JPH07244055A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】アクチュエータを交換することなく、一つのア
クチュエータで、原子レベルの微小な領域から、広い領
域までの走査を安定に行うことが可能な走査型プローブ
顕微鏡を提供する。 【構成】探針と、試料を載せる試料台と、与えられる移
動信号によって、探針と試料台とを３次元方向に相対移
動可能な移動手段と、探針を試料台に対して相対的に２
次元方向に移動させるため前記移動手段に移動信号を与
える走査回路と、入力される信号を、与えられた指示に
したがって、所定量減衰させ出力する減衰回路と、３次
元方向のうち、探針を試料台に対して相対的に移動させ
る２次元方向を除く、残りの１方向において、試料台に
載置された試料と探針との距離を一定にするために、前
記移動手段に移動信号を与えるサーボ回路と、該サーボ
回路が与えた移動信号に対応して、試料の表面の形状デ
ータを作成する処理手段と、作成された形状データを少
なくとも出力する出力手段と、前記減衰回路に与える指
示を出力する減衰指示手段を有して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
の測定精度および操作性の向上のための技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来技術について説明する。ま
ず、走査型プローブ顕微鏡の一例として、走査型トンネ
ル顕微鏡について説明する。

【０００３】図４に示すように、金属の探針１を、導電
性試料２に、１（ｎｍ）程度まで接近させた状態で、探
針１と試料２と間に電圧を印加すると、いわゆるトンネ
ル効果が生じ、電流が流れる現象が発生する。かかる電
流は、探針１、試料２を構成する原子中の電子の動きに
よって生ずる電子雲が、電流の流れる経路を構成する等
の原因により発生すると考えられている。

【０００４】この電流は、通常、トンネル電流と称さ
れ、探針１と試料２の両者間の距離の変化に対応して、
非常に敏感に変化し、距離を０．１（ｎｍ）程度変化さ
せると、トンネル電流の値は、１桁程度変化する。逆
に、探針１と試料２の距離が一定ならば、トンネル電流
の値は、一定値となる。

【０００５】そこで、三次元方向に探針を駆動可能な精
密アクチュエータに、探針を取り付け、前記トンネル電
流を一定に保つべく、探針１と試料２の距離を一定にな
るようにアクチュエータを制御して、試料表面を探針に
より走査すれば、制御量を求めることにより、試料の凹
凸を原子の大きさのレベルで計測することができる。

【０００６】このとき、探針１と試料２の距離を一定に
なるように精密アクチュエータに加えた電圧、すなわち
制御量を、画像化する処理を行えば、試料の表面形状を
観察することができ、これが走査型トンネル顕微鏡と称
されるものである。

【０００７】また、探針と試料を、ナノメートル単位の
領域まで接近させたときに両者の間に生じる原子間力
（引力または斥力）を検出して、この量が一定になるよ
うに、すなわち、探針と試料との距離を一定になるよう
に、アクチェータを制御して、アクチェータに加えた電
圧、すなわち制御量を、画像化する処理を行えば、試料
の表面形状を観察することができ、これを原子間力顕微
鏡と称している。

【０００８】原子間力顕微鏡の構成要素として、カンチ
レバーと称される先端（これが探針となる）が鋭利な形
状を有する微小バネを用い、このカンチレバーのたわみ
量が、一定になるようにアクチェータを制御し、この制
御量に対応して、試料の表面形状の凹凸を、観測してい
る。なお、このカンチレバーのたわみ量の検出法には干
渉計を用いる方法、トンネル電流を用いる方法、光テコ
法等の各種の方法があるが、最も一般的に使用されてい
るのは、光テコ法である。

【０００９】このような、走査型トンネル顕微鏡や、走
査型原子間力顕微鏡以外にも、探針と試料をナノメート
ル単位の距離まで接近させたときに、探針と試料間に生
じる各種物理量を検出して、この物理量を一定に保つよ
うに、アクチュエータを制御しながら、試料の表面形状
を、探針を走査して求め観察する装置を、一般に、走査
型プローブ顕微鏡と称している。

