JPH03215703A - Atomic probe microscope - Google Patents
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- JPH03215703A JPH03215703A JP1050490A JP1050490A JPH03215703A JP H03215703 A JPH03215703 A JP H03215703A JP 1050490 A JP1050490 A JP 1050490A JP 1050490 A JP1050490 A JP 1050490A JP H03215703 A JPH03215703 A JP H03215703A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明は、たとえば試料の表面を原子単位で観察する
ことができる走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間
力顕微鏡(AFM)などのアトミックプローブ顕微鏡、
すなわちブローブを用いた原子レベルでの試料観察が可
能な顕微鏡に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is applicable to atomic probes such as scanning tunneling microscopes (STM) and atomic force microscopes (AFM) that can observe the surface of a sample in units of atoms. microscope,
In other words, the present invention relates to a microscope capable of observing samples at the atomic level using a probe.
[従来の技術]
近時、試料の表面を原子単位で観察することができる走
査型トンネル顕微鏡( S canning?unne
l1ng Microscope : S TM)や
原子間力顕微鏡( A tonic F orce
M icroscope :AFM)などのアトミッ
クプローブ顕微鏡( A too+ic P rob
e M icroscope : A P M )が開
発されている。これらは、先端曲率半径が小さい探針と
試料との間に生じさせたトンネル電流や、あるいは探針
先端の構成■原子と試料表面の構成原子との間に生じる
原子間力などを利用して、試料と探針との間隔を一定に
保つZ方向のサーボ動作を行うと同時に、この探針を試
料表面上でX, Y方向に2次元走査して、試料表面の
微細形状を探針の動きとして読み取るものである。[Prior Art] Recently, scanning tunneling microscopes (Scanning tunneling microscopes), which can observe the surface of a sample in units of atoms, have become popular.
l1ng Microscope: STM) and atomic force microscope (Atonic Force)
Microscope (AFM) and other atomic probe microscopes (A too+ic probe)
e Microscope (APM) has been developed. These methods utilize tunneling current generated between a probe with a small radius of curvature at the tip and the sample, or the structure of the tip of the probe, and the atomic forces generated between atoms and constituent atoms on the sample surface. At the same time, a servo operation is performed in the Z direction to maintain a constant distance between the sample and the probe, and at the same time, the probe is two-dimensionally scanned over the sample surface in the X and Y directions to determine the fine shape of the sample surface. It is read as movement.
一般に、探針はその基端部が圧電駆動体などの微動素子
からなる3次元駆動体に固着されており、上述した探針
のサーボ動作および2次元走査は、すべてこの1つの3
次元駆動体によ−って行われるようになっている。Generally, the proximal end of the probe is fixed to a three-dimensional drive body made of a fine movement element such as a piezoelectric drive body, and the above-mentioned servo operation and two-dimensional scanning of the probe are all performed by this one three-dimensional drive body.
This is done by a dimensional driver.
なお、このようなサーボ動作を行うための3次元駆動体
の駆動方式としては、探針の2方向の変位を司る圧電駆
動体への印加電圧を、トンネル電流や原子間力などの変
化から得られるZ方向サーボ信号により直接変化させる
一般的な電圧制御方式と、圧電駆動体内の電荷量を検出
し、これにより圧電駆動体への印加電圧をフィードバッ
ク制御する電荷制御方式とが知られている。In addition, as a driving method for the three-dimensional drive body to perform such servo operation, the voltage applied to the piezoelectric drive body that controls the displacement of the probe in two directions is obtained from changes in tunnel current, atomic force, etc. Two known methods are known: a general voltage control method in which the voltage is directly varied by a Z-direction servo signal, and a charge control method in which the amount of charge within the piezoelectric drive body is detected and the voltage applied to the piezoelectric drive body is feedback-controlled based on this.
また、探針を3次元方向に移動可能な3次元駆動体とし
ては、たとえばチューブスキャナがある。Further, as a three-dimensional driving body capable of moving a probe in three-dimensional directions, there is, for example, a tube scanner.
