JP2006170971A - 駆動ヘッド及びそれを備えた個人用原子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 上下両方向への変位が可能であり、広い変位幅を有する駆動ヘッド及びそれを備えた個人用原子顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料上に位置させられる探針と、前記探針を移動させるためのカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み程度によって電気伝導度が変化する撓み感知部と、前記電気伝導度に応じて制御信号を出力する制御部と、前記制御信号によって前記探針と前記試料との間の間隔を一定に維持するために前記カンチレバーを上下に移動させる駆動ヘッドと、前記試料を移動させるためのスキャナとを備え、前記駆動ヘッドは、所定部分に弾性部を有する撓みヒンジと、前記撓みヒンジを支持して撓みヒンジの弾性部に所定の力を伝達する支持台と、前記撓みヒンジと連結されるヨークと、前記ヨークから一方向に突出して配設されたマグネットと、前記マグネットと重畳する形態に配設されたコイルと、を備えて構成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動ヘッド及びそれを備えた個人用原子顕微鏡に関し、より詳しくは、上下両方向への変位が可能であり、大きい変位幅を有する駆動ヘッド及びそれを備えた個人用原子顕微鏡に関する。

ナノメートル水準の表面形象や特性を測定することができるＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｒｃｏｓｃｏｐｅ）は、ナノテクノロジ（ＮＴ）分野の研究活性化によって重要な役目を果たす装置であり、その装置には、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等がある。

ＳＴＭは、先端が尖った探針を備えている。探針を伝導体試料の表面に近接させて探針及び試料に電圧を印加すると、二つの導体間の間隔が非常に狭い場合、電子がエネルギ障壁を通過して電流が流れるようになる。これを量子力学的トンネリング（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）現象という。一方、探針と試料との間の間隔が遠くなると、電子のトンネリング確率が急激に低くなって電流が急激に減少する。このとき、スキャナ（ｓｃａｎｎｅｒ）は、探針を通じて一定の電流が流れるように探針の高さを調整し、探針を左右及び前後に移動させながら試料表面を測定する。ＳＴＭは、電気的に不導体である試料を測定することができない短所を有する。

一方、ＡＦＭ（以下、「原子顕微鏡」と称する。）は、不導体である試料も測定が可能な長所を有する。

原子顕微鏡は、微細な力により上下に容易に撓むように製作された棒状のカンチレバーと、カンチレバーの縦端部に設置された探針と、を備えている。探針を試料表面に近接させると、探針先端の原子と試料表面の原子との間に相互に引く力（引力）又は反発する力（斥力）が作用する。このとき、発生するカンチレバーの撓みを測定する方法には様々な方法が提案された。

例えば、光がカンチレバーに照射され、カンチレバーから反射された光線の角度をフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を通じて検出して探針と試料との間の間隔が一定に維持されるようにする方法がある（“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”、Ｕ.Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５，９５５，６６０、Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（特許文献１））、（“Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｈｉｃｈ ｏｐｅｒａｔｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅ”、Ｕ.Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．６，１８５，９９１、ＰＳＩＡ ｃｏｒｐ．，２００１（特許文献２））。

また、カンチレバーの撓みを検出するために、カンチレバーにセンサを装着した技術が開発された（“Ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｐｒｏｂｅ ｗｉｔｈ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｒｅａｄ−ｏｕｔ ａｎｄ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”、Ｊ．Ｔｈａｙｓｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ８３（２０００）、ｐｐ４７−５３（非特許文献１））、 （“Ｓｅｌｆ−ｅｘｃｉｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｌｆ−ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ”、Ｕ．Ｓ．ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．６，４２２，０６９, ２００２、Ｓｅｉｋｏ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ.（特許文献３））。

レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）とフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）とを使用する場合に比較してセンサをカンチレバーに装着する場合は分解能は低いが、整列や測定が容易である。しかし、このように構成される従来の原子顕微鏡は、Ｚ方向やＸ及びＹ方向の駆動のために圧電駆動機を利用するので、圧電駆動機の特性によるヒステリシス（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）やクリープ（Ｃｒｅｅｐ）現象が発生し、Ｘ軸及びＹ軸方向にスキャニングをする際に発生する曲線形状の直線運動（Ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｉｏｎ）により必ず後補征が必要となる問題点がある。このように、従来の原子顕微鏡は、レーザダイオードとフォトダイオードとを使用する光学的な構造を有するので構造が複雑であり、圧電駆動機の使用によるヒステリシスやクリープ等の問題点により非線形性を有する。従って、非線形性により発生する問題を解決するための付加システムを要するので、高価な製作費用を必要とする。
米国特許公報第５，９５５，６６０号 米国特許公報第６，１８５，９９１号 米国特許公報第６，４２２，０６９号 "Ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｐｒｏｂｅ ｗｉｔｈ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｒｅａｄ−ｏｕｔ ａｎｄ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ"、Ｊ． Ｔｈａｙｓｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ８３（２０００）、ｐｐ４７−５３

従って、本発明は、上述したような従来の技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、上下の両方向への変位が可能であり、広い変位幅を有する駆動ヘッドを提供することにある。

本発明の他の目的は、構造が簡単であり、製作費用が安価である個人用原子顕微鏡を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る駆動ヘッドは、所定部分に弾性部を有する撓みヒンジ（ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ）と、前記撓みヒンジを支持して撓みヒンジの弾性部に所定の力を伝達する支持台と、前記支持台と対応する位置において前記撓みヒンジと連結されるヨークと、前記ヨークから一方向に突出して配設されたマグネットと、前記支持台上に固定され、前記マグネットと重畳する形態に配設されたコイルと、を備えて構成されることを特徴とする。

また、上述の課題を解決するための本発明に係る個人用原子顕微鏡は、試料上に位置させられる探針と、前記探針を移動させるためのカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み程度によって電気伝導度が変化する撓み感知部と、前記撓み感知部から提供される電気伝導度に応じて制御信号を出力する制御部と、前記制御信号によって前記探針と前記試料との間の間隔を一定に維持するために前記カンチレバーを上下に移動させる駆動ヘッドと、前記試料を移動させるためのスキャナと、を備え、前記駆動ヘッドは、前記カンチレバーに連結され、所定部分に弾性部を有する撓みヒンジ（ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ）と、前記撓みヒンジを支持して撓みヒンジの弾性部に所定の力を伝達する支持台と、前記支持台と対応する位置において前記撓みヒンジと連結されるヨークと、前記ヨークから一方向に突出して配設されたマグネットと、前記支持台上に固定され、前記マグネットと重畳する形態に配設されたコイルと、を備えて構成されることを特徴とする。

本発明に係る個人用原子顕微鏡は、撓み感知部を有し、探針を移動させるカンチレバーと、カンチレバーを上下に移動させる駆動ヘッドと、試料をＸ軸及びＹ軸方向に移動させるスキャナと、を備えている。カンチレバーは、撓み感知部を備えた簡単な構造からなり、駆動ヘッド及びスキャナは、両方向への変位が可能であり、撓みヒンジの弾性により広い変位幅を有する。

また、本発明に係る個人用原子顕微鏡は、高い線形性を有するので、ヒステリシスやクリープ現象が全く発生しない。従って、補正のための別のセンサシステムが不必要であり、一回の初期補正を通じて希望するイメージを得ることができる。

また、本発明に係る個人用原子顕微鏡は、従来のシステム及び使用者環境においてラブビュー（Ｌａｂｖｉｅｗ）基盤により使用することができるので、システム構築による使用者負担を減少させることができる。また、カンチレバー、駆動ヘッド及びステージが簡単な構造で構成されるので、低価格で製作することができ、バイオ分野の試片測定や探針型情報保存装置、光情報記録及び再生装置、アルファステップ（ａｌｐａ−ｓｔｅｐ）のような段差測定装置等にも適用することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る駆動ヘッドを説明するための断面図である。

図１に示したように、本発明に係る駆動ヘッドは、所定部分に弾性部を有する撓みヒンジ（ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ）１１と、撓みヒンジを支持すると共に撓みヒンジの弾性部に所定の力を伝達する支持台１５と、支持台と対応する位置において撓みヒンジと連結されるヨーク１２と、ヨークから一方向に突出して配設されたマグネット１３と、支持台上に固定されてマグネットと重畳する形態に配設されたコイル１４と、を備えて構成される。

