JP5268008B2 - 走査型プローブ顕微鏡用のスキャナ装置 - Google Patents

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関連する出願

本出願では、２００８年６月４日に日本国に出願された特許出願番号２００８−１４７０４１の利益を主張し、当該出願の内容は引用することによりここに組み込まれているものとする。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡用のスキャナ装置に関し、特に、高速走査を実現するための技術に関する。

従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が微小な試料の観察に用いられている。典型的なＳＰＭは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及び走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などである。ＳＰＭは、鋭くとがった探針を試料に対して近づけて、探針と試料の間に働く相互作用を検出し、相互作用を一定に保つように探針−試料間の距離をフィードバック制御する。相互作用は、トンネル電流、相互作用力などである。さらに、ＳＰＭは、フィードバック制御を維持した状態で、探針（または試料）を水平方向に走査する。これにより、探針（または試料）は、試料の凹凸をなぞるように上下する。そして、走査の軌跡を記録することにより、試料表面の凹凸像が得られる。

ＳＰＭでは、上記の走査の水平方向をＸＹ方向といい、垂直方向をＺ方向という。ＳＰＭのスキャナは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の走査を行えるように構成されている。例えば、従来一般的なトライポッド型スキャナは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３つのスキャナを一箇所で結合した構成を有する。各アクチュエータは圧電体（ピエゾ素子）で構成されている。トライポッド型スキャナは、例えば、特開昭６３−２６５５７３号公報に開示されている。

ＳＰＭを用いて高速に表面形状観察を行うためには、スキャナが高速に探針（または試料）を走査する必要がある。スキャナの走査周波数は、各軸方向の共振周波数によって制限される。したがって、ＳＰＭを用いて高速にイメージングを行うためには、スキャナの共振周波数を可能な限り高くすることが求められる。ＳＰＭの観察時には、スキャナは垂直（Ｚ）軸方向に最も高速に動作する必要があり、Ｚ軸方向の共振周波数によって全体の動作速度が制限される場合が多い。したがって、Ｚ軸方向の共振周波数を増大させることは特に重要である。

図１Ａに示すように、Ｚ軸スキャナの圧電体が上下方向に自由に振動しているときの共振周波数をｆ０とする。従来の一般的なスキャナ構成は、図１Ｂに示される片端固定構造を有し、圧電体の底面が支持部品に固定される。このような構造は、Ｚ方向の共振周波数を自由振動の共振周波数ｆ０の半分、すなわち（１／２）ｆ０にしてしまい、したがって、共振周波数を大幅に減少させる。

また、図１Ｂに示される従来の構成では、Ｚ軸スキャナの圧電体の変位が、圧電体の重心に対して非対称に振動する。そのため、振動によって大きな衝撃が生じる。この衝撃は下側の支持部品を通して伝達されて、Ｘ軸、Ｙ軸スキャナを構成する他の部分の共振振動を励起する力を増大する。そして他の部分の振動が励起されると、逆にその振動の衝撃がＺ軸方向に伝わり、Ｚ軸方向の振動が生じる。その結果、スキャナを構成する他の部分の共振周波数（Ｚ軸方向の共振周波数よりも低い）以上の周波数でスキャナを用いることができなくなる。このような現象は、Ｚ軸スキャナの走査周波数を共振周波数よりも更に低く制限してしまう。

Ｚ軸スキャナの自由振動の共振周波数は、例えば、数百ｋＨｚ程度である。また、上記の衝撃に起因する振動周波数は、例えば、数十ｋＨｚである。一方、従来の一般的なスキャナの走査周波数は、高くても１ｋＨｚ程度であった。そのため、従来の一般的なスキャナでは、共振周波数や、衝撃による振動は、それほど大きな問題でなかった。しかし、ＳＰＭの高速化のために走査周波数を増大しようとすると、共振周波数や、衝撃による振動が問題になる。

特開２００２−８２０３６号公報は、圧電体の側面の中央部を支持することを提案している。この構造は、圧電体の上半部及び下半部に生じる衝撃をバランスさせることにより、スキャナの振動を低減できる。しかし、圧電体の一つの側面が支持されているために、別の振動モードが生じてしまい、このことがスキャナの走査周波数を制限してしまう。また、圧電体の側面を支持する構造は、やはり自由振動状態と比べて共振周波数を低下させてしまう。

