JP5052352B2 - プローブ顕微鏡用スキャナー - Google Patents

Description

（研究開発への政府援助に関する記述）
本発明は、米国科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）による認可番号第ＮＳＦ−ＤＭＲ９９８８６４０号および第ＮＳＦ−ＤＭＲ００８００３４号、および国立衛生研究所（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）による認可番号第ＮＣＣ−１−０２０３７号の下で政府の支援により行われた。政府は本発明に関して所定の権利を有する。

本発明は走査プローブ装置の分野に関する。さらに詳細には、本発明は片持ち梁の撓みを測定するために用いられる原子間力顕微鏡の改善に関する。

原子間力顕微鏡（「ＡＦＭ」）などの走査プローブ装置は、金属、半導体、鉱物、ポリマー、生体適合材料などの広範囲の材料にとって優れた道具であることが実証されている。ＡＦＭにおいては、力は力がその上に加わったとき撓む片持ち梁によって測定される。片持ち梁の撓みは、通常入射ビームを片持ち梁上に点として焦点を合わせ、反射したビームを分割した検出器上に導くことによる検出システムによって検知される。「フォースプーラー（ｆｏｒｃｅ ｐｕｌｌｅｒ）」と呼ばれる特定のＡＦＭは分子上を引っ張ってこれらの分子の構造決定および動力学を求めるために作製された。

その導入時から、ＡＦＭおよびその片持ち梁センサーは進歩し続け、ますます小さな力を測定し、ますます小さな片持ち梁を用いる。これは、器具の感度に関する問題を招いている。科学研究者がサンプルを測定しそれらを操作するために必要な、より小さな片持ち梁とより小さな力に適応するより高い感度を提供する必要がある。近接場走査型光学顕微鏡、走査型イオン伝導顕微鏡、および様々な他の走査型プローブ顕微鏡に用いられる光学プローブの動きを監視するために同様の検出技術が用いられる。また、成長するナノ技術の分野も、ナノメートルおよびそれ以下の規模におよぶ広範囲の対象物の正確な位置および／または動きの測定に関する多くの動機を与える。

従来の片持ち梁よりも２桁高い共鳴周波数を有する新しい小型片持ち梁の開発によって、検出機構と片持ち梁の応答は、従来のＡＦＭシステムが必要とするよりもはるかに高速になる。ＡＦＭの速度は、検出機構（片持ち梁および読み取り）、アクチュエーター（スキャナー）、フィードバック電子装置および圧電素子駆動電子装置の応答時間に依存する。これらの部品は互いにフィードバックループを形成し、システム全体の性能はこれらの部品のいずれかの相遅延と共鳴に影響を受ける。液体中の柔軟な片持ち梁（０．００６Ｎ／ｍ）でさえ、新しい小型片持ち梁の共鳴周波数が約２８０ｋＨｚに達すると、スキャナーおよび機械的な超構造によって新しい機械的帯域幅が定まる。したがって、ＡＦＭの能力をさらに改善するために、走査および検出ユニットの機械的設計に特別の注意を払わなければならない。

ＡＦＭシステムにおける速度決定要因の１つはスキャナーであり、一般に作動部品として圧電素子結晶で作られる。多くの市場で入手可能なシステムにおいて、ｘ、ｙ、ｚ方向の変位を発生するために圧電素子管が使用される。スキャナーの作動部分は、異なる断面に分割された圧電材料から作られた管（Ｔｕｂｅ）から構成される。管スキャナーは機械的増幅原理を用いて圧電素子の小さな膨張をより大きな走査範囲に変換する。市販のスキャナーの走査範囲は０．６μｍ〜１００μｍに及ぶことができる。この原理は大きなキャパシタンスの圧電素子を必要とせず、増幅器の要件を低減する。しかし、これも機械的構造が弱く、したがって、機械的共鳴周波数が低くなる（〜８００Ｈｚ）。これは市販の管スキャナーの主な速度制限の１つである。

あらゆる種類の圧電素子の他の欠点は、それらの非線形動作である。圧電素子は作動電圧に関して３０％までの大きな位置履歴現象を示す。また、圧電素子は時間経過でその位置が不安定であり、一定の作動電圧でもその膨張が変化する。これらの非線形性は、それらが像を歪ませ、像の移動を招き、拡大の後にサンプルの同じ点を見出すのが困難になるので、ＡＦＭのスキャナーとして圧電素子を使用する際の重大な問題である。履歴現象は動作電圧を修正する数学的モデルまたは閉ループフィードバックにおける実際の圧電位置を制御することによって補償しなかればならない。いくつかの市販のスキャナーは圧電挙動をモデル化し、実際の電圧の変化は制御ソフトウェアによって作られる。この手法はいくつかの欠点を有する。