支持台１５と撓みヒンジ１１とは、アルミニウム合金等により形成することができ、撓みヒンジ１１において弾性を有する所定部分は、円滑に撓みを発生させるために形成される円型、Ｖ型、Ｕ型等の溝（Ａ部分）形成領域である。

図１では、撓みヒンジ１１の弾性を有する所定部分（弾性部）が支持台１５と連結される撓みヒンジ１１の下端に形成されることを図示したが、これは一つの実施の形態であり、本発明はこれに限定されず、Ａ部分のような溝形態の弾性部は、撓みヒンジ１１の基体の所定領域に形成することができる。

また、ヨークに配設されたマグネット１３は、棒又は円筒形態の永久磁石として構成し、コイル１４は、マグネット１３の内側又は外側に位置することができる円形、四角形等の内部が中空の形態により構成されてマグネットと重畳形成される。

図１では、コイル１４がマグネット１３の内側に位置することが図示されており、このようなコイル１４及びマグネット１３は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ：Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ）の役割を果たすことになる。

即ち、コイル１４及びマグネット１３により特定方向にローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）力（Ｆ）が生成され、このローレンツ力は、コイル１４が配設された支持台１５を上側又は下側方向に移動させるようにする。

斯かる構成を有する駆動ヘッドの動作について簡単に説明すると、以下の通りである。即ち、コイル１４を通じて所定の電流（Ｉ）が流れると、マグネット１３により形成された磁場（Ｂ）の方向とコイル１４を通じて流れる電流（Ｉ）の方向とが垂直になってローレンツ力（Ｆ）が発生し、このローレンツ力によりコイル１４が配設された支持台１５は、上部又は下部に移動するようになる。

そして、支持台１５の動きにより上下側方向に発生する力は、支持台１５と連結された撓みヒンジ１１に伝達され、その力により撓みヒンジ１１の弾性部（Ａ）に弾性が発生して撓みヒンジ１１が左右側に動くことにより、支持台１５の縦端部、例えば、カンチレバー２のように駆動させようとする物体が連結された場合、カンチレバー２が下部又は上部に移動するようになる。

即ち、駆動ヘッドは個人用原子顕微鏡に備えられることができ、この場合、試料上に位置させられる探針１を移動させるためのカンチレバー２が支持台１５の縦端部に備えられてカンチレバー２を上下に移動させることができる。

以下、駆動ヘッドの動作について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明に係る駆動ヘッドの動作を説明するための概略図として、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）の役割を果たす部分の断面図であり、図３は、図１に示された撓みヒンジの詳細図である。

図２に示したように、本発明に係る駆動ヘッドに備えられるボイスコイルモータは、ヨーク１２と、ヨーク１２に備えられるマグネット１３と、マグネット１３の内側又は外側に位置させられるコイル１４と、コイルが配設された支持台１５と、により構成される。

図２では、図１とは異なり、コイル１４がマグネット１３の外側を取り囲む形態で配置されることが図示されているが、これは一つの実施の形態に過ぎない。

マグネット１３により磁場（Ｂ）が形成された状態でコイル１４を通じて電流（Ｉ）が流れると、マグネット１３により形成された磁場（Ｂ）の方向とコイル１４を通じて流れる電流（Ｉ）の方向とが垂直になってローレンツ力（Ｆ）が発生する。このとき発生するローレンツ力（Ｆ）は、ヨーク１２部分（空間）から得られる磁束密度（Ｂ）、電流（Ｉ）、コイル１４の巻き線数（ｎ）及び有効長さ（Ｌｅ）により下記の式１のように決定される。
式１
Ｆ＝ｎＢＩＬｅ

ここで、マグネット回路により得られる磁束密度（Ｂ）は、算出過程が複雑であり、ボイスコイルモータの駆動原理等を通じてよく知られているので、それについての詳細な説明は省略する。

図１に示したように、上記力（Ｆ）によりコイル１４が配設された支持台１５が上側に移動すると、支持台１５と連結された撓みヒンジ１１は、弾性部（Ａ）の弾性により右側に撓むようになり、これによって、撓みヒンジ１１が固定された支持台１５は下部に駆動されて、結果的に支持台１５に連結されたカンチレバー２が下部に移動するようになる。

