JP2006250852A - Scanner, and scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、微小領域を走査するスキャナ及びそのようなスキャナを備えた走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関する。 The present invention is a generic term for a scanner that scans a micro area and a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, and similar devices equipped with such a scanner. The present invention relates to a scanning probe microscope.
最近、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、且つ探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査し、探針と試料間に発生するトンネル電流、原子間力,磁気力,或いは静電気力等の物理量を測定し、その測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。通常、この走査形プローブ顕微鏡の探針と試料を相対的に走査するためのスキャナは、分極化した筒型のピエゾ素子が使用されている。このチューブスキャナには電極がコーティングされており、各電極に電圧を制御して印加することにより、その電極の下のピエゾ素子が電圧の正負に応じて膨張又は収縮する。この変位を組み合わせることによりチューブスキャナがX、Y、Z方向に変位する。 Recently, a cantilever with a probe and a sample are placed facing each other, and the distance between the probe and the sample is set to a distance of several nanometers or less, the sample surface is scanned with the probe, and a tunnel current generated between the probe and the sample, Attention has been focused on scanning probe microscopes that measure physical quantities such as atomic force, magnetic force, or electrostatic force, and obtain a concavo-convex image of the sample surface based on the measurement. Usually, a polarized cylindrical piezo element is used as a scanner for scanning the probe of the scanning probe microscope and the sample relatively. The tube scanner is coated with electrodes, and by applying a voltage to each electrode while controlling the voltage, the piezoelectric element under the electrode expands or contracts according to the sign of the voltage. By combining this displacement, the tube scanner is displaced in the X, Y, and Z directions.
また、走査形プローブ顕微鏡は超伝導マグネット(SCM)内等の限られた空間で観察する場合もある。SCM内に走査ユニットを入れるためには、温度20Kの極低温、超高真空環境で使用することが前提である。 The scanning probe microscope may be observed in a limited space such as in a superconducting magnet (SCM). In order to put the scanning unit in the SCM, it is premised that the scanning unit is used in an extremely low temperature and ultrahigh vacuum environment at a temperature of 20K.
しかし、従来のチューブスキャナは大きさに比較して変位量が小さいということが問題であった。特に、SCM内に走査ユニットを配置する場合は、スキャナの大きさが制限される。極低温ではピエゾ素子の変位量は室温での変位量の約1/6乃至1/8になることが知られており、チューブスキャナの長さ100mmに対してX、Y、Z変位量は各5μm程度である。SCM観察に必要なXY方向の変位量は少なくとも約30μmであり、これに相当するチューブスキャナの長さは600mmとなり、SCM内に収容できない。 However, the conventional tube scanner has a problem that the amount of displacement is small compared to the size. In particular, when the scanning unit is arranged in the SCM, the size of the scanner is limited. It is known that the amount of displacement of the piezo element is about 1/6 to 1/8 of the amount of displacement at room temperature at extremely low temperatures. It is about 5 μm. The amount of displacement in the XY direction necessary for SCM observation is at least about 30 μm, and the corresponding length of the tube scanner is 600 mm, which cannot be accommodated in the SCM.
なお、従来技術としては、種々の形式のチューブ型ピエゾ駆動素子がある(例えば、非特許文献1)。 As conventional techniques, there are various types of tube-type piezoelectric drive elements (for example, Non-Patent Document 1).
本発明が解決しようとする問題点は、チューブスキャナは大きさに比較して変位量が小さい点である。特に、SCM等の限られた空間で使用する場合、収納できる大きさのチューブスキャナでは変位量が十分ではなかった。 The problem to be solved by the present invention is that the tube scanner has a small amount of displacement compared to its size. In particular, when used in a limited space such as SCM, the amount of displacement is not sufficient for a tube scanner of a size that can be stored.