・スキャナーのパラメーターを各個々のスキャナーごとに測定しなければならず、圧電素子を十分モデル化するには３０パラメーターまで必要である。

・圧電素子の挙動はＤＣオフセット、走査範囲、および走査周波数に依存する。

・位置のクリープはモデル化によって説明されない。

ＡＦＭ使用者にとって、これは、
・像の歪み（像がある方向に膨張し、他の方向に収縮する）、
・像の移動、
・像のズーム拡大または縮小時の像中心の変化、
・対象物サイズの不正確な測定、
を招く。しかし、この手法はいかなるセンサーも必要とせず、全てのモデル化をソフトウェアおよびデジタル信号処理装置によって行うことができる。

以下の参照文献は本発明の背景に関する。
（１）シー・エフ・クウォーテ（Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ）ら、「原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６（１９８６）９３０； （２）ディー・ルガー（Ｄ．Ｒｕｇａｒ）ら、「原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）」，Ｐｈｙｓ．Ｔｏｄａｙ ４３（１０）（１９９０）２３； （３）「導体と非導体の原子間力顕微鏡による原子解像度（Ａｔｏｍｉｃ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）」，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ａ６（１９８８）２７１； （４）ジー・シッター（Ｇ．Ｓｃｈｉｔｔｅｒ）ら、「高速度原子間力顕微鏡のための圧電管スキャナーの堅牢な２ＤＯＦ制御（Ｒｏｂｕｓｔ ２ＤＯＦ−ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｕｂｅ ｓｃａｎｎｅｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｄｅｎｖｅｒ，Ｃｏ，Ｊｕｎｅ４−６，２００３，ｐｐ．３７２０； （５）ディー・エイ・ウォルターズ（Ｄ．Ａ．Ｗａｌｔｅｒｓ）ら、「原子間力顕微鏡のための短い片持ち梁（Ｓｃｏｒｔ Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｆｏｒ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６７（１９９６）３５８３； （６）エム・ビー・ビアンニ（Ｍ．Ｂ．Ｖｉａｎｉ）ら、「単分子の力スペクトルのための小型片持ち梁（Ｓｍａｌｌ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｆｏｒ ｆｏｒｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８６（４）（１９９９）２２５８； （７）ティー・アンドー（Ｔ．Ａｎｄｏ）ら、「生物学的巨大分子研究用の高速度原子間力顕微鏡（Ａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」，Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ９８（２２）（２００１）１２４６８； （８）ハムフリス（Ｈｕｍｐｈｒｉｓ），エイディーエル・ホッブス・ジェイケイ（ＡＤＬ，Ｈｏｂｂｓ，ＪＫ）及びメイルズ・エムジェイ（Ｍｉｌｅｓ，ＭＪ），「毎秒１００フレーム以上可能な超高速走査近接場光学顕微鏡（Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｏｖｅｒ １００ ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）」，Ａｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ．２００３，８３，６−８； （９）ジェイ・ビー・トンプソン（Ｊ．Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）ら、「走査型プローブ顕微鏡の品質評価（Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｄｅｓｉｇｎｓ）」，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １２（２００１）３９４； （１０）ティー・イー・シャッファー（Ｔ．Ｅ．Ｓｃｈａｆｆｅｒ）ら、「小型片持ち梁のための原子間力顕微鏡の検出感度の特性および最適化（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｅｉｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ）」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，（８４），（Ｎｏ．９）（２００１），４６６１； （１１）ティー・イー・シャッファー（Ｔ．Ｅ．Ｓｃａｆｆｅｒ）ら、「小型片持ち梁を用いる原子間力顕微鏡（Ａｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｕｓｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ）」，ＳＰＩＥ−Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，（３００９）（１９９７）４８； （１２）ティー・イー・シャッファー（Ｔ．Ｅ．Ｓｃａｆｆｅｒ）ら、「液体中の振動している原子間力顕微鏡片持ち梁の研究（Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ）」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，（８０）（Ｎｏ．７）（１９９６）３６２２。以下の米国特許も参照されたい。米国特許第５，８２５，０２０号−「小さな入射ビーム点を生成するための原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ａ ｓｍａｌｌ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｂｅａｍ ｓｐｏｔ）」、 米国特許第＃ＲＥ０３４４８９号−「任意選択的に交換可能な流体セルを備える原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｏｎａｌ ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ ｆｌｕｉｄ ｃｅｌｌ）」、 米国特許第４，８００，２７４号−「高解像度原子間力顕微鏡（Ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）」。
前述の刊行物および特許は全て参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、低い共鳴周波数を避け、圧電素子の非線形性を良好に補償する新しい種類のスキャナーを提供することによって前述の問題を克服する。本発明の一実施形態によれば、いわゆる線形スタックスキャナーが提供される。また、線形スタックスキャナーは作動部品として圧電結晶を用いる。しかし、これらの圧電素子は単結晶ではなく、平行に電気的に接続され絶縁された圧電性材料の層から作られる。単結晶を平行に配置することによって、積み重ねられた単結晶の数によって決定されるスタックの膨張範囲が増加する。各追加の層はスタックにさらに多くのキャパシタンスを加えて増幅器の容量性負荷を増加させ、各追加の層による圧電素子スタックの機械的共鳴周波数が低下するが、本発明の他の実施形態によって可能になる機械的性能の改善に加えて、線形スタックスキャナーはこれらの影響を十分相殺する。

