JPH0197356A - 物理情報検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は探針と試料とを接近して発生する物理東 現像を利用する装置に係り、特に探針と試料との近接、
あるいは試料表面内での探針移動に好適な探針移動装置
に関する。

〔従来の技術〕

従来、探企１と試料とを接近して発生する物理現象を利
用する走査型１−ンネル顕′４１．鏡の接近方法や視野
選択方法については、アプライド　フィジックス　レタ
ー第４０巻（１９８２）第１７８頁から第１．８０頁（
Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、１．ｅｔｔ、４０　（１９８２）
　ｐｐ］７８〜１８０）において論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は鋭い先端を有した探針を試料に接近ある
いは視野選択する際、探針が試料に衝突して先端の曲率
半径が大きくなることにより空間になることについて配
慮がなされておらず、探針と試料とを探針の先端形状を
鋭く保ったままでの接近あるいは視野選択に問題があっ
た。

本発明の目的は」−記の問題を解決する移動装置を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

一１１記目的は、探針と試料とを接近した際に得られる
トンネル電流などの物理情報を用いて探針と試料との間
隙を第１の移動手段で一定に保つようなサーボ機構を有
すると同時に、探針あるいは試料を大きく接近あるいは
視野選択するために第２の移動手段を有し、設定された
値の物理情報を検出後、直ちに上記第２の移動手段の動
作を中止することにより達成される。この時、物理情報
検出より動作の中止までに応答時間が必要となる。この
ため、探針と試料との間隙を常に一定にサーボしている
こと、このサーボ系内の信号を利用した」二記の第２の
移動手段を駆動するための駆動信号を形成すること、さ
らに物理情報検出後直ちに任意の距離だけ後退する動作
により、上記の応答時間の遅れを防止することができる
。

〔作用〕

本発明である探針移動装置は複数の移動手段により、探
針と試料を接近させた際に得られる物理情報を用い、第
１の移動手段で探針と試料との間隙を一定に保つように
サーボしつつ、第２の移動手段で探針と試料を接近させ
るあるいは視野選択するように動作する。これにより、
探針と試料は衝突することなく、接近あるいは試料面内
移動ができ、探針と試料とを近接した際に得る物理現象
を高い空間分解能でかつ安定に得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１〜５図により説明する。

第１図は本発明の基本構成を示す。図には試料２と探釧
３とを接近させトンネル現象により試料２と探針３との
間隙を制御する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）におけ
る試料２と探針３とを近づける場合について示している
。移動手段としては探針３を支持している第１の移動手
段たる間隙制御素子（圧電素子）９と、これを支持する
第２の移動手段たる尺取り虫機構で構成されている。こ
の尺取り虫機構は間隙制御素子９を支持する端子Ａｌｌ
と伸縮用圧電素子１０と端子Ｂ１１′から成る移動部と
、クランプ金具Ａ１２．Ｂ１２’、クランプ用圧電素子
Ａ１３．Ｂ１３’及びバネ１４．１４’　、１４’　、
１．４”’から成る２つのクランプ部とから構成されて
いる。クランプの解除はクランプ用圧電素子に電圧を印
加してクランプ金具を上に押し上げることにより実行さ
れる。これら２つの移動手段を用いて本発明では次の様
に回路構成で試料２と探針３とを接近させる。

回路は主に、間隙制御回路と移動制御回路１５との２つ
の部分より構成される。間隙制御回路はＳＴＭで使用さ
れているものであり、トンネル電源４．トンネル電流検
出回路５．目標トンネル電流設定回路１．減算回路６．
サーボ回路８から構成される。一方、移動制御回路１５
は電流検出回路１６２尺取り虫伸縮用圧電素子１０を駆
動するだめの伸縮用駆動回路１７．シーケンス制御回路
２０、クランプ用駆動回路Ａ１９．Ｂ１８より構成され
ている。

以上、説明した移動手段と制御系から次のように動作し
て、探針３が試料２に衝突せずに接近する。第２図に制
御のためのタイムチャートを示す。

まず試料２を探針３から離して設置し、サーボ回路８を
動作させる。しかし、トンネル現象が現われないのでト
ンネル電流は流れず間隙制御素子９の伸び量は最大とな
る。この様な状態で移動制御回路１５を駆動して探針３
を試料２に近づける。