一方、上記力（Ｆ）によりコイル１４が配設された支持台１５が下側に移動すると、支持台１５と連結された撓みヒンジ１１は、弾性部（Ａ）の弾性により左側に撓むようになり、これによって、撓みヒンジ１１が固定された支持台１５は上部に駆動されて、結果的に支持台１５に連結されたカンチレバー２が上部に移動するようになる。

ここで、図３に示された撓みヒンジ１１は、支持台１５の移動により印加される力と変位との関係を示す下記の式２乃至式６を通じて設計することができる。

撓みヒンジ１１の変形角度（θ_ｚ）は、下記の式２の通りである。

ここで、ｔ ＜ Ｒ ＜ ５ｔである。

補正係数（ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）（ｋ）は、下記の式３の通りである。
式３
ｋ＝０.５６５ｔ／Ｒ＋０.１６６

最大質量慣性（ｍａｘｉｍｕｍ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａｌ）（Ｍｍａｘ）は、下記の式４の通りである。

形状係数（Ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）（ｋ_ｔ）は、下記の式５の通りである。

このとき、最大変形角度（θ_max）は、下記の式６を通じて得ることができる。しかし、弾性範囲内だけで駆動しなければならないので、最大応力値で０.１乃至０.３の安全係数を設定して設計する。

式２乃至式６から分かるように、図３に示された撓みヒンジ１１の厚さ（ｂ）、幅（Ｈ）、溝（Ａ部分）の半径（Ｒ）が変数になるので、要求される変形角度及び変位に適合するように値を設定して設計すればよい。

図４は、図１のように構成された本発明に係る駆動ヘッドを備えた個人用原子顕微鏡を説明するための概略図である。

本発明に係る個人用原子顕微鏡は、図４に示したように、試料９上に位置させられる探針１と、探針１を移動させるためのカンチレバー２と、カンチレバー２の撓み程度によって電気伝導度が変化する撓み感知部３と、撓み感知部３から提供される電気伝導度に応じて制御信号を出力する制御部４と、制御信号によって探針１と試料９との間の間隔を一定に維持するためにカンチレバー２を上下に移動させる駆動ヘッド７と、を備えて構成され、駆動ヘッド７は、上述した図１乃至図３を通じて説明した駆動ヘッドとして具現化されることを特徴とする。

試料９はスキャナ１０上に位置させられ、スキャナ１０によりＸ軸及びＹ軸方向に移動される。駆動ヘッド７とカンチレバー２との間には、カンチレバー２を所定の傾きで位置させるための部材８を設置することができる。

撓み感知部３は、探針１と試料９との間に作用する力によりカンチレバー２が変形させられる程度を感知する。カンチレバー２の変形程度によって抵抗、即ち、電気伝導度の変化が示される。撓み感知部３は、カンチレバー２に圧電抵抗（Ｐｉｅｚｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）特性を有するイオンがドーピングされた層により形成するか、又は、カンチレバー２の外部に圧電抵抗特性を有する物質を付着して形成することができる。

制御部４は、電気伝導度による電圧信号を出力する電圧発生部５と、電圧信号によって所定の電流量を有する制御信号を出力するアクチュエータ６とにより構成される。電圧発生部５は、デジタル信号処理器（ＤＳＰ）等により構成することができる。

駆動ヘッド７は、図１に示したように、カンチレバー２に一方側縦端部が連結されて所定部分に弾性部を有する撓みヒンジ１１と、撓みヒンジを支持すると共に撓みヒンジの弾性部に所定の力を伝達する支持台１５と、支持台と対応する位置において撓みヒンジと連結されるヨーク１２と、ヨークから一方向に突出して配設されるマグネット１３と、支持台上に固定されてマグネットと重畳する形態に配設されるコイル１４と、を備えて構成される。

図５乃至図７は、図４に示されたスキャナ１０を説明するための平面図である。

図５乃至図７に示したように、スキャナ１０は、中央に形成された四角形態の第１の開口部２１及び第１の開口部２１の各々の角部に形成された四角形態の第２の開口部２２を有するフレーム２０（図５参照）と、第１の開口部２１内に配置され、試料９が配置される四角形態のステージ２３と、第２の開口部２２内に各々配置され、対向する二つの角部、即ち、図７を参照する場合、右側下端角部及び左側上端角部がステージ２３及びフレーム２０に連結され、中央には四角形態の第３の開口部２４が形成された撓みヒンジ２５と、を備えている（図６及び図７参照）。図７は、図６に示されたＢ部分の詳細図である。

