(57)【要約】  走査型プローブ顕微鏡は、静電面アクチュエータと走査プローブチップを含む。静電面アクチュエータは並進装置とステータを含む。並進装置は第１の面上に配置された第１の電極を有する。ステータは第２の面上に配置された第２の電極を有する。並進装置は第１の面と第２の面が向き合い、並進装置が第１の面と第２の面に対して第１の方向でステータに対して移動できるようにステータに弾性結合される。走査プローブチップは並進装置に結合される。第１の電極と第２の電極は、印加された電圧に応答して、走査プローブチップが並進装置の移動によって制御可能に位置づけられるように、並進装置をステータに対して第１の方向で移動するようにアライメントされた静電気力を生成するようにアライメントされる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面を有し前記第１の面上に配置された第１の電極を備える並進装置と、
第２の面を有し前記第２の面上に配置された第２の電極を備えるステータとを備える静電面アクチュエータと、
前記並進装置に結合された走査プローブチップとを備える走査型プローブ顕微鏡であって、
前記並進装置が、前記第１の面と第２の面が互いに向き合い前記並進装置が前記第１の面と第２の面に対して平行な第１の方向で前記ステータに対して移動できるように前記ステータに弾性結合され、
前記第１の電極と前記第２の電極が、印加される電圧に応答して、前記並進装置を前記ステータに対して第１の方向で動かすことのできる静電気力を生成するように構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記静電面アクチュエータはさらに、前記ステータと前記並進装置の間に伸びる可動サスペンションを備え、
前記可動サスペンションは、前記可動サスペンションに直交する方向よりも前記第１の方向でより大きなコンプライアンスを有することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記並進装置は第１の並進装置を構成し、
前記静電面アクチュエータはさらに、第３の面と、前記第３の面上に配置された第３の電極を備える第２の並進装置とを備え、
前記第１の並進装置は、第４の面と、前記第４の面上に配置された第４の電極とを備え、
前記第２の並進装置が、前記第３の面と第４の面が互いに向き合い、前記第２の並進装置が前記第３と第４の面に対しては平行で前記第１の方向に対しては直交する第２の方向で第１の並進装置に対して移動できるように前記第１の並進装置に弾性結合され、
前記第３の電極と第４の電極が、印加される電圧に応答して、前記第２の並進装置を前記第１の並進装置に対して前記第２の方向で移動するようにアライメントされた静電気力を生成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記静電面アクチュエータは、前記ステータと前記第１の並進装置の間に伸びる第１の可動サスペンションと、前記第１の並進装置と前記第２の並進装置の間に伸びる第２の可動サスペンションとをさらに備え、
前記第１の可動サスペンションは前記可動サスペンションに対して直交する方向よりも前記第１の方向でより大きなコンプライアンスを有し、
前記第２の可動サスペンションは前記可動サスペンションに対して直交する方向よりも前記第２の方向でより大きなコンプライアンスを有することを特徴とする請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記走査型プローブ顕微鏡はさらに、基部と、前記静電面アクチュエータと前記基部との間に配置された圧電アクチュエータとを備え、
前記圧電アクチュエータは、前記静電面アクチュエータを前記基部に対して第３の方向に動かすように動作可能であり、
前記第３の方向は、前記第１の方向と前記第２の方向に対して直交することを特徴とする請求項３または４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記走査型プローブ顕微鏡はさらに、第２の方向と、前記第２の方向と直交する第３の方向の各方向に動くことのできる装着段を備える２次元アクチュエータを備え、
前記静電面アクチュエータは、前記第１の方向が、前記第２の方向と前記第３の方向に対して直交するように前記装着段に装着されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記二次元アクチュエータは、二次元圧電アクチュエータと二次元静電面アクチュエータのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記第１の電極は反復距離を画定し、
前記第１の電極と第２の電極の間の距離は空隙距離を画定し、
前記反復距離を前記空隙距離で割ると１６未満であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記第１の電極は前記第１の面上で互いに平行に配置された導電材のストリップであり、
前記第２の電極は前記第２の面上で互いに平行に配置された導電材のストリップであり、
前記第１の電極は前記第２の電極に対して平行であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記第１の電極に電気接続されて電圧の一部を印加し、空間的に交互な反復電圧パターンを前記第１の電極上に確立する電源と、
前記第２の電極に電気接続されて電圧の他の部分を印加し、空間的に実質的に交互な反復電圧パターンを前記第２の電極上に確立する電圧コントローラとをさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記第１の面と前記第２の面の間に配置された誘電性の液体をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記第１の面と前記第２の面のうち少なくとも１つに配置された疎水性誘電膜をさらに備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記並進装置は第１の並進装置を構成し、
前記静電面アクチュエータはさらに、第３の面を有する第２の並進装置を備え、
前記第２の並進装置は、前記第２の並進装置が前記ステータに対して第１の方向で移動できるように、前記第３の面と前記第２の面が互いに向き合うように前記ステータに弾性結合されることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記静電面アクチュエータはさらに、前記第３の面に配置された第３の電極を備え、
前記ステータはさらに、前記第２の面に配置された第４の電極を備え、
前記第３の電極と前記第４の電極は、印加された電圧に応答して、前記第２の並進装置を前記ステータに対して前記第１の方向で移動させるようにアライメントされた静電気力を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
第１の重心が前記第１の並進装置で画定され、
第２の重心が前記第２の並進装置で画定され、
前記第１の重心と前記第２の重心を介して画定される線は前記第１の方向に対して平行であることを特徴とする請求項１４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記第１の並進装置と前記第２の並進装置をリンクする、方向反転構造をさらに備える請求項１３から１５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
