JP2633858C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば走査型トンネル顕微鏡のような、プローブ顕微鏡に係り、特
に、例えば走査型トンネル顕微鏡で最初にトンネル電流を得るときのように、プ
ローブ顕微鏡の初期状態を確立するための操作を簡便にするための工夫のなされ
たプローブ顕微鏡に関する。以下説明を簡便にするために、走査型トンネル顕微
鏡について説明する。 〔従来の技術〕 走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）において試料を観察するためには、探針
と試料面との間隔をミクロンオーダーまで接近させる必要がある。探針に試料を
接近させる手段としては、サイエンス誌第１５巻第１０号（１９８５年）第１４
頁から 第１５頁に記載されている駆動機構が挙げられる。この駆動機構は、圧電板と３
個所の静電固定板とから成る。圧電板の伸縮と静電固定板による固定及び固定解
除の作用とにより、平面内を移動することができる。この駆動機構により、試料
を探針に近づけてゆき、トンネル電流が検出された時点で移動を停止する。 上記駆動機構の他には、レビュー オブ サイェンテイフイク インスツルメ
ント ５６，１０（１９８５）（Rev.Sci.Instrum.56(10).(1985)記載の電磁方
式による機構などがある。 これらの試料移動機構を停止する際は、オペレータがトンネル電流の検出を確
認し、手動により即座に停止させる。探針と試料との衝突を避けるためには、適
当に近づいたと思われる時点から、１ステップの移動量を小さくするかあるいは
ゆっくり移動させる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、上記従来技術においては、オペレータの操作によっているためトンネ
ル電流を検出すると同時に試料移動を停止することは困難であり、試料を探針に
衝突させてしまう危険性が多分にあった。またオペレータも細心の注意と時間と
を要し、作業上の負担が大であった。 本発明の目的は、試料と探針との衝突による両者の破損を防止し短時間で両者
を近づけるため、トンネル電流が検出されると同時に試料移動を停止する操作を
制御回路により自動化することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、試料または探針を広範囲に移動させる第２の駆動手段である粗動
機構と、トンネル電流を検出するまで粗動機構を移動させトンネル電流を検出す
ると同時に停止させる粗動機構制御回路を設けることにより達成される。 〔作用〕 粗動機構制御回路は、電流検出器からの信号によりトンネル電流が検出された
か否かを判別する。未検出の場合のみ、粗動機構を一定距離だけ移動させ、試料
を探針に近づける。 このように、試料と探針とを接近させる際、微動機構である第１の駆動手段の
動作距離内になるように粗動機構を動作させ、トンネル電流の検出と同時に粗動
機構 を停止させることにより、試料と探針との衝突は起こらない。オベレータは、粗
動機構制御回路を起動させることのみで、他に何ら注意を払うことなくトンネル
電流を得ることができる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。 台１３上に、試料１１を試料面と平行な平面内で２次元的に走査せしめる走査
機構８がある。試料と対向するように探針１０と、探針を保持し探針と試料との
間隔を調整できるＺ軸圧電素子９とは、固定機構５及び４と圧電素子３より成る
粗動機構により保持されている。探針１０と試料１１との間に電圧を印加し、ト
ンネル電流を検出する電流検出器１２と探針と試料との間に流れるトンネル電流
を、Ｚ軸圧電素子９の制御により一定に、保たせるＺ軸制御回路６と、走査機構