チューブスキャナと呼ばれる3次元駆動体は、たとえば
第5図に示すように、中空円筒型圧電駆動体11の外側
面に複数の電極12a,12b,12c,12dが設け
られるとともに、その内側面に共通電極13が設けられ
ている。また、上記圧電駆動体11の上円周面は固定さ
れ、下円平面には固定円板14を介してその中心に探針
15が配設された構成とされている。そして、各電極1
2a〜12d,13間に高圧増幅器(図示していない)
などを用いて選択的に電圧を印加することにより、電圧
の印加された電極部分の圧電駆動体11が変形駆動(変
位)される。この駆動時に、上記探針15は自由端とな
り、試料の表面を走査するようになっている。As shown in FIG. 5, for example, a three-dimensional drive body called a tube scanner has a plurality of electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d provided on the outer surface of a hollow cylindrical piezoelectric drive body 11, and common electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d on the inner surface thereof. An electrode 13 is provided. Further, the upper circumferential surface of the piezoelectric drive body 11 is fixed, and a probe 15 is disposed at the center of the lower circular plane via a fixed disk 14. And each electrode 1
High voltage amplifier (not shown) between 2a to 12d and 13
By selectively applying a voltage using, for example, the piezoelectric driving body 11 of the electrode portion to which the voltage is applied is driven to deform (displace). During this drive, the probe 15 becomes a free end and scans the surface of the sample.
[発明が解決しようとする課題]
ところで、従来の電圧制御方式を用いたアトミックプロ
ーブ顕微鏡(以下、APMと略称する)では、Z方向サ
ーボ信号を3次元駆動体のZ方向の変位量に換算し、こ
れを2次元方向走査信号と同期させて画像表示すること
により、試料表面の形状を示す凹凸情報を得るようにし
ている。すなわち、印加電圧の変化にしたがって伸縮す
る3次元駆動体の伸縮変位量を検出する信号として、従
来では2方向サーボ信号が用いられていた。[Problems to be Solved by the Invention] By the way, in an atomic probe microscope (hereinafter abbreviated as APM) using a conventional voltage control method, a Z-direction servo signal is converted into a displacement amount in the Z-direction of a three-dimensional driving body. By displaying this as an image in synchronization with a two-dimensional scanning signal, unevenness information indicating the shape of the sample surface is obtained. That is, conventionally, a two-directional servo signal has been used as a signal for detecting the amount of expansion/contraction displacement of a three-dimensional drive body that expands and contracts in accordance with changes in applied voltage.
しかしながら、第6図に示すように、圧電駆動体11は
印加電圧に対する変位が非線形な特性を示すものである
。すなわち、圧電駆動体11が伸縮する際に、伸び側■
と縮み側■とではその変位が同じであっても、印加電圧
の増加時と減少時との電圧に偏差dVを生じることにな
ってしまう。However, as shown in FIG. 6, the piezoelectric driver 11 exhibits nonlinear characteristics in terms of displacement with respect to applied voltage. That is, when the piezoelectric drive body 11 expands and contracts, the expansion side ■
Even if the displacements are the same on the contraction side (2) and (2), a deviation dV occurs between the voltages when the applied voltage increases and when it decreases.
このため、2方向サーボ信号に上記偏差dVが影響し、
像の歪みとなって現れ、試料表面の凹凸を精度良く画像
表示できないという欠点があった。Therefore, the above deviation dV affects the two-way servo signal,
This appears as image distortion, and has the disadvantage that it is not possible to accurately display the unevenness of the sample surface.
第7図は、上記した偏差dVによって生じる実際の試料
表面の形状と計a1された表面凹凸像(APM像)との
ずれの様子を示したものである。FIG. 7 shows the deviation between the actual shape of the sample surface and the total a1 surface unevenness image (APM image) caused by the above-mentioned deviation dV.
たとえば今、第7図(a)に示すような形状の試料表面
を走査した場合、第7図(b)に破線で示すように、印
加電圧は試料表面の形状を逆にしたものにならなければ
いけないにもかかわらず、偏差dVだけずれた実線のよ
うになる。すなわち、伸び側■および縮み側■の2方向
の変位は同じなのに、印加電圧が異なったものとなる。For example, if we scan a sample surface with the shape shown in Figure 7(a), the applied voltage must be the same as the inverse shape of the sample surface, as shown by the broken line in Figure 7(b). Even though this should not be the case, the result looks like a solid line shifted by the deviation dV. That is, although the displacements in the two directions of the extension side (2) and the contraction side (2) are the same, the applied voltages are different.
したがって、第7図(e)に実線で示すように、表示さ
れる表面凹凸像も実際の試料表面の形状(破線)とは異
なったものとなってしまう。Therefore, as shown by the solid line in FIG. 7(e), the displayed surface unevenness image also differs from the actual shape of the sample surface (broken line).
