特許 6735382 ３次元微動測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6735382

(24)【登録日】2020年7月15日

(45)【発行日】2020年8月5日

(54)【発明の名称】３次元微動測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01Q 10/04 20100101AFI20200728BHJP

【ＦＩ】

   G01Q10/04

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2019-70985(P2019-70985)

(22)【出願日】2019年4月3日

(62)【分割の表示】特願2014-141057(P2014-141057)の分割

【原出願日】2014年7月9日

(65)【公開番号】特開2019-109260(P2019-109260A)

(43)【公開日】2019年7月4日

【審査請求日】2019年4月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】503460323

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクサイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100110249

【弁理士】

【氏名又は名称】下田 昭

(74)【代理人】

【識別番号】100116090

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 和彦

(72)【発明者】

【氏名】繁野 雅次

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 和俊

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 将史

【審査官】 福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２１４１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２３４５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２５４５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１８８０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１３５５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２０３０２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１５８７９８２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｑ １０／００〜９０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カンチレバーをなす移動体と、
前記移動体が固定される固定部材と、
前記固定部材が固定され、該固定部材を介して前記移動体を３次元に微動可能な３次元微動部と、
前記３次元微動部よりも大きい移動量で粗動可能な３次元粗動部であって、前記３次元微動部が固定され、該３次元微動部を３次元のうち重力方向である一軸に粗動させる第１の３次元粗動部と、第１の３次元粗動部が粗動する軸と異なる二軸が粗動する第２の３次元粗動部とからなる３次元粗動部と、
前記第１及び第２の３次元粗動部が固定される基体部と、
前記第１の３次元粗動部に固定されて前記固定部材の移動量を検出する移動量検出手段と、を備えた３次元微動測定装置であって、
前記３次元微動部と前記第２の３次元粗動部とは前記基体部の別個の位置にそれぞれ対向するように固定され、
前記第２の３次元粗動部の前記移動体側には測定対象物を配置する試料ステージが設置されてなる３次元微動測定装置。

【請求項2】

前記基体部は側面から見てコ字状である、請求項１に記載の３次元微動測定装置。

【請求項3】

前記３次元粗動部は、粗動制御回路によって独立にその位置を制御される、請求項１又は２に記載の３次元微動測定装置。

【請求項4】

前記移動量検出手段は、前記固定部材の検出面を検出する請求項１〜３のいずれか一項に記載の３次元微動測定装置。

【請求項5】

前記検出面が３次元の各軸に配置され、前記移動量検出手段は前記各軸の検出面毎に設けられて対応する検出面を検出する請求項４に記載の３次元微動測定装置。

【請求項6】

前記移動量検出手段は、非接触型センサである請求項１〜５のいずれか一項に記載の３次元微動測定装置。

【請求項7】

前記非接触型センサは、静電容量、光干渉又は光回折を使用したセンサである請求項６に記載の３次元微動測定装置。

【請求項8】

前記移動体の３次元の位置のうち少なくとも一軸の位置の制御を、前記移動量検出手段が検出した前記移動量に基づいたクローズドループ制御により行うための制御部を備えた請求項１〜７のいずれか一項に記載の３次元微動測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ステージを駆動する機構を有する走査型プローブ顕微鏡等の３次元微動測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーの先端に取付けた探針を試料表面に近接又は接触させ、試料の表面形状を測定するものである。走査型プローブ顕微鏡の測定モードとしては、（１）探針と試料の間の原子間力を一定に保って試料の表面形状を測定するコンタクト・モード、（２）カンチレバーをピエゾ素子等によって共振周波数近傍で強制振動させ、探針を試料に近接させた時に、両者の間の間欠的な接触によって探針の振幅が減衰するのを利用して試料の形状を測定する方法（以下、適宜「ダイナミック・フォース・モード（ＤＦＭ測定モード）」という）、（３）カンチレバーをピエゾ素子等によって共振周波数近傍で強制振動させ、探針を試料に近接させた時に両者の間に働く力によって探針の共振状態が変化するのを利用し、試料の形状及び物性を測定する方法（以下、適宜「ノンコンタクト・モード（ＮＣ-ＡＦＭ測定モード）」という）、が知られている。

