JPH03215703A - アトミックプローブ顕微鏡 - 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］ 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。

［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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

［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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第２図は、上記電荷検出回路３５の構成を示すものであ
る。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）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。
2. （２）前記検出回路は、前記３次元駆動体の電荷量を検
   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。
3. （３）前記３次元駆動体は、中空円筒型圧電駆動体であ
   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. （４）前記３次元駆動体は、トライポッド圧電駆動体で
   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. （５）前記３次元駆動体は、片持ち梁り型圧電駆動体で
   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。