JPH04318404A - 走査型顕微鏡及びその探針制御方法 - Google Patents
走査型顕微鏡及びその探針制御方法Info
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- JPH04318404A JPH04318404A JP8528091A JP8528091A JPH04318404A JP H04318404 A JPH04318404 A JP H04318404A JP 8528091 A JP8528091 A JP 8528091A JP 8528091 A JP8528091 A JP 8528091A JP H04318404 A JPH04318404 A JP H04318404A
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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
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、粗動・微動連動型走査
型トンネル顕微鏡に係り、特に、試料に対する探針の距
離を調節する粗動機構と微動機構を連動させ、試料表面
の凹凸が大きい場合にも測定を可能にした粗動・微動連
動型走査型トンネル顕微鏡に関する。
型トンネル顕微鏡に係り、特に、試料に対する探針の距
離を調節する粗動機構と微動機構を連動させ、試料表面
の凹凸が大きい場合にも測定を可能にした粗動・微動連
動型走査型トンネル顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡による測定動作で
は、探針を、観察対象である試料の表面に対し原子レベ
ルの距離にて接近させ、探針と試料表面との間にトンネ
ル電流を流した状態において、測定するため試料の表面
上で探針を走査動作させた時、トンネル電流値が常に一
定になるように、試料表面に対する探針の距離を一定に
保持させる。かかる測定動作では、探針が試料の表面を
走査する時、試料表面の凹凸に追従してその位置を微動
状態にて変化させるため、探針の位置のデータに基づい
て、試料表面の原子レベルの凹凸に関するデータを、画
像情報として得ることができる。探針と試料表面との間
が所定距離になった時にトンネル電流が流れるようにす
るためには、探針に対し電圧源から所要電圧を印加させ
ておく必要がある。また、探針から取り出されるトンネ
ル電流は常時観察され、得られたトンネル電流の値の変
化に基づき探針の位置に対しサーボ制御が実行される構
成を有する。信号処理系統では、探針の表面走査のデー
タと、探針と試料表面との距離のデータが記憶され、こ
れらのデータは、試料表面の画像情報を作成するのに使
用される。探針と試料表面の距離を調整するには、探針
の位置を大きい距離で変化させる粗動機構と、微小距離
で変化させる微動機構が用いられる。探針は、例えばト
ライポッドと呼ばれる、直角に配置された３本の微動用
圧電素子からなる微動機構の所定箇所に取り付けられ、
さらに、この微動機構は、探針を試料に対し接近・離反
させる方向のみに移動する粗動機構に配設されている。 このように、探針の位置は、粗動機構と微動機構によっ
て、調整される。粗動機構は、通常、探針をトンネル電
流が流れるまでの距離に移動させることのみのために動
作し、微動機構は試料表面の近傍で探針を走査させ、か
つ探針と試料表面との距離をトンネル電流が一定電流に
なるように調整するために動作する。従って、粗動機構
の動作と微動機構の動作はそれぞれ目的が異なるため、
各動作は独立した制御の下で行われるのが、一般的であ
った。
は、探針を、観察対象である試料の表面に対し原子レベ
ルの距離にて接近させ、探針と試料表面との間にトンネ
ル電流を流した状態において、測定するため試料の表面
上で探針を走査動作させた時、トンネル電流値が常に一
定になるように、試料表面に対する探針の距離を一定に
保持させる。かかる測定動作では、探針が試料の表面を
走査する時、試料表面の凹凸に追従してその位置を微動
状態にて変化させるため、探針の位置のデータに基づい
て、試料表面の原子レベルの凹凸に関するデータを、画
像情報として得ることができる。探針と試料表面との間
が所定距離になった時にトンネル電流が流れるようにす
るためには、探針に対し電圧源から所要電圧を印加させ
ておく必要がある。また、探針から取り出されるトンネ
ル電流は常時観察され、得られたトンネル電流の値の変
化に基づき探針の位置に対しサーボ制御が実行される構
成を有する。信号処理系統では、探針の表面走査のデー
タと、探針と試料表面との距離のデータが記憶され、こ