一方、圧電駆動体11の変位は、第6図に示したように
、印加電圧に対しては非線形な特性を示すが、第8図に
示すように、圧電駆動体11内の蓄積電荷・量との間に
は線形な関係が得られることが知られている。On the other hand, as shown in FIG. 6, the displacement of the piezoelectric driver 11 exhibits nonlinear characteristics with respect to the applied voltage, but as shown in FIG. It is known that a linear relationship can be obtained between
この圧電駆動体11の変位と蓄積電荷量との線形な関係
を利用して圧電駆動体11内の電荷量を検出し、これに
よって圧電駆動体11への印加電圧を制御して3次元駆
動体を駆動するようにしたのが、前述した電荷制御方式
の駆動回路である。The amount of charge in the piezoelectric driver 11 is detected using this linear relationship between the displacement of the piezoelectric driver 11 and the amount of accumulated charge, and thereby the voltage applied to the piezoelectric driver 11 is controlled to drive the three-dimensional driver. The above-mentioned charge control type drive circuit is designed to drive this.
この駆動回路は、たとえば第9図に示すように、駆動体
20の電荷量を検出する積分器で構成される電荷検出手
段21と、この電荷検出手段21の出力と駆動体20を
駆動するための印加電圧とを人力信号とする差動増幅器
を主体に構成され、前記駆動体20に電荷を注入する電
荷注入手段22と、駆動体20中の電荷を放電させる電
荷放電手段23とから構成されている。For example, as shown in FIG. 9, this drive circuit includes a charge detection means 21 composed of an integrator that detects the amount of charge of the drive body 20, and a charge detection means 21 for driving the drive body 20 using the output of the charge detection means 21. It is mainly composed of a differential amplifier that uses the applied voltage of ing.
この回路によれば、圧電駆動体11の電荷量を電圧に変
換して帰還する方法により、印加電圧の電圧変化に対し
て線形に変化する電荷量が得られ、同時に、この電荷量
の変化に対して線形に変化する変位量が得られ、印加電
圧と変位との間に線形な関係が得られることになる。According to this circuit, by converting the amount of charge of the piezoelectric driver 11 into voltage and feeding it back, it is possible to obtain an amount of charge that changes linearly with respect to changes in the applied voltage, and at the same time, it is possible to obtain an amount of charge that changes linearly with respect to changes in the applied voltage. On the other hand, a displacement amount that changes linearly is obtained, and a linear relationship is obtained between the applied voltage and the displacement.
しかしながら、この電荷制御方式の駆動回路においては
、電荷検出手段21として積分器を用い、その出力を電
荷注入手段22である差動増幅器に帰還するようにして
いるため、結果的に探針のサーボ動作を行う大きなフィ
ードバックループの中に、積分器という小さなフイード
バ・ンクループが入ることになり、積分器での位相遅れ
が全体のサーボ系の位相遅れを引き起こし、高速なサー
ボ駆動回路を構成できないという欠点があった。However, in this charge control type drive circuit, an integrator is used as the charge detection means 21, and its output is fed back to the differential amplifier, which is the charge injection means 22. As a result, the probe servo control A small feedback loop called an integrator is included in the large feedback loop that performs the operation, and the phase lag in the integrator causes a phase lag in the entire servo system, making it impossible to construct a high-speed servo drive circuit. was there.
そこで、この発明は、探針の高速なサーボ制御が可能で
あり、像の歪みなどがなく、試料表面の微細な凹凸形状
を高精度に画像表示することができるアトミックプロー
ブ顕微鏡を提供することを目的としている。Therefore, the present invention aims to provide an atomic probe microscope that is capable of high-speed servo control of the probe, is free from image distortion, and is capable of displaying images of minute irregularities on the surface of a sample with high precision. The purpose is
[課題を解決するための手段コ
上記の目的を達成するために、この発明のアトミックプ
ローブ顕微鏡にあっては、先端曲率半径の小さい探針と
、この探針を試料の表面に対してX,Yの2次元方向に
走査するとともに、前記試料との間隔を一定に維持すべ
くサーボ制御しながらZ方向に変位させるための3次元
駆動体とを有するものにおいて、前記3次元駆動体の駆
動回路と、前記サーボ系と独立に設けられ、前記3次元
駆動体のZ方向の変位量を検出する検出回路とから構成
されている。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the atomic probe microscope of the present invention includes a probe with a small radius of curvature at the tip, and a probe that is A drive circuit for the three-dimensional drive body, comprising a three-dimensional drive body for scanning in the two-dimensional Y direction and displacing the three-dimensional drive body in the Z direction while performing servo control to maintain a constant distance from the sample. and a detection circuit that is provided independently of the servo system and detects the amount of displacement of the three-dimensional driving body in the Z direction.