本発明は、上記背景の下でなされたものであり、その目的は、より高い周波数での走査を可能とし、ＳＰＭの高速化を可能にする技術を提供することにある。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナ装置に関する。本発明のスキャナ装置は、走査対象を走査方向に走査するアクチュエータと、アクチュエータを保持するアクチュエータホルダとを備え、アクチュエータホルダは、走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にてアクチュエータを保持する。

本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡における走査対象の走査方法であって、走査対象を走査方向に走査するためのアクチュエータを設け、アクチュエータを走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて保持した状態で走査を行う。

本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナ装置の製造方法である。この方法は、走査対象を走査方向に走査するアクチュエータを用意し、アクチュエータを、走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて保持する。

本発明の別の態様は、上述したスキャナ装置を有する走査型プローブ顕微鏡である。

上記の構成を有することにより、本発明は、より高い周波数での走査を可能とし、ＳＰＭの高速化を可能にできる。

以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。

図１Ａは、自由振動状態の圧電素子を示す図である。 図１Ｂは、圧電素子を用いた従来のＺ軸スキャナを示す図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるスキャナ装置を示す斜視図である。 図３Ａは、スキャナ装置をＸ方向に切断した断面図である。 図３Ｂは、スキャナ装置をＹ方向に切断した断面図である。 図４Ａは、スキャナ装置のＺスキャナ部分の斜視図である。 図４Ｂは、スキャナ装置のＺスキャナ部分の断面図である。 図５は、スキャナ装置が備えられる走査型プローブ顕微鏡の例を示す図である。 図６Ａは、スキャナ装置における変位量の駆動周波数依存性を示す図である。 図６Ｂは、スキャナ装置における位相の駆動周波数依存性を示す図である。 図７は、本実施の形態の応用例を示す図である。

以下に本発明の詳細な説明を述べる。以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。

本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナ装置に関する。本発明のスキャナ装置は、走査対象を走査方向に走査するアクチュエータと、アクチュエータを保持するアクチュエータホルダとを備え、アクチュエータホルダは、走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部（又は保持線）にてアクチュエータを保持する。

本発明では、アクチュエータとアクチュエータホルダが線（又は線状の部分）で接触してよく、接触線が上記の保持線部に相当してよい。接触幅（保持線部の幅）は実質的に小さくてよく、実質的にゼロ又はゼロに近くてよい。接触面積も非常に小さく、殆ど無くてよい。保持線部は、線状保持部又は線状接触部と呼んでもよい。保持線部は、エッジと面の接触によって実現されてよい。下記の例では、アクチュエータのエッジとアクチュエータホルダの面が接触する。あるいは、アクチュエータの面とアクチュエータホルダのエッジが接触してよい。

本発明のアクチュエータ保持構造は、線状保持構造ということができる。また、下記のように複数の保持線部が対称に配置されてよく、本発明の保持構造は、対称型線状保持構造と呼ぶことができる。

上記のように、本発明では、アクチュエータホルダが走査方向に延びる複数の保持線部にてアクチュエータを保持する。アクチュエータは例えば圧電素子で構成される。したがって、アクチュエータと他の部品の機械的結合が低く抑えられ、アクチュエータが高い独立性を有し、自由振動に近い状態で走査方向に沿って両側に均等に変位できる。アクチュエータの振動の衝撃を大幅に緩和することができ、また、共振周波数を自由振動の共振周波数に近い値にできる。したがって、従来よりも高い周波数と速度で走査を行うことができる。

複数の保持線部は、アクチュエータの周囲に等間隔に配置されてよく、走査方向に対して平行でよい。この構成により、複数の保持線部でのアクチュエータの保持を好適に実現できる。

アクチュエータホルダは、複数の保持線部にてアクチュエータを押圧することによりアクチュエータを保持してよい。この構成は、アクチュエータを押圧力で保持するので、アクチュエータの上下方向の変形に対する拘束を弱めることができる。したがって、アクチュエータは自由振動により近い状態で振動でき、アクチュエータの振動の衝撃を更に低減でき、共振周波数を自由振動の共振周波数に近くできる。

アクチュエータは、走査方向に延びる複数の辺（エッジ）を含む形状を有してよく、複数の辺がアクチュエータホルダの面と接してよい。この構成により、複数の保持線部でのアクチュエータの保持を好適に実現できる。

