JPH02203205A - 三次元アクチュエータおよび走査型トンネル顕微鏡装置 - Google Patents
三次元アクチュエータおよび走査型トンネル顕微鏡装置Info
- Publication number
- JPH02203205A JPH02203205A JP1024179A JP2417989A JPH02203205A JP H02203205 A JPH02203205 A JP H02203205A JP 1024179 A JP1024179 A JP 1024179A JP 2417989 A JP2417989 A JP 2417989A JP H02203205 A JPH02203205 A JP H02203205A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- dimensional actuator
- area
- optical fiber
- scanning tunneling
- Prior art date
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- Pending
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
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。
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、三次元アクチュエータ及びそれを用いた走査
型トンネル顕微鏡装置に関するものである。
型トンネル顕微鏡装置に関するものである。
従来の技術
従来の３次元アクチュエータはｘ、 ｙ１ｚ方向に伸
縮するピエゾ駆動素子を円筒形やトライボッド形に形成
して構成されていた。第２図はその一例で、円筒形３次
元アクチュエータの構成図を示す。ｘ、 ｙ、 ｚ
の各方向に伸びるピエゾ素子１３゜１４、 １５及びＸ
、 Ｙ方向に伸びるピエゾ素子１Ｂ及び１７から構成
され、例えば走査型トンネル顕微鏡装置（以下ＳＴＭと
略称する。）の場合であると、この円筒の外壁に探針１
８を固定台１Ｂに固定し、試料２０の表面に数ｎｍまで
接近させ、その間隙に電圧を印加した事によって流れる
トンネル電流を出力抵抗２１で検出し、増幅回路２２に
よって増幅させる。このトンネル電流を一定に保つ様に
フィードバックが２方向にピエゾ素子１５に電圧の形で
印加され、この状態でＸ、 Ｘ、 Ｙ、 Ｙ、
方向のピエゾ素子１３． １Ｂ、 １４． １７で
２次元的に走査すると試料２０の表面のトポロジカルな
情報を得る事ができる。
縮するピエゾ駆動素子を円筒形やトライボッド形に形成
して構成されていた。第２図はその一例で、円筒形３次
元アクチュエータの構成図を示す。ｘ、 ｙ、 ｚ
の各方向に伸びるピエゾ素子１３゜１４、 １５及びＸ
、 Ｙ方向に伸びるピエゾ素子１Ｂ及び１７から構成
され、例えば走査型トンネル顕微鏡装置（以下ＳＴＭと
略称する。）の場合であると、この円筒の外壁に探針１
８を固定台１Ｂに固定し、試料２０の表面に数ｎｍまで
接近させ、その間隙に電圧を印加した事によって流れる
トンネル電流を出力抵抗２１で検出し、増幅回路２２に
よって増幅させる。このトンネル電流を一定に保つ様に
フィードバックが２方向にピエゾ素子１５に電圧の形で
印加され、この状態でＸ、 Ｘ、 Ｙ、 Ｙ、
方向のピエゾ素子１３． １Ｂ、 １４． １７で
２次元的に走査すると試料２０の表面のトポロジカルな
情報を得る事ができる。
上記の様な８７Ｍ装置は面内分解能が＜１０ 垂直分
解能はく１ という極めて高い分解能を有する為に逆に
マクロな情報が得られないという欠点を有していた。
解能はく１ という極めて高い分解能を有する為に逆に
マクロな情報が得られないという欠点を有していた。
この欠点はＳＴＭの有する本質的な欠点とされ、トポロ
ジカルな情報が得られた局所表面領域が試料表面のどの
位置で測定したものかについての重要な情報が得られな
い限り、ＳＴＭの応用分野はかなり限定されるとされて
いた。
ジカルな情報が得られた局所表面領域が試料表面のどの
位置で測定したものかについての重要な情報が得られな
い限り、ＳＴＭの応用分野はかなり限定されるとされて
いた。
本発明は上記問題点を鑑みて考案されるに至ったもので
ある。
ある。
発明が解決しようとする課題
本発明が解決しようとする課題はＳＴＭ装置で測定して
いる位置を明確に把握する事ができ、ダイナミックレン
ジの大きい分解能を有するＳＴＭ装置を実現する点にあ
る。
いる位置を明確に把握する事ができ、ダイナミックレン
ジの大きい分解能を有するＳＴＭ装置を実現する点にあ
る。
課題を解決するための手段
本発明は、ピエゾ駆動素子に光ファイバーを装着した構
造を有する３次元アクチュエータを用いて探針先端の試
