JPH03175302A - トンネル電流検出装置 - Google Patents

トンネル電流検出装置

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JPH03175302A
JPH03175302A JP31416589A JP31416589A JPH03175302A JP H03175302 A JPH03175302 A JP H03175302A JP 31416589 A JP31416589 A JP 31416589A JP 31416589 A JP31416589 A JP 31416589A JP H03175302 A JPH03175302 A JP H03175302A
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酒井 邦裕
Toshimitsu Kawase
俊光 川瀬
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明彦 山野
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、走査手段を複数有する走査型トンネル顕微鏡
に関するものである。
[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するこ
とが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・超微線加工など広範囲である。最近ST
Mの実用化が進み幅広い分野で手軽に使用されはじめた
STMに求められる基本機能には、安定性(再現性)、
高速走査性、測定範囲の拡大、操作性、データの画像処
理などがあげられる。安定性向上のためには、測定環境
の外乱(床振動、温度ドリフト、電気的ノイズなど)に
対して強くすることで、トンネルユニットを小型で剛性
を高くし、電気的シールドを行うことなどが必要となる
。高速走査は、測定環境の影響を少なくし、試料表面の
動的な観察を行うために望まれており、実用的な装置と
なる条件である。このためには、走査機構を小型・高剛
性にする必要がある。測定範囲の拡大は、STMの応用
分野が広くなるとともに望まれている。現状は積層圧電
素子を用いたり、さらに拡大機構によって走査を行って
いる。
これらの基本機能を満足するために従来様々なSTMの
走査機構が使用されている。従来のSTM機構として、
トライボッド微動素子(第5図)[Ch、Gerber
 et al、、Rev、Sci、Instrum、、
57.221(1986)コ 。
チューブ型微動素子(第6図) [D、P、E、Sm1
thet  al、、Rev、Sci、Instrum
、、  57 .2830(1981i)コ。
バイモルフを組合せた機構(第7図) [P、Muralt et al、、IBM J、Re
s、Develop、、30,443(1986)] 
平行ヒンジばねを用いた機構[昭和61年春季応用物理
学会講演予稿集、2a−ZH−5(1986)]などが
ある。
[発明が解決しようとする課B] しかしながら、これらの従来の走査機構には、以下のよ
うな欠点があった。トライボッド微動素子(第5図)は
xyz軸の三軸に相互干渉を持ち、共振周波数があまり
高くできず高速走査には向かない。また、一体構造のト
ライボッド型は剛性が高くなるが、加工が困難となりコ
スト高になってしまう。チューブ型微動素子(第6図)
は、小型・高剛性であり、高速走査に通しているが、走
査領域を広くするには高電圧が必要となり不適である。
バイモルフを組合せた機構(第7図)は、広い走査領域
を得ることができるがその構成上共振周波数が低く高速
走査には向かない。平行ヒンジばねを用いた機構は、x
y軸が独立に動作するが構成上可動部の質量が大きくな
るため共振周波数が低く高速走査には向かない。
前述のSTMに求められる基本機能をすべて満足する走
査機構は無く、従来は目的に応じて選んで使用していた
。高速走査性(小型・高剛性)と測定範囲の拡大の相反
する要求の優先性および設計仕様の許容量により使用す
る走査機構が決る。
また、測定範囲を広くすると、一般に原子分解能は得に
くくなる。このような現状のSTMに対して高い原子分
解能を有し、測定範囲も広くとれるSTMが要望されて
いる。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、高速走
査可能でかつ広い領域を走査可能な走査型トンネル顕@
鏡の提供を目的とする。
[課題を解決するための手段および作用コ木発明によれ
は、走査手段を二種類以上設けることにより高速走査(
原子分解能)が可能で測定範囲の大きいSTMを製作可
能とした。
走査手段として、高速走査(原子分解能)用機構および
広域走査用機構を設けることに特徴がある。
[実施例] 第1 (a)図は、本発明に係るSTMのトンネルユニ
ットの図面であり、同図において1は探針、10はチュ
ーブ型圧電素子、20はステンレス族の平行ヒンジばね
を用いたxyステージ、21および22はXおよびy軸
駆動用積層型圧電素子である。
高速用走査にはxyステージ2oに固定されているチュ
ーブ型圧電素子10を用いる。この時xyステージ20
は不図示の圧電素子の伸縮を利用した固定機構により剛
性高く保持されている。
チューブ型圧電素子10は外周電極を4分割された構成
で、この外周電極にx、y駆動(走査)電圧を加え、観
察表面に倣う2軸駆動電圧を内周電極に加える。この例
では、1μm角のエリアを1秒以下の時間で観察してい
る。また、HOPGの原子像を得ている。
広域走査用にはxyステージ20を用いる。
xyの走査はx、y走査用積層型圧電素子21.22に
走査用電圧を加えることにより行う。第1(b)図は、
x、y走査用積層型圧電素子21.22を通る断面で切
った断面図である。X軸走査は、X走査用積層型圧電素
子21、その変位を拡大する梃子210(本実施例の拡
大率は3倍である)、平行ばねを構成する部材200.
