンが、ボイスコイルモータの熱を奪うことができる。そのため、ボイスコイルモータやそれと熱的に接続する部材（例えばスピンドル２７や低融点金属６２など）の熱膨張を好適に防止する。その結果、探針１０、一般にはそれと接続するスキャナ部に影響を与え、その結果探針１０を制御位置からずらしてしまい（動かしてしまい）、最終的に探針１０を用いた試料３２の検出画面に歪みが生じてしまう、ということを極めて効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を参照しながら、本発明に係る発明の実施の形態例（適宜、「本発明の」のように表記するが、発明の一実施形態であることは自明である。）を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の要部の断面図を示す。本実施形態のズーム機構は、筐体１またはこれとは別部材で形成されたボイスコイル箱の中に収容されており、ズーム用ばね５１と、機械式ズームスイッチ５２と、平行ばね５３とから構成されている。５４はファンであり、前記ボイスコイル箱に形成された孔を通って、空気流ａを発生する働きをする。なお、他の符号は、図９と同一または同等物を示す。
【００１３】
次に、前記機械式ズームスイッチ５２の一具体例を、図２および図３を参照して説明する。図２は該機械式ズームスイッチ５２をスピンドル２７を含む面で切った断面図、図３は図２をＸ−Ｘ´線で切った断面図を示す。機械式ズームスイッチ５２は、図示されているように、外周の一部に加熱コイル６０が巻回された円筒状部材６１と、その中に充填された低融点金属６２から構成されている。前記ズーム用ばね５１は例えばＳＵＳで作ることができ、スピンドル２７は例えばインバー（ＩＮＶＡＲ）等の低熱膨脹材で作ることができる。ズーム用ばね５１は、図示の例では、円板状をしているが、十文字状であっても良いし他の形状であっても良い。
【００１４】
また、前記円筒状部材６１はアルミニュウム、真鍮等から作ることができ、低融点金属６２としてはウッドメタル（ｕアロイ）等を用いることができる。図４はｕアロイの粘性特性の一例を示す図であり、横軸に温度、縦軸に粘度を示している。図から明らかなように、ある成分のｕアロイの粘度は約５５°Ｃを境にして、大きく変化することが分かる。すなわち、約５５°Ｃまでは固化しており、この温度を越えると急激に軟化することが分かる。なお、前記では、ｘ方向のズーム機構について説明したが、ｙ方向にも同様のズーム機構が設けられていることは勿論である。  次に、本実施形態の動作を説明する。本実施形態のズーム機構を使用しない時には、前記加熱コイル６０に通電して低融点金属６２を約５５°Ｃを少し越える温度に設定する。そうすると、低融点金属６２は軟化しているので、スピンドル２７はズーム用ばね５１から切り離され、ズームのない通常の状態で動作させることができる。
【００１５】
いま、細管部１４と太管部１５のばね定数をｋ1、太管部１５に印加されるｘ，ｙ方向の力をそれぞれＦx，Ｆy、てこ拡大率をβとすると、ｘ，ｙ方向の走査幅ｘ1，ｙ１は下記のようになる。
ｘ1＝β・Ｆx／ｋ1  
ｙ1＝β・Ｆy／ｋ1
なお、この時、ファン５４は動作しているので、空気流ａが発生しており、スピンドル２７は冷却される。このため、この状態でプローブ走査装置を長時間使用しても、加熱コイル６０で発生した熱が太管部１５等のスキャナ部に伝わり、悪影響を及ぼすのを極力低減することができる。一方、ズーム機構を使用する時には、まず加熱コイル６０に通電して低融点金属６２を前記した温度まで加熱し、軟化させる。次いで、ｘ，ｙ走査機構により探針１０を試料検査位置に運び、その後加熱コイル６０への通電を停止し、低融点金属６２を固化させる。このように、スイッチ５２は、定温である約５５°Ｃを上下させるだけで切り替わるので、該スイッチ５２切り替わり動作は早い。このため、スピンドル２７をズーム用ばね５１に短時間に連結でき、操作性が極めて良くなる。
【００１６】
該ズーム用ばね５１のばね定数をｋ2とすると、この時のｘ，ｙ方向の走査幅ｘ2，ｙ2は下記のようになる。
ｘ2＝β・Ｆx／（ｋ1＋ｋ2）
ｙ2＝β・Ｆy／（ｋ1＋ｋ2）
例えば、ズーム用ばね５１のばね定数ｋ2が前記ばね定数ｋ1の９倍（ｋ2＝９ｋ1）であるとすると、ｘ2＝ｘ1・１／１０、ｙ2＝ｙ1・１／１０とすることができ、１０倍のズームを実現することができるようになる。
【００１７】
