JPH0579812A - 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡の微動機構Info
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- JPH0579812A JPH0579812A JP23971391A JP23971391A JPH0579812A JP H0579812 A JPH0579812 A JP H0579812A JP 23971391 A JP23971391 A JP 23971391A JP 23971391 A JP23971391 A JP 23971391A JP H0579812 A JPH0579812 A JP H0579812A
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- Japan
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- actuator
- axial direction
- fine movement
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ＳＴＭの微動機構探針で、探針をその軸方向
に前進又は後退させるアクチュエータが伸長して探針が
軸方向（Ｚ方向）に動いても、Ｘ及びＹの各方向に探針
の変位が生じない構造とする。 【構成】 探針を試料の表面に沿ってスキャン動作させ
る２つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向に微
動させるアクチュエータとを備え、３つの前記アクチュ
エータが相互に直交するトライポッド形式を有するもの
であって、探針と試料との距離を調整するため探針を軸
方向に微動させるアクチュエータを、このアクチュエー
タの伸縮方向の軸線が、スキャン動作のための２つのア
クチュエータのそれぞれの伸縮方向の中間点を結ぶ線分
の中点を通るように、配置する。また、所定条件を満た
すように、探針を軸方向に微動させるアクチュエータの
配置位置を、スキャン用のアクチュエータに対してずら
すだけでもよい。
に前進又は後退させるアクチュエータが伸長して探針が
軸方向（Ｚ方向）に動いても、Ｘ及びＹの各方向に探針
の変位が生じない構造とする。 【構成】 探針を試料の表面に沿ってスキャン動作させ
る２つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向に微
動させるアクチュエータとを備え、３つの前記アクチュ
エータが相互に直交するトライポッド形式を有するもの
であって、探針と試料との距離を調整するため探針を軸
方向に微動させるアクチュエータを、このアクチュエー
タの伸縮方向の軸線が、スキャン動作のための２つのア
クチュエータのそれぞれの伸縮方向の中間点を結ぶ線分
の中点を通るように、配置する。また、所定条件を満た
すように、探針を軸方向に微動させるアクチュエータの
配置位置を、スキャン用のアクチュエータに対してずら
すだけでもよい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡の
微動機構に係り、特に探針の軸方向の微動において精度
の高い移動を行うことができる走査型トンネル顕微鏡の
微動機構に関する。
微動機構に係り、特に探針の軸方向の微動において精度
の高い移動を行うことができる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、ＳＴＭと
記す）は、例えば試料表面の原子レベルの凹凸を測定す
るために利用される。ＳＴＭの探針が試料の表面を測定
する場合には、探針と試料との間に流れるトンネル電流
を利用する。２つの物質の間に生じるトンネル現象を利
用してトンネル電流を流すため、探針は、試料表面に極
めて小さい距離（原子レベルの距離）で接近するよう
に、その位置を変化される。試料表面の凹凸に応じて、
試料の表面と探針との距離を調整するために、探針の微
動機構は、探針を軸方向に移動させる微動用圧電素子を
備える。また探針にトンネル電流が流れる状態におい
て、探針が試料の表面を測定するために、スキャン動作
を行う。このスキャン動作は、試料表面に平行なＸ−Ｙ
平面内にて行われ、その動作のための圧電素子を備え
る。
記す）は、例えば試料表面の原子レベルの凹凸を測定す
るために利用される。ＳＴＭの探針が試料の表面を測定
する場合には、探針と試料との間に流れるトンネル電流
