JP2804032B2 - 物理情報検出装置 - Google Patents
物理情報検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は探針と試料とを接近して発生する物理現象を
利用する装置に係り、特に探針と試料との近接、あるい
は試料表面内での探針移動の工夫された物理情報検出装
置に関する。 〔従来の技術〕 従来、探針と試料とを接近して発生する物理現象を利
用する走査型トンネル顕微鏡の探針と試料の接近方法や
試料の視野選択方法については、アプライド フイジツ
クス レター第40巻（1982）第178頁から第180頁（App
l.Phys.Lett.40（1982）pp178〜180）において論じられ
ている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は鋭い先端を有した探針を試料に接近あ
るいは視野選択する再、探針が試料に衝突して先端を曲
率半径が大きくなることにより空間分解能が低下するこ
と、あるいはトンネル電流が不安定になることについて
配慮がなされておらず、探針と試料とを探針の先端形状
を鋭く保つままでの接近あるいは視野選択に問題があつ
た。 本発明の目的は上記の問題を解決された物理情報検出
装置を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、探針と試料とを接近した際に得られるト
ンネル電流などの物理情報を用いて探針と試料との間隙
を第１の移動手段で一定に保つようなサーボ機構を有す
ると同時に、探針あるいは試料を大きく接近あるいは視
野選択するために第２の移動手段を有し、設定された値
の物理情報を検出後、直ちに上記第２の移動手段の動作
を中止することにより達成される。この時、物理情報検
出より動作の中止までに応答時間が必要となる。このた
め、探針と試料との間隙を常に一定にサーボしているこ
と、このサーボ系内の信号を利用した上記の第２の移動
手段を駆動するための駆動信号を形成すること、さらに
物理情報検出後直ちに任意の距離だけ後退する動作によ
り、上記の応答時間の遅れを防止することができる。 〔作用〕 本発明である探針移動装置は複数の移動手段により、
探針と試料を接近させた際に得られる物理情報を用い、
第１の移動手段で探針と試料との間隙を一定に保つよう
にサーボしつつ、第２の移動手段で探針と試料を接近さ
せるあるいは視野選択するように動作する。これによ
り、探針と試料は衝突することなく、接近あるいは試料
面内移動ができ、探針と試料とを近接した際に得る物理
現象を高い空間分解能でかつ安定に得ることができる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１〜５図により説明す
る。 第１図は本発明の基本構成を示す。図には試料２と探
針３とを接近させトンネル現象により試料２と探針３と
の間隙を制御する走査型トンネル顕微鏡（STM）におけ
る試料２と探針３とを近づける場合について示してい
る。移動手段としては探針３を支持している第１の移動
手段たる間隙制御素子（圧電素子）９と、これを支持す
る第２の移動手段たる尺取り虫機構で構成されている。
この尺取り虫機構は間隙制御素子９を支持する端子A11
と伸縮用圧電素子10と端子B11′から成る移動部と、ク
ランプ金具A12,B12′、クランブ用圧電素子A13,B13′及
びバネ14,14′,14″,14から成る２つのクランプ部と
から構成されている。クランプの解除はクランプ用圧電
素子に電圧を印加してクランプ金具を上に押し上げるこ
とにより実行される。これら２つの移動手段を用いて本
発明では次の様に回路構成で試料２と探針３とを接近さ
せる。 回路は主に、間隙制御回路と移動制御回路15との２つ
の部分より構成される。間隙制御回路はSTMで使用され
ているものであり、トンネル電源4,トンネル電流検出回
路5,目標トンネル電流設定回路1,減算回路6,サーボ回路
８から構成される。一方、移動制御回路15は電流検出回
路16、尺取り虫伸縮用圧電素子10を駆動するための伸縮
用駆動回路17,シーケンス制御回路20,クランプ用駆動回
路A19,B18より構成されている。 以上、説明した移動手段と制御系から次のように動作
して，探針３が試料２に衝突せずに接近する。第２図に
制御のためのタイムチヤートを示す。 まず試料２を探針３から離して設置し、サーボ回路８
を動作させる。しかし、トンネル現象が現われないので
トンネル電流は流れず間隙制御素子９の伸び量は最大と
なる。この様な状態で移動制御回路15を駆動して探針３
を試料２に近づける。シーケンス制御回路20でクランプ
用駆動回路A19を駆動し、クランプ金具A12をクランプ用
圧電素子A13で押し上げて端子A11のクランプを解除する
（イの動作）。なお、シーケス制御回路20はクランプ用
駆動回路A19の出力をモニタしており、十分に出力電圧
が設定値まで達して、次の動作に移る。 これはクランプ用圧電素子A13,B13′，伸縮用圧電素
子10の伸びあるいは縮む場合も同様に動作する。端子A1
1のクランプが解除された後、減算回路６の出力を用い
て、伸縮用駆動回路17を駆動し、伸縮用圧電素子10を伸
