扫描仪及扫描型探针显微镜制造技术

本发明专利技术提供一种能够使大范围的测量和高速、高精度的测量同时实现的扫描仪。该扫描仪包括：外框；第1内框，其配置在外框的内侧；广域Y驱动器，其用于使第1内框相对于外框在Y方向上相对地移动；第2内框，其配置在第1内框的内侧；广域X驱动器，其用于使第2内框相对于第1内框在与Y方向正交的X方向上相对地移动；第3内框，其配置在第2内框的内侧；狭域Y驱动器，其用于使第3内框相对于第2内框在Y方向上相对地移动；可动基座，其配置在第3内框的内侧；以及狭域X驱动器，其用于使可动基座相对于第3内框在X方向上相对地移动。

Scanner and Scanning Probe Microscope

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】扫描仪及扫描型探针显微镜
本专利技术涉及一种为了进行扫描而使试样载置台相对于探针相对地移位的扫描型探针显微镜，特别是涉及一种用于进行该扫描的扫描仪的构造。
技术介绍
扫描型探针显微镜(SPM)是机械地使机械性的探针扫描而得到试样表面的信息的扫描型显微镜，其是扫描型隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、扫描型磁力显微镜(MFM)、扫描型电容量显微镜(SCaM)、扫描型近场光学显微镜(SNOM)、扫描型热显微镜(SThM)等的总称。扫描型探针显微镜具有试样载置台、探针、为了进行扫描而使该试样载置台或者该探针移位的扫描仪、以及用于检测由探针引起的物理量的变化的检测器作为原理上的共用的要素。扫描型探针显微镜能够使探针和试样相对地在XY方向上光栅扫描，借助探针得到期望的试样区域的表面信息并将其映射显示在监视器上。另外，在本说明书中，将试样的高度方向设为Z方向，将在与Z方向正交的面内的正交的两个方向设为X方向和Y方向。作为扫描型探针显微镜的典型，能够列举出原子力显微镜。在原子力显微镜中，使用悬臂件(对悬臂的顶端赋予极微小的探针而成的构件)作为探针。图1是表示为了进行扫描而使试样载置台侧移位的类型的原子力显微镜的主要部分的结构例的图。如图1所示，在试样载置台移位型的装置中，在显微镜壳体100上设有用于对配置有试样的载置台122进行扫描的扫描仪200。扫描仪200具有能够与来自控制器102的控制信号相应地在Z方向(图的上下方向)上移位的Z扫描仪和能够在X－Y方向(沿着与图的纸面垂直的平面的正交的两个方向)上移位的X－Y扫描仪而构成。悬臂件110具有悬臂112和探针114，其基部借助激励用压电体115等固定于显微镜壳体100。利用控制器102控制扫描仪，若试样移位，则悬臂112发生变化，利用光传感器单元116检测其变化，根据各测量点的数据利用计算机104使试样表面的起伏的情形图像化并显示于监视器106。原子力显微镜的各部分的构造、反馈控制例如在专利文献1、2等中进行了详细的说明。图16表示以往使用的扫描仪300的构造的一个例子。扫描仪300具有以下构造：在外框310的内侧借助能够在Y方向上挠曲的板簧302支承有内框304，在内框304的内侧借助能够在X方向上挠曲的板簧305支承有基座部307。在外框310的内侧面和内框304的外侧面之间设有与施加的电压相应地在Y方向上伸缩的Y驱动器303，与Y驱动器303的伸缩相应地内框304和支承于内框304的构件相对于外框310在Y方向上相对地移动。在内框304的内侧面和基座部307的外侧面之间设有与施加的电压相应地在X方向上伸缩的X驱动器306，与X驱动器306的伸缩相应地基座部307和支承于基座部307的构件相对于内框304和外框310在X方向上相对地移动。在基座部307上借助与施加的电压相应地在Z方向上伸缩的Z驱动器308设有载置台309。