ここで、撓みヒンジ２５は、図７に示したように、第２の開口部２２外側のフレーム２０と所定間隔だけ離隔されて各辺の４部分が相互に連結された第１乃至第４の撓みヒンジ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄにより構成され、各々の撓みヒンジ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄは、上述した駆動ヘッド７の撓みヒンジ１１と同一の方式により設計することが好ましい。

即ち、各々の撓みヒンジ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの回転が円滑に行われるように、撓みヒンジ部の先端の幅が中央部より狭く形成され、先端に弾性部が備えられるようにすることが好ましい。

このために、撓みヒンジ部の先端には弾性部を備えることができるように、図７に示したように多数の円形穴２６を形成することができる。

ステージ２３は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）等によりＸ軸及びＹ軸方向に移動し、ステージ２３のＸ軸及びＹ軸移動によって撓みヒンジ２５を構成する第１乃至第４の撓みヒンジ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが相互に対向して、図７に示されるように、各々Ｙ軸及びＸ軸方向に回転させられる。

即ち、第２の開口部２２の上辺及び下辺に位置して相互に対向する第１の撓みヒンジ部２５ａ及び第３の撓みヒンジ部２５ｃは、示されるように、ステージ２３の移動によりＹ軸方向に回転し、左辺及び右辺に位置して相互に対向する第２の撓みヒンジ部２５ｂ及び第４の撓みヒンジ部２５ｄは、示されるように、ステージ２３の移動によってＸ軸方向に回転する。

図８は、図６に示されたステージの移動のためのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）について説明するための断面図である。

図８に示したように、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）は、ステージ２３の下部に配置されたヨーク３０と、ヨーク３０に付着されて相互に対向するように配置された一体になった二つのマグネット３３と、マグネット３３の間に形成される磁場の方向と垂直になるように配置されたコイル３１と、コイル３１及びステージ２３に固定された移動軸３２と、により構成される。上記一対になった二つのマグネット３３により磁場の方向が決定され、磁場の方向とコイル３１を通じて流れる電流の方向とによって、コイル３１に連結された移動軸３２がＸ軸及びＹ軸方向に移動することによりステージ２３が移動させられる。

例えば、ボイスコイルモータ等によりステージ２３がＸ軸方向に移動すると、撓みヒンジ２５の第２及び第４の撓みヒンジ部２５ｂ、２５ｄが回転し、ステージ２３がＹ軸方向に移動すると、撓みヒンジ２５の第１及び第３の撓みヒンジ部２５ａ、２５ｃが回転して試料９をＸ軸及びＹ軸方向に移動させる。

このとき、各々の撓みヒンジ２５を構成する第１乃至第４の撓みヒンジ部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの回転が同一の変位（例えば、１００μｍ以上）で行われる場合、全体的な平衡が維持されるので、撓みヒンジ部２５の弾性は同一である必要がある。

従って、撓みヒンジ２５のＸ軸及びＹ軸の回転がステージ２３の移動経路を固定させるガイドの役割をするので、撓みヒンジ２５の回転によりステージ２３が捻れることなく正確にＸ軸及びＹ軸方向だけに移動するようになる。

以下、上述のように構成された本発明に係る個人用原子顕微鏡の動作について説明する。

スキャナ１０のステージ２３上に、測定しようとする試料９を配置した状態で、カンチレバー２を移動させて探針１を試料９表面に近接させる。探針１が試料９に近接すると、一般的な原子顕微鏡（ＡＦＭ）と同様に探針１と試料９との間の相互作用により力が発生し、発生した力によりカンチレバー２が上方へ撓むようになる。

このとき、カンチレバー２の撓み程度は、撓み感知部３の電気伝導度の変化により現われるので、電圧発生部５は、電気伝導度による電圧信号をアクチュエータ６に伝達し、アクチュエータ６は、電圧信号による電流量を有する制御信号を駆動ヘッド７のコイル１４に供給する。