す（ロの動作）。終了後、端子A11をクランプ（ハの動
作）。端子B11′のクランプを解除（ニの動作）、伸縮
用電素子10を縮め（ホの動作）、さらに端子B11′をク
ランプする（ヘの動作）。この様にして、探針３を一
歩、試料２に近づける。しかし、トンネル現象が起きる
までには探針３が近づいてないので、さらに、イ′，
ロ′，ハ′，ニ′，ホ′，ヘ′，と各素子は動作する。
その後イ″，ロ″と動作し、トンネル電流が流れると、
電流検出回路16が作動して、伸縮用駆動回路17の出力電
圧を零に、即ち、伸びない状態に後戻りする。そして、
端子A11はクランプ解除のままにして自動接近を完了す
る。これは端子A11をクランプすると、探針３の先端が
動くため試料２に探針３が衝突する危険があるためであ
る。その後、手動で伸縮用圧電素子10を除々に伸し、ト
ンネル電流７を得る様に探針３を近づけるのが望まし
い。また、トンネル現象は間隙数10Åで起るので、トの
動作を素速くする必要がある。例えば、尺取り虫の移動
速度が10μm/Sとすると、0.1msの応答性が必要となる。
通常、圧電素子は100V前後で駆動するため、応答性の速
い演算増幅素子が使用できない。このため、本発明では
間隙制御回路を動作させ、第２図の（ｂ）の様にトンネ
ル電流７が流れると同時に間隙制御素子９が縮み、上記
の遅い応答性を助ける。さらに、伸縮用駆動回路17の入
力信号を減算回路の出力信号を使用しているのでトンネ
ル電流７が流れると同時に、伸縮用圧電素子10の伸びる
速度は極めて減少し、逆に縮み始めるので上記の遅い応
答性を上記同様に助けることができる。 第３図は移動制御回路15の具体例であり、上記の様に
伸縮用圧電素子10を駆動するためのものである。ここで
は、トンネル現象が間隙数10Å以下の領域で発生するの
で、定速度で伸びることが望しく、伸縮用駆動回路17の
一部にミラー積分器を用いた例を示す。速度は1/CR2で
決定され、トンネル電流検出後、減算回路６の出力が正
から負に変化すると、フリツプフロツプ回路34の出力が
“High"となり、Ｒ回路35を通してリレー36により、
ミラー積分器のコンデンサＣを放電し、出力を零とす
る。 尚、電流検出回路16への入力信号は減算回路６の出力
信号以外にトンネル電流検出回路５やサーボ回路８内の
信号を使用しても構わない。 第４図に視野選択を可能とする３次元粗動機構を有し
たSTMの平面図を示す。粗動機構は第１図で示した尺取
り虫機構を３次元に拡張したものである。図での探針の
Ｘ方向、Ｙ方向の移動は、Ｘ方向がクランプ金具C40,端
子Ｃ（上テーブル）41,X軸伸縮用圧電素子43,クランプ
金具D40′端子D42で構成され、Ｙ方向がクランプ金具E4
4,端子D45で構成されている。尚、クランプ用の圧電素
子やＹ方向の図示している部品に対向するクランプ金
具、端子及び伸縮用圧電素子は図で省略しているが、Ｚ
方向の場合の尺取り虫機構と全く同様に動作する。ま
た、ここでは探針３を支持する移動手段にXYZ、３次元
駆動可能なトライポツト型スキヤナ48を使用している。
これは、端子A12に連結している座47に間隙制御のため
のＺ軸圧電素子9,X軸走査用圧電素子46,Y軸走査用圧電
素子（図示してない）を図の様に設置して、STM像取得
のための動作を行なう。図において、視野選択するため
に探針３をＸ方向に動かす場合、試料２の凹凸が存在す
ると探針３と試料２とが衝突し、探針３の先端部が曲が
つてしまい、平面分解能の低下やトンネル電流の不安定
を生じる。これを防止するため、Ｘ軸方向の尺取り虫機
構にも探針３を接近する場合と同様な機構で移動するこ
とが望しい。尚、衝突した事を知らせる表示や、ステツ
プ数の設定や表示はあつた方が便利である。また、Ｙ軸
方向の尺取り虫機構の移動も上記と同様な機構が望し
い。さらに、トンネル電流が検出された際、Ｚ方向の移
動手段で後退させ、ＸあるいはＹ方向の視野選択を続行
させてもよい。 第５図に接近用のＺ軸尺取り虫機構と視野選択用のＸ
軸尺取り虫機構を駆動するための移動制御回路15の一部
を示す。各々の尺取り虫はその制御回路を持てば良いが
通常、近接と視野選択は同時に行なわないので１つの駆
動回路を共用するのが便利である。図において、リレー
54,リレー55がクランプ用圧電素子を駆動するため
のものであり、リレー56が尺取り虫機構の伸縮用圧電
素子にステツプ電圧を印加して伸縮するためのものであ
り、さらに、リレー57は自動的に接近したり、視野選
択するためのものである。これらは、モード選択により
動作するものである。スイツチA58,B59,C60,D61はクラ
ンプ用圧電素子に印加する電圧をリレー54の指定する
電圧にするか、リレー55の指定した電圧にするか、さ
らに、クランプにした状態に設定するかを選択するスイ
ツチである。スイツチE62,F63はリレー56,リレー57
で指定される電圧か、あるいは駆動しないかを選択する
ものである。上記の６個のスイツチは手動スイツチで十
分である。尺取り虫機構のシーケンス制御は論理回路53
で行なう。論理回路53はハームウエア、マイクロプロツ
サあるいは計算機が利用される。また、モード切換51は
（ｉ）自動接近、自動視野選択，（ii）ステツプ数指定