を利用する。２つの物質の間に生じるトンネル現象を利
用してトンネル電流を流すため、探針は、試料表面に極
めて小さい距離（原子レベルの距離）で接近するよう
に、その位置を変化される。試料表面の凹凸に応じて、
試料の表面と探針との距離を調整するために、探針の微
動機構は、探針を軸方向に移動させる微動用圧電素子を
備える。また探針にトンネル電流が流れる状態におい
て、探針が試料の表面を測定するために、スキャン動作
を行う。このスキャン動作は、試料表面に平行なＸ−Ｙ
平面内にて行われ、その動作のための圧電素子を備え
る。
【０００３】ＳＴＭの探針の微動機構には、文献「精密
位置決め技術」井沢 実，工業調査会(1989)，２５０頁
の表１，２に記載されるように、各種のものが存在す
る。その中でも、トライポッド形式は広くＳＴＭにおい
て使用されている。その一例を図６に示す。
位置決め技術」井沢 実，工業調査会(1989)，２５０頁
の表１，２に記載されるように、各種のものが存在す
る。その中でも、トライポッド形式は広くＳＴＭにおい
て使用されている。その一例を図６に示す。
【０００４】図６において、１は固定用の基部部材であ
る。基部部材１は図示されない固着手段によりＳＴＭの
粗動機構等の本体に取付けられる。２Ａ，２Ｂ，２Ｃは
棒状の形状を有する圧電素子である。基部部材１の手前
側に位置する２本の圧電素子２Ａ，２Ｂは探針をスキャ
ン動作させるためのアクチュエータである。圧電素子２
Ａ，２Ｂは、各々の軸方向が直交している。基部部材１
の後側位置に配設された圧電素子２Ｃは、探針と試料の
位置関係を調整するため、探針の軸方向に微動（前進・
後退）させるためのアクチュエータである。上記の各圧
電素子は、所要の伸縮量が生じるように積層構造で形成
されている。前記の基部部材１の形態は全体的にほぼＬ
字型を有し、前縁に圧電素子２Ａ，２Ｂのそれぞれの一
端を支持固定する片部１ａ，１ｂが形成され、後縁に圧
電素子２Ｃの一端を支持固定する立設された片部１ｃが
形成されている。
る。基部部材１は図示されない固着手段によりＳＴＭの
粗動機構等の本体に取付けられる。２Ａ，２Ｂ，２Ｃは
棒状の形状を有する圧電素子である。基部部材１の手前
側に位置する２本の圧電素子２Ａ，２Ｂは探針をスキャ
ン動作させるためのアクチュエータである。圧電素子２
Ａ，２Ｂは、各々の軸方向が直交している。基部部材１
の後側位置に配設された圧電素子２Ｃは、探針と試料の
位置関係を調整するため、探針の軸方向に微動（前進・
後退）させるためのアクチュエータである。上記の各圧
電素子は、所要の伸縮量が生じるように積層構造で形成
されている。前記の基部部材１の形態は全体的にほぼＬ
字型を有し、前縁に圧電素子２Ａ，２Ｂのそれぞれの一
端を支持固定する片部１ａ，１ｂが形成され、後縁に圧
電素子２Ｃの一端を支持固定する立設された片部１ｃが
形成されている。
【０００５】基部部材１における圧電素子２Ａ，２Ｂ，
２Ｃの配置状態では、圧電素子２Ａ，２Ｂは互いに直交
する位置関係に配置され、圧電素子２Ｃの軸方向は探針
の軸方向と同じ方向であり、且つ圧電素子２Ｃは圧電素
子２Ａ，２Ｂのそれぞれに直交している。また図６中に
おいて、３Ａ〜３Ｃは圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれに
駆動電圧を給電する電源ラインである。
２Ｃの配置状態では、圧電素子２Ａ，２Ｂは互いに直交
する位置関係に配置され、圧電素子２Ｃの軸方向は探針
の軸方向と同じ方向であり、且つ圧電素子２Ｃは圧電素
子２Ａ，２Ｂのそれぞれに直交している。また図６中に
おいて、３Ａ〜３Ｃは圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれに
駆動電圧を給電する電源ラインである。
【０００６】４は探針であり、この探針４はその先端が
図６中において手前方向に向くように配置される。探針
４は探針取付け部５にネジ６で固定される。探針取付け
部５は導電体部材で形成される。探針取付け部５に接続
されたライン７は、探針４にトンネル電流を流すための
印加電圧を与える電源ラインである。トンネル電流は探
針４と測定対象である試料の測定面の距離が原子レベル
の距離になったときに探針４に流れる。ＳＴＭの構成と
しては、その他に電気系統として、前記印加電圧を発生
する回路部、探針４に流れるトンネル電流を検出する検
出回路、流れたトンネル電流を一定とするために、試料
測定面に対する探針４の距離を一定に制御する探針位置
制御回路部、探針をスキャン動作させる走査部、探針の
位置変化に関するデータを収集し、データ処理する演算