れらのデータは、試料表面の画像情報を作成するのに使
用される。探針と試料表面の距離を調整するには、探針
の位置を大きい距離で変化させる粗動機構と、微小距離
で変化させる微動機構が用いられる。探針は、例えばト
ライポッドと呼ばれる、直角に配置された３本の微動用
圧電素子からなる微動機構の所定箇所に取り付けられ、
さらに、この微動機構は、探針を試料に対し接近・離反
させる方向のみに移動する粗動機構に配設されている。 このように、探針の位置は、粗動機構と微動機構によっ
て、調整される。粗動機構は、通常、探針をトンネル電
流が流れるまでの距離に移動させることのみのために動
作し、微動機構は試料表面の近傍で探針を走査させ、か
つ探針と試料表面との距離をトンネル電流が一定電流に
なるように調整するために動作する。従って、粗動機構
の動作と微動機構の動作はそれぞれ目的が異なるため、
各動作は独立した制御の下で行われるのが、一般的であ
った。
【０００３】また粗動機構の動作中に、微動機構をサー
ボ制御するという動作は行われていたが、この動作は見
掛け上連動しているように見えるが、双方の動作状態を
把握した状態で動作させている訳ではないので、実質的
に連動する制御動作とはなっていなかった。
ボ制御するという動作は行われていたが、この動作は見
掛け上連動しているように見えるが、双方の動作状態を
把握した状態で動作させている訳ではないので、実質的
に連動する制御動作とはなっていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の走査型トンネル
顕微鏡では、粗動機構と微動機構の各動作が独立してお
り、各動作が相互に連動するようには構成されていない
ので、微動機構によって試料表面の所定領域を測定する
動作を行っている最中に、試料表面の凹凸が大きいこと
に起因して微動機構の可動範囲が限界に達した場合に、
測定が不可能になったり、あるいは、探針が逃げ切れな
くなり、探針と試料が衝突して双方が損傷するという問
題が生じた。上記の如き試料表面の凹凸に追従不能によ
る衝突は、凹凸が大きい場合には頻繁に発生し、その度
に走査型トンネル顕微鏡を停止させ、再度、測定動作を
行わせなければならず、測定操作が極めて面倒になると
いう不具合を有していた。
顕微鏡では、粗動機構と微動機構の各動作が独立してお
り、各動作が相互に連動するようには構成されていない
ので、微動機構によって試料表面の所定領域を測定する
動作を行っている最中に、試料表面の凹凸が大きいこと
に起因して微動機構の可動範囲が限界に達した場合に、
測定が不可能になったり、あるいは、探針が逃げ切れな
くなり、探針と試料が衝突して双方が損傷するという問
題が生じた。上記の如き試料表面の凹凸に追従不能によ
る衝突は、凹凸が大きい場合には頻繁に発生し、その度
に走査型トンネル顕微鏡を停止させ、再度、測定動作を
行わせなければならず、測定操作が極めて面倒になると
いう不具合を有していた。
【０００５】本発明の目的は、上記問題に鑑み、粗動機
構と微動機構の動作を連動させるように制御し、もって
試料表面の凹凸が大きい場合にも、この表面に追従でき
るようにした粗動・微動連動型走査型トンネル顕微鏡を
提供することにある。
構と微動機構の動作を連動させるように制御し、もって
試料表面の凹凸が大きい場合にも、この表面に追従でき
るようにした粗動・微動連動型走査型トンネル顕微鏡を
提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る粗動・微動
連動型走査型トンネル顕微鏡は、探針と、試料の表面に
対する探針の位置を大きく変化させる粗動機構と、試料
の表面の上で探針の位置を小さく変化させる微動機構と
、探針と試料との間にトンネル電流を流すための電圧を
印加する電圧印加手段と、トンネル電流を測定する測定
手段と、測定されるトンネル電流値が一定に保持される
ように微動機構を介して探針と試料との間の距離を制御
すると共に、微動機構を介して探針に試料の表面を走査
する微動機構制御手段と、探針で得られる試料の表面に
関するデータを記録・処理するデータ処理手段と、試料
の表面を画像として表示する表示手段を備える走査型ト
ンネル顕微鏡であって、粗動機構の動作を制御する粗動
機構制御手段と、微動機構によって駆動される探針が微
動機構の可動範囲内でどの位置にあるかを検出し、この
検出情報に基づき粗動機構制御手段に指令を与え、探針
が微動機構による可動範囲内にあるように探針の位置を
変位させる微動機構状態検出・判定手段とを備えるよう
に構成される。前記の構成において、粗動機構制御手段
は、微動機構状態検出・判定手段から指令信号を受けた
ときに微動機構制御手段に指令を出し、探針が微動機構
