JPH06258016A - アクチュエータおよび走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、剛性の高いアクチュエータと観察
時間を高速化しうる走査型トンネル顕微鏡を提供するこ
とを目的とする。 【構成】 本発明のアクチュエータは複数の板状の単結
晶圧電素子を係合させて立体的に構成することにより剛
性を高めた。また、本発明の走査型トンネル顕微鏡は帰
線期間にあっては前記探針を試料表面から前記所定の間
隙間距離よりも離間させる離間手段と、この離間手段に
よって試料表面から離間している探針を走査速度より早
い速度で移動させ帰線時間を短縮する移動手段とを備え
て構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータおよび
走査型トンネル顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、図８を参照して従来の走査型トン
ネル顕微鏡の構造を簡単に説明する。

【０００３】図８に示す従来の走査型トンネル顕微鏡は
本体ベース３１上に、粗動インチワーム機構３３を設
け、この粗動インチワーム機構３３に探針チップ２７を
保持する微動機構３５を構成し、また試料４１はＸＹ駆
動機構３７によってＸＹ方向に駆動可能であるように保
持される。また、加熱ヒータ３９は試料４１を加熱する
ためのものである。

【０００４】次に、高温下に於ける固体表面の状態を走
査型トンネル顕微鏡により観測する場合を例に観察方法
を説明する。まず、加熱ヒータ３９により試料４１を加
熱し、一定温度に達した後に、粗動インチワーム機構３
３により探針チップ２７をトンネル電流が流れるまで接
近させる。つぎにＸＹ駆動機構３７により試料をＸＹ方
向に走査し同時に試料４１と探針２７間に一定のトンネ
ル電流が流れるように微動機構３５を操作する。このと
きの操作電圧をモニターしていく事により試料表面の状
態を知ることができる。

【０００５】しかしながら、試料を高温にする場合、微
動機構３５は試料４１と探針２７のすぐそばに設けられ
ているため、試料４１を加熱して高温にすると微動機構
３５も高温になってしまう。従って微動機構３５に用い
る駆動素子は高温下でも使用できる、キューリ温度の高
い素子としてニオブ酸リチウムあるいはタンタル酸リチ
ウム等の圧電性単結晶を用いた圧電素子が開発されてい
る。

【０００６】この圧電素子は単結晶のため図７に示すよ
うな薄板状である。図７に示す従来のアクチュエータお
いては、板状のニオブ酸リチウム結晶１０１の両側面に
は電極１０３が設けられており、また、ニオブ酸リチウ
ム結晶１０１の端部には探針ホルダ１０５に保持される
探針１０７が設けられる。

【０００７】次に図９を参照して従来の走査型トンネル
顕微鏡の概略の構成を説明する。試料５９にバイアス電
圧源５７のバイアス電圧を印加し、探針５５をＺ軸駆動
源ピエゾ素子５１の印加電圧を制御することにより試料
５９との間にトンネル電流が流れるギャップまで接近さ
せる。このトンネル電流が一定になるようにＺ軸駆動用
ピエゾ素子５１の電圧を制御するサーボ系が構成され
る。

【０００８】また探針５５で検出されたトンネル電流は
電流／電圧変換器６１において電圧信号に変換される。
このトンネル電流は探針５５と試料５９との間の距離の
２乗に反比例するため、ログ増幅器６３を通すことによ
り探針５５と試料５９間のギャップ値を直線化する。そ
の後、比較基準電圧源１６５の比較基準電圧と比較し、
その誤差電圧を誤差増幅器６７で増幅後、さらに高電圧
増幅器６９によりピエゾ素子を駆動できる電圧に増幅
し、Ｚ軸駆動用ピエゾ素子５１に印加している。

【０００９】この様なサーボ系を構成することにより設
定した比較基準電圧１６５に比例し探針５５と試料５９
間に一定のトンネル電流を流すことができる。これによ
り探針５５と試料５９間のギャップが一定に保たれる。
また、探針５５をピエゾ素子５３によりＸ−Ｙ方向に走
査しながら、Ｚ軸ピエゾ素子５１への印加電圧を測定す
ることにより試料５９表面の状態を知る事が可能とな
る。

【００１０】図１０に走査電圧Ｖx ，Ｖy による波形と
トンネル電流比較基準電圧ＶR のタイムチャートを示
す。図１０に示すタイムチャートからも明らかなよう
に、従来は、探針５５をＸ−Ｙ方向へ走査する際、信号
を捕らえる観察時間と同一時間で帰線を行っている。