前記プローブチップを前記並進装置に結合するカンチレバーをさらに備えることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
前記カンチレバーと前記並進装置の間に配置されたハンドルをさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
ステータと並進装置とを備える静電面アクチュエータと、プローブチップとを提供するステップと、
前記プローブチップを前記並進装置に結合するステップと、
前記試料面の上を前記プローブで走査するために、前記並進装置を前記ステータに対して第１の方向に静電気力で動かすステップと、
前記試料面の上の前記プローブの走査に応答して、前記プローブの性質を感知することとを含む試料面を走査するステップとを含む方法。
【請求項２０】
前記並進装置を、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に移動するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記並進装置を、前記第１の方向と前記第２の方向に対して直交する第３の方向に移動するステップをさらに含む請求項２０に記載の方法。
【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に関する。特に本発明は、静電面アクチュエータを使用して走査プローブチップの位置を決める走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡が知られている。たとえば特許文献１は、原子レベルの解像度で物体面を撮像する方法を記述している。特許文献２は、走査型プローブ顕微鏡用のボイスコイルスキャナ、特許文献３は、走査型プローブ顕微鏡用の圧電スキャナを記述している。知られた走査型プローブ顕微鏡は圧電アクチュエータを使用して試料面上のプローブの位置を定め、このアクチュエータが印加された電圧を移動に変換し、１００μｍから０．１ｎｍまでの移動範囲で有用である。残念ながら、これらの圧電アクチュエータはクリープと機械的共振による限界を有する。電圧を印加すると、圧電アクチュエータは対応する位置に移動する。圧電材はその位置で「弛緩する」。第２の電圧を印加すると、第２の電圧に対応する位置は、最初の電圧が印加された時の位置に対応する「記憶」を示す。これはヒステリシスと呼ばれる。圧電アクチュエータの位置は印加された電圧の履歴に依存する。
【０００３】
表面上でプローブを走査するとき、走査速度は特に、チップの磨耗、試料の磨耗、カンチレバー応答時間、検出器の感度、ソフトウェア取得回数、外部振動、使用可能な走査速度、チップを表面に対して垂直に加速するために使用可能な加速度など、いくつかの因子によって限定される。これらの領域のうち多くで大幅な進展が見られた。たとえば、ある研究グループは、データ記憶用途のための高周波チップを示した。非特許文献１を参照されたい。しかし、チップの最大加速度は依然として非常に限定されており、従来の走査プローブについては重力加速度（ｇ）の数倍程度に過ぎない。
【０００４】
圧電アクチュエータを使用して走査顕微鏡プローブチップを移動すると、走査速度は限定される。走査速度を上げて作動すると、プローブチップは印加電圧よりも圧電アクチュエータの機械的共振によって駆動されるようになる。これにより圧電アクチュエータで達成可能な走査速度が限定される。
【０００５】
いくつかの作動段を互いに積み重ねると、圧電アクチュエータの大きな質量は複合作用を有する。一部の走査型プローブ顕微鏡では、ｚ−アクチュエータをｘ−ｙ段に装着することが望ましい。ｚアクチュエータの大きな質量により、ｘ−ｙ段が生成できる走査速度が低減される。またプローブが加速されると、ｚ−アクチュエータの大きな質量はｘ−ｙ段に大きな反作用の力を与える。特許文献３と４は、アクチュエータの２つの部分を相対する方向で動かすことによって反作用の力を低減する、バランス型圧電アクチュエータを開示している。走査型プローブ顕微鏡のｚアクチュエータにバランス型圧電アクチュエータを適用すると、ｚアクチュエータの大きさと質量が２倍になり、ｘ−ｙ段が提供できる走査速度がさらに低減される。このようなバランス型アクチュエータの制御は困難であり、走査型プローブ顕微鏡全体をさらに複雑にする。さらに、圧電アクチュエータは記憶またはクリープ問題を有し、これによって圧電アクチュエータの位置が印加された電圧の履歴に依存することが知られている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，７２４，３１８号
【特許文献２】米国特許第６，００５，２５１号
【特許文献３】米国特許第６，３２３，４８３号
【特許文献４】米国特許第５，５２４，３５４号
【非特許文献１】Ｒｅｉｄ  ｅｔ  ａｌ．，５ＭＨｚ、２Ｎ／ｍ  Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ＩＮＣＩＳＩＶＥ  ｔｉｐｓ、１９９７  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｃｈｉｃａｇｏ  Ｊｕｎｅ  １９９７，ｐｐ．４４７−４５０
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様では、静電面アクチュエータを使用してプローブチップを走査する走査型プローブ顕微鏡を提供する。静電面アクチュエータは並進装置とステータを含む。
並進装置は第１の面に配置された第１の電極を有する。ステータは第２の面に配置された第２の電極を有する。並進装置は、第１の面と第２の面が互いに相対し、並進装置が第１の面と第２の面に対して平行な第１の方向でステータに対して移動するように、ステータと弾性結合される。走査プローブチップは並進装置に結合する。第１の電極と第２の電極は、印加される電圧に応答して、並進装置をステータに対して第１の方向で移動させることのできる静電気力を生成するようにアライメントされる。このような並進装置の動きにより、走査プローブチップを位置を制御可能に決定することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様では、プローブチップと静電面アクチュエータを備える、試料面を走査する方法を提供する。静電面アクチュエータはステータと並進装置を備える。プローブチップは並進装置に結合される。並進装置は静電気によってステータに対して第１の方向で移動し、プローブチップを試料面上で走査し、プローブチップの特性は試料面上のプローブの走査に応答して感知される。
【０００９】
従来の走査型プローブ顕微鏡の性能を限定する主な因子は、試料面に対して垂直方向でプローブチップを位置づけるために使用される圧電アクチュエータまたは磁気アクチュエータの質量である。カンチレバーとプローブチップの質量をあわせても数ナノグラムに過ぎないが、プローブチップを位置づけるために使用される従来のアクチュエータは数十グラムから数百グラムもの質量を有する。プローブチップを位置づけ加速する際に、生成された力のほとんどはアクチュエータ自体を加速するために使用される。プローブチップの質量とより密接に一致するアクチュエータを有することが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を、次の図を参照しながら例としての実施形態に関する次の説明の中で詳細に記述する。