シーケンス制御回路２０でクランプ用駆動回路Ａ１９を
駆動し、クランプ金具Ａ１２をクランプ用圧電素子Ａ１
３で押し上げて端子Ａｌｌのクランプを解除する（■の
動作）。なお、シーケンス制御回路２０はクランプ用駆
動回路Ａ１９の出力をモニタしており、十分に出力電圧
が設定値まで達して、次の動作に移る。

これはクランプ用圧電素子Ａ１３．Ｂ１３’　、伸縮用
圧電素子１０の伸びあるいは縮む場合も同様に動作する
。端子Ａｌｌのクランプが解除された後、減算回路６の
出力を用いて、伸縮用駆動回路１７を駆動し、伸縮用圧
電素子１０を伸す（＠の動作）。終了後、端子Ａｌｌを
クランプ（のの動作）、端子８１１′のクランプを解除
（ｅ）の動作）、伸縮用型素子１０を縮め（■の動作）
、さらに端子Ｂ］１′をクランプする（■の動作）。こ
の様にして、探針３を一歩、試料２に近づける。しかし
、トンネル現象が起るまでには探針３が近づいてないの
で、さらに、■’、＠’、の′、＠′、■′、Ｏ―と各
素子は動作する。その後（Ｘｉ、Ｏ″と動作し、トンネ
ル電流が流れると、電流検出回路１６が作動して、伸縮
用駆動回路１７の出力電圧を零に、即ち、伸びない状態
に後戻りする。そして、端子Ａｌｌはクランプ解除のま
まにして自動接近を完了する。これは端子Ａｌｌをクラ
ンプすると、探針３の先端が動くため試料２に探針３が
衝突する危険があるためである。その後、手動で伸縮用
圧電素子１０を除々に伸し、トンネル電流７を得る様に
探針３を近づけるのが望しい。また、トンネル現象は間
隙数１０穴で起るので、■の動作を素速くする必要があ
る。例えば、尺取り虫の移動速度が１０μｍ　／　Ｓと
すると、０　、１　ｍ　ｓ　　の応答性が必要となる。

通常、圧電素子は１００ｖ前後で駆動するため、応答性
の速い演算増幅素子が使用できない。このため、本発明
では間隙制御回路を動作させ、第２図の（ｂ）の様にト
ンネル電流７が流れると同時に間隙制御素子９が縮み、
上記の遅い応答性を助ける。さらに、伸縮用駆動回路１
７の入力信号を減算回路の出力信号を使用しているので
トンネル電流７が流れると同時に、伸縮用圧電素子１０
の伸びる速度は極めて減少し、逆に縮み始めるので上記
の遅い応答性を上記同様に助けることができる。

第３図は移動制御回路１５の具体例であり、上記の様に
伸縮用圧電素子１０を駆動するためのもである。ここて
′は、トンネル現象が間隙数１０λ以下の領域で発生す
るので、定速度で伸びることが望しく、伸縮用駆動回路
１７の一部にミラー積分器を用いた例を示す。速度は１
　／　ＣＲ２で決定され、トンネル電流検出後、減算回
路６の出力が正から負に変化すると、フリップフロップ
回路３４の出力が１７Ｔ（ｉｇｈ＋＋となり、万Ｒ回路
３５を通してリレー３６により、ミラー積分器のコンデ
ンサＣを放電し、出力を零とする。