本発明によれば、スキャナーのｘ、ｙ、ｚ軸は互いに直角に配置されて互いに連結されるが、軸を駆動する圧電素子は所望の方向を除いて全ての方向に拘束されている。サンプル領域は弾性限界内の機械的変形によって圧電素子の作動に直接応答するが、像の回転を可能にするｘ−ｙ対称性は保たれる。速度性能は、高い一次共鳴周波数で、像形成中の機械的振動を低減する作動方向の剛性によって確保される。これは、本発明のいくつかの実施形態の各々によって達成される。本質的に、本発明のこの態様はプローブと、筐体と、少なくとも２個のアクチュエーターを含む走査型プローブ顕微鏡を提供する。各アクチュエーターは筐体に連結され、支持体が筐体に連結される。また、支持体も、アクチュエーターが筐体に連結される点から離れた点、例えば、筐体に連結された端部の反対側の端部に少なくとも１個のアクチュエーターに連結される。支持体は第２軸に沿った第１アクチュエーターの移動を許しながら、第１軸に沿った第１アクチュエーターの動きを拘束する。アクチュエーターは圧電素子であるのが好ましいが、例えば、電気歪み、磁気歪み、および／または静電気アクチュエーター、またはボイスコイルまたは電動機など他の種類のアクチュエーターも使用することができる。アクチュエーターは直交して配置された線形スタック圧電素子であることが好ましく、プッシュプル構成であるのがさらに好ましい。支持体は、以下で詳細に説明するように、発明の異なる実施形態において異なる形を取ることができる。

特定の実施形態において、スキャナーはｘ軸およびｙ軸を備える支持枠と、プローブ用サンプルなどの動かすべき対象物を支持するための中央に配設された部材と、フレクシャーとを有する。線形圧電素子スタックはｘ軸およびｙ軸に沿って配置され、刃スプリングから作られたフレクシャー連結具は、第１のｘ軸およびｙ軸に沿って移動し、第２のｘ軸およびｙ軸に沿った刃ばねが第１軸に沿って動くことが可能なように、圧電素子と支持枠の間に支持枠の反対側に配設される。各軸には、１個の圧電素子が膨張するとき、他の１つが収縮して、中央に配設された部材の移動をもたらすように、「十字構造」と称することのできるプッシュプルに配置された２個の圧電素子があることが好ましい。

本発明の他の実施形態によれば、圧電素子の膨張は歪み計、例えば、金属箔歪み計で測定される。この態様において、本発明は、プローブと、少なくとも２個の対向アクチュエーターと、アクチュエーターの差動を測定するために配設された少なくとも２個の歪み計とを含む。歪み計を配置して、例えば、ホイトストンブリッジ式に環境温度変化を補償するのが好ましい。同一種類の２個の歪み計が各アクチュエーターに配設されて、歪み信号を拡大するのが好ましい。

