JPH05332714A - 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 探針を変位させたとき、その変位方向以外の
方向の微小変位の発生を防止することができるトンネル
顕微鏡の微動機構を提供すること。 【構成】 基部部材１の支持部１ａ、１ｂ、１ｃには圧
電素子２Ｘ、２Ｙ、２Ｚが支持されている。圧電素子２
Ｚには直接に、又、圧電素子２Ｘ、２Ｙには平行平板構
造１０Ｘ、１０Ｙを介して絶縁部材３が固定され、これ
に探針５を取付けた取付部４が固定される。圧電素子２
Ｚを駆動すると、探針５はＺ軸方向に変位するが、この
とき平行平板構造１０Ｘ、１０Ｙが変形して絶縁部材３
は平行移動し、圧電素子２Ｘ、２Ｙは圧電素子２Ｚの駆
動力による変形を生じない。したがって、探針５のＺ軸
方向以外の方向の変位は防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は探針と試料表面との間に
流れるトンネル電流を利用して各種測定を行う走査型ト
ンネル顕微鏡の微動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下、単にトン
ネル顕微鏡という）は、例えば、試料表面の原子レベル
の凹凸の測定に用いられる。この測定は、トンネル顕微
鏡の探針と試料表面とが原子レベルの距離に接近したと
き両者の間に生じるトンネル現象により、当該両者の間
に流れるトンネル電流を利用して行われる。即ち、探針
又は試料をトンネル電流が流れる距離に調整保持しなが
ら移動させ、その移動の間の探針と試料表面との距離の
変化をみることにより試料表面の凹凸を測定することが
できる。

【０００３】探針と試料表面との間の距離の調整および
試料表面に平行な面の探針の走査は、圧電素子で構成さ
れる微動機構により行われる。この微動機構としては、
トライポッド形式のものが広く用いられている。このト
ライポッド形式を利用した微動機構を図により説明す
る。

【０００４】図５は従来のトンネル顕微鏡の微動機構の
斜視図である。図で、Ｘ、Ｙ、Ｚは互いに直交する座標
軸を示す。１は基部部材であり、微動機構を試料に対し
て比較的大きく移動させるための図示しない粗動機構に
載置される。基部部材１には、その先端部分に支持部１
ａ、１ｂが、又、後端部に直立する支持部１ｃが形成さ
れている。２Ｘは支持部１ａに支持され、電圧の印加に
よりＸ軸方向に伸縮する積層型圧電素子、２Ｙは支持部
１ｂに支持され、電圧の印加によりＹ軸方向に伸縮する
積層型圧電素子、２Ｚは支持部１ｃに支持され、電圧の
印加によりＺ軸方向に伸縮する積層型圧電素子である。
圧電素子２Ｘ、２Ｙは探針を走査させるためのアクチュ
エータ、圧電素子２Ｚは探針を試料表面に対して調整変
位（前進、後退）させるアクチュエータとして用いられ
る。各圧電素子２Ｘ、２Ｙ、２Ｚは、それらの軸の延長
線が一点で交わるように配置されている。

【０００５】３は各圧電素子２Ｘ〜２Ｚの端部に固定さ
れた絶縁部材、４は絶縁部材３に固定された取付部であ
る。取付部４は導電体で構成されている。５は取付部４
にねじ６により取付けられた探針であり、その先端は図
示しない試料の表面と対向している。

【０００６】圧電素子２Ｚは電圧が印加されることによ
りＺ軸方向に伸長し、絶縁部材３、取付部４を介して探
針５を試料表面に接近させる。探針５と試料表面との距
離が原子レベルの距離になったとき、両者の間にはトン
ネル電流が流れる。又、走査部により圧電素子２Ｘ、２
Ｙに適切な電圧を印加すると両者は伸縮変位し、探針５
はＸ軸又はＹ軸方向に沿って走査せしめられる。トンネ
ル顕微鏡では、検出回路により当該トンネル電流を検出
し、探針位置制御部により走査中のトンネル電流を一定
にするように、即ち、走査中の探針５と試料表面との距
離が一定になるように、圧電素子２Ｚの印加電圧を制御
して探針５の位置を制御し、さらに、演算部により探針
５の位置の変化に関するデータを収拾し、処理する。こ
れにより、試料表面の凹凸が測定される。なお、上記走
査部、検出回路、探針位置制御部、および演算部は図示
されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記微動機構におい
て、圧電素子２Ｚに電圧を印加し、これを伸長させて探
針５をＺ軸方向に変位させると、これと同時に探針５に
Ｘ軸およびＹ軸方向の変位も生じ、このため試料表面の
凹凸の測定精度が低下するという問題が生じていた。こ
れを図６〜図９を参照しながら説明する。