の尺取り虫移動、（iii）手動等を選択することができ
る。（ｉ）の場合はリレー57が図のように設定され、
リレー54,リレー55を動作するとともにミラー積分
器（第３図）のリセツト信号65により第２図の（ｃ）〜
（ｅ）の動作をする。尚、ミラー積分器のリセツト信号
65はホの動作を行なうのに使用する。スイツチA58〜F63
の状態は自動近接の場合を示す。スイツチA58,B59及びE
62を全て接地し、スイツチC60を、D61をに、F63を
リレー57と接続されるように選択すると、第４図のＸ
方向に視野選択する。また、逆方向に動かしたい場合は
スイツチA58〜D61のスイツチ選択を逆にすれば良い。
尚、これは論理回路53でシーケンスを変えることもでき
る。（ii）のモードではステツプ数を指定するととも
に、リレー57を定電圧Vpに接続されるように端子を切
換え、高速な尺取り虫移動を行なう。これは、探針３と
試料２とが衝突する心配がない場合、有効である。この
時の伸縮用圧電素子10あるいはＸ軸伸縮用圧電素子への
印加電圧はリレー56で定電圧あるいはOVが選択され
る。（iii）のモードでは手動スイツチ50によりリレー
54,リレー55,リレー56が操作されるように切換え
られる。あるいは、全てVpに接続され、スチツチA58〜F
63で操作される。リレー57は（ii）のモードと同じ状
態にある。一方、自動接近後、手動モードで、端子A12
を解放したまま、R6の抵抗を用いてトンネル電流が流れ
るまで伸縮用圧電素子10を除々に伸し、STM像が得れる
ように探針３を試料に近づけることができる。尚、電流
検出信号66は第３図の演算増幅器31の出力信号である。
第５図は２軸の尺取り虫機構を制御する場合を示した
が、多軸の場合や変形した尺取り虫、例えば、尺取り虫
のクランプ数や伸縮素子が複数の場合も、同様に移動制
御回路を構成することができる。また、論理回路53のシ
ーケンス制御信号として圧電素子印加電圧のレベルを利
用する。この場合、素子への電圧が高いことより抵抗で
分圧して制御信号に用いたり、レベルコンパレータ後の
整定時間を予想して遅延回路を設置して、シーケンスを
制御するのが望ましい。尚、（ｉ）のモードで探針３が
試料２に近づくとトンネル電流に雑音が混入し、誤動作
の原因となる。このため、トンネル電流を検出する際、
第２図のロ″の動作を複数回繰り返して、トンネル電流
を連続して検出した場合、停止する様にプログラミング
することも重要である。 一方、尺取り虫機構を使用するとクランプした際に探
針３が前進する方向に移動することがあり、試料２と衝
突することがある。このため、第６図のように尺取り虫
機構の伸縮量を歩幅より大きくすることにより、上記の
事故を防ぐことができる。即ち、第６図（ｂ）のロの動
作のように伸び量Loを設定した後、ΔＬだけ縮めて歩幅
を小さくすることが重要である。 以上の移動手段は圧電素子を用いたものであるが、そ
の外に、クランプ機構に静電チヤツクを用い、あるいは
圧電素子の代りに電歪，磁歪素子あるいは熱膨張を利用
しても同様の作用が得られる。また、尺取り虫機構以外
に、ネジや縮小機構を用いたモータ駆動による接近方法
が考えられるが、本具体例のように探針３と試料２との
接近により得られる物理情報を用いて間隙制御を行なう
と同時に、この制御系で使用されている信号を用いてモ
ータ駆動を行なつてもよい。 また、具体例では物理情報としてトンネル電流を用い
たSTMの場合について記述したが、トンネル電流以外
に、原子間力，試料表面温度，静電容量，磁束，磁力等
を用いてもよい。本発明はこれらの情報を応用した装置
（顕微鏡のような理科学機器、記録装置、等）について
全て適用できるものである。また、この場合あらかじめ
設定した値の物理量を検出した時に移動を停止するよう
に本発明を構成すれば、設定した物理量に相当する任意
の間隙を探針と試料との間に保つことができる。 以上のごとく、本実施例によれば探針の先端形状を鋭
く保つままで試料に接近できるので、空間分解能の低下
やトンネル電流の不安定を防ぎ、信頼性の高い装置を得
ることができる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、探針の先端形状を鋭く保つたままで
試料に接近できるので、空間分解能の高い物理現象を常
に実現できる効果がある。また、これにより、探針を試
料に衝突させずに視野選択が可能となり、信頼性の高い
探針移動を実現する。以上により、探針あるいは試料の
操作性を良くするとともに、自動化により時間の短縮や
衝突による探針交換の頻度を小さくする効果がある。
利用する装置に係り、特に探針と試料との近接、あるい
は試料表面内での探針移動の工夫された物理情報検出装
置に関する。 〔従来の技術〕 従来、探針と試料とを接近して発生する物理現象を利
用する走査型トンネル顕微鏡の探針と試料の接近方法や
試料の視野選択方法については、アプライド フイジツ
クス レター第40巻（1982）第178頁から第180頁（App
l.Phys.Lett.40（1982）pp178〜180）において論じられ
ている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は鋭い先端を有した探針を試料に接近あ
