JP3196447B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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
に関し、特に探針と試料表面間を高精度に位置決めしな
がら試料表面を高精度に走査する微動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡として、例えばプ
ローブと試料表面との間に流れるトンネル電流を用いる
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、プローブと試料表面間に
働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知
られている。

【０００３】例えば、トンネル顕微鏡は、探針を試料表
面に近づけて探針または試料の何れかを３次元方向に移
動可能とし、探針と試料表面との間に流れるトンネル電
流が一定となるように試料表面と探針先端部との間をサ
ブナノメータオーダーで制御して、試料の表面の凹凸を
観察する。原子レベルの分解能で試料表面を観察するに
は、探針または試料を原子スケールの精度で試料表面の
面内方向（Ｘ軸，Ｙ軸方向）、及び試料表面の凹凸に沿
う方向（Ｚ軸方向）に動作する微動機構が必要である。

【０００４】この微動機構として、棒状の圧電素子をそ
れぞれが直交するように組み立てた構造のトライポッド
型、円筒状の圧電素子の内側と外側に電極を取り付けた
構造のチューブ型等が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の走査型プローブ
顕微鏡における微動機構は、圧電素子の持つヒステリシ
ス特性や、制御応答速度により、微小な動きに対しては
追従性は良いが、大きな動きに対してはヒステリシスが
大きくなって良好な追従性が得られず、試料表面に対す
る追従性に問題を有している。例えば、試料表面が大き
なうねりの上に微小な凹凸が乗ったような形状では、大
きなうねりと微小な凹凸との両方に追従性良く変動させ
ることは難しい。

【０００６】そこで、従来この追従性の問題を解消する
ために、試料表面の大きなうねりが測定に影響を与えな
い程度の小面積を走査して、微小な凹凸のみを観察した
り、試料表面の微小な凹凸を無視して大きなうねりのみ
に追従して観察したり、あるいは走査速度を遅くして長
時間の走査時間により観察する等の方法がとられてい
る。しかしながら、この従来の観察方法では、表面あら
さの観察等の低い分解能で大きな面積を走査する場合
と、原子構造の観察等の高い分解能で小さな面積を走査
する場合を同一の微動機構により行なうことは困難であ
り、また、走査範囲、走査速度、及び試料の観察対象等
の所望の条件を満足させながら、大きな走査範囲を速い
走査速度で走査し、試料表面の大きなうねりとともに微
小変動をも観察することは困難である。

【０００７】本発明は前記した従来の走査型プローブ顕
微鏡の問題点を解決し、追従性の高い微動機構により追
従性を向上させた走査型プローブ顕微鏡を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電駆動部材
により構成される微動機構により走査を行う走査型プロ
ーブ顕微鏡において、圧電駆動部材を少なくとも１軸以
上において複数の駆動部分で構成し、該複数の駆動部分
を前記微動機構の駆動制御信号成分に対応したそれぞれ
異なる固有の周波数特性で駆動することにより前記目的
を達成する。

【０００９】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、圧電駆
動部材により構成される微動機構によって、探針と試料
表面間を高精度に位置決めしながら試料表面を高精度に
走査して、試料の表面の３次元形状の情報を得る装置で
あり、例えば、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡
がある。

【００１０】また、本発明の微動機構を構成する圧電駆
動部材は、３次元方向の移動が可能となる３軸を有して
おり、その内の少なくとも１軸以上において駆動部分を
複数の部分により構成するものであり、それぞれの駆動
部分は制御信号により別個に制御可能とすることができ
るものである。この駆動部分を制御する制御信号は、微
動機構においてフィードバックされる駆動制御信号を周
波数選別して得られる特定の帯域の周波数成分を持つ信
号である。