【0003】

又、走査型プローブ顕微鏡は、試料をｘｙ（平面）方向にそれぞれ走査する２つ（２軸）の微動機構（圧電素子等）と、試料をｚ（高さ）方向に走査する１つ（１軸）の微動機構（圧電素子等）とからなる微動部を備え、例えば微動部上に配置されたステージの表面に試料が載置されている。圧電素子に印加する電圧と圧電素子の変位はある程度比例するので、試料表面の高さ情報は圧電素子に印加した電圧から算出することができる。しかし、圧電素子の動作特性はヒステリシスやクリープを有するため、印加電圧から圧電素子の正確な位置を求めることは困難である。
そこで、圧電素子上にインピーダンスを利用した位置検出センサを設けた技術が開発されている（特許文献１参照）。そして、このような技術を用いることで、微動部の３つ（３軸）の圧電素子の位置をそれぞれ検出し、微動部上に配置された試料の３次元の位置を算出することが可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2009-225654号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、３軸の各圧電素子上の位置検出センサを用いて試料の３次元の位置を算出する場合には、各圧電素子についてそれぞれ検出した１軸の変位を３方向に組み合わせる。しかしながら、図６に示すように、圧電素子１１００ａは、移動方向（ｘ方向）以外の直交する２軸（例えば、ｙ方向）にもわずかに変位するので、圧電素子１１００ａ上の位置検出センサ１１００ｓで測定されるｘ方向の変位量がｄ１であるのに対し、実際の変位量はｄ１にｙ方向の微小な変位を合成したｄｘとなる。このため、３軸の各圧電素子の位置検出センサで検出した変位量を３方向に組み合わせても、実際の変位量との間で誤差が生じる。
一方、走査型プローブ顕微鏡で測定する試料は微細であることが多いため、この試料の位置を直接検出することは困難である。又、試料の位置を測定しようとしても、試料毎にステージ上の位置や試料の形状が異なるために測定条件も個々に異なり、測定条件の調整に多大な時間や労力を要する。

【0006】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、カンチレバー等の移動体を固定した固定部材の３次元の位置を、移動体の微動に比べて相対的に動かない基体部又は粗動部に固定された移動量検出手段で直接検出することで、固定部材、ひいては移動体の位置を簡易にかつ正確に測定できる３次元微動測定装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

【0008】

本発明の３次元微動測定装置は、カンチレバーをなす移動体と、前記移動体が固定される固定部材と、
前記固定部材が固定され、該固定部材を介して前記移動体を３次元に微動可能な３次元微動部と、前記３次元微動部よりも大きい移動量で粗動可能な３次元粗動部であって、前記３次元微動部が固定され、該３次元微動部を３次元のうち重力方向である一軸に粗動させる第１の３次元粗動部と、第１の３次元粗動部が粗動する軸と異なる二軸が粗動する第２の３次元粗動部とからなる３次元粗動部と、前記第１及び第２の３次元粗動部が固定される基体部と、
前記第１の３次元粗動部に固定されて前記固定部材の移動量を検出する移動量検出手段と、を備えた３次元微動測定装置であって、前記３次元微動部と前記第２の３次元粗動部とは前記基体部の別個の位置にそれぞれ対向するように固定され、前記第２の３次元粗動部の前記移動体側には測定対象物を配置する試料ステージが設置されてなる。
この３次元微動測定装置によれば、移動体が固定された固定部材の３次元の位置を、移動体の微動に比べて相対的に動かない３次元粗動部に固定された移動量検出手段で直接検出することで、固定部材、ひいては移動体の位置を簡易にかつ正確に測定できる。
又、移動体の反対側に配置される対象物を３次元粗動部を介して載置した場合、対象物が重いほど、対象物の自重により３次元の粗動位置が大きくドリフトする傾向にある。そこで、３次元粗動部の一軸を対象物と反対側の固定部材側に取り付けることで、上記ドリフトの影響を抑えて３次元粗動させることができる。

