JP2556533B2 - 走査トンネル顕微鏡のスキャナ - Google Patents
走査トンネル顕微鏡のスキャナInfo
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- JP2556533B2 JP2556533B2 JP62288077A JP28807787A JP2556533B2 JP 2556533 B2 JP2556533 B2 JP 2556533B2 JP 62288077 A JP62288077 A JP 62288077A JP 28807787 A JP28807787 A JP 28807787A JP 2556533 B2 JP2556533 B2 JP 2556533B2
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- JP
- Japan
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- axis
- elements
- scanner
- sample
- displacement
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は走査トンネル顕微鏡（STM）を備えた電子顕
微鏡のスキャナに関するものである。
微鏡のスキャナに関するものである。
一般に、探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重
なり合う1nm程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧が1mVのとき、１〜1
0mA程度である。このトンネル電流の大きさは、試料と
探針との間の距離により変化し、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
測定することができ、探針位置が既知であれば試料の表
面形状を求めることができる。またトンネル電流が一定
になるように探針位置を制御すれば探針位置軌跡により
同様に試料の表面形状を測定することができる。
なり合う1nm程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧が1mVのとき、１〜1
0mA程度である。このトンネル電流の大きさは、試料と
探針との間の距離により変化し、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
測定することができ、探針位置が既知であれば試料の表
面形状を求めることができる。またトンネル電流が一定
になるように探針位置を制御すれば探針位置軌跡により
同様に試料の表面形状を測定することができる。
第５図はこのような走査型トンネル顕微鏡の概略構成
を示す図で、１は探針、２は試料、３は３次元アクチュ
エータ、４はXY走査回路、５はサーボ回路、６はトンネ
ル電流増幅器、７は電池、８はメモリ、９はCPU、10は
表示装置である。
を示す図で、１は探針、２は試料、３は３次元アクチュ
エータ、４はXY走査回路、５はサーボ回路、６はトンネ
ル電流増幅器、７は電池、８はメモリ、９はCPU、10は
表示装置である。
３次元アクチュエータ３は一つの圧電素子をくりぬい
て構成しており、CPU9、メモリ８を通して制御され、XY
走査回路４によりＸ軸、Ｙ軸方向圧電素子に対して印加
電圧を掃引することにより探針１をＸ軸、Ｙ軸方向に移
動して走査し、またサーボ回路５を通してＺ軸方向圧電
素子に対する電圧を制御することによりトンネル電流が
一定に制御され、そのときの電圧値はCPUに読み込まれ
て表示装置10に表示され、試料の表面形状を観察するこ
とができる。
て構成しており、CPU9、メモリ８を通して制御され、XY
走査回路４によりＸ軸、Ｙ軸方向圧電素子に対して印加
電圧を掃引することにより探針１をＸ軸、Ｙ軸方向に移
動して走査し、またサーボ回路５を通してＺ軸方向圧電
素子に対する電圧を制御することによりトンネル電流が
一定に制御され、そのときの電圧値はCPUに読み込まれ
て表示装置10に表示され、試料の表面形状を観察するこ
とができる。
このような３次元アクチュエータ３としては、第６図
に示すように圧電素子11をトライポット型にネジ止め等
により結合した片持ち式のものや、またこれよりも剛性
を高くするために、第７図に示すように圧電素子11を、
Ｘ軸、Ｙ軸は両端支持、Ｚ軸は一端支持するようにした
ものも使用されている。
に示すように圧電素子11をトライポット型にネジ止め等
により結合した片持ち式のものや、またこれよりも剛性
を高くするために、第７図に示すように圧電素子11を、
Ｘ軸、Ｙ軸は両端支持、Ｚ軸は一端支持するようにした
ものも使用されている。
しかしながら、従来のトライポット型のものは固有振
動数が１〜3KHzと低く、そのため走査速度を速くするこ