本発明のこれらの、および他の態様および利点は以下の詳細な説明と付属図面によってより良好に理解されるであろう。

図１は本発明の走査型プローブ顕微鏡に用いるためのスキャナー１０の部品の概要図である。スキャナー１０は筐体１２と、各々筐体１２にそれぞれ２４と２６で連結された少なくとも２個のアクチュエーター１４および１６（可能ならばそれぞれ対向するアクチュエーター１８および２０と一緒に）と、支持体２２とを含む。また、支持体２２は筐体に連結され（図１には示されない）、少なくとも１個のアクチュエーターに、例えば、アクチュエーターが筐体１２に連結される点２４から離れた位置２８に連結される。支持体２２およびそのアクチュエーター１４、１６、１８、２０への接続は、支持体２２が軸に垂直な移動を許しながら、その軸に沿う各アクチュエーターの動きを拘束するようにされる。歪み計センサー３０、３２、３４、３６がそれぞれのアクチュエーター１４、１６、１８、２０に加えられてアクチュエーターの膨張または収縮の測定を可能にする。

図２を参照すれば、本発明の走査型プローブ顕微鏡１１の部品の概要が示される。顕微鏡１１は頂部線形圧電素子スタック６０によって保持されるサンプル保持具１３自体を含み、図４に関してさらに詳細に説明する。ＡＦＭヘッド１５はスキャナー筐体１２上に配設され、サンプル保持具１３に保持されたサンプルに接触しているその先端１９を有する片持ち梁プローブ１７を保持する。ＡＦＭヘッド１５は片持ち梁１７の背後から検出器（図示されない）へ反射するレーザービーム２１の光源（図示されない）を含む。

本発明は多くの構成が考えられ、以下にその詳細を説明する。

スキャナー１０は作動部品として圧電結晶（「圧電素子」）を用いる。しかし、図３を参照すれば、これらの圧電素子は単結晶ではなく線形圧電素子スタックである。各スタック３８は圧電材料４０と、絶縁層４４によって分離されて例えば電気コネクター４６および４８によって平行に電気的に接続された電気伝導性プレート４２から形成される。単結晶を平行に配置することによって、積み重ねられた単結晶の数によってのみ決定されるスタックの膨張範囲が増加する。しかし、圧電素子スタックの機械的共鳴周波数は各追加の層によって低下する。さらに、各追加の層はスタックにより大きなキャパシタンスを加え増幅器の容量性負荷を増加させる。

それらの圧電素子は、例えば、ＮＥＣ／Ｔｏｋｉｎ（Ｐａｒｔ＃ＡＥ０５０５Ｄ１６）から市場で入手可能である。２μｍ〜１６μｍの範囲の異なる達成可能変位、および０．１μＦ〜１．５μＦの範囲のキャパシタンスを有する様々なサイズが入手可能である。圧電阻止の選択は希望する走査範囲および必要な周波数応答に依存する。

スキャナーの最大速度性能を得るためには、多くの設計パラメーターを考慮しなければならない。

（ａ）１つの最も顕著な目的は、高い一次共鳴周波数を備える剛性設計を提供することによって、像形成中の機械的振動を低減することである。

（ｂ）スキャナーのｘ、ｙ、ｚ軸は互いに垂直に配置しなければならないが、それらは互いに連結されず、電気的および機械的相互連結を避けなければならない。

（ｃ）圧電作動へのサンプル面の直接応答を確保するために、全ての機械的点は作動方向に剛性がなければならない。

（ｄ）運転中の機械的変形は、弾性限界内にある必要があり、運転中の機械的歪みレベルを考慮しなければならない。

（ｅ）ｘ軸およびｙ軸は像の回転を可能とするために対称でなければならない。

高速走査の主な目的は、作動信号とサンプルディスク移動の間を正確に比例させることである。スキャナーの共鳴は比例応答を歪ませる。ｘおよび／またはｙ方向の共鳴は像の形態を変形させる。ｚ方向の共鳴は平坦な表面でも波打った外観を与え、多くの用途において最も重要な禁止事項である。したがって、設計の目的は一次固有周波数を高い周波数に移すことである。これを行うには、運動質量を低減すること、可能な限り常に剛性のある構造を用いること、特にサンプル保持具を含む長い機械的梁を避けること、の３つの方法がある。これらの手法の全てを用いるべきであり、これらの間の釣り合いが必要である。以下にさらに詳細に説明するように、スキャナーの共鳴挙動を定量化するために、われわれは有限要素解析を用いて設計の一次固有周波数について試験した。