による可動範囲内の適切な位置に存するように、粗動に
よる変位に依存して探針を微動変位させることを特徴と
する。前記の構成において、微動機構状態検出・判定手
段は、探針の微動による位置情報を、微動機構制御装置
または微動機構から得ることを特徴とする。
連動型走査型トンネル顕微鏡は、探針と、試料の表面に
対する探針の位置を大きく変化させる粗動機構と、試料
の表面の上で探針の位置を小さく変化させる微動機構と
、探針と試料との間にトンネル電流を流すための電圧を
印加する電圧印加手段と、トンネル電流を測定する測定
手段と、測定されるトンネル電流値が一定に保持される
ように微動機構を介して探針と試料との間の距離を制御
すると共に、微動機構を介して探針に試料の表面を走査
する微動機構制御手段と、探針で得られる試料の表面に
関するデータを記録・処理するデータ処理手段と、試料
の表面を画像として表示する表示手段を備える走査型ト
ンネル顕微鏡であって、粗動機構の動作を制御する粗動
機構制御手段と、微動機構によって駆動される探針が微
動機構の可動範囲内でどの位置にあるかを検出し、この
検出情報に基づき粗動機構制御手段に指令を与え、探針
が微動機構による可動範囲内にあるように探針の位置を
変位させる微動機構状態検出・判定手段とを備えるよう
に構成される。前記の構成において、粗動機構制御手段
は、微動機構状態検出・判定手段から指令信号を受けた
ときに微動機構制御手段に指令を出し、探針が微動機構
による可動範囲内の適切な位置に存するように、粗動に
よる変位に依存して探針を微動変位させることを特徴と
する。前記の構成において、微動機構状態検出・判定手
段は、探針の微動による位置情報を、微動機構制御装置
または微動機構から得ることを特徴とする。
【０００７】
【作用】本発明による粗動・微動連動型走査型トンネル
顕微鏡では、試料に対する接近・離反方向の探針の変位
について、微動機構による探針の微動変位の状態を監視
しながら、微動機構と粗動機構を連動し得る構成とし、
試料表面の凹凸が大きくて、微動の可動範囲外に移動す
る必要がある時に、微動機構状態検出・判定手段の指令
に基づき粗動機構制御手段および粗動機構を動作させ、
粗動動作により探針を前記の可動範囲外に移動させると
共に、同時に微動機構制御手段と微動機構を動作させ、
微動機構による移動位置を所要の位置に調整する。以上
の一連の動作は自動的に行われる。
顕微鏡では、試料に対する接近・離反方向の探針の変位
について、微動機構による探針の微動変位の状態を監視
しながら、微動機構と粗動機構を連動し得る構成とし、
試料表面の凹凸が大きくて、微動の可動範囲外に移動す
る必要がある時に、微動機構状態検出・判定手段の指令
に基づき粗動機構制御手段および粗動機構を動作させ、
粗動動作により探針を前記の可動範囲外に移動させると
共に、同時に微動機構制御手段と微動機構を動作させ、
微動機構による移動位置を所要の位置に調整する。以上
の一連の動作は自動的に行われる。
【０００８】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明に係る走査型トンネル
顕微鏡のシステム構成を示すブロック図、図２は試料に
対する探針の移動関係を示す斜視図である。図１におい
て１は探針であり、２は試料である。探針１は、試料２
に対して、先端部が試料２の測定表面に対してほぼ直角
の角度で臨むように配置される。探針１は、通常、トン
ネル電流が流れるように伝導性の部材で作られる。図示
例では、探針１は横置き、試料２は縦置きであるが、こ
られの配置姿勢は任意に選択することができる。探針１
は微動機構３に取り付けられる。微動機構３の構造は、
例えばトライポッド微動素子として既知であるため、詳
細に図示しない。トライポッド微動素子について概説す
れば、探針１の軸方向（Ｚ軸方向とする）とこれに直角
なＸ軸及びＹ軸の各方向に関する３つの圧電素子を備え
、Ｚ軸方向圧電素子で、試料２に対する探針１との距離
を調節し、すなわち、試料に対する接近・離反（または
前進・後退）を実行し、Ｘ軸およびＹ軸の各方向の圧電
素子で試料の測定表面の走査を行うように構成されてい
る。各軸方向については、図２に示されている。微動機
構２の各軸方向の変位に関与する圧電素子は、探針１に
数μｍから十数μｍの変位を行わせるための微動用の圧
電素子である。この微動機構２は、さらに、粗動機構４
の前側端に取り付けられる。粗動機構４は、通称インチ
ワームと呼ばれるもので、探針１を大きな移動距離にて
試料２に対して移動させる機能を有する。粗動機構の構
造を概説すると、伸縮を行う粗動用圧電素子と、その前
後に配設された、当該粗動用圧電素子をクランプまたは