請求項1の発明は、ベースと、互いに反対方向に伸縮する2枚の短冊状ピエゾ素子を電極を挟んで重ね合わせることにより変形可能なバイモロフ型ピエゾ素子を変形方向を一致させて2個対向配置し、一端が前記ベースの異なる位置に取り付けられた1対のバイモロフ型ピエゾ素子と、前記バイモロフ型ピエゾ素子の他端によって支持されるステージと、を備えるスキャナであって、前記電極に印加する電圧に基づいて対向する前記バイモロフ型ピエゾ素子を同一方向に変形させることにより前記ステージを変位させることを特徴とするスキャナである。 According to the first aspect of the present invention, two bimorph-type piezo elements that can be deformed by overlapping a base and two strip-shaped piezo elements that expand and contract in opposite directions with the electrodes sandwiched are arranged opposite to each other. And a stage having one end attached to a different position of the base and a stage supported by the other end of the bimorph type piezo element, the voltage applied to the electrode The stage is displaced by deforming the opposing bimorph type piezo elements in the same direction based on the above.
請求項2の発明は、変形方向を90°異ならせて更に1対設けると共に、前記各バイモロフ型ピエゾ素子の他端と前記ステージとの間をバイモロフ素子の変形方向には剛性を有し、変形方向と直交する方向には変形する接続部材を介して接続するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のスキャナである。
The invention of
請求項3の発明は、前記各バイモロフ型ピエゾ素子が2個1組として設けられ、前記各組のバイモロフ型ピエゾ素子の各前記他端はクリップにより束ねられると共に、各前記クリップに取り付けられた中継部材を介して前記接続部材と接続される請求項2に記載されたスキャナである。
According to a third aspect of the present invention, each of the bimorph type piezo elements is provided as a set of two, and each of the other ends of the bimorph type piezo elements of the set is bundled by a clip, and the relay attached to the clip. The scanner according to
請求項4の発明は、前記各一組のバイモロフ型ピエゾ素子は、2個が互いに間隔を空けて配置された請求項3に記載されたスキャナである。 A fourth aspect of the invention is the scanner according to the third aspect, wherein each of the pair of bimorph-type piezo elements is disposed with a space therebetween.
請求項5の発明は、前記ベースを前記バイモロフ型ピエゾ素子の伸縮方向に変位させる積層型ピエゾ素子を前記ベースに取り付けた請求項1乃至4のいずれかに記載したスキャナである。 A fifth aspect of the invention is the scanner according to any one of the first to fourth aspects, wherein a laminated piezo element for displacing the base in a stretching direction of the bimorph type piezo element is attached to the base.
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載されたスキャナを用いて試料に対向する探針を相対的に走査する走査形プローブ顕微鏡である。 A sixth aspect of the present invention is a scanning probe microscope that relatively scans a probe facing a sample using the scanner according to any one of the first to fifth aspects.
本発明によるスキャナは、小形でかつ変位量が大きいという利点がある。従って、走査形プローブ顕微鏡のSCM内で使用する場合、装置を大きくすることなく広範囲を走査することができる。 The scanner according to the present invention is advantageous in that it is small and has a large displacement. Therefore, when used in the SCM of a scanning probe microscope, a wide range can be scanned without enlarging the apparatus.
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail according to the best mode for carrying out the invention.
