JPH06341808A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で安定した状態で探針を試料に微
小接近させることを可能とし、また簡単な構成で支持捩
子棒が試料へ当接したことの検出を可能とする走査型ト
ンネル顕微鏡を提供する。 【構成】 ステッピングモータ１２により回転駆動され
た送り捩子棒８に螺合された移動用ブランケット７の高
速下降に伴い、支持板６ａによって支持され、保持部材
５を支持する金属性の板バネ６’は水平状態を保って下
降する。そして、保持部材５の支持捩子棒４の当接部４
１が試料１４に当接すると、前記板バネ６’は下に凸の
形で撓むため、支持板６ａの先端部に設けた電極部分６
ａ’が前記板バネ６’から離される。当接検出回路６ｂ
はこれ検出し、制御手段２０は当接検出回路６ｂの信号
を受けて、探針１が試料表面に近接するよう、モータド
ライバ１３及び、ステッピングモータ１２を介して移動
用ブランケット７を低速下降させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、走査型トンネル顕微鏡は、試料と
これに対向配置された探針との間に電圧を印加し、両者
間に流れるトンネル電流が一定になるよう探針を走査す
ることにより、試料表面の形状を原子レベルの分解能で
観察することができる。かかる走査型トンネル顕微鏡
は、米国特許４３４３９９３号に示されているように、
顕微鏡本体に設けられた探針の先端を探針先端の原子の
電子雲と試料の電子雲とが重なり合う数ｎｍ（ナノメー
トル）程度まで試料に近づけ、この状態で探針と試料と
の間に電圧をかけた場合に流れるトンネル電流の大きさ
を測定することにより試料と探針との間の距離を超精密
に測定できるという特性を利用したものである。すなわ
ち、上記トンネル電流が探針と試料との距離によって一
義的に定まるという性質を利用し、このトンネル電流が
一定になるように探針の高さを圧電素子等による精密駆
動機構により制御しながら、この探針を水平方向に走査
したときの探針の高さ方向の軌跡により試料表面の凹凸
形状を原子レベルで観察するものである。

【０００３】かかる走査型トンネル顕微鏡としては、従
来、第５図に示されるようにトンネル電流が流れる探
針、及び探針を走査する圧電素子とを板バネで支持する
構成を備えたものが提案されている。

【０００４】すなわち、第５図において、１は探針で、
通常試料に対して負電位とすることにより試料からこの
探針へトンネル電流が流れる。２は探針ホルダで、一端
で探針１を保持し他端は圧電素子３に固着されている。
３は圧電素子で、所定電圧を受けて探針ホルダ２を介し
て探針１を上下に微動させると共に試料表面を走査させ
る。４は支持捩子棒で、保持部材５に螺合されており、
一端はＤＣサーボモータ９に接合され、他端には試料に
当接する当接部４１を有する。そしてＤＣサーボモータ
１０はモータドライバ１１の駆動信号を受けて、この支
持捩子棒４を回転させて、当接部４１と探針１との相対
的な上下位置を変化させる。５は保持部材で、圧電素子
３と支持捩子棒４とを保持し、板バネ６を介して移動用
ブランケット７によって支持される。

【０００５】ここで、探針部の詳細を第６図を用いて説
明する。上部の保持部材５ａには支持捩子棒４を嵌挿す
るための嵌挿孔５１が穿設されており、その上部にはＤ
Ｃサーボモータ１０が固定されている。そして支持捩子
棒４は二股に分岐され、下部の支持捩子軸４５の円盤部
４３に設けた嵌挿孔４４に嵌挿され、その下部には螺合
部４６が設けられ、下部の保持部材５ｂに設けられた螺
合孔５２に螺合されるている。これらの構成の下、ＤＣ
サーボモータ１０を駆動して支持捩子棒４を回転させる
と、二股部４２から円盤部４３に回転モーメントが伝え
られ、下部の支持捩子軸４５が回転し、板バネ６によっ
て固定された下部の保持部材５ｂとのネジ作用によっ
て、支持捩子軸４５及び円盤部４４が下降または上昇す
る。従って、ＤＣサーボモータ１０を回転させることに
より支持捩子棒４の当接部４１の高さの調整が可能とな
る。

【０００６】また、上部の保持部材５ａと下部の保持部
材５ｂ間には円筒上の圧電素子ホルダ３２が配設されて
おり、上部の保持部材５ａに設けた嵌挿孔３３、圧電素
子ホルダ３２の中空部及び下部に設けた嵌挿孔３４を通
して圧電素子３が挿着され、上部の保持部材５ａにネジ
止めされた固定板３１により固定されている。そして、
これらの構成の下、圧電素子３に所定電圧を加えること
によって探針１の微小な位置調整が可能となる。