【0009】

本発明の３次元微動測定装置において、前記基体部は側面から見てコ字状であってもよい。
本発明の３次元微動測定装置において、前記３次元粗動部は、粗動制御回路によって独立にその位置を制御されてもよい。
本発明の３次元微動測定装置において、前記移動量検出手段は、前記固定部材の検出面を検出してもよい。
この３次元微動測定装置によれば、例えば検出面として高精度な回折格子（体積型ホログラム格子）を用い、これを回折レーザ光を検出する移動量検出手段で検出することで、移動体の位置をより正確に測定できる。

【0010】

前記検出面が３次元の各軸に配置され、前記移動量検出手段は前記各軸の検出面毎に設けられて対応する検出面を検出してもよい。
この３次元微動測定装置によれば、３次元の各軸の変位を移動量検出手段で検出することで、移動体の位置をより正確に測定できる。

【0011】

前記移動量検出手段が非接触型センサであると、移動体の位置をより正確に測定できる。

【0012】

前記非接触型センサが静電容量、光干渉又は光回折を使用したセンサであると、移動体の位置をより正確に測定できる。

【0016】

前記移動体の３次元の位置のうち少なくとも一軸の位置の制御を、前記移動量検出手段が検出した前記移動量に基づいたクローズドループ制御により行うための制御部を備えてもよい。
この３次元微動測定装置によれば、移動体の３次元の位置を正確に制御して高精度に位置決めしたり、移動量を制御しながら、移動体の位置を測定できる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、カンチレバー等の移動体を固定した固定部材の３次元の位置を、移動体の微動に比べて相対的に動かない基体部又は粗動部に固定された移動量検出手段で直接検出することで、固定部材、ひいては移動体の位置を簡易にかつ正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る３次元微動測定装置（走査型プローブ顕微鏡）のブロック図である。

【図2】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図3】参考例に係る３次元微動測定装置のブロック図である。

【図4】本発明の別の実施形態に係る３次元微動測定装置の変形例を示すブロック図である。

【図5】別の参考例に係る３次元微動測定装置のブロック図である。

【図6】従来の圧電素子の変位を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0020】

図１は本発明の第１の実施形態に係る３次元微動測定装置（走査型プローブ顕微鏡）２００Ａのブロック図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１において、走査型プローブ顕微鏡２００Ａは、先端に探針を保持するカンチレバー１と、カンチレバー取り付け部（斜面ブロック）１０１と、それぞれｘ、ｙ、ｚ方向に走査する圧電素子を積層した３軸の圧電素子から構成される円筒型のスキャナ１１１と、走査型プローブ顕微鏡の各構成部分を支持するフレームをなす基体部１３と、非接触型センサ１３０と、非接触型センサ１３０からの検出信号を受ける検出面１３２と、３次元粗動部１２２と、３次元粗動部１２２上に設置された試料ステージ１０２と、全体を制御するプローブ顕微鏡コントローラー２４及び制御部（コンピュータ）４０等とを備える。
コンピュータ４０は、走査型プローブ顕微鏡２００Ａの動作を制御するための制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。
カンチレバー１、カンチレバー取り付け部１０１、スキャナ１１１、非接触型センサ１３０がそれぞれ特許請求の範囲の「移動体」、「固定部材」、「３次元微動部」、「移動量検出手段」に相当する。

【0021】

基体部１３は、側面から見て略コ字状に形成され、コ字の下側部材の上面に３次元粗動部１２２が固定され、３次元粗動部１２２上に設置された試料ステージ１０２の所定位置に試料３００が載置されている。
一方、コ字状の基体部１３のコ字の上側部材の下面にスキャナ１１１が固定され、スキャナ１１１の下面にカンチレバー取り付け部１０１が固定されている。カンチレバー取り付け部１０１は先端面が斜面状の略四角柱をなし、当該先端面にカンチレバー１が片持ち式に取り付けられている。カンチレバー１は試料３００に対向し、カンチレバー１の先端の探針が試料３００に接触又は近接して試料３００の表面形状や表面の特性を検出するようになっている。