【００１１】

【作用】前記構成とすることにより、圧電駆動部材によ
り構成される微動機構により走査を行なう走査型プロー
ブ顕微鏡において、圧電駆動部材の少なくとも１軸以上
において、その圧電駆動部材を複数の駆動部分により構
成し駆動して追従性を向上させることにより、前記目的
を達成する。分割した複数の駆動部分に対しては、微動
機構の駆動制御信号の分割された特定の帯域の周波数成
分を持つ信号を入力して、その特定の帯域の周波数成分
に適合した特性の圧電駆動部材を駆動する。

【００１２】本発明の走査型プローブ顕微鏡の微動機構
を構成する圧電駆動部材は、３次元の移動が可能となる
３軸の内の少なくとも１軸以上において駆動部分を駆動
特性の異なる複数の部分により構成し、微動機構におい
てフィードバックされる駆動制御信号を周波数選別して
得られる特定の帯域の周波数成分からなる制御信号を、
それぞれの駆動特性に適応する駆動部分に入力して、応
答性を向上させ、探針と試料表面間を高精度に位置決め
しながら試料表面を高精度に走査して、試料の表面の３
次元形状の情報を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものでは
ない。なお、以下の実施例においては、本発明の走査型
プローブ顕微鏡として走査型トンネル顕微鏡の場合につ
いて説明する。

【００１４】（実施例の構成）図１は、本発明の実施例
１の構成を表すブロック図であり、走査型プローブ顕微
鏡の微動機構の部分のみを表し、また該微動機構を構成
する圧電駆動部材としてチューブ型のものを用いた例を
示している。

【００１５】走査型トンネル顕微鏡の微動機構１は、試
料Ｓの試料表面の凹凸に沿って３次元の動作により、試
料Ｓと探針３との間隔の制御及び位置制御を行なうもの
であり、チューブ型の圧電駆動部材２に、Ｘ軸，Ｙ軸方
向の走査を行なわせるためのＸ軸動作電極６とＹ軸動作
電極８を設けるとともに、試料Ｓと探針３との間隔であ
るＺ軸方向の移動を行なわせるためのＺ軸動作電極が設
けられている。そして、本発明の実施例１においては、
このＺ軸動作電極は第１Ｚ軸動作電極４と第２Ｚ軸動作
電極５の２つの動作電極により構成されている。

【００１６】ＸＹ走査回路１１は、微動機構１のＸ軸方
向及びＹ軸方向の走査を行なわせる走査制御信号を出力
する回路であり、この走査制御信号を前記Ｘ軸動作電極
６とＹ軸動作電極８に入力して、圧電駆動部材２をＸ軸
方向、Ｙ軸方向に湾曲させ、探針３と試料ＳとのＸＹ平
面での移動を行なわせ、走査を行なう。また、このＸＹ
走査回路１１の走査制御信号は、メモリ１６に入力され
て記憶される。

【００１７】試料Ｓと探針３との間に微小電圧を印加す
ることにより流れるトンネル電流は、トンネル電流増幅
器１２により増幅され、サーボ回路１３を介して圧電駆
動部材２にフィードバックされ、前記トンネル電流が一
定となるように制御が行なわれる。本発明の実施例１で
は、このサーボ回路１３を介した圧電駆動部材２へのフ
ィードバックにおいて、圧電駆動部材２に取り付けたＺ
軸動作電極へのＺ軸制御信号を周波数に応じて選別し、
周波数に応じて圧電駆動部材２のＺ軸動作を行なわせて
いる。図１の実施例においては、サーボ回路１３からの
駆動制御信号をローパスフィルタ（またはハイカットフ
ィルタ）１４とハイパスフィルタ（またはローカットフ
ィルタ）１５を通して、Ｚ軸制御信号を低周波数成分と
高周波成分の帯域に分割して周波数選別し、この内の低
周波数成分を第１Ｚ軸動作電極４に入力し、高周波数成
分を第２Ｚ軸動作電極５に入力する。