部等の構成要素を有しているが、それらの図示は省略さ
れる。
図６中において手前方向に向くように配置される。探針
４は探針取付け部５にネジ６で固定される。探針取付け
部５は導電体部材で形成される。探針取付け部５に接続
されたライン７は、探針４にトンネル電流を流すための
印加電圧を与える電源ラインである。トンネル電流は探
針４と測定対象である試料の測定面の距離が原子レベル
の距離になったときに探針４に流れる。ＳＴＭの構成と
しては、その他に電気系統として、前記印加電圧を発生
する回路部、探針４に流れるトンネル電流を検出する検
出回路、流れたトンネル電流を一定とするために、試料
測定面に対する探針４の距離を一定に制御する探針位置
制御回路部、探針をスキャン動作させる走査部、探針の
位置変化に関するデータを収集し、データ処理する演算
部等の構成要素を有しているが、それらの図示は省略さ
れる。
【０００７】８は探針取付け部５を取付け、支持する絶
縁体で、同時に前記圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれの他
端を固着している。探針取付け部５は接着剤によって絶
縁体８に固定される。絶縁体８の機能は、トンネル電流
が流れる探針取付け部５と、駆動電圧の印加を受けて伸
縮する圧電素子２Ａ〜２Ｃとの間を電気的に遮断するこ
とにある。
縁体で、同時に前記圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれの他
端を固着している。探針取付け部５は接着剤によって絶
縁体８に固定される。絶縁体８の機能は、トンネル電流
が流れる探針取付け部５と、駆動電圧の印加を受けて伸
縮する圧電素子２Ａ〜２Ｃとの間を電気的に遮断するこ
とにある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】図６に示されたトライ
ポッド形式の微動機構の問題を、図７〜図１０を参照し
て説明する。圧電素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃの伸縮方向に基
づき、図６中に示す如くＸ，Ｙ，Ｚの各方向を定義す
る。この位置関係において、圧電素子２Ｃを伸縮して探
針４をＺ方向に移動させると、探針４はＸ，Ｙ方向にも
動くという問題がある。
ポッド形式の微動機構の問題を、図７〜図１０を参照し
て説明する。圧電素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃの伸縮方向に基
づき、図６中に示す如くＸ，Ｙ，Ｚの各方向を定義す
る。この位置関係において、圧電素子２Ｃを伸縮して探
針４をＺ方向に移動させると、探針４はＸ，Ｙ方向にも
動くという問題がある。
【０００９】図７及び図８は、圧電素子２Ｃを伸長させ
た場合において、変形前と変形後の探針４の側方から見
た状態を示している。圧電素子２Ｃが伸長する前には、
探針４の軸方向はＺ方向に対し平行に向いていると仮定
する。この状態であれば、探針４と試料表面との間の距
離を正確に知ることができる。次に圧電素子２Ｃが、Ｚ
方向に所定量伸長する。しかし、この場合、探針取付け
部５を支持する絶縁体８は、圧電素子２Ｃの伸長で左方
に移動しようとするが、その下部を、他の２つのスキャ
ン用圧電素子２Ａ，２Ｂで支持されているため、圧電素
子２Ｃの伸びにより圧電素子２Ａ，２Ｂは曲げの変形を
生じる。その結果、絶縁体８を含むヘッド部が、図８に
示す如く、θだけ傾くように姿勢の変化が生じる。その
結果、探針４の先端は、Ｚ方向にΔＺだけ変位すると同
時に、図８中に上下方向にΔｈだけ変位する。図８にお
いて、Ｐ１は変形前の探針４の先端の位置である。
た場合において、変形前と変形後の探針４の側方から見
た状態を示している。圧電素子２Ｃが伸長する前には、
探針４の軸方向はＺ方向に対し平行に向いていると仮定
する。この状態であれば、探針４と試料表面との間の距
離を正確に知ることができる。次に圧電素子２Ｃが、Ｚ
方向に所定量伸長する。しかし、この場合、探針取付け
部５を支持する絶縁体８は、圧電素子２Ｃの伸長で左方
に移動しようとするが、その下部を、他の２つのスキャ
ン用圧電素子２Ａ，２Ｂで支持されているため、圧電素
子２Ｃの伸びにより圧電素子２Ａ，２Ｂは曲げの変形を
生じる。その結果、絶縁体８を含むヘッド部が、図８に
示す如く、θだけ傾くように姿勢の変化が生じる。その
結果、探針４の先端は、Ｚ方向にΔＺだけ変位すると同
時に、図８中に上下方向にΔｈだけ変位する。図８にお
いて、Ｐ１は変形前の探針４の先端の位置である。