[作用]
この発明は、上記した手段により、3次元駆動体のZ方
向への伸縮変位と画像表示との間に線形な関係が得られ
るようになるため、探針のZ方向の変位量に比例した信
号を読み出すことが可能となるものである。[Operation] According to the present invention, a linear relationship can be obtained between the expansion/contraction displacement of the three-dimensional driving body in the Z direction and the image display, so that the amount of displacement of the probe in the Z direction can be This makes it possible to read out proportional signals.
[実施例]
以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は、この発明のアトミックプローブ顕微鏡を、た
とえばチューブスキャナを用いた走査型トンネル顕微鏡
(STM)を例に示すものである。FIG. 1 shows an atomic probe microscope according to the present invention, taking as an example a scanning tunneling microscope (STM) using a tube scanner.
第1図において、チューブスキャナと呼ばれる3次元駆
動体10は、たとえば中空円筒型圧電駆動体11の外側
面に4面の電極12a,12b,12c,12dが設け
られた構成とされている。In FIG. 1, a three-dimensional driving body 10 called a tube scanner has a configuration in which, for example, a hollow cylindrical piezoelectric driving body 11 is provided with four electrodes 12a, 12b, 12c, and 12d on the outer surface thereof.
電極12a,12bのそれぞれには、X方向の駆動用電
極として、Xa駆動回路31またはxb駆動回路32が
接続されている。電極12C,12dのそれぞれには、
Y方向の駆動用電極として、Ya駆動回路33またはY
b駆動回路34が接続されている。An Xa drive circuit 31 or an xb drive circuit 32 is connected to each of the electrodes 12a and 12b as an electrode for driving in the X direction. Each of the electrodes 12C and 12d has
As a drive electrode in the Y direction, the Ya drive circuit 33 or the Y
b drive circuit 34 is connected.
また、圧電駆動体11の内側面には、上記電極12a,
12b,12c,12dに圧電駆動体11の各部分1
1 a, 1 l b, 1 1 c, 1 1
dを介して対向するような共通電極13が設けられて
いる。この共通電極13には、圧電駆動体11の総電荷
量を検出する電荷検出回路(圧電体電荷検出回路)35
が接続されている。Further, on the inner surface of the piezoelectric drive body 11, the electrodes 12a,
Each part 1 of the piezoelectric drive body 11 is attached to 12b, 12c, and 12d.
1 a, 1 l b, 1 1 c, 1 1
Common electrodes 13 are provided so as to face each other with d interposed therebetween. This common electrode 13 has a charge detection circuit (piezoelectric charge detection circuit) 35 that detects the total amount of charge of the piezoelectric drive body 11.
is connected.
一方、上記圧電駆動体11の上円周面は固定され、下円
平面(底面部)には固定円板14を介してその中心に探
針15が試料16の表面に対向するように配設されてい
る。この探針15には、トンネル電流信号にもとづいて
試料16と探針15との間の間隔距離を一定に保つため
の2方向サーボ信号を発生するサーボ回路36が接続さ
れている。そして、このサーボ回路36からの2方向サ
ーボ信号は、上記Xa,Xb,Ya,Yb駆動回路31
.32,33.34にそれぞれ供給されるようになって
いる。On the other hand, the upper circumferential surface of the piezoelectric drive body 11 is fixed, and a probe 15 is arranged at the center of the lower circular plane (bottom surface) via a fixed disk 14 so as to face the surface of the sample 16. has been done. A servo circuit 36 is connected to the probe 15, which generates a two-way servo signal for keeping the distance between the sample 16 and the probe 15 constant based on the tunneling current signal. The two-way servo signal from this servo circuit 36 is transmitted to the Xa, Xb, Ya, Yb drive circuit 31.
.. 32, 33, and 34, respectively.
また、これらXa,Xb,Ya,Yb駆動回路31,3
2,33.34には走査信号発生回路37が接続され、
X方向走査信号およびY方向走査信号がそれぞれ供給さ
れるようになっている。In addition, these Xa, Xb, Ya, Yb drive circuits 31, 3
A scanning signal generation circuit 37 is connected to 2, 33, and 34.
An X direction scanning signal and a Y direction scanning signal are respectively supplied.
この走査信号発生回路37には表示装置38が接続され
ており、この表示装置38では上記したXY方向走査信
号の同期信号に同期して上記電荷検出回路35の田力で
ある電荷検出信号が表示されるようになっている。A display device 38 is connected to the scanning signal generation circuit 37, and the display device 38 displays the charge detection signal, which is the output of the charge detection circuit 35, in synchronization with the synchronization signal of the above-described XY direction scanning signal. It has become so.
