JPH02243907A - 圧電素子駆動型探針およびその駆動方法 - 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） 本発明は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のような探針
を用いて表面の状態を観察する装置のキイになる探針と
その駆動方法に関するものである。

（従来の技術） 従来の走査型トンネル顕微鏡は、応用物理第５６巻（１
９Ｂ？）　１１２６頁から１１３７頁（応用物理、５６
．Ｎα９゜（１９Ｂ？）　１１２６〜１１３７）に解説
されているように、探針をチタン酸ジルコン酸鉛系（Ｐ
ＺＴ）の圧電セラミックスに取りつけて、トンネル電流
を測定して物質表面の電子状態を観測したり、トンネル
電流の変化に応じて、探針を微小移動して、探針と試料
表面との距離を一定に保つようにして表面形状を観察し
たりしている。

この走査トンネル顕微鏡は、もともとは原子像のような
超微小領域の表面状態を非接触で観察するために開発さ
れたものであるが、その適用範囲は急速に広がっている
。通常は原子像を観察するためには、数１１００ｎの狭
い領域でもよかったが、用途によっては、１０〜１００
μｍ以上の領域を走査することが望まれている。このた
め、種々の走査範囲を有する駆動電圧素子が開発されつ
つあるが、通常、走査範囲の広いものは分解能が悪い。

このため、広い範囲を観察する時と、原子像のような分
解能の高い像を観察する時とでは、異なる駆動電圧素子
に取りつけられた探針を取り替えて用いる必要があった
。このため、探針を取り替えると測定場所がずれてしま
うので、同一場所を拡大、縮小して観察するのが困難で
あった。すなわち、通常の光学顕微鏡、走査電子顕微鏡
のように同一場所の像を倍率を変えながら観察するのが
困難であった。

また一般に駆動電圧素子は、走査範囲が広くなるにつれ
て重量が大きくなるので、共振周波数が低くなり、高速
に走査できなくなるという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、走査範囲が広く、しかも分解能の高い圧電素
子駆動型探針およびその駆動方法を提供することにある
。

（課題を解決するための手段） 本発明の圧電素子駆動型探針は、測定試料と間隔をおい
て配置された探針と、該探針に接続され、Ｘ、　Ｙの２
軸の少なくとも１軸方向に複数の圧電体の変位の総和と
して周期的な変位を付与する圧電素子部と、この圧電素
子部の変位を制御する二つ以上の駆動電圧端子とにより
構成する。

また本発明の圧電素子駆動型探針の駆動方法は、変位／
駆動電圧の大きな圧電体を駆動する駆動電圧端子に低周
波の駆動電圧を印加し、変位／駆動電圧の小さな圧電体
を駆動する駆動電圧端子に高周波の駆動電圧を印加して
、広い走査範囲にわたって、原子オーダの分解能で探針
を走査するか、または所望の走査範囲に対応して、一つ
以上の前記駆動電圧端子を選択し、その端子に駆動電圧
を同時に印加して探針を走査する。

従来の技術は、最大走査範囲の１Ｏ−４程度の分解能を
有しており、走査範囲が広くなるにつれて分解能が悪く
なるという欠点があった。例えば、原子像を観察する場
合には、最大走査範囲は１μｍ程度であった。このため
、同一測定場所を倍率を大きく変えながら測定するのが
困難であった。また、走査範囲が広（なるにつれて駆動
圧電素子は、高速に走査ができなくなるので、測定デー
タを収集するのに益々長い時間を要するという欠点があ
った。

これに対して、本発明の圧電素子駆動型探針は最大走査
範囲の１０−ｂ〜１０−７程度以上の分解能を有してお
り、走査範囲が広くても高分解能性を保っている。すな
わち、最大走査範囲１００　ａｍ以上で原子像を観察で
きる分解能を有している。このため、同一場所を倍率を
変えながら測定することが可能である。さらに走査範囲
が広くなっても、走査速度を落とすことなく走査ができ
るので、測定データを高速に収集できる。

（作　用） 試料と探針とを近付け、試料と探針との距離がトンネル
領域になるように接近させる。この領域で試料と探針と
の間に所定の電圧をかけ、トンネル電流が一定になるよ
うに試料面に垂直なＺ方向の圧電素子を駆動すれば、探
針と試料との距離を一定に保つことができる。この状態
で、ｘ、Ｙの２方向の圧電素子によって、探針をＴＶの
ラスタのように走査すれば、針の先端は試料表面の原子
に付随した電子の局所状態密度の濃淡をなぞって動くこ
とになる（仕事関数など物性が均一な試料の場合には、
探針と試料表面との間隔を一定に保つことに相当する）
。従って、Ｚ方向の圧電微動素子に加えた電圧変化を切
り出して画像化すれば、物質の表面構造や形状を約１０
ｐｍの精度で求めることができる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