与Z驱动器308的伸缩相应地载置台309和配置于载置台309的试样相对于基座部307和外框310在Z方向上相对地移动。这样的构造的扫描仪300根据控制信号驱动Y驱动器303和X驱动器306而使载置台309在X－Y方向上移位，根据控制信号驱动Z驱动器308而使载置台309在Z方向上移位。为了提高扫描型探针显微镜的时间分辨率(在另一种表达方式中，缩短扫描1帧所需要的时间)，提高成为扫描仪的响应的控速(日文：律速)的扫描仪自身的共振频率(固有振动频率)是很重要的。在这一点上，由于上述的构造的XYZ扫描仪300能够利用比较简单的构造减少共振峰的数量，能够通过提高扫描仪的强度(刚度)而使共振频率比较高，因此用于高速的扫描型探针显微镜(例如参照非专利文献1)。扫描型探针显微镜的测量对象是各种各样的，除了以往测量的金属、半导体、陶瓷等材料的表面之外，近年来，在医学、生物学研究的领域中，细胞、蛋白质分子等也作为测量对象。以往的蛋白质分子的测量是将从细胞取出来的蛋白质分子固定在支承基板上而进行成像，而不是对细胞中的实际上发挥功能的分子进行成像。在设想对细胞中的实际上发挥功能的分子进行成像的情况下，需要同时实现对微米级的细胞整体进行成像和在该细胞中的蛋白质分子所存在的区域中对纳米级的蛋白质分子进行成像。在上述以往型的扫描仪300中，在纳米级的扫描范围内实现了高速的扫描，但在欲扩大扫描范围的情况下，需要使Y驱动器303、X驱动器306的伸长系数(也称作每单位电压的伸缩量、压电常数)更大。但是，若增大Y驱动器303、X驱动器306的伸长系数，则存在响应速度、位置精度下降这样的问题，使大范围的测量和高速、高精度的测量同时实现是很困难的。关于以上那样的大范围的测量和高速、高精度的测量的同时实现的问题不仅在原子力显微镜中，而且在利用扫描仪使载置台移位的类型的扫描型探针显微镜中也是共同存在的问题。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开第2010/087114号专利文献2：国际公开第2006/129561号非专利文献1：T.Andoetal.,e-J.Surf.Sci.Nanotech.3,384(2005)
技术实现思路
专利技术要解决的问题本专利技术的课题在于，解决上述的问题，提供能够使大范围的测量和高速、高精度的测量同时实现的扫描仪及包括该扫描仪的扫描型探针显微镜。用于解决问题的方案为了解决上述的课题，本专利技术的一个技术方案的扫描仪包括：外框；第1内框，其配置在外框的内侧；广域Y驱动器，其用于使第1内框相对于外框在Y方向上相对地移动；第2内框，其配置在第1内框的内侧；广域X驱动器，其用于使第2内框相对于第1内框在与Y方向正交的X方向上相对地移动；第3内框，其配置在第2内框的内侧；狭域Y驱动器，其用于使第3内框相对于第2内框在Y方向上相对地移动；可动基座，其配置在第3内框的内侧；以及狭域X驱动器，其用于使可动基座相对于第3内框在X方向上相对地移动。由此，能够使大范围的测量和高速、高精度的测量同时实现。在本专利技术中，可以是，扫描仪还包括由可动基座支承的载置台。在本专利技术中，可以是，载置台利用广域X驱动器能够移动的范围大于载置台利用狭域X驱动器能够移动的范围，优选的是，载置台利用广域Y驱动器能够移动的范围大于载置台利用狭域Y驱动器能够移动的范围。在本专利技术中，可以是，载置台借助用于使载置台在与X方向和Y方向正交的Z方向上相对地移动的Z驱动器支承于可动基座。还可以是，在可动基座的与借助Z驱动器支承载置台的面相反的面，安装与Z驱动器和载置台的总重量大致相等的重量的平衡块。