【００１０】図５に、走査型プローブ顕微鏡の中でも代
表的な、走査型トンネル顕微鏡の概略構成図を示す。１
は探針、２は試料、３は、探針１を３次元方向に移動す
る３次元アクチュエータ、４は、３次元アクチュエータ
３に電圧を印加し、探針１を用いて試料２を、Ｘ、Ｙ平
面上で走査するためのＸ−Ｙ走査回路、５は、探針１と
試料２との距離を一定に保つように３次元アクチュエー
タ３をＺ軸方向に駆動するためのサーボ回路、６は、ト
ンネル電流を増幅する機能を有するトンネル電流増幅
器、７は電源、８は、サーボ回路から得た制御量等や、
ＣＰＵを動作させるためのプログラムを格納するための
メモリ、９は装置全体の動作を制御するためのＣＰＵ、
１０は、表面形状等を表示する表示装置である。

【００１１】なお、図示はしていないが、Ｘ−Ｙ走査回
路４やサーボ回路５には、高圧アンプ回路を接続して、
高圧アンプ回路で増幅した電圧を３次元アクチュエータ
３に印加するように構成しても良い。

【００１２】３次元アクチュエータ３は、圧電素子を用
いて構成されており、ＣＰＵ９、Ｘ−Ｙ走査回路４を通
して、所定の電圧が印加されることによって駆動され
る。

【００１３】すなわち、Ｘ−Ｙ走査回路４から与えられ
る電圧により、Ｘ軸、Ｙ軸方向に圧電素子を変形、駆動
する。その結果、探針１をＸ軸、Ｙ軸方向に移動して、
試料２を走査することができる。一方、サーボ回路５
は、探針１と試料２との距離が一定になるように、該当
する電極（図中「Ｚ」部）に電圧を印加し、Ｚ軸方向の
探針１の変位量を制御することにより、トンネル電流が
一定に保たれる。このとき印加した電圧の値は、例え
ば、メモリ８に、順次格納されていく。ＣＰＵ９は、メ
モリ８の内容を読み込み、これに基づいて、試料の表面
形状を得るための処理を行い、試料の表面形状を表示装
置１０に表示する。

【００１４】このような三次元圧電アクチュエータ３と
しては、例えば、図６に示すように圧電素子１１をトラ
イポッド型に接着した片持ち式のものや、図７に示すよ
うに圧電素子１１を円筒型に構成し、その表面に四個
（１個は、隠れた状態になっているため図示せず）のＸ
−Ｙ軸駆動電極１２と、一個のＺ軸駆動電極１３を備
え、さらに、内側に共通電極を備えた構成にする。な
お、図７に示す、アクチュエータの駆動方法について
は、後に説明する。

【００１５】なお、最も頻繁に使用されているアクチュ
エータは、剛性が大きく、かつ、応答性の良い図７に示
した円筒型のアクチュエータである。かかるアクチュエ
ータは、探針の走査範囲に応じて、予め複数種類用意し
ておき、走査範囲に応じて、測定前に交換しておくこと
が行われている。例えば、原子レベルの非常に微小な領
域を走査するための、原子分解能領域用、これより広い
走査範囲に対応する中領域用、さらに広い走査範囲に対
応するための大領域用といった、複数種類のアクチュエ
ータを用意し、試料を観察する際の目的に応じて、所定
のアクチュエータに交換する操作を行っている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来技術においては、試料を比較的広い走査エリア内
で観測することを目的とする大領域観察と、これとは逆
に、試料を比較的狭い走査エリア内で観測することを目
的とする極微小領域とを行う際には、それぞれの目的に
対応した、アクチュエータを使用しなければならず、大
領域から極微小領域までの観察を、１つのアクチュエー
タのみで行うことは困難であった。

