JP3784570B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、像の取得時間を短縮することができる走査型トンネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡には、走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)などが含まれており、これらは探針を利用したプローブ顕微鏡である。この顕微鏡では、探針を被観察試料の表面に数ナノメータ以下の距離に近接させ、この状態で探針と試料とを相対的に走査し、この走査に基づいて試料表面の原子レベルの凹凸像を得るようにしている。
【0003】
この走査型プローブ顕微鏡では、観察媒体として使用する物理量によって種々の観察手段が得られるものである。例えば、探針と試料間に電圧を印加して得られるトンネル電流を計測するものが走査トンネル顕微鏡であり、探針と試料の間の働く原子間力を計測するものが原子間力顕微鏡である。
【0004】
その他の関連装置として試料表面の磁気力を計測する磁気力顕微鏡(MFM)や、細い光学ガラスにレーザー光などを導入してその先端から漏れるエバネセント光を利用して光学的に観察する近接場光学顕微鏡(SNOM)なども走査型プロープ顕微鏡のファミリー装置として注目を浴びている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、走査トンネル顕微鏡においては、探針と試料との間にバイアス電圧を印加し、トンネル電流を測定している。そして、探針と試料とを相対的に走査することでトンネル電流が変化するが、このトンネル電流が一定となるように探針のZ方向位置を変化させるようにしている。このZ方向の位置変化信号を像信号として用いている。
【0006】
このような走査トンネル顕微鏡では、Z方向のフィードバック制御の応答速度に限界があり、探針と試料との相対的なX−Y方向の速度を速めることができない。このため、広い領域の試料像を得るためには長い時間が必要となる。
【0007】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、広い領域の像を比較的短時間に得ることができる走査トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡を実現するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に基づく走査型プローブ顕微鏡は、試料と探針とを相対的に走査し、試料表面の像を得るようにした走査型プローブ顕微鏡において、一対のX方向駆動用電極及び一対のY方向駆動用電極が設けられた円筒圧電体を備え、当該円筒圧電体にはその端部に設けられた切り欠きにより分離された第1の半円筒圧電体部と第2の半円筒圧電体部とが形成され、第1の半円筒圧電体部には第1のZ方向駆動用電極及び第1の探針が設けられているとともに、第2の半円筒圧電体部には第2のZ方向駆動用電極及び第2の探針が設けられていることを特徴としている。
【0009】
第1の発明では、複数の探針を同時に走査するように構成したので、走査時間を短縮でき、また、走査範囲を広くすることができる。
第2の発明に基づく走査型プローブ顕微鏡は、第1の発明において、前記第1の半円筒圧電体部にはX駆動機構を介して第1の探針が設けられているとともに、第2の半円筒圧電体部にはY駆動機構を介して第2の探針が設けられているように構成したので、請求項1の発明と同様な効果が得られると共に、走査範囲に応じて複数の探針の相対的な位置を正確に調整することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明に基づく走査トンネル顕微鏡を示しており、1は試料である。試料1に接近してスキャナ2が配置されているが、スキャナ2はX駆動機構3、X駆動機構3に取り付けられたY駆動機構4、Y駆動機構4に固定された第1のZ駆動機構5と第2のZ駆動機構6とより構成されている。第1のZ駆動機構5には補助X駆動機構7を介して第1の探針8が取り付けられ、第2のZ駆動機構6には補助Y駆動機構9を介して第2の探針10が取り付けられている。
【0011】
X駆動機構3、Y駆動機構4、第1と第2のZ駆動機構5,6、更には補助X駆動機構7、補助Y駆動機構9は、それぞれピエゾ素子を用いて精密なX,Y,Z方向の駆動が可能なように構成されている。X駆動機構3とY駆動機構4は、X−Y走査制御回路11からの信号により駆動される。
【0012】