【００１１】
本発明の実施形態では、走査型プローブ顕微鏡は、走査プローブチップに動作して結合する静電面駆動アクチュエータを使用する。走査プローブチップは、原子間力顕微鏡チップ（ＡＦＭチップ）、磁力顕微鏡チップ（ＭＦＭチップ）、走査型トンネル顕微鏡チップ（ＳＴＭチップ）、電界放出形走査電子顕微鏡チップ（ＳＦＭチップ）、電気力顕微鏡チップ（ＥＦＭ）、走査型熱顕微鏡チップ、近接場光学顕微鏡チップ（ＳＮＯＭチップ）、または、任意の他の走査プローブチップであってよい。静電面アクチュエータは、プローブチップを接着できる大きな面積を提供する。静電面アクチュエータは、試料面にわたる大きな移動範囲（１００μｍ）で走査プローブチップの位置を決め駆動することができる。さらに、静電面アクチュエータは高い共振周波数を有するので、プローブチップは高速な走査速度で非常に正確かつ精密に動くことができる。
【００１２】
図１は、例としての走査型プローブ顕微鏡１とその基準軸の側面図である。方向Ｘ、Ｙ、Ｚは３つの相互に直交する方向に伸びる。ＸＹ面は試料台に対して平行である。図１では、顕微鏡１は、基部２、２つの極３、測定する試料を乗せるチャックアセンブリ４、走査プローブ６を装着するスキャナ５を含む。
【００１３】
図２は本発明の一例による走査型プローブ顕微鏡１（図１）のスキャナ５の断面図、図３はその平面図である。図２では、スキャナ５は、微小スケールＺアクチュエータ１０に接着された走査プローブ６を含む。Ｚアクチュエータ１０は、Ｚステータアセンブリ３７とＺ並進装置アセンブリ３９を備える。Ｚアクチュエータ１０は保持構造１７に装着され、Ｚステータアセンブリ３７も保持構造１７に接着され、並進装置アセンブリ３９はＺ方向に自由に動く。Ｚアクチュエータ１０は付加的に保持構造１７に装着され、電気プローブチップまたはこれと等価なもの（図示せず）は電気パッドに電気接触し、電気信号が保持構造１７とアクチュエータの間を通過できる。
【００１４】
図３は、保持構造１７が顕微鏡１（図１）に装着されたＸ−Ｙ微調整段１２１の１実施形態を平面図で示す。Ｘ−Ｙ微調整段１２１は、Ｘ−Ｙステータ１２０、Ｙ並進装置１９、Ｘ並進装置１８を含む。保持構造１７はＸ並進装置１８に接着される。Ｘ並進装置１８はＹ並進装置１９に柔軟に接着され、Ｙ並進装置１９はＸ−Ｙステータ１２０に柔軟に接着される。図２または図３には図示しないが、電気信号をＸ−Ｙステータ１２０から保持構造１７に結合する電気経路が備えられる。
【００１５】
本発明の１実施形態では、プローブ６はＺアクチュエータ１０に接着され、プローブ６のカンチレバー８（図５を参照）は試料２８の面２７に対して平行ではない位置に配置される。図５は、プローブ６とＺアクチュエータ１０の相対的な方向をより詳細に示し、さらにプローブ６の構成要素を示す。走査型プローブ顕微鏡の動作中は、アクチュエータ１０の部分とプローブ６の部分（プローブチップ７以外）が試料面２７に接触しないように、カンチレバー８と試料面２７の間の角度Ａはたとえば約１０度で間隔を提供する。
【００１６】
再び図２と図３を参照すると、走査型プローブ顕微鏡の１実施形態では、スキャナ５はカンチレバー８の偏向を測定する測定システムを含む。測定システムは、Ｙ並進装置１９に接着された第１の折りたたみミラー２１、Ｘ並進装置１８に接着された第２の折りたたみミラー２２を含む。また測定システムは、レーザダイオードとコリメータ２３、四象限光検出器２６を含む（図３を参照）。
【００１７】
レーザダイオードとコリメータ２３は光ビームを形成し、このビームは第１の折りたたみミラー２１から入射光ビーム２４として反射する。光路は以下のとおりである。入射光ビーム２４は第２の折りたたみミラー２２から反射し、走査プローブ６のカンチレバー８（図５を参照）の反射面から反射する。カンチレバー８によって反射された光は、反射光ビーム２５として第２の折りたたみミラー２２から反射する。反射光ビーム２５は第１の折りたたみミラー２１から反射し、四象限光検出器２６に入射する。四象限光検出器２６は、４つの個別の検出器に入射する光に比例した出力を生成する。検出器出力を比較することによって、カンチレバー８の偏向を定量することができる。
【００１８】
プローブ偏向に関する他の測定システムも知られており、上述の測定システムの代わりに用いることができる。特にカンチレバー８の基部にピエゾ抵抗を組み込むことができる。
ついでカンチレバーの偏向によりピエゾ抵抗のレジスタンスが変わる。別法としては、光干渉計を使用して基準面に対するカンチレバー８の位置を検出することができる。カンチレバー８の偏向は、カンチレバー８と固定面の間のキャパシタンスを測定することによってもモニタリングできる。
【００１９】
上述のように、図２のスキャナ５はＸ−Ｙ微調整段１２１を含む。図３では、Ｘ−Ｙ微調整段１２１は、Ｘ方向とＹ方向の両方に沿って平行移動できる圧電駆動式２次元段として平面図に描かれている。さらに折りたたみミラー２１、２２、レーザダイオードとコリメータ２３、四象限光検出器２６が描かれている。
【００２０】
図１の走査型プローブ顕微鏡１の例では、Ｘ−Ｙ微調整段１２１（図３）のＸ−Ｙステータ１２０は走査型プローブ顕微鏡の１つの極３に接着され、試料２８は、面２８が走査プローブ６に向き合うように、走査型プローブ顕微鏡の他の極３に接着される。次に図３を参照すると、Ｙ並進装置１９はＹ並進装置１９の４つの角のうち３つにそれぞれ位置する３つの可動サスペンション４０でＸ−Ｙステータ１２０に柔軟に結合されている。可動サスペンションは「静電面アクチュエータを使用した光学クロス接続スイッチ」というタイトルの、Ｈｏｅｎに許可された米国特許第６，２１５，２２２号に記述されている可動サスペンションと同様である。
【００２１】
可動ピボット３０６は、Ｙ並進装置１９をＹピボットアーム１２４の第１の端に結合する。別の可動ピボット３０４はＹピボットアーム１２４の長さに沿った途中に位置し、ＹピボットアームをＸ−Ｙステータ１２０に結合する。Ｙ圧電アクチュエータ１２２の１端はＸ−Ｙステータ１２０に固定して接着される。可動ピボット３０２は、Ｙピボットアーム１２４の第２の端をＹ圧電アクチュエータ１２２の別の端に結合する。可動ピボット３０２、３０４、３０６は、ＸＹ面に対して垂直な軸を中心とした適度な回転の動きに対応するが、Ｙ方向に対しては剛性なので、圧電アクチュエータ１２２がＹピボットアーム１２４の第２の端にくわえる力により、Ｙピボットアーム１２４の第１の端はＹ方向でＹ並進装置１９を動かす。
【００２２】
Ｙ並進装置１９はＸ並進装置１８のステータとしても機能する。Ｘ並進装置１８は、Ｘ並進装置１８の４つの角のうち３つにそれぞれ位置する３つの可動サスペンション４１によってＹ並進装置１９に柔軟に結合する。Ｘ並進装置１８をＹ並進装置１９へ結合する可動サスペンション４１の構造は、Ｙ並進装置１９をＸ−Ｙステータ１２０に結合する可動サスペンション４０の構造と同様である。
【００２３】