尚、電流検出回路１−６への入力信号は減算回路６の出
力信号以外にトンネル電流検出回路５やサーボ回路８内
の信号を使用しても構わない。

第４図に視野選択を可能とする３次元粗動機構を有した
ＳＴＭの平面図を示す。粗動機構は第１図で示した尺取
り主機構を３次元に拡張したものである。図での探針の
Ｘ方向、Ｙ方向の移動は、Ｘ方向がクランプ金具Ｃ４０
，端子Ｃ（上テーブル）４１、Ｘ軸伸縮用圧電素子４３
．クランプ金具Ｄ４０′端子Ｄ４２で構成され、Ｙ方向
がクランプ金具Ｅ４４．端子Ｄ４，５で構成されている
。尚、クランプ用の圧電素子やＹ方向の図示している部
品に対向するクランプ金具、端子及び伸縮用圧電素子は
図で省略しているが、２方向の場合の尺取り主機構と全
く同様に動作する。また、ここでは探針３を支持する移
動手段にｘｙｚ、３次元駆動可能なトライポット型スキ
ャナ４８を使用している。これは、端子Ａ１２に連結し
ている座４７に間隙制御のためのＺ軸圧電素子９．Ｘ軸
走査用圧電素子４６．Ｙ軸走査用圧電素子（図示してな
い）を図の様に設置して、ＳＴＭ像取得のための動作を
行なう。図において、視野選択するために探針３をＸ方
向に動かす場合、試料２の凹凸が存在すると探針３と試
料２とが衝突し、探針３の先端部が曲がってしまい、平
面分解能の低下やトンネル電流の不安定を生じる。これ
を防止するため、Ｘ軸方向の尺取り主機構にも探針３を
接近する場合と同様な機構で移動することが望しい。尚
、衝突した事を知らせる表示や、ステップ数の設定や表
示はあった方が便利である。また、Ｙ軸方向の尺取り主
機構の移動も−１−記と同様な機構が望しい。

さらに、トンネル電流が検出された際、Ｚ方向の移動手
段で後退させ、ＸあるいはＹ方向の視野選択を続行させ
てもよい。

第５図に接近用のＺ軸尺取り主機構と視野選択用のＸ軸
尺取り主機構を駆動するための移動制御回路１５の一部
を示す。各々の尺取り虫はその制御回路を持てば良いが
通常、接近と視野選択は同時に行なわないので１つの駆
動回路を共用するのが便利である。図において、リレー
の５４．リレー■５５がクランプ用圧電素子を駆動する
ためのものであり、リレー■５６が尺取り主機構の伸縮
用圧電素子にステップ電圧を印加して伸縮するためのも
のであり、さらに、リレー■５７は自動的に接近したり
、視野選択するためのものである。

これらは、モード選択により動作するものである。

スイッチＡ５８．＋３５９．Ｃ６０，Ｄ６］、はクラン
プ用圧電素子に印加する電圧をリレー■５４の指定する
電圧にするか、リレー■５５の指定した電圧にするか、
さらに、クララブにした状態に設定するかを選択するス
イッチである。スイッチＥ６２、Ｆ６３はリレー■５６
．リレー■５７で指定される電圧か、あるいは駆動しな
いかを選択するものである。上記の６個のスイッチは手
動スイツチで十分である。尺取り主機構のシーケンス制
御は論理回路５３で行なう。論理回路５３はバームウェ
ア、マイクロプロッサあるいは計算機が利用される。ま
た、モード切換５１は（ｉ）自動接近、自動視野選択、
　（ｉｉ）ステップ数指定の尺取り土移動、（■）手動
等を選択することができる。０）の場合はリレー■５７
が図のように設定され、リレー■５４．リレー■５５を
動作するとともにミラー積分器（第３図）のリセット信
号６５により第２図の（ｃ）〜（ｅ）の動作をする。尚
、ミラー積分器のリセット信号６５′は■の動作を行な
うのに使用する。スイッチＡ５８〜Ｆ６３の状態は自動
接近の場合を示す。スイッチＡ５８．Ｂ５９及びＥ６２
を全て接地し、スイッチＣ６０を■、Ｄ６１を■に、Ｆ
６３をリレー■５７と接続されるように選択すると、第
４図のＸ方向に視野選択する。また、逆方向に動がした
い場合はスイッチＡ５８〜Ｄ６１のスイッチ選択を逆に
すれば良い。