第2図は、上記電荷検出回路35の構成を示すものであ
る。FIG. 2 shows the configuration of the charge detection circuit 35. As shown in FIG.
電荷検出回路35は、コンデンサ35aと入力抵抗の極
めて高い演算増幅器35bとから構成されている。上記
コンデンサ35gには、圧電駆動体11の各部分11a
,llb,llc,lldにそれぞれ蓄積される電荷量
Qxa,Qxb,Qya,Qybの総和電荷量Qと等し
い電荷量が蓄積されるようになっている。The charge detection circuit 35 includes a capacitor 35a and an operational amplifier 35b with extremely high input resistance. Each portion 11a of the piezoelectric drive body 11 is connected to the capacitor 35g.
, llb, llc, and lld, an amount of charge equal to the total amount of charge Q of the amount of charge Qxa, Qxb, Qya, and Qyb accumulated in each of them is stored.
たとえば今、中空円筒型圧電駆動体11の共通電極13
を一定電位とし、電極12aに電圧Vxを、また電極1
2bに電圧−Vxをそれぞれ印加したとする。すると、
Z方向、つまり図面の上下方向に対して、電極12aの
対応する圧電駆動体11の部分11aが伸び、電極12
bの対応する圧電駆動体11の部分1lbが縮められる
。このように、3次元駆動体10が変形されることによ
り、その底面部の中心に設けられた探針15は電極12
b側(図面の右方向)にほぼ平行に移動される。For example, now, the common electrode 13 of the hollow cylindrical piezoelectric drive body 11
is set to a constant potential, a voltage Vx is applied to the electrode 12a, and the voltage Vx is applied to the electrode 12a.
Assume that a voltage -Vx is applied to each of the terminals 2b and 2b. Then,
The portion 11a of the piezoelectric driver 11 corresponding to the electrode 12a extends in the Z direction, that is, the vertical direction in the drawing, and the electrode 12
The portion 1lb of the piezoelectric driver 11 corresponding to b is contracted. As the three-dimensional driving body 10 is deformed in this way, the probe 15 provided at the center of the bottom surface of the three-dimensional driving body 10 moves to the electrode 12.
It is moved almost parallel to the b side (rightward in the drawing).
すなわち、共通電極13を一定電位とし、電極12a,
12bに電圧Vx,−Vxがそれぞれ印加されると、3
次元駆動体10は第3図(a)の状態から第3図(b)
に実線で示すように変形される。したがって、探針15
は右方向にほぼ平行移動されることになる。なお、探針
15のY方向(図面の前後方向)への移動も同様である
ので、ここでの説明は割愛する。That is, the common electrode 13 is set at a constant potential, and the electrodes 12a,
When voltages Vx and -Vx are respectively applied to 12b, 3
The dimensional driver 10 changes from the state shown in FIG. 3(a) to the state shown in FIG. 3(b).
is transformed as shown by the solid line. Therefore, the probe 15
will be translated almost parallel to the right. Note that the movement of the probe 15 in the Y direction (back and forth direction in the drawing) is the same, so a description thereof will be omitted here.
一方、試料16に対して探針15が数人の距離で接近さ
れたときに流れるトンネル電流信号がサーボ回路36に
供給されると、このサーボ回路36からの2方向サーボ
信号が各駆動回路31,32.33.34に入力される
。ここで、たとえば各電極12a.12b.12c,1
2dに対してサーボ電圧ΔVzが加算して印加されたと
する.すると、各電極12a,12b,12c,12d
の対応する圧電駆動体11の各部分11a,1lb,l
lc,lldがZ方向にそれぞれΔ,9xa,Δjlx
b,ΔIya. Δlybだけ伸び、この3次元駆動体
10の変形に応じて探針15の位置も移動される。On the other hand, when a tunnel current signal flowing when the probe 15 approaches the sample 16 at a distance of several people is supplied to the servo circuit 36, a two-way servo signal from the servo circuit 36 is transmitted to each drive circuit 31. , 32.33.34. Here, for example, each electrode 12a. 12b. 12c,1
Assume that a servo voltage ΔVz is added to and applied to 2d. Then, each electrode 12a, 12b, 12c, 12d
Each part 11a, 1lb, l of the piezoelectric drive body 11 corresponding to
lc, lld are respectively Δ, 9xa, Δjlx in the Z direction
b, ΔIya. The probe 15 is extended by Δlyb, and the position of the probe 15 is also moved in accordance with the deformation of the three-dimensional driving body 10.