コイル１４を通じて所定量の電流（Ｉ）が流れることによってマグネット１３により形成された磁場（Ｂ）の方向とコイル１４を通じて流れる電流（Ｉ）の方向とが垂直になるので、ローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）力（Ｆ）によりコイル１４が配設された支持台１５が上部又は下部に移動し、支持台１５と連結された撓みヒンジ１１の弾性により支持台１５の先端と連結されたカンチレバー２が下部又は上部に移動するようになる。

このような過程のフィードバック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）を通じて探針１と試料９との間の間隔、即ち、高さが一定に維持される状態でスキャナ１０によるＸ軸及びＹ軸移動によって試料９の表面全体を測定することになる。

即ち、Ｘ軸及びＹ軸の位置によるＺ軸の値を獲得することにより、試料９の３次元形象を得ることになる。

本発明に係る駆動ヘッドは、電流の流れる方向によって両方向変位が可能であり、撓みヒンジの弾性を最大限利用すれば、変位幅が極大化されるように構成することができる。従って、本発明に係る駆動ヘッドを個人用原子顕微鏡に適用すれば、従来の原子顕微鏡のヘッドより向上した変位幅を有するようになる。

また、本発明に係るスキャナは、対称的構造を有するので、熱や振動、外乱等の影響を受け難く、両方向への動力学的特性が同一であり、ヒステリシスやクリープ現象が全く発生しないので、スキャニング方向によるイメージの歪曲が発生せず、撓みヒンジ弾性を最大限利用することができるので、従来の原子顕微鏡のステージより向上した変位幅を有するようになる。

図９は、本発明に係る個人用原子顕微鏡のヒステリシス測定結果を示すグラフである。

制御電圧を−１０Ｖから＋１０Ｖまで変化させてＡＤＥ社のキャパシティブ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）センサを利用してカンチレバー２の変位量を測定した。

制御電圧の変化によってカンチレバー２の移動方向が変化しても再現力はほとんど減少しなかったし、時間の変化による変位量の変化もほとんど発生しなかった。従って、従来の原子顕微鏡（ＡＦＭ）のヘッドに比較してヒステリシス及びクリップ現象がほとんど発生しないので、線形性が非常に高くて一回の初期補正（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）を通じて希望するイメージを得ることができ、誤差範囲も約１％以内に低減される。

図１０は、本発明に係る個人用原子顕微鏡から得た５μｍサイズの格子サンプル（ｇｒａｔｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ）の表面写真であり、図１１は、図１０のＡ１−Ａ２線に沿って切断した断面図である。

１００ｎｍの高さを測定するに際して、約５ｎｍ以下の分解能で表面イメージを獲得することができることが分かる。イメージ獲得速度はノイズを減少させる低域通過フィルタ（Ｌｏｗｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）の帯域と密接な関係を有する。１Ｈｚ程度のスキャニング速度に合わせて最適化されている。

以上、添付の図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は斯かる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明に係る駆動ヘッドを説明するための断面図である。 本発明に係る駆動ヘッドの動作を説明するための概略図である。 図１に示された撓みヒンジの詳細図である。 図１のように構成された本発明に係る駆動ヘッドを備えた個人用原子顕微鏡を説明するための概略図である。 図４に示されたスキャナを説明するための平面図である。 図４に示されたスキャナを説明するための平面図である。 図４に示されたスキャナを説明するための平面図である。 図６に示されたステージの移動のためのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）について説明するための断面図である。 本発明に係る個人用原子顕微鏡のヒステリシス測定結果を示すグラフである。 本発明に係る個人用原子顕微鏡から得た５μｍサイズの格子サンプルの表面写真である。 図１０のＡ１−Ａ２線に沿って切断した断面図である。

符号の説明

１ 探針
２ カンチレバー
３ 撓み感知部
４ 制御部
５ 電圧発生部
６ アクチュエータ
７ ヘッド
８ 部材
９ 試料
１０ スキャナ
１１ 撓みヒンジ
１２、３０ ヨーク
１３、３３ マグネット
１４、３１ コイル
１５ 支持台
２０ フレーム

Claims (13)