次に、探針１０を、ズーム観察する試料位置上に正確に担持する方法について説明する。探針１０をズーム観察する試料位置上に正確に担持するためには、ズーム機構の下記の性質を把握しておく必要がある。
第１には、ズーム機構を作動させると、探針１０が指す原点が移動することである。プローブ走査装置の初期状態、すなわち、前記スイッチ５２の定融点金属６２が固化している時には、探針１０は装置の原点が、図５(a)に示されているように位置Ｃ0にあったとする。この時、ズーム機構を作動させるために、ズーム機構の加熱コイル６０に通電し、低融点金属６２を軟化させると、この軟化により探針１０はΔＬ1だけずれて、位置Ｃ0'に移動する。すなわち、低融点金属６２を軟化させた時の原点はＣ0'となる。これとは逆に、低融点金属６２が軟化している時にこれを固化させると、探針１０の位置は、Ｃ0'からＣ0に戻る。
【００１８】
第２には、探針１０をズーム観察する試料位置に持っていくために、ｘ，ｙ方向のスピンドルに力Ｆx、Ｆyを印加し、その後、低融点金属６２を固化させて、該力Ｆx、Ｆyを０にすると、探針１０が該力Ｆx、Ｆyを印加されていた位置から少し元に戻る性質を有していることである。たとえば、図５(b)に示されているように、ｘ，ｙ方向のスピンドルに力Ｆx、Ｆyを印加し、探針１０を位置Ｃ2まで担持し、低融点金属６２を固化させて、該力Ｆx、Ｆyを０にすると、探針１０はΔＬ2だけ戻って、位置Ｃ3に来る。
【００１９】
上記の二つの性質を考慮に入れた、探針１０をズーム開始位置に担持する方法は、図６のようになる。今、プローブ走査装置の初期状態の原点をＣ0、目標とするズーム開始位置をＣx,yとした時、操作者が加熱コイル６０に通電して低融点金属６２を軟化させると、探針１０は位置Ｃ0'に来る。ここで、操作者は原点Ｃ0−Ｃx,y間の距離Ｌ1に力Ｆx、Ｆyを０にした時の戻り距離ΔＬ2を加えた距離だけ、原点Ｃ0とＣx,yを結ぶ方向に、探針１０を移動させるようにする。すなわち、図示されている位置Ｄ1に探針１０が来るように操作し、加熱コイル６０への通電を切って低融点金属６２を固化させ、スピンドル２７に加えていた力Ｆx、Ｆyを０にする。そうすると、探針１０は、低融点金属６２を固化させた時に、点線で示されているように、位置Ｄ1から位置Ｄ2に移動し、力Ｆx、Ｆyを０にした時に、位置Ｄ2から目標位置Ｃx,yに担持されることになる。
【００２０】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、ズーム機構に、ある低い温度を境にして固化から軟化への変化、あるいはその逆の変化を急激に行う低融点金属を用いたので、加熱コイル６０に通電を開始すると該低融点金属を短時間で軟化させれるようになる。また、該低融点金属の固化から軟化への切り替わりが急激であるので、加熱コイル６０による加熱温度は軟化開始温度（約５５°Ｃ）を少し越えるだけで良い。このため、加熱コイル６０への通電を停止すると、該低融点金属の温度は短時間に前記軟化開始温度以下になり、低融点金属を軟化状態から固化状態へ切替えることができるようになる。この結果、素早くズーム動作に入ることができるようになる。なお、この時、前記ファン５４も低融点金属の冷却に寄与する。
【００２１】
また、本実施形態によれば、加熱コイル６０による加熱温度が低温であり、ファン５４が作動しておりかつスピンドル２７が低熱膨脹材で形成されているので、加熱コイル６０によって発生された熱は、スピンドル２７を熱膨脹させない。このため、細管部１４、太管部１５等からなるスキャナ部は加熱コイル６０によって発生された熱の影響を受けることはない。この結果、探針１０が動かされ、試料３２の検出画像に歪みが生ずるの防止することができる。
【００２２】
次に、本発明の他の実施形態について、図７を参照して説明する。この実施形態では、細管部１４の外側に、筐体１と一体で同軸状に構成された円筒状管７１が設けられ、さらにその外側にセラミック等から形成された断熱部材７２を介して熱伝導棒７３が１本または複数本取り付けられている。また熱伝導棒７３はリング状の形状であっても良い。太管部１５の外側には、セラミック等の断熱部材から形成されたホルダ７４が固定され、該ホルダ７４内に低融点金属（例えば、ｕアロイ）７５が収容されている。前記熱伝導棒７３の断熱部材７２側の端部には、加熱コイル７６が巻回され、他方の端部はホルダ７４内に挿入されている。７７はファンであり、孔１５ｂを通る空気流ａを起こすことにより、太管部１５を冷却するようにしている。なお、前記以外の符号は、図９と同一または同等物を示す。