【0022】

そして、基体部１３の上方に配置されたレーザ光源３０からレーザ光が照射され、レーザ光はダイクロックミラー３１を介して基体部１３の上側部材を貫通する照射孔１３ｈから下方に向かってカンチレバー１の背面に照射される。カンチレバー１から反射されたレーザ光は、ミラー３２で反射されて変位検出器５で検出される。カンチレバー１の上下（ｚ方向）の移動量は、ダイクロックミラー３１へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー１の変位量が変位検出器５で検出されることになる。
このように、第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００Ａは、カンチレバー１に照射した光の反射光の位置ずれをカンチレバー１（探針）の変位として検出する光テコ方式を採用している。又、走査型プローブ顕微鏡２００Ａは、カンチレバー１が取り付けられたカンチレバー取り付け部１０１をスキャンして測定を行うレバースキャン方式の走査型プローブ顕微鏡となっている。

【0023】

プローブ顕微鏡コントローラー２４は、後述するＺ制御回路２０、微動制御回路（Ｘ，Ｙ，Ｚ出力アンプ）２２、粗動制御回路２３、センサコントローラ２５を有する。プローブ顕微鏡コントローラー２４はコンピュータ４０に接続されてデータの高速通信が可能である。コンピュータ４０は、プローブ顕微鏡コントローラー２４内の回路の動作条件を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、表面形状測定、表面物性測定、周波数・振動特性、フォースカーブ測定、などを実現する。

【0024】

スキャナ１１１は、カンチレバー取り付け部１０１（及びカンチレバー１）を３次元に移動（微動）させるものであり、カンチレバー取り付け部１０１をそれぞれｘｙ（試料３００の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子１１１ａ、１１１ｂと、カンチレバー取り付け部１０１をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子１１１ｃと、を備えた３軸の圧電素子から構成されている。
圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。
圧電素子１１１ａ〜１１１ｃは微動制御回路２２に接続され、微動制御回路２２に所定の制御信号（電圧）を出力することで、圧電素子１１１ａ、１１１ｂをそれぞれｘｙ方向へ駆動し、圧電素子１１１ｃをｚ方向へ駆動する。

【0025】

３次元粗動部１２２は、試料ステージ１０２を大まかに３次元移動させて試料３００をカンチレバー１に近付けるものであり、ｘステージ１２２ａ、ｙステージ１２２ｂ、ｚステージ１２２ｃを有する。３次元粗動部１２２は、例えばステップモータによりネジ機構を駆動して動作し、粗動制御回路２３によって制御される。

【0026】

又、図２に示すように、カンチレバー取り付け部１０１は、先端面が斜面状の略四角柱をなしている。そして、非接触型センサ１３０は、３つの非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃからなり、非接触型センサ１３０ａはカンチレバー取り付け部１０１の背面（基体部１３）からカンチレバー取り付け部１０１に向き、非接触型センサ１３０ｂ、１３０ｃはカンチレバー取り付け部１０１の両側面（図１の紙面方向）からカンチレバー取り付け部１０１に向いている。
一方、各非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃにそれぞれ対向するカンチレバー取り付け部１０１の３つの面に、それぞれ検出面１３２ａ〜１３２ｃが設置されている。
なお、非接触型センサ１３０ａは、基体部１３のコ字の上下に伸びる部材の内面に取り付けられて水平方向に延びるステー１３５ａの先端に取り付けられている。又、非接触型センサ１３０ｂ、１３０ｃは、それぞれ基体部１３の上面に取り付けられて下方に伸びるステー１３５ｂ、１３５ｃの先端に取り付けられている。

【0027】

そして、第１の実施形態では、検出面１３２ａ〜１３２ｃが回折格子（体積型ホログラム格子）であり、非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃは対応するレーザ変位計であり、検出面１３２ａ〜１３２ｃも「移動量検出手段」の一部を構成する。
このレーザ変位計は、体積型ホログラム格子で回折されるレーザ光を検出するフォトディテクタ、及びレーザ光をＳ偏光とＰ偏光に分ける偏光ビームスプリッタ、ミラー等を有し、体積型ホログラム格子が一方向（１軸）に移動したときにレーザ光の干渉状態が変わり、格子１ピッチに応じて干渉光が明暗することにより、１軸での変位を検出する。
従って、例えば図２に示すように、検出面１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃを、それぞれｘ、ｙ、ｚ方向を検出する向きに設置することで、後述するように各非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃにてカンチレバー取り付け部１０１のｘ、ｙ、ｚ方向の変位を検出するようになっている。