本発明の構成を図5を用いて説明する。図5は本発明によるスキャナの断面図である。2個のバイモルフ型ピエゾ素子7の下端は固定端となっており、上端は自由端となっている。バイモルフ型ピエゾ素子は反対方向に分極する2枚の短冊状ピエゾ素子15を張り合わし、中央電極膜14には電極膜が形成されて電源16が接続され、短冊状ピエゾ素子15外側にも電極膜が形成されて接地されている。自由端には試料ステージ12が設置されている。
The configuration of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of a scanner according to the present invention. The lower ends of the two
以上、図5の構成について説明したが、次に動作について説明する。図4は図5におけるバイモルフ型ピエゾ単体の動作図である。図4(a)のように中央電極膜14にプラスの電圧を印加すると左の短冊状ピエゾ素子15が収縮し、右の短冊状ピエゾ素子15が伸長するので、バイモルフ型ピエゾ素子7全体としては左に変形する。図4(b)のように中央電極膜14にマイナスの電圧を印加すると逆の作用が起こり、バイモルフ型ピエゾ素子7全体としては右に変形する。
While the configuration of FIG. 5 has been described above, the operation will be described next. FIG. 4 is an operation diagram of the bimorph type piezo unit in FIG. When a positive voltage is applied to the
図5において、中央電極膜14にプラスの電圧を印可すると両側のバイモルフ型ピエゾ素子7が左に変形して、試料ステージ12も左に変形する。中央電極膜14にマイナスの電圧を印可すると右に変形する。
In FIG. 5, when a positive voltage is applied to the
以上は、1軸(X方向)の動作について模式的に説明したが、図示しない1対のバイモルフ型ピエゾ素子7を紙面に直交する位置(Y方向)に配置することによって、試料ステージ12は、試料ステージ平面方向に自在に変形する。
The above is a schematic description of the operation in one axis (X direction). By arranging a pair of bimorph piezo elements 7 (not shown) at positions perpendicular to the paper surface (Y direction), the
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、バイモルフ型ピエゾ素子は短冊状金属板の両側に反対方向に分極する2枚の短冊状ピエゾ素子を張り合わせ、金属板を一方の電極とし、2枚のピエゾ素子を他方の電極としてもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, a bimorph type piezo element may have two strip piezo elements polarized in opposite directions on both sides of a strip metal plate, the metal plate serving as one electrode, and the two piezo elements serving as the other electrode.
また、X方向を走査する1対のバイモルフ型ピエゾ素子の上にY方向を走査する1対のバイモルフ型ピエゾ素子を配置した、2段としてもよい。 Alternatively, a pair of bimorph piezoelectric elements that scan in the Y direction may be arranged on a pair of bimorph piezoelectric elements that scan in the X direction.
本発明の構成を図1乃至3を用いて説明する。図1は本発明による3次元スキャナの正面図である。 The configuration of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a front view of a three-dimensional scanner according to the present invention.
直進形のマイクロメータ1のロッドにはフランジ2がビス3で固定されている。フランジ2には3個の積層型ピエゾ素子4がXY平面周上に等等間隔に設置されている。積層型ピエゾ素子4の他端にはフランジ5が設置されている。積層型ピエゾ素子4の両端部はそれぞれフランジ2、5にビス止め後、更に接着剤で固定されている。フランジ5にはロッドを介してベース6が固定されている。ベース6はインシュレータの役割をなす。ベース6には4個のバイモルフ型ピエゾ素子7がXY平面周上90度毎に設置されている。この取付は、ベース6に溝を設けてバイモルフ型ピエゾ素子7を挿入して、回りを接着するものである。バイモルフ型ピエゾ素子7は発生力を増すため2個の短冊状のバイモルフ型素子を1組とし、0.5mm程度離して取り付けられている。各バイモルフ型ピエゾ素子7には、実施例1と同様に中央部に図示しない電源が接続されており、外側の電極膜は接地されている。1組のバイモルフ型ピエゾ素子7の他端は先端の動きを拘束しないために、接着せずにクリップ8で挟んである。各組のバイモロフ型ピエゾ素子7に設置された4個のクリップ8には各々中継部材10がビス3で固定されている。中継部材10には接続部材である4枚の板バネ11が放射状に等分に配置されている。板バネ11の他端には円盤状の試料ステージ12が設置されている。板バネ11の取付は試料ステージ12及び中継部材10に0.2mmの深溝を設け、その隙間に板バネ11を挿入して半田付けを行っている。試料ステージ12には試料ホルダ13が設置されており、試料ホルダ13には試料18が着脱自在に置載されている。図2は試料ステージ部の正面図及び平面図であり、図3は試料ステージ部の斜視図である。
A
以上、図1乃至3における構成の各部について説明したが、次に動作について説明する。図2において対向する2個のバイモルフ型ピエゾ素子7aの中央部に同じ電圧を印可すると、一端が固定端であるため自由端がX方向に変形しようとする。しかし、X方向に互いに向き合った2組のバイモルフ型ピエゾ素子7a自由端にはX方向を長手方向(縦弾性係数が大きい)とする2個の板バネ11aを介してステージ12が設置されているため、バイモルフ型ピエゾ素子7aは抗力をうけるが、板バネ11aが弾性変形することにより、試料ステージ12がX方向に変形する。一方、これと直角方向の他の2枚の板バネ11bは横方向(X方向)からの力を受けるので容易に変化する。つまり、X方向に発生した抗力は他方向の力をほとんど受けずに、バイモルフ型ピエゾ素子7aの発生抗力に応じた量変形する。また、バイモルフ型ピエゾ素子の中央の電極膜に印加する電圧のプラスとマイナスを変更することにより、移動する方向が変わる。