【００１８】また、このサーボ回路１３からはフィード
バック信号であるＺ軸制御信号をメモリ１６に入力し、
前記ＸＹ走査回路１１の走査制御信号とともに記憶す
る。このメモリ１６に記憶された走査制御信号とＺ軸制
御信号は試料Ｓの表面構造を示すデータであり、このデ
ータをマイクロコンピュータ１７等の処理装置によりデ
ータ処理を施し、表示装置１８等に表示する。

【００１９】次に、図２の構成図を用いて、チューブ型
の圧電駆動部材を用いた圧電駆動部の一実施例の構成を
説明する。チューブ型の圧電駆動部材２は、例えばＰＺ
Ｔの圧電材料により形成される中空円筒形状の部材に、
中空円筒の軸方向（Ｚ軸方向）に動作を行なわせるため
の２組の第１Ｚ軸動作電極４及び第２Ｚ軸動作電極５を
中空円筒の周上に設け、さらに、中空円筒の軸と直交す
る方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）に動作するためのＸ軸動
作電極６ａ，６ｂ，Ｙ軸動作電極８ａ，８ｂ（Ｙ軸動作
電極８ｂは図示されていない）を設けている。そして、
その中空円筒の内面には、共通電極が設けられている。

【００２０】ここで、前記第１Ｚ軸動作電極４と第２Ｚ
軸動作電極５の電極は、そのＺ軸方向の幅を異ならせて
形成しており、図２においては第１Ｚ軸動作電極４の電
極のＺ軸方向の幅は第２Ｚ軸動作電極５よりも幅広に形
成されている。なお、第１Ｚ軸動作電極４と第２Ｚ軸動
作電極５は、中空円筒の圧電駆動部材２の外周面の全周
上に形成されるため、第１Ｚ軸動作電極４の電極は第２
Ｚ軸動作電極５よりも広い面積で形成されることにな
る。この第１Ｚ軸動作電極４と第２Ｚ軸動作電極５は、
試料Ｓに対して探針３をＺ軸方向に移動するものであ
り、この内、第１Ｚ軸動作電極４の電極により大きな動
きに追従させ、第２Ｚ軸動作電極５の電極により小さな
動きに追従させる。

【００２１】また、Ｘ軸動作電極６ａ，６ｂ、及びＹ軸
動作電極８ａ，８ｂは、同一面積で同一形状に形成され
るとともに、中空円筒の圧電駆動部材２の外周面に等分
割で配置され、Ｘ軸動作電極６ａと６ｂ、及びＹ軸動作
電極８ａと８ｂはそれぞれ対向した位置に配置されてい
る。

【００２２】この実施例の第１Ｚ軸動作電極、及び第２
Ｚ軸動作電極の電極幅は、例えば観察する対象の変動幅
に対応させて設計することができる。また、それぞれの
Ｚ軸動作電極を複数個に分割し、合計した動作電極の幅
が最初に設定した幅となるように設定することもでき、
動作電極を複数個に分割した場合にはそれぞれの分割動
作電極に駆動制御信号の同一の帯域の周波数成分の信号
を入力することにより動作を同期させ、合計した圧電駆
動部材の延びが電極を分割しない場合と同一となるよう
制御する。また、この電極を複数個に分割した場合に
は、分割した電極の内、駆動制御信号を印加する電極の
個数を選択することにより、電極幅を実質的に変更する
ことができる。

【００２３】図３の構成図は圧電駆動部のその他の実施
例を説明するものであり、トライポッド型の圧電駆動部
材を用いた圧電駆動部を示している。図３において、圧
電駆動部は互いに直交する３軸の圧電駆動部材２２によ
り構成され、Ｘ軸方向には圧電駆動部材２２（Ｘ）が設
けられ、Ｙ軸方向には圧電駆動部材２２（Ｙ）が設けら
れ、Ｚ軸方向には圧電駆動部材２２（Ｚ）が設けられて
いる。そして、これらの圧電駆動部材２２には、それぞ
れ動作電極が設けられている。この実施例では、圧電駆
動部材２２（Ｚ）に設けられるＺ軸動作電極は、第１Ｚ
軸動作電極２４と第２Ｚ軸動作電極２５の２つの動作電
極により構成されており、前記実施例と同様に第１Ｚ軸
動作電極２４と第２Ｚ軸動作電極２５の電極は、そのＺ
軸方向の幅を異ならせて形成し、図３の第１Ｚ軸動作電
極２４の電極のＺ軸方向の幅は第２Ｚ軸動作電極２５よ
りも幅広に形成され、第１Ｚ軸動作電極２４の電極によ
り大きな動きに追従させ、第２Ｚ軸動作電極２５の電極
により小さな動きに追従させる。