ｎ朋↓ 第１図は本発明の一実施例を示す構成図であって、１は
探針、２は試料、３はステージ、４はＺ軸圧型素子、５
　（５−１，５−２）はＸ軸圧型素子、６　（６−１，
６−２）はＹ軸圧型素子、７はＺ軸制御回路、８はＸ軸
制御回路、９はＹ軸制御回路、１０は表示装置である。

探針を取りつけている圧電走査部は、Ｘ軸圧型素子５、
Ｙ軸圧型素子６から構成されている。

Ｘ、Ｙ軸圧型素子５，６は、高精度広走査圧電素子部５
−１．６−１と粗調用の圧電素子部５２．６−２とから
構成されている。高精度広走査圧電素子部５−１．６−
１は、±１５０〜２５０■の駆動電圧に対して、１０〜
１００μｍ以上の走査範囲で分解能約ｔｏ　ｐｍを有す
るもので、最大走査範囲の１０−６〜１０−７程度の分
解能を持っており、具体的な構成は後述する。粗調用の
圧電素子部５−２゜６−２は、低電圧で変位の大きな積
層型のような圧電素子で、士数十■の駆動電圧に対して
１０〜１００μｍ程度の大きな変位が可能なもので、測
定場所の粗いアライメント（オフセット）に使用する。

この粗調用圧電素子部５−２．６−２は、直積度広走査
圧電素子５−１．６−１と直接結合されている必要は全
くなく、圧電走査部をＸ、Ｙ方向に粗調できる機構が付
加されていればどのような機構でもよい。

このような構成になっているので、探針１と試料２との
間に所定の電圧をかけ、探針１に流れるトンネル電流が
一定になるように、Ｚ軸制御回路７でＺ軸圧型素子４を
制御すれば、探針１は試料２の表面形状、電子状態密度
をなぞることができる。すなわち表面状態が一定なら試
料表面のトポグラフィを測定でき、表面が非常に平坦な
ら電子状態密度を測定できる。このとき、Ｘ、Ｙ軸の制
御回路８，９でＸ、Ｙ軸の圧電素子を制御して、探針１
をＸ、Ｙ方向に走査しながら、トンネル電流が一定にな
るようにＺ軸圧型素子４を制御してその変位量を表示す
れば、表示装置１０に３次元像として画像化できる。も
ち論、探針１と試料２との距離を一定にして、その間を
流れるトンネル電流を表示である。具体的な動作として
は、粗調用の圧電素子部５−２．６−２に駆動電圧をか
けることによって、測定試料の測定走査範囲の中心位置
に位置合わせを行い、その後、大口径の高精度広走査圧
電素子部５−１．６−１で測定領域をＸ。

Ｙ方向にラスクスキャンさせる。表示装置１０には、通
常、一方向には２５０〜１０００画素程度しか表示でき
ないので、走査範囲に応じて表示される分解能が決まっ
てくる。よって、Ｘ、Ｙの走査範囲を変えることによっ
て、表示される倍率が変化し、走査範囲を小さくするこ
とにより１．高倍率の高分解能像が得られる。例えば、
表示面の大きさを１００ｍｍ角とし、高精度大口径走査
圧電素子の走査範囲をｌｎｍから１ｍｍまで可能とする
と、倍率を１０２〜１０３の範囲で可変にできる。すな
わち光学顕微鏡、走査電子顕微鏡に相当する観察したい
場所で倍率可変の像が容易に得られる。Ｘ、Ｙの走査範
囲は圧電素子にかける駆動電圧の大きさに比例して変わ
る。なお走査範囲が大きい時にも高分解能の測定データ
を収集できるので、測定データを記憶装置に蓄えておき
、あとから表示装置に表示する領域をソフト的な処理に
よって可変倍率像として表示できることは言うまでもな
い。

次に本発明の基本構成部である高精度広走査圧電素子の
構成とその制御法について述べる。

第２図（ａ）は、変位／電圧特性の異なる二つの圧電素
子を組み合わせた例で、圧電素子部（１）と（２）の各
々の変位を独立に制御でき、これらの重ね合わせとして
全体の変位量を制御できる。各圧電素子部（１）　、　
（２）の駆動電圧に対する変位債を１：１００とする。

例えば最大駆動電圧：±１５０〜２５０　Ｖに対する最
大変位量を、±０．５ｎｍ、±５０ｎｍとする。このよ
うな構成の圧電素子に、第２図（ｂ）に示すような駆動
電圧を、各圧電素子部（１）　、　（２）にかけると、
第２図（Ｃ）に示すような高精度で大きな変位が得られ
る。すなわち、圧電素子部（２）には、ｌｎｍの単位で
−５０，−４９゜−４８，・・・・・・４９．５０ｎｍ
のように変化し、一方、圧電素子部（１）は、１０　ｐ
ｍの分解能で１μｍの走査範囲を有すると、この二つの
圧電素子部を組み合わせることによって、最大走査範囲
１００　ｐｍで分解能１０　ｐｍを有することができる
。言い換えれば、最大変位量は変位／圧電特性の大きな
圧電素子部（２）の特性で決まり、一方、分解能は高分
解能の圧電素子部（１）の特性で決まるので、高精度で
広い走査範囲を有するアクチュエータとして機能する。