８とＺ軸制御回路６からの信号とからトンネル電子顕微鏡ＳＴＭ像等を表示する
表示機構７と、トンネル電流を一定に保たせるように圧電素子３を制御するサー
ボ回路２と、Ｚ軸制御回路からのトンネル電流の信号を検知し、サーボ回路２及
び固定機構５，４とを制御する粗動機構制御回路１とにより制御及び表示系を形
成する。 次に動作を説明する。探針１０と試料１１とが数ｍｍ離れた状態で、固定機構
５，４により粗動機構が台上に固定されている状態を考える。 電流検出器１２により試料１１及ぴ探針１０間に電圧が印加されると同時に、
Ｚ軸制御回路６のフィードバック機能の働きにより、ある設定された電流を探針
１０と試料１１間に流すために、Ｚ軸圧電素子９に電圧が印加され探針が試料に
近づく。Ｚ軸圧電素子の伸縮量は１００ｎｍであり、トンネル電流あるいは非常
に低電圧の電界放射電流は流れず、粗動機構により、さらに探針を試料に近づけ
る必要がある。 このような場合には、粗動機構制御回路１が働く。まず、固定機構５の固定を
解除し、サーボ回路２を起動させる。サーボ回路２は、圧電素子３を最大１０μ
ｍ伸ばす。このときにおいても電流が検出されない場合は、固定機構５を固定し
、固定機構４の固定を解除する。次にサーボ回路をオフにし、圧電素子３を縮め
、固定機構４を固定する。 この一連の操作を繰り返すことにより、粗動機構及びこれに支持された探針１
０は、１０μｍのステップで試料に近づく。最終的にはサーボ回路２の起動によ
り、 試料、１１と探針１０間に流れる電流を検出した時点で止まる。第２図に停止ま
での粗動機構のサイクリツクな動作の様子を示す。 次に圧電素子３に印和する電圧を適当な電圧で固定するか、あるいは固定機構
５を固定し固定機構４の固定を解除した後サーボ回路をオフにする。これにより
粗動機構が静止し、走査機構８，Ｚ軸制御回路６等の働きにより、試料の像が得
られる。 探針と試料間に流れる電流によるフィードバックにより、Ｚ軸圧電素子９及び
圧電素子３を駆動するレスポンスの速さは、後者を前者に比し、著く遅くする。
例えばＺ軸圧電素子９を０．５ｍｓｅｃ、の速さで制御する場合は、圧電素子３
を５０ｍｓｅｃの速さで制御する。このことにより、相互の干渉による発振を避
けることができる。あるいは、トンネル電流が出るまで、Ｚ軸圧電素子側のフイ
ードバック機能を停止しておいてもよい。 本実施例によれば、圧電素子３及びサーボ回路２の働きによってもＳＴＭ像を
得ることができる。利用範囲は、ｚ軸圧電素子９の伸縮量１００ｎｍを越える場
合であり、低倍率での試料観察や凹凸の激しい試料の観察に適する。圧電素子３
で試料表面をおおまかに観察した後、Ｚ軸圧電素子で任意の場所を高い分解能で
観察すればよい。但し、この際、サーボ回路２のレスポンスが速くなるように調
整しておく必要がある。 また、本実施例によれば、Ｚ軸圧電素子９の伸縮量よりも大きなステップで、
探針を試料に近づけることができる。 第３図は、粗動機構を制御する他の実施例である。本実施例においては、サー
ボ回路２は常に動作しており、サーボ回路と圧電素子３との間に設けられたスイ
ッチ１５の制御により圧電素子３を動作させる。この場合、トンネル電流が検出
されない限り、サーボ回路からはある一定の電圧が出力されており、スイッチ１
５をオンにした瞬間に圧電素子３が急激に動作し、探針と試料とが衝突する可能
性がある。このため、サーボ回路と圧電素子３との間に抵抗１４を付加した。圧
電素子３は静電容量Ｃを持っており、この容量Ｃと抵抗１４との作用により、圧
電素子は急激に動作することはない。 第４図は、粗動機構として電磁方式を用いた場合の実施例である。台１３の下
に取り付けられた電磁コイル１７と台１２上を滑らかに動く試料台１８と試料台
１ ８下部に取り付けられて永久磁石１６とより成る粗動機構に試料１１が取り付け
られている。永久磁石１６の磁化方向は、コイル１７軸及び台の面に対して垂直