第1のZ駆動機構5はZ駆動制御回路12からの信号により駆動される。第2のZ駆動機構6はZ駆動制御回路13からの信号により駆動される。補助X駆動機構7と補助Y駆動機構9には、探針位置合わせ制御回路14からの信号により駆動される。試料1と第1および第2の探針8,10との間には、バイアス電源15からバイアス電圧が印加されている。
【0013】
第1の探針8に流れるトンネル電流は、増幅器16を介して第1のフィードバック回路17に供給される。第2の探針10に流れるトンネル電流は、増幅器18を介して第1のフィードバック回路19に供給される。なお、第1のフィードバック回路17は第1のZ駆動制御回路12に制御信号を送り、第2のフィードバック回路19は第2のZ駆動制御回路13に制御信号を送る。
【0014】
第1のフィードバック回路19からの信号と第2のフィードバック回路19からの信号はコンピュータ20に供給される。コンピュータ20はX−Y走査制御回路11と、探針位置合わせ制御回路14と、バイアス電源15を制御している。更に、コンピュータ20はフィードバック回路17,19からの信号に基づいた像信号を表示装置21に供給する。このような構成の動作を次に説明する。
【0015】
まず、コンピュータ20からの制御によりバイアス電源15から試料1にバイアス電圧が印加される。この状態で、図示していない粗動の駆動機構によりスキャナ2を試料に近付け、探針8,10にトンネル電流が流れるまでスキャナ2を試料に接近させる。
【0016】
この後、X−Y走査制御回路11からの信号によりX駆動機構3とY駆動機構4を駆動すると、第1の探針8と第2の探針10は試料1に対してX−Y方向に2次元的に走査される。図2はこの走査の様子を示しており、試料1の特定領域Aに対して、第1の探針8は実線S1で示すように特定領域Aの左半分を走査する。一方、第2の探針10は点線S2で示すように特定領域Aの右半分を走査する。
【0017】
この走査の過程で、第1の探針8に流れるトンネル電流は検出され、増幅器16を介して第1のフィードバック回路17に供給される。このトンネル電流は、試料1表面の凹凸により変化するが、フィードバック回路17は第1の探針8に流れるトンネル電流が一定となるように第1のZ駆動機構5を制御する。この結果、第1の探針8のZ方向位置は試料表面の凹凸の状態によって変化することになる。この第1の探針8のZ方向位置に対応した信号は第1のフィードバック回路17からコンピュータ20に供給される。
【0018】
一方、X−Y方向の走査の過程で、第2の探針10に流れるトンネル電流は検出され、増幅器18を介して第2のフィードバック回路19に供給される。このトンネル電流は、試料1表面の凹凸により変化するが、フィードバック回路19は第2の探針10に流れるトンネル電流が一定となるように第2のZ駆動機構6を制御する。この結果、第2の探針10のZ方向位置は試料表面の凹凸の状態によって変化することになる。この第2の探針10のZ方向位置に対応した信号は第2のフィードバック回路19からコンピュータ20に供給される。
【0019】
コンピュータ20は、第1の探針8のZ方向位置変化信号と第2の探針10のZ方向位置変化信号とを試料表面の凹凸に対応した像信号として表示装置21に供給する。この結果、表示装置21には、試料1の凹凸像が表示されることになる。
【0020】
このように、図1に示した装置では、第1と第2の探針を用いて試料の所定領域を走査するようにしたので、同じ領域の走査時間を、探針が1本の従来装置に比べて半分とすることができる。また、従来と同じ走査時間では、2倍の走査領域の像信号を取得することができる。
【0021】
なお、図1に示した装置において、第1の探針8と第2の探針10の相対的な位置の調整を行うことは重要である。そのため、第1の探針8は補助X駆動機構7に取り付けられており、第2の探針10は補助Y駆動機構9に取り付けられている。
【0022】
このような構成で補助X駆動機構7を用いて第1の探針8をX方向に駆動し、補助Y駆動機構9を用いて第2の探針10をY方向に駆動すれば、第1の探針8と第2の探針10とのX−Y方向の間隔を任意に調整することができる。なお、探針間の調整のため、例えば、一方の探針を固定とし、他方の探針をX−Y駆動機構により位置調整可能に構成しても良い。
【0023】
図1の構成では、スキャナ2を積層タイプのものとしたが、円筒状のスキャナを用いることもできる。図3は本発明に用いる円筒型のスキャナ25の一例を示している。図において26は円筒圧電体であり、円筒圧電体26には一対のX方向駆動用の電極27.28が貼り付けられている。また、円筒圧電体26には一対のY方向駆動用の電極29が貼り付けられている。Y方向駆動用の他方の電極は、電極29の反対側に貼り付けられており、図には示されていない。
