JPH02132303A - 探針駆動装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、走査型トンネル顕微鏡等に用いられる探針を
ｘ，ｙ，ｚ方向に駆動する探針駆動装置に係わり、特に
円筒型圧電素子を用いた探針駆動装置に関する。

（従来の技術） 近年、固体表面の１つ１つの原子を測定する方法として
、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が開発されている。

このＳＴＭは、先端が尖った導電性の探針を試料の表面
より３〜１０人上で走査しながら、探針・試料間に流れ
るトンネル電流を測定することにより、試料表面の構造
と電子状態を原子レベルで測定するものである。

ＳＴＭでは上にも述べたように探針を試料表面上３〜１
０人で走査（駆動）する必要があるが、この探針の駆動
には圧電素子が用いられている。

このような用途に用いられる圧電素子としては、当初は
３方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に設置された３脚型が主に用いら
れていたが、最近では、応答速度の速い円筒型が用いら
れている（レビュー・オブ・サイエンティフィック・イ
ンストゥルメント誌，５７巻，　１８８８ページ）。こ
の円筒型圧電素子は、第５図に示すように、円筒状の圧
電体１１の外側にＸ電極２１．２２とＹ電極３１．３２
を形成すると共に、内側にＺ電極４２を形成したもので
ある。探針５０は圧電体１１の一端に接着され、圧電体
１１の他端は固定端に固定されている。この構成では、
Ｘ電極２１．２２間に電圧を印加することにより探針５
０のＸ方向の空間的位置が変化し、Ｙ電極３１．３２間
に電圧を印加することにより探針５０のＹ方向の空間的
位置が変化する。さらに、Ｚ電極４２とＸ電極２１．２
２及びＹ電極３１，３２との間に電圧を印加することに
より、探針５０のＺ方向の空間的位置が変化することに
なる。

しかし、このような圧電素子では、Ｘ，ＹＪ向に比して
、一般に２方向の感度が高すぎる。

このことは、Ｚ電極に印加する電圧に対してＺ方向の伸
縮率が大きすぎることであり、っまりＺ微小のＺ変位に
対し、Ｚ電極に加える電圧変化が小さくなってしまう。

このため、実際の表面測定の際、Ｚ信号のノイズが大き
くなる問題がある。

これを解決するために、第６図に示すように、円筒状の
圧電体］１の外側にもＺ電極４１を設け、Ｚ電極４１．
４２間に印加する電圧によりＺ方向の変位を持たせる構
成が考えられている。

この構成では、２方向の変位に寄与する電極の幅はＺ電
極４１の幅であり、この幅が第５図（Ｘ，Ｙ電極の幅）
に比して短いので、Ｚ方向の感度を低くすることができ
る。つまり、Ｚ微小の変位に対して２電極４１，４２間
に加える電圧変化を大きくすることができる。

ところで、探針を試料表面の３〜１０人上に設置する場
合、まず目視により探針と試料との距離をある程度小さ
くし、その後に試料をネジ或いはマイクロメータで探針
に近付ける。この場合、試料の探針への接近スピードが
速いために、試料と探針との衝突を招く虞れがある。探
針と試料との間に流れるトンネル電流をモニタしてもト
ンネル電流の検出範囲は極めて微小距離であり、トンネ
ル電流を検出して試料の移動を停止した時には既に探針
と試料とが衝突しているのが現状である。つまり、第５
図及び第６図に示す圧電素子にあっては、探針と試料と
を接近させる際にこれらの衝突を招く問題があった。

また、この問題を解決するために、上記圧電素子以外に
別の圧電素子（粗動用圧電素子）を設けることがある。

試料，探針間の距離が太きいとき、ネジ或いはマイクロ
メータでこの距離を近付け、距離が小さいとき（探針，
試料間の接近の最終段階）は、粗動用圧電素子に印加す
る電圧によって制御する。しかしながら、この場合、圧
電素子が１つ多く必要となり、ＳＴＭのユニットがより
複雑に、より大型になる。