アクチュエータホルダは走査方向の保持穴を有してよく、アクチュエータは、保持穴に内接する多角形の断面形状を有し、保持穴内に保持されてよい。この構成により、アクチュエータホルダがアクチュエータを取り囲み、複数の保持線部でのアクチュエータの保持を好適に実現できる。

アクチュエータは、複数の保持線部にてアクチュエータホルダに接するように、アクチュエータホルダの保持穴に圧入されてよい。この構成は、アクチュエータを押圧力で保持するので、アクチュエータの上下方向の変形に対する拘束を弱めることができる。したがって、アクチュエータは自由振動により近い状態で振動でき、アクチュエータの振動の衝撃を更に低減でき、共振周波数を自由振動の共振周波数に近くできる。

アクチュエータホルダが絶縁材製であってよい。この構成は、アクチュエータ保持線部が損傷した場合でも絶縁状態を保つことができ、したがって信頼性を向上できる。

アクチュエータホルダの保持穴の内面とアクチュエータの外面との隙間にエラストマーが設けられてよい。エラストマー材が隙間に充填されてよい。この構成は、アクチュエータの振動の衝撃をさらに低減できる。本発明の線状保持構造で振動が残った場合でも、残った振動を好適に低減できる。したがって、走査周波数と走査速度を好適に増大できる。

スキャナ装置は、走査方向と異なる方向の走査を行う別のアクチュエータを備えてよく、別のアクチュエータは、アクチュエータの側方にてアクチュエータホルダを支持してよい。例えばアクチュエータがＺ軸方向のアクチュエータであり、別のアクチュエータがＸ軸方向のアクチュエータ及び／又はＹ軸方向のアクチュエータである。この構成は、アクチュエータの振動が別のアクチュエータに伝わりにくくすることができる。したがって、アクチュエータの独立性をさらに高くでき、走査周波数と走査速度を増大できる。

アクチュエータは、走査方向の一端にて走査対象を支持するとともに、走査方向の他端にてカウンターウエイトを支持してよい。この構成は、アクチュエータの両端の重さを均一化することができ、アクチュエータの振動をさらに低減し、走査周波数と走査速度を増大できる。

本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡における走査対象の走査方法である。この方法は、走査対象を走査方向に走査するためのアクチュエータを設け、アクチュエータを走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて保持した状態で走査を行う。この態様も、上述の装置の態様で説明された各種の構成を採用できる。

本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナ装置の製造方法である。この方法は、走査対象を走査方向に走査するアクチュエータを用意し、アクチュエータを、走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて保持する。この方法によっても上述した本発明の利点が得られる。この態様も、上述の装置の態様で説明された各種の構成を採用できる。

本発明の別の態様は、上述したスキャナ装置を有する走査型プローブ顕微鏡である。この態様によっても上述した本発明の利点が得られる。この態様も、上述のスキャナ装置の態様で説明された各種の構成を採用できる。走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であってよく、より詳細にはＦＭ（Frequency Modulation）−ＡＦＭであってよい。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。

図２は、本実施の形態のスキャナ装置を示す斜視図である。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれスキャナ装置のＸ方向及びＹ方向の断面図であり、スキャナ装置は図２の線Ａ−Ａ及び線Ｂ−Ｂに沿って切断されている。さらに、図４ＡはＺ軸スキャナ部分の斜視図であり、図４Ｂは、図４ＡのＺ軸スキャナを線ＣーＣに沿って、すなわち対角線に沿って切断した断面図である。

これらの図面に示されるように、スキャナ装置１は、Ｘアクチュエータ３、Ｙアクチュエータ５及びＺアクチュエータ７を備えている。Ｘアクチュエータ３、Ｙアクチュエータ５及びＺアクチュエータ７は、それぞれ、Ｘ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ及びＺ軸スキャナであり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に伸縮する。そして、これら３つのアクチュエータが全体としてＸＹＺの３方向の走査を実現する。各アクチュエータは圧電素子（ピエゾ素子）で構成されており、立方体形状を有している。Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５はスキャナベース９に支持（保持）されている。そして、Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５がＺアクチュエータホルダ１１を支持（保持）し、Ｚアクチュエータホルダ１１がＺアクチュエータ７を保持している。

スキャナベース９は、ステンレス製である。スキャナベース９は、略Ｌ字型の形状を有しており、すなわちＹ軸方向に延びる第１ベース部２１とＸ軸方向に延びる第２ベース部２３を有し、第１ベース部２１の一端と第２ベース部２３の一端が結合されている。