るいは視野選択する再、探針が試料に衝突して先端を曲
率半径が大きくなることにより空間分解能が低下するこ
と、あるいはトンネル電流が不安定になることについて
配慮がなされておらず、探針と試料とを探針の先端形状
を鋭く保つままでの接近あるいは視野選択に問題があつ
た。 本発明の目的は上記の問題を解決された物理情報検出
装置を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、探針と試料とを接近した際に得られるト
ンネル電流などの物理情報を用いて探針と試料との間隙
を第１の移動手段で一定に保つようなサーボ機構を有す
ると同時に、探針あるいは試料を大きく接近あるいは視
野選択するために第２の移動手段を有し、設定された値
の物理情報を検出後、直ちに上記第２の移動手段の動作
を中止することにより達成される。この時、物理情報検
出より動作の中止までに応答時間が必要となる。このた
め、探針と試料との間隙を常に一定にサーボしているこ
と、このサーボ系内の信号を利用した上記の第２の移動
手段を駆動するための駆動信号を形成すること、さらに
物理情報検出後直ちに任意の距離だけ後退する動作によ
り、上記の応答時間の遅れを防止することができる。 〔作用〕 本発明である探針移動装置は複数の移動手段により、
探針と試料を接近させた際に得られる物理情報を用い、
第１の移動手段で探針と試料との間隙を一定に保つよう
にサーボしつつ、第２の移動手段で探針と試料を接近さ
せるあるいは視野選択するように動作する。これによ
り、探針と試料は衝突することなく、接近あるいは試料
面内移動ができ、探針と試料とを近接した際に得る物理
現象を高い空間分解能でかつ安定に得ることができる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１〜５図により説明す
る。 第１図は本発明の基本構成を示す。図には試料２と探
針３とを接近させトンネル現象により試料２と探針３と
の間隙を制御する走査型トンネル顕微鏡（STM）におけ
る試料２と探針３とを近づける場合について示してい
る。移動手段としては探針３を支持している第１の移動
手段たる間隙制御素子（圧電素子）９と、これを支持す
る第２の移動手段たる尺取り虫機構で構成されている。
この尺取り虫機構は間隙制御素子９を支持する端子A11
と伸縮用圧電素子10と端子B11′から成る移動部と、ク
ランプ金具A12,B12′、クランブ用圧電素子A13,B13′及
びバネ14,14′,14″,14から成る２つのクランプ部と
から構成されている。クランプの解除はクランプ用圧電
素子に電圧を印加してクランプ金具を上に押し上げるこ
とにより実行される。これら２つの移動手段を用いて本
発明では次の様に回路構成で試料２と探針３とを接近さ
せる。 回路は主に、間隙制御回路と移動制御回路15との２つ
の部分より構成される。間隙制御回路はSTMで使用され
ているものであり、トンネル電源4,トンネル電流検出回
路5,目標トンネル電流設定回路1,減算回路6,サーボ回路
８から構成される。一方、移動制御回路15は電流検出回
路16、尺取り虫伸縮用圧電素子10を駆動するための伸縮
用駆動回路17,シーケンス制御回路20,クランプ用駆動回
路A19,B18より構成されている。 以上、説明した移動手段と制御系から次のように動作
して，探針３が試料２に衝突せずに接近する。第２図に
制御のためのタイムチヤートを示す。 まず試料２を探針３から離して設置し、サーボ回路８
を動作させる。しかし、トンネル現象が現われないので
トンネル電流は流れず間隙制御素子９の伸び量は最大と
なる。この様な状態で移動制御回路15を駆動して探針３
を試料２に近づける。シーケンス制御回路20でクランプ
用駆動回路A19を駆動し、クランプ金具A12をクランプ用
圧電素子A13で押し上げて端子A11のクランプを解除する
（イの動作）。なお、シーケス制御回路20はクランプ用
駆動回路A19の出力をモニタしており、十分に出力電圧
が設定値まで達して、次の動作に移る。 これはクランプ用圧電素子A13,B13′，伸縮用圧電素
子10の伸びあるいは縮む場合も同様に動作する。端子A1
1のクランプが解除された後、減算回路６の出力を用い
て、伸縮用駆動回路17を駆動し、伸縮用圧電素子10を伸
す（ロの動作）。終了後、端子A11をクランプ（ハの動
作）。端子B11′のクランプを解除（ニの動作）、伸縮
用電素子10を縮め（ホの動作）、さらに端子B11′をク
ランプする（ヘの動作）。この様にして、探針３を一
歩、試料２に近づける。しかし、トンネル現象が起きる
までには探針３が近づいてないので、さらに、イ′，
ロ′，ハ′，ニ′，ホ′，ヘ′，と各素子は動作する。
その後イ″，ロ″と動作し、トンネル電流が流れると、
電流検出回路16が作動して、伸縮用駆動回路17の出力電
圧を零に、即ち、伸びない状態に後戻りする。そして、
端子A11はクランプ解除のままにして自動接近を完了す
る。これは端子A11をクランプすると、探針３の先端が
動くため試料２に探針３が衝突する危険があるためであ
る。その後、手動で伸縮用圧電素子10を除々に伸し、ト
ンネル電流７を得る様に探針３を近づけるのが望まし