【００２４】また、圧電駆動部材２２（Ｘ）及び圧電駆
動部材２２（Ｙ）は、Ｘ軸，Ｙ軸方向の走査を行なわせ
るためのＸ軸動作電極、及びＹ軸動作電極が設けられて
いる。このＸ軸動作電極、及びＹ軸動作電極は、同一面
積で同一形状に形成することも、また面積と形状を異な
らせて形成することも可能である。さらに、図３に示す
ように、前記Ｚ軸動作部材（Ｚ）と同様に、第１Ｘ軸動
作電極２６と第２Ｘ軸動作電極２７の２つの動作電極に
よりＸ軸動作電極を構成し、第１Ｙ軸動作電極２８と第
２Ｙ軸動作電極２９の２つの動作電極によりＹ軸動作電
極を構成して、それぞれの動作電極の幅を異ならせて形
成することも可能である。

【００２５】次に、本発明の実施例２の構成について図
６を用いて説明する。図６は、本発明の実施例２の構成
を表すブロック図であり、前記実施例１と同様に、走査
型プローブ顕微鏡の微動機構の部分のみを表し、また該
微動機構を構成する圧電駆動部材としてチューブ型のも
のを用いた例を示している。実施例２の構成は、前記実
施例１の構成とほぼ同様であるので、以下では相違する
点についてのみ説明する。

【００２６】実施例２は、実施例１の構成において、圧
電駆動部材２に設けるＺ軸動作電極を、第１Ｚ軸動作電
極４と第２Ｚ軸動作電極５と第３Ｚ軸動作電極７とする
ことによって３つの駆動部に分割し、それぞれのＺ軸動
作電極に走査信号を３帯域に分割した周波数成分を入力
して駆動するものである。トンネル電流増幅器１２によ
り得られるトンネル電流はサーボ回路１３を介してフィ
ードバックされる。サーボ回路１３からの駆動制御信号
は、ローパスフィルタ（あるいはハイカットフィルタ）
１４とハイパスフィルタ（あるいはローカットフィル
タ）１５と直流分を検出する直流分検出フィルタ１０に
通され、Ｚ軸制御信号の低周波数成分と高周波成分と直
流分の帯域に周波数選別され、この内の低周波数成分は
第１Ｚ軸動作電極４に入力され、高周波数成分は第２Ｚ
軸動作電極５に入力され、また直流分は第３Ｚ軸動作電
極７に入力される。

【００２７】また、このサーボ回路１３からのＺ軸制御
信号、ＸＹ走査回路１１からの走査制御信号はメモリ１
６に入力され、このデータはマイクロコンピュータ１７
等の処理装置によりデータ処理を施され、表示装置１８
等に表示される。

【００２８】なお、第３Ｚ軸動作電極７の幅は、探針３
と試料Ｓとの間の一定距離を駆動するのに充分な値に設
定されるものである。

【００２９】（実施例の作用）次に、本発明の実施例１
の走査型トンネル顕微鏡の作用を、図１及び図４の信号
の流れを説明する図を用いて説明する。

【００３０】探針３から出力されトンネル電流増幅器１
２を介してフィードバックされる駆動制御信号は、試料
Ｓの凹凸に応じた周波数成分を有しており、その周波数
成分は通常、試料Ｓの大きなうねりで振幅が大きな成分
については低周波数成分となり、試料Ｓの微小変動で振
幅の幅の小さな成分については高周波数成分となる。こ
の周波数成分の信号は、駆動制御信号をローパスフィル
タ１４及びハイパスフィルタ１５に入力することにより
周波数選別して特定の帯域に分割することにより求めら
れ、例えば図４に示すような周波数成分となる。この周
波数選別して得られた周波数成分の内、低周波数成分を
本発明の圧電駆動部材の第１Ｚ軸動作電極４に入力し、
高周波数成分を第２Ｚ軸動作電極５に入力する。