Ｘ並進装置１８は、Ｙ並進装置１９を圧電アクチュエータ１２２に結合するために使用するピボットアームと可動ピボットと同様なピボットアームと可動ピボットによってＸ圧電アクチュエータ１３２に結合される。具体的には、可動ピボット３０７はＸピボットアーム１３４の第１の端をＸ並進装置１８に結合し、別の可動ピボット３０８はＸピボットアーム１３４の長さに沿った途中の位置にあり、Ｘピボットアーム１３４をＹ並進装置１９に結合する。Ｘ圧電アクチュエータ１３２の１端は、Ｙ並進装置１９に固定して接着される。可動ピボット３０８は、Ｘピボットアーム１３４の第２の端をＸ圧電アクチュエータ１３２の別の端へ結合する。可動ピボット３０７、３０８、３０９は、ＸＹ面に対して垂直な軸を中心とした適度な回転の動きに対応するが、Ｘ方向では剛性なので、圧電アクチュエータ１３２がＸピボットアーム１３４の第２の端に加える力によりＸピボットアーム１３４の第１の端がＸ方向でＸ並進装置１８を動かす。
【００２４】
図３からわかるように、Ｙ並進装置１９はＸ−Ｙステータ１２０上に装着され、２つの可動サスペンション４０は可動ピボット３０６の左にあり、１つの可動サスペンション４０だけが可動ピボット３０６の右にある。Ｙ並進装置１９に沿ったＸ方向での可動ピボット３０６の位置は、すべての可動サスペンション４０が加えるばね力の間でバランスがとれるように設定される。これについては次に記述する。
【００２５】
可動ピボット３０６は、Ｘ方向でＹ並進装置の長さに沿った途中の位置にあるポイントで、Ｙ並進装置１９にＹ方向の推進力を加える。可動ピボット３０６がＹ並進装置１９に接続するポイントは、可動ピボット３０６が加える推進力と可動サスペンション４０が生成するばね力が集合的に、Ｙ並進装置１９に純回転モーメントを加えないような位置である。
【００２６】
印加された電圧に応答してＹアクチュエータ１２２が長くなるかまたは収縮すると、可動ピボット３０６はＹ並進装置１９を回転することなく線形に移動する。すべての可動サスペンション４０が等しいばね力を提供する典型的な場合、Ｙ並進装置１９に沿った可動ピボット３０６の位置は、Ｙアクチュエータ１９の端から可動ピボット３０６の右より、Ｙアクチュエータ１９の端から可動ピボット３０６の左に近くなる。Ｙアクチュエータ１９に沿った可動ピボット３０６の位置は、推進力とすべての可動サスペンション４０が生成するばね力の間でバランスをとるように設定される。これは上述の通りである。
【００２７】
Ｘ並進装置１８の長さに沿った可動ピボット３０７の位置は、Ｙ並進装置１９の長さに沿った可動ピボット３０６の位置を決定する、上述の方法と同様の方法で決定される。さらにＸピボットアームとＹピボットアームの各々について、それぞれのピボットアーム１３４と１２４の長さに沿ったそれぞれの可動ピボット３０４と３０８の位置は、必要に応じて動きの振幅の増大または機械的利点を提供するように設定する。振幅の増加を提供する構成を図示する。
【００２８】
図２と図３に示すスキャナ５のＸ−Ｙ微調整段１２１の多くの構成要素はＺ方向に同じ厚さ、すなわち、同じ大きさを有する。このため、ほとんどのＸ−Ｙ微調整段が単一の材料シートから製造できる。ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）またはレーザ加工などの一般的な加工技術を使用して、Ｘ−Ｙステータ１２０、Ｘ並進装置１８、Ｙ並進装置１９、これらに関連する可動部４０、４１、ピボットアーム、可動ピボットを一体のユニットとして形成することができる。スキャナ５の段１２１の適切な材料は、アルミニウム、高張力鋼、単結晶シリコン、その他のヤング計数と密度の間に大きな比を有する材料を含む。
【００２９】
動作においては、図２と図３に示すスキャナ５のＸ−Ｙ微調整段１２１は、試料面２７上で保持構造１７とアクチュエータ１０を走査する。Ｚ方向アクチュエータ１０は、試料面２７とプローブチップ７を接触させる、試料面２７の上に配置する、試料面２７の上でＺ方向で震動させる、試料面２７を振動および接触させるなど、ユーザが必要とする任意の走査モダリティを何でも行うように動作する。
【００３０】
プローブチップ７が試料面２７に接触するとカンチレバー８は曲がり、プローブチップ７の反対側にあるカンチレバー８の反射面は、反射された光ビーム２５を新しい方向に反射する。同様に、試料面２７が不規則な場合、プローブチップが不規則な面を走査し光ビームが曲がりとねじれの量にしたがって他の方向に反射すると、カンチレバーは縦軸を中心としてねじれる場合がある。カンチレバー８のまがりとねじれなどカンチレバーの柔軟性により、四象限光検出装置２６上の反射された光ビーム２５の位置が変わる。２方向における反射された光ビームの位置オフセットは、まがりとねじれの量に比例する。
【００３１】
上述のようにプローブチップ７は試料面２７に関して走査される。しかし、プローブチップ７と試料面２７の間の相対的な動きは他の方法によっても可能であり、走査プローブ６を固定して装着し試料２８をアクチュエータ１０の上に載せて、試料面２７をプローブチップ７に対して走査することによっても可能である。このような走査試料顕微鏡では、カンチレバー８の偏向を測定するために測定システムの位置の対応する変化が必要となる。
【００３２】
他の顕微鏡構成の説明も参照により本明細書に組み込まれている（たとえばＢｉｎｎｉｎｇに許可された米国特許第４，７２４，３１８号、Ａｌｅｘａｎｄｅｒらに許可された米国特許第６，００５，２５１号、Ｃｌｅａｖｅｌａｎｄらに許可された米国特許第６，３２３，４８３号に記載）。さらに、チャックアセンブリ４は、試料２８を粗く位置づけるためのＸ−Ｙ−Ｚ粗調整可能段を含み、スキャナ５は走査プローブをＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に細かく位置づけてもよい。別法としては、スキャナ５はさらに、微調整可能スキャナを粗く位置づけるためのＸ−Ｙ−Ｚ粗調整可能段を含み、チャックアセンブリ４は試料２８を固定して保持してもよい。別法としては、スキャナ５はさらに微調整可能段を粗く位置づけるためのＸ−Ｙ粗調整可能段を含み、チャックアセンブリ４は試料を固定して保持して、試料２８をＺ方向で粗く位置づけるＺ粗調整可能段を含んでいてもよい。粗調整可能な段と微調整可能な段の多くの異なる組み合わせを顕微鏡１で使用することができ、これらもすべて本発明の範囲内である。
【００３３】
１実施形態では、試料２８はＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能で大きな動きを提供するステージ２９上のチャック内に乗せられ、Ｘ−Ｙ−Ｚ微調整段が微小な走査の動きを提供できるようにする。ここでまた、プローブチップ７と試料２８の間の相対的な動きが必要である。
【００３４】
本発明によれば、静電面アクチュエータは上記のＺアクチュエータ１０として使用される。静電面アクチュエータ自体は多くの特許に記述されている。特に、Ｈｉｇｕｃｈｉらによる米国特許第５，３７８，９５４号「静電アクチュエータ」、Ｈｏｅｎらによる米国特許第５，９８６，３８１号「交互の電圧パターンを伴う静電アクチュエータ」、Ｈｏｅｎによる米国特許第６，２１５，２２２号「静電面アクチュエータを使用する光クロス接続スイッチ」などがあり、これらはすべて参照により本明細書に組み込まれている。
【００３５】
図４から図８は、図２と図３のＺアクチュエータ１０として使用可能な静電面アクチュエータの詳細を示す。図４は、Ｘ方向に沿って見たＺアクチュエータ１０の側面図と、切断線５−５と６−６の位置を示す。図５は、切断線５−５を介した断面図を描き、図６は切断線６−６を介した断面図を描く。図７と図８はそれぞれ、静電面アクチュエータのステータと並進装置の対面する図を描く。
【００３６】