【００１１】これは装置全体のサーボ系応答度に依存す
るもので、帰線期間も観察時間と同様にある一定時間か
けて戻さないと探針が試料に接触する可能性があるから
である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
アクチュエータで用いられるような薄板状の単結晶形状
の圧電素子ではＸ軸方向の剛性が弱いため、この方向の
振動によるノイズが非常に大きいものとなる。

【００１３】また探針は注射針と同様な探針ホルダに探
針の挿入部分を変形させ挿入し、固定している。すなわ
ち探針ホルダに探針を差し込んだだけの状態であるため
保持力が弱く振動から発生する接触ノイズの発生に問題
がある。

【００１４】また、従来の走査型トンネル顕微鏡による
観察に際しては帰線時間が長いため観察時間の高速化に
支障を来している。

【００１５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
で、剛性の高いアクチュエータと観察時間を高速化しう
る走査型トンネル顕微鏡を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願第１の発明のアクチュエータは、複数の板状の単結
晶圧電素子を係合させて立体的に構成したことを要旨と
する。

【００１７】また、本願第２の発明のアクチュエータ
は、板状の単結晶圧電素子をセラミック製のケースに収
納したことを要旨とする。

【００１８】また、本願第３の発明は、試料表面を所定
の間隙を保持しつつ探針で一方向に走査して、試料表面
の状態を観察する走査型トンネル顕微鏡であって、帰線
期間にあっては前記探針を試料表面から前記所定の間隙
間距離よりも離間させる離間手段と、この離間手段によ
って試料表面から離間している探針を走査速度より早い
速度で移動させ帰線時間を短縮する移動手段とを有する
ことを要旨とする。

【００１９】また、この走査型トンネル顕微鏡は望まし
くは、トンネル電流測定サーボ回路を具備し、試料表面
を走査したときのトンネル電流によって探針と試料表面
との間隙を一定に保持しつつ試料表面の状態を観察する
ものであり、前記離間手段はトンネル電流測定サーボ回
路の比較基準信号に制御信号を印加して、一定に保持さ
れる探針と試料表面との間隙を任意の距離に設定しコン
トロールすることを要旨とするものである。

【００２０】

【作用】本願第１の発明のアクチュエータは、複数の板
状の単結晶圧電素子を係合させて立体的に構成されてい
ることから剛性が高められている。

【００２１】本願第２の発明のアクチュエータは、板状
の単結晶圧電素子をセラミック製のケースに収納したこ
とから剛性が高められている。

【００２２】本願第３の発明の走査型トンネル顕微鏡
は、帰線期間のときには探針を試料表面から前記所定の
間隙間距離よりも離間させて、かつ探針を走査速度より
早い速度で移動させ帰線時間を短縮する。これにより探
針が試料から積極的に引離され、高速に帰還させても探
針と試料の接触を防げる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係る一実施例を図面を参照し
て説明する。図１は本発明に係るアクチュエータの構成
を示す斜視図である。

【００２４】図１に示す様に４枚の板状単結晶圧電素子
１が箱状に組合わされてアクチュエータ単体が構成され
る。

【００２５】また図２に示すアクチュエータは、対向し
て配設される２枚の板状単結晶圧電素子１１ｃ，１１ｄ
が同様に対向して配設される２枚の板状単結晶圧電素子
１１ａ，１１ｂの両端面より若干沈み、該両端面を突出
した形に組合わせたものである。これらの板状単結晶圧
電素子の組合わせ形状は、上記２例に限定されることな
く、三角柱状、或いは五角柱状等、種々の立体構成とす
ることができる。

【００２６】さらに図３は図２に示すアクチュエータを
セラミックスホルダ２１に組込み構成したアクチュエー
タ部２０を示すものである。すなわち、アクチュエータ
の一端をセラミックホルダ２１に固定、他方にはセラミ
ックス製の探針ホルダ２５を固定して一体化したもので
ある。このときセラミックホルダ２１のガイド溝２３に
前記板状単結晶圧電素子１１ａ，１１ｂの突出した両端
部が嵌装されることでアクチュエータがセラミックホル
ダ２１に固定される。これにより、ガイド溝２３に直交
する方向の振動に対する振れを防止することが可能とな
る。また、探針ホルダ２５は探針２７が挿入できる穴を
有し、探針２７が固定用ビス２９で固定できる構造とす
る。

