JPH02297002A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡Info
- Publication number
- JPH02297002A JPH02297002A JP11727089A JP11727089A JPH02297002A JP H02297002 A JPH02297002 A JP H02297002A JP 11727089 A JP11727089 A JP 11727089A JP 11727089 A JP11727089 A JP 11727089A JP H02297002 A JPH02297002 A JP H02297002A
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- Japan
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- probe
- sample
- scanning tunneling
- tunneling microscope
- probes
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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］
本発明は走査型のトンネル電流を利用した顕微鏡及びそ
の応用装置の探針あるいは試料の交換機構に関するもの
である。尚、本出願内における「走査型トンネル顕微鏡
」は顕微鏡以外のトンネル電流を利用した装置、例えば
記録、再生装置や位置検出装置等も含まれるものとする
。
の応用装置の探針あるいは試料の交換機構に関するもの
である。尚、本出願内における「走査型トンネル顕微鏡
」は顕微鏡以外のトンネル電流を利用した装置、例えば
記録、再生装置や位置検出装置等も含まれるものとする
。
［従来の技術］
実空間で物体表面を原子スケールの分解能で観察等する
ことのできる走査型トンネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す
）は、真空中のみならず大気中や液体中でも動作し、そ
の応用分野は、表面粗さ計測等にはじまり、半導体・生
体分子・化学反応・超微細加工など広範囲である。最近
、ＳＴＭの実用化が進み幅広い分野で手軽に使用されは
じめた。
ことのできる走査型トンネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す
）は、真空中のみならず大気中や液体中でも動作し、そ
の応用分野は、表面粗さ計測等にはじまり、半導体・生
体分子・化学反応・超微細加工など広範囲である。最近
、ＳＴＭの実用化が進み幅広い分野で手軽に使用されは
じめた。
この走査トンネル顕微鏡は、導電性試料と導電性探針の
間に電圧を印加し、ｌｎｍ程度の距離まで接近させると
トンネル電流が流れ、その距離によりトンネル電流が指
数関数的に変化することを利用したものである。その探
針として、先端を電解研摩等で非常に先鋭に仕上げたも
のを用いて、導電性物質からなる試料表面との距離を一
定に保ち２次元的に走査すると表面の原子配列または、
凹凸の形状によりトンネル電流が変化し、表面像を得る
ことができる。（「固体物理Ｊ ＶＱｌ、２２．ＮＯ。
間に電圧を印加し、ｌｎｍ程度の距離まで接近させると
トンネル電流が流れ、その距離によりトンネル電流が指
数関数的に変化することを利用したものである。その探
針として、先端を電解研摩等で非常に先鋭に仕上げたも
のを用いて、導電性物質からなる試料表面との距離を一
定に保ち２次元的に走査すると表面の原子配列または、
凹凸の形状によりトンネル電流が変化し、表面像を得る
ことができる。（「固体物理Ｊ ＶＱｌ、２２．ＮＯ。
３．１９８７．ＰＰ１７８−１８６）。
従来ＳＴＭに於いて探針あるいは試料の交換は操作者が
使用前に手動にて行なっていた。具体的には探針あるい
は試料保管箱からビンセットなどにより探針あるいは試
料を挟み、探針あるいは試料ホルダーに、挿入固定を行
なっていた。また、真空対応ＳＴＭ （第７図）に於い
ては、探針交換ごとに真空を解除しなくて良いように、
探針の保管場所を設けてマニピュレータで探針交換を行
なっていた。
使用前に手動にて行なっていた。具体的には探針あるい
は試料保管箱からビンセットなどにより探針あるいは試
料を挟み、探針あるいは試料ホルダーに、挿入固定を行
なっていた。また、真空対応ＳＴＭ （第７図）に於い