図４は、ステータ３６の上にある並進装置３４を示す。並進装置３４は、４つの可動構造４２によってステータ３６に柔軟に結合される。２つの可動構造４２は並進装置３４の両側に配置される。図示された例としての実施形態では、各可動構造４２は４つの個別の可動部１５を含む。８つの並進装置支持部３８が周辺枠１３から伸びる。各可動構造４２の４つの個別の可動部１５は、並進装置３４と一体として形成される。各可動構造４２の２つの中央の可動部１５は、並進装置３４からフローティングビーム１６に伸びる。各可動構造４２の２つの外側の可動部１５は各々、フローティングビーム１６から、８つの並進装置支持部３８のうち接着されている支持部３８へ伸びる。図６は、図４の切断線６−６に沿った断面図を示す。図６は、ステータ３６、並進装置支持部１２、周辺枠１３、可動部１５、並進装置３４の部分を示す。可動構造４２の可動部は、Ｚ方向でＸ方向の大きさよりも実質的に小さな大きさを有するので、並進装置はステータに対しＺ方向で自由に動くことができるが、Ｘ方向では並進装置の動きに抵抗する。可動部があるためＺ方向に対して直交するＸ方向とＹ方向にいくぶん動くことができるが、このような直交の動きは最小である。特定の例では、可動部１５はＺ方向とＸ方向にそれぞれ２μｍと１００μｍの大きさを有する。
【００３７】
図５は、走査プローブ６がアクチュエータに装着された静電面アクチュエータ１０の切断線５−５に沿った断面図を示す。走査プローブ６はプローブチップ７、カンチレバー８、ハンドル９を含む。ハンドル９は扱うことができるほど大きいので「ハンドル」と呼ばれるが、カンチレバー８とプローブチップ７は容易に扱えない大きさである。カンチレバー８は、プローブチップ７の反対側に反射面４０３を含む。図２と図３に関して上述したように、反射面４０３は測定システムの一部を形成する。走査プローブ６を装着する代替の位置は、ステータ３６から離れた並進装置３４の面上の装着領域３０である。代替の実施形態では、カンチレバーとプローブはハンドルなしで面駆動アクチュエータに接着される。別法では、プローブチップ７は並進装置と一体化してプローブチップを形成することにより並進装置３４に結合される。
【００３８】
静電面アクチュエータ１０は、ステータアセンブリ３７と並進装置アセンブリ３９を含む。さらに図７を参照すると、ステータアセンブリ３７はステータ３６、ステータ３６の外周に位置する並進装置支持部１２、ステータ３６の面４０４の中心に近い部分に位置するステータ電極５６を含む。ステータ電極は絶縁性のステータの上に配置されるか、または、導電性であってもよいステータ３６の上に配置された絶縁層４０８の上に順に配置される。さらに図８を参照すると、図８はステータ３６に面する並進装置アセンブリ３９の面を示す。並進装置アセンブリ３９は並進装置支持部１２に固定して接着された周辺枠１３、並進装置３４、周辺枠１３と並進装置３４の間に伸びる可動サスペンション構造４２、並進装置電極５８を含む。可動サスペンション構造４２は各々、可動部１５とフローティングビーム１６を備える。並進装置電極５８は、並進装置３４のステータ電極５６の反対側の表面４０２に配置される。並進装置電極は、絶縁性の並進装置の上に配置されるか、導電性であってもよい並進装置の上に配置された絶縁層４０６の上に順に配置される。並進装置とステータの電極は集合的に駆動電極を構成する。
【００３９】
別の実施形態では、ハンドル構造（図示せず）は周辺枠１３に接着され、並進装置アセンブリ３９をステータアセンブリ３７に接着しやすくなっている。ハンドル構造は、並進装置アセンブリ３９のＸ方向での剛性を強化し、アセンブリ中に容易に保持できる構造を提供する。追加または別法としては、ハンドル構造（図示せず）は並進装置３４に接着してもよい。または図のようにハンドル構造を省略してもよい。
【００４０】
典型的には、周辺枠１３、並進装置３４、可動部１５、フローティングビーム１６は従来のマイクロマシン技術を使用してシリコンウェハ内に一体ユニットとして形成される。同様に、ステータアセンブリ３７は従来のマイクロマシン技術およびウェハ接着技術を使用して製造できる。シリコンウェハに従来のマイクロマシン技術を適用することにより、Ｚアクチュエータ１０はさらに、従来の集積回路製造技術を使用して１つまたは複数のシリコンウェハに適用される一体型電子構成要素と共に形成することができる。
【００４１】
図８を参照すると、並進装置３４は面４０２を有する。面４０２は第１の面と呼ばれ、この上に第１の電極５８が配置される。電極はＸ方向に長く、Ｚ方向に並べられる。図７を参照すると、ステータ３６は面４０４を有する。面４０４は第２の面と呼ばれ、この上に第２の電極５６が配置される。第２の電極はＸ方向に長く、Ｚ方向に並べられる。並進装置３４は、第１の面４０２と第２の面４０４が互いに向き合い、並進装置３４がステータ３６に対してＺ方向に移動できるようにステータ３６に弾性結合される。これにより第１の電極５８と第２の電極５６は互いに向き合う。
【００４２】
静電面アクチュエータ１０を操作すると、並進装置とステータの電極に電圧が印加され、並進装置とステータの間に静電気力が生成される。並進装置をステータに対してＺ方向に動かすために、電圧を操作して、静電気力のＺ方向成分を生成する。並進装置とステータの移動動作については後述する。並進装置がＺ方向に動くことにより、並進装置３４に接着された走査プローブチップは試料面２７に対してＺ方向に動く。
【００４３】
Ｈｏｅｎらに許可された米国特許第５，９８６，３８１号、またはＨｏｅｎに許可された米国特許第６，２１５，２２２号に記述されるように、ステータ電極のうち１つか複数の電圧が変わることにより、並進装置の位置はＺ方向にステップする。並進装置はサブナノメートルの大きさのステップで移動でき、実際に１００ピコメートル未満のステップで移動した。並進装置は静電場が確立する険しいポテンシャル井戸の中にあるので、並進装置の位置は正確で再現可能である。
【００４４】
図７と図８では、２組の駆動電極、すなわち並進装置の電極５８とステータ電極５６を示す。駆動電極５８は並進装置３４の面４０２に配置され、駆動電極５６はステータ３６の面４０４に配置される。これらの駆動電極に印加された電圧は、並進装置３４をＺ方向に移動する成分を有する静電気力を生成する。駆動電極に印加する電圧については後述する。各駆動電極は、組の中の他の駆動電極に対して平行である導電材の薄片である。各駆動電極の組はＺ方向に繰り返されるアレイに構成される。
【００４５】
次に図５を参照すると、絶縁材の薄層４０６は、並進装置電極５８と並進装置３４の間に配置される。同様に、別の絶縁材の層４０８もステータ電極５６とステータ３６の間に配置される。これらの絶縁層は電極を互いから絶縁するので、電極に印加される電圧は異なる。たとえば、駆動電極を形成する前に、二酸化ケイ素、または、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの絶縁材を、プラズマ強化化学蒸着、スパッタ付着、低圧化学蒸着によって、並進装置とステータ上にそれぞれ絶縁層４０６と４０８として付着することができる。ステータと並進装置は典型的には、軽くドープされたシリコンウェハから形成される。ウェハはｐ型ドープしてもよいしｎ型ドープしてもよい。
【００４６】