【００１０】上記の例の場合、圧電素子２Ａ，２Ｂは紙
面に対し４５度傾斜しているので、Ｘ方向及びＹ方向の
変位は、Δｈ／（２1/2 ）となる。
面に対し４５度傾斜しているので、Ｘ方向及びＹ方向の
変位は、Δｈ／（２1/2 ）となる。
【００１１】図９及び図１０のモデルを用いて、傾きθ
の計算を簡単に行う。図９では、図７及び図８に示した
圧電素子２Ａ，２Ｂを、長さがＬの一本の梁９としてモ
デル化している。この梁の断面２次モーメントをＩとす
る。図８で、圧電素子２Ｃが伸長して、絶縁体８を介し
てヘッド部を押す力を、図１０に示す如くＷとする。力
Ｗは梁９の上端に作用する。梁９の変形は、下端が完全
に拘束され、上端が自由端として設定される。この場
合、梁９の撓みは、計算により、
の計算を簡単に行う。図９では、図７及び図８に示した
圧電素子２Ａ，２Ｂを、長さがＬの一本の梁９としてモ
デル化している。この梁の断面２次モーメントをＩとす
る。図８で、圧電素子２Ｃが伸長して、絶縁体８を介し
てヘッド部を押す力を、図１０に示す如くＷとする。力
Ｗは梁９の上端に作用する。梁９の変形は、下端が完全
に拘束され、上端が自由端として設定される。この場
合、梁９の撓みは、計算により、
【００１２】
【数１】θ＝ＷＬ2 ／２ＥＩ ただし、Ｅは梁９の縦弾性係数である。 として求められる。
【００１３】上記の説明で明らかなように、探針４のＺ
方向の動きにより、Ｘ方向及びＹ方向にも探針が動くと
いう問題が提起される。実際に、試料の表面に対して測
定を行う場合、探針４は試料表面の凹凸に応じて、圧電
素子２Ｃの伸縮作用により常にＺ方向に微動する。この
結果、探針４は圧電素子２Ａ，２ＢによるＸＹスキャン
動作に関係なく、Ｘ方向及びＹ方向に微小な動きを生じ
ている。このよう、探針のＺ方向の動きに伴うＸ及びＹ
の各方向の微小な動きは、ＸＹ座標値の誤差となり、結
局は、測定されたＳＴＭ像の歪み要素となる。
方向の動きにより、Ｘ方向及びＹ方向にも探針が動くと
いう問題が提起される。実際に、試料の表面に対して測
定を行う場合、探針４は試料表面の凹凸に応じて、圧電
素子２Ｃの伸縮作用により常にＺ方向に微動する。この
結果、探針４は圧電素子２Ａ，２ＢによるＸＹスキャン
動作に関係なく、Ｘ方向及びＹ方向に微小な動きを生じ
ている。このよう、探針のＺ方向の動きに伴うＸ及びＹ
の各方向の微小な動きは、ＸＹ座標値の誤差となり、結
局は、測定されたＳＴＭ像の歪み要素となる。
【００１４】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、探針
をその軸方向に前進又は後退させるアクチュエータが伸
長して探針がその軸方向（Ｚ方向）に動いても、Ｘ及び
Ｙの各方向に探針の変位が少ない構造を有するＳＴＭの
微動機構を提供することにある。
をその軸方向に前進又は後退させるアクチュエータが伸
長して探針がその軸方向（Ｚ方向）に動いても、Ｘ及び
Ｙの各方向に探針の変位が少ない構造を有するＳＴＭの
微動機構を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明に係るＳＴＭの微
動機構は、探針を試料の表面に沿ってスキャン動作させ
る２つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向に微
動させるアクチュエータとを備え、３つの前記アクチュ
エータが相互に直交するトライポッド形式を有するもの
であって、探針と試料との距離を調整するため探針を軸
方向に微動させる前記アクチュエータを、このアクチュ
エータの伸縮方向の軸線が、スキャン動作のための２つ
のアクチュエータのそれぞれの伸縮方向の中間点を結ぶ
線分の中点を通るように、配置される。
動機構は、探針を試料の表面に沿ってスキャン動作させ
る２つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向に微
動させるアクチュエータとを備え、３つの前記アクチュ
エータが相互に直交するトライポッド形式を有するもの
であって、探針と試料との距離を調整するため探針を軸
方向に微動させる前記アクチュエータを、このアクチュ
エータの伸縮方向の軸線が、スキャン動作のための２つ
のアクチュエータのそれぞれの伸縮方向の中間点を結ぶ
線分の中点を通るように、配置される。
【００１６】更に本発明に係るＳＴＭの微動機構は、前
記同様な微動機構であって、単に探針と試料との距離を
調整するため探針の軸方向に微動させるアクチュエータ
を、このアクチュエータの伸縮方向の軸線の位置が、ス