尚、これは論理回路５３でシーケンスを変えることもで
きる。（ｉｉ）のモードではステップ数を指定するとと
もに、リレー■５７を定電圧ＶＰに接続されるように端
子を切換え、高速な尺取り虫移動を行なう。これは、探
針３と試料２とが衝突する心配がない場合、有効である
。この時の伸縮用圧電素子１０あるいはＸ軸伸縮用圧電
素子への印加電圧はリレー■５６で定電圧あるいはｏ■
が選択される。（市）のモードでは手動スイッチ５０に
よりリレー■５４．リレー■５５．リレー■５６が操作
されるように切換えられる。あるいは、全てｖｐに接続
され、スイッチＡ５８〜Ｆ６３で操作される。リレー■
５７は（ｉｉ）のモードと同じ状態にある。一方、自動
接近後、手動モードで、端子Ａ１２を解放したまま、Ｒ
６の抵抗を用いてトンネル電流が流れるまで伸縮用圧電
素子１０を除々に伸し、ＳＴＭ像が得れるように探針３
を試料に近づけることができる。尚、電流検出信号６６
は第３図の演算増幅器３１の出力信号である。第５図は
２軸の尺取り虫機構を制御する場合を示したが、多軸の
場合や変形した尺取り虫、例えば、尺取り虫のクランプ
数や伸縮素子が複数の場合も、同様に移動制御回路を構
成することができる。また、論理回路５３のシーケンス
制御信号として圧電素子印加電圧のレベルを利用する。

この場合、素子への電圧が高いことより抵抗で分圧して
制御信号に用いたり、レベルコンバータ後の整定時間を
子細 想して遅延回路を設置して、シーケンスを制裁するのが
望ましい。尚、（ｉ）のモードで探針３が試料２に近づ
くとトンネル電流に雑音が混入し、誤動作の原因となる
。このため、トンネル電流を検出するさい、第２図のＯ
″の動作を複数回繰り返暮して、トンネル電流を連続し
て検出した場合、停止する様にプログラミングすること
も重要である。

一方、尺取り虫機構を使用するとクランプした際に探針
３が前進する方向に移動することがあり、試料２と衝突
することがある。このため、第６図のように尺取り虫機
構の伸縮量を歩幅より大きくすることにより、上記の事
故を防ぐことができる。

即ち、第６図（ｂ）の＠の動作のように伸び量ＬＯを設
定した後、ΔＬだけ縮めて歩幅を小さくすることが重要
である。

以上の移動手段は圧電素子を用いたものであるが、その
外に、クランプ機構に静電チャックを用い、あるいは圧
電素子の代りに電歪、磁歪素子あるいは熱膨張を利用し
ても同様の作用が得られる。

また、尺取り虫機構以外に、ネジや縮小機構を用いたモ
ータ駆動による接近方法が考えられるが、本具体例のよ
うに探針３と試料２との接近により得られる物理情報を
用いて間隙制御を行なうと同時に、この制御系で使用さ
れている信号を用いてモータ駆動を行なってもよい。

また、具体例では物理情報としてトンネル電流を用いた
ＳＴＭの場合について記述したが、トンネル電流以外に
、原子間力、試料表面温度、容量。

磁束、磁力等を用いてもよい。本発明はこれらの情報を
応用した装置（顕微鏡のような理科学機器、記録装置、
等）について全て適用できるものである。また、この場
合あらかじめ設定した値の物理量を検出した時に移動を
停止するように本発明を構成すれば、設定した物理量に
相当する任意の間隙を探針と試料との間に保つことがで
きる。

以上のごとく、本実施例によれば探針の先端形状を鋭く
保ったままで試料に接近できるので、空間分解能の低下
やトンネル電流の不安定を防ぎ、信頼性の高い装置を得
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、探針の先端形状を鋭く保ったままで試
料に接近できるので、空間分解能の高い物理現象を常に
実現できる効果がある。また、これにより、探針を試料
に衝突させずに視野選択が可能となり、信頼性の高い探
針移動を実現する。