【００１７】単に、３次元圧電アクチュエータに、印加
する電圧を変化させるだけでは、大きな電圧の場合はと
もかく、微小な電圧は、電気系が発生するノイズと同程
度の大きさになり、測定精度が極めて劣化する場合もあ
りえる。

【００１８】また、比較的広いエリアの試料の走査を行
うためには、アクチュエータの走査感度（単位電圧を印
加した時の走査量）が大きくなければならず、仮に、ア
クチュエータを駆動する、高圧アンプの出力電圧が「−
２５０（Ｖ）〜＋２５０（Ｖ）」で、走査範囲が１５０
（μｍ）×１５０（μｍ）とすると走査感度は、３００
（ｎｍ／Ｖ）となる。

【００１９】両電極間の電圧差は、「２５０−（−２５
０）＝５００（Ｖ）」であるので、走査感度は、「１５
０（μｍ）÷５００（Ｖ）＝３００（ｎｍ／Ｖ）」とな
るからである。

【００２０】圧電アクチュエータを駆動する高圧アンプ
のノイズは、通常数ミリボルトはあるため、仮にノイズ
を、５（ｍＶ）とすると、このノイズにより、１．５
（ｎｍ）以下の分解能は得られなくなり、走査型プロー
ブ顕微鏡に期待される高分解能が達成できない事態が生
じる。

【００２１】逆に、原子レベルの分解能を安定に得るた
めの走査感度は、一般に、数（ｎｍ／Ｖ）程度であり、
仮に、走査感度を、２（ｎｍ／Ｖ）とすると、高圧アン
プの出力電圧が「−２５０（Ｖ）〜＋２５０（Ｖ）」と
すると、最大走査範囲は、１（μｍ）×１（μｍ）とな
る。

【００２２】これらの例は、Ｘ−Ｙの走査のみについて
の値であるが、Ｚ方向の分解能や、走査追従範囲（サー
ボ回路による駆動されるＺ方向の駆動量）も同様であ
る。

【００２３】このように、原子レベルの分解能を有す
る、ＸＹＺ走査系での、１（μｍ）×１（μｍ）以上の
エリアの走査による試料の観察や、逆に、比較的広い走
査領域、すなわち、大領域用のＸＹＺ走査系による、原
子レベルの分解能の達成は困難であり、微小な領域か
ら、広い領域までの走査を行うには、複数種類のアクチ
ュエータを用意し、用途によって、アクチュエータを交
換して試料の表面形状を観測せざるを得なかった。

【００２４】したがって、アクチュエータを交換のため
の作業工数の増加や、顕微鏡システムのコストの増加を
も招いていた。

【００２５】そこで、本発明は、アクチュエータを交換
することなく、一つのアクチュエータで、原子レベルの
微小な領域から、広い領域までの走査を安定して行うこ
とが可能な、走査型プローブ顕微鏡を提供するものであ
る。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、以下の手段が考えられる。

【００２７】すなわち、探針と、試料を載せる試料台
と、与えられる移動信号によって、探針と試料台とを３
次元方向に相対移動可能な移動手段と、探針を試料台に
対して相対的に２次元方向に移動させるため前記移動手
段に移動信号を与える走査回路と、入力される信号を、
与えられた指示にしたがって、所定量減衰させ出力する
減衰回路と、３次元方向のうち、探針を試料台に対して
相対的に移動させる２次元方向を除く、残りの１方向に
おいて、試料台に載置された試料と探針との距離を一定
にするために、前記移動手段に移動信号を与えるサーボ
回路と、該サーボ回路が与えた移動信号に対応して、試
料の表面の形状データを作成する処理手段と、作成され
た形状データを少なくとも出力する出力手段と、前記減
衰回路に与える指示を出力する減衰指示手段を有して構
成される走査型プローブ顕微鏡である。