1. 所定部分に弾性部を有する撓みヒンジ（ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ）と、
   前記撓みヒンジを支持して前記撓みヒンジの前記弾性部に所定の力を伝達する支持台と、
   前記支持台と対応する位置において前記撓みヒンジと連結されるヨークと、
   前記ヨークから一方向に突出して配設されたマグネットと、
   前記支持台上に固定され、前記マグネットと重畳する形態に配設されたコイルと、
   を備えて構成されることを特徴とする駆動ヘッド。
2. 前記撓みヒンジの弾性部は、撓みを円滑にするために形成される溝形成領域であることを特徴とする請求項１に記載の駆動ヘッド。
3. 前記溝は、円形又はＶ型又はＵ型のうちの一つの形態に形成されることを特徴とする請求項２に記載の駆動ヘッド。
4. 前記撓みヒンジの前記弾性部は、前記支持台と連結される前記撓みヒンジの下端部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の駆動ヘッド。
5. 前記ヨークに配設された前記マグネットは、棒又は円筒形態の永久磁石として構成されることを特徴とする請求項１に記載の駆動ヘッド。
6. 前記コイルは、前記マグネットと重畳するようにマグネットの内側又は外側を取り囲む形態に構成されることを特徴とする請求項１に記載の駆動ヘッド。
7. 試料上に位置させられる探針と、
   前記探針を移動させるためのカンチレバーと、
   前記カンチレバーの撓み程度によって電気伝導度が変化する撓み感知部と、
   前記撓み感知部から提供される電気伝導度に応じて制御信号を出力する制御部と、
   前記制御信号によって前記探針と前記試料との間の間隔を一定に維持するために前記カンチレバーを上下に移動させる駆動ヘッドと、
   前記試料を移動させるためのスキャナと、
   を備え、
   前記駆動ヘッドは、
   前記カンチレバーに連結され、所定部分に弾性部を有する撓みヒンジ（ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ）と、
   前記撓みヒンジを支持して前記撓みヒンジの前記弾性部に所定の力を伝達する支持台と、
   前記支持台と対応する位置において前記撓みヒンジと連結されるヨークと、
   前記ヨークから一方向に突出して配設されたマグネットと、
   前記支持台上に固定され、前記マグネットと重畳する形態に配設されたコイルと、
   を備えて構成されることを特徴とする個人用原子顕微鏡。
8. 前記撓み感知部は、前記カンチレバーに圧電抵抗特性を有するイオンがドーピングされた層からなることを特徴とする請求項７に記載の個人用原子顕微鏡。
9. 前記制御部は、前記電気伝導度に応じた電圧信号を出力する電圧発生部と、
   前記電圧信号による所定の電流量を有する前記制御信号を出力するアクチュエータと、
   を備えていることを特徴とする請求項７に記載の個人用原子顕微鏡。
10. 前記スキャナは、中央に形成された四角形態の第１の開口部及び前記第１の開口部の各々の角部に形成された四角形態の第２の開口部を有するフレームと、
    前記第１の開口部内に配置されるステージと、
    前記第２の開口部内に各々配置され、対向する二つの角部が前記ステージ及び前記フレームに連結され、中央には四角形態の第３の開口部が形成された撓みヒンジと、
    を備え、
    前記ステージがＸ軸及びＹ軸方向に移動することにより前記撓みヒンジを構成する撓みヒンジ部が各々Ｙ軸及びＸ軸方向に回転することを特徴とする請求項７に記載の個人用原子顕微鏡。
11. 前記撓みヒンジは、前記第２の開口部の外側のフレームと所定間隔だけ離隔して各辺の４部分に相互に連結された第１乃至第４の撓みヒンジ部により構成されることを特徴とする請求項１０に記載の個人用原子顕微鏡。
12. 前記第１乃至第４の撓みヒンジ部の先端の幅が中央部より狭く形成されるように、前記先端に多数の円形穴が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の個人用原子顕微鏡。
13. 前記ステージは、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）によりＸ軸及びＹ軸方向に移動し、前記ステージのＸ軸及びＹ軸方向の移動によって前記撓みヒンジを構成する第１乃至第４の撓みヒンジ部が相互に対向して各々Ｙ軸及びＸ軸方向に回転することを特徴とする請求項１０に記載の個人用原子顕微鏡。

Images