ＳＴＭユニットの簡略化，小型化は、防振という意味に
おいて、重要な要素であり、圧電素子を１つ多く設置す
ることによって、ＳＴＭの信号のノイズが大きくなると
いう問題がある。

なお、上記の問題点は、ＳＴＭに限るものではなく、探
針と試料との間の静電容量を検出する走査型静電容量顕
微鏡（ＳＣａＭ）、さらに探針の原子と試料の原子との
間の引力及び斥力を測定して絶縁体表面の形状を測定す
る原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）においても同様に言えるこ
とである。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、ＳＴＭを初めとする表面測定装置にお
いては、探針，試料間の距離を小さく　（例えば、トン
ネル電流が流れ始める程度まで小さく）する際、ネジや
マイクロメータを用いたのでは、探針と試料との衝突を
招く虞れがある。探針と試料との衝突を防ぐために、別
の圧電素子を用いたのでは、ＳＴＭユニットの大型化，
複雑化を招くと共に、圧電素子を付加した分だけノイズ
が大きくなる。つまり、探針と試料との衝突を防止しよ
うとすると信号のノイズか大きくなり、逆に信号のノイ
ズを低減しようとすると衝突を免れないという問題があ
った。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、探針，試料の衝突を招くことなく、
これらの接近をスムーズに行うことができ、且つ信号の
ノイズを小さく抑えることのできる探針駆動装置を提供
することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、前記第６図に示す如き円筒型圧電素子
の電極の配線を切替えることにより、効果的な探針の移
動を実現することにある。

即ち本発明は、探針を保持して該探針をＸ，Ｙ，Ｚ方向
に駆動する探針駆動装置において、探針が取付けられる
筒状圧電体の外面に第１及び第２のＸ電極，第１及び第
２のＹ電極，第１のＺ電極をそれぞれ形成すると共に、
該圧電体の内面に第２のＺ電極を形成してなる圧電素子
と、この圧電素子の前記第１及び第２のＸ電極間，第１
及び第２のＹ電極間，第１及び第２のＺ電極間にそれぞ
れ独立に電圧を印加する第１の電圧印加手段と、前記第
１及び第２のＸ電極，第１及び第２のＹ電極，さらに前
記第１の２電極を共通接続し、これらの電極と前記第２
の２電極との間に電圧を印加する第２の電圧印加手段と
を設けるようにしたものである。

（作　用） 本発明によれば、第１の電圧印加手段により、探針をｘ
，ｙ，ｚ方向に変位させることができ、このとき変位量
は印加電圧に対して小さいものとなる。この微動を利用
することにより、探針を試料表面で走査することができ
、トンネル電流等の検出が可能となる。また、第２の電
圧印加手段により、Ｚ電極は勿論のことＸ，Ｙ電極もＺ
電極として機能することになり、圧電素子のＺ方向スト
ロークを大きくすることができる。

この粗動を利用することにより、衝突を招くことなく探
針を試料表面にスムーズに近付けることができる。

具体的には、第２の電圧印加手段により、探針，試料間
にトンネル電流が流れ始めるまで、マイクロメータ等に
より探針を試料に近付ける。

このときの探針の移動速度はマイクロメータ程には速く
なく、さらにＺストロークは十分太きくとれる。従って
、試料，探針間に流れるトンネル電流等をモニタするこ
とによりこれらの衝突を防ぎ、探針を試料表面にスムー
ズに近付けることかできる。

なお、試料，探針間の距離が十分小さくなりた後は、第
２の電圧印加手段による印加電圧を徐々に小さくして最
終的に零にする。これと同時に、トンネル電流をモニタ
し、該電流が一定となるようにマイクロメータ等により
試料を探針に近付ける。また、この後に圧電素子の電極
を切替える（第１の電圧印加手段）ことにより、Ｚ方向
の伸縮率が小さくなり、このため小さいノイズで試料表
面の構造及び電子状態を測定することができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる探針駆動装置を示す
概略構成図である。図中１０は円筒型圧電素子であり、
その構成は前記第６図と同様である。即ち、円筒状の圧
電体１１の外面に第１及び第２のＸ電極２１，２２、第
１及び第２のＹ電極’３１，３２、さらに第１のＺ電極
４１が被着されている。圧電体１１の内面には、第２の
２電極４２が被着されている。