料表面上での位置がリアルタイムで把握できるＳＴＭ装
置である。
造を有する３次元アクチュエータを用いて探針先端の試
料表面上での位置がリアルタイムで把握できるＳＴＭ装
置である。
作用
本発明を実施する事により、従来まで大きな傷害となっ
ていた分解能のダイナミックレンジが飛躍的に増大し、
試料表面の測定をしたり局所領域での測定が可能となっ
たばかりでなく、試料表面の測定領域に任意の強度の光
を照射する事が可能となった。
ていた分解能のダイナミックレンジが飛躍的に増大し、
試料表面の測定をしたり局所領域での測定が可能となっ
たばかりでなく、試料表面の測定領域に任意の強度の光
を照射する事が可能となった。
実施例
（実施例１）
第１図は本発明の一実施例である。従来と同様に円筒形
のピエゾ駆動式３次元アクチュエータに探針６が支持台
８によって装着されている。上記３次元アクチュエータ
にはＸ、Ｘ方向のピエゾ素子１． ４． Ｙ、 Ｙ
方向のピエゾ素子２．Ｓ、及びＸ方向のピエゾ素子３が
具備されている。支持台８には光フアイバーケーブル７
が装着されており同ケーブル７の先端は探針６の先端方
向に向いている。試料９と探針６との間に１ｖ程度の電
圧を印加させた状態で両者を約１１ｍｍまで近づける両
物質表面の波動関数の重なりによってトンネル電流が流
れはじめる。トンネル電流は出力抵抗１１によって電圧
に変換されて出力され、増幅器１２等を経てフィードバ
ック回路系に入力される。この際、予め設定したトンネ
ル電圧値０．３ｎＡより大きい電流が流れるとフィード
バック回路によりＸ方向のピエゾ素子３に印加される電
圧が減少し、探針６は試料９の表面から遠ざかり、指数
関数的にトンネル電流は減少する。逆に０．３ｎＡより
小さい電流しか流れない時は、探針６が試料９の表面に
近づく様にフィードバックがかけられるシステムである
。
のピエゾ駆動式３次元アクチュエータに探針６が支持台
８によって装着されている。上記３次元アクチュエータ
にはＸ、Ｘ方向のピエゾ素子１． ４． Ｙ、 Ｙ
方向のピエゾ素子２．Ｓ、及びＸ方向のピエゾ素子３が
具備されている。支持台８には光フアイバーケーブル７
が装着されており同ケーブル７の先端は探針６の先端方
向に向いている。試料９と探針６との間に１ｖ程度の電
圧を印加させた状態で両者を約１１ｍｍまで近づける両
物質表面の波動関数の重なりによってトンネル電流が流
れはじめる。トンネル電流は出力抵抗１１によって電圧
に変換されて出力され、増幅器１２等を経てフィードバ
ック回路系に入力される。この際、予め設定したトンネ
ル電圧値０．３ｎＡより大きい電流が流れるとフィード
バック回路によりＸ方向のピエゾ素子３に印加される電
圧が減少し、探針６は試料９の表面から遠ざかり、指数
関数的にトンネル電流は減少する。逆に０．３ｎＡより
小さい電流しか流れない時は、探針６が試料９の表面に
近づく様にフィードバックがかけられるシステムである
。
この状態でＸ、Ｘ方向のピエゾ素子１，４．及びＹ、
Ｙ方向のピエゾ素子２，３に三角波の電圧を印可して
２次元的に平面走査する。本実施例では５μ１１１２の
走査範囲であり、大気中にて観測を行った。
Ｙ方向のピエゾ素子２，３に三角波の電圧を印可して
２次元的に平面走査する。本実施例では５μ１１１２の
走査範囲であり、大気中にて観測を行った。
ここで、光フアイバーケーブル７は、直径１０〜２０μ
履のガラス繊維が数百本束ねて形成されており光ガイド
の役割を果たす。更に焦点距離が４１１１１１゜直径２
ｍｍのレンズが光ケーブル７の先端に取付けられており
、探針先端部の試料表面領域の像を映し出す事が可能で
ある。又、終端部ではイメージセンナを含む光学系（倍
率は×１〜４００倍） １Ｇ上に結像させ電気信号に変
換して、ＴＶモニタで測定領域の様子が把握できる様に
なっている。
履のガラス繊維が数百本束ねて形成されており光ガイド
の役割を果たす。更に焦点距離が４１１１１１゜直径２
ｍｍのレンズが光ケーブル７の先端に取付けられており
、探針先端部の試料表面領域の像を映し出す事が可能で
ある。又、終端部ではイメージセンナを含む光学系（倍
率は×１〜４００倍） １Ｇ上に結像させ電気信号に変
換して、ＴＶモニタで測定領域の様子が把握できる様に
なっている。
この装置を用いてＬＳＩのＡＩ配線領域及び５１基板領
域を明りょうに区別して表面凹凸を測定する事が出来た
。又、チタンシリサイド材料は熱処理時間を長くすると
ＴｌＳｉ！領域は表面が島状（直径が約５０μｌ）に凝
集してしまう現象が見られる。これを試料として用いた
場合でも、容易にＴｉＳ！□領域及びその他の８１基板
領域とが区別され、Ｘ、Ｙの粗動機構を用いて探針６の
先端を移動させてから測定し、各々の領域の表面凹凸の
違いを区別する事ができた。
域を明りょうに区別して表面凹凸を測定する事が出来た
。又、チタンシリサイド材料は熱処理時間を長くすると
ＴｌＳｉ！領域は表面が島状（直径が約５０μｌ）に凝