い。また、トンネル現象は間隙数10Åで起るので、トの
動作を素速くする必要がある。例えば、尺取り虫の移動
速度が10μm/Sとすると、0.1msの応答性が必要となる。
通常、圧電素子は100V前後で駆動するため、応答性の速
い演算増幅素子が使用できない。このため、本発明では
間隙制御回路を動作させ、第２図の（ｂ）の様にトンネ
ル電流７が流れると同時に間隙制御素子９が縮み、上記
の遅い応答性を助ける。さらに、伸縮用駆動回路17の入
力信号を減算回路の出力信号を使用しているのでトンネ
ル電流７が流れると同時に、伸縮用圧電素子10の伸びる
速度は極めて減少し、逆に縮み始めるので上記の遅い応
答性を上記同様に助けることができる。 第３図は移動制御回路15の具体例であり、上記の様に
伸縮用圧電素子10を駆動するためのものである。ここで
は、トンネル現象が間隙数10Å以下の領域で発生するの
で、定速度で伸びることが望しく、伸縮用駆動回路17の
一部にミラー積分器を用いた例を示す。速度は1/CR2で
決定され、トンネル電流検出後、減算回路６の出力が正
から負に変化すると、フリツプフロツプ回路34の出力が
“High"となり、Ｒ回路35を通してリレー36により、
ミラー積分器のコンデンサＣを放電し、出力を零とす
る。 尚、電流検出回路16への入力信号は減算回路６の出力
信号以外にトンネル電流検出回路５やサーボ回路８内の
信号を使用しても構わない。 第４図に視野選択を可能とする３次元粗動機構を有し
たSTMの平面図を示す。粗動機構は第１図で示した尺取
り虫機構を３次元に拡張したものである。図での探針の
Ｘ方向、Ｙ方向の移動は、Ｘ方向がクランプ金具C40,端
子Ｃ（上テーブル）41,X軸伸縮用圧電素子43,クランプ
金具D40′端子D42で構成され、Ｙ方向がクランプ金具E4
4,端子D45で構成されている。尚、クランプ用の圧電素
子やＹ方向の図示している部品に対向するクランプ金
具、端子及び伸縮用圧電素子は図で省略しているが、Ｚ
方向の場合の尺取り虫機構と全く同様に動作する。ま
た、ここでは探針３を支持する移動手段にXYZ、３次元
駆動可能なトライポツト型スキヤナ48を使用している。
これは、端子A12に連結している座47に間隙制御のため
のＺ軸圧電素子9,X軸走査用圧電素子46,Y軸走査用圧電
素子（図示してない）を図の様に設置して、STM像取得
のための動作を行なう。図において、視野選択するため
に探針３をＸ方向に動かす場合、試料２の凹凸が存在す
ると探針３と試料２とが衝突し、探針３の先端部が曲が
つてしまい、平面分解能の低下やトンネル電流の不安定
を生じる。これを防止するため、Ｘ軸方向の尺取り虫機
構にも探針３を接近する場合と同様な機構で移動するこ
とが望しい。尚、衝突した事を知らせる表示や、ステツ
プ数の設定や表示はあつた方が便利である。また、Ｙ軸
方向の尺取り虫機構の移動も上記と同様な機構が望し
い。さらに、トンネル電流が検出された際、Ｚ方向の移
動手段で後退させ、ＸあるいはＹ方向の視野選択を続行
させてもよい。 第５図に接近用のＺ軸尺取り虫機構と視野選択用のＸ
軸尺取り虫機構を駆動するための移動制御回路15の一部
を示す。各々の尺取り虫はその制御回路を持てば良いが
通常、近接と視野選択は同時に行なわないので１つの駆
動回路を共用するのが便利である。図において、リレー
54,リレー55がクランプ用圧電素子を駆動するため
のものであり、リレー56が尺取り虫機構の伸縮用圧電
素子にステツプ電圧を印加して伸縮するためのものであ
り、さらに、リレー57は自動的に接近したり、視野選
択するためのものである。これらは、モード選択により
動作するものである。スイツチA58,B59,C60,D61はクラ
ンプ用圧電素子に印加する電圧をリレー54の指定する
電圧にするか、リレー55の指定した電圧にするか、さ
らに、クランプにした状態に設定するかを選択するスイ
ツチである。スイツチE62,F63はリレー56,リレー57
で指定される電圧か、あるいは駆動しないかを選択する
ものである。上記の６個のスイツチは手動スイツチで十
分である。尺取り虫機構のシーケンス制御は論理回路53
で行なう。論理回路53はハームウエア、マイクロプロツ
サあるいは計算機が利用される。また、モード切換51は
（ｉ）自動接近、自動視野選択，（ii）ステツプ数指定
の尺取り虫移動、（iii）手動等を選択することができ
る。（ｉ）の場合はリレー57が図のように設定され、
リレー54,リレー55を動作するとともにミラー積分
器（第３図）のリセツト信号65により第２図の（ｃ）〜
（ｅ）の動作をする。尚、ミラー積分器のリセツト信号
65はホの動作を行なうのに使用する。スイツチA58〜F63
の状態は自動近接の場合を示す。スイツチA58,B59及びE
62を全て接地し、スイツチC60を、D61をに、F63を
リレー57と接続されるように選択すると、第４図のＸ
方向に視野選択する。また、逆方向に動かしたい場合は
スイツチA58〜D61のスイツチ選択を逆にすれば良い。
尚、これは論理回路53でシーケンスを変えることもでき
る。（ii）のモードではステツプ数を指定するととも
に、リレー57を定電圧Vpに接続されるように端子を切
換え、高速な尺取り虫移動を行なう。これは、探針３と