アンクランプするための前後のクランプ部とからなる。 粗動機構４では、圧電素子と前後のクランプ部の動作を
適宜なタイミングでそれぞれ動作させることにより、し
ゃくとり虫運動を行い、探針１を粗動させ、探針１と試
料２の距離を変化させる。一方、試料２は試料台５に固
定されている。実際上、粗動機構４や試料台５を支持す
るための他の構成物が周辺に設けられている。しかし、
ここでは、詳細な説明を省略する。
て詳細に説明する。図１は本発明に係る走査型トンネル
顕微鏡のシステム構成を示すブロック図、図２は試料に
対する探針の移動関係を示す斜視図である。図１におい
て１は探針であり、２は試料である。探針１は、試料２
に対して、先端部が試料２の測定表面に対してほぼ直角
の角度で臨むように配置される。探針１は、通常、トン
ネル電流が流れるように伝導性の部材で作られる。図示
例では、探針１は横置き、試料２は縦置きであるが、こ
られの配置姿勢は任意に選択することができる。探針１
は微動機構３に取り付けられる。微動機構３の構造は、
例えばトライポッド微動素子として既知であるため、詳
細に図示しない。トライポッド微動素子について概説す
れば、探針１の軸方向（Ｚ軸方向とする）とこれに直角
なＸ軸及びＹ軸の各方向に関する３つの圧電素子を備え
、Ｚ軸方向圧電素子で、試料２に対する探針１との距離
を調節し、すなわち、試料に対する接近・離反（または
前進・後退）を実行し、Ｘ軸およびＹ軸の各方向の圧電
素子で試料の測定表面の走査を行うように構成されてい
る。各軸方向については、図２に示されている。微動機
構２の各軸方向の変位に関与する圧電素子は、探針１に
数μｍから十数μｍの変位を行わせるための微動用の圧
電素子である。この微動機構２は、さらに、粗動機構４
の前側端に取り付けられる。粗動機構４は、通称インチ
ワームと呼ばれるもので、探針１を大きな移動距離にて
試料２に対して移動させる機能を有する。粗動機構の構
造を概説すると、伸縮を行う粗動用圧電素子と、その前
後に配設された、当該粗動用圧電素子をクランプまたは
アンクランプするための前後のクランプ部とからなる。 粗動機構４では、圧電素子と前後のクランプ部の動作を
適宜なタイミングでそれぞれ動作させることにより、し
ゃくとり虫運動を行い、探針１を粗動させ、探針１と試
料２の距離を変化させる。一方、試料２は試料台５に固
定されている。実際上、粗動機構４や試料台５を支持す
るための他の構成物が周辺に設けられている。しかし、
ここでは、詳細な説明を省略する。
【０００９】探針１と試料２との間には、トンネル電流
検出器６が配設される。トンネル電流検出器６は、内部
にトンネル電流を流すための電源要素を備え、探針１と
試料２との間に比較的に低い所定の電圧を印加している
。かかる状態で、探針１が試料２の表面に対し原子レベ
ルの距離に接近すると、トンネル電流が流れるので、こ
のトンネル電流を検出し、次段の微動機構制御装置７に
信号として与える。微動機構制御装置７は、第１の機能
として、探針１の微動動作を制御するための指令信号を
微動機構３に与え、もって探針１の測定のための微動動
作を制御する機能を有する。前述の通り、微動機構３は
各軸方向のための３つの微動用圧電素子を有し、それぞ
れの微動用圧電素子が微動機構制御装置７によって原則
的に独立して制御される。Ｚ軸方向の微動用圧電素子で
は、微動機構制御装置７内のサーボ回路（図示せず）に
よって、検出されるトンネル電流が常に一定値になるよ
うに、探針１の試料表面に対する距離を一定とするサー
ボ制御が行われる。またＸ軸及びＹ軸の各方向の微動用
圧電素子では、微動機構制御装置７内のＸＹ走査部（図
示せず）によって、測定が必要とされる領域を走査する
ように動作制御が行われる。また、微動機構制御装置４
は、内部にさらに信号処理装置（図示せず）を備えてお
り、第２の機能として、信号処理装置で求められた探針
１のＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の位置データを用いてデータ
表示装置８に試料２の測定表面に関する画像を表示させ
る機能を有している。
検出器６が配設される。トンネル電流検出器６は、内部
にトンネル電流を流すための電源要素を備え、探針１と
試料２との間に比較的に低い所定の電圧を印加している
。かかる状態で、探針１が試料２の表面に対し原子レベ
ルの距離に接近すると、トンネル電流が流れるので、こ
のトンネル電流を検出し、次段の微動機構制御装置７に
信号として与える。微動機構制御装置７は、第１の機能
として、探針１の微動動作を制御するための指令信号を
微動機構３に与え、もって探針１の測定のための微動動
作を制御する機能を有する。前述の通り、微動機構３は