とができなかった。そのため熱ドリフト等の影響を受け
易く、流れた像になり易いという問題があった。またＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各動きが他の軸に影響を与えてしま
い、その歪を小さくすると共に、動きを大きくとろうと
すると、どうしても大型になってしまうという問題があ
った。
動数が１〜3KHzと低く、そのため走査速度を速くするこ
とができなかった。そのため熱ドリフト等の影響を受け
易く、流れた像になり易いという問題があった。またＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各動きが他の軸に影響を与えてしま
い、その歪を小さくすると共に、動きを大きくとろうと
すると、どうしても大型になってしまうという問題があ
った。
ところで走査ンネル顕微鏡の場合、試料のどこを観察
しているのか分りにくいので、透過型電子顕微鏡（TE
M）に組込んでTEM、或いは反射電子顕微鏡（REM）法に
より視野探しを行うと共に、さらに超精密にトンネル顕
微鏡で観察することが望まれているが、従来のトライポ
ット型のスキャナではTEMホルダに搭載することは不可
能で、STMをTEMの試料室に組み入れて使用することはで
きなかった。
しているのか分りにくいので、透過型電子顕微鏡（TE
M）に組込んでTEM、或いは反射電子顕微鏡（REM）法に
より視野探しを行うと共に、さらに超精密にトンネル顕
微鏡で観察することが望まれているが、従来のトライポ
ット型のスキャナではTEMホルダに搭載することは不可
能で、STMをTEMの試料室に組み入れて使用することはで
きなかった。
本発明は上記問題点を解決するためのもので、各軸が
独立して歪を少なくすることができ、高速走査が可能で
あると共に、TEM用ホルダ内に組み込むことができ、TEM
像またはREM像とSTM像の同時観察を行うことができる走
査トンネル顕微鏡のスキャナを提供することを目的とす
る。
独立して歪を少なくすることができ、高速走査が可能で
あると共に、TEM用ホルダ内に組み込むことができ、TEM
像またはREM像とSTM像の同時観察を行うことができる走
査トンネル顕微鏡のスキャナを提供することを目的とす
る。
そのために本発明の走査トンネル顕微鏡のスキャナ
は、直交する３軸方向に探針をそれぞれ変位させるよう
に駆動電圧が印加される３個のピエゾ素子エレメントを
積層した一体化構造を有するスキャナであって、前記３
個のピエゾ素子エレメントのうち２個のピエゾ素子エレ
メントについて、ピエゾ素子エレメントの積層方向と直
交する方向にスベリ変位を生じさせると共に、他の１個
のピエゾ素子エレメントについては前記積層方向に変位
を生じさせるように構成すると共に、少なくとも前記３
個のピエゾ素子エレメントのうち１個のピエゾ素子エレ
メントは２枚以上のピエゾ素子が積層されている。
は、直交する３軸方向に探針をそれぞれ変位させるよう
に駆動電圧が印加される３個のピエゾ素子エレメントを
積層した一体化構造を有するスキャナであって、前記３
個のピエゾ素子エレメントのうち２個のピエゾ素子エレ
メントについて、ピエゾ素子エレメントの積層方向と直
交する方向にスベリ変位を生じさせると共に、他の１個
のピエゾ素子エレメントについては前記積層方向に変位
を生じさせるように構成すると共に、少なくとも前記３
個のピエゾ素子エレメントのうち１個のピエゾ素子エレ
メントは２枚以上のピエゾ素子が積層されている。
［作用］ 直交する３軸方向に探針をそれぞれ変位させるように
駆動電圧が印加される３個のピエゾ素子エレメントを積
層した一体化構造を有するスキャナであって、前記３個
のピエゾ素子エレメントのうち２個のピエゾ素子エレメ
ントについて、ピエゾ素子エレメントの積層方向と直交
する方向にスベリ変位を生じさせると共に、他の１個の
ピエゾ素子エレメントについては前記積層方向に変位を
生じさせるように構成すると共に、少なくとも前記３個
のピエゾ素子エレメントのうち１個のピエゾ素子エレメ
ントは２枚以上のピエゾ素子が積層されているようにし
たため、走査トンネル顕微鏡のスキャナを小型化できる
と共に、共振周波数を高くすることができるため、高速
走査が可能になる。
駆動電圧が印加される３個のピエゾ素子エレメントを積
層した一体化構造を有するスキャナであって、前記３個
のピエゾ素子エレメントのうち２個のピエゾ素子エレメ
ントについて、ピエゾ素子エレメントの積層方向と直交
する方向にスベリ変位を生じさせると共に、他の１個の
ピエゾ素子エレメントについては前記積層方向に変位を
生じさせるように構成すると共に、少なくとも前記３個
のピエゾ素子エレメントのうち１個のピエゾ素子エレメ
ントは２枚以上のピエゾ素子が積層されているようにし
たため、走査トンネル顕微鏡のスキャナを小型化できる
と共に、共振周波数を高くすることができるため、高速
走査が可能になる。