本発明のスキャナー設計は各移動方向に分離されたアクチュエーターを有するカルテシアン構造を有する。主として圧電素子の能力は収縮するときではなく膨張するときに力を与えるので、好ましい実施形態において、われわれは各軸に２個の圧電素子を選択して反対方向の動きを可能にする。図４を参照すれば、一対の対向する線形圧電素子スタック５０および５２がプッシュプル型に配設されて、スキャナーのｘ軸を画定し、同様に２個の線形圧電素子スタック５４、および５６が配設されてｙ軸を画定し、同様に他の線形圧電素子スタック５８および６０が配設されてｚ軸を画定する。図５を参照すれば、各対の２個の圧電素子は電気的に相補的に接続されるので、１個の圧電素子が膨張するとき、他の１個は収縮し、中心支持体６２の移動をもたらす。使用された圧電素子は単一極であるので、電圧範囲（＋７５Ｖ）の半分のＤＣ偏りが両方の圧電素子に印加され、信号のない位置（または中性または中心位置、または走査範囲の中心）を表す。

この原理をｙ方向（図５の像面に垂直）に展開するために、各圧電素子と中心支持体６２の連結は重要である。理想的には、この接続は圧電素子がサンプルを動かす方向に完全に剛性があるが、他の２つの方向には完全に可撓性があることである。「フレクシャー」連結またはベアリングボール連結、または両方を用いるこの連結のいくつかの実施を以下に説明する。
（フレクシャー連結）
図６は、それぞれスキャナーのｘ軸およびｙ軸に沿って配置され、ｚ軸に剛性のある十字構造のプッシュプル型線形圧電素子スタック６４、６６、および６８、７０のフレクシャーの概要を示す。スキャナーは、圧電素子と可撓性支持体枠８０の間にそれぞれフレクシャー連結具７２、７４、７６、７８を有する。圧電素子６４は左側（図面において）のｘ軸に膨張し、圧電素子６６は右側ｘ軸に収縮して、両方のｙ軸フレクシャー７６、７８の刃ばね（以下に説明する）を曲げさせ、ｘ軸圧電素子スタック６４、６６の動きによってスキャナーの中心部材８２が左へ動くことを可能にする。

フレクシャー連結具７２、７４、７６、７８は、それぞれｘ軸およびｙ軸に沿ってそれぞれの軸に垂直な力から有効に開放された剛性のある動き難さを提供する。図７および８は、それぞれ部分断面および概要平面図で図６のフレクシャー連結具を用いるスキャナーを示す。圧電素子６４、６６、６８、７０は、ｚ方向の釣り合い平衡圧電素子９４、９６を含む中心部材８２全体を横方向に動かす。サンプルは２個のｚ圧電素子上に搭載される。下部ｚ軸の圧電素子は、上部ｚ軸圧電素子９６の平衡として働く（さらに以下に説明する）。中心部材８２はそれぞれのフレクシャー７２、７４、７６、７８によって圧電素子に連結され、各々刃ばねのアレーから形成される。上述のように、フレクシャーはその軸方向（刃に平行）に剛性であるが、刃に垂直に可撓性がある。したがって、中心部材８２はｘおよびｙ方向に動くことができるが、ｚ方向には剛性がある。微小ピッチのネジ９８、１００、１０２はスキャナーをＡＦＭヘッドに接続する働きをする。

図９を参照すれば、図６のスキャナーに使用された側部支持体のない十字構造フレクシャーの一次固有振動数を有限要素シミュレーションによって得た。解析によって、作動システムの一次固有振動数は中心が最大振幅で動く圧電素子の横断振動であることが判明した。これはＡＦＭスキャナーにとって非常に望ましくない。これらの振動を防止するために、本発明によれば、可撓性支持枠８０が中心の周囲に加えられ、スキャナーの本体に取り付けられる。枠はｚ方向に剛性があるが、ｘおよびｙ圧電素子がサンプルを押す方向に可撓性がある。図１０Ａは、図６のスキャナーに使用された側部支持体のないフレクシャーの有限要素解析によって得た一次、三次、五次の固有振動数を示す。図１０Ｂは、図６のスキャナーに使用された側部支持体を備えるフレクシャーによって得た一次、三次、五次の固有振動数を示す。結果を表１に示す。側部支持体によって圧電素子の質量と寸法はスキャナー中心の振動に関与しないので、その作動に垂直な方向へのシステムの遅延を招くことなく、より変位の大きいより大きな圧電素子を使用することができる。