ては、探針交換ごとに真空を解除しなくて良いように、
探針の保管場所を設けてマニピュレータで探針交換を行
なっていた。
［発明が解決しようとする課題］
しかしながら、上記従来例では、探針あるいは試料をＳ
ＴＭ操作者が手動によって固定作業を行なっていたため
、次のような欠点があった。
ＴＭ操作者が手動によって固定作業を行なっていたため
、次のような欠点があった。
（１）探針先端あるいは試料を誤ってぶつけ損傷させる
。（２）探針あるいは試料を落下させる。
。（２）探針あるいは試料を落下させる。
（３）探針あるいは試料の固定状態の再現性が低い、（
４）作業に時間がかかる。（５）真空対応ＳＴＭでは、
マニピュレータでの交換作業が繁雑である。（６）操作
に熟練を必要とする６本発明は上記従来技術の欠点に鑑
みなされたものであって、探針又は試料の取付交換の作
業性を向上させた走査型トンネル顕微鏡の提供を目的と
する。
４）作業に時間がかかる。（５）真空対応ＳＴＭでは、
マニピュレータでの交換作業が繁雑である。（６）操作
に熟練を必要とする６本発明は上記従来技術の欠点に鑑
みなされたものであって、探針又は試料の取付交換の作
業性を向上させた走査型トンネル顕微鏡の提供を目的と
する。
［ｉＩ題を解決するための手段］
前記目的を達成するため、本発明に係る走査型トンネル
顕微鏡は、走査すべき試料と、該試料に対面して相対的
に接近離隔可能な探針とを具備し、前記試料および探針
の少なくとも一方を複数個装着可能な保持手段を備え、
選択的に試料と探針とを対面位置に移動させるための移
動手段を設けている。
顕微鏡は、走査すべき試料と、該試料に対面して相対的
に接近離隔可能な探針とを具備し、前記試料および探針
の少なくとも一方を複数個装着可能な保持手段を備え、
選択的に試料と探針とを対面位置に移動させるための移
動手段を設けている。
［作用］
予め複数の探針又は試料が装置に装着され、使用する探
針又は試料が選択されて所定の走査位置に移動される。
針又は試料が選択されて所定の走査位置に移動される。
［実施例］
第１図は、本発明の特徴を最もよく表わす図面であり、
同図に於いてｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄはそれぞれ探針、
１１はこれら探針を保持する探針ホルダー １２はこれ
ら探針を押さえる探針押さえである。探針ホルダー１１
は回転台１０に取り付けられており、不図示のモータに
より回転可能である０回転台！Ｏと試料の取り付けられ
ている試料走査用圧電素子８は、基台９に固定されてい
る。基板ホルダーに取り付けられている探針１ａの下部
にある・駆動機構により試料に接近させ、測定を行なう
。探針１ｂに交換する時は、探針１ａを試料から離し、
探針ホルダー１１を回転させ探針１ｂを下位置へ移動さ
せ試料に接近させれば良い。
同図に於いてｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄはそれぞれ探針、
１１はこれら探針を保持する探針ホルダー １２はこれ
ら探針を押さえる探針押さえである。探針ホルダー１１
は回転台１０に取り付けられており、不図示のモータに
より回転可能である０回転台！Ｏと試料の取り付けられ
ている試料走査用圧電素子８は、基台９に固定されてい
る。基板ホルダーに取り付けられている探針１ａの下部
にある・駆動機構により試料に接近させ、測定を行なう
。探針１ｂに交換する時は、探針１ａを試料から離し、
探針ホルダー１１を回転させ探針１ｂを下位置へ移動さ
せ試料に接近させれば良い。
第２図は、本発明の電気系ブロック図を示すものである
。探針１と試料２の距離を一定に保つ制御回路部分は、
探針・試料間のトンネル電流を電流電圧変換器５１で電
圧に変換し、制御系を線形化するため対数変換器５２を
通し、次の比較器５３で制御するトンネル電流のレベノ
トを標準電源５４で設定し、積分器（フィルタ）５５に
より高い周波数を遮断し、増幅器５６を通してＺ軸微動
機構５７を駆動し、試料２を微動させることで探針１と
試料２の距離を制御する。試料２のｘｙ走査は、二次元
スキャナ５８の信号を増幅器５９で増幅し、ｘｙ微動機
構６０により行なう。また、二次元スキャナの信号はモ
ニター６１にも与えられ、Ｚ軸制御信号と共に二次元像
を得ることができる。探針の粗動は、粗動制御回路６２
により粗動機構６３を制御して行なう。
。探針１と試料２の距離を一定に保つ制御回路部分は、
探針・試料間のトンネル電流を電流電圧変換器５１で電