すなわち、各電極12a,12b,12c,12dに対
して、走査信号発生回路37からのX,Y方向走査信号
に対応する電圧に、サーボ回路36からのサーボ電圧Δ
Vzが加算された電圧がそれぞれの駆動回路31.32
.33.34より印加されると、3次元駆動体10は第
3図(b)に破線で示すように変形される。この場合、
探針15は固定円板14の中心に配置されている。この
ため、探針15のZ方向の移動量Δ,Qtipは、ΔI
tip
一 (Δ47 xa十ΔII xb+ΔI ya+Δf
l yb)/4となる。That is, for each electrode 12a, 12b, 12c, 12d, the servo voltage Δ from the servo circuit 36 is added to the voltage corresponding to the X and Y direction scanning signals from the scanning signal generation circuit 37.
The voltage obtained by adding Vz is applied to each drive circuit 31 and 32.
.. 33 and 34, the three-dimensional driving body 10 is deformed as shown by the broken line in FIG. 3(b). in this case,
The probe 15 is arranged at the center of the fixed disk 14. Therefore, the amount of movement Δ,Qtip of the probe 15 in the Z direction is ΔI
tip one (Δ47 xa ten ΔII xb+ΔI ya+Δf
lyb)/4.
ここで、探針15がZ方向にΔltipだけ移動された
ときの、圧電駆動体11の各部分11a,1lb.ll
c,lldの伸び量(伸縮変位)は電荷検出回路35の
コンデンサ35aのs 荷! +;:比例する。したが
って、そのときの総和電荷量Qの変化分(移動量ΔjJ
tipの変化に相当する)ΔQは、
ΔQ−kxΔltip
となる。ただし、kは定数である。Here, when the probe 15 is moved by Δltip in the Z direction, each portion 11a, 1lb. ll
The amount of expansion (expansion/contraction displacement) of c and lld is the s load of the capacitor 35a of the charge detection circuit 35! +;: Proportional. Therefore, the amount of change in the total amount of charge Q at that time (the amount of movement ΔjJ
ΔQ (corresponding to the change in tip) is ΔQ−kxΔaltip. However, k is a constant.
この場合、圧電駆動体11の各部分11a,1 l b
, 1 1 c, 1 1 dの総和電荷量Q ハ
’:] ンテンサ35aの両端電圧に比例するため、電
荷検出回路35にて検出される電荷検出信号の電圧は探
針15のZ方向の移動量に比例したものとなる。In this case, each part 11a, 1 l b of the piezoelectric drive body 11
. It is proportional to the amount.
このような構成のSTMでは、サーボ回路36の働きに
よって探針15の先端位置を常に試料16の表面から一
定の距離を保って走査されるようになっている。このた
め、圧電駆動体11の総和電荷量を検出することにより
得られる電荷検出回路35からの電荷検出信号(凹凸情
報信号)を、走査信号発生回路37からの同期信号に同
期させて読み出し、これを表示装置38にて表示させる
ことで、試料16の表面の凹凸情報をZ方向に対して高
い精度で画像化することが可能となる。In the STM having such a configuration, the tip position of the probe 15 is always scanned at a constant distance from the surface of the sample 16 by the action of the servo circuit 36. Therefore, the charge detection signal (unevenness information signal) from the charge detection circuit 35 obtained by detecting the total amount of charge of the piezoelectric drive body 11 is read out in synchronization with the synchronization signal from the scanning signal generation circuit 37. By displaying this on the display device 38, it becomes possible to image the unevenness information on the surface of the sample 16 with high accuracy in the Z direction.
上記したように、電圧制御方式により3次元駆動体を駆
動するSTMにおいて、中空円筒型圧電駆動体のZ方向
の伸縮変位にほぼ比例する蓄積電荷量の線形特性を利用
して、Z方向の伸縮変位と画像表示との間に線形な関係
が得られるような信号を検出する回路をサーボ回路とは
別に設けるようにしている。As mentioned above, in STM that drives a three-dimensional drive body using a voltage control method, the expansion and contraction in the Z direction is performed using the linear characteristic of the amount of accumulated charge that is approximately proportional to the expansion and contraction displacement in the Z direction of the hollow cylindrical piezoelectric drive body. A circuit for detecting a signal that provides a linear relationship between displacement and image display is provided separately from the servo circuit.