以下、実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明による走査トンネル顕微鏡のスキャナ
の一実施例を示す図で、同図（イ）は平面図、同図
（ロ）は縦側面図、同図（ハ）は横側面図、第２図はス
キャナのＺ軸変位を説明すための図である。図中、11は
スキャナー本体、12は端子板、13、14、15は絶縁板、16
はＺ軸エレメント、17はＸ軸エレメント、18はＹ軸エレ
メント、19〜21はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各端子、22はGND
端子、23はリード線である。
の一実施例を示す図で、同図（イ）は平面図、同図
（ロ）は縦側面図、同図（ハ）は横側面図、第２図はス
キャナのＺ軸変位を説明すための図である。図中、11は
スキャナー本体、12は端子板、13、14、15は絶縁板、16
はＺ軸エレメント、17はＸ軸エレメント、18はＹ軸エレ
メント、19〜21はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各端子、22はGND
端子、23はリード線である。
図において、スキャナ本体11は接着剤で結合したPZT
からなるＸ軸、Ｙ軸エレメント17、18と、これらと絶縁
板14で絶縁され、層状に積層して接着されたPZTからな
るＺ軸エレメント16からなり、端子板12からウレタン被
覆したリード線によりそれぞれ駆動電圧が供給されてい
る。図ではスキャナ本体11と端子板12とは分離して示し
ているが、これは一体であってもよい。そして、Ｙ方向
とＺ方向の変位にはPZTの厚みすべり（ズレ）方向変位
を用い、Ｘ方向変位には厚み方向変位を使用する。また
Ｚ軸エレメント16はPZTを４枚積み重ねて積層型とし、
それによってＺ方向の変位量を大きくするようにしてい
る。このＺ軸エレメントの先端に図示しない探針を取り
つける。
からなるＸ軸、Ｙ軸エレメント17、18と、これらと絶縁
板14で絶縁され、層状に積層して接着されたPZTからな
るＺ軸エレメント16からなり、端子板12からウレタン被
覆したリード線によりそれぞれ駆動電圧が供給されてい
る。図ではスキャナ本体11と端子板12とは分離して示し
ているが、これは一体であってもよい。そして、Ｙ方向
とＺ方向の変位にはPZTの厚みすべり（ズレ）方向変位
を用い、Ｘ方向変位には厚み方向変位を使用する。また
Ｚ軸エレメント16はPZTを４枚積み重ねて積層型とし、
それによってＺ方向の変位量を大きくするようにしてい
る。このＺ軸エレメントの先端に図示しない探針を取り
つける。
例えばＺ軸の変位について説明すると、第２図に示す
ようにＺ軸エレメント16aのズレによる変位に対して、
エレメント16bがさらにズレによる変位を生じ、順次ズ
レ変位が重畳され、その結果先端部においては大きな変
位量を得ることができる。
ようにＺ軸エレメント16aのズレによる変位に対して、
エレメント16bがさらにズレによる変位を生じ、順次ズ
レ変位が重畳され、その結果先端部においては大きな変
位量を得ることができる。
このような本発明におけるスキャナでは、一枚一枚の
エレメントを極めて薄くすると共に、これらの非常に薄
い接着層で接着すると、PZT単体における固有振動数を
殆ど低下させることなく、250KHz以上の固有振動数を得
ることができる。また各軸の動きは互いに独立であるの
で、歪のない変位を得ることが可能となる。また各エレ
メントは0.3mmと薄く、接着層を極めて薄くすることに
より全体でも約1.6mm×3mm×5mm程度の大きさで構成す
ることができる。
エレメントを極めて薄くすると共に、これらの非常に薄
い接着層で接着すると、PZT単体における固有振動数を
殆ど低下させることなく、250KHz以上の固有振動数を得
ることができる。また各軸の動きは互いに独立であるの
で、歪のない変位を得ることが可能となる。また各エレ
メントは0.3mmと薄く、接着層を極めて薄くすることに
より全体でも約1.6mm×3mm×5mm程度の大きさで構成す
ることができる。
第３図は本発明のスキャナを組み込んだ透過型電子顕
微鏡により反射像を得る場合の概略構成を示す図、第４
図は電子線の軌跡を示す図で、図中、31はホルダ、32は
試料、33は試料固定台、34はSTM走査部、35はSTM針、36
は対物レンズ（OL）ポールピース、37は光軸、38は偏向
器、38a、38bは第１、第２偏向器、39は対物レンズであ
る。
微鏡により反射像を得る場合の概略構成を示す図、第４
図は電子線の軌跡を示す図で、図中、31はホルダ、32は
試料、33は試料固定台、34はSTM走査部、35はSTM針、36
は対物レンズ（OL）ポールピース、37は光軸、38は偏向
器、38a、38bは第１、第２偏向器、39は対物レンズであ
る。
ホルダ31は、図示しないサイドエントリゴニオメータ
により移動させられて試料32を所定位置にセットするよ