（ベアリングボール連結）
図１１および１２は、それぞれスキャナーのｘ軸およびｙ軸に沿って配置され、ｚ軸に剛性のあるベアリングボール連結を用いて、軸に垂直な力から有効に開放されて各軸に沿う動き難さを提供する十字構造線形圧電素子スタック１０６、１１０、１１２のスキャナーのそれぞれ部分断面および概要平面図を示す。中心部材１１４は中心片を３個のベアリングボールに押し圧する１〜７２のネジ１１６でスキャナーのベースに搭載され、その中の２個、１１８および１２０が図１１に示される。頂部および底部の平衡ｚ圧電素子１２２および１２４は中心片に搭載される。ｘおよびｙ圧電素子、それぞれ１０６、１０８および１１０、１１２は、ベアリングボールを押し圧し、すなわち中心片を押し圧することによって中心部材１１４を動かす。この手法は、図６〜８に示したフレクシャー設計とは基本的に異なる。フレクシャースキャナーにおいて、ｘとｙ圧電素子間の接続および中心部材はｘおよびｙ方向、ならびにｚ方向に中心部材を支持する。ベアリングボール設計において、ｚ支持は底部の３個のベアリングボールによって与えられる。これは重要なｚ方向にはるかに高い共鳴周波数（例えば、２７ｋＨｚとシミュレートされる）をもたらすので、中心部分は良好に支持され、したがって、性能が向上する。

また、この実施形態において、ｘ軸およびｙ軸圧電素子もベース１２８にそれらを連結する可撓性枠１２６によって内部端部で支持される。これは、図６〜８に関して説明したように、組み立て体の共鳴周波数をかなり増加させる。この組み立て体の運動質量は、主として２個のｚ圧電素子の質量とサイズによって決定される。ここで、走査範囲と共鳴周波数の間には兼ね合いが必要である。このスキャナーの周波数スペクトルは図１３に示され、約６ｋＨｚで共鳴ピークを示し、共鳴の影響は対の圧電素子によって非常に良好に補償される。
（フレクシャーとベアリングボールの組み合わせ連結）
さらに他の実施形態において、スキャナーの運動質量をさらに低減するために、ｘ、ｙ方向のためのベアリングボール支持体、およびｚ方向支持のためのフレクシャーの組み合わせが実施される。図１４および１５は、ベアリングボールとフレクシャー連結具の組み合わせを用いる本発明の他の実施形態によるスキャナーをそれぞれ部分断面と概要平面図で示し、ベアリングボール１３０は、それぞれスキャナーのｘ軸およびｙ軸に沿って配置された十字構造の線形圧電素子スタック１３２、１３４、および１３６、１３８を連結し、フレクシャー１４０はｚ軸に沿って配置された平衡圧電素子スタック対１４２と１４４を連結し、ｚ軸のｘ−ｙ動きからの絶縁と、軸に垂直な力から有効に開放された各軸に沿って剛性のある動き難さを提供する。

図１６は図１４および１５のスキャナーに使用されたフレクシャー連結具の構造を示す概要図である。本質的に、フレクシャーはロッド１４６のアレーであり、その各々はその軸に剛性があり、その軸に垂直な移動方向に撓み性がある。その軸に沿って、ロッドはその長さ、その断面、その圧縮弾性係数によって定まるばね定数を有する。ロッドは横方向に曲げ梁のばね定数を有する。全ての移動方向のばね定数はロッドの数に線形に比例し、軸と横方向ばね定数間の比は保たれる。

図１６に示したように、フレクシャーは、適切な材料、例えば、ベリリウム銅、アルミニウム、ステンレス鋼等のブロック１５０に一連の平行な切断１４８を機械加工することによって、ベース１５４の一方の側に取り付けられた材料の一連の刃１５２を残す。ついで、この材料を回転して一連の第２の切断１５６を第１の組に垂直に機械加工してロッド１４６のアレーを残す。切断はワイヤ放電加工（ワイヤ−ＥＤＭ）を用いて実質上摩擦なしに行われる。