【００２８】なお、前記減衰回路を、第１の抵抗と、接
地点と抵抗の端点をアナログスイッチで接続した第２の
抵抗を並列接続して１対とし、これを少なくとも１対以
上有して構成し、さらに前記減衰指示手段が与える指示
を、各アナログスイッチの開閉信号とする構成が好まし
い。

【００２９】

【作用】本発明では、観察領域の大きさに応じてアクチ
ュエータへ印加する走査制御電圧を変化させるため、抵
抗値可変回路、すなわち、入力電圧を減衰させ出力する
手段を設けた。

【００３０】所定時に、ＣＰＵからの指示に従って、抵
抗値可変回路が備えるアナログスイッチがオンする。こ
れにより、印加される走査電圧は、所定の減衰を受けて
出力される。かかる出力電圧は、探針を支持するアクチ
ュエータに印加され、試料に対する探針の走査が行われ
る。結局ＣＰＵからの指示に従って、アクチュエータに
印加される電圧が所望の値に設定されるため、微小な領
域から、広い領域までの探針の走査を、走査感度が一定
の１つのアクチュエータで、行えることになる。しか
も、単に、アクチュエータに印加する電圧を可変にする
構成と異なり、微小な電圧でも、発生するノイズが小さ
いため耐ノイズ性に優れた回路系を構成することにな
る。

【００３１】このように、アクチュエータに印加する電
圧を可変（減衰あるいは減衰しない状態にする）にする
手段を設けることにより、アクチュエータを交換するこ
となく、一つのアクチェータで、１（ｎｍ）×１（ｎ
ｍ）程度の原子レベルの大きさの領域から、１５０（μ
ｍ）×１５０（μｍ）程度の、比較的大きな領域まで、
安定して走査可能とし、試料の観察を行える走査型プロ
ーブ顕微鏡が実現できる。

【００３２】なお、抵抗値可変回路の構成によっては、
多段階の減衰を行え、さらに、各種の走査領域を選択し
えることになる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明にかかる実施例を図面を参照し
て説明する。

【００３４】図１は、本発明にかかる一実施例の構成図
である。

【００３５】１は探針、２は試料、３は、探針１を３次
元方向に移動する３次元アクチュエータ、４は、３次元
アクチュエータ３に電圧を印加し、探針１を用いて試料
２を、Ｘ、Ｙ平面上で走査するためのＸＹ走査回路、５
は、探針１と試料２との距離を一定に保つように３次元
アクチュエータ３をＺ軸方向に駆動するためのサーボ回
路、６は、トンネル電流を増幅する機能を有するトンネ
ル電流増幅器、７は電源、８は、サーボ回路から得た制
御量等や、ＣＰＵを動作させるためのプログラムを格納
するためのメモリ、９は装置全体の動作を制御するため
のＣＰＵ、１０は、表面形状等を表示する表示装置、１
４、１５は、入力される電圧を増幅して出力する高圧ア
ンプであり、その増幅率は、例えば、ＣＰＵ９の制御信
号によって可変となる。また、１６、１７は、本発明の
主要部となる、抵抗値可変回路であり、その詳細はのち
に述べる。

【００３６】ＸＹ走査回路４、サーボ回路５は、例えば
ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種ＣＭＯＳ等の電子デバイ
スにて実現できる。

【００３７】また、メモリ８は、例えばＲＯＭとＲＡＭ
等の電子デバイスにて、トンネル電流増幅器６は、トラ
ンジスタ、各種ＣＭＯＳ、オペアンプ等の電子デバイス
にて実現できる。

【００３８】表示装置１０は、例えば、ＣＲＴ、液晶、
ＥＬディスプレイ等によって実現できる。

【００３９】なお、高圧アンプは、例えば、抵抗、オペ
アンプ、抵抗間に設けられたアナログスイッチを有して
構成され、与えられた指示によるアナログスイッチの開
閉により、オペアンプに接続される抵抗値が変化するこ
とによって、増幅率が変化する構成となっている。

