JP4607754B2

JP4607754B2 - 微動装置及び走査形プローブ顕微鏡

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Publication number: JP4607754B2
Application number: JP2005364881A
Authority: JP
Inventors: 貴昭天草
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: US7481099B2; JP2007170836A; US20070157712A1

Description

本発明は圧電素子を用いた微動素子に関するものである。また、本発明は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、走査形近接場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ものである。

近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針と試料表面を相対的に走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像・磁気像・分光画像等を得るように成した走査形プローブ顕微鏡が注目されている。

探針と試料表面を相対的に走査するために、図１に示すような、微動装置であるスキャナを用いる。図１において、図示しない装置に設置された固定台６には円筒形状のチューブ型圧電素子１の一端が固定されており、他端である自由端にはプローブ２が設置されている。図２は図１の断面図である。図２において、固定台６とチューブ型圧電素子１は固定部８で固定されている。固定の方法はネジ止めの場合もあるが、原子分解能が要求される走査形プローブ顕微鏡においては、僅かなガタも許されないために接着剤による固定方法が主に用いられる。

チューブ型圧電素子１は電極３、４に電圧を印加することにより電極３、４下の圧電素子が伸長又は収縮する作用を利用して、歪みによる変形により自由端を変位させる。このため、固定部８のストレスは大きい。
また、超高真空試料室を備えた走査形プローブ顕微鏡の場合、スキャナが設置されている試料室の超高真空環境を得るために、試料室内に付着した気体等を除去する焼き出しであるベークを行う。つまり、室温から１５０°Ｃ程度のベーク温度に加熱し、ベーク温度から室温に戻すというヒートサイクルが発生する。チューブ型圧電素子１は熱膨張係数が小さく、堅くてもろい。固定台６の材料である金属は熱膨張係数が圧電素子より大きい。よって、ヒートサイクルの際、固定台６は圧電素子１より大きく変化する。また、ガス等の発生が少ない超高真空下で使用可能な接着剤も硬化後は熱膨張係数が小さくほとんど変形しない。このため、チューブ型圧電素子１と接着剤、金属等で構成された固定台６との間に相対的な熱膨張差が発生し、チューブ型圧電素子１が破損するか、固定部８の接着剤が剥がれるという結果に至る。

さらに、超高真空低温観察を行う場合は、ベーク後冷媒により低温（液体窒素温度、液体ヘリウム温度）になるため、相対的熱収縮差がさらに大きく発生する。このため、室温〜ベーク温度〜室温〜低温〜室温のヒートサイクルを行うと、固定部８で破損が生じることがさらに多い。

これを解決するため、チューブ型圧電素子と金属製固定台の間にセラミックの緩衝パーツを入れるという従来技術があるが、セラミックスの緩衝パーツは熱膨張係数がチューブ型圧電素子のものに近いため、緩衝パーツと金属製固定台の間で接着剤が剥がれてしまうとうい問題が発生する。

なお、従来技術としては、電磁誘導ノイズや電流の干渉を防止するため、円筒状圧電性セラミックスに切り欠きを設けた顕微鏡用探針微動装置がある（例えば、特許文献１）。

特開平７−２８７０２２

本発明が解決しようとする問題点は、走査形プローブ顕微鏡等でのヒートサイクルにおいて、チューブ型圧電素子と固定台との熱変形の違いによりチューブ型圧電素子の破損が発生するという点である。

請求項１の発明は、円筒状に形成され、一方の端部に切欠部が形成された圧電素子体と、前記圧電素子体の前記一方の端部を固定し、前記圧電素子体と温度変化による変形率が異なる固定台と、前記圧電素子体に設けられた電極と、を備えた前記圧電素子体の他方の端部を微動させる微動装置であって、前記圧電素子体と前記固定台との温度変化による変形量の違いを前記切欠部を形成することにより生ずる前記圧電素子体の弾性変形で吸収することを特徴とする微動装置である。

請求項２の発明は、前記切欠部の先端が曲面で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の微動装置である。

請求項３の発明は、前記切欠部がＵ字形状で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の微動装置である。

請求項４の発明は、前記切欠部が少なくとも２カ所に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微動装置である。

請求項５の発明は、前記切欠部が等間隔に、４カ所に、形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微動装置である。

請求項６の発明は、前記圧電体素子が前記固定台に接着により固定されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微動装置である。

請求項７の発明は、探針と試料を接近させて対向配置し、前記探針と前記試料との相対位置を変化させ、前記探針と前記試料間に作用する物理量により検出される信号に基づいて前記試料表面の像情報を得る走査形プローブ顕微鏡において、前記試料が配置された試料室の温度を変化させ、請求項１乃至６のいずれかに記載の微動装置により前記探針と前記試料の相対位置を変化させることを特徴とした走査形プローブ顕微鏡である。

本発明によりチューブ型圧電素子の固定端に切欠部を設け、チューブ型圧電素子の固定部が固定台の熱膨張又は収縮に追従しやすくすることにより、チューブ型圧電素子の破損を防止することができる。