うになっている。このホルダ31内には、試料32が試料固
定台33に図示のように取りつけられ、またピエゾ素子か
らなるSTM走査部34が収納され、STM針35が試料31に対向
して設けられている。このSTM走査部34は、前述したよ
うに約1.6mm×3mm×5mm程度のものであるので、ホルダ3
1内に十分収納可能である。
により移動させられて試料32を所定位置にセットするよ
うになっている。このホルダ31内には、試料32が試料固
定台33に図示のように取りつけられ、またピエゾ素子か
らなるSTM走査部34が収納され、STM針35が試料31に対向
して設けられている。このSTM走査部34は、前述したよ
うに約1.6mm×3mm×5mm程度のものであるので、ホルダ3
1内に十分収納可能である。
上記構成において、光軸に沿って試料面に平行に放出
された電子線が、対物レンズ39の前方磁場と対物レンズ
上方に設置された偏向器38により曲げられかつ集束され
て試料面にある角度を持ってスポット状に照射されそこ
で反射されたビームは光軸上を通って対物レンズ下方に
反射像を結像する。その反射像が図示しない感光面状に
結像されて試料面の観察が行われる。このとき、試料面
が光軸に平行であるために、凹凸部分が電子線に対して
影となるために、その形状に対応して縞が観察される。
この凹凸の程度はSTM走査部34を駆動してSTM走査針35に
より超精密に測定される。この場合、前述したようにST
Mの分解能は原子レンズであるので、STM針の許容される
振動の振幅は0.1Å以下であるが、本発明においては試
料と針とが１つのホルダ内に固定されているため耐振上
極めて有利となる。また、STMの探針を試料に近づける
際、TEM像として観察することができるのでSTMの探針を
試料面に衝突させてしまうようなことを防止することが
できる。
された電子線が、対物レンズ39の前方磁場と対物レンズ
上方に設置された偏向器38により曲げられかつ集束され
て試料面にある角度を持ってスポット状に照射されそこ
で反射されたビームは光軸上を通って対物レンズ下方に
反射像を結像する。その反射像が図示しない感光面状に
結像されて試料面の観察が行われる。このとき、試料面
が光軸に平行であるために、凹凸部分が電子線に対して
影となるために、その形状に対応して縞が観察される。
この凹凸の程度はSTM走査部34を駆動してSTM走査針35に
より超精密に測定される。この場合、前述したようにST
Mの分解能は原子レンズであるので、STM針の許容される
振動の振幅は0.1Å以下であるが、本発明においては試
料と針とが１つのホルダ内に固定されているため耐振上
極めて有利となる。また、STMの探針を試料に近づける
際、TEM像として観察することができるのでSTMの探針を
試料面に衝突させてしまうようなことを防止することが
できる。
以上のように本発明によれば、直交する３軸方向に探
針をそれぞれ変位させるように駆動電圧が印加される３
個のピエゾ素子エレメントを積層した一体化構造を有す
るスキャナであって、前記３個のピエゾ素子エレメント
のうち２個のピエゾ素子エレメントについて、ピエゾ素
子エレメントの積層方向と直交する方向にスベリ変位を
生じさせると共に、他の１個のピエゾ素子エレメントに
ついては前記積層方向に変位を生じさせるように構成す
ると共に、少なくとも前記３個のピエゾ素子エレメント
のうち１個のピエゾ素子エレメントは２枚以上のピエゾ
素子が積層されているようにしたため、探針の変位量を
充分な量に維持したまま、トンネル顕微鏡のスキャナを
小型化できると共に、共振周波数を高くすることができ
るため、高速走査が可能になる。
針をそれぞれ変位させるように駆動電圧が印加される３
個のピエゾ素子エレメントを積層した一体化構造を有す
るスキャナであって、前記３個のピエゾ素子エレメント
のうち２個のピエゾ素子エレメントについて、ピエゾ素
子エレメントの積層方向と直交する方向にスベリ変位を
生じさせると共に、他の１個のピエゾ素子エレメントに
ついては前記積層方向に変位を生じさせるように構成す
ると共に、少なくとも前記３個のピエゾ素子エレメント
のうち１個のピエゾ素子エレメントは２枚以上のピエゾ
素子が積層されているようにしたため、探針の変位量を
充分な量に維持したまま、トンネル顕微鏡のスキャナを
小型化できると共に、共振周波数を高くすることができ
るため、高速走査が可能になる。
第１図は本発明による走査トンネル顕微鏡のスキャナの
一実施例を示す図、第２図はスキャナのＺ軸変位を説明
すための図、第３図は本発明のスキャナを組み込んだ透
過型電子顕微鏡により反射像を得る場合の概略構成を示
す図、第４図は電子線の軌跡を示す図、第５図は走査型
トンネル顕微鏡の概略構成を示す図、第６図、第７図は
従来のトライポット型スキャナを示す図である。 11……スキャナー本体、12……端子板、13、14、15……
絶縁板、16……Ｚ軸エレメント、17……Ｘ軸エレメン