【００４０】３次元アクチュエータ３は、ＰＺＴ等の圧
電素子を用いて構成されており、ＣＰＵ９、Ｘ−Ｙ走査
回路４を通して、所定の電圧が印加されることによって
駆動される。例えば、図７に示すように、圧電素子を円
筒形状に構成して実現する。円筒の内側には、共通電
極、表面には、４つのＸＹ軸駆動電極１２と、Ｚ軸駆動
電極１３が備えられている。また、圧電素子１１の下側
の底面中心部には、探針１が支持されている。

【００４１】例えば、電極「Ｘ＋」、「Ｘ−」に、大き
さが同じで符号の異なる電圧を印加することによって、
圧電素子１１は、Ｘ軸方向に変位するため、探針１のＸ
軸方向の走査が可能になる。同様に、電極「Ｙ＋」、
「Ｙ−」に、大きさが同じで符号の異なる電圧を印加す
ることによって、圧電素子１１は、Ｙ軸方向に変位する
ため、探針１のＹ軸方向の走査が可能になる。ただし、
図示の都合上、電極「Ｙ＋」は、図示していない。ま
た、共通電極と電極「Ｚ」との間に、電圧を印加するこ
とにより、圧電素子１１は、Ｚ軸方向に変位するため、
探針１のＺ軸方向の移動が可能になる。

【００４２】さて、図１において、ＸＹ走査回路４より
出力されるＸＹ走査信号は、高圧アンプ回路１４で増幅
され、抵抗値可変回路１６を介し、三次元アクチュエー
タ３の、Ｘ、Ｙ軸方向駆動電極「Ｘ＋、Ｘ−、Ｙ＋、Ｙ
−」へ供給される。

【００４３】その結果、試料２に対する探針１の走査が
行われる。走査の方法としては、例えば、ラスタ型の走
査等が考えられる。試料の所定走査領域を走査する方法
であれば、いかなる方法でも良い。

【００４４】さて、試料２に対する探針１の２次元にお
ける走査と同時に、サーボ回路５から、Ｚ方向制御信号
が出力される、このＺ方向制御信号は、高圧アンプ回路
１５によって増幅され、抵抗値可変回路１７を介して、
三次元アクチュエータ３のＺ軸方向駆動電極へ、印加さ
れる。

【００４５】なお、駆動するＺ方向制御信号は、トンネ
ル電流を増幅するトンネル電流増幅器から得られる電流
の大きさが一定になるように、すなわち、探針１と試料
２との距離が一定になるように生成される。

【００４６】そして、走査にしたがって生成された、Ｚ
方向制御信号はメモリ８に順次格納される。

【００４７】ＣＰＵ９は、かかるメモリ８に順次格納さ
れた、Ｚ方向制御信号に基づいて、試料２の表面形状を
表示装置１０に出力する処理を行い、試料２の表面形状
が計測できることになる。

【００４８】また、Ｘ、Ｙ軸およびＺ軸方向に対して設
けられた高圧アンプ１４、１５の増幅率は、ＣＰＵ９が
与える指示により切り換えられ、仮に、２５倍と１倍と
の間で、増幅率が切り換えられるとする。そして、高圧
アンプ回路への入力信号の範囲を、「−１０〜＋１０
（Ｖ）」とすると、高圧アンプ回路の出力電圧の範囲
は、「−２５０〜＋２５０（Ｖ）」、または、「−１０
〜＋１０（Ｖ）」となる。

【００４９】なお、ＣＰＵ９が抵抗値可変回路に、指示
を与えない場合には、上述のように、通常の走査型プロ
ーブ顕微鏡としての動作を行うが、この場合、走査領域
は固定である。そこで、３次元圧電アクチュエータを交
換することなく、探針１の走査領域を変更するために、
抵抗値可変回路を起動する。起動された抵抗値可変回路
１６（１７も同様）は、高圧アンプ回路１４から出力さ
れる電圧を、所定量だけ減衰させて、３次元圧電アクチ
ュエータが備える各電極への入力電圧とする。すなわ
ち、３次元圧電アクチュエータが備える各電極に印加さ
れる電圧が変化するため、探針１の走査領域が変更され
ることになる。