並進装置３４をＺ方向に移動させる静電気力は、並進装置電極５８に印加される電圧とステータ電極５６に印加される電圧によって生成される。電圧は既定の電圧パターンで印加される。たとえば、空間的に交互な電圧パターンを並進装置電極５８に印加する。より具体的な例では、同じ非ゼロ電圧を偶数の並進装置電極に印加し、ゼロボルト電圧を奇数の並進装置電極に印加する。典型的には、さらに既定の電圧パターンをステータ電極５６に印加する。たとえば、空間的に実質的に交互の電圧パターンをステータ電極５６に印加する。より具体的な例では、ステータ電極５６のアレイには非ゼロ電圧とゼロボルトの間で交互になっている電圧を印加する。ただし、選択された隣接する電極対には同じ電圧（非ゼロ電圧またはゼロボルトのいずれか）を印加する。同じ電圧が印加された隣接した電極対は、Ｚ方向で周期的なパターンで空間的に繰り返す。並進装置は、同じ電圧が印加された隣接する電極のうち所与の１つの電圧を切り替えることによって動く。これにより、同じ電圧が印加された電極対のＺ方向の位置が変わる。上記の電圧パターンを並進装置電極５８とステータ電極５６に印加することにより、相対する面４０２と４０４上の電極間に静電気力が生成される。典型的にはステータ電極５６に印加する電圧を変えるだけで、並進装置３４は既定の方向で既定の距離だけ移動する。
【００４７】
反復距離は、特定の電圧で保持された並進装置電極の中心と、ほぼ同じ電圧で保持された最も近い並進装置電極の中心の間の距離によって定義される。並進装置電極が１つおきに同じ電圧で保持される実施形態では、並進装置の中心から中心の距離が一定であると仮定すると、反復距離は並進装置電極の中心から中心の距離の２倍である。生成された静電気力を並進装置３４を移動するのに確実に最適にするために、並進装置の電極の反復距離と、ステータ電極と並進装置の電極の間の空隙距離の比を一定範囲内に保つことが望ましい。Ｘ方向成分とＹ方向成分の望ましくない静電気力の組み合わせの大きさに対して、Ｚ方向成分の望ましい大きさを最大化するために、反復距離と、ステータ電極５６と並進装置電極５８の間の間隔の比を約１６未満に維持することが望ましい。
【００４８】
電圧を駆動電極に印加し、静電気力を生成、変化させる多くの方法がある。次に、電圧パターンを印加して、駆動電極間に静電気力を生成し変化させて並進装置３４を移動する例としての方法を、図９、図１０、図１１を参照して説明する。
【００４９】
図９は、並進装置３４とステータ３６の側面図を描く。並進装置は、いくつかの並進装置電極６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２と共に描かれており、これらの電極は交互に電源７４と７６に電気接続されている。電源７４は電極６２、６６、７０に接続され、たとえば５ボルトの正のＤＣなど既定の一定の電圧を提供する。しかし、電源が印加する電圧は、必要な静電気力を確立するために最小限必要である電圧程度に弱くてもよいし、または、並進装置内に電気アークを起こさずに許容できる程度に強くてもよい。たとえば既定の電圧は、３ボルトから１００ボルトの範囲であってもよい。電源７６は電極６０、６４、６８、７２に接続され、たとえばゼロボルトの定電圧を提供してもよいし、たとえば１０Ｖから−１００Ｖなど一定範囲の電圧を提供してもよい。電極６０、６４、６８、７２にゼロボルトを印加する実施形態では、電源７６を省略し、代わりに電極６０、６４、６８、７２を電源７４の基準端子（図示せず）に接続してもよい。
【００５０】
ステータ３６は、コントローラ１１２に接続されるいくつかのステータ電極７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０と共に示されている。コントローラ１１２は、ゼロボルト、または、たとえば５ボルトの正のＤＣなど既定の電圧のいずれかを、ステータ電極７８から１１０の各々に選択的に供給する。
【００５１】
並進装置電極６０から７２は、Ｚ方向の特定の長さＬに約６つの並進装置電極が並ぶような間隔で配置し、ステータ電極は、Ｚ方向の長さＬに約７つの並進装置電極が並ぶような間隔で配置する。この例では、並進装置が移動してもステータは静止している。図９から図１１では各々、ステータ電極９４の１つの縁を基準ポイントＺrefとして指定する。
【００５２】
図９に示すように一例では、まず、コントローラ１１２が５ボルトをステータ電極７６、８０、８４、８６、９０、９４、９８、１００、１０４に印加する。容易に識別できるように、５ボルトが供給される電極は斜線で示した。上述のように、隣接するステータ電極８８と９０、隣接するステータ電極１０２と１０４に５ボルトを印加する。
【００５３】
図１０に示すように、Ｚ方向で並進装置３４をインクリメントで移動するために、コントローラ１１２はステータ電極９０と１０４の電圧を５ボルトからゼロボルトに切り替える。この変更により並進装置３４に、並進装置３４をＺ方向でインクリメントで移動する静電気力が加えられる。変更された電圧パターンでは、ゼロボルトを隣接するステータ電極９０と９２、隣接するステータ電極１０４と１０６に印加する。
【００５４】
並進装置３４をＺ方向にさらにインクリメントで移動するために、コントローラ１１２はステータ電極７８、９２、１０６に印加する電圧をゼロボルトから５ボルトに切り替える。電極９２と１０６は、状態がすでに切り替えられているステータ電極９０と１０４に直接隣接する。この結果得られる電圧パターンを図１１に示す。前の変化と同様に、ステータ電極７８から１１０の電圧パターンの変化により、並進装置３４はインクリメントでＺ方向に移動する。変更された電圧パターンでは、隣接するステータ電極７８と８０、隣接するステータ電極９２と９４、隣接するステータ電極１０６と１０８に５ボルトが印加される。
【００５５】
このように７つ置きにステータ電極の状態を続けて切り替えることによって、並進装置３４はＺ方向にさらにインクリメントで移動する。しかし、並進装置をステータ３６に結合する可動サスペンション４２は、並進装置の元の位置からの合計の移動に物理的な制限を加える。
【００５６】
図９に戻ると、並進装置は、上記の方法が提供するインクリメントより小さいインクリメントで移動できる。電極９０から１０４に印加する電圧を５ボルトから０ボルトに変更する代わりに、これらの電極に印加する電圧は、ゼロと５ボルトの間の中間の電圧に変えてもよい。これにより、並進装置は図９と図１０に示したステップよりも小さいステップで移動する。実際多くの動作範囲では、並進装置の位置は電極９０と１０４に印加される電圧と線形関係を有する。
【００５７】
並進装置３４に静電気力を適用するための、駆動電極と印加電圧の他の構成も可能である。上述した電圧印加方法では、Ｚ方向の同じ距離で６つごとに電極を繰り返す並進装置電極のグループと７つごとに電極を繰り返すステータ電極のグループを有する。しかし、上述の電圧印加方法は、同じ距離で第１の電極の組の中の電極のグループが２ｎ電極を含み、第２の電極の組の中の電極のグループが２ｎ±１電極を含む代替の方法にも直接拡張できる。この代替例では、空間的に交互になっている電圧パターンをたとえば並進装置の電極である第１の電極の組に印加し、実質的に空間的に交互になっている電圧パターンをたとえばステータ電極である第２の電極の組に印加する。第２の組の中の電極は奇数の電極グループに分かれているため、各グループ内の２つの電極は隣接するグループの隣接する電極と同じ電圧を有し、並進装置は同じ電圧が印加された隣接する電極対のうち所与の１つの電極に印加する電圧を切り替えることによって移動する。
【００５８】
また、本発明には他の静電面駆動を適用することもできる。一例は米国特許第５，４４８，１２４号でＨｉｇｕｃｈｉらによって記述されている。この例では、第１の駆動電極の組と第２の駆動電極の組のピッチは同様であり、３相の時間的に交替する電圧を第１の駆動電極の組と第２の駆動電極の組の両方に印加する。並進装置の位置は、第１の電極の組と第２の電極の組に印加される３相信号の間の位相差を変えることによって制御する。