【0028】

次に、走査型プローブ顕微鏡２００Ａの動作について説明する。
まず、３次元粗動部１２２を動作させ、試料ステージ１０２を大まかに３次元移動させて試料３００をカンチレバー１（探針）に近付ける。さらに、スキャナ１１１をｘｙ方向に適宜移動させてカンチレバー１と試料３００の位置関係を調整し、試料３００の任意の場所を測定する。そして、スキャナ１１１の圧電素子１１１ｃにより、カンチレバー１は試料３００に接触する位置までｚ方向に送られる。
このようにして、試料３００にカンチレバー１の探針を近接又は接触させ、このとき、上記した光テコ方式によってカンチレバー１の変位を検出し、スキャナ１１１によりカンチレバー１の高さ（ｚ）方向の変位量を一定に保ちながら試料３００の表面（ｘｙ）を走査する。そして、カンチレバー１の変位量を一定に保つための制御信号を物性情報として、試料３００の表面の物性を測定する。
なお、光テコ方式で変位を検出する際、変位検出器５の電気信号の振幅は、交流−直流変換機構６により直流のレベル信号に変換され、さらにＺ制御回路２０へ入力される。Ｚ制御回路２０は、カンチレバー１の高さ（ｚ）方向の変位量を一定に保つように、微動制御回路２２のｚ信号部へ制御信号を伝達し、ｚ信号部は圧電素子１１１ｃをｚ方向へ駆動する制御信号（電圧）を出力する。すなわち、試料３００と探針の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー１の高さ（ｚ）方向の変位を上述の機構で検出し、当該変位が一定になるように圧電素子１１１ｃを変位させる。そして、この状態で、微動制御回路２２にてｘｙ方向に圧電素子１１１ａ、１１１ｂを変位させて試料３００のスキャンを行い、表面の形状や物性値をマッピングする。

【0029】

ここで、第１の実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡２００Ａでのカンチレバー１による試料３００の表面の形状や物性の測定の際、カンチレバー取り付け部１０１の３次元の位置を、非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃで直接検出している。非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃの検出信号は、表面の形状や物性値をマッピングする際の実際の３次元の変位量としてセンサコントローラ２５を経て制御部４０に逐次取得される。そして、制御部４０に取得された上記検出信号（情報）に基づいて、試料表面の３次元形状等の再構成を行う。このため、これらの３次元形状等のデータは、従来の走査型プローブ顕微鏡が圧電素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃへの印加電圧に基づいて取得する３次元変位量に比べ、他方向からの干渉を受けない精度の高いものとなる。
よって、カンチレバー取り付け部１０１に固定されたカンチレバー１の位置、及びカンチレバー１に対向してカンチレバー１に接触又は近接する試料３００の位置を正確に測定できるので、カンチレバー１により試料３００をスキャンする際の位置決め精度、及び試料３００の表面の形状や物性値の測定精度や解像度が向上する。
また、Ｘ‐Ｙ平面内の動き（位置）は、非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃの検出信号に基づくクローズドループ制御を採用し、より高精度な位置決めを行いながらの移動を行わせることもできる。これにより、Ｘ‐Ｙ平面内の位置決め誤差をより少なくした制御ができる。
なお、本実施形態で通常の表面形状を観察する場合、Ｚ方向の動き（位置）については、上記検出信号（センサの値）を直接読み込むだけで十分なので、クローズドループ制御を行わなくてもよい。しかしながら、フォースカーブ測定のようにＺ方向の移動量を制御する必要がある場合は、非接触型センサ１３０ｃのＺ方向の検出信号に基づいたクローズドループ制御を行ってもよい。
クローズドループ制御は、プローブ顕微鏡コントローラー２４及び制御部４０で行うことができる。又、クローズドループ制御は、上記検出信号のデータを制御部４０にフィードバックする公知のフィードバック制御である。

【0030】

又、本実施形態では、検出面１３２ａ〜１３２ｃが３次元の各軸に配置され、非接触型センサ１３０ａ〜１３０ｃが各軸の検出面１３２ａ〜１３２ｃ毎に設けられて対応する検出面を検出する。このため、検出面１３２ａ〜１３２ｃが設置されたカンチレバー取り付け部１０１の３次元の位置をより正確に測定することができる。