【００５０】なお、このとき、高圧アンプ回路１４の増
幅率の変更も組み合わせて行うことにより、探針１の走
査領域が、所定のエリアとなるようにするのが好まし
い。

【００５１】さて、図２、図３に、それぞれ、Ｘ、Ｙ方
向と、Ｚ方向に対する、抵抗値可変回路の詳細な構成図
を示す。いずれの回路も、ＣＰＵ９により与えられる指
示により、回路を構成する抵抗の組み合わせが変更し、
３次元圧電アクチュエータ３へ印加される電圧が変化
し、探針１の移動範囲が変化する構成になっている。

【００５２】図２では、ＣＰＵ９により与えられる指示
により、高圧アンプ回路１４の増幅率が変化する。この
例では、２５倍と１倍の間で切換えが行われる。なお、
図中、ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４は、それぞれ、
電極「Ｘ−」、「Ｘ＋」、「Ｙ−」、「Ｙ＋」に対して
設けられた増幅部である。これらは、ＣＰＵ９により与
えられる指示により、一斉に、増幅率が切換えられる。
目的によっては、各増幅部ごとに、その増幅率が切換え
られる構成にしても良い。

【００５３】図３では、高圧アンプ回路１５が備える増
幅部の増幅率が、ＣＰＵ９により与えられる指示によ
り、２５倍と１倍の間で切換えられる。もちろん、上述
の２５倍、１倍は、増幅率の一例にすぎない。

【００５４】次に、抵抗値可変回路１６、１７について
説明する。

【００５５】抵抗値可変回路１６は、抵抗１８、１９お
よびアナログスイッチ２０を１組とした抵抗値可変部
を、それぞれ、電極「Ｘ−」、「Ｘ＋」、「Ｙ−」、
「Ｙ＋」に対して設けた構成になっている。同様に、図
３を見て分かるように、抵抗値可変回路１７は、抵抗２
１、２２およびアナログスイッチ２０を１組とした抵抗
値可変部を、電極「Ｚ」に対して設けた構成になってい
る。

【００５６】さて、電極「Ｘ−」に対する抵抗値可変部
の動作を説明する。アナログスイッチ２０のスイッチ
（Ｓ１）が開状態のとき、ＣＨ１からの出力電圧は、抵
抗１８（Ｒ１１）を介し、そのまま、電極「Ｘ−」に印
加される。ところが、アナログスイッチ２０のスイッチ
（Ｓ１）が閉状態のとき、ＣＨ１からの出力電圧は、抵
抗１８（Ｒ１１）と抵抗１９（Ｒ１２）とで分圧され、
この分圧された電圧が電極「Ｘ−」に印加されることに
なる。

【００５７】ここで、アナログスイッチ２０のスイッチ
（Ｓ１）の開閉指示は、ＣＰＵ９によって与えられる。

【００５８】もちろん、ＣＰＵ９に、図示しない入力手
段を接続し、必要時に（走査領域の異なる測定を行うと
き）、入力手段を介して、アナログスイッチを切り換え
る旨の指示をＣＰＵ９に与え、ＣＰＵ９は、かかる指示
を受け付けて、アナログスイッチの開閉処理を行うの
が、一般的である。

【００５９】かかる動作は、残りの電極に対して設けら
れた抵抗値可変部でも同様である。したがって、スイッ
チＳ２、Ｓ３、Ｓ４に対する開閉指示もＣＰＵ９によっ
て与えられる。これらのスイッチは、ＣＰＵ９により与
えられる指示により、一斉に、開閉されるが、目的によ
っては、各スイッチごとに開閉状態が切換えられる構成
にしても良い。

