(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のボイスコイル部に接続された探針が、前記ボイスコイル部により試料面に沿って走査される走査型プローブ顕微鏡であって、
前記ボイスコイル部は、磁石とコイルと可動子とからなり、
可動子を変位させるためのコイルに流す電流により生じてしまう熱を放熱するため放熱機構と、
ボイスコイル部に熱を加える加熱ヒータと、を備え、
ボイスコイル部の温度を略一定に保つ温度一定機構とした走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記放熱機構を制御してボイスコイル部の温度を制御するために、熱電対を備えた走査型プローブ顕微鏡
【請求項３】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記放熱機構は、ヒートパイプである走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記放熱機構は、前記ボイスコイル部の一部に冷媒が入れた冷媒導入ポンプが接続され、前記冷媒導入ポンプの他方に冷媒の温度を調整する冷媒温度調整装置が接続されたものである走査型プローブ顕微鏡
【請求項５】
請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記放熱機構は、前記ボイスコイル部を冷却する自然空冷するフィンが直接前記ボイスコイルに接続またはペルチェ素子を介して接続され、さらに前記フィンを強制空冷するためのファンと、を備えた走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記ボイスコイル部は、熱伝導性の低いスペーサーを介して筐体と接続され、
前記スペーサーは、両面研磨したワッシャ状のステアタイト、マコール及びルビーの少なくとも一つであり、熱伝導性の低いＳＵＳ３０４製の固定ねじを用いて固定される走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡（SPM）の測定精度向上に関するものである。特にスキャナーに磁気ドライブを用いたタイプのSPMで、力の駆動源であるボイスコイル部分の発熱を押さえ、筐体の熱ドリフトによる画像の歪みを押さえたことによる測定精度向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気ドライブのスキャナーを持つプローブ走査装置として例えば次のようなものが知られている。これを図７に示す。
図７で、１は筐体、２は磁石、３は磁石の心棒部、４は可動子、５はメンブレン、６はコイル、７は細線、８はスピンドル、９は変位検出器、１０はカンチレバー、１１は第１のばね、１２は第２のばね、１３は中筒、１４は細管部、１５は太管部、１６はヒーター用コイル、１７は粘性体、２１は磁石、２２は心棒部、２３は可動子、２４はメンブレン、２５はコイル、２６は細線、２７はスピンドル（Ｘ，Ｙ）、３１は試料台、３２は試料、３３は試料ステージである。このプローブ走査装置は、図７に示されているように、筐体１に、ｚ方向の粗動に使用されるｚ方向ボイスコイルモータと、ｘ、ｙ方向の走査に使用されるｘ、ｙ方向ボイスコイルモータが装着されている。
【０００３】
ｚ方向ボイスコイルモータは筐体１に第１の磁石２が固着され、磁石２の心棒部３に可動子４が遊嵌されている。可動子４はメンブレン５によって弾性的に筐体１に支持されており、またその周囲にコイル６が巻回されている。磁石２、心棒部３、可動子４、メンブレン５およびコイル６は、スピーカ等で使用されているボイスコイルモータを形成している。可動子４には、細線７の一方の端部が固着されており、細線７の他方の端部はｚ方向に延びるスピンドル８の一端に固着されている。スピンドル８の他端には、変位検出器９が装着されており、変位検出器９にカンチレバー等の探針１０が装着されている。また、スピンドル８はその中央部で第１のばね１１により、またその下端部で第２のばね１２により中筒１３に支持されている。中筒１３に設けられた十字型の板ばね又は通常の板ばねから構成されている。
【０００４】
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の一部にヒータ用コイル１６が巻回されている。また、太管部１５と中筒１３との間には、例えばグリコールフタレート等のポリマ類からなる粘性体１７が挿入されている。粘性体１７は室温では固体と同様の性質を示すが、ヒータ用コイル１６に通電することにより加熱されると粘性を示すようになる。
【０００５】
一方、ｘ方向ボイスコイルモータは、筐体１に磁石２１が装着されており、その心棒部２２に可動子２３が遊嵌されている。可動子２３はメンブレン２４により筐体１に弾性的に支持されており、また可動子２３の周囲にコイル２５が巻回されている。可動子２３には細線２６の一端が固着され、その他端はｘ方向のスピンドル２７に固着されている。スピンドル２７の他端は前記太管部１５の側部に固着されている。第２の磁石２１、心棒部２２、可動子２３、メンブレン２４およびコイル２５は前記と同様のボイスコイルモータを形成している。ボイスコイルモータはｘ方向のスピンドル２７に作用するが、ｙ方向ボイスコイルモータは図示されていないが、ｘ方向ボイスコイルモータと同一の構成をしており、ｘ方向ボイスコイルモータと９０度離れた位置に設置されている。
【０００６】