【0031】

図３は参考例に係る走査型プローブ顕微鏡２００Ｂのブロック図である。走査型プローブ顕微鏡２００Ｂは、スキャナ１１１と基体部１３との間に３次元粗動部１２２が介装され、試料ステージ１０２が基体部１３のコ字の上側部材の下面に直接固定されていること、及び非接触型センサ１３０ｄの取付構造が異なること以外は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡２００Ａと同一であるので、同一の構成部分に同一符号を付して説明を省略する。
走査型プローブ顕微鏡２００Ｂにおいて、３次元粗動部１２２とスキャナ１１１との間に粗動ステージ１２５が配置され、粗動ステージ１２５は３次元粗動部１２２の粗動に伴って３次元変位する。そして、スキャナ１１１は、粗動ステージ１２５の下面の一部に固定され、粗動ステージ１２５のうちスキャナ１１１が固定されていない面には下方に伸びるステー１３６が固定されている。さらに、ステー１３６の先端には、カンチレバー取り付け部１０１の背面に向く非接触型センサ１３０ｄが取り付けられている。
なお、第２の実施形態においては、非接触型センサ１３０ｄは１つのみ設置され、カンチレバー取り付け部１０１のｚ方向の変位を検出するようになっている。さらに、非接触型センサ１３０ｄは静電容量センサであり、検出面として第１の実施形態のような回折格子を非接触型センサ１３０ｄに対向するカンチレバー取り付け部１０１の１つの面（背面）に設置する必要はなく、上記背面がそのまま検出面となっている。

【0032】

ここで、３次元粗動部１２２上に載置する試料３００が重いほど、試料３００の自重により、３次元の粗動位置が大きくドリフトする傾向にある。そこで、３次元粗動部１２２を試料３００と反対側のカンチレバー取り付け部１０１側に取り付けることで、上記ドリフトの影響を抑えて３次元粗動させることができる。
なお、図３の例では、３次元粗動部１２２の３軸（ｘステージ１２２ａ、ｙステージ１２２ｂ、ｚステージ１２２ｃ）のすべてをカンチレバー取り付け部１０１側に取り付けたが、図４の走査型プローブ顕微鏡２００Ｃに示すように、３次元粗動部１２２の３軸のうち少なくとも１軸をカンチレバー取り付け部１０１側に取り付けてもよい。特に、試料３００の自重によるドリフトは上下（ｚ）方向に顕著であるため、少なくともｚ軸（ｚステージ１２２ｃ）をカンチレバー取り付け部１０１側に取り付けることが好ましい。この場合、３次元粗動部１２２の２軸（ｘステージ１２２ａ、ｙステージ１２２ｂ）は、試料ステージ１０２と基体部１３との間に介装されることになる。
ここで、走査型プローブ顕微鏡２００Ｃにおいて、３次元粗動部１２２の２軸（ｘステージ１２２ａ、ｙステージ１２２ｂ）が、特許請求の範囲の「第２の３次元粗動部」に相当する。

【0033】

但し、第２の実施形態のように基体部１３に３次元粗動部１２２を固定した場合、非接触型センサ１３０ａを基体部１３に固定すると、３次元粗動部１２２によって大きく変位したスキャナ１１１上のカンチレバー取り付け部１０１の位置を検出しなければならず、非接触型センサ１３０ａの計測レンジを超えてしまい、検出が困難になる。そこで、非接触型センサ１３０ａを３次元粗動部１２２に固定することで、３次元粗動による変位の影響を受けずに、３次元粗動部１２２に固定されたスキャナ１１１の微動の変位量を正確に検出することができる。

【0034】

第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００Ｂにおいても、第１の実施形態と同様に、カンチレバー取り付け部１０１に固定されたカンチレバー１の位置、及びカンチレバー１に対向してカンチレバー１に接触又は近接する試料３００の位置を正確に測定できるので、カンチレバー１により試料３００をスキャンする際の位置決め精度、及び試料３００の表面の形状や物性値の測定精度や解像度が向上する。