前の実施形態と比べて図１４と１５の間の主な違いは、ｚ方向の圧電素子がｘおよびｙ方向に移動しないことである。平衡ｚ圧電素子は、ベースによって一方の側を支持され、他の側をフレクシャーによって支持されて、静止状態でスキャナーのベースに搭載される。ｚ圧電素子が膨張するとき、それは２Ｄフレクシャー＋中心片を上下動させる。

ベアリングボールによるｘ、ｙ支持は非常に効率的であることが実証され、したがって、前の型から僅かしか変更されなかった。図１７は、この設計型式のスキャナーの２つの一次固有周波数を示す。表２はこのスキャナーの６個の一次固有周波数を示す。

本発明の実施形態において、ｚ作動は「平衡構成」の一対の圧電素子スタックを用いて行われる。２個の圧電素子は、中心片に加わる衝撃を最小にするために電気的に並列に接続される。上部圧電素子が膨張するとき、それはサンプルを加速する。サンプル上の衝撃もスキャナーの中心部材に伝達され、それによってスキャナーのｚ共鳴を励起する。これを最小にするため、第２の圧電素子が主ｚ圧電素子の下部に搭載される。それは主圧電素子と同じ位相で膨張および収縮する。対の圧電素子は主圧電素子と同等の衝撃を中心部材に与え、理想的にキャナーの中心片に有効な衝撃を与えない。図１３は、対圧電素子の作動の有無によるベアリングボールスキャナーの周波数スペクトルを示す。６ｋＨｚでの共鳴が対の平衡圧電素子を用いるとき、大きさが顕著に低減されることを見ることができる。像形成にとって、ステップ応答における振動は像の縁に波打ちを発生させる。平衡作動を用いるとき、この影響は大きく低減される。また、この挙動は図１８中のスキャナーのステップ応答にも示される。
（歪み計センサー）
圧電素子の膨張は金属箔歪み計によって測定される。応力が歪み計に加わると、その抵抗が増加する。この小さな効果を測定するために、歪み計は通常図１９Ａに示すような抵抗ブリッジの１個の作動部品である。歪み計は温度に感受性がある欠点を有する。歪み計の温度が上昇するとその抵抗が変化する。これは圧電素子の膨張の変化を意味する。標準的な歪み計の手法は、歪みを測定せずにブリッジ回路の温度の影響を取り除くダミーの歪み計で１つ以上の抵抗を置き換えることによってこの問題に対処する。しかし、μｍ規模の圧電素子の膨張では信号変化はさほど大きくない。ブリッジの出力信号は、歪みの変化に起因する歪み計の抵抗のΔＲ変化について計算することができる。

上式において、Ｕ_inは歪み計ブリッジの入力端子に加わる電圧であり、Ｕ_Sigは歪み計ブリッジの出力端子間の電圧であり、Ｒ_xは特定の抵抗器の抵抗である。

・２個の圧電素子の温度が同一である限り、絶対温度変化はブリッジの出力を変化させない。

・全ブリッジ信号の出力は二重になり、これは感度を高め、信号対雑音比を向上させる。

・全ブリッジは圧電素子に堅固に取り付けられる。
したがって、歪み計からの出力信号は、

である。

一定の電圧（１０Ｖ）が全ブリッジのＵ_in端子に加えられる。これは歪み計の出力信号が２０ｍＶになる。雑音を最小化するために、この信号の増幅（ブリッジ近傍に配置された）が必要である。増幅は計器増幅器によって行われる。ブリッジの出力が５ＶＤＣに近く、信号のＡＣ成分が小さいので、高い同相信号除去が必要である（少なくとも１１０ｄＢ）。
（三角波走査対サイン波走査）
従来の原子間力顕微鏡において、片持ち梁先端に関して、三角波がサンプルの走査に用いられる。次いで、高さおよび偏向情報を時間に対して線形にプロットして、表面上の位置を表すことができる。高速像形成のためには、方向転換点でのスキャナーの加速力が非常に高いので、この手法は非常に望ましくない。三角波は高次のフーリエ成分からなるので、より高次の共鳴が励起される。これは像を大きく歪ませる。高速像形成のためには、サンプルをサイン波で走査して像をプロットするときに非線形性を補償することが好ましい。