探針１０と対向する位置には試料台３１が設けられ、試料台３１上に検査すべき試料３２が載置されている。また、試料台３１は粗動ｘ，ｙ，ｚステージ３３上に設置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような磁気ドライブスキャナーは、ボイスコイルを駆動源とし、片持ち梁構造のスキャナー（ばね要素）を、押すため、片持ち梁構造のスキャナーの変位と駆動力の関係は、フックの法則に従って線形的な関係になる。従ってピエゾスキャナーを用いた走査型プローブ顕微鏡に比較して、変位はボイスコイルの力すなわち印加した電流に線形に応答し、ピエゾ素子のようなクリープやヒステリシスもない。
しかし、変位量が大きくなると、ボイスコイルに印加された電流が増し、ボイスコイル部での発熱は、P＝R（T）ｘI２（P：ボイスコイル部での発熱、R（T）：ある温度Tでのボイスコイルの抵抗、I：ボイスコイルに流れる電流）変位量の２乗に比例して発生する。この発熱がSPM装置筐体の熱膨張を発生させ、画像測定中に、試料固有の形状以外の画像歪みを発生させ、形状測定の精度を低下させることがある。
一方、ボイスコイルが一定の熱を有していないと（一定の温度にないと）、熱ドリフト等の問題が発生してしまうということも本願発明者は見いだした。
この発明の目的は、このようなボイスコイルの熱問題を解決し、ボイスコイル部の温度（熱）に起因する走査不良・測定不良を防止・抑止する走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明では、ボイスコイル部に放熱機構を設けるなど、ボイスコイル部の温度を略一定にする機構（温度一定機構）を設けた。好ましくは、筐体への熱の流入を抑制する機構を設けた。
【０００９】
【作用】
例えば、温度一定機構を、ボイスコイル部より発生した熱が、放熱部によって熱伝導され、放熱部が低温の空気と接触することにより、周囲の空気中に拡散させる機構を採用することで、前記熱を常に大気中へ逃がし、ボイスコイル部の温度を略一定にしている。
ボイスコイルと筐体の接触面積を減少させ、また熱伝導率の悪い材質で作成したワッシャ状の断熱スペーサーと固定ねじを用いると、筐体に流入させる熱量を効果的に抑制できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、この発明に係る実施の形態を説明する。
図１は、本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡（装置）全体の模式図である。図２は発熱部であるボイスコイル部の模式図である。図３、４、５は放熱機構の別実施形態である。図６は、ボイスコイルと筐体の取り付け部の模式図である。
図１は、前記磁気ドライブSPM（図７）のボイスコイル部に放熱機構としてヒートパイプを取り付けたものである。図１で、４０はヒートパイプ、４１は熱流入部、４４は熱放出部が接続されるヒートシンク、４３は熱放出フィン、５０は空冷ファンである。図１ではＺ軸とＸ軸の２つの放熱機構が示されているが、９０度背面方向（紙面奥方向）にＸ軸と同様のＹ軸用放熱機構がある。
図２には、ヒートパイプの熱流入部と放熱部の摸式図を示す。いまボイスコイルから１０Nの推力を得るために２Aの電流を抵抗３オームのコイル２５に流すと６Wの発熱となる。このコイル２５で発生した熱Pは、可動子２３を通して、一方は、細線２６とスピンドル２７方向に流れ、もう一方は、可動子２３、磁性流体２９を通して、磁石２１と磁芯２８に流れ込み、最終的に筐体１に流れ込む。この熱の影響で筐体が歪むことにより、試料３２と探針１０の相対位置がずれることにより、画像に歪みが生じる。（熱ドリフト）この影響を軽減する目的でボイスコイル部の温度を一定にするために放熱機構を設けた。図２のボイスコイル部の背面にヒートパイプの熱流入部を取り付ける。熱接触をよくするために、直接ヒートパイプを溶接するか、あるいは、シリコン等の充填材を介して固定する。一方ヒートパイプの放熱部は、ＸＹＺ３軸まとめて（あるいは、３ヶのヒートシンク別々でも良い）ヒートシンク４４に接続し、ヒートシンク４４に取り付けた熱放出フィンで自然空冷あるいは、空冷ファン５０による強制空冷を行なう。またヒートシンク４４が低温になりすぎた場合、例えばボイスコイルの温度が４０℃以下にならないように、加熱ヒーター４５と熱電対４６を用いてヒートシンク４４の温度制御を行なう。またボイスコイルの温度が４０℃以上の場合は、いまボイスコイル部の温度をTbとし、ヒートシンクの温度をThとするとヒートパイプを通して放熱される熱量PhはΔT=Tb−Thに相関する。ボイスコイル部の発熱量が増加してTbが上昇すると、Phも増加するため、放熱部の熱放出量がPhより大きい場合は、ヒートシンクを温度制御することなしに、ボイスコイル部の温度を一定にできる。あるいは、ボイスコイルの温度を一定にする目的で、熱電対４６´をボイスコイル部に接続し、その温度信号により加熱ヒーター４５を制御してもよい。
【００１１】
ヒートパイプを放熱機構として用いると、放熱部をボイスコイル部より離した位置に配置でき、たとえば放熱部を防音用の密閉ケースの外側に配置することが可能になる。またヒートパイプを粘性の大きい除振材で固定すれば、ヒートパイプを通して伝わる振動を軽減できる。
【００１２】
図３には、直接空冷フィン４３をボイスコイル部に固定し、空冷ファン５０により、強制空冷した実施例を示す。構造をより簡単にできる。
【００１３】
図４には、放熱機構として、ペルチエ素子６０と強制空冷機構（熱放出フィン４３と空冷ファン５０）を組み合わせた実施例の別形態を示す。熱電対６２とペルチエ素子の電源６１を制御することにより、ボイスコイル部の温度を一定にすることが可能になる。またこの構成にすると室温より低い温度でボイスコイル部を制御できる。