【００２３】
次に、本実施形態の動作を説明する。ズーム機構を使用しない時には、加熱コイル７６に通電し、熱伝導棒７３を介して低融点金属７５に熱を供給する。これにより、ホルダ７４内の低融点金属７５は軟化し、円筒状管７１は太管部１５から切り離された状態になり、細管部１４、太管部１５等からなるスキャナ部は通常の動作をする。なお、この時、ファン７７は作動しているので、低融点金属７５の熱がホルダ７４を介して前記スキャナ部に伝わるのを、極力低減することができる。  ズーム機構を使用する時には、加熱コイル７６への通電を停止し、低融点金属７５の加熱を中止する。これにより、低融点金属７５は固化し、円筒状管７１は太管部１５に連結される。この状態でｘ，ｙ方向のスピンドル２７によりｘ，ｙ走査をすると、ｘ，ｙ方向の走査幅ｘ3，ｙ3は下記のようになる。
【００２４】
ｘ3＝β・Ｆx／（ｋ1＋ｋ3）
ｙ3＝β・Ｆy／（ｋ1＋ｋ3）
ここに、ｋ3は円筒状管７１のばね定数である。
この実施形態によれば、ホルダ７４内に低融点金属７５が収容されているので、該低融点金属７５の固化、軟化の切替えが短時間に行えるようになり、素早くズーム動作に入ることができるようになる。また、加熱コイル７６で発生された熱は熱伝導棒７３を介してのみスキャナ部に伝わるので、換言すれば加熱コイル７６で発生された熱のうち低融点金属７５の加熱に寄与しない不要な熱はスキャナ部側に全く伝わらないので、スキャナ部に伝わる熱を極力抑えることができるようになる。また、スキャナ部は常時、ファン７７により冷却されている。このため、スキャナ部が熱の影響を受けて膨脹したり、該熱により粘性体１７が軟化したりするという問題がなくなる。
【００２５】
次に、図８を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。この実施形態の特徴は、図１のものに、第２の機械式ズームスイッチ５５を付加した点に特徴がある。該第２の機械式ズームスイッチ５５を第１の機械式ズームスイッチ５５と並列に作動させると、ズームの倍率を大幅に上げることができる。
【００２６】
例えば、細管部１４と太管部１５のばね定数をｋ1＝ｋ、ズーム用ばね５１のばね定数をｋ2＝９ｋ、ズーム用ばね５６のばね定数をｋ3＝９０ｋとすると、ｘ，ｙ方向の走査幅ｘ4，ｙ4は下記のようになり、１００倍ズームを実現することができる。
【００２７】
ｘ4＝β・Ｆx／（ｋ1＋ｋ2＋ｋ3）＝β・Ｆx／１００ｋ
ｙ4＝β・Ｆy／（ｋ1＋ｋ2＋ｋ3）＝β・Ｆy／１００ｋ
なお、この実施形態では、第２の機械式ズームスイッチ５５を付加したものであるが、さらに第３、第４の機械式ズームスイッチを付加するようにしても良い。また、本発明の他の実施形態として、図１または図８のズーム機構と、図７のズーム機構とを併用しても良い。
【００２８】
上記実施形態によれば、スイッチ手段の切り替えに要する熱量が少ないので、スイッチ手段で使用された熱がスキャナ部に伝導されて、該スキャナ部が悪影響を与えるのを防止することもできる。このため、信頼性の大きなプローブ走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の要部の構成の断面図である。
【図２】図１の一例の断面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ´線断面図である。
【図４】低融点金属（ｕ−アロイ）の粘性特性を示す図である。
【図５】本実施形態の動作の特徴の説明図である。
【図６】ズーム位置合わせの方法の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の要部の構成の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の要部の構成の断面図である。
【図９】先に出願されたプローブ走査装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  筐体
１０  探針
１４  細管部
１５  太管部
１７  粘性体
２３  可動子
２７  スピンドル
５１、５６  ズーム用ばね
５２、５５  機械式ズームスイッチ
５３  平行ばね
５４  ファン
６０  加熱コイル
６１  円筒状部材
６２  低融点金属
７１  円筒状管
７２  断熱部材
７３  熱伝導棒
７４  ホルダ
７５  低融点金属
７７  ファン