第１ベース部２１はＸアクチュエータ３の一端を支持しており、第２ベース部２３はＹアクチュエータ５の一端を支持している。そして、Ｘアクチュエータ３の他端及びＹアクチュエータ５の他端が、Ｚアクチュエータホルダ１１を支持している。Ｚアクチュエータホルダ１１は直方体形状を有している。Ｘアクチュエータ３がＺアクチュエータホルダ１１の側面２５を支持し、Ｙアクチュエータ５が、側面２５に垂直な側面２７を支持している。Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５は、スキャナベース９及びＺアクチュエータホルダ１１にエポキシ系の接着剤で接着されている。

図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、Ｚアクチュエータホルダ１１は、中央にＺ軸方向に貫通する保持穴２９を有している。Ｚアクチュエータ７は、保持穴２９内に保持されている。Ｚアクチュエータホルダ１１は、保持穴２９の内面にて、Ｚアクチュエータ７の上下方向の４辺（エッジ）Ｌを支持している。保持穴２９の面はＺアクチュエータ７の側面には接触していない。

Ｚアクチュエータ７及びＺアクチュエータホルダ１１は、本発明のアクチュエータ及びアクチュエータホルダの例である。また、Ｚアクチュエータ７の４辺Ｌは、本発明の複数の保持線部の例である。本発明の特徴として、Ｚアクチュエータ７が複数の保持線部にて保持される。Ｚアクチュエータ７とアクチュエータホルダ１１が線（又は線状の部分）で接触し、接触線が保持線部に相当する。接触幅は非常に小さく、実質的にゼロ又はゼロに近くてよい。接触面積も非常に小さく、殆ど無くてよい。保持線部は、線状保持部又は線状接触部と呼んでもよい。保持線部は、エッジと面の接触によって実現されてよい。本実施の形態の例では、Ｚアクチュエータ７のエッジとアクチュエータホルダ１１の面が接触する。反対に、Ｚアクチュエータ７の面とアクチュエータホルダ１１のエッジが接触してよい。より詳細には、Ｚアクチュエータ７の外面（側面）が、アクチュエータホルダ１１のエッジと接触してよく、エッジは保持穴２９に設けられてよい。

複数の保持線部は、それぞれ走査方向（この例ではＺ軸方向）に延びており互いに離れた線状部分である。より詳細には、複数の保持線部は、アクチュエータの周囲に等間隔に配置されており、走査方向に平行な線である。保持線部の位置を保持位置と呼んでもよい。複数の保持位置はアクチュエータの周囲に互いに離れて、好ましくは等間隔にされている。そして、アクチュエータが複数の保持位置にて走査方向の保持線部にて保持されている。上記より、本発明のアクチュエータ保持構造は、線状保持構造ということができる。また、複数の保持線部が対称に配置されるので、本発明の保持構造は、対称型線状保持構造と呼ぶことができる。

図示のように、Ｚアクチュエータ７は、上述の複数の保持線部にて、側方（走査方向に対して交差する方向（より詳細には直角方向））から支持されている。言い換えれば、Ｚアクチュエータホルダ１１は、アクチュエータ周囲の複数方向から、走査方向に延びる複数の保持線部にて、走査方向に対して交差する向き（より詳細には直角の向き）に、Ｚアクチュエータ７を支持している。

また、本実施の形態では、上記のようにＺアクチュエータ７が四角形の断面形状を有し、円形の保持穴に内接している。すなわち、アクチュエータがアクチュエータホルダの保持穴に内接する多角形の断面形状を有している。これにより、辺Ｌ（断面の角部）がホルダ内面に接し、そして、保持線部による保持が好適に実現されている。

また、Ｚアクチュエータ７は、保持穴２９に圧入されている。したがって、Ｚアクチュエータ７の４辺Ｌ（保持線部）は、接着されることなく、Ｚアクチュエータホルダ１１により押圧されている。この構成は、後述するように、Ｚアクチュエータ７の走査方向の変形に対する拘束を低減する点で有利である。