各軸方向のための３つの微動用圧電素子を有し、それぞ
れの微動用圧電素子が微動機構制御装置７によって原則
的に独立して制御される。Ｚ軸方向の微動用圧電素子で
は、微動機構制御装置７内のサーボ回路（図示せず）に
よって、検出されるトンネル電流が常に一定値になるよ
うに、探針１の試料表面に対する距離を一定とするサー
ボ制御が行われる。またＸ軸及びＹ軸の各方向の微動用
圧電素子では、微動機構制御装置７内のＸＹ走査部（図
示せず）によって、測定が必要とされる領域を走査する
ように動作制御が行われる。また、微動機構制御装置４
は、内部にさらに信号処理装置（図示せず）を備えてお
り、第２の機能として、信号処理装置で求められた探針
１のＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の位置データを用いてデータ
表示装置８に試料２の測定表面に関する画像を表示させ
る機能を有している。
【００１０】次に、９は粗動機構制御装置である。この
粗動機構制御装置９は、前述の粗動機構４による探針１
の粗動による接近・離反動作を制御するための手段であ
る。粗動機構制御装置９は、粗動用圧電素子の伸縮動作
、前後のクランプ部のクランプ・アンクランプの各動作
を適切なタイミングで制御し、粗動機構４にしゃくとり
虫的な運動を行わせ、探針１に粗動移動を行わせる。 この構成および動作は既知であるので、詳細な説明は省
略する。
粗動機構制御装置９は、前述の粗動機構４による探針１
の粗動による接近・離反動作を制御するための手段であ
る。粗動機構制御装置９は、粗動用圧電素子の伸縮動作
、前後のクランプ部のクランプ・アンクランプの各動作
を適切なタイミングで制御し、粗動機構４にしゃくとり
虫的な運動を行わせ、探針１に粗動移動を行わせる。 この構成および動作は既知であるので、詳細な説明は省
略する。
【００１１】図２を参照すると、探針１と試料２の測定
表面との位置関係、および探針１の移動方向が明確に理
解される。
表面との位置関係、および探針１の移動方向が明確に理
解される。
【００１２】次に、微動機構制御装置７と粗動機構制御
装置９との間には、さらに微動機構状態検出・判定装置
１０が配設される。微動機構状態検出・判定装置１０は
、微動機構制御装置７から探針１のＺ軸方向の位置デー
タを入力し、この位置データを、微動機構３のＺ軸方向
の圧電素子の動作性能に関する基準データと比較し、こ
の微動用圧電素子による変位だけでは、必要とされる位
置変化を探針１に与えることができないと判断されたと
きには、粗動機構制御装置９を動作させるという機能を
有する。また粗動機構制御装置９は、微動機構状態検出
・判定装置１０の動作指令に基づき粗動機構４を動作さ
せる時には、必要に応じて、微動機構制御装置７に対し
、探針１の位置に関し所要の位置調整を行うための指令
信号を与えるように、構成されている。微動機構状態検
出・判定装置１０の検出動作に伴う微動機構制御装置７
と粗動機構制御装置９の各制御動作の具体例について説
明する。微動機構状態検出・判定装置１０は、微動機構
制御装置７および微動機構３の各動作に基づいて探針１
が試料２の所定表面の凹凸に追従して走査を行っている
状態において、次のような条件（１）〜（３）が発生し
たとき、粗動機構制御装置９を動作させ、探針１のＺ軸
方向の位置を、微動機構３と粗動機構４の各動作の合成
動作により、制御する。
装置９との間には、さらに微動機構状態検出・判定装置
１０が配設される。微動機構状態検出・判定装置１０は
、微動機構制御装置７から探針１のＺ軸方向の位置デー
タを入力し、この位置データを、微動機構３のＺ軸方向
の圧電素子の動作性能に関する基準データと比較し、こ
の微動用圧電素子による変位だけでは、必要とされる位
置変化を探針１に与えることができないと判断されたと
きには、粗動機構制御装置９を動作させるという機能を
有する。また粗動機構制御装置９は、微動機構状態検出
・判定装置１０の動作指令に基づき粗動機構４を動作さ
せる時には、必要に応じて、微動機構制御装置７に対し
、探針１の位置に関し所要の位置調整を行うための指令
信号を与えるように、構成されている。微動機構状態検
出・判定装置１０の検出動作に伴う微動機構制御装置７
と粗動機構制御装置９の各制御動作の具体例について説
明する。微動機構状態検出・判定装置１０は、微動機構
制御装置７および微動機構３の各動作に基づいて探針１
が試料２の所定表面の凹凸に追従して走査を行っている
状態において、次のような条件（１）〜（３）が発生し
たとき、粗動機構制御装置９を動作させ、探針１のＺ軸
方向の位置を、微動機構３と粗動機構４の各動作の合成
動作により、制御する。
【００１３】（１） 微動機構３のＺ軸方向の圧電素