走査型プローブ顕微鏡のための本発明のスキャナーの部品の概要俯瞰図である。 本発明の走査型プローブ顕微鏡の部品の概要俯瞰図である。 絶縁された平坦な圧電素子プレート層から形成された、本発明に使用される線形圧電スタックの概要俯瞰図である。 本発明による十字構造プッシュプル走査を設計するための線形圧電スタックの配置を示す概要図である。 スキャナーのｘ軸を画定する線形圧電素子スタックのプッシュプル構成の中心移動を示す概要図である。 スキャナーのｘ軸およびｙ軸に沿って配置され、本発明の一実施形態によって、ｚ軸に剛性があり、それぞれｘおよびｙ軸に垂直な力から有効に開放されて各軸に沿って剛性があり動き難さを提供する、十字構造プッシュプル線形圧電素子スタックのフレクシャー連結具を備えるスキャナーの概要図である。 図６のフレクシャー連結具を用いるスキャナーの部分断面俯瞰図である。 図４よりも詳細な図６のスキャナーの部分断面概要平面図である。 有限要素シミュレーションによって得た、図６のスキャナーに用いられた側部支持のないフレクシャーの一次固有振動数を示す図である。 図６のスキャナーに用いられた、側部支持体のないフレクシャーの一次、三次、五次固有振動数の図である。 図６のスキャナーに用いられた、側部支持体を備えるフレクシャーの一次、三次、五次固有振動数の図である。 本発明の他の実施形態によるスキャナーの部分断面図であり、ベアリングボール連結具が、スキャナーのｘ軸およびｙ軸に沿って配置されたｚ軸に剛性のある十字構造線形圧電素子スタックを有して使用され、軸に垂直の力から有効に開放された各軸に沿って剛性のある動き難さを提供する。 図１１のスキャナーの概要平面図である。 下部ｚ軸圧電素子スタックからの平衡作動の有る、および平衡作動の無い、図１１のベアリングボールスキャナーの周波数応答のプロットを示す図である。 ベアリングボールとフレクシャー連結具の組み合わせを用いる本発明の他の実施形態によるスキャナーの部分断面俯瞰図であり、ベアリングボールはｘ軸およびｙ軸に沿って配置された十字構造のプッシュプル線形圧電素子スタックに連結し、フレクシャーはｚ軸に沿って配置された十字構造のプッシュプル線形圧電素子スタックに連結し、ｚ軸のｘ−ｙ動きから絶縁され、軸に垂直な力から有効に開放された各軸に沿って剛性のある動き難さを提供する。 図１４のスキャナーの概要平面図である。 図１４のスキャナーに用いられたフレクシャー連結具の構造の概要図である。 図１４のものと同じ設計のスキャナーの一次および二次固有振動数を示す図である。 図１１のベアリングボールスキャナーの頂部圧電素子、底部圧電素子、対の圧電素子、および平衡プッシュプル圧電素子組み合わせのステップ応答のプロットを示す図である。 本発明のさらに他の実施形態における１個の歪み計を用いる不平衡ブリッジ構成を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態における、より高い感度のために４個の歪み計を用いる１個の歪み計ブリッジを用いる温度補償された不平衡ブリッジ構成の図である。

Claims (1)

1. サンプル保持具と、
   前記サンプル保持具に保持されたサンプルに接触するように適応されたプローブと、
   筐体と、
   前記サンプル保持具と前記筐体との間に連結された移動可能な支持体と、
   各々前記筐体に第１の位置で連結する第１の端と、前記移動可能な支持体に、当該第１の位置に離間する第２の位置で連結された第２の端とを有する少なくとも第１及び第２アクチュエーターと、
   第２の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第１アクチュエーターの移動を許しながら、第１の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第１アクチュエーターの動きを拘束する、前記第１アクチュエーターと前記移動可能な支持体との間に連結された第１フレクシャーと、
   を含む走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記第１の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第２アクチュエーターの移動を許しながら、前記第２の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第２アクチュエーターの動きを拘束する、前記第２アクチュエーターと前記移動可能な支持体との間に連結された第２フレクシャーを更に備え、
   前記第１及び第２アクチュエーターは、ベアリングボール連結十字構成アクチュエーターであり、直角な２つの軸に沿って配置され、
   前記第１の軸及び前記第２の軸に直角な第３の直角な軸に沿って連結されかつ配置されると共に長手方向が当該第３の直角な軸に一致する複数のロッドばねを、前記第１の軸及び前記第２の軸に沿って配置して構成されたロッドばねフレクシャーを更に備え、
   前記ロッドばねフレクシャーは、前記第３の直角な軸に沿って配置された２つの第３のアクチュエーターの間に配置された走査型プローブ顕微鏡。

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