キャン動作のための２つのアクチュエータの交点に対し
てずれるように、配置することも可能である。
記同様な微動機構であって、単に探針と試料との距離を
調整するため探針の軸方向に微動させるアクチュエータ
を、このアクチュエータの伸縮方向の軸線の位置が、ス
キャン動作のための２つのアクチュエータの交点に対し
てずれるように、配置することも可能である。
【００１７】
【作用】本発明によるＳＴＭの微動機構では、トライポ
ッド形式の微動機構であって、探針を軸方向（Ｚ方向）
に微動させるアクチュエータのと取付け位置を、ＸＹス
キャンを行うために設けられた２つのアクチュエータに
対しそれらの交点位置からずらすことにより、Ｚ方向に
微動するアクチュエータが伸長してＸＹスキャン用のア
クチュエータを変形させても、探針の変位においてはＺ
方向の変位だけが生じるようにする。Ｚ方向の微動を行
うアクチュエータの配置箇所の最も望ましい場所は、理
論的に、Ｚ方向のアクチュエータの軸線の延長線が、Ｘ
Ｙスキャン用の２つのアクチュエータの軸方向の各中点
を結ぶ線分の中点を通るという条件を満足する場所であ
る。この場合には、かかる配置関係を満足するように、
取付け部材の形態について、所要の形態が要求される。
トライポッド形式の構造を有する前記３つのアクチュエ
ータが上記の条件を満足する限り、Ｚ方向のアクチュエ
ータが伸長しても、探針の変位において、Ｘ方向又はＹ
方向の変位は発生しない。
ッド形式の微動機構であって、探針を軸方向（Ｚ方向）
に微動させるアクチュエータのと取付け位置を、ＸＹス
キャンを行うために設けられた２つのアクチュエータに
対しそれらの交点位置からずらすことにより、Ｚ方向に
微動するアクチュエータが伸長してＸＹスキャン用のア
クチュエータを変形させても、探針の変位においてはＺ
方向の変位だけが生じるようにする。Ｚ方向の微動を行
うアクチュエータの配置箇所の最も望ましい場所は、理
論的に、Ｚ方向のアクチュエータの軸線の延長線が、Ｘ
Ｙスキャン用の２つのアクチュエータの軸方向の各中点
を結ぶ線分の中点を通るという条件を満足する場所であ
る。この場合には、かかる配置関係を満足するように、
取付け部材の形態について、所要の形態が要求される。
トライポッド形式の構造を有する前記３つのアクチュエ
ータが上記の条件を満足する限り、Ｚ方向のアクチュエ
ータが伸長しても、探針の変位において、Ｘ方向又はＹ
方向の変位は発生しない。
【００１８】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る微動機構の斜視図を示
し、前述の図６と同様な図である。図１において、図６
で説明した要素には同一の符号を付している。ここで、
確認のために再度説明する。１は固定用の基部部材、２
Ａ，２Ｂ，２Ｃは棒状の形状を有する圧電素子である。
２本の圧電素子２Ａ，２Ｂは探針をＸＹ方向にスキャン
動作させるためのアクチュエータで、圧電素子２Ｃは、
探針と試料の位置関係を調整するため、探針を軸方向
（Ｚ方向）に微動させるアクチュエータである。基部部
材１の前縁の片部１ａ，１ｂに圧電素子２Ａ，２Ｂのそ
れぞれの一端を支持固定し、後縁の片部１ｃに圧電素子
２Ｃの一端を支持固定する。
て説明する。図１は本発明に係る微動機構の斜視図を示
し、前述の図６と同様な図である。図１において、図６
で説明した要素には同一の符号を付している。ここで、
確認のために再度説明する。１は固定用の基部部材、２
Ａ，２Ｂ，２Ｃは棒状の形状を有する圧電素子である。
２本の圧電素子２Ａ，２Ｂは探針をＸＹ方向にスキャン
動作させるためのアクチュエータで、圧電素子２Ｃは、
探針と試料の位置関係を調整するため、探針を軸方向
（Ｚ方向）に微動させるアクチュエータである。基部部
材１の前縁の片部１ａ，１ｂに圧電素子２Ａ，２Ｂのそ
れぞれの一端を支持固定し、後縁の片部１ｃに圧電素子
２Ｃの一端を支持固定する。
【００１９】基部部材１における圧電素子２Ａ，２Ｂ，
２Ｃの配置状態では、圧電素子２Ａ，２Ｂは互いに直交
する位置関係に配置され、圧電素子２Ｃの軸方向は探針
の軸方向と同じ方向であり、且つ圧電素子２Ｃは圧電素
子２Ａ，２Ｂのそれぞれに直交している。ここで図１中
に示されるように、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向が定義される。
図１中において、３Ａ〜３Ｃは圧電素子２Ａ〜２Ｃのそ
れぞれに駆動電圧を給電する電源ラインである。
２Ｃの配置状態では、圧電素子２Ａ，２Ｂは互いに直交
する位置関係に配置され、圧電素子２Ｃの軸方向は探針