子が、離反動作にてその可動範囲の限界（または任意に
設定されたしきい値の距離）に到達した場合、粗動機構
制御装置９の制御動作を介して、粗動機構４に離反方向
の移動動作を行わせる。その粗動機構４による移動量は
、例えば、微動機構３による前記圧電素子の可動範囲の
１／２である。同時に、粗動機構制御装置９は、微動機
構制御装置７に対して、微動機構３による探針１の位置
を、微動機構３による可動範囲の中心位置に変位させる
制御を行うように指令を出す。これにより、粗動機構４
による所定量の移動の後には、微動機構３による可動範
囲の中心付近で探針１の微動動作が継続できる。 （２） 微動機構３のＺ軸方向の圧電素子が、接近動
作にてその可動範囲の限界（または任意に設定されたし
きい値の距離）に到達した場合、粗動機構制御装置９の
制御動作を介して、粗動機構４に接近方向の移動動作を
行わせる。その粗動機構４による移動量は、例えば、微
動機構３による前記圧電素子の可動範囲の１／２である
。 この制御の場合には、粗動機構制御装置９は、微動機構
制御装置７に対して、微動機構３によって駆動される探
針１の位置を、微動機構による可動範囲の離反方向側の
端部に変位させる制御を行うように指令を出す。粗動機
構４による所定量の移動の後には、微動機構制御装置７
により再びトンネル電流が検出されるまでの位置に探針
１を接近動作させ、測定のための微動動作が継続される
。 （３） 微動機構３による探針１の移動が、可動範囲
における接近方向および離反方向の各限界の間を振動し
、安定しない場合には、粗動機構制御装置９により粗動
機構４で可動範囲の接近方向の限界に達しないように探
針１を大きく離反方向に移動させる。このような状況は
、前述した（１）と（２）の状況がほとんど同時に発生
した場合である。この状況は、振動作用によって探針１
と試料２の距離が変動する場合、または表面の凹凸が激
しい試料２を、制御系の応答速度よりも高い速度で測定
しようとする場合に発生する。
子が、離反動作にてその可動範囲の限界（または任意に
設定されたしきい値の距離）に到達した場合、粗動機構
制御装置９の制御動作を介して、粗動機構４に離反方向
の移動動作を行わせる。その粗動機構４による移動量は
、例えば、微動機構３による前記圧電素子の可動範囲の
１／２である。同時に、粗動機構制御装置９は、微動機
構制御装置７に対して、微動機構３による探針１の位置
を、微動機構３による可動範囲の中心位置に変位させる
制御を行うように指令を出す。これにより、粗動機構４
による所定量の移動の後には、微動機構３による可動範
囲の中心付近で探針１の微動動作が継続できる。 （２） 微動機構３のＺ軸方向の圧電素子が、接近動
作にてその可動範囲の限界（または任意に設定されたし
きい値の距離）に到達した場合、粗動機構制御装置９の
制御動作を介して、粗動機構４に接近方向の移動動作を
行わせる。その粗動機構４による移動量は、例えば、微
動機構３による前記圧電素子の可動範囲の１／２である
。 この制御の場合には、粗動機構制御装置９は、微動機構
制御装置７に対して、微動機構３によって駆動される探
針１の位置を、微動機構による可動範囲の離反方向側の
端部に変位させる制御を行うように指令を出す。粗動機
構４による所定量の移動の後には、微動機構制御装置７
により再びトンネル電流が検出されるまでの位置に探針
１を接近動作させ、測定のための微動動作が継続される
。 （３） 微動機構３による探針１の移動が、可動範囲
における接近方向および離反方向の各限界の間を振動し
、安定しない場合には、粗動機構制御装置９により粗動
機構４で可動範囲の接近方向の限界に達しないように探
針１を大きく離反方向に移動させる。このような状況は
、前述した（１）と（２）の状況がほとんど同時に発生
した場合である。この状況は、振動作用によって探針１
と試料２の距離が変動する場合、または表面の凹凸が激
しい試料２を、制御系の応答速度よりも高い速度で測定
しようとする場合に発生する。
【００１４】以上の（１）〜（３）のそれぞれの条件を
判定するにあたって、微動機構状態検出・判定装置１０
は、内部に演算処理手段および判定手段を備える。そし
て、これらの手段によって、探針１と試料２の表面との
位置データを取り込み、予め微動機構３のＺ軸方向の圧
電素子の可動範囲の限界等を示すデータとを比較し、所
要の条件を満たすときに、前述の各制御を実行するため
の指令を、粗動機構制御装置９に出力する。
判定するにあたって、微動機構状態検出・判定装置１０
は、内部に演算処理手段および判定手段を備える。そし
て、これらの手段によって、探針１と試料２の表面との
位置データを取り込み、予め微動機構３のＺ軸方向の圧
電素子の可動範囲の限界等を示すデータとを比較し、所