圧に変換し、制御系を線形化するため対数変換器５２を
通し、次の比較器５３で制御するトンネル電流のレベノ
トを標準電源５４で設定し、積分器（フィルタ）５５に
より高い周波数を遮断し、増幅器５６を通してＺ軸微動
機構５７を駆動し、試料２を微動させることで探針１と
試料２の距離を制御する。試料２のｘｙ走査は、二次元
スキャナ５８の信号を増幅器５９で増幅し、ｘｙ微動機
構６０により行なう。また、二次元スキャナの信号はモ
ニター６１にも与えられ、Ｚ軸制御信号と共に二次元像
を得ることができる。探針の粗動は、粗動制御回路６２
により粗動機構６３を制御して行なう。
第３図を用いて詳しく説明を行なう、第３図は探針１ａ
が試料２に接近している状態を示している。３は移動用
圧電素子でありその伸縮方向の両端には固定部６と従動
部７が取り付けられている。この移動用圧電素子３は電
圧印加で伸びるように分極しである。固定部６には固定
用圧電素子４が、また従動部７には固定用圧電素子５が
固定されている。これら固定用圧電素子４，５は電圧を
印加すると縮み、止めると伸びるように分極処理しであ
る。固定用圧電素子４，５の探針を狭んで反対側には可
動片１５．１６が設けられる。可動片１５．１６は探針
軸方向に自由に動くことができ、通常探針軸方向中立位
置になるよう弾性力を与えられている。固定部６は上下
移動板１７に固定されている。上下用モータ２４で上下
機構２５を駆動することにより上下移動板１７は上下に
動き、これに固定されている固定部６及び従動部７、圧
電素子４，５．６も上下動する。固定用圧電素子４．５
は開口部１３．１４にはいり込む位置関係になっている
。探針ホルダー１１には、探針が弾性力を利用した探針
押さえ１２及び可動片１５．１６の３ケ所で保持されて
いる。基板ホルダー１１は、軸受２０で回転自由に回転
台１０に取り付けられ、駆動モータ２１から駆動歯車２
２１、従動歯車２３を介し回転可能である。回転台１０
は基台９に対しヒンジ１９で矢印Ａのように回転可能に
固定されている。
が試料２に接近している状態を示している。３は移動用
圧電素子でありその伸縮方向の両端には固定部６と従動
部７が取り付けられている。この移動用圧電素子３は電
圧印加で伸びるように分極しである。固定部６には固定
用圧電素子４が、また従動部７には固定用圧電素子５が
固定されている。これら固定用圧電素子４，５は電圧を
印加すると縮み、止めると伸びるように分極処理しであ
る。固定用圧電素子４，５の探針を狭んで反対側には可
動片１５．１６が設けられる。可動片１５．１６は探針
軸方向に自由に動くことができ、通常探針軸方向中立位
置になるよう弾性力を与えられている。固定部６は上下
移動板１７に固定されている。上下用モータ２４で上下
機構２５を駆動することにより上下移動板１７は上下に
動き、これに固定されている固定部６及び従動部７、圧
電素子４，５．６も上下動する。固定用圧電素子４．５
は開口部１３．１４にはいり込む位置関係になっている
。探針ホルダー１１には、探針が弾性力を利用した探針
押さえ１２及び可動片１５．１６の３ケ所で保持されて
いる。基板ホルダー１１は、軸受２０で回転自由に回転
台１０に取り付けられ、駆動モータ２１から駆動歯車２
２１、従動歯車２３を介し回転可能である。回転台１０
は基台９に対しヒンジ１９で矢印Ａのように回転可能に
固定されている。
次に動作を説明する。第３図に於いて試料２に接近して
いる探針１ａを移動用圧電素子３、固定用圧電素子４．
５を尺取り虫方式の駆動を行ない、試料２から充分に離
す。そして、上下用モータ２４を動かし、上下移動板１
７を下げ、開口部１３．１４から固定用圧電素子４．５
を逃がす。
いる探針１ａを移動用圧電素子３、固定用圧電素子４．
５を尺取り虫方式の駆動を行ない、試料２から充分に離
す。そして、上下用モータ２４を動かし、上下移動板１
７を下げ、開口部１３．１４から固定用圧電素子４．５
を逃がす。
駆動用モータ２１を回し、探針ホルダー１１を回転させ
探針１ｂの位置で停止する。上下移動板１７を上げ、探
針１ｂを固定用圧電素子４．５で押さえ込み、圧電素子
を尺取り虫方式の駆動を行ない探針１ｂを試料２に接近
させ測定を行なう。
探針１ｂの位置で停止する。上下移動板１７を上げ、探
針１ｂを固定用圧電素子４．５で押さえ込み、圧電素子
を尺取り虫方式の駆動を行ない探針１ｂを試料２に接近
させ測定を行なう。
同様の手順で任意の探針を選ぶことが可能である。
第４図は、探針の装置取付は時の状態を示す図である。
回転台１０の固定機構（不図示）をはずし、回転台１０