の軸方向と同じ方向であり、且つ圧電素子２Ｃは圧電素
子２Ａ，２Ｂのそれぞれに直交している。ここで図１中
に示されるように、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向が定義される。
図１中において、３Ａ〜３Ｃは圧電素子２Ａ〜２Ｃのそ
れぞれに駆動電圧を給電する電源ラインである。
【００２０】４は、探針取付け部５にネジ６で固定され
る探針である。探針取付け部５は導電体部材で形成され
る。探針取付け部５に接続されたライン７は、探針４に
トンネル電流を流すための印加電圧を与える電源ライン
である。８′は探針取付け部５を取付け、支持する絶縁
体で、同時に前記圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれの他端
を固着している。絶縁体８′の機能は、前記絶縁体８と
実質的に同一の機能を有しているが、その形状が、前記
絶縁体８とは異なる特殊の形状を有している。すなわ
ち、絶縁体８′は、探針取付け部５を支持する箇所の後
側部分に、下方に延設された片部８′ａが形成される。
る探針である。探針取付け部５は導電体部材で形成され
る。探針取付け部５に接続されたライン７は、探針４に
トンネル電流を流すための印加電圧を与える電源ライン
である。８′は探針取付け部５を取付け、支持する絶縁
体で、同時に前記圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれの他端
を固着している。絶縁体８′の機能は、前記絶縁体８と
実質的に同一の機能を有しているが、その形状が、前記
絶縁体８とは異なる特殊の形状を有している。すなわ
ち、絶縁体８′は、探針取付け部５を支持する箇所の後
側部分に、下方に延設された片部８′ａが形成される。
【００２１】上記構成を有する微動機構において、圧電
素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃの配置関係を図１〜図３に基づき
説明する。ＸＹスキャンのための圧電素子２Ａ，２Ｂ
は、それぞれ、Ｘ方向及びＹ方向に向けて配置される。
圧電素子２Ｃは、探針４の軸方向、すなわちＺ方向に平
行に配置される。この場合において、圧電素子２Ｃは、
その軸方向を延長した軸線１０が、圧電素子２Ａ，２Ｂ
のそれぞれの軸方向の中間点を結んだ線分の中点Ｐ２を
通るような位置に配置される。これを側面図である図２
で見ると、傾斜した姿勢で取り付けられた圧電素子２
Ａ，２Ｂに対して、図中Ｌという長さを定義するとき、
圧電素子２Ｃの取付けの高さ位置はＬ／２である。従っ
て圧電素子２Ｃは、基部部材１の片部１ｃと絶縁体８′
の片部８′ａとの間に配設される。なお、図２及び図３
において、説明の便宜上、片部１ａ，１ｂの図示を省略
している。
素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃの配置関係を図１〜図３に基づき
説明する。ＸＹスキャンのための圧電素子２Ａ，２Ｂ
は、それぞれ、Ｘ方向及びＹ方向に向けて配置される。
圧電素子２Ｃは、探針４の軸方向、すなわちＺ方向に平
行に配置される。この場合において、圧電素子２Ｃは、
その軸方向を延長した軸線１０が、圧電素子２Ａ，２Ｂ
のそれぞれの軸方向の中間点を結んだ線分の中点Ｐ２を
通るような位置に配置される。これを側面図である図２
で見ると、傾斜した姿勢で取り付けられた圧電素子２
Ａ，２Ｂに対して、図中Ｌという長さを定義するとき、
圧電素子２Ｃの取付けの高さ位置はＬ／２である。従っ
て圧電素子２Ｃは、基部部材１の片部１ｃと絶縁体８′
の片部８′ａとの間に配設される。なお、図２及び図３
において、説明の便宜上、片部１ａ，１ｂの図示を省略
している。
【００２２】上記の構造を有する探針４の微動機構の動
作を、図３を参照して説明する。図３は圧電素子２Ｃが
伸長した場合の変形例を示す。圧電素子２Ｃが伸長する
と、圧電素子２Ａと圧電素子２Ｂは、図示される圧電素
子２Ｂで代表的に示されるような変形を起こす。圧電素
子２Ａ，２Ｂの変形は、探針４及び絶縁体８′等からな
るヘッド部がＺ方向に並進移動を行うように、生じる。
ここで、ヘッド部を符号１１で示す。このようなヘッド
部１１の並進移動は、圧電素子２Ａ，２Ｂと圧電素子２
Ｃとの前述した位置関係に基づき発生する。かかるヘッ
ド部１１の並進移動によれば、ヘッド部１１の傾きθ
は、ほぼ０となる。その結果、探針４の先端の図中上下
方向の変位Δｈはほぼ０になる。従って、圧電素子２Ｃ
の伸長動作によれば、Ｚ方向に、目標値であるΔＺの変
位を生じさせることができる。