【００３１】第１Ｚ軸動作電極４により駆動される圧電
駆動部材の動作特性は、応答速度は遅いが大きな動きに
対応することができるものであり、一方、第２Ｚ軸動作
電極５により駆動される圧電駆動部材の動作特性は、応
答速度は速いが小さな動きに対応することができるもの
である。そして、周波数選別された低周波数成分を第１
Ｚ軸動作電極４に入力することにより、微動機構をゆっ
くりと大きな変動幅で駆動し、高周波数成分を第２Ｚ軸
動作電極５に入力することにより、微動機構を速く小さ
な変動幅で駆動し、全体として駆動制御信号に対応した
変動幅を得るものである。

【００３２】したがって、圧電駆動部材の動作特性に対
応した特定の帯域の周波数成分を持つ信号で駆動するこ
とによって、応答性が向上する。

【００３３】また、ヒステリシス特性については、圧電
駆動部材は、通常図５に示すようなヒステリシス特性を
有しており、変動幅が大きくなるほど電圧変位特性が歪
みが大きくなる。従来のように、駆動制御信号を周波数
選別することなく、低周波成分と高周波数成分とが混ざ
った状態で圧電駆動部材を駆動すると、変動幅が大き
く、ヒステリシス特性による電圧変位特性の歪みが大き
くなる。これに対して、本発明のように駆動信号を低周
波数成分と高周波数成分に周波数選別し、その周波数成
分を持つ信号に対応した圧電駆動部材を駆動すると、そ
れぞれの変動幅は駆動信号そのものの変動幅よりも小さ
いものとなるため、ヒステリシス特性による電圧変位特
性の歪みを小さく抑えることができる。

【００３４】次に、本発明の実施例２の走査型トンネル
顕微鏡の作用を説明する。実施例２の作用は、ほぼ前記
実施例１の作用と同様であるので、相違する点について
のみ説明する。

【００３５】駆動制御信号の周波数成分は、駆動制御信
号をローパスフィルタ１４、ハイパスフィルタ１５、及
び直流分検出フィルタ１０に入力して周波数選別するこ
とにより求められ、この周波数選別して得られた周波数
成分の内、低周波数成分を本発明の実施例２の圧電駆動
部材の第１Ｚ軸動作電極４に入力し、高周波数成分を第
２Ｚ軸動作電極５に入力し、直流成分を第３Ｚ軸動作電
極７に入力する。

【００３６】前記したように、第１Ｚ軸動作電極４によ
り駆動される圧電駆動部材の動作特性は、応答速度は遅
いが大きな動きに対応することがてきるものであり、第
２Ｚ軸動作電極５により駆動される圧電駆動部材の動作
特性は、応答速度は速いが小さな動きに対応することが
できるものであるのに対して、第３Ｚ軸動作電極７によ
り駆動される圧電駆動部材は直流分により一定の変位を
維持するものである。そして、直流分を第３Ｚ軸動作電
極７に入力することにより分析中において探針と試料Ｓ
との間で変動しない一定距離を維持し、低周波数成分を
第１Ｚ軸動作電極４に入力することにより微動機構をゆ
っくりと大きな変動幅で駆動し、高周波数成分を第２Ｚ
軸動作電極５に入力することにより微動機構を速く小さ
な変動幅で駆動し、全体として駆動制御信号に対応した
変動幅を得る。