ト、18……Ｙ軸エレメント、19〜21……Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸の各端子、22……GND端子、23……リード線。
一実施例を示す図、第２図はスキャナのＺ軸変位を説明
すための図、第３図は本発明のスキャナを組み込んだ透
過型電子顕微鏡により反射像を得る場合の概略構成を示
す図、第４図は電子線の軌跡を示す図、第５図は走査型
トンネル顕微鏡の概略構成を示す図、第６図、第７図は
従来のトライポット型スキャナを示す図である。 11……スキャナー本体、12……端子板、13、14、15……
絶縁板、16……Ｚ軸エレメント、17……Ｘ軸エレメン
ト、18……Ｙ軸エレメント、19〜21……Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸の各端子、22……GND端子、23……リード線。
フロントページの続き (72)発明者 西村 生哉 東京都昭島市武蔵野３丁目１番２号 日 本電子株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−257776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−59980（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−196834（ＪＰ，Ｕ)
Claims (1)
- 【請求項１】直交する３軸方向に探針をそれぞれ変位さ
せるように駆動電圧が印加される３個のピエゾ素子エレ
メントを積層した一体化構造を有するスキャナであっ
て、前記３個のピエゾ素子エレメントのうち２個のピエ
ゾ素子エレメントについて、ピエゾ素子エレメントの積
層方向と直交する方向にスベリ変位を生じさせると共
に、他の１個のピエゾ素子エレメントについては前記積
層方向に変位を生じさせるように構成すると共に、少な
くとも前記３個のピエゾ素子エレメントのうち１個のピ
エゾ素子エレメントは２枚以上のピエゾ素子が積層され
ている走査トンネル顕微鏡のスキャナ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62288077A JP2556533B2 (ja) | 1987-11-14 | 1987-11-14 | 走査トンネル顕微鏡のスキャナ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62288077A JP2556533B2 (ja) | 1987-11-14 | 1987-11-14 | 走査トンネル顕微鏡のスキャナ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01129105A JPH01129105A (ja) | 1989-05-22 |
| JP2556533B2 true JP2556533B2 (ja) | 1996-11-20 |
Family
ID=17725504
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62288077A Expired - Lifetime JP2556533B2 (ja) | 1987-11-14 | 1987-11-14 | 走査トンネル顕微鏡のスキャナ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2556533B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2645363B2 (ja) * | 1989-06-28 | 1997-08-25 | 光技術研究開発株式会社 | 走査トンネル顕微鏡 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58196834U (ja) * | 1982-06-23 | 1983-12-27 | 株式会社日立製作所 | Ｘｙｚステ−ジ |
| JPS6059980A (ja) * | 1983-09-07 | 1985-04-06 | Rion Co Ltd | 圧電駆動装置 |
| JPS60257776A (ja) * | 1984-05-31 | 1985-12-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電歪駆動素子 |
-
1987
- 1987-11-14 JP JP62288077A patent/JP2556533B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01129105A (ja) | 1989-05-22 |
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