また、Ｚアクチュエータホルダ１１がＺアクチュエータ７と４辺Ｌのみで接するので、保持穴２９の内面とＺアクチュエータ７の間には４つの隙間３１がある。これらの隙間３１にはエラストマー３３が充填されている。図示されないが、エラストマー材は、隙間３１だけでなくより広範囲に設けられている。エラストマー材は、スキャナベース９、Ｚアクチュエータホルダ１１、Ｘアクチュエータ３、Ｙアクチュエータ５及びＺアクチュエータ７を含むスキャナ装置１の全体を覆ってよい。

上記構成のうち、Ｚアクチュエータホルダ１１は、例えばＰＥＥＫ（登録商標）（ポリエーテルエーテルケトン、polyetheretherketone）から作られている。ＰＥＥＫは、高い化学的耐性及び高い加工性を有する絶縁材である。ＰＥＥＫをテフロン（登録商標）と比べると、ＰＥＥＫは加工性が高いので有利である。

また、ＰＥＥＫは、ステンレス等の鋼材と比べても下記のように有利である。Ｚアクチュエータ７は、４つの角部で保持穴２９の内面に接した状態で圧入される。鋼材を使った場合、アクチュエータホルダの剛性が大きくなり、圧入時にアクチュエータの角部が損傷しやすく、損傷を避けるために厳密な寸法管理が要求される。これに対して、ＰＥＥＫは圧入時の損傷を生じにくい。また、仮に損傷が生じても、ＰＥＥＫは絶縁状態を維持できる。このように、ＰＥＥＫは本発明のＺアクチュエータホルダの材料として有利である。

また、エラストマー３３は例えばポリウレタンである。この種の材料は、損失係数（ロスファクター）を有している。損失係数が大きい材料は、振動を吸収でき、高い衝撃吸収能力を有する。このような観点で、損失係数が大きいポリウレタンが用いられている。

次に、図５を参照し、本実施の形態のスキャナ装置１が備えられる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の例を説明する。この例では、ＳＰＭが原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）であり、特に、ＦＭ（Frequency Modulation）−ＡＦＭである。ＦＭ−ＡＦＭは、カンチレバーを共振周波数で自励発振させ、カンチレバーと試料の相互作用による共振周波数のシフト量を一定値に維持するようにＺ方向のフィードバック制御（Ｚ走査）を行う。ＦＭ−ＡＦＭは、解像度が高く、また、非接触モードでも使用できる。

図５において、ＡＦＭ５１は、カンチレバー５３と試料ホルダ５５を備える。試料ホルダ５５が本実施の形態のスキャナ装置１に取り付けられている。カンチレバー５３はレバーホルダ５７に保持されている。カンチレバー５３は探針５９を有しており、試料ホルダ５５上の試料に近接するように配置される。

ＡＦＭ５１は、カンチレバー５３のＺ方向の変位を検出する変位センサ６１を備える。レバー駆動制御部６３はレバー変位に基づいてレバーアクチュエータ６５（圧電素子）を制御し、カンチレバー５３を自励発振させる。カンチレバー５３が自励発振した状態で探針５９が試料に接近すると、探針５９と試料の相互作用に応じてカンチレバー５３の共振周波数がシフトする。共振周波数シフト検出回路６７は、レバー変位に基づいてカンチレバー５３の共振周波数シフトを検出する。フィードバック回路６９は、共振周波数シフトの検出値と目標値の差分に応じたフィードバック信号を生成する。走査制御部７１は、フィードバック信号に従ってスキャナ装置１のＺ軸方向の駆動を制御する。また、走査制御部７１は、コンピュータ７３から供給されるＸＹ走査の制御データに従ってスキャナ装置１にＸＹ方向の走査を行わせる。

このようにして、スキャナ装置１は、ＸＹ走査を行いながら、探針５９と試料の距離を一定に保つＺ走査を行う。Ｚ走査のフィードバック信号は、試料のＺ方向の高さに対応する。コンピュータ７３は、ＸＹ走査の制御データとＺ走査のフィードバック信号とに基づいて、試料表面の画像を生成してモニタ７５に表示する。３次元画像が好適に生成され、表示される。

以上に本実施の形態のスキャナ装置１が設けられるＳＰＭの例を説明した。次に、スキャナ装置１の動作を説明する。

スキャナ装置１では、Ｘアクチュエータ３がＸ軸走査の駆動電圧に応じてＸ軸方向に伸縮し、Ｙアクチュエータ５がＹ軸走査の駆動電圧に応じてＹ軸方向に伸縮し、Ｚアクチュエータ７がＺ軸走査の駆動電圧に応じてＺ軸方向に伸縮する。これらの動きによって、スキャナ装置１は、走査対象にＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の走査を行わせる。上記の例では、走査対象は、試料ホルダとそこに保持された試料である。