【０００８】図６および図７は図５に示す微動機構の側
面図であり、図６は圧電素子２Ｚに電圧が印加されてい
ない状態、図７は圧電素子２Ｚに電圧が印加された状態
を示す。各図で、図５に示す部分と同一部分には同一符
号が付してある。Ｐ₀ は図６に示す状態における探針５
の先端位置を示す。圧電素子２Ｚに電圧が印加される
と、図７に示すように、探針５はＺ軸方向にΔＺだけ変
位すると同時に、この変位により圧電素子２Ｘ、２Ｙに
曲げ変形が生じて絶縁部３が角度θだけ傾き、この結
果、探針５の先端は上下方向にΔＨだけずれて位置Ｐ₁
に変位する。圧電素子２Ｘ、２Ｙは紙面に対して４５度
傾斜しているので、Ｘ方向およびＹ方向の変位は、ΔＨ
／（２）^1/2 となる。なお、上記の各変位および角度は
理解を容易にするため図７では極端に誇張して描かれて
いる。

【０００９】図８および図９は上記角度θを求めるため
の説明図である。各図で、８は圧電素子２Ｘ、２Ｙをモ
デル化した梁を示す。Ｌは梁８の長さ、θは梁８の傾
き、Ｗは圧電素子２Ｚが伸長したときに圧電素子２Ｘ、
２Ｙを押す力を示す。梁８の下端は拘束され、上端は自
由端となっている。今、梁８の断面二次モーメントを
Ｉ、梁８の縦弾性係数をＥとすると、傾きθは、 θ＝ＷＬ² ／２ＥＩ で表される。

【００１０】上記のように、圧電素子２Ｚの微動に応じ
て圧電素子２Ｘ、２Ｙに曲げ変形が発生し、探針５の先
端はＸ軸およびＹ軸方向に微小変位を生じ、この微小変
位は探針５の走査とは無関係に発生する。ところで、探
針５はその走査中、試料表面の凹凸に応じて絶えず微動
せしめられるので、この微動に応じて当該微小変位も絶
えず発生し、この微小変位は、結局、走査におけるＸＹ
座標の誤差となり、その結果、トンネル顕微鏡の像にひ
ずみを生じさせることになる。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、上記微小変位の発生を防止することがで
き、正確な像を得ることができるトンネル顕微鏡の微動
機構を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、支持構造に支持され試料表面と対向する
探針と、この探針を前記試料表面に沿って走査させる２
つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向に沿って
微動させる他のアクチュエータとを備え、前記各アクチ
ュエータをその伸縮方向が互いに直交するように配置し
た走査型トンネル顕微鏡において、前記探針を走査させ
る２つのアクチュエータをそれぞれ、走査面と平行な方
向に剛性が高くかつ前記探針の軸方向には剛性が低い平
行平板構造を介して前記支持構造に結合したことを特徴
とする。

【００１３】

【作用】上記他のアクチュエータを駆動すると、支持構
造が変位して探針を試料表面に接近させる。一方、当該
支持構造の変位により平行平板構造は変形を生じ、上記
２つのアクチュエータに何等の影響も及ぼすことなく、
支持構造をその変位方向、即ち探針の軸方向に平行に変
位させる。これにより、探針にはその軸方向の変位のみ
発生し、他の方向の変位は防止される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１は本発明の実施例に係るトンネル顕微鏡の微
動機構の斜視図である。図で、図５に示す部分と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。１０Ｘは圧電
素子２Ｘと絶縁部材３の下面との間に介在固定された平
行平板構造、１０Ｙは圧電素子２Ｙと絶縁部材３の下面
との間に介在固定された平行平板構造である。他の部分
の構成は、図５に示すものと同じである。

【００１５】図２は図１に示す平行平板構造の斜視図で
ある。図で、１０は平行平板構造を示す。この平行平板
構造は、剛体部１１ａ、１１ｂ、およびこれら剛体部１
１ａ、１１ｂ間に連結された弾性平板１２ａ、１２ｂで
構成されている。弾性平板１２ａ、１２ｂは互いに平行
関係にある。この平行平板構造１０は方形の剛体ブロッ
クに貫通孔を形成することにより構成される。図１に示
す平行平板構造１０Ｘは図２に示す平行平板構造の剛体
部１１ａを絶縁部材３と連結し、剛体部１１ｂを圧電素
子２Ｘと連結したものであり、同じく、平行平板構造１
０Ｙは図２に示す平行平板構造の剛体部１１ａを絶縁部
材３と連結し、剛体部１１ｂを圧電素子２Ｙと連結した
ものである。したがって、各平行平板構造１０Ｘ、１０
Ｙの弾性平板１２ａ、１２ｂの面は、圧電素子２Ｚの軸
に対して垂直な面となる。