をヒンジ１９を中心に回転させ探針ホルダー１１を図の
ように起こす。この状態で探針の差し変え作業を行なう
。探針先端分解能の異なる探針を探針ホルダーに挿入し
て、ＳＴＭとして使用したところ、分解能の違うＳＴＭ
像が容易に得られた。また、探針材料をタングステン、
白金と変えて容易にＳＴＭ像を得ることができた。
をヒンジ１９を中心に回転させ探針ホルダー１１を図の
ように起こす。この状態で探針の差し変え作業を行なう
。探針先端分解能の異なる探針を探針ホルダーに挿入し
て、ＳＴＭとして使用したところ、分解能の違うＳＴＭ
像が容易に得られた。また、探針材料をタングステン、
白金と変えて容易にＳＴＭ像を得ることができた。
探針ホルダーに取付ける探針の本数は４木に限られるわ
けではなく機構上可能な限り何本でも良い。本実施例で
は探針ホルダーが回転台に取り付けられているが、探針
ホルダ一部分を取りはずし可能として、探針を取り付け
たままホルダーを持ち運び可能としても良い。
けではなく機構上可能な限り何本でも良い。本実施例で
は探針ホルダーが回転台に取り付けられているが、探針
ホルダ一部分を取りはずし可能として、探針を取り付け
たままホルダーを持ち運び可能としても良い。
別の、実施例を第５図に示す。前記実施例との違いは、
探針交換時の探針の動きが、円弧ではなく直線となるこ
とである。
探針交換時の探針の動きが、円弧ではなく直線となるこ
とである。
探針ホルダ二に関係する部分以外の部分は前記実施例と
同様の構成となっている。探針ホルダー１１には探針１
が挿入されており、不図示の弾性力で支えられている。
同様の構成となっている。探針ホルダー１１には探針１
が挿入されており、不図示の弾性力で支えられている。
探針ホルダ−１１上面の画部分は探針ホルダー穆動機構
内の凹部分（図では見えない）と嵌合し矢印方向に探針
ホルダーを勅かすようになっている。この直線ガイドは
静止時に確実に固定ができる従来公知の機構で良い。本
構成により、前記実施例と同様、探針交換が容易にでき
る。
内の凹部分（図では見えない）と嵌合し矢印方向に探針
ホルダーを勅かすようになっている。この直線ガイドは
静止時に確実に固定ができる従来公知の機構で良い。本
構成により、前記実施例と同様、探針交換が容易にでき
る。
本発明を試料交換機構として用いた実施例を第６図に示
す。第１図の実施例と同様の構成に於いて、探針のかわ
りに試料、試料のかわりに探針を配置しである。試料２
ａ、２ｂ、２ｃを取付けた試料台２９を試料ホルダー２
７に挿入し、試料台押さえ２８で弾性的に保持している
。探針１は、探針走査用圧電素子３０に固定されている
。第１図の実施例と同様の手順で試料の交換が行なえる
。
す。第１図の実施例と同様の構成に於いて、探針のかわ
りに試料、試料のかわりに探針を配置しである。試料２
ａ、２ｂ、２ｃを取付けた試料台２９を試料ホルダー２
７に挿入し、試料台押さえ２８で弾性的に保持している
。探針１は、探針走査用圧電素子３０に固定されている
。第１図の実施例と同様の手順で試料の交換が行なえる
。
［発明の効果］
以上説明したように、探針あるいは試料を複数個保持す
る手段と、探針あるいは試料を移送移動する手段を有す
ることにより、探針あるいは試料の交換が容易になり探
針あるいは試料の衝突事故が無くなる。また複数の探針
の先端形状や材質を変えることで、ＳＴＭの分解能など
が容易に変えられ、ＳＴＭの性能向上につながる。更に
、自動化することが容易であることは、操作性の向上に
つながり、特に真空対応のＳＴＭで有用となる。
る手段と、探針あるいは試料を移送移動する手段を有す
ることにより、探針あるいは試料の交換が容易になり探
針あるいは試料の衝突事故が無くなる。また複数の探針
の先端形状や材質を変えることで、ＳＴＭの分解能など
が容易に変えられ、ＳＴＭの性能向上につながる。更に
、自動化することが容易であることは、操作性の向上に
つながり、特に真空対応のＳＴＭで有用となる。
第１図は本発明に係るＳＴＭ）−ンネルユニットの要部
斜視図、第２図は本発明の電気系ブ９ツク図、第３図は
第１図のＳＴＭの縦断面図、第４図は第１図のＳＴＭの
探針装着説明図、第５図は本発明の別の実施例の斜視図
、第６図は本発明のさらに別の実施例の斜視図、第７図
は従来技術の説明図である。 １、ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ：探針、 ２．２ａ、２ｂ、２ｃ：試料、 ３．４，５：圧電素子、 ９：基台、 １０：回転台、 １１：探針ホルダー １２：探針押え、 ２１：駆動モータ。 第 図 第 図