以上により、探針あるいは試料の操作性を良くするとと
もに、自動化により時間の短縮や衝突による探針交換の
頻度を小さくする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のＳＴＭでの探針・試料の接
近を説明するためのブロック図、第２図は第１図の動作
を説明するためのタイムチャート、第３図は尺取り虫機
構の伸縮用圧電素子を定速度で駆動するための具体例を
表すブロック図、第４図は３次元の尺取り虫機構を有し
たＳＴＭの平面図、第５図は複数の尺取り虫機構を駆動
するとともに、自動接近、自動移動、手動等の切換えモ
ードを有する移動制御回路の一具体例を表すブロック図
、第６図は尺取り虫機構のクランプでの探針試料衝突防
止のためのタイムチャートである。 １・・・目標トンネル電流設定回路、２・・・試料、３
・・・探針、４・・・トンネル電源、５・・・トンネル
電流検出回路、６・・・減算回路、７・・・トンネル電
流、８・・・サーボ回路、９・・・間隙制御素子（圧電
素子）、１０・・・伸縮用圧電素子、１１．１１’・・
・端子、Ｂ。 １２．１２’　・・・クランプ金具、Ａ、Ｂ、１３゜１
３′・・・クランプ用圧電素子、Ａ、Ｂ、１５・・・移
動制御回路、１．６・・・電流検出回路、１７・・伸縮
用駆動回路、１８．１９・・・クランプ用駆動回路、Ｂ
。 第　２図 弄す図 べｔ　−Ｒｃ　　憔仄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、探針および試料のうち少なくとも１つを複数の移動
   手段で支持し、試料と探針の相対位置を変化させる探針
   移動装置において、上記探針と試料との間隙に対応する
   物理情報を検出する検出手段を有し、上記複数の移動手
   段は上記探針と試料の衝突を防ぐための第１の移動手段
   と上記試料と探針の相対位置を粗く変化させるための第
   ２の移動手段とからなり、上記第１の移動手段は上記検
   出手段により検出された物理情報を用いたサーボ回路に
   より上記探針と試料との間隙を一定に保ち、上記第２の
   移動手段はあらかじめ設定された値の物理情報を検出す
   ることにより駆動を停止する駆動回路により駆動され、
   上記第２の移動手段を動作させつつ上記サーボ回路を動
   作させ、上記あらかじめ設定された値の物理情報検出後
   の上記第２の移動手段の応答時間の遅れによる移動量を
   上記第１の移動手段によつて小さくすることを特徴とす
   る探針移動装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、上記駆
   動回路の被駆動手段として尺取り虫機構を用いたことを
   特徴とする探針移動装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、上記第
   ２の移動手段を一定の速度で移動するための手段を有す
   ることを特徴とする探針移動装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、上記第
   ２の移動手段の駆動回路はあらかじめ設定された値の信
   号と検出されている物理情報に対応した信号とを減算回
   路に入力して得られる信号で制御されていることを特徴
   とする探針移動装置。 ５、特許請求の範囲第１項又は第２項又は第４項記載の
   ものにおいて、物理情報を検出した際に、上記第２の移
   動手段で使用しているクランプ機構を現状のままで保持
   することを特徴とする探針移動装置。 ６、特許請求の範囲第１項及至第５項記載のうちいずれ
   かのものにおいて、上記第２の移動手段をシーケンス制
   御することを特徴とする探針移動装置。 ７、特許請求の範囲第６項記載のものにおいて、シーケ
   ンス制御後、手動操作に切換える手段を有することを特
   徴とする探針移動装置。 ８、特許請求の範囲第２項記載のものにおいて、尺取り
   虫機構の伸縮量を歩幅より大きく設定することを特徴と
   する探針移動装置。 ９、特許請求の範囲第１項又は第２項記載のものにおい
   て移動手段の移動量を設定する手段を有することを特徴
   とする探針移動装置。 １０、特許請求の範囲第１〜９項記載のうちいずれかの
   ものにおいて、１つの駆動手段で複数の被移動手段を別
   々に駆動する切換え手段を設けたことを特徴とする探針
   移動装置。１１、特許請求の範囲第７項記載のものにお
   いて、物理情報を検出してシーケンス制御を終了する際
   、複数回移動動作を繰り返し、得られる物理情報を確認
   した後にシーケンス制御を終了することを特徴とする探
   針移動装置。