【００２７】次に図４に図３に示すアクチュエータ部２
０を採用した走査型トンネル顕微鏡を示す。なお、図８
に示す従来の走査型トンネル顕微鏡と同一部分について
は同一番号を付してその説明を省略する。図４において
は、微動機構３５の先端にアクチュエータ部２０が設け
られる。すなわち、図３に示す構造のアクチュエータ部
２０を設けたことにより探針２７を確実に固定出来るた
め振動による接触ノイズのないトンネル電流信号が得ら
れる。

【００２８】次に図５を参照して走査型トンネル顕微鏡
の一例を説明する。なお、図９に示す従来の走査型トン
ネル顕微鏡と同一部分については同一番号を付してその
説明を省略する。本実施例では比較基準電圧を出力する
比較基準電圧源１６５に変えて基準電圧を発生する基準
電圧発生源６５を設けた。

【００２９】以下、図６に示す走査電圧波形と探針制御
電圧のタイムチャートを参照して動作を説明する。図６
に示すように走査電圧波形に従い観察期間、帰線期間に
於いて、基準電圧発生源６５でトンネル電流設定用比較
基準電圧を発生し、これを印加する。システムのサーボ
系はこの基準電圧に従い探針５５が試料５９の表面を走
査することになる。従って観察期間では設定された比較
基準電圧値になるようトンネル電流が流れるため探針５
５は試料５９の表面に沿って制御され試料５９の表面を
観察することができる。一方帰線期間では比較基準電圧
が０Ｖに設定されるため、探針５５が試料５９から引離
された状態となり高速に走査開始点に戻しても試料５９
に接触することが無くなる。

【００３０】また他の方法としてピエゾ駆動用高電圧増
幅器６９の入力に帰線期間に同期して探針５５を試料５
９から引離すための制御電圧を印加しても同一効果が得
られる。

【００３１】

【発明の効果】以上、説明したように本発明のアクチュ
エータは、立体的な構成とすることにより剛性が高ま
り、さらにセラミックスのホルダに組込むことにより一
段と剛性を高めることができる。従って微動機構に組み
込まれたときに、該微動機構で発生する振動により発生
するノイズを減らすことが可能となる。

【００３２】また、本発明の走査型トンネル顕微鏡は、
試料表面を走査する際に探針を離間し、かつ高速に移動
するようにしたことから帰線時間を短縮化でき、そのた
め試料表面の高速観察が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構造を示す斜視図である。

【図２】セラミックスホルダに組込むための構造を示す
斜視図である。

【図３】セラミックスホルダと圧電素子及び探針ホルダ
の基本構造と一体化にするための構成を示す斜視図であ
る。

【図４】図３に示す単結晶を使用した微動駆動機構であ
る。

【図５】走査型トンネル顕微鏡の基本構成を示すブロッ
ク図である。

【図６】図５に示す走査型トンネル顕微鏡の駆動タイム
チャートを示す図である。

【図７】従来の探針ホルダの形状を示す斜視図である。

【図８】従来の微動駆動機構の構成を示す図である。

【図９】従来の走査型トンネル顕微鏡の基本構成を示す
ブロック図である。

【図１０】従来の走査型トンネル顕微鏡の駆動タイムチ
ャートを示す図である。

【符号の説明】

１，１１ 単結晶素子 ３，１５ 電極 ５ 電線 ２０ アクチュエータ部 ２１ セラミックスホルダ ２３ ガイド溝 ２５ 探針ホルダ ２７ 探針 ２９ 探針固定ビス ３１ 本体ベース ３３ 粗動インチワーム機構 ３５ 微動機構 ３７ ＸＹ駆動機構 ３９ 加熱ヒータ ４１ 試料 ５１ Ｚ軸ピエゾ素子 ５３ ピエゾ素子 ５５ 探針 ５７ バイアス電圧 ５９ 試料 ６１ 電流／電圧変換器 ６３ ログ増幅器 ６５ 基準電圧発生源 ６７ 誤差増幅器 ６９ 高電圧増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 剛史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 黒田 達明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の板状の単結晶圧電素子を係合させ
   て立体的に構成したことを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 板状の単結晶圧電素子をセラミック製の
   ケースに収納したことを特徴とするアクチュエータ。
3. 【請求項３】 試料表面を所定の間隙を保持しつつ探針
   で一方向に走査して、試料表面の状態を観察する走査型
   トンネル顕微鏡であって、 帰線期間にあっては前記探針を試料表面から前記所定の
   間隙間距離よりも離間させる離間手段と、 この離間手段によって試料表面から離間している探針を
   走査速度より早い速度で移動させ帰線時間を短縮する移
   動手段とを有することを特徴とする走査型トンネル顕微
   鏡。