【００６０】また、図３を見て分かるように、Ｚ軸方向
も、アナログスイッチ２０のスイッチ（Ｓ５）が開状態
のとき、ＣＨ５からの出力電圧は、抵抗２１（Ｒ１０
１）を介し、そのまま、電極「Ｘ−」に印加される。と
ころが、アナログスイッチ２０のスイッチ（Ｓ５）が閉
状態のとき、ＣＨ５からの出力電圧は、抵抗２１（Ｒ１
０１）と抵抗２２（Ｒ１０２）とで分圧され、この分圧
された電圧が電極「Ｚ」に印加されることになる。

【００６１】ここで、アナログスイッチ２０のスイッチ
（Ｓ５）の開閉指示は、ＣＰＵ９によって与えられる。

【００６２】なお、図２、図３にて示す構成は、各電極
に対して、アナログスイッチを１個設けた構成である
が、通常は、アナログスイッチを複数個設けて構成す
る。例えば、図８は、「Ｘ−」電極に対する回路構成例
である。ＳＷ１０，２０，３０は、それぞれ、他の抵抗
か、グランドを切替るスイッチである。ＣＰＵがＳＷ１
０，２０，３０に与える信号、すなわち、各スイッチの
開閉の組合せにより、多段階に減衰量が変更可能な回路
を構成することが可能である。

【００６３】このように、アナログスイッチの開閉によ
り、抵抗値を変化させ、各電極に印加する電圧の値を変
化させることになる。このような、動作によって、３次
元圧電アクチュエータを交換することなく、原子のレベ
ルの微小な領域から、比較的広い領域まで、探針１によ
り試料２を走査することが可能となる。このとき、高圧
アンプ回路の増幅率も可変としておき、走査範囲にした
がって変更する構成にしておくのが好ましい。

【００６４】また、高圧アンプ回路の出力電圧を変化さ
せる構成にしているため、微小な印加電圧にノイズが重
畳されることも極めて少ない、安定した走査手段を提供
できることになる。

【００６５】例えば、三次元アクチュエータ３のＸＹ方
向の走査感度を、３００（ｎｍ／Ｖ）、Ｚ方向の走査感
度を１０（ｎｍ／Ｖ）とすると、ＸＹ方向走査範囲およ
びＺ方向追尾範囲は、高圧アンプ回路の増幅率が２５倍
（高圧アンプ回路の入力電圧が「−１０（Ｖ）〜＋１０
（Ｖ）」）のとき、それぞれ１５０（μｍ）、５（μ
ｍ）であり、また、高圧アンプ回路の増幅率が１倍（高
圧アンプ回路の入力電圧が「−１０（Ｖ）〜＋１０
（Ｖ）」）のとき、それぞれ６（μｍ）、０．２（μ
ｍ）である。

【００６６】このような関係の一例を以下の表にまとめ
る。

【００６７】

【表１】

【００６８】表１には、走査レンジを、原子レベルの微
小走査範囲である原子分解能領域（レンジ３）、それよ
り広い中領域（レンジ２）、さらに広い大領域（レンジ
１）と分類し、ＸＹ走査範囲と、Ｚ追尾範囲として、本
発明により実現可能なものを例示したものである。

【００６９】ここで、原子レベルの微小走査範囲である
分解能領域で原子レベルの大きさの分解能を、安定に得
るためには、一般に、走査感度を１〜２（ｎｍ／Ｖ）程
度にする必要があり、ＸＹ走査感度を２（ｎｍ／Ｖ）と
し、さらに、Ｚ方向の走査感度を、１（ｎｍ／Ｖ）とす
ると、前記抵抗値可変回路１６、１７で印加電圧を、Ｘ
Ｙ方向には、１／１５０、Ｚ方向には、１／１０とする
必要がある。

【００７０】そのための具体例として、図２に示す、抵
抗１８の値を１４．９（ＫΩ）、抵抗１９の値を１００
（Ω）とすればよい。抵抗値可変回路１６に入力される
電圧は、次式にしたがって分圧されるからである。すな
わち、（Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２））＝（０．１／
（１４．９＋０．１））＝１／１５０となり、電極への
印加電圧の低減により、ＸＹ走査感度を２（ｎｍ／Ｖ）
としたことに相当することになる。