【０００７】一方、第５図において、移動用ブランケッ
ト７は、送り捩子棒８に螺合され、またレール９によっ
て上下垂直方向に案内されるため、送り捩子棒８の回転
に伴いレール９に沿って上下垂直方向に移動する。１２
はステッピングモータで、モータドライバ１３の駆動信
号を受けて送り捩子棒８を所定量回転させる。１４は分
析対象となる試料で、試料ステージ１６に載置され、ア
ース線１５によって常に電位０の状態に保たれている。

【０００８】１７はＩ／Ｖアンプで、探針１と試料１４
間に流れるトンネル電流を電圧信号に変換し、フィード
バック回路１８に供給する。フィードバック回路１８は
所定の基準電圧と入力された電圧信号とを比較し、入力
された電圧信号が基準電圧となるように圧電素子駆動回
路１９を介して圧電素子３に所定電圧を供給する。ここ
で、探針１と試料１４間に流れるトンネル電流は、これ
らの距離によって一義的に定まるという性質を有するた
め、Ｉ／Ｖアンプ１７によって変換されたトンネル電流
を示す電圧信号を常に基準値に一致するように圧電素子
３に電圧を供給することにより探針１と試料１４間の距
離が一定に保たれる。一方、制御手段２０はモータドラ
イバ１１、１３を介して、それぞれＤＣサーボモータ１
０及びステッピングモータ１２の駆動制御を行う。

【０００９】以上のように構成された従来の走査型トン
ネル顕微鏡の作用を制御手段２０の動作を中心に説明す
る。まず制御手段２０は、支持捩子棒４の当接部４１が
試料１４に当接したときに探針１が試料１４に衝突しな
い高さ位置となるようにモータドライバ１１に対してＤ
Ｃサーボモータ１０の駆動指示を与える。次に、制御手
段２０による移動用ブランケット７の高速下降指示を受
けたモータドライバ１３はステッピングモータ１２を介
して、送り捩子棒８を高速回転させ移動用ブランケット
７を高速下降させる。このとき、制御手段２０はモータ
ドライバ１３の駆動電流の監視を行うことにより当接部
４１が試料に当接したか否かを判断し、当接したことを
認識した時点でモータドライバ１３に対して探針１と当
接部４１の相対距離に応じて予め定めた所定距離だけ移
動用ブランケット７の低速下降指示を与え、ステッピン
グモータ１２を介して送り捩子棒８を低速回転させるこ
とによって所定距離だけ移動用ブランケット７を低速下
降させ、探針１が試料表面に対して近接させる。

【００１０】ここで、送り捩子棒８の中心線から支持捩
子棒４の中心線までの距離をＬ１、支持捩子棒８の中心
線から探針１までの距離をＬ２とすると、当接部４１が
支点となって、探針１はてこの原理によって移動用ブラ
ンケット７の移動量のＬ２／Ｌ１だけ移動する。従っ
て、探針１を移動用ブランケット７の移動量に対して縮
小移動させることが可能となり、これにより探針１の移
動量を微小制御することが可能となる。

【００１１】そして、圧電素子３の電圧を制御すること
によって、探針１を試料１４の表面上で走査させる。そ
の際、Ｉ／Ｖアンプ１７を通して検出されるトンネル電
流を一定値に保つよう圧電素子３の電圧制御を行い、試
料１４と探針１との距離を常に一定に保ち、探針１の上
下方向の微小移動を検出することによって、試料表面の
分析が行われる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の走査型トンネル顕微鏡によれば、探針１、圧電
素子３、及び支持捩子棒４を保持する保持部材５を板バ
ネ６のみで支えるため、保持部材５等の自重により、板
バネ６が下方に撓んだ状態となる。このため、当接部４
１が試料１４に当接した時点では、第７図に示されるよ
うに保持部材５が移動用ブランケット７に対して反対側
に傾いた状態となる。

【００１３】従って、かかる状態においては、板バネ６
が水平を保った状態で当接部４１が試料１４に当接した
場合に比べて、保持部材５が傾いた分だけ探針１が試料
１４から離れるため、板バネ６が水平状態を保つことを
前提として移動用ブランケット７を下降させても、探針
１にトンネル電流が流れない事態が生じ、試料表面の測
定が不能になるという問題があった。

【００１４】また、第７図に示されるように当接部４１
が試料１４に当接した状態では、板バネ６が上に凸の形
で撓むため、移動用ブランケット７の下降に略比例させ
て保持部材５を傾斜させることができず、探針１の位置
調整が困難になるという問題があった。