斜視図、第２図は本発明の電気系ブ９ツク図、第３図は
第１図のＳＴＭの縦断面図、第４図は第１図のＳＴＭの
探針装着説明図、第５図は本発明の別の実施例の斜視図
、第６図は本発明のさらに別の実施例の斜視図、第７図
は従来技術の説明図である。 １、ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ：探針、 ２．２ａ、２ｂ、２ｃ：試料、 ３．４，５：圧電素子、 ９：基台、 １０：回転台、 １１：探針ホルダー １２：探針押え、 ２１：駆動モータ。 第 図 第 図
Claims (9)
- （１）走査すべき試料と、該試料に対面して相対的に接
近離隔可能な探針とを具備し、前記試料および探針の少
なくとも一方を複数個装着可能な保持手段を備え、選択
的に試料と探針とを対面位置に移動させるための移動手
段を設けたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。 - （２）種類の異なる複数個の探針を装着したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の走査型トンネル顕微
鏡。 - （３）前記探針は先端形状が異なることを特徴とする特
許請求の範囲第２項記載の走査型トンネル顕微鏡。 - （４）前記探針は材質が異なることを特徴とする特許請
求の範囲第２項記載の走査型トンネル顕微鏡。 - （５）前記保持手段は試料または探針を弾発的に保持す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型
トンネル顕微鏡。 - （６）前記保持手段は、複数の試料または探針を環状に
装着し、回転移動により試料または探針を移動させるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型トン
ネル顕微鏡。 - （７）前記保持手段は、複数の試料または探針を直線状
に装着し、直線移動により試料または探針を移動させる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型ト
ンネル顕微鏡。 - （８）前記試料または探針は前記接近離隔方向に往復微
動する１つの微動手段と、該方向と直角方向に往復微動
する２つの微動手段とにより尺取虫式に接近離隔駆動さ
れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査
型トンネル顕微鏡。 - （９）前記微動手段は圧電素子からなることを特徴とす
る特許請求の範囲第８項記載の走査型トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11727089A JPH02297002A (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11727089A JPH02297002A (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02297002A true JPH02297002A (ja) | 1990-12-07 |
Family
ID=14707602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11727089A Pending JPH02297002A (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02297002A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5679952A (en) * | 1994-05-23 | 1997-10-21 | Hitachi, Ltd. | Scanning probe microscope |
-
1989
- 1989-05-12 JP JP11727089A patent/JPH02297002A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5679952A (en) * | 1994-05-23 | 1997-10-21 | Hitachi, Ltd. | Scanning probe microscope |
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