集してしまう現象が見られる。これを試料として用いた
場合でも、容易にＴｉＳ！□領域及びその他の８１基板
領域とが区別され、Ｘ、Ｙの粗動機構を用いて探針６の
先端を移動させてから測定し、各々の領域の表面凹凸の
違いを区別する事ができた。
ＳＴＭは分解能が極めて高い為に、逆に比較的平坦な表
面上の測定には向いているが、大きな段差を有する領域
にまたがって走査すると探針６を試料表面にぶつけてし
まう恐れがある。その為にも予め測定したい領域を把握
した上で探針走査領域を確保し、測定するという手順を
踏む事は極めて有益な事である。
面上の測定には向いているが、大きな段差を有する領域
にまたがって走査すると探針６を試料表面にぶつけてし
まう恐れがある。その為にも予め測定したい領域を把握
した上で探針走査領域を確保し、測定するという手順を
踏む事は極めて有益な事である。
尚、本発明の実施例においてピエゾ駆動素子を円筒形か
らトライボッド形に変えても同様な事が言える。
らトライボッド形に変えても同様な事が言える。
（実施例２）
本発明の実施例１において、束ねた光ファイバ−のうち
の一部を光源用光ガイドとして用いた実施例を示す。第
３図は第１図の光ケーブル７の断面図である。同図にお
いて、斜線で示した領域２７の終端は光源に接続されて
おり、この光ガイド領域２７からは光が照射される。残
りの領域２Ｂは実施例１と同様で、探針先端部及び試料
表面部の部分の光学像をイメージセンサを含む光学系１
Ｇに送る光ガイド領域である。
の一部を光源用光ガイドとして用いた実施例を示す。第
３図は第１図の光ケーブル７の断面図である。同図にお
いて、斜線で示した領域２７の終端は光源に接続されて
おり、この光ガイド領域２７からは光が照射される。残
りの領域２Ｂは実施例１と同様で、探針先端部及び試料
表面部の部分の光学像をイメージセンサを含む光学系１
Ｇに送る光ガイド領域である。
光源にレーザーを用いる事により、光照射に基づく表面
構造変化を把握する事が出来る。
構造変化を把握する事が出来る。
（実施例３）
本発明の実施例１．２においては探針ｅ及び光フアイバ
ーケーブル７は別々の物体で形成されていたが、本実施
例の場合は光フアイバ−ケーブル７自体が探針６の役割
を兼ねたタイプの場合である。
ーケーブル７は別々の物体で形成されていたが、本実施
例の場合は光フアイバ−ケーブル７自体が探針６の役割
を兼ねたタイプの場合である。
第４図は実施例３の場合を示す。同図において５は実施
例１で示したＹ方向ピエゾ素子、８は試料表面、８は探
針支持台である。２Ｂは実施例１における対物レンズで
あり、先端に針状突起物２７がある。２５は光フアイバ
ーケーブルである。対物レンズ２１１．２７及び光フア
イバーケーブル２５の表面には白金をコートしてあり、
光フアイバーケーブルと同時に探針も兼ねる。ここで、
対物レンズ２６の先端部には白金コートは除いである。
例１で示したＹ方向ピエゾ素子、８は試料表面、８は探
針支持台である。２Ｂは実施例１における対物レンズで
あり、先端に針状突起物２７がある。２５は光フアイバ
ーケーブルである。対物レンズ２１１．２７及び光フア
イバーケーブル２５の表面には白金をコートしてあり、
光フアイバーケーブルと同時に探針も兼ねる。ここで、
対物レンズ２６の先端部には白金コートは除いである。
その他の系は実施例１及び２と同様である。
本実施例の場合、対物レンズ２Ｂ先端部の針状突起物２
７を通してトンネル電流が流れ、測定領域をより高精度
にリアルタイムで観測できる利点がある。特に溶液中の
反応過程を観察する際に適している。
７を通してトンネル電流が流れ、測定領域をより高精度
にリアルタイムで観測できる利点がある。特に溶液中の
反応過程を観察する際に適している。
発明の効果
本発明により従来のＳＴＭで障害となっていた測定分解
能のダイナミックレンジを大幅に向上する事が可能とな
り、所望の局所表面領域を測定する事ができ、かつ、光
照射に基づく表面構造変化の測定も容易に実現できる様
になった。
能のダイナミックレンジを大幅に向上する事が可能とな
り、所望の局所表面領域を測定する事ができ、かつ、光
照射に基づく表面構造変化の測定も容易に実現できる様
になった。
第１図は、本発明に基づ〈実施例１の実施例の３次元ア
クチュエータ部分の構成図、第２図は、従来の３次元ア
クチュエータ部分の構成図、第３図は、光フアイバーケ
ーブルの断面図、第４図は、実施例４における測定部の
構成図である。 １〜５・・・・ピエゾ素子、６・・・・探針、７・・・
・光フアイバーケーブル、８・・・・支持台、９・・・
試料、ｌＯ・・・・光学系。 代理人の氏名 弁理士 栗野重孝 はか１名Ｉｔ図 第 図 Ｑ 第 図
クチュエータ部分の構成図、第２図は、従来の３次元ア
クチュエータ部分の構成図、第３図は、光フアイバーケ
ーブルの断面図、第４図は、実施例４における測定部の