211.212.223の動きで行なう。また、y軸走
査はX走査用積層型圧電素子22、その変位を拡大する
梃子220(本実施例の拡大率は3倍である)、平行ば
ねを構成する部材201.221.222.223の動
きで行なう、これら平行ばね部分をモデル的に示したの
が第1(C)図である。この図で、X走査用積層型圧電
素子21が伸びることにより、平行ばね構成部材は点線
のように変位し、圧電素子21の動きでX走査が行なえ
る。圧電素子21の変位δは梃子210で3倍に拡大さ
れて移動片200を36変位させる。同様にy方向につ
いてもX走査用積層型圧電素子22の変位を3倍した量
だけ部材223が変位する。
X走査部は部材223に乗っているので移動片200は
y方向に変位する。観察表面に倣う2軸駆動はチューブ
型圧電素子を用いる。この例では50μm角のエリアを
数分で観察できる。
次に第2図は、本実施例のトンネルユニットの探針1の
軸を通る面に沿った断面図である。チューブ型圧電素子
10の上端に探針ホルダー11が接着固定されている。
探針ホルダー11は探針1を保持するため、およびチュ
ーブ型圧電素子の駆動信号からのガード部も兼ねている
。そして高速走査を考えると、この買置はできるだけ小
さい方が良い。チューブ型圧電素子11の下端は、絶縁
環12を介し固定環13と接着固定されており、さらに
固定環13はxyステージ20に固定されている。チュ
ーブ型圧電素子のxy軸とxyステージのxy軸は一致
するように調整固定されている。探針からの信号は、探
針ホルダーからリード線を通りxyステージ下部に設置
されている電流−電圧変換器の人力へ流れる(不図示)
。走査機構のコントロールやトンネル電流信号などはコ
ネクター30を介してコントローラと接続されている。
試料2は試料ホルダー3に固定され、バイアス電圧の供
給は電極上下ねじ5を回し、電極4を試料2の表面に接
触させることにより行う。探針1と試料2の接近は微動
ねじ7を回転させ微動用テコ6を動かすことにより行う
第3図は、本発明の電気系を示すブロック図である。探
針と試料の距離を一定に保つ制御回路部分は、探針・試
料間を流れるトンネル電流を電流電圧変換器101で電
圧に変換し、対数変換器102を通した値と制御するト
ンネル電流のレベルを設定した標準電源103の出力値
とを比較器104で比較する。そして積分器(フィルタ
)105により、この比較値(トンネル電流の実際の値
と設定値との差)信号中の高い周波数の信号を遮断し、
増幅器106で増幅しチューブ型圧電素子の2軸を駆動
し探針を微動させることにより探針と試料の距離を制御
する。次に探針のxy走査は二次元スキャナー107の
走査信号を増幅器108a、108bで増幅し、チュー
ブ型圧電素子またはxyステージの駆動用積層型圧電素
子に加えることにより行う。また、二次元スキャナーの
走査信号はモニター109にも供給され、Z軸制御信号
と合成して二次元像を得ることができる。チューブ型圧
電素子とxyステージの走査切り替えは切替器110で
行う。チューブ型圧電素子で走査を行うときは切替器で
走査信号がチューブ型圧電素子駆動用増幅器へ送られる
ように切り替えると同時にxyステージの剛性を高める
ためのロックを行う、一方xyステージで走査を行う時
は切替器でxyステージの積層型圧電素子駆動用増幅器
へ走査信号を送る。また同時にロック機構駆動回路11
1でxyステージをロックする不図示のロック機構にロ
ック解除させる。
試料観察の時には、xyステージを走査して広い範囲の
像を得た後、詳細観察したい部分へxyステージを移動
してチューブ型圧電素子で高分解能像を高速で得るとい
う使い方ができる。
なお、xyステージ20による広域走査時には、試料の
大きな起伏に探針がぶつかるのを避けるべく、バイアス
電圧を大きくシトンネル電流を小さくして、すなわちト
ンネル抵抗を犬キ<シて探針を試料からやや離して走査
を行なうようにする。圧電素子10による高精度走査時
には、バイアス電圧を小さくシトンネル電流を大きくし
て、すなわちトンネル抵抗を小さくして探針を試料によ
り近づけて走査を行なう。以上の切り替えは前述チュー
ブ型圧電素子10とxyステージ20の走査切り替え用
の切替器で同時に行なう。
第3図に示した制御回路部分のフィードバックループの
係数(ゲイン、LPFのカットオフ周波数)も同時に切
替えるようにしても良い。
走査型トンネル顕微鏡では、試料と探針を試料表面に沿
って相対的に走査するが、本実施例では探針を走査する
構成となっている。試料に比べ軽い探針を可動部(走査
側)にすることにより、走査系の固有の振動数を高くす
ることができ、探針の位置制御を容易にし、高速走査を
可能にしている。また、大きさの変わる試料を走査する