試料２とが衝突する心配がない場合、有効である。この
時の伸縮用圧電素子10あるいはＸ軸伸縮用圧電素子への
印加電圧はリレー56で定電圧あるいはOVが選択され
る。（iii）のモードでは手動スイツチ50によりリレー
54,リレー55,リレー56が操作されるように切換え
られる。あるいは、全てVpに接続され、スチツチA58〜F
63で操作される。リレー57は（ii）のモードと同じ状
態にある。一方、自動接近後、手動モードで、端子A12
を解放したまま、R6の抵抗を用いてトンネル電流が流れ
るまで伸縮用圧電素子10を除々に伸し、STM像が得れる
ように探針３を試料に近づけることができる。尚、電流
検出信号66は第３図の演算増幅器31の出力信号である。
第５図は２軸の尺取り虫機構を制御する場合を示した
が、多軸の場合や変形した尺取り虫、例えば、尺取り虫
のクランプ数や伸縮素子が複数の場合も、同様に移動制
御回路を構成することができる。また、論理回路53のシ
ーケンス制御信号として圧電素子印加電圧のレベルを利
用する。この場合、素子への電圧が高いことより抵抗で
分圧して制御信号に用いたり、レベルコンパレータ後の
整定時間を予想して遅延回路を設置して、シーケンスを
制御するのが望ましい。尚、（ｉ）のモードで探針３が
試料２に近づくとトンネル電流に雑音が混入し、誤動作
の原因となる。このため、トンネル電流を検出する際、
第２図のロ″の動作を複数回繰り返して、トンネル電流
を連続して検出した場合、停止する様にプログラミング
することも重要である。 一方、尺取り虫機構を使用するとクランプした際に探
針３が前進する方向に移動することがあり、試料２と衝
突することがある。このため、第６図のように尺取り虫
機構の伸縮量を歩幅より大きくすることにより、上記の
事故を防ぐことができる。即ち、第６図（ｂ）のロの動
作のように伸び量Loを設定した後、ΔＬだけ縮めて歩幅
を小さくすることが重要である。 以上の移動手段は圧電素子を用いたものであるが、そ
の外に、クランプ機構に静電チヤツクを用い、あるいは
圧電素子の代りに電歪，磁歪素子あるいは熱膨張を利用
しても同様の作用が得られる。また、尺取り虫機構以外
に、ネジや縮小機構を用いたモータ駆動による接近方法
が考えられるが、本具体例のように探針３と試料２との
接近により得られる物理情報を用いて間隙制御を行なう
と同時に、この制御系で使用されている信号を用いてモ
ータ駆動を行なつてもよい。 また、具体例では物理情報としてトンネル電流を用い
たSTMの場合について記述したが、トンネル電流以外
に、原子間力，試料表面温度，静電容量，磁束，磁力等
を用いてもよい。本発明はこれらの情報を応用した装置
（顕微鏡のような理科学機器、記録装置、等）について
全て適用できるものである。また、この場合あらかじめ
設定した値の物理量を検出した時に移動を停止するよう
に本発明を構成すれば、設定した物理量に相当する任意
の間隙を探針と試料との間に保つことができる。 以上のごとく、本実施例によれば探針の先端形状を鋭
く保つままで試料に接近できるので、空間分解能の低下
やトンネル電流の不安定を防ぎ、信頼性の高い装置を得
ることができる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、探針の先端形状を鋭く保つたままで
試料に接近できるので、空間分解能の高い物理現象を常
に実現できる効果がある。また、これにより、探針を試
料に衝突させずに視野選択が可能となり、信頼性の高い
探針移動を実現する。以上により、探針あるいは試料の
操作性を良くするとともに、自動化により時間の短縮や
衝突による探針交換の頻度を小さくする効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例のSTMでの探針・試料の接近
を説明するためのブロツク図、第２図は第１図の動作を
説明するためのタイムチヤート、第３図は尺取り虫機構
の伸縮用圧電素子を定速度で駆動するための具体例を表
すブロツク図、第４図は３次元の尺取り虫機構を有した
STMの平面図、第５図は複数の尺取り虫機構を駆動する
とともに，自動接近、自動移動、手動等の切換えモード
を有する移動制御回路の一具体例を表すブロツク図、第
６図は尺取り虫機構のクランプでの探針試料衝突防止の
ためのタイムチヤートである。 １……目標トンネル電流設定回路、２……試料、３……
探針、４……トンネル電源、５……トンネル電流検出回
路、６……減算回路、７……トンネル電流、８……サー
ボ回路、９……間隙制御素子（圧電素子）、10……伸縮
用圧電素子、11,11′……端子、B,12,12′……クランプ
金具、A,B,13,13′……クランプ用圧電素子、A,B,15…
…移動制御回路、16……電流検出回路、17……伸縮用駆
動回路、18,19……クランプ用駆動回路、B,A,20……シ
ーケンス制御回路。
を説明するためのブロツク図、第２図は第１図の動作を
説明するためのタイムチヤート、第３図は尺取り虫機構
の伸縮用圧電素子を定速度で駆動するための具体例を表
すブロツク図、第４図は３次元の尺取り虫機構を有した
STMの平面図、第５図は複数の尺取り虫機構を駆動する
とともに，自動接近、自動移動、手動等の切換えモード