【００３７】これにより、前記実施例１と同様に圧電駆
動部材の動作特性に対応した特定の帯域の周波数成分を
持つ信号で駆動することによって、応答性が向上し、ま
た、直流分のみによる移動量を固有の圧電駆動部材によ
り実現し、前記実施例１のように駆動信号を低周波数成
分と高周波数成分に周波数選別し、その周波数成分に対
応した圧電駆動部材を駆動すると、それぞれの変動幅は
駆動信号そのものの変動幅よりも小さいものとなるた
め、ヒステリシス特性による電圧変位特性の歪みを小さ
く抑えることができる。

【００３８】前記実施例の微動機構を用いた走査型トン
ネル顕微鏡により、同一の微動機構により、表面あらさ
の観察等の低い分解能で大きな面積の走査と、原子構造
の観察等の高い分解能で小さな面積の走査を実施するこ
とが可能となり、また、異なる変動の周期の表面状態を
有する一つの大きな走査範囲内を、速い走査速度で走査
し、かつ、ヒステリシスによる歪み量を減少させた観察
が可能となる。

【００３９】〔変形例〕なお、本発明は上記実施例に限
定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変
形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するも
のではない。

【００４０】走査信号の周波数成分により駆動するＺ軸
方向の圧電駆動部材を、複数の駆動部分に分割する構成
として，前記実施例のように一つの圧電駆動部材に取り
付ける動作電極を軸方向に異なる長さで分割するものに
代えて、動作方向の長さが異なる複数の圧電駆動部材を
分割した複数の駆動部分とし、それらの複数の駆動部分
を動作方向が軸方向となるように積層した構成とするこ
とも可能である。

【００４１】また、前記実施例１においては、圧電駆動
部材２に設けるＺ軸動作電極を、第１Ｚ軸動作電極と第
２Ｚ軸動作電極の２つの駆動部に分割しているが、この
分割数を３以上の数とするとともに、駆動制御信号の周
波数選別の個数を３以上の数とし、複数個の周波数成分
を持つ信号で駆動することも可能である。

【００４２】また、前記実施例においては、走査型トン
ネル顕微鏡について説明したが本発明を、プローブと試
料の表面原子間に働く原子間力を測定する原子間力顕微
鏡、ならびにその他の走査型プローブ顕微鏡に適用する
ことができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
追従性の高い微動機構により追従性を向上させた走査型
プローブ顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施例１の構
成を表すブロック図である。

【図２】本発明のチューブ型の圧電駆動部材を用いた圧
電駆動部の一実施例の構成図である。

【図３】本発明のトライポッド型の圧電駆動部材を用い
た圧電駆動部の一実施例の構成図である。

【図４】本発明の実施例１の信号の流れを説明する図で
ある。

【図５】圧電駆動部材のヒステリシス特性図である。

【図６】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施例２の構
成を表すブロック図である。

【符号の説明】

１…微動機構、２，２２…圧電駆動部材、３，２３…探
針、４，２４…第１Ｚ軸動作電極、５…第２Ｚ軸動作電
極、６…Ｘ軸動作電極、８…Ｙ軸動作電極、７…第２Ｚ
軸動作電極、１０…直流分検出フィルタ、１１…ＸＹ走
査回路、１２…トンネル電流増幅器、１３…サーボ回
路、１４…ローパスフィルタ、１５…ハイパスフィル
タ、１６…メモリ、１７…マイクロコンピュータ、１８
…表示装置、２６…第１Ｘ軸動作電極、２７…第２Ｘ軸
動作電極、２８…第１Ｙ軸動作電極、２９…第２Ｙ軸動
作電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/30 G01N 13/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電駆動部材により構成される微動機構
   により走査を行う走査型プローブ顕微鏡において、 圧電駆動部材は少なくとも１軸以上において複数の駆動
   部分を備え、該複数の駆動部分は前記微動機構の駆動制
   御信号成分に対応したそれぞれ異なる固有の周波数特性
   で駆動することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。