【００７１】同様に、抵抗２１の値を９（ＫΩ）、抵抗
２２の値を１（ＫΩ）とすると、抵抗値可変回路１７に
入力される電圧は、次式にしたがって分圧される。すな
わち、（Ｒ１０２／（Ｒ１０１＋Ｒ１０２））＝（１／
（９＋１））＝１／１０となり、電極Ｚへの印加電圧の
低減により、Ｚ方向の走査感度を１（ｎｍ／Ｖ）とした
ことに相当することになる。

【００７２】このように、ＣＰＵ９の指示に従って、抵
抗値可変回路１６、１７を起動し、各電極への印加電圧
を変更することにより、アクチュエータを交換すること
なく、大きなダイナミックレンジで試料を走査する機能
を備える走査型プローブ顕微鏡を実現できる。

【００７３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、アクチュ
エータを交換することなく、一つのアクチュエータで、
原子レベルの微小な領域から、広い領域までの走査を安
定に行うことが可能な、走査型プローブ顕微鏡を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の一実施
例の構成図である。

【図２】本発明の主要部の構成図である。

【図３】本発明の主要部の構成図である。

【図４】トンネル効果の説明図である。

【図５】走査型トンネル顕微鏡の構成図である。

【図６】片持ち式の圧電素子の構成図である。

【図７】円筒型の圧電素子の構成図である。

【図８】本発明にかかる回路構成図である

【符号の説明】

１…探針、２…試料、３…三次元圧電アクチュエータ、
４…ＸＹ走査回路、５…サーボ回路、６…トンネル電流
増幅器、７…電池、８…メモリ、９…ＣＰＵ、１０…表
示装置、１１…圧電素子、１２…ＸＹ軸駆動電極、１３
…Ｚ軸駆動電極、１４…ＸＹ軸高圧アンプ回路、１５…
高圧アンプ回路、１６…抵抗値可変回路、１７…抵抗値
可変回路、１８…抵抗、１９…抵抗、２０…アナログス
イッチ、２１…抵抗、２２…抵抗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】探針と、試料を載せる試料台と、与えられ
   る移動信号によって、探針と試料台とを３次元方向に相
   対移動可能な移動手段と、探針を試料台に対して相対的
   に２次元方向に移動させるため前記移動手段に移動信号
   を与える走査回路と、入力される信号を、与えられた指
   示にしたがって、所定量減衰させ出力する減衰回路と、
   ３次元方向のうち、探針を試料台に対して相対的に移動
   させる２次元方向を除く、残りの１方向において、試料
   台に載置された試料と探針との距離を一定にするため
   に、前記移動手段に移動信号を与えるサーボ回路と、該
   サーボ回路が与えた移動信号に対応して、試料の表面の
   形状データを作成する処理手段と、作成された形状デー
   タを少なくとも出力する出力手段と、前記減衰回路に与
   える指示を出力する減衰指示手段を有して構成される走
   査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１において、さらに、入力される信
   号を与えられた指示にしたがって、所定量減衰させ出力
   する第２の減衰回路と、該第２の減衰回路に与える指示
   を出力する第２の減衰指示手段を備え、 前記第２の減衰回路は、前記サーボ回路が与える移動信
   号を入力し、前記第２の減衰指示手段が与えた指示にし
   たがって、所定量だけ減衰を行い、移動信号として、前
   記移動手段に出力することを特徴とする走査型プローブ
   顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１において、前記減衰回路は、第１
   の抵抗と、接地点と抵抗の端点をアナログスイッチで接
   続した第２の抵抗を並列接続して１対とし、これを少な
   くとも１対以上有して構成し、さらに、前記減衰指示手
   段が与える指示は、各アナログスイッチの開閉信号であ
   ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。