Although the respective parts of the configuration in FIGS. 1 to 3 have been described above, the operation will be described next. When the same voltage is applied to the central part of two bimorph
同様に、Y方向に配置された一組のバイモルフ型ピエゾ素子7bに電圧を印可するとY方向に変形する。X方向の変形とY方向の変形を組み合わせることにより、試料ステージ12をXY平面上自在に変形させることができる。
Similarly, when a voltage is applied to a pair of bimorph type piezo elements 7b arranged in the Y direction, it deforms in the Y direction. By combining the deformation in the X direction and the deformation in the Y direction, the
Z方向の変形は積層型ピエゾ素子4で行なう。1個の積層型ピエゾ素子4ではバランスが良くないため、3個を用いている。この場合は3個の積層型ピエゾ素子4を並列に結線して同方向に電圧をかけて伸縮を行なうことによりZ方向の変形を行なう。以上の電圧操作により3次元の移動が可能となる。 The deformation in the Z direction is performed by the laminated piezo element 4. Three laminated piezo elements 4 are used because the balance is not good. In this case, three laminated piezoelectric elements 4 are connected in parallel and a voltage is applied in the same direction to expand and contract to perform deformation in the Z direction. Three-dimensional movement is possible by the voltage operation described above.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、モルフ型ピエゾ素子を4個以上、例えば8個等間隔に用いてもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, four or more, for example, eight morph piezoelectric elements may be used at regular intervals.
実施例3は、実施例2のスキャナをトンネル顕微鏡に用いたものである。 In Example 3, the scanner of Example 2 is used in a tunnel microscope.
図7はトンネル顕微鏡の装置外観図である。ベース20の上に超高真空チャンバ21が配置されている。超高真空チャンバ21には真空継手22が設置されおり、チャンバ21に機器を入れたり、機器を接続したりすることができる。チャンバ21内部には、図示しないSCMに収容された実施例2におけるスキャナを用いた走査形トンネル顕微鏡が設置されている。また、チャンバ21にはコンピュータ23が接続されており、測定はコンピュータ制御される。
FIG. 7 is an external view of the tunnel microscope. An
図6は、本発明のスキャナを走査形トンネル顕微鏡に用いた制御ブロック図である。走査形トンネル顕微鏡は、試料と金属製探針との距離をlnm以下に保ち、バイアス回路27によりこれらの間に数V程度のバイアス電圧をかけると、探針17と試料18間の真空間隙を通って電子が移動しトンネル電流が流れるという、いわゆるトンネル効果の原理を利用する。トンネル電流は試料18と探針17との距離に敏感であり、距離に対して指数関数的に変化する。そこで、この信号をコンピュータ26を用いて制御し、Zピエゾドライバ29により積層型ピエゾ素子4駆動してトンネル電流が一定となるようしつつ、試料表面上をXYピエゾドライバ28によりバイモルフ型ピエゾ素子7を駆動して二次元的に走査する。この時Z方向を制御するために印可した電圧をコンピュータ26により距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化することにより、試料18表面の凹凸を原子レベルで観察することができる。
FIG. 6 is a control block diagram in which the scanner of the present invention is used in a scanning tunneling microscope. In the scanning tunnel microscope, when the distance between the sample and the metal probe is kept at 1 nm or less and a bias voltage of about several volts is applied between them by the
SCM内は限られた空間しかなく、環境は温度20Kの極低温で、真空である。SMCに収納された走査形トンネル顕微鏡では、凹凸像の他、Magnetic Resonance Force Microscope(MRFM)測定等が行われる。 There is only a limited space inside the SCM, and the environment is a cryogenic temperature of 20K and a vacuum. In the scanning tunnel microscope housed in the SMC, magnetic resonance force microscope (MRFM) measurement and the like are performed in addition to the concavo-convex image.