すなわち、圧電駆動体の総電荷量を検出する電荷検出回
路を独立して設け、この回路の出力をX,Y方向走査信
号に同期させて画像表示するようにしている。これによ
り、2方向サーボ信号に印加電圧の増加時と減少時との
電圧の偏差が影響するのを防止することが可能となる。That is, a charge detection circuit for detecting the total amount of charge of the piezoelectric drive body is provided independently, and the output of this circuit is synchronized with the X and Y direction scanning signals to display an image. This makes it possible to prevent the voltage deviation between when the applied voltage increases and when the applied voltage decreases from affecting the two-way servo signal.
また、この回路で位相遅れがあったとしてもそれがサー
ボ制御に何ら悪影響を与えるようなことがない。したが
って、探針を高速度にて試料表面の凹凸に沿って忠実に
走査できるようになり、実際の試料の表面形状に一致し
たSTM像を得ることが可能となるものである。Further, even if there is a phase delay in this circuit, it will not have any adverse effect on servo control. Therefore, it becomes possible to faithfully scan the probe along the unevenness of the sample surface at high speed, and it becomes possible to obtain an STM image that matches the actual surface shape of the sample.
なお、上記実施例においては、圧電駆動体に蓄積された
総和電荷量と等しい電荷量が蓄積されるコンデンサを演
算増幅器の負側入力端と出力端との間に接続した反転型
の電荷検出回路を例に説明したが、これに限らず、たと
えば第4図に示すような非反転型に構成することも可能
である。In the above embodiment, an inverting charge detection circuit is used in which a capacitor that stores a charge amount equal to the total amount of charge stored in the piezoelectric driver is connected between the negative input terminal and the output terminal of the operational amplifier. Although the explanation has been given using an example, the present invention is not limited to this, and it is also possible to configure a non-inverting type as shown in FIG. 4, for example.
また、3次元駆動体を構成する圧電駆動体としては中空
円筒型のものに限らず、たとえばX,Y方向の変位がZ
方向の変位に影響を与えないトライポッド型3次元駆動
体であれば、その2方向の圧電駆動体に前述した圧電体
電荷検出回路を設けることによって容易に適用可能であ
る。Furthermore, the piezoelectric drive body constituting the three-dimensional drive body is not limited to a hollow cylindrical type; for example, the displacement in the X and Y directions is
A tripod-type three-dimensional drive body that does not affect displacement in the directions can be easily applied by providing the piezoelectric charge detection circuit described above to the piezoelectric drive body in two directions.
さらに、複数の圧電体部分を一体的に形成した中空4面
立方体型、あるいは片持ち梁り型の3次元駆動体などに
も、本発明を十分に適用することが可能である。この場
合、各圧電体部分ごとに圧電体電荷検出回路を設け、こ
れによって得られる3次元駆動体の変位のうち、Z方向
の変位量のみを出力するような演算処理を施すようにす
れば良い。Further, the present invention can be fully applied to a hollow four-sided cubic type or cantilever type three-dimensional driving body in which a plurality of piezoelectric parts are integrally formed. In this case, a piezoelectric charge detection circuit may be provided for each piezoelectric portion, and calculation processing may be performed to output only the amount of displacement in the Z direction among the displacements of the three-dimensional driving body obtained by this circuit. .
また、AFMなどの他のアトミックプローブ顕微鏡にも
容易に適用できることはいうまでもない。It goes without saying that the present invention can also be easily applied to other atomic probe microscopes such as AFM.
その他、この発明の要旨を変えない範囲において、種々
変形実施可能なことは勿論である。It goes without saying that various other modifications can be made without departing from the gist of the invention.
[発明の効果]
以上、詳述したようにこの発明によれば、電圧制御方式
により駆動される3次元駆動体の、2方向′制御のため
のサーボ回路とは別に、3次元駆動体のZ方向への変位
量を検出する検出回路を設けるようにしたため、探針の
高速なサーボ制御が可能であり、像の歪みなどがなく、
試料表面の微細な凹凸形状を高精度に画像表示すること
ができるアトミックプローブ顕微鏡を提供できる。[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the present invention, in addition to the servo circuit for two-direction control of a three-dimensional drive body driven by a voltage control method, the Z Since a detection circuit is provided to detect the amount of displacement in the direction, high-speed servo control of the probe is possible, and there is no image distortion.
It is possible to provide an atomic probe microscope that can display images of minute irregularities on the surface of a sample with high precision.