を有する移動制御回路の一具体例を表すブロツク図、第
６図は尺取り虫機構のクランプでの探針試料衝突防止の
ためのタイムチヤートである。 １……目標トンネル電流設定回路、２……試料、３……
探針、４……トンネル電源、５……トンネル電流検出回
路、６……減算回路、７……トンネル電流、８……サー
ボ回路、９……間隙制御素子（圧電素子）、10……伸縮
用圧電素子、11,11′……端子、B,12,12′……クランプ
金具、A,B,13,13′……クランプ用圧電素子、A,B,15…
…移動制御回路、16……電流検出回路、17……伸縮用駆
動回路、18,19……クランプ用駆動回路、B,A,20……シ
ーケンス制御回路。
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
H01J 37/28
H01J 37/20
G01N 23/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．探針、該探針に対向するように試料を保持する手
段、該探針と試料表面との間に作用する物理情報を検出
する手段、該探針と試料表面との距離を制御するための
第１、第２の移動手段とを有し、前記第１の移動手段は
前記検出された物理情報が目標値に一致するように探針
と試料表面との距離を制御するように構成され、前記第
１の移動手段と前記第２の移動手段とを同時に動作させ
て前記第１の移動手段により前記試料表面と前記探針と
の距離が所定の距離より小さくならないようにしながら
前記第２の移動手段で前記試料表面と前記探針を接近さ
せ、前記第２の移動手段は前記試料表面と探針との間に
作用する物理量が所定の状態で検出されたとき前記第２
の移動手段による探針と試料表面との接近の動作を停止
させられるように前記第１および第２の移動手段を動か
す制御手段をさらに有することを特徴とする物理情報検
出装置。 ２．前記第２の移動手段が尺取り虫構造であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の物理情報検出装
置。 ３．前記尺取り虫構造の伸縮量が、歩幅より大きく設定
されたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の物
理情報検出装置。 ４．前記第２の移動手段が回転運動を直進運動に変更す
る構造であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の物理情報検出装置。 ５．前記検出される物理量が試料表面と探針間に流れる
トンネル電流、試料表面と探針間に作用する原子間力、
試料表面と探針間に作用する静電容量、試料表面の温度
あるいは試料表面と探針間に作用する磁気力の何れかで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の物理
情報検出装置。 ６．前記試料表面と探針との間に作用する物理量が所定
の状態で検出されたとき前記第２の移動手段による移動
を解除するとともに前記試料表面と探針との距離を大き
くすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の物
理情報検出装置。 ７．前記試料表面と探針との間に作用する物理量が所定
の状態で検出されたとき前記第２の移動手段による移動
を解除するとともに前記試料表面と探針との距離を大き
くされた後、前記試料表面と探針との距離を手動操作で
制御可能とすることを特徴とする特許請求の範囲第６項
記載の物理情報検出装置。 ８．前記第２の移動手段が前記検出された物理情報と目
標値との差に対応した信号で制御されることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の物理情報検出装置。 ９．探針、該探針に対向するように試料を保持する手
段、該探針と試料表面上との間に作用する物理情報を検
出する手段、該探針と試料表面との距離を制御するため
の第１、第２の移動手段、前記第１の移動手段または第
２の移動手段を前記試料表面に沿って互いに90゜異なる
方向に移動させるための第３、第４の移動手段とを有
し、前記第１の移動手段は前記検出された物理情報が目
標値に一致するように探針と試料表面との距離を制御す
るように構成され、前記第２の移動手段は前記試料表面
と探針との間に作用する物理量が所定の状態で検出され
たとき前記第２の移動手段による探針と試料表面との接
近の動作を停止させられるとともに、前記第３、第４の
移動手段は前記試料表面と探針との間に作用する物理量
が所定の状態で検出されたとき前記第３、第４の移動手
段による試料表面に沿った移動の動作を停止させられる
ことを特徴とする物理情報検出装置。 １０．前記第３または第４の移動手段が尺取り虫構造で
あることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の物理
情報検出装置。 １１．前記尺取り虫構造の伸縮量が、歩幅より大きく設
定されたことを特徴とする特許請求の範囲第10項記載の
物理情報検出装置。 １２．前記第３または第４の移動手段が回転運動を直進
運動に変更する構造であることを特徴とする特許請求の