【００５９】
図１２は、ＸとＹの両方の方向に並進できるＸ−Ｙ微調整段の静電駆動式実施形態２００の平面図である。Ｘ−Ｙ微調整段２００は、図３を参照して上述した圧電駆動式Ｘ−Ｙ微調整段１２１の代わりに使用することができる。Ｘ−Ｙ微調整段２００は、Ｘ−Ｙ微調整段２００が２つの直交静電駆動を使用して段を２つの直交方向に独立して移動することを除いては、Ｚアクチュエータ１０を参照して上述した方法と同様な方法で静電駆動される（図４から図１０を参照）。Ｘ−Ｙ微調整段２００は、Ｘ−Ｙステータ２３６、Ｙ並進装置２１９、Ｘ並進装置２１８からなる。
【００６０】
図１２では、Ｙ並進装置２１９は、図４と図６を参照して上述した可動サスペンション４２と実質的に同様な４つの可動サスペンション４０によって周辺枠２１３に柔軟に結合される。周辺枠２１３は、図４と図６を参照して上述されたように並進装置支持部１２を使用して周辺枠１３がステータ３６に装着された構成と同様な構成で、中間の並進装置支持部を使用してＸ−Ｙステータ２３６に装着される。
【００６１】
図１２の実施形態では、Ｙ並進装置２１９は図４から図１１を参照して上述された静電面駆動と同様な線形の静電面駆動によって、Ｙ方向に静電駆動される。さらに、Ｙ並進装置２１９は、図４、図６、図８を参照して上述された可動サスペンション４２と実質的に同様な４つの可動サスペンション４１によってＸ並進装置２１８が柔軟に結合された、ステータ枠としての役割を果たす。図１２の実施形態では、Ｘ並進装置２１８は、図４から図１１を参照して上述された線形の静電面駆動と同様な線形の静電面駆動によって、Ｘ方向に静電駆動される。両方の静電面駆動のためのステータ電極は、ステータ２３６の面４０４上に位置する。Ｘ並進装置２１８の並進装置電極の反対側にあるステータ電極は、Ｙ並進装置２１９の並進装置電極の反対側にあるステータ電極に対して直交する。さらにＸ並進装置２１８の並進装置電極の反対側にあるステータ電極は、Ｘ並進装置２１８の並進装置電極より長く、Ｘ並進装置のＹ方向の位置にかかわらず電極が確実に重複する。
【００６２】
図１２に示す静電駆動式Ｘ並進装置２１８とＹ並進装置２１９の質量は、同じレベルの性能に対して、図３に示す対応する圧電駆動式Ｘ並進装置１８とＹ並進装置１９の質量より小さい。静電駆動式並進装置は質量が小さいため、上記の圧電駆動式並進装置よりもスルーレートが高く、高速に走査することができる。さらに、静電面のモータは、圧電アクチュエータの位置が印加された電圧の履歴に依存する原因となる圧電アクチュエータの記憶問題またはクリープ問題を有しない。この実施形態では、図４から図１１を参照して上述したＺアクチュエータ１０は、装着領域３０内でＸ−Ｙ微調整段２００のＸ並進装置２１８に装着される。Ｚアクチュエータ１０は上記のように動作し、走査プローブ６をＺ方向に移動させることができる。
【００６３】
図１３に示す別の実施形態では、スキャナ５は、上にＸ−Ｙ微調整段２００（図１２に詳細に示し図１３に概略を示す）が装着される圧電Ｚアクチュエータ２１０を備える。走査プローブ６は、装着領域３０内のＸ−Ｙ微調整段２００のＸ並進装置２１８上に装着される。圧電Ｚアクチュエータ２１０は印加された電圧に応答して、Ｚ方向で収縮、拡張する。Ｘ−Ｙ微調整段２００は、一部を形成する線形静電面駆動に印加された電圧に応答して、Ｘ並進装置２１８、したがって、走査プローブ６をＸ方向とＹ方向に動かす。静電駆動式Ｘ−Ｙ微調整段２０が軽量であることなどの有利な性質によって、スキャナ５は圧電駆動式Ｘ−Ｙ微調整段を使用するスキャナより改善されたスキャンレート性能を有する。
【００６４】
別の実施形態では、通常は走査プローブ６が試料面をたどるときの急速な加速と減速から生じる震動は、図１４に示す構造によってカウンタバランスされる。この実施形態では、図１の顕微鏡内のＺアクチュエータ１０は、２つのコリニアアクチュエータ１４０と１５０を備える。走査プローブ６は装着領域３０内でリニアアクチュエータ１４０の並進装置上に装着され、走査プローブ６の質量と等しい質量であり同じ重心を有するカウンタ質量が、装着領域１３０内のリニアアクチュエータ１５０の並進装置上に載る。別法としては、走査プローブ６は装着領域１３０上に装着され、カウンタ質量は装着領域３０上に載る。大きさとピッチが同様な電極が、アクチュエータ１４０と１５０のステータと並進装置の対面する面上に配置され、空間的に交互な同様な電圧パターンが両方のアクチュエータの並進装置電極に印加され、空間的に実質的に交互な同様な電圧パターンが両方のアクチュエータのステータ電極に印加される。アクチュエータのステータ電極に印加される空間的に実質的に交互な電圧パターンは同様ではあるが反対方向で変わり、アクチュエータ１４０をＺの正方向に動かし、アクチュエータ１５０をＺの負方向に同じ距離だけ動かす。この逆も同様である。この場合、アクチュエータ１５０は走査プローブを駆動せず、アクチュエータ１５０とこの上に乗るカウンタ質量により、走査プローブを動かすアクチュエータ１４０から生じた逆の反作用の力が低減される。一方では、アクチュエータ１４０と走査プローブ６の間では質量と重心が正確に一致しており、アクチュエータ１５０とこのカウンタ質量は、アクチュエータ１４０と走査プローブ６の動きから生じる震動の相殺を最適化する。
【００６５】
図１５に描かれた代替実施形態では、アクチュエータ１４０と１５０のうちの１つだけが静電面アクチュエータを有し、方向を逆にする構造でアクチュエータの他方にリンクされている。方向を逆にする各構造はピボットアーム１４２、可動ピボット１４４、１４６、１４８を含む。可動ピボット１４４は、並進装置１４０をピボットアーム１４２の第１の端に結合する。可動ピボット１４６は、ピボットアーム１４２に沿った半分のポイントをＸ−Ｙステータ１２０に結合する。可動ピボット１４８は、ピボットアーム１４２の第２の端を並進装置１５０に結合する。上述の方向を逆にする構造により、並進装置１４０がＺの正方向に動くと、方向を逆にする構造は並進装置１５０をＺの負方向に等しい距離だけ動かす。またこの逆も可能である。
【００６６】
可動ピボットは、ＺＹ面に対して垂直な軸を中心とした適度な回転の動きに対応するが、Ｚ方向では剛性である。これにより、並進装置１４０はピボットアーム１４２の第１の端を動かし、ピボットアーム１４２の第２の端は並進装置１５０を動かす。図１５の実施形態は方向を逆にする構造により、並進装置１４０と１５０のうち１つだけの駆動電極によるアクチュエータの動きから生じる震動を相殺できる。
【００６７】
図１４と図１５に示す実施形態では、アクチュエータ１４０と１５０は上記のようにマイクロマシン加工によって製造される。これによってアクチュエータの質量は大幅に低減される。この結果、図１４と図１５の実施形態は高いスルーレートを達成することができる。さらに、図１４と図１５に示すように、走査プローブが装着されるＺアクチュエータの動きから生じる震動を相殺する走査プローブ６の質量のカウンタバランスは、図１２に示す実施形態の静電面アクチュエータに適用される。
【００６８】