要の条件を満たすときに、前述の各制御を実行するため
の指令を、粗動機構制御装置９に出力する。
【００１５】前記実施例では、微動機構状態検出・判定
装置１０は、微動機構制御装置７から探針１の位置デー
タを得ていたが、微動機構２から直接的に位置データを
得るように構成することもできる。
装置１０は、微動機構制御装置７から探針１の位置デー
タを得ていたが、微動機構２から直接的に位置データを
得るように構成することもできる。
【００１６】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、探針の移動に関し微動機構による移動動作と粗
動機構による移動動作とを所定条件下で連動できるよう
に構成したため、微動機構による試料表面の測定動作中
に接近・離反方向の可動範囲の限界に達した場合、粗動
機構を動作させることにより実質的に可動範囲を拡大す
ることができ、探針と試料の衝突を防ぎ、その損傷を防
止することができる。またかかる連動動作は自動的に行
えるようにしたため、特別に操作者が監視している必要
もない。さらに従来の走査型トンネル顕微鏡では、試料
表面の凹凸が大きなものでは、衝突が頻繁に起き、１回
の測定動作では完遂できなかったが、本発明による走査
型トンネル顕微鏡では衝突を確実に避けることができる
ので、１回の測定動作で測定を完了することが可能にな
った。
よれば、探針の移動に関し微動機構による移動動作と粗
動機構による移動動作とを所定条件下で連動できるよう
に構成したため、微動機構による試料表面の測定動作中
に接近・離反方向の可動範囲の限界に達した場合、粗動
機構を動作させることにより実質的に可動範囲を拡大す
ることができ、探針と試料の衝突を防ぎ、その損傷を防
止することができる。またかかる連動動作は自動的に行
えるようにしたため、特別に操作者が監視している必要
もない。さらに従来の走査型トンネル顕微鏡では、試料
表面の凹凸が大きなものでは、衝突が頻繁に起き、１回
の測定動作では完遂できなかったが、本発明による走査
型トンネル顕微鏡では衝突を確実に避けることができる
ので、１回の測定動作で測定を完了することが可能にな
った。
【図１】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の構成を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図２】探針と試料の表面との移動関係を図解するため
の要部斜視図である。
の要部斜視図である。
１ 探針
２ 試料
３ 微動機構
４ 粗動機構
５ 試料台
Claims (4)
- 【請求項１】 探針と、試料の表面に対する前記探針
の位置を大きく変化させる粗動機構と、前記試料の表面
の上で前記探針の位置を小さく変化させる微動機構と、
前記探針と前記試料との間にトンネル電流を流すための
電圧を印加する電圧印加手段と、前記トンネル電流を測
定する測定手段と、測定されるトンネル電流値が一定に
保持されるように前記微動機構を介して前記探針と前記
試料との間の距離を制御すると共に、前記微動機構を介
して前記探針に前記試料の表面を走査する微動機構制御
手段と、前記探針で得られる前記試料の表面に関するデ
ータを記録・処理するデータ処理手段と、前記試料の表
面を画像として表示する表示手段を備える走査型トンネ
ル顕微鏡において、前記粗動機構の動作を制御する粗動
機構制御手段と、前記微動機構によって駆動される前記
探針が前記微動機構の可動範囲内にてどの位置にあるか
を検出し、この検出情報に基づき前記粗動機構制御手段
に指令を与え、前記探針が前記微動機構による可動範囲
内にあるように前記探針の位置を変位させる微動機構状
態検出・判定手段とを備えたことを特徴とする粗動・微
動連動型走査型トンネル顕微鏡。 - 【請求項２】 請求項１記載の粗動・微動連動型走査
型トンネル顕微鏡において、前記粗動機構制御手段は、
前記微動機構状態検出・判定手段から指令信号を受けた
ときに前記微動機構制御手段に指令を出し、探針が前記
微動機構による可動範囲内の適切な位置に存するように
、粗動による変位に依存して前記探針を微動変位させる
ことを特徴とする粗動・微動連動型走査型トンネル顕微
鏡。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の粗動・微動連
動型走査型トンネル顕微鏡において、前記微動機構状態
検出・判定手段は、前記探針の微動による位置情報を、
前記微動機構制御装置から得ることを特徴とする粗動・
微動連動型走査型トンネル顕微鏡。 - 【請求項４】 請求項１または２記載の粗動・微動連
動型走査型トンネル顕微鏡において、前記微動機構状態