組み合わせとしては、二つの圧電素子の組み合わせに限
らず、数を多（しても、もち論可能である。また二つの
圧電素子の変位量の比の組み合わせとしては、Ｄ／Ａ変
換回路等を用いて、コンピュータで制御する場合は、２
進法、すなわち２の倍数の比になるような組み合わせに
するのがよい。

第３図（ａ）は別の高精度広走査圧電素子の構成側図で
ある。高精度の圧電素子部が組み合わされており、各素
子の変位の重ね合わせとしてｌ−−タルの変位がきまる
。例えば各圧電素子の特性を、最大駆動電圧±１５０〜
２５０　Ｖに対する最大変位量を±０．５　μｍとして
、１０個程度あるとする。このような構成の圧電素子に
対して、第３図（ｂ）に示すように、最初Ｖ　ｓｉｎの
電圧をかけておき、その後、各圧電素子（１）〜（１１
）にかける駆動電圧を順次変えると、第３図（Ｃ）に示
すような変位量が得られる。このとき、最大変位量は、
各圧電素子の変位／電圧特性とその個数によって決まる
ので、高精度の圧電素子を組み合わせることにより、高
精度で広走査範囲を有する圧電アクチュエータとして使
用できる。

第４図に本発明の他の実施例である簡易な走査範囲選択
型の圧電素子の構成例を示す。第４図（ａ）は、変位／
電圧特性の異なる素子（１）。

（２）　、　（３）を組み合わせた例を示す。例えば最
大駆動電圧に対する変位範囲を、１μｍ、３μｍ。

１０μｍとすれば、最大走査範囲を１．３，４．１０゜
１１、１３．１４μｍのように異なる走査範囲を有する
アクチュエータとして選択して使用できる。この場合は
、第２図、第３図の高精度広走査圧電素子と異なり、走
査範囲が広くなると、一般には分解能が悪くなる。第４
図（ｂ）は、変位／電圧特性の同一の圧電素子（１）〜
（１０）を組み合わせた例を示す。例えば最大駆動電圧
に対する変位範囲を、１μｍの圧電体を１０個組み合わ
せたとすると、最大走査範囲を１．２．・・・・・・、
　　９．１０，１／１１のように異なる走査範囲を有す
るアクチュエータとして選択して使用できる。第３図に
示す実施例においては、二つの圧電素子を同期をとりな
がら走査する必要があったが、第４図に示す実施例では
、選択できる走査範囲を固定して、走査中に二つ以上の
圧電素子の同期をとる必要を無くしたものである。

次に圧電素子の具体的な構成例を示す。第５図（ａ）は
、圧電体１１に電圧が印加される領域の長さを変えた例
を示し、電極１２．１３．１４の長さが異なっており、
電圧が印加される領域に比例して走査範囲が異なる。第
５図（ｂ）は、特性の異なる電圧素子１５．１６．１７
を絶縁体１８．１９等を介して接続して、各圧電素子の
電極２０に駆動電圧が印加できる構成の例を示したもの
で、種々の特性の圧電体を組み合わせて使用することが
できる。これらは、第２図、第４図（ａ）に示した変位
／電圧特性の異なる圧電素子を組み合わせた構成に対応
している。第５図（ｃ）は、圧電素子２１に等間隔に電
極２２をつけた例で、特性の同一のものを並列に配置し
た構成例を示す。さらに第５図（ｄ）は積層型の圧電素
子の例を示し、圧電体２３の両端の各電極２４に電圧を
かけるこ♂ができるようになっており、特性の同一のも
のを並列に配置したものと等価に使用できる。もち論、
各層の厚さ、電圧特性を変えれば、第５図（ａ）、（ｂ
）と同様な構成を得ることができる。第５図（ｃ）、　
　（ｄ）は、第３図、第４図（ｂ）の同一特性の電圧体
を配置した例に対応している。このような複合圧電素子
は、高精度広走査圧電素子、走査範囲選択型の圧電素子
として使用でき、トライポット微動機構、十字型微動構
成、やぐら型微動機構のｘ、ｙ軸に用いることにより、
Ｘ−Ｙ走査アクチュエータを構成できる。