ここで、Ｚ軸方向の走査に注目する。Ｚアクチュエータ７は、４辺Ｌ、すなわち複数の保持線部にて、側方からＺアクチュエータホルダ１１により保持されている。これら複数の保持線部は、走査方向に延びており、互いに離れている。Ｚアクチュエータホルダ１１は、従来装置のようにＺアクチュエータ７の底面を支持してはいない。このような保持構造は、Ｚアクチュエータ７と他の機械共振部品との機械的な結合を低く抑えることができ、したがって、Ｚアクチュエータ７に高い独立性を持たせることができ、Ｚアクチュエータ７すなわちＺ軸スキャナを自由振動に近い状態でＺ方向に振動させる。

さらに、本実施の形態では、Ｚアクチュエータ７がＺアクチュエータホルダ１１に接着されておらず、圧入によって保持されている。したがって、Ｚアクチュエータ７のＺ方向の伸縮が主として摩擦力のみにより拘束される。圧入構造は、Ｚアクチュエータ７が接着されている場合のような大きな歪みを生じない。このことは、Ｚアクチュエータ７の拘束を弱くして、Ｚアクチュエータ７の挙動の独立性をさらに高める。

さらに、本実施の形態では、Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５の位置も、アクチュエータの独立性に寄与する。本実施の形態では、Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５は、Ｚアクチュエータ７の側方にてＺアクチュエータホルダ１１を支持する。より詳細には、Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５は、走査方向に沿ってＺアクチュエータ７と同位置に位置しており、かつ、Ｚアクチュエータ７に対して、走査方向に交差する方向、より詳細には走査方向に垂直な方向に位置している。このような構成は、ＸＹアクチュエータがＺアクチュエータの上側又は下側に配置される構成に比べて、Ｚ方向の振動の衝撃がＸＹアクチュエータへと伝わりにくくする。したがって、Ｚアクチュエータの独立性が高くなる。

上記のように、本実施の形態では、Ｚアクチュエータの独立性が高い。したがって、ＺアクチュエータすなわちＺ軸スキャナは、自由振動に近い状態で、走査方向に沿って両側（上下両方向）に均等に変位できる。アクチュエータの振動の衝撃を大幅に緩和することができ、また、共振周波数を自由振動の共振周波数に近い値にできる。従来構成の共振周波数が自由振動の共振周波数の半分であったことを考慮すると、本発明は共振周波数を従来構成の約２倍にできる。したがって、従来よりも大幅に高い周波数と速度で走査を行うことができる。

また、本実施の形態では、アクチュエータホルダ１１とＺアクチュエータ７の隙間にエラストマー３３が設けられている。この例では、エラストマー材が、損失係数の大きい材質、例えばポリウレタンである。エラストマー３３を設けたことにより、Ｚアクチュエータ７の振動の衝撃をさらに低減できる。上記の線状保持構造だけではＺアクチュエータ７の振動が残ったとしても、残った振動がエラストマー材に吸収されて、好適に低減する。したがって、走査周波数と走査速度を好適に増大できる。

ところで、本実施の形態の構造では、Ｘアクチュエータ３及びＹアクチュエータ５が伸縮すると、Ｚアクチュエータ７以外の部分にも歪みが生じる。しかし、各アクチュエータの圧電素子の大きさがミリメートルオーダーであるのに対し、圧電素子の変位がナノメートルオーダーである。したがって、それらのアクチュエータのひずみによる変位の誤差は、無視できる。そこで、各圧電素子の変位は、そのままＺアクチュエータのＸＹ方向の変位量として使われてよい。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照し、本発明の実現例を説明する。この例は、上記の実施の形態にて説明したスキャナ装置１を用いた。各部の寸法としては、Ｘ方向の全長（スキャナベース９のＸ方向の長さ）が７ｍｍであり、Ｙ方向の全長（スキャナベース９のＹ方向の長さ）も７ｍｍであり、Ｚ方向の全高（スキャナベース９の高さ）が３ｍｍであった。各アクチュエータ（圧電素子）は、２ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍの立方体であった。各アクチュエータは、駆動電圧に対して２２ｎｍ／Ｖの感度で変位する。ただし、Ｚ方向に関しては、上下に均等に圧電素子が変位するので、感度は約１／２、すなわち１１ｎｍ／Ｖである。この圧電素子の自由振動時の共振周波数は、５００−５５０ｋＨｚ程度である。