ここで、各電極２１，２２，３１．３２，４１．４２の
配置関係は第２図に示す如くなっている。即ち、第２図
（ａ）に圧電素子１０の上側の断面を示す如く、Ｘ電極
２１．２２は圧電体１１の軸方向（Ｚ方向）と直交する
Ｘ方向に対向して設けられており、Ｙ電極３１．３２は
軸方向及びＸ方向にそれぞれ直交するＹ方向に対向して
設けられている。また、Ｚ電極４１，４２は、第２図（
ｂ）に圧電素子１ｏの下側の断面を示す如く、圧電体１
１の内外面に環状に設けられており、さらに２電極４２
は内面全面に設けられている。

Ｘ電極２１．２２間には切替えスイッチ２３．２４の各
接点Ｓ１を介して可変電圧電源（Ｘ電源）２５が接続さ
れ、またＸ電極２１．２２間は切替えスイッチ２３．２
４の各接点ｓ２を介して短絡されている。同様に、Ｙ電
極３１，３２間には切替えスイッチ３３．３４の各接点
Ｓ１を介して可変電圧電源（Ｙ電源）３５が接続され、
またＹ電極３１．３２間は切替えスイッチ３３．３４の
各接点Ｓ２を介して短絡されている。ここで、切替えス
イッチ２３，２４，３３．３４は連動して切替わるもの
であり、図ではＳ，に切替わった状態を示している。ま
た、Ｚ電極４１，．４２間には、可変電圧電源（Ｚ電源
）４５が接続され、Ｚ電極４１は切替えスイッチ２３，
２４，３３．３４の接点Ｓ２側にそれぞれ接続されてい
る。なお、各電源２５，３５．４５は正負の反転も可能
なものである。

このような構成であれば、切替えスイッチ，を２３，２
４，３３．　　３４をＳ，側に切替えることにより、通
常と同様に探針５０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動することが
できる。また、切替えスイッチ２Ｂ，　２４，３３．３
４を８２側に切替えることにより、外側の全ての電極２
１，２２，３１，３２．４１を同じ電位に設定し、外側
と内側の電極との間に電圧を印加することになり、探針
をＺ方向に大きく移動（粗動）することができる。つま
り、探針５０を試料表面に対し相対的に小さいスピード
（≦１　Ｏ　Ａ　／ｓｅｅ　）で、且つ大きな距離（〜
５μｍ）動かすことができる。この粗動を、探針と試料
との接近に用い、微動をトンネル電流検出に用いること
により、探針の効果的な駆動が可能となる。

第３図は本装置をＳＴＭに適用した例を示す図である。

図中６０は試料、７０はマイクロメータ、８０はＳＴＭ
本体を示している。この装置では、試料６０を探針５０
に十分近付けた後、探針５０，試料６０間のトンネル電
流を測定しながら、探針５０を試料６０表面上でＸ，Ｙ
方向に走査する。トンネル電流が設定された値になるよ
うに、第４図に示す如くトンネル電流測定器９０と圧電
素子１０（この場合はＺ電極４１．４２）との間にフィ
ードバック回路が働いている。つまり、トンネル電流が
設定された値より小さい時は、探針５０が試料６０に近
付くように圧電素子１０は伸びる。また、トンネル電流
が設定された値より大きくなれば、探針５０が試料６０
から遠ざかり、トンネル電流が設定された値になるよう
に制御される。そして、このときの圧電素子１０のＺ方
向の伸縮量、つまりＺ印加電圧を測定することにより試
料６ｏの表面状態がａｌｌ定されることになる。