在本专利技术中，可以是，第1内框借助板面与Y方向大致正交的多个板簧与外框连接，可以是，第2内框借助板面与X方向大致正交的多个板簧与第1内框连接，可以是，第3内框借助板面与Y方向大致正交的多个板簧与第2内框连接，可以是，可动基座借助板面与X方向大致正交的多个板簧与第3内框连接。在本专利技术中，可以是，在第3内框的内侧还包括与可动基座的重量大致相等的重量的可动基座配重物，狭域X驱动器是能够与控制信号相应地在X方向上伸缩的压电元件，配置在可动基座和可动基座配重物之间。在本专利技术中，可以是，广域Y驱动器是能够与控制信号相应地在Y方向上伸缩的压电元件，配置在外框的内侧面和第1内框的外侧面之间，广域X驱动器是能够与控制信号相应地在X本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扫描仪，其特征在于，该扫描仪包括：外框；第1内框，其配置在所述外框的内侧；广域Y驱动器，其用于使所述第1内框相对于所述外框在Y方向上相对地移动；第2内框，其配置在所述第1内框的内侧；广域X驱动器，其用于使所述第2内框相对于所述第1内框在与Y方向正交的X方向上相对地移动；第3内框，其配置在所述第2内框的内侧；狭域Y驱动器，其用于使所述第3内框相对于所述第2内框在Y方向上相对地移动；可动基座，其配置在所述第3内框的内侧；以及狭域X驱动器，其用于使所述可动基座相对于所述第3内框在X方向上相对地移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.10 JP 2017-0021831.一种扫描仪，其特征在于，该扫描仪包括：外框；第1内框，其配置在所述外框的内侧；广域Y驱动器，其用于使所述第1内框相对于所述外框在Y方向上相对地移动；第2内框，其配置在所述第1内框的内侧；广域X驱动器，其用于使所述第2内框相对于所述第1内框在与Y方向正交的X方向上相对地移动；第3内框，其配置在所述第2内框的内侧；狭域Y驱动器，其用于使所述第3内框相对于所述第2内框在Y方向上相对地移动；可动基座，其配置在所述第3内框的内侧；以及狭域X驱动器，其用于使所述可动基座相对于所述第3内框在X方向上相对地移动。2.根据权利要求1所述的扫描仪，其特征在于，该扫描仪还包括由所述可动基座支承的载置台。3.根据权利要求2所述的扫描仪，其特征在于，所述载置台利用所述广域X驱动器能够移动的范围大于所述载置台利用所述狭域X驱动器能够移动的范围，所述载置台利用所述广域Y驱动器能够移动的范围大于所述载置台利用所述狭域Y驱动器能够移动的范围。4.根据权利要求2或3所述的扫描仪，其特征在于，所述载置台借助用于使所述载置台在与X方向和Y方向正交的Z方向上相对地移动的Z驱动器支承于所述可动基座。5.根据权利要求4所述的扫描仪，其特征在于，在所述可动基座的与借助所述Z驱动器支承所述载置台的面相反的面，安装与所述Z驱动器和所述载置台的总重量大致相等的重量的平衡块。6.根据权利要求1～5中任一项所述的扫描仪，其特征在于，所述第1内框借助板面与Y方向大致正交的多个板簧与所述外框连接，所述第2内框借助板面与X方向大致正交的多个板簧与所述第1内框连接，所述第3内框借助板面与Y方向大致正交的多个板簧与所述第2内框连接，所述可动基座借助板面与X方向大致正交的多个板簧与所述第3内框连接。7.根据权利要求1～5中任一项所述的扫描仪，其特征在于，在所述第3内框的内侧还包括与所述可动基座的重量大致相等的重量的可动基座配重物，所述狭域X驱动器是能够与控制信号相应地在X方向上伸缩的压电元件，配置在所述可动基座和所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：山下隼人，阿部真之，
申请(专利权)人：国立大学法人大阪大学，
类型：发明
国别省市：日本,JP