【００１４】
図５には、放熱機構として、ボイスコイル部に接触した冷媒導入パイプ７０中に冷媒を循環させる実施例の別形態を示す。冷媒として、たとえば温度制御された水を用い、熱電対７２と冷媒温度調節装置７１により、冷水の温度を制御することにより、ボイスコイル部の温度を一定にすることが可能になる。
【００１５】
次に筐体に流入する熱量を抑制する目的で図６に示すボイスコイル部と筐体の取り付け部の構造を説明をする。筐体１とボイスコイル部の固定は、接触面積が小さく、また熱伝導率の悪い材質で作成したワッシャ状の断熱スペーサー８０を介して、熱伝導率の悪い材質の固定ねじ８１を用いて固定した。具体的な材質としてスペーサーの材料は、両面研磨したワッシャ状のステアタイト、マコール、ルビー等を使用し、固定ねじとしてSUS304を使用できる。
【００１６】
本発明は、上記実施形態の記載のみによって解釈されるものではない。例えば、本発明には以下の技術的思想を当然に含む。
（１）カンチレバー上にある探針を試料面に沿ってメカ的に走査を行なう磁気ドライブスキャナーを有する走査型プローブ顕微鏡において、前記磁気ドライブスキャナーのボイスコイル部（図２：２１、２３、２５、２８、２９）を筐体より断熱的あるいは熱的な結合をできるだけ低くなるように取りつけ、前記ボイスコイル部より放熱させる機構を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【００１７】
（２）前記ボイスコイル部よりの放熱機構として、ボイスコイル部に冷却フィンを取りつけ、自然空冷、あるいは筐体から直接支持されていない固定点で支持されたファンによる強制空冷機構を有することを特徴とする（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００１８】
（３）前記ボイスコイル部の放熱機構としてボイスコイル部にペルチエ素子を取りつけ、該ペルチエ素子放熱側を自然空冷、あるいは筐体から直接支持されていない固定点で支持されたファンによる強制空冷機構を有することを特徴とする（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００１９】
（４）前記ボイスコイル部の放熱機構として、ボイスコイル部にヒートパイプを取りつけ、該ヒートパイプの放熱側を自然空冷、あるいは筐体から直接支持されていない固定点で支持されたファンによる強制空冷機構を有することを特徴とする（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００２０】
（５）前記ボイスコイル部の放熱機構として、ボイスコイル部に冷媒循環用パイプを取りつけ、前記冷媒循環用パイプに冷媒温度制御装置を取り付け、ボイスコイル部を冷媒と熱交換することにより一定の温度に制御することを特徴とする（１）記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００２１】
（６）カンチレバー上にある探針を試料面に沿ってメカ的に走査を行なう磁気ドライブスキャナーを有する走査型プローブ顕微鏡において、発熱部であるボイスコイル部を筐体より断熱的あるいは熱的な結合をできるだけ低く押さえる目的で前記ボイスコイル部と筐体の間に、熱伝導率が低く、前記ボイスコイル部と筐体の接触面積を小さくしたスペーサーを介して、前記ボイスコイル部を前記筐体に固定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。特に（１）乃至（５）の構成と組み合わせることも当然に可能であり、前記した通り好適である。
【００２２】
（７）スペーサーの材料として、両面研磨したワッシャ状のステアタイト、マコール、ルビー等を使用し、固定ねじとしてSUS304などの熱伝導率の悪い材質を使用することを特徴とする（６）記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したようにボイスコイル部の熱を一定にすることにより画像の熱ドリフトを軽減でき、測定精度の向上が達成された。ボイスコイル部の温度が一定になり、コイルの抵抗値も一定に保たれ、温度上昇によるコイルの抵抗の増加による発熱も軽減された。さらにボイスコイル部の温度が一定のため、磁界の強度も一定に保たれ、ボイスコイルで発生する力も一定になり、結果として測定精度が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本装置全体の模式図である
【図２】  発熱部であるボイスコイル部にヒートパイプ放熱機構を取り付けた模式図である。
【図３】  発熱部であるボイスコイル部に空冷フィンと空冷ファンの放熱機構を取り付けた別実施形態である。
【図４】  発熱部であるボイスコイル部にペルチエ素子と空冷フィンと空冷ファンの放熱機構を取り付けた別実施形態である。
【図５】  発熱部であるボイスコイル部に冷媒が循環できるパイプの放熱機構を取り付けた別実施形態である。
【図６】  ボイスコイル部と筐体の取り付け部の模式図である。
【図７】  従来の磁気駆動のスキャナーを有するSPMの摸式図である。
【符号の説明】
４０  ヒートパイプ
４１  熱流入部
４２  熱放出部
４３  熱放出フィン
４４  空冷ファン
８０  断熱スペーサー
８１  止めネジ
【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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