【0024】
円筒圧電体26の下部には縦方向の切り欠き30が設けられている。この切り欠き30の対称部分にも切り欠きが設けられているが、それは図示されていない。この切り欠きによって分離された半円筒圧電体の一方31には、第1のZ方向駆動用電極32が貼り付けられており、半円筒圧電体の他方33には第2のZ方向駆動用電極34が貼り付けられている。
【0025】
半円筒圧電体の一方31にはX駆動機構35、探針ホルダ36を介して第1の探針37が取り付けられている。第1の探針37はネジ38によって固定されているが、押さえ板39により探針が少し内側に向くように位置合わせがされている。また、半円筒圧電体の他方33にはY駆動機構40、探針ホルダ41を介して第2の探針42が取り付けられている。第1の探針42はネジ43によって固定されているが、押さえ板44により探針が少し内側に向くように位置合わせがされている。
【0026】
このような図3に示したスキャナ25では、X方向駆動用電極27,28に駆動用電圧を印加することにより、円筒圧電体26はX方向に傾斜し、第1の探針37と第2の探針42はX方向に走査される。また、Y方向駆動用電極29に駆動用電圧を印加することにより、円筒圧電体26はY方向に傾斜し、第1の探針37と第2の探針42はY方向に走査される。
【0027】
第1の探針37に流れるトンネル電流は検出され、このトンネル電流が一定となるように第1のZ方向駆動用の電極32に電圧が印加される。この結果、半円筒圧電体の一方31は独立してZ方向に駆動される。また、第2の探針42に流れるトンネル電流は検出され、このトンネル電流が一定となるように第2のZ方向駆動用の電極34に電圧が印加される。この結果、半円筒圧電体の他方33は独立してZ方向に駆動される。
【0028】
以上本発明の実施の形態を詳述したが、本発明はこの形態に限定されない。例えば、探針の数を2本としたが、3本以上であっても良い。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、第1の発明では、複数の探針を設け、この複数の探針を同時に走査するように構成したので、走査時間を短縮でき、また、走査範囲を広くすることができる。
【0030】
第2の発明に基づく走査型プローブ顕微鏡は、第1の発明において、複数の探針の相対的な位置を調整する機構を備えるように構成したので、第1の発明と同様な効果が得られると共に、走査範囲に応じて複数の探針の相対的な位置を正確に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく走査トンネル顕微鏡の一例を示す図である。
【図2】2本の探針による走査の様子を示す図である。
【図3】本発明に用いることができる円筒状スキャナの一例を示す図である。
【符号の説明】
1 試料
2 スキャナ
3 X駆動機構
4 Y駆動機構
5,6 Z駆動機構
7 補助X駆動機構
8,10 探針
9 補助Y駆動機構
11 X−Y走査制御回路
12,13 Z駆動制御回路
14 位置合わせ制御回路
15 バイアス電源
16,18 増幅器
17,19 フィードバック回路
20 コンピュータ
21 表示装置
Claims (2)
- 試料と探針とを相対的に走査し、試料表面の像を得るようにした走査型プローブ顕微鏡において、一対のX方向駆動用電極及び一対のY方向駆動用電極が設けられた円筒圧電体を備え、当該円筒圧電体にはその端部に設けられた切り欠きにより分離された第1の半円筒圧電体部と第2の半円筒圧電体部とが形成され、第1の半円筒圧電体部には第1のZ方向駆動用電極及び第1の探針が設けられているとともに、第2の半円筒圧電体部には第2のZ方向駆動用電極及び第2の探針が設けられていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
- 前記第1の半円筒圧電体部にはX駆動機構を介して第1の探針が設けられているとともに、第2の半円筒圧電体部にはY駆動機構を介して第2の探針が設けられていることを特徴とする請求項1記載の走査型プローブ顕微鏡。
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- 1999-04-02 JP JP09590999A patent/JP3784570B2/ja not_active Expired - Fee Related
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