方向である。電磁コイル１７に瞬間的に電流を流すことにより、試料台は一定距
離だけ移動する。これは、電磁コイル１７と永久磁石１６との磁場による相互作
用による。１ステップの移動量は、コイルに流す電流量により調整できる。Ｚ軸
圧電素子９の伸縮量よりも、小さい範囲で１ステップの移動量を決定する。 Ｚ軸制御回路６により探針１０と試料１１間に流れる電流が検出されるまで、
粗動機構制御回路１は電磁コイル１７に電流パルスを与え続ける。電流が検出さ
れた時点で、軸制御回路からの信号により自動的に粗動機構は停止される。 第５図は、モーター19と差動ねじ20とから成る粗動機構を有するＳＴＭでの一
実施例である。 モーター１９の回転と差動ねじ２０との働きにより、試料が極くわずかずつ探
針に近づく。Ｚ軸制御回路６によるトンネル電流の検出と同時に、モーター１９
を停止する。探針１０と試料１１との衝突を避けるため、Ｚ軸電圧素子９の伸縮
量以下のステツプモーター１９を制御する。あるいは試料をゆっくり移動させる
ことにより、トンネル電流検出から実際に試料が停止するまでに、試料が移動す
る距離を、Ｚ軸圧電素子９の伸縮量以下におさえる。 本実施例においては、他の実施例に比べ粗動機構の位置決め精度が悪いため、
Ｚ軸圧電素子の伸縮量は少なくとも数μｍは必要である。１０μｍ程度の圧電素
子と１００ｎｍ程度の圧電素子とによりＺ軸制御素子を形成し、それぞれにフィ
ードバック機構を付加するとよい。 〔発明の効果〕 本発明によれば、Ｚ軸制御回路及び粗動機構制御回路を起動させるだけで、ト
ンネル電流が流れる距離まで自動的に探針と試料とが近づく。また、探針を試料
に衝突させる危険性もない。 粗動機構に、トンネル電流によるフィードバック機能を設けたことにより、１
回の移動量を大きくとることができる。このため、短い時間で試料を探針に近づ
けることができる。また尺取り虫型の粗動機構の場合には、固定時あるいけ固定
解除時のガタによる探針と試料との衝突の危険性も軽減される。

【図面の簡単な説明】 第１図および第３図乃至第５図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は
粗動機構の制御動作を示すタイミングである。 1…粗動機構制御回路、2…サーボ回路、3…圧電素子、4…固定機構、5…固定機
構、6…Ｚ軸制御回路、7…表示機構、8…走査機構、9…Ｚ軸圧電素子、10…探針
、11…試料、12…電流検出器、13…台、14…抵抗、15…スイッチ、16…永久磁石
、17…電磁コイル、18…試料台、19…モーター、20…差動ねじ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．先端を鋭利に尖がらせた探針と、該探針に対向して配置された試料の試料
   表面との間の物理情報を検出する手段と、該物理情報に基づき該探針と試料表面
   との距離を制御するサーボ手段と、該探針を試料表面に沿って２次元的に相対的
   に移動させる走査機構と、該探針または該試料の動きおよび該物理情報を該走査
   機構からの情報に対応して表示する表示手段とを有するプローブ顕微鏡において
   、該サーボ手段よりも広い移動範囲で探針と該試料表面との間隔をステップ的に
   調節する他の駆動手段と、該物理情報に応じて該他の駆動手段の動作を停止する
   信号を出力する手段とを備えるとともに、前記他の駆動手段の駆動レスポンスの
   速さは前記サーボ手段の速さよりも遅く設定され、かつ、前記他の駆動手段によ
   る１回あたりのステップ移動量は前記サーボ手段による最大移動量よりも小さく
   設定されていることを特徴とするプローブ顕微鏡。 ２．前記サーボ手段は他の駆動手段が動作状態にあるとき動作しないように拘
   束されている請求項１記載のプローブ顕微鏡。 ３．前記探針と試料の試料表面との間の物理情報がトンネル電流である請求項
   １または２記載のプローブ顕微鏡。