本発明により、常温においてXY方向の走査量±150μm、Z方向の変位量±38μmであり、20Kの極低温においてXY方向の走査量±30μmの走査を行うスキャナを直径32mm×長さ130mm程度の大きさで実現した。これによりトンネル顕微鏡がSCM内に収容できる。 According to the present invention, a scanner that performs scanning with an amount of scanning in the XY direction of ± 150 μm and an amount of displacement of ± 38 μm in the Z direction at room temperature and a scanning amount of ± 30 μm in the XY direction at an extremely low temperature of 20K is about 32 mm in diameter × 130 mm in length. Realized in size. Thereby, the tunnel microscope can be accommodated in the SCM.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明のスキャナは原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置である走査形プローブ顕微鏡全般に適応可能である。また、探針側にスキャナを取付けて走査してもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, the scanner of the present invention can be applied to an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, and a scanning probe microscope in general, which is a similar device. Further, scanning may be performed by attaching a scanner to the probe side.
1 マイクロメータ
2 フランジ
3 ビス
4 積層型ピエゾ素子
5 フランジ
6 ベース
7 バイモルフ型ピエゾ素子
7a バイモルフ型ピエゾ素子
7b バイモルフ型ピエゾ素子
8 クリップ
9 ブロック
10 中継部材
11 板バネ
11a 板バネ
11b 板バネ
12 試料ステージ
13 試料ホルダ
14 中央電極膜
15 短冊状ピエゾ素子
16 電源
17 探針
18 試料
19 探針ホルダ
20 ベース
21 チャンバ
22 真空継手
23 コンピュータ
24 真空ポンプ
25 ガスボンベ
26 コンピュータ
27 バイアス回路
28 XYピエゾドライバ
29 Zピエゾドライバ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
互いに反対方向に伸縮する2枚の短冊状ピエゾ素子を電極を挟んで重ね合わせることにより変形可能なバイモロフ型ピエゾ素子を変形方向を一致させて2個対向配置し、一端が前記ベースの異なる位置に取り付けられた1対のバイモロフ型ピエゾ素子と、
前記バイモロフ型ピエゾ素子の他端によって支持されるステージと、を備えるスキャナであって、
前記電極に印加する電圧に基づいて対向する前記バイモロフ型ピエゾ素子を同一方向に変形させることにより前記ステージを変位させることを特徴とするスキャナ。 Base and
Two bimorph piezo elements that can be deformed by overlapping two strip-shaped piezo elements that expand and contract in opposite directions with the electrodes interposed therebetween are arranged opposite to each other with their deformation directions matched, and one end is located at a different position of the base A pair of attached Bimorov piezo elements;
A stage supported by the other end of the bimorph-type piezo element,
2. A scanner according to claim 1, wherein the stage is displaced by deforming the opposing bimorph type piezo elements in the same direction based on a voltage applied to the electrodes.
前記各組のバイモロフ型ピエゾ素子の各前記他端はクリップにより束ねられると共に、各前記クリップに取り付けられた中継部材を介して前記接続部材と接続される請求項2に記載されたスキャナ。 Each of the bimorph type piezo elements is provided as a set of two,
3. The scanner according to claim 2, wherein the other end of each pair of bimorph type piezo elements is bundled by a clip and connected to the connection member via a relay member attached to the clip.
A scanning probe microscope that relatively scans a probe facing a sample using the scanner according to claim 1.
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JP2005070604A JP2006250852A (en) | 2005-03-14 | 2005-03-14 | Scanner, and scanning probe microscope |
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