【００１５】さらに、従来の走査型トンネル顕微鏡によ
れば、制御手段２０によってモータドライバ１３の駆動
電流の監視を行うことで当接部４１が試料１４に当接し
たか否かの判断を行っていたが、実際には当接部４１が
試料１４に当接しても、モータドライバ１３の駆動電流
が急激に増加するわけではないため、当接部４１が試料
１４に当接したことの検出が遅れ、移動用ブランケット
７の高速下降中に探針１が試料１４に衝突してしまうと
いう問題があった。

【００１６】本発明は、これらの問題点を解消するため
に創案されたものであって、簡単な構成で探針を試料に
近接させることができ、また簡単な構成で支持捩子棒が
試料へ当接したことを検出できる走査型トンネル顕微鏡
を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における走査型トンネル顕微鏡は、試料に対
向配置される探針を試料から一定の距離に保つ支持捩子
棒と、この支持捩子棒と前記探針とを保持する保持部材
と、この保持部材を弾性体を介して試料に対して上下方
向に駆動する駆動手段と、この駆動手段に一端を固定さ
れ前記保持部材の自重による前記弾性体の撓みを阻止す
る支持板と、前記支持捩子棒が試料に当接したときの前
記弾性体の撓みを検知する当接検知手段と、この当接検
知手段の検出信号を受けて前記探針を試料に近接させる
よう前記駆動手段を制御する制御手段と、を備えたこと
を特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明にかかる走査型トンネル顕微鏡の作用を
第１図に基づいて説明する。

【００１９】ステッピングモータ１２により回転駆動さ
れた送り捩子棒８に螺合された移動用ブランケット７の
高速下降に伴い、保持部材５を支持する板バネ６は支持
板６ａによって水平に支持された状態を保って下降す
る。そして、支持捩子棒４の当接部４１が試料１４に当
接すると、板バネ６は下に凸の形で撓むため、支持板６
ａの先端部に設けた電極部分６ａ’が板バネ６から離
れ、当接検出回路６ｂがこれ検出する。制御手段２０は
当接検出回路６ｂの信号を受けて、探針１が試料表面に
近接するよう、モータドライバ１３及び、ステッピング
モータ１２を介して移動用ブランケット７を低速下降さ
せる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を第１図〜第４図に
基づいて説明する。

【００２１】第１図は、本発明にかかる走査型トンネル
顕微鏡の全体図を示したものであるが、従来装置である
第５図に示される走査型トンネル顕微鏡と共通部分につ
いては共通の符号をつけ、それらの説明は省略する。第
５図の走査型トンネル顕微鏡に新たに加えられた要素を
第１図及び第１図の板バネ６’付近の拡大図である第２
図を用いて説明すると、６’は金属性の板バネで、６ａ
は支持板である。支持板６ａは一端が移動用ブランケッ
ト７に固定され、支持捩子棒４の当接部４１が試料１４
に当接しない状態で板バネ６’を当接支持することによ
って、板バネ６’及び板バネ６’が支持する保持部材５
を水平状態に保つ。この状態では支持板６ａの他端には
設けた検出電極６ａ’が金属性の板バネ６’に接触して
いる。６ｂは当接検出回路で、板バネ６’と検出電極６
ａ’との接触状態を検出する。具体的には、板バネ６’
と検出電極６ａ’間に所定の電位差を与えておき、両者
間に流れる電流を検出することで、板バネ６’と検出電
極６ａ’の接触状態を検出する。そして、板バネ６’と
検出電極６ａ’間の電流が断たれたときに、板バネ６’
と検出電極６ａ’が離れたものとして制御手段２０に対
して検出信号を出力する。尚、板バネ６’の他端に設け
られた検出電極６ａと当接検出回路６ｂとで本発明の当
接検知手段が構成される。

【００２２】次に、制御手段２０の動作を示す第３図の
フローチャートを用いて、本発明に係る走査型トンネル
顕微鏡の動作を第１図〜第４図を用いて説明する。

【００２３】まず第３図のＳ１において、制御手段２０
はモータドライバ１３に対して、移動用ブランケット７
の上昇指示を与える。これによりモータドライバ１３は
ステッピングモータ１２を介して送り捩子棒８を回転さ
せ、移動用ブランケット７を板バネ６’によって支持さ
れている保持部材５と共に，送り捩子棒８の上部まで上
昇させる。

【００２４】Ｓ２では、モータドライバ１１に対して、
支持捩子棒４の長さの調整指示を与える。この指示を受
けてモータドライバ１１はＤＣサーボモータ１０を駆動
することにより、支持捩子棒４の当接部４１が試料１４
に当接したときに、探針１が試料１４に衝突しない所定
長さになるよう支持捩子棒４の当接部４１の高さ位置を
調節する。また、支持捩子棒４の回転量により探針１か
ら当接部４１までの距離を測定し、当接部４１が試料１
４に当接した後、移動用ブランケット７が低速下降すべ
き距離を算出し記憶する。