作を、図３を参照して説明する。図３は圧電素子２Ｃが
伸長した場合の変形例を示す。圧電素子２Ｃが伸長する
と、圧電素子２Ａと圧電素子２Ｂは、図示される圧電素
子２Ｂで代表的に示されるような変形を起こす。圧電素
子２Ａ，２Ｂの変形は、探針４及び絶縁体８′等からな
るヘッド部がＺ方向に並進移動を行うように、生じる。
ここで、ヘッド部を符号１１で示す。このようなヘッド
部１１の並進移動は、圧電素子２Ａ，２Ｂと圧電素子２
Ｃとの前述した位置関係に基づき発生する。かかるヘッ
ド部１１の並進移動によれば、ヘッド部１１の傾きθ
は、ほぼ０となる。その結果、探針４の先端の図中上下
方向の変位Δｈはほぼ０になる。従って、圧電素子２Ｃ
の伸長動作によれば、Ｚ方向に、目標値であるΔＺの変
位を生じさせることができる。
【００２３】次に、図４及び図５を参照してθがほぼ０
になる理由を説明する。図３において、９は圧電素子２
Ａ，２Ｂをモデル化した梁であり、長さＬとしての設定
されている。また１２は、梁９の上端に固定された剛体
部である。剛体部１２は、実質的に前記ヘッド部１１の
部分を表す。剛体部１２の一部は、下方に延設される。
梁９の断面２次モーメントをＩとする。梁９の下端は完
全拘束の状態であり、上端は剛体１１で完全に拘束され
ている。剛体部１２自身は、空間的にフリーな状態にな
っている。図３において、圧電素子２Ｃの伸長動作によ
りヘッド部がＺ方向の左方に押される力を、図５におい
て、側方からの力Ｗであるとする。力Ｗは、梁９の下端
を固定した面から高さＬ／２の位置にて、剛体部１２に
作用する。力Ｗが作用したときの梁９に作用するモーメ
ントＭを計算する。ここで、図５において、梁９の上端
を原点として、座標ｘ，ｙを定義する。
になる理由を説明する。図３において、９は圧電素子２
Ａ，２Ｂをモデル化した梁であり、長さＬとしての設定
されている。また１２は、梁９の上端に固定された剛体
部である。剛体部１２は、実質的に前記ヘッド部１１の
部分を表す。剛体部１２の一部は、下方に延設される。
梁９の断面２次モーメントをＩとする。梁９の下端は完
全拘束の状態であり、上端は剛体１１で完全に拘束され
ている。剛体部１２自身は、空間的にフリーな状態にな
っている。図３において、圧電素子２Ｃの伸長動作によ
りヘッド部がＺ方向の左方に押される力を、図５におい
て、側方からの力Ｗであるとする。力Ｗは、梁９の下端
を固定した面から高さＬ／２の位置にて、剛体部１２に
作用する。力Ｗが作用したときの梁９に作用するモーメ
ントＭを計算する。ここで、図５において、梁９の上端
を原点として、座標ｘ，ｙを定義する。
【００２４】
【数２】Ｍ＝−Ｗｘ＋ＷＬ／２
【００２５】
【数３】 ｄ2 ｙ／ｄｘ2 ＝−Ｍ／ＥＩ＝Ｗ（ｘ−Ｌ／２）／ＥＩ ただし、Ｅは梁９の縦弾性係数
【００２６】
【数４】 ｄｙ／ｄｘ＝Ｗ（ｘ2 ／２−Ｌｘ／２＋Ｃ1 ）／ＥＩ ここで、Ｃ1 は定数 ここで、ｄｙ／ｄｘは梁９の傾きを表す。境界条件とし
ては、
ては、
【００２７】
【数５】（ｄｙ／ｄｘ）x=L ＝０ を、数４の式に代入すると、Ｃ1 ＝０になる。この条件
を考慮して、数４の式を書き直すと、
を考慮して、数４の式を書き直すと、
【００２８】
【数６】ｄｙ／ｄｘ＝Ｗ（ｘ2 ／２−Ｌｘ／２）／ＥＩ が求められる。更に、数６の式にｘ＝０を代入すると、
梁９の上端での傾きが求められる。（ｄｙ／ｄｘ）x=0
を求めると、０となるので、これによって、図５に示さ
れる力Ｗによる変形において、剛体部１２には傾きが生
じないことがわかる。
梁９の上端での傾きが求められる。（ｄｙ／ｄｘ）x=0
を求めると、０となるので、これによって、図５に示さ
れる力Ｗによる変形において、剛体部１２には傾きが生
じないことがわかる。
【００２９】以上の議論で明らかなように、図３におい
て、圧電素子２Ｃが伸長しても、ヘッド部には傾きが生
ぜず（θ＝０）、よって探針４の先端の位置はＸ方向及
びＹ方向には変位しない（Δｈ＝０）ということがわか
る。
て、圧電素子２Ｃが伸長しても、ヘッド部には傾きが生
ぜず（θ＝０）、よって探針４の先端の位置はＸ方向及
びＹ方向には変位しない（Δｈ＝０）ということがわか
る。
【００３０】
【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、トライポッド形式の微動機構を備えるＳＴＭにお
いて、探針を軸方向に微動させるアクチュエータの位置
を所定の位置に配置するようにしたため、このアクチュ
エータを伸長して探針を前進させるように動作させて
も、ヘッド部に傾きが生じない。また、これによって試