範囲第９項記載の物理情報検出装置。 １３．前記検出される物理量が試料表面と探針間に流れ
るトンネル電流、試料表面と探針間に作用する原子間
力、試料表面と探針間に作用する静電容量、試料表面の
温度あるいは試料表面と探針間に作用する磁気力の何れ
かであることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の
物理情報検出装置。 １４．前記試料表面と探針との間に作用する物理量が所
定の状態で検出されたとき前記第３または第４の移動手
段による移動を解除するとともに前記試料表面と探針と
の距離を大きくすることを特徴とする特許請求の範囲第
９項記載の物理情報検出装置。 １５．前記試料表面と探針との間に作用する物理量が所
定の状態で検出されたとき前記第３または第４の移動手
段による移動を解除するとともに前記試料表面と探針と
の距離を大きくされた後、前記試料表面と探針との距離
を手動操作で制御可能とすることを特徴とする特許請求
の範囲第14項記載の物理情報検出装置。 １６．前記第３または第４の移動手段が前記検出された
物理情報と目標値との差に対応した信号で制御されるこ
とことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の物理情
報検出装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62253638A JP2804032B2 (ja) | 1987-10-09 | 1987-10-09 | 物理情報検出装置 |
| EP88908358A EP0338083B1 (en) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Scanning tunneling microscope with means for correcting surface data |
| DE3853155T DE3853155T2 (de) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Rastertunnelmikroskop mit einer Vorrichtung zum Berichtigen von Oberflächendaten. |
| US07/368,304 US5001409A (en) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Surface metrological apparatus |
| PCT/JP1988/000967 WO1989003510A1 (en) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62253638A JP2804032B2 (ja) | 1987-10-09 | 1987-10-09 | 物理情報検出装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP928298A Division JP2812333B2 (ja) | 1998-01-21 | 1998-01-21 | 物理情報検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0197356A JPH0197356A (ja) | 1989-04-14 |
| JP2804032B2 true JP2804032B2 (ja) | 1998-09-24 |
Family
ID=17254118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62253638A Expired - Fee Related JP2804032B2 (ja) | 1987-10-09 | 1987-10-09 | 物理情報検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2804032B2 (ja) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4343993A (en) | 1979-09-20 | 1982-08-10 | International Business Machines Corporation | Scanning tunneling microscope |
-
1987
- 1987-10-09 JP JP62253638A patent/JP2804032B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4343993A (en) | 1979-09-20 | 1982-08-10 | International Business Machines Corporation | Scanning tunneling microscope |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0197356A (ja) | 1989-04-14 |
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