【００２５】次にＳ３で、制御手段２０はモータドライ
バ１３に対して移動用ブランケット７の高速下降指示を
与える。この指示を受けたモータドライバ１３はステッ
ピングモータ１２を介して、送り捩子棒８を高速回転さ
せ移動用ブランケット７を高速下降させる。

【００２６】このときＳ４で、当接部４１が試料１４に
当接したか否かを当接検出回路６ｂの検出信号によって
判断する。すなわち、第２図に示すように、当接部４１
が試料１４に当接していない状態では、保持部材５等の
自重により検出電極６ａ’と板バネ６’が接触してお
り、当接検出回路６ｂは制御手段２０に対して検出信号
を出力しないが、第４図に示すように、当接部４１が試
料１４に当接したときに、板バネ６’が下向きに撓むこ
とによって、検出電極６ａ’と板バネ６’が離れると、
当接検出回路６ｂは制御手段２０に対して検出信号を出
力し、制御手段２０は当接部４１が試料１４に当接した
ことを認識する。

【００２７】Ｓ５では、Ｓ２で算出した低速下降すべき
距離だけ移動用ブランケット７を下降させるようモータ
ドライバ１３に対して低速下降指示を与える。この指示
を受けたモータドライバ１３はステッピングモータ１２
を介して送り捩子棒８を低速回転させることによってＳ
２で算出した低速下降すべき距離だけ移動用ブランケッ
ト７を低速で下降させる。ここで、支持板６ａは支持捩
子棒４の当接部４１が試料１４に当接するまで板バネ
６’を平行に支持するため、当接部４１が試料１４に当
接した時点から、移動用ブランケット７の下降に伴い下
に凸の形で撓みはじめる。このため、保持部材５は移動
用ブランケット７の下降に略比例して移動用ブランケッ
ト７側に傾斜し、探針１を試料表面に精度よく接近させ
ることが可能となる。

【００２８】次にＳ６では、従来より行われているよう
に、圧電素子３の電圧を制御することによって、探針１
を試料１４の表面上で走査させる。そして、その際、Ｉ
／Ｖアンプ１７を通して検出されるトンネル電流を一定
値に保つよう圧電素子３の電圧制御を行い、試料１４と
探針１との距離を常に一定に保ち、探針１の上下方向の
微小移動を検出することによって、試料表面の分析が行
われる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、支持捩子棒が試料表面
に当接するまで支持板が板バネを平行に支持するため、
板バネは支持捩子棒が試料に当接した時点から、移動用
ブランケットの下降に伴い下に凸の形で撓みはじめる。
このため、保持部材を移動用ブランケットの下降に略比
例させて移動用ブランケット側に傾斜させることが可能
となり、探針を試料表面に精度よく接近させることが可
能となる。

【００３０】また、前記支持捩子棒が試料に当接した時
点で弾性体が支持板に対して相対変位するため、より簡
単な構成で支持捩子棒が試料へ当接したことの検出が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示した全体図である。

【図２】本発明の一実施例である板バネ付近を示す図で
ある。

【図３】本発明にかかる制御手段の動作を示したフロー
チャートである。

【図４】本発明にかかる支持捩子棒が試料に当接した状
態を示す図である。

【図５】従来の走査型トンネル顕微鏡を示す図である。

【図６】従来の走査型トンネル顕微鏡の探針部の詳細を
示す図である。

【図７】従来の走査型トンネル顕微鏡において支持捩子
棒が試料に当接した状態を示す図である。

【符号の説明】

１・・・・探針 ４・・・・支持捩子棒 ６・・・・弾性体 ６ａ・・・支持板 ６ｂ・・・当接検出回路 ５・・・・保持部材 ７・・・・ブランケット ８・・・・送り捩子棒 ９・・・・レール １２・・・ステッピングモータ ２０・・・制御手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対向配置される探針を試料から一
   定の距離に保つ支持捩子棒と、この支持捩子棒と前記探
   針とを保持する保持部材と、この保持部材を弾性体を介
   して試料に対して上下方向に駆動する駆動手段と、この
   駆動手段に一端を固定され前記保持部材の自重による前
   記弾性体の撓みを阻止する支持板と、前記支持捩子棒が
   試料に当接したときの前記弾性体の撓みを検知する当接
   検知手段と、この当接検知手段の検出信号を受けて前記
   探針を試料に近接させるよう前記駆動手段を制御する制
   御手段と、を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕
   微鏡。