料表面のＸＹスキャンを行っている状態で探針を軸方向
に前進させても、ＸＹスキャン中に位置誤差が発生しな
い。従って、ＳＴＭ像において歪みが生ぜず、測定の精
度が向上する。
れば、トライポッド形式の微動機構を備えるＳＴＭにお
いて、探針を軸方向に微動させるアクチュエータの位置
を所定の位置に配置するようにしたため、このアクチュ
エータを伸長して探針を前進させるように動作させて
も、ヘッド部に傾きが生じない。また、これによって試
料表面のＸＹスキャンを行っている状態で探針を軸方向
に前進させても、ＸＹスキャン中に位置誤差が発生しな
い。従って、ＳＴＭ像において歪みが生ぜず、測定の精
度が向上する。
【図１】本発明に係る微動機構の前方斜視図である。
【図２】本発明に係る微動機構の変形前の側面図であ
る。
る。
【図３】本発明に係る微動機構の変形後の側面図であ
る。
る。
【図４】スキャン用圧電素子をモデル化した変形前の図
である。
である。
【図５】スキャン用圧電素子をモデル化した変形後の図
である。
である。
【図６】従来の微動機構の前方斜視図である。
【図７】従来の微動機構の変形前の側面図である。
【図８】従来の微動機構の変形後の側面図である。
【図９】従来の微動機構のスキャン用圧電素子をモデル
化した変形前の図である。
化した変形前の図である。
【図１０】従来の微動機構のスキャン用圧電素子をモデ
ル化した変形後の図である。
ル化した変形後の図である。
１ 基部部材 ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 圧電素子 ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 電源ライン ４ 探針 ５ 探針取付け部 ８′ 絶縁体 ９ 梁 １０ 軸線 １１ ヘッド部 １２ 剛体部
Claims (2)
- 【請求項１】 探針を試料の表面に沿ってスキャン動作
させる２つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向
に微動させるアクチュエータとを備え、３つの前記アク
チュエータが相互に直交するトライポッド形式の走査型
トンネル顕微鏡の微動機構において、 前記探針と前記試料との距離を調整するため探針を軸方
向に微動させる前記アクチュエータを、このアクチュエ
ータの伸縮方向の軸線が、スキャン動作のための前記２
つのアクチュエータのそれぞれの伸縮方向の中間点を結
ぶ線分の中点を通るように、配置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。 - 【請求項２】 探針を試料の表面に沿ってスキャン動作
させる２つのアクチュエータと、前記探針をその軸方向
に微動させるアクチュエータとを備え、３つの前記アク
チュエータが相互に直交するトライポッド形式の走査型
トンネル顕微鏡の微動機構において、 前記探針と前記試料との距離を調整するため探針を軸方
向に微動させる前記アクチュエータを、このアクチュエ
ータの伸縮方向の軸線の位置が、スキャン動作のための
前記２つのアクチュエータの交点に対してずれるよう
に、配置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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23971391A JPH0579812A (ja) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23971391A JPH0579812A (ja) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0579812A true JPH0579812A (ja) | 1993-03-30 |
Family
ID=17048820
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23971391A Pending JPH0579812A (ja) | 1991-09-19 | 1991-09-19 | 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0579812A (ja) |
-
1991
- 1991-09-19 JP JP23971391A patent/JPH0579812A/ja active Pending
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