この装置において、探針，試料間をトンネル電流検出の
初期状態にセットするには次のようにする。まず、最初
に探針５０を試料６０に近付ける際、切替えスイッチ２
３，２４，３３．３４をそれぞれＳ２側に切替える。マ
イクロメータ７０により探針，試料間が数μｍの距離と
なるまで試料６０を探針５０に近付ける。次いで、探針
，試料間のトンネル電流をモニタしながら、Ｚ電源４５
により圧電素子１０を伸ばし、探針５０を試料６０に十
分に（トンネル電流が流れるまで）近付ける。

これにより、探針，試料間はトンネル電流検出範囲内に
セットされるが、この状態では圧電素子１０が伸び切っ
ている場合もある。従って、前記第４図に示すフィード
バック回路を利用し、以下のようにして圧電素子１０を
定常状態に戻す。即ち、Ｚ電源４５の電圧を徐々に低く
して圧電素子１０を縮めると共に、その分だけマイクロ
メータ７０により試料６０を探針５０側に移動し、最終
的にＺ電源４５の電圧を零にする。

この状態では、Ｚ電源４５の電圧は零であり、探針，試
料間はトンネル電流検出範囲内に設定されることになる
。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記圧電素子の各電極に接続される電源及
び切替えスイッチは、前記第１図に示す構成に限定され
るものではなく、第１及び第２の電圧印加手段を選択的
に実施できる構成であれば適宜変更可能である。また、
圧電素子を構成する圧電体は必ずしも円筒状に限るもの
ではなく、筒状であればよい。また、本発明はＳＴＭに
限らず、ＳＣａＭやＡＦＭ等にも適用できるのは勿論の
ことである。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、円筒型圧電素子の
各電極の配線を切替え、ｘ，ｙ，ｚ電極にそれぞれ独立
に電圧を印加する第１の電圧印加と、圧電体の外側の電
極と内側の電極とに電圧を印加する第２の電圧印加との
２つのモ−ドを選択して用いるようにしているので、Ｘ
，Ｙ，Ｚ方向の微動とＺ方向の粗動が可能となる。

従って、探針，試料の衝突を招くことなく、これらの接
近をスムーズに行うことができ、且つ信号のノイズを小
さく抑えることのできる探針駆動装置を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる探針駆動装置を示す
概略構成図、第２図は同実施例装置の水平断面を示す図
、第３図は本発明をＳＴＭに適用した例を示す図、第４
図は第３図に示すＳＴＭのフィードバック回路を示す図
、第５図及び第６図はそれぞれ従来の探針駆動装置を示
す概略構成図である。 １０・・・円筒型圧電素子、１１・・・圧電体、２１．
２２・・・Ｘ電極、３１．３２・・・Ｙ電極、４１．４
２・・・Ｚ電極、２５．３５．４５・・・電源、２３，
２４，３３．３４・・・切替えスイッチ、５０・・・探
針、６０・・・試料、７０・・・マイクロメータ、８０
・・・ＳＴＭ本体、９０・・・トンネル電流測定器。 第 ３図 第４図 第 ５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）探針が取付けられる筒状圧電体の外面に第１及び
   第２のＸ電極、第１及び第２のＹ電極、第１のＺ電極を
   それぞれ形成すると共に、該圧電体の内面に第２のＺ電
   極を形成してなる圧電素子と、 この圧電素子の前記第１及び第２のＸ電極間、第１及び
   第２のＹ電極間、第１及び第２のＺ電極間にそれぞれ独
   立に電圧を印加する第１の電圧印加手段と、 前記第１及び第２のＸ電極、第１及び第２のＹ電極、さ
   らに前記第１のＺ電極を共通接続し、これらの電極と前
   記第２のＺ電極との間に電圧を印加する第２の電圧印加
   手段とを具備してなることを特徴とする探針駆動装置。
2. （２）前記探針は、被検査試料の表面に近接して配置さ
   れ、該試料との間に流れるトンネル電流の検出に供され
   るものであることを特徴とする請求項１記載の探針駆動
   装置。
3. （３）前記第１の電圧印加手段は前記探針のＸ、Ｙ、Ｚ
   方向の微動に供され、前記第２の電圧印加手段は前記探
   針のＺ方向の粗動に供されることを特徴とする請求項１
   記載の探針駆動装置。