第1図はこの発明の一実施例を示す走査型トンネル顕微
鏡の構成図、第2図は電荷検出回路の一例を示す構成図
、第3図は探針の移動を説明するために示す図、第4図
は電荷検出回路の他の構成例を示す図、第5図は3次元
駆動体の構成を示す斜視図、第6図は圧電駆動体の印加
電圧と変位との関係を説明するために示す特性図、第7
図は印加電圧の増加時と減少時との電圧の偏差によって
生じる実際の試料表面の形状とAPM像とのずれの様子
を説明するために示す図、第8図は圧電駆動体の蓄積電
荷量と変位との関係を説明するために示す特性図、第9
図は電荷制御方式による3次元駆動体の駆動回路を示す
構成図である。
10・・・3次元駆動体、11・・・中空円筒型圧電駆
動体、12a,12b,12c.12d−・・電極、1
3・・・共通電極、15・・・探針、16・・・試料、
31,32,33.34・・・駆動回路、35・・・電
荷検出回路、36・・・サーボ回路、37・・・走査信
号発生回路、38・・・表示装置。
第
3
図
第
4
図
第
5
図
変
印加電圧
第
6
図
第
7
図
第
9
図FIG. 1 is a block diagram of a scanning tunneling microscope showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing an example of a charge detection circuit, and FIG. 3 is a diagram for explaining the movement of a probe. FIG. 4 is a diagram showing another example of the configuration of the charge detection circuit, FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the three-dimensional drive body, and FIG. 6 is for explaining the relationship between applied voltage and displacement of the piezoelectric drive body. Characteristic diagram shown in 7th
The figure is shown to explain the deviation between the actual sample surface shape and the APM image caused by the voltage deviation between when the applied voltage increases and when it decreases. Figure 8 shows the amount of charge accumulated in the piezoelectric drive body. Characteristic diagram shown to explain the relationship between and displacement, No. 9
The figure is a configuration diagram showing a drive circuit for a three-dimensional drive body using a charge control method. 10... Three-dimensional drive body, 11... Hollow cylindrical piezoelectric drive body, 12a, 12b, 12c. 12d--electrode, 1
3... Common electrode, 15... Probe, 16... Sample,
31, 32, 33. 34... Drive circuit, 35... Charge detection circuit, 36... Servo circuit, 37... Scanning signal generation circuit, 38... Display device. Figure 3 Figure 4 Figure 5 Variable applied voltage Figure 6 Figure 7 Figure 9
Claims (5)
表面に対してX、Yの2次元方向に走査するとともに、
前記試料との間隔を一定に維持すべくサーボ制御しなが
らZ方向に変位させるための3次元駆動体とを有する走
査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AF
M)などのアトミックプローブ顕微鏡において、 前記3次元駆動体の駆動回路と、 前記サーボ系と独立に設けられ、前記3次元駆動体のZ
方向の変位量を検出する検出回路とを具備したことを特
徴とするアトミックプローブ顕微鏡。(1) A probe with a small radius of curvature at the tip, and scanning the probe in the two-dimensional directions of X and Y on the surface of the sample,
A scanning tunneling microscope (STM) or an atomic force microscope (AF) has a three-dimensional drive body for displacing in the Z direction while controlling the distance from the sample to be constant.
In an atomic probe microscope such as M), a drive circuit for the three-dimensional drive body is provided independently of the servo system, and a Z
An atomic probe microscope characterized by comprising a detection circuit that detects the amount of directional displacement.
出する圧電体電荷検出回路であることを特徴とする請求
項(1)に記載のアトミックプローブ顕微鏡。(2) The atomic probe microscope according to claim 1, wherein the detection circuit is a piezoelectric charge detection circuit that detects the amount of charge of the three-dimensional driving body.
ることを特徴とする請求項(1)または(2)に記載の
アトミックプローブ顕微鏡。(3) The atomic probe microscope according to claim 1 or 2, wherein the three-dimensional drive body is a hollow cylindrical piezoelectric drive body.
あることを特徴とする請求項(1)または(2)に記載
のアトミックプローブ顕微鏡。(4) The atomic probe microscope according to claim (1) or (2), wherein the three-dimensional drive body is a tripod piezoelectric drive body.
あることを特徴とする請求項(1)または(2)に記載
のアトミックプローブ顕微鏡。(5) The atomic probe microscope according to claim 1 or 2, wherein the three-dimensional drive body is a cantilever type piezoelectric drive body.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1050490A JPH03215703A (en) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Atomic probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1050490A JPH03215703A (en) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Atomic probe microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03215703A true JPH03215703A (en) | 1991-09-20 |
Family
ID=11752038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1050490A Pending JPH03215703A (en) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Atomic probe microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03215703A (en) |
-
1990
- 1990-01-22 JP JP1050490A patent/JPH03215703A/en active Pending
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