ことを考えると試料の大きさなどで走査系の固有の振動
数が変わることは、走査の制御上難しい。
本実施例のトンネルユニットは、探針を走査するチュー
ブ型圧電素子の回りをステンレス製のxyステージが囲
む構成となっており、同時に微少なトンネル電流が流れ
る探針回りを電気的にシールドする構成になっている。
また50μm走査できるSTMのトンネルユニットとし
ては小型にできている。
次に本発明の他の実施例を第4図を用いて説明する。
1は探針、10はチューブ型圧電素子、23はバイモル
フを用いたxyステージであり、24および25はy軸
およびy軸を駆動するための積層バイモルフ型圧電素子
である。26はxy走査片でこれにはチューブ型圧電素
子10が固定されている。27はxyステージ23をト
ンネルユニットケース28に固定する固定部材である。
高速走査には、前記実施例と同様にチューブ型圧電素子
10を用いる。
広域走査には、xyステージ23を用いる。
xyの走査はx、y駆動用積層バイモルフ型圧電素子2
4.25(それぞれ4枚で構成されている)に駆動(走
査)電圧を加えることにより行う。観察表面に倣うZ軸
駆動はチューブ型圧電素子を用いる。この例では、50
0μm角の領域を走査できる。使用した電気系は第3図
に示したブロック図と同じである。
[発明の効果] 以上説明したように、走査手段を高速走査(原子分解能
)用と広域走査用と二種類設けることにより従来のST
Mには無い原子分解能を有しかつ大面積を走査できるS
TMを供給することができる。また、従来光学顕微鏡に
おいて倍率を変える操作と同様のことが、STMにおい
ても容易にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)(b)(c)は、本発明を実施したSTM
)−ンネルユニットのそれぞれ平面図、断面図、原理図
、 第2図は、第1図の探針1を通る断面で切った部分の概
略斜視図、 第3図は、本発明を実施したSTMの電気系ブロック図
、 第4図は、他の実施例の81Mトンネルユニットの概略
斜視図、 第5図から第7図までは、従来例を示す説明図である。 1:探針、 2:試料、 10:チューブ型圧電素子、 20:平行ばねを用いたxyステージ、21.22:積
層型圧電素子、 23 : 積層バイモルフ型圧電素子で構成されたxy
ステージ、 24.25:積層バイモルフ型圧電素子。 1.1星 針 第巨0)図 10、チュ ブ型圧電素子 第巨b)図 第2図 1環 仝を 第4 図 第5図 第6 図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)検査面上のXY方向にトンネル電流の検出走査を
    行う相互に独立して駆動可能な2以上の走査手段を具備
    したことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
  2. (2)前記走査手段は、高速で走査するための高分解能
    走査手段と広い領域を走査するための広域走査手段とか
    らな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。
  3. (3)前記高分解能走査手段が前記広域走査手段に保持
    された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. (4)前記高分解能走査手段による走査中に前記広域走
    査手段を固定保持するための手段を具備したことを特徴
    とする特許請求の範囲第3項記載の走査型トンネル顕微
    鏡。
  5. (5)前記高分解能走査手段はチューブ型圧電素子から
    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。
  6. (6)前記広域走査手段は、X方向およびY方向に変位
    可能な平行ばねから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。
  7. (7)前記広域走査手段は、X方向およびY方向の各方
    向に設けたバイモルフ型圧電素子からなることを特徴と
    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
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008033567A (ja) * 2006-07-27 2008-02-14 Osaka Univ 圧電素子の制御方法、圧電素子の制御装置、アクチュエータ、及び顕微鏡

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