検出・判定手段は、前記探針の微動による位置情報を、
前記微動機構から得ることを特徴とする粗動・微動連動
型走査型トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8528091A JPH04318404A (ja) | 1991-04-17 | 1991-04-17 | 走査型顕微鏡及びその探針制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8528091A JPH04318404A (ja) | 1991-04-17 | 1991-04-17 | 走査型顕微鏡及びその探針制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04318404A true JPH04318404A (ja) | 1992-11-10 |
Family
ID=13854158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8528091A Pending JPH04318404A (ja) | 1991-04-17 | 1991-04-17 | 走査型顕微鏡及びその探針制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04318404A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5773824A (en) * | 1997-04-23 | 1998-06-30 | International Business Machines Corporation | Method for improving measurement accuracy using active lateral scanning control of a probe |
| US5801381A (en) * | 1997-05-21 | 1998-09-01 | International Business Machines Corporation | Method for protecting a probe tip using active lateral scanning control |
| US5902928A (en) * | 1997-06-02 | 1999-05-11 | International Business Machines Corporation | Controlling engagement of a scanning microscope probe with a segmented piezoelectric actuator |
| JP2008304211A (ja) * | 2007-06-05 | 2008-12-18 | Jeol Ltd | カンチレバの自動チューニング方法 |
-
1991
- 1991-04-17 JP JP8528091A patent/JPH04318404A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5773824A (en) * | 1997-04-23 | 1998-06-30 | International Business Machines Corporation | Method for improving measurement accuracy using active lateral scanning control of a probe |
| US5801381A (en) * | 1997-05-21 | 1998-09-01 | International Business Machines Corporation | Method for protecting a probe tip using active lateral scanning control |
| US5902928A (en) * | 1997-06-02 | 1999-05-11 | International Business Machines Corporation | Controlling engagement of a scanning microscope probe with a segmented piezoelectric actuator |
| JP2008304211A (ja) * | 2007-06-05 | 2008-12-18 | Jeol Ltd | カンチレバの自動チューニング方法 |
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