図６Ａ及び図６Ｂは、Ｚアクチュエータの変位量及び位相の駆動周波数依存性を示している。図６Ａにおいて、横軸は駆動周波数であり、縦軸は変位量である。図６Ｂでは、横軸が周波数であり、縦軸が位相である。

図６Ａにおいて、周波数のピーク位置は５４０ｋＨｚ程度である。すなわち、Ｚアクチュエータの共振周波数が５４０ｋＨｚ程度であり、自由振動時の共振周波数とほぼ一致している。本発明の構成によりＺアクチュエータの共振周波数の低下が避けられることが分かる。

また、図６Ａに示されるように、数十ｋＨｚ程度の領域に、小さいピークが見られる。これは、スキャナ全体の中に存在する他の共振が励起され、そして、そのような他の共振に対する応答がＺ軸方向に現れているものと考えられる。しかし、変位量は１ｄＢ以下であり、非常に小さい。また、図６Ｂに示される位相特性への影響もほとんど見られない。したがって、このピークは、実用上無視できるレベルに抑えられている。以上より、本発明のスキャナ構成が、Ｚ軸駆動用のスキャナと他の機械共振との機械的な結合を低く抑えており、高い独立性を有していることがわかる。

上記の例を、従来の構成と比較する。従来は、Ｚ軸スキャナの共振周波数が、自由振動時の共振周波数の半分であった。したがって、共振周波数のピークが、図６Ａのピーク周波数の約半分であった。さらに、従来構成では、Ｚ軸スキャナの振動の衝撃がＸＹ軸スキャナに伝わり、ＸＹ軸スキャナの振動の衝撃がＺ軸スキャナに伝わる。そのため、１０〜５０ｋＨｚ程度の領域にて、比較的大きな振幅を持つ振動がＺ軸スキャナに生じる。従来の一般的なスキャナの走査周波数は高くても１ｋＨｚ程度であったので、上記の共振周波数や他の振動は問題でなかった。

しかし、本発明は、ＳＰＭの高速化を目指しており、その場合には上記の共振や振動が問題になる。本発明は、図６Ａ及び図６Ｂに示したように、共振周波数を大幅に高くでき、また、数十ｋＨｚ領域の振動も無視できる程度に低減でき、ＳＰＭの高速化を可能としている。

さらに、図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、本発明のスキャナは、振幅特性及び周波数特性に不自然なピークを持っていない。このような特性は、以下の点でも有利である。スキャナと同じ振幅、位相特性を有するモデル回路を作製し、そのモデル回路の応答からスキャナの振動を予測し、スキャナの共振振動ピークを抑制する方法が提案されている。本発明のスキャナは不自然なピークや不規則な特性を持たないので、正確なモデル回路を比較的容易に作成することが可能である。したがって、上記方法を用いて共振振動ピークを容易に抑制できる。

次に、図７を参照し、本実施の形態の好適な応用例を説明する。図５の例では、スキャナ装置１の一方に試料ホルダが取り付けられていた。図７の例では、さらにカウンタウエイトが取り付けられる。

図７においては、試料ホルダ５５が、Ｚアクチュエータ７の一端に取り付けられている。Ｚアクチュエータ７の他端にはカウンタウエイト８１が取り付けられている。カウンタウエイト８１の重さは、走査対象である試料ホルダ５５と同じ重さに設定されている。このような構成により、アクチュエータの両端の重さを均一化することができ、アクチュエータの振動をさらに低減し、走査周波数と走査速度を好適に増大できる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。上記の実施の形態では、Ｚアクチュエータ７の断面が四角形であり、４つの線部でＺアクチュエータホルダ１１により支持された。しかし、本発明はこれに限定されない。Ｚアクチュエータは、異なる本数の保持線部にて保持されてよい。例えば、３本の保持線部で保持されてよく、５本以上の保持線部で保持されてよい。例えば、Ｚアクチュエータが３角形断面を有してよく、また、５つ以上の頂点を持つ断面形状を有してよい。