【0035】

図５は別の参考例に係る走査型プローブ顕微鏡２００Ｄのブロック図である。走査型プローブ顕微鏡２００Ｄは、スキャナ１１１が試料ステージ１０２と基体部１３との間に介装されていること、及び非接触型センサ１３０ａの取付構造が異なること以外は、第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡２００Ａと同一であるので、同一の構成部分に同一符号を付して説明を省略する。
このように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡２００Ｄは、試料３００を配置した試料ステージ１０２をスキャンして測定を行うサンプルスキャン方式の走査型プローブ顕微鏡となっている。
又、走査型プローブ顕微鏡２００Ｄにおいて、基体部１３のコ字の上下に伸びる部材の内面には、試料ステージ１０２の背面に向く非接触型センサ１３０ａが取り付けられている。非接触型センサ１３０ａは試料ステージ１０２のｚ方向の変位を検出するようになっている。又、非接触型センサ１３０ａは第１の実施形態と同様のレーザ変位計であり、非接触型センサ１３０ａに対向する試料ステージ１０２の１つの面（背面）に、回折格子からなる検出面１３２ａを設置している。
ここで、走査型プローブ顕微鏡２００Ｄにおいて、試料３００、試料ステージ１０２が、それぞれ特許請求の範囲の「移動体」、「固定部材」に相当する。

【0036】

走査型プローブ顕微鏡２００Ｄは、第１の実施形態と同様に光テコ方式により、カンチレバー１（探針）の変位を検出し、スキャナ１１１を動作させて試料ステージ１０２側の高さを制御することで、カンチレバー１の高さ（ｚ）方向の変位量を一定に保ちながら試料３００の表面（ｘｙ）を走査する。

【0037】

本発明は上記実施形態に限定されない。移動体は、カンチレバーや試料に限定されず、例えば、ＩＣテスターなどに使用するプローバー（圧子）端子、精密加工の刃物（ボール盤のドリル、旋盤のバイト、フライス盤のエンドミル、ＮＣ旋盤の刃等）、パッチクランプシステム（マニピュレータ）などで使用するピペットが挙げられる。このうち、プローバーは細すぎてセンサで直接位置を測定することが困難であり、ドリルやエンドミルは回転しているためにセンサで直接位置を測定することが困難である。又、バイトは加工によって摩耗するので、センサで直接位置を測定しても値が不正確となる。ピペットは直径が10μｍ程度と細く、又、使い捨てタイプで一々付け替えて使用するため、センサで直接位置を測定しようとしても、付け替えの都度、センサの初期位置等の調整が必要になり困難となる。このように、移動体が固定される固定部材を測定することで、上記問題を回避できる。

【0038】

移動量検出手段も上記に限定されず、例えば静電容量、光干渉又は光回折を使用したセンサ、光ファイバと光学干渉計からなる光学式センサ、歪ゲージ等の電気式センサでもよい。但し、静電容量、光干渉又は回折格子を用いたセンサを用いると検出精度が高いので好ましい。但し、非接触型センサ１３０は特に限定されず、であってもよい。
又、移動量検出手段は、固定部材の少なくとも一方向（一軸）の移動量を検出すればよい。

【0039】

本発明の３次元微動測定装置を走査型プローブ顕微鏡に適用する場合、上記例では、試料とカンチレバーとの間の高さ（ｚ）方向の変位量を一定に保つことで、試料の高さの変位から３次元形状像を測定したが、その他に (ii)共振状態の位相の値から位相像を、(iii)振動振幅の目標値との差により誤差信号像を、(iv)探針試料間の物性地から多機能測定像を測定することもできる。又、その他の周波数・振動特性を測定することもできる。

【符号の説明】

【0040】

１ 移動体（カンチレバー）
１３ 基体部
１０１ 固定部材（カンチレバー取り付け部）
１０２ 固定部材（試料ステージ）
１１１ ３次元微動部（スキャナ）
１２２ ３次元粗動部
１２２ａ、１２２ｂ 第２の３次元粗動部（ｘステージ、ｙステージ）
１３０、１３０ａ〜１３０ｄ 移動量検出手段
１３２、１３２ａ〜１３２ｃ 検出面
２００Ａ〜２００Ｄ ３次元微動測定装置（走査型プローブ顕微鏡）
３００ 移動体（試料）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】