第６図は、本発明の別の圧電素子の具体的な構成例でチ
ューブ型の例を示す。第６図（ａ）は、チューブ型のｙ
軸、Ｙ軸走査の駆動を制御する電極２５の長さを変えた
例を示し、２６はＺ軸走査の駆動を制御する電極である
。第６図（ｂ）は同一長さの電極３０を多数並列に配置
した例を示し、３１はＺ軸走査の駆動を制御する電極で
ある。第６図（ａ）は、第２回、第４図（ａ）に示した
変位／電圧特性の異なる圧電素子を組み合わせた構成に
対応しており、これらに電圧を同期させて印加すること
により、広範囲で高精度にＸ、Ｙの走査をすることがで
きる。一方、第６図（ｂ）は、第３図、第４図（ｂ）の
同一特性の圧電体を配置した例に対応している。

第７図は、異なる圧電微動機構を組み合わせた本発明の
別の実施例図である。第７図は、広範囲走査の十字型微
動機構３５と、高精度のチューブ型微動機構３６とを組
み合わせた例を示す。チューブ型微動機構３６は、外形
２ｍｍφ、長さ１０ｍｍ程度で、８０人／Ｖ程度の特性
の圧電素子を構成できる。よって、±１５Ｖで２４００
人の範囲を走査できる。従って、十字型微動機構で広い
走査範囲を走査できるようにすれば、高精度広走査圧電
素子として使用できる。しかもチューブ型微動機構は、
非常に小型のため１０ｋＨｚ以上の高速で走査すること
ができるので、高速の圧電アクチュエータとして使用で
きる。

このような異なる圧電微動機構の組み合わせは、ここで
述べた例に限定されることなく、種々の組み合わせの構
成が可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の圧電素子駆動型探針は、
２種類の圧電素子を同時に駆動して、広い走査範囲にわ
たって、その走査範囲にかかわらず高精度でＸ−Ｙの２
次元走査ができる。このため、１０〜１０７の広範囲に
わたって倍率を変えて像を観察することができる。また
一つの圧電素子に高速走査の圧電素子を用いることによ
り、高速な走査が可能になるので、その適用範囲は広い
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、 第２図、第３図は本発明の高精度広走査圧電素子部と走
査制御法の説明図、 第４図は本発明の走査範囲可変圧電素子と走査制御法の
説明図、 第５図、第６図、第７図は本発明の圧電素子部の具体的
な構成側図である。 １・・・探針　　　　　　　２・・・試料３・・・ステ
ージ　　　　　４・・・Ｚ軸圧電素子訃・・Ｘ軸圧電素
子　　　６・・・Ｙ軸圧型素子５−１．６−１・・・高
精度広走査圧電素子部５−２．６−２・・・ｔＩｌ調用
の圧電素子部７・・・Ｚ軸制御回路　　　８・・・Ｘ軸
制御回路９・・・Ｙ軸制御回路　　　１０・・・表示装
置１１・・・圧電体 １５、１６．１７・・・圧電素子 ２０・・・電極 ２２・・・電極 ２４・・・電極 ３０．３１・・・電極 ３６・・・チューブ型微動機構 １２、１３．１４・・・電極 １８．１９・・・絶縁体 ２１・・・圧電素子 ２３・・・圧電体 ２５．２６・・・電極 ３５・・・十字型微動機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定試料と間隔をおいて配置された探針と、該探針
   に接続され、Ｘ、Ｙの２軸の少なくとも１軸方向に複数
   の圧電体の変位の総和として周期的な変位を付与する圧
   電素子部と、この圧電素子部の変位を制御する二つ以上
   の駆動電圧端子とから構成されていることを特徴とする
   圧電素子駆動型探針。 ２、測定試料と間隔をおいて配置された探針と、該探針
   に接続され、Ｘ、Ｙの２軸の少なくとも１軸方向に複数
   の圧電体の変位の総和として周期的な変位を付与する圧
   電素子部と、この圧電素子部の変位を制御する二つ以上
   の駆動電圧端子とを有する圧電素子駆動型探針の駆動方
   法において、変位／駆動電圧の大きな圧電体を駆動する
   駆動電圧端子に低周波の駆動電圧を印加し、変位／駆動
   電圧の小さな圧電体を駆動する駆動電圧端子に高周波の
   駆動電圧を印加して、広い走査範囲にわたって、原子オ
   ーダの分解能で探針を走査することを特徴とする圧電素
   子駆動型探針の駆動方法。 ３、測定試料と間隔をおいて配置された探針と、該探針
   に接続され、Ｘ、Ｙの２軸の少なくとも１軸方向に複数
   の圧電体の変位の総和として周期的な変位を付与する圧
   電素子部と、この圧電素子部の変位を制御する二つ以上
   の駆動電圧端子とを有する圧電素子駆動型探針の駆動方
   法において、所望の走査範囲に対応して、一つ以上の前
   記駆動電圧端子を選択し、その端子に駆動電圧を同時に
   印加して探針を走査することを特徴とする圧電素子駆動
   型探針の駆動方法。