本実施の形態では、Ｚアクチュエータホルダ１１の保持穴３１が円形であった。しかし、本発明の範囲内で、保持穴３１は円形でなくてもよい。

本実施の形態では、アクチュエータの角（エッジ）の線部に、アクチュエータホルダの面が接触した。反対に、アクチュエータホルダが、保持穴に複数の角（エッジ）を有し、それらの角の線部が、アクチュエータの面に接触してもよい。例えば、アクチュエータホルダが、保持穴内面に、走査方向に延びる複数の線状の突起を備えてよい。それら複数の突起が、アクチュエータの外周面に接し、アクチュエータを支持してよい。

本実施の形態では、本発明がＺアクチュエータに適用された。しかし、本発明は、他のアクチュエータ、例えば、Ｘアクチュエータ及び／又はＹアクチュエータに適用されてもよい。３つのアクチュエータすべてに本発明が適用されてもよい。

本実施の形態では、スキャナ装置が３つのアクチュエータを備えていた。しかし、スキャナ装置は、１方向のアクチュエータのみを備えてもよい。例えば、ＺスキャナとＸＹスキャナが分離され、Ｚスキャナに本発明が適用されてもよい。例えば、探針がＺスキャナにより走査され、試料がＸＹスキャナにより走査されてよい。走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は探針を走査するように構成されることが多い。

上記の記述から明らかなように、本発明はＡＦＭに限定されず、任意のＳＰＭに適用されてよい。

以上に本発明の好適な実施の形態について説明した。本発明では、アクチュエータホルダが走査方向に延びる複数の保持線部にてアクチュエータを保持する。このような構成により、アクチュエータと他の部品の機械的結合が低く抑えられ、アクチュエータが高い独立性を有し、自由振動に近い状態で走査方向の両側に均等に変位できる。アクチュエータの振動の衝撃を大幅に緩和することができ、また、共振周波数を自由振動の共振周波数に近い値にできる。その結果、従来よりも高い周波数と速度で走査を行うことができる。

以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。

本発明にかかるスキャナ装置は、走査型プローブ顕微鏡の高速化技術に有用に用いられる。

Claims (12)

1. 走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナ装置であって、
   走査対象を走査方向に走査するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを保持するアクチュエータホルダと、
   を備え、
   前記アクチュエータホルダは、前記走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて前記アクチュエータを押圧することにより保持することを特徴とするスキャナ装置。
2. 前記複数の保持線部は、前記アクチュエータの周囲に等間隔に配置されており、前記走査方向に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
3. 前記アクチュエータは、前記走査方向に延びる複数の辺を含む形状を有し、前記複数の辺が前記アクチュエータホルダの面と接することを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
4. 前記アクチュエータホルダは前記走査方向の保持穴を有し、前記アクチュエータは、前記保持穴に内接する多角形の断面形状を有し、前記保持穴内に保持されることを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
5. 前記アクチュエータは、前記複数の保持線部にて前記アクチュエータホルダに接するように、前記アクチュエータホルダの前記保持穴に圧入されていることを特徴とする請求項４に記載のスキャナ装置。
6. 前記アクチュエータホルダが絶縁材製であることを特徴とする請求項４に記載のスキャナ装置。
7. 前記アクチュエータホルダの前記保持穴の内面と前記アクチュエータの外面との隙間にエラストマーが設けられていることを特徴とする請求項４に記載のスキャナ装置。
8. 前記走査方向と異なる方向の走査を行う別のアクチュエータを備え、前記別のアクチュエータは、前記アクチュエータの側方にて前記アクチュエータホルダを支持することを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
9. 前記アクチュエータは、前記走査方向の一端にて前記走査対象を支持するとともに、前記走査方向の他端にてカウンターウエイトを支持することを特徴とする請求項１に記載のスキャナ装置。
10. 走査型プローブ顕微鏡における走査対象の走査方法であって、
    前記走査対象を走査方向に走査するためのアクチュエータを設け、
    前記アクチュエータを前記走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて押圧することにより保持した状態で走査を行うことを特徴とする走査方法。
11. 走査型プローブ顕微鏡に用いられるスキャナ装置の製造方法であって、
    走査対象を走査方向に走査するアクチュエータを用意し、
    前記アクチュエータを、前記走査方向に延びており互いに離れた複数の保持線部にて押圧することにより保持することを特徴とするスキャナ装置の製造方法。
12. 請求項１に記載のスキャナ装置を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。

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