【００１６】次に、本実施例の動作を図３および図４を
参照して説明する。図３および図４は図１に示す微動機
構の側面図であり、図３は圧電素子２Ｚに電圧が印加さ
れていない状態、図４は圧電素子２Ｚに電圧が印加され
た状態を示す。各図で、図１に示す部分と同一部分には
同一符号が付してある。圧電素子２Ｚに電圧が印加され
ていない状態では平行平板構造１０Ｘ、１０Ｙには何等
の力も作用せず、図３に示すように各平行平板構造１０
Ｘ、１０Ｙは変形しない。

【００１７】圧電素子２Ｚに電圧が印加されると、絶縁
部材３がＺ軸方向に押圧され、これに連結された各平行
平板構造１０Ｘ、１０Ｙの剛体部１１ａも同一方向に押
圧される。各平行平板構造１０Ｘ、１０Ｙの剛体部１１
ｂは各圧電素子２Ｘ、２Ｙに拘束されているので、各剛
体部１１ａが押圧されることにより各弾性平板１２ａ、
１２ｂには図４に示すように、剛体部１１ａを平行に変
位させるという平行平板構造特有の曲げ変形が生じ、各
剛体部１１ａ、絶縁部材３、したがって探針５はＺ軸方
向に平行に変位する。この場合、圧電素子２Ｘ、２Ｙは
変形せず、探針５の上下方向の動きはほぼ０となる。

【００１８】なお、圧電素子２Ｘ、２Ｙの伸縮方向の力
に対して、各平行平板構造１０Ｘ、１０Ｙの弾性平板１
２ａ、１２ｂは剛性が高いので、圧電素子２Ｘ、２Ｙに
よる探針５の走査は、各平行平板構造１０Ｘ、１０Ｙが
介在していても何等支障なく実施することができる。

【００１９】このように、本実施例では、圧電素子２
Ｘ、２Ｙと絶縁部材３との間に平行平板構造１０Ｘ、１
０Ｙを、それらの弾性平板１２ａ、１２ｂの面が圧電素
子２Ｚの軸方向と垂直になるように介在させたので、Ｘ
軸方向、Ｙ軸方向の微小変位の発生を防止することがで
き、正確なトンネル顕微鏡像を得ることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、探針を
走査させる２つのアクチュエータをそれぞれ、走査面と
平行な方向に剛性が高くかつ前記探針の軸方向には剛性
が低い平行平板構造を介して前記支持構造に結合したの
で、他のアクチュエータを駆動して探針を変位させたと
き生じる当該変位方向以外の方向の微小変位をなくすこ
とができ、ひいては、正確なトンネル顕微鏡像を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るトンネル顕微鏡の微動機
構の斜視図である。

【図２】図１に示す平行平板構造の斜視図である。

【図３】図１に示す微動機構の斜視図である。

【図４】図１に示す微動機構の斜視図である。

【図５】従来のトンネル顕微鏡の微動機構の斜視図であ
る。

【図６】図５に示す微動機構の斜視図である。

【図７】図５に示す微動機構の斜視図である。

【図８】図７に示す角度θを求めるための説明図であ
る。

【図９】図７に示す角度θを求めるための説明図であ
る。

【符号の説明】

２Ｘ、２Ｙ、２Ｚ 圧電素子 ３ 絶縁部材 ４ 取付部 ５ 探針 １０Ｘ、１０Ｙ 平行平板構造

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持構造に支持され試料表面と対向する
   探針と、この探針を前記試料表面に沿って走査させる２
   つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向に沿って
   微動させる他のアクチュエータとを備え、前記各アクチ
   ュエータをその伸縮方向が互いに直交するように配置し
   た走査型トンネル顕微鏡の微動機構において、前記探針
   を走査させる２つのアクチュエータをそれぞれ、走査面
   と平行な方向に剛性が高くかつ前記探針の軸方向には剛
   性が低い平行平板構造を介して前記支持構造に結合した
   ことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の微動機構。