場合によっては、Ｚアクチュエータ１０を湿度の高い環境、すなわち水蒸気下または水の中など水のような環境で動作させることが望ましい。水は極性分子であるので、ステータと並進装置電極５６と５８の間に生成される静電ポテンシャルをシールドする傾向がある。このシールド効果によりＺアクチュエータ１０などの静電面アクチュエータ内で生成される静電気力が低減される。図１６は、並進装置３４とステータ３６の間に誘電液体層３１０をはさむことによってこの問題を避けるＺアクチュエータ１０の実施形態３００を示す。適切な誘電液体は、ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（登録商標）という商標で３Ｍ社が販売している。さらに、トランス油も適切であり、トランス油の１つは、ＤＩＡＬＡ（登録商標）  Ｏｉｌ  Ｍという商標でシェル社が販売している。このような油の粘性は、さらに振動の緩衝として役立つ。
【００６９】
図１７は、電極が液体の水環境から保護される別の実施形態３５０を示す。この実施形態では、疎水性誘電膜３５５を、ステータ電極５６と並進装置電極５８を囲むＺアクチュエータ１０の部分に適用する。疎水性誘電膜３５５は１μｍから１００μｍの幅の空隙によって分離される。これらの空隙は狭いので、液体の水はこれらの間を通過して電極に達することはできない。Ｚアクチュエータ１０の満足な動作が達成される。さらに、図１６と図１７に示す防水を図１２、図１４、図１５に示す静電面アクチュエータに適用することができる。
【００７０】
次に、図１８を参照しながら本発明による、プローブチップで試料面を走査する方法の実施形態１６０を説明する。最初に１６１では、プローブチップと静電面アクチュエータを準備する。静電面アクチュエータはステータと並進装置を備える。１６２では、プローブチップを並進装置に結合する。１６４では、並進装置は第１の方向でステータに対して静電気によって移動する。１６６では、試料面上のプローブチップの走査に応答して、プローブチップの特性を感知する。
【００７１】
図２に示すスキャナ５を使用して上記の方法の実施形態を行う時、試料面２７上を走査するプローブチップに応答したカンチレバー８の曲がりは、試料面の性質に依存する。使用する走査型プローブ顕微鏡の方法に依存して、プローブチップの追加または代替の応答も可能である。たとえば、プローブチップが走査型トンネル顕微鏡チップである場合、電圧がカンチレバー８に印加されると流れる電流は、試料面２７の性質に依存する。別法としては、プローブチップが走査型熱顕微鏡チップである場合、プローブチップが経験する熱損失は試料面２７の特性に依存する。プローブチップの別の応答も可能である。１６６では、試料上のプローブの走査に応答して感知されたプローブの特性は、たとえば、たわみ、熱損失、電流の流れ等である。一例では、プローブチップの機械的な移動によりカンチレバー８は曲がり、反射された光ビームの位置が変わる。この感知方法は図１と図２に示す。プローブチップの曲がりを感知する別の方法は、カンチレバー８に組み込まれた圧電素子のレジスタンスの変化を検出することである。プローブチップの曲がりを感知するさらに別の方法は、レーザ干渉計を使用して基準面に対してカンチレバーの曲がりを検出する方法である。上述のように、感知方法は、プローブチップを介した電流の変化の検出、または、プローブチップを介した熱損失の差の検出を伴っていてもよい。
【００７２】
この開示は、例としての実施形態を使用した本発明を詳細に説明する。しかし、付随する請求項が定義する本発明は、説明された正確な実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡の例としての実施形態を示す側面図である。
【図２】本発明による走査型プローブ顕微鏡の実施形態のスキャナ部分の第１の例としての実施形態を示す断面図である。
【図３】図２に示す走査型プローブ顕微鏡の実施形態において静電駆動式Ｚアクチュエータとプローブチップを位置づけるために使用される、圧電駆動式Ｘ−Ｙ微調整段の例としての実施形態を示す平面図である。
【図４】図２に示す静電駆動式Ｚアクチュエータを示す詳細な平面図である。
【図５】図４に示す切断線５−５に沿った断面図である。
【図６】図４に示す切断線６−６に沿った断面図である。
【図７】図４に示すアクチュエータのステータアセンブリを示す平面図である。
【図８】図４に示すアクチュエータの並進装置アセンブリのステータに面する表面を示す平面図である。
【図９】図４に示すアクチュエータの駆動電極の動作を示す側面図である。
【図１０】図４に示すアクチュエータの駆動電極の動作を示す側面図である。
【図１１】図４に示すアクチュエータの駆動電極の動作を示す側面図である。
【図１２】本発明による走査型プローブ顕微鏡の１実施形態のスキャナ部分において使用可能な、静電駆動式Ｘ−Ｙ微調整アクチュエータの例としての実施形態を示す平面図である。
【図１３】本発明による走査型プローブ顕微鏡のスキャナ部分の第２の例としての実施形態を示す斜視図である。
【図１４】制振アクチュエータの例としての実施形態を示す平面図である。
【図１５】制振アクチュエータの例としての実施形態を示す平面図である。
【図１６】並進装置の面とステータの面の間に誘電液体がはさまれた、図４に示すアクチュエータの断面図である。
【図１７】並進装置の面とステータの面が疎水性コーティングで覆われた、図４に示すアクチュエータの断面図である。
【図１８】本発明による方法で試料面を走査する例としての実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
１  走査型プローブ顕微鏡
２  基部
３  極
４  チャックアセンブリ
５  スキャナ
６  走査プローブ
８  カンチレバー
９  ハンドル
１０  Ｚアクチュエータ
１２  並進装置支持部
１３  周辺枠
１５  可動部
１６  フローティングビーム
１７  保持構造
１８  Ｘ並進装置
１９  Ｙ並進装置
２１  第１の折りたたみミラー
２２  第２の折りたたみミラー
２３  レーザダイオードとコリメータ
２４  入射光ビーム
２５  反射光ビーム
２６  四象限光検出器
２７  面
２８  試料
３０  装着領域
３４  並進装置
３６  ステータ
３７  ステータアセンブリ
３８  並進装置支持部
３９  並進装置アセンブリ
４０、４１  可動サスペンション
４２  可動構造
５６  ステータ電極
５８  電極
６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２  並進装置電極
７４、７６  電源
７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００、１０  ２、１０４、１０６、１０８、１１０  ステータ電極
１１２  コントローラ
１２０  Ｘ−Ｙステータ
１２１  Ｘ−Ｙ微調整段
１２２  Ｙ圧電アクチュエータ
１２４  Ｙピボットアーム
１３０  装着領域
１３２  Ｘ圧電アクチュエータ
１３４  Ｘピボットアーム
１４０  リニアアクチュエータ
１４２  ピボットアーム
１４４、１４６、１４８  可動ピボット
１５０  リニアアクチュエータ
２００  Ｘ−Ｙ微調整段
２１３  周辺枠
２１８  Ｘ並進装置
２１９  Ｙ並進装置
２３６  Ｘ−Ｙステータ
３０２、３０４、３０６、３０７、３０８、３０９  可動ピボット
３５５  疎水性誘電膜
４０２  面
４０３  反射面
４０４  ステータの面
４０６、４０８  絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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