構成図である。 １〜５・・・・ピエゾ素子、６・・・・探針、７・・・
・光フアイバーケーブル、８・・・・支持台、９・・・
試料、ｌＯ・・・・光学系。 代理人の氏名 弁理士 栗野重孝 はか１名Ｉｔ図 第 図 Ｑ 第 図
Claims (2)
- （１）ピエゾ駆動素子に光ファイバーを装着させた三次
元アクチュエータ。 - （２）ピエゾ駆動素子に光ファイバーを装着させた三次
元アクチュエータを搭載した測定位置認識可能な走査型
トンネル顕微鏡装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1024179A JPH02203205A (ja) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | 三次元アクチュエータおよび走査型トンネル顕微鏡装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1024179A JPH02203205A (ja) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | 三次元アクチュエータおよび走査型トンネル顕微鏡装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02203205A true JPH02203205A (ja) | 1990-08-13 |
Family
ID=12131118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1024179A Pending JPH02203205A (ja) | 1989-02-02 | 1989-02-02 | 三次元アクチュエータおよび走査型トンネル顕微鏡装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02203205A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5172002A (en) * | 1991-08-22 | 1992-12-15 | Wyko Corporation | Optical position sensor for scanning probe microscopes |
| US5196713A (en) * | 1991-08-22 | 1993-03-23 | Wyko Corporation | Optical position sensor with corner-cube and servo-feedback for scanning microscopes |
| WO1994025888A1 (en) * | 1993-04-28 | 1994-11-10 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Optically guided macroscopic-scan-range/nanometer resolution probing system |
-
1989
- 1989-02-02 JP JP1024179A patent/JPH02203205A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5172002A (en) * | 1991-08-22 | 1992-12-15 | Wyko Corporation | Optical position sensor for scanning probe microscopes |
| US5196713A (en) * | 1991-08-22 | 1993-03-23 | Wyko Corporation | Optical position sensor with corner-cube and servo-feedback for scanning microscopes |
| WO1994025888A1 (en) * | 1993-04-28 | 1994-11-10 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Optically guided macroscopic-scan-range/nanometer resolution probing system |
| US5426302A (en) * | 1993-04-28 | 1995-06-20 | Board Of Regents, University Of Texas | Optically guided macroscopic-scan-range/nanometer resolution probing system |
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