（実施例１）
本発明の構成を図４を用いて説明する。図示しない装置に設置されたステンレス等の金属で構成された固定台６には円筒状のチューブ型圧電素子１の一端が固定されている。原子分解能が要求される走査形プローブ顕微鏡においては、僅かなガタも許されないために接着剤による固定方法が用いられる。また、チューブ型圧電素子１は、薄いＰｂＺｒＴｉＯ_３等の圧電セラミックから構成され、半径方向に分極されており、長手方向は非分極となっている。チューブ型圧電素子１の外側表面には、２個のＸ駆動電極３と２個のＹ駆動電極４が交互に等間隔でメタライズされている。またその自由端側には、Ｚ駆動電極５がメタライズされている。各電極３、４、５に図示しない電線が接続されており、電圧が印加される構成になっている。また、チューブ型圧電素子１の内側にも図示しない電極がメタライズされており、接地電極となっている。

Ｘ駆動電極３とＹ駆動電極４の間の固定部６には４個の先端部が曲面であるＵ字形状の切欠部７が等間隔に形成されている。チューブ型圧電素子１の他端である自由端にはプローブ２が設置されている。図５は図４の断面図である。図６は図４のチューブ型圧電素子１の展開図である。

以上、図４における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。チューブ型圧電素子１は電極３、４、５に電圧を印加することにより電極下の圧電素子が伸長又は収縮する作用を利用して、歪みによる変形によりプローブ２が設置されている自由端をＸＹＺ方向に変位させる。このため、固定部８のストレスは大きい。

また、超高真空試料室を備えた走査形プローブ顕微鏡の場合、スキャナが設置されている試料室の超高真空環境を得るために、試料室内に付着した気体等を除去する焼き出しであるベークを行う。つまり、室温から１５０°Ｃ程度のベーク温度に加熱し、ベーク温度から室温に戻すというヒートサイクルが発生する。チューブ型圧電素子１は熱膨張係数が小さく、堅くてもろい。固定台６の材料である金属は熱膨張係数が圧電素子より大きい。よって、ヒートサイクルの際、固定台６は圧電素子１より大きく変化する。また、ガス等の発生が少ない超高真空下で使用可能な接着剤も硬化後は熱膨張係数が小さくほとんど変形しない。このため、チューブ型圧電素子１と接着剤、金属等で構成された固定台６との間に相対的な熱膨張差が発生する。

さらに、超高真空低温観察を行う場合は、ベーク後冷媒により低温（液体窒素温度、液体ヘリウム温度）になるため、相対的熱収縮差がさらに大きく発生する。このため、室温〜ベーク温度〜室温〜低温〜室温のヒートサイクルを行うと、さらに大きな相対的な熱変形差が発生する。

しかし、チューブ型圧電素子固定部８にはＵ字形状の切欠部７が構成されているため、金属製の固定台が熱膨張・熱収縮で変形した場合にチューブ型圧電素子１が弾性変形して追従し易い。このため、チューブ型圧電素子１の破損、あるいは、接着部の剥がれが発生し難い。特に、超高真空温度可変走査形プローブ顕微鏡では、室温〜ベーク温度〜室温〜低温〜室温のヒートサイクルがあり、固定台６の変形が激しいが、チューブ型圧電素子１の固定部８が追従し易いため破損が起き難く特に有効である。

切欠部７が多すぎるとチューブ型圧電素子１の強度が低下するが、４個のＵ字形状の切欠部７が形成されている場合は十分な強度が保持される。チューブ型圧電素子１に電圧を印加すると電極３、４の下の圧電素子１が変形するが、電極３、４間に切欠部７を配置することにより歪みの影響を最小限に抑えることが出来る。

もちろん、切欠部はＵ字形状に限らないが、チューブ型圧電素子が熱により変形した場合に応力集中が起こりに難いよう、先端は曲面が好ましい。図８において、Ｕ字形状９や先端が曲面１０の場合、Ｖ字１１やコの字１２の切欠部に比べて亀裂が入り難い。
また、切欠部の数は４個に限らず、１個以上あればよい。切欠部が２個以上の場合はチューブ型圧電素子固定部が２ピース以上に分割されるので固定台の変化により追従し易いくなり、効果がより高まる。しかし、余り数が多すぎるとチューブ型圧電素子の強度が低下するため好ましくはない。

以上、動作について説明したが、温度が変化したとき、本発明によりチューブ型圧電素子の切欠部周辺の部分が固定台の熱膨張・収縮に追従しやすくなる。このため、チューブ型圧電素子の破損が起こり難いという効果が得られる。特に、２個以上切欠部を設けると効果的である。また、切欠部の形状は、先端がＵ字形状等の曲面の場合、Ｖ字やコの字の切欠部に比べて亀裂が入り難い。

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、図９のように電極の下に切り欠きを配置してもよい。

（実施例２）
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、これらの間に数Ｖ程度のバイアス電圧をかけると、探針と試料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と探針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、圧電素子を用いた微動装置によりこのトンネル電流が一定となるように探針又は試料をＺ方向に制御して試料表面上を二次元的に走査する。この時Ｚ方向を制御するために印加した電圧を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、試料表面の凹凸を原子レベルで観察することができる。

図７は本発明を用いた微動装置であるスキャナを備えた走査形トンネル顕微鏡である。走査形トンネル顕微鏡の試料観察部分は図示しない真空ポンプを備えた超高真空試料室１９に収納されている。超高真空試料室１９は図示しないヒーター及び液体窒素冷却装置等からなる温度調整装置により温度可変である。試料台１４には試料１３が載置されており、探針２が試料１３に対向かつ接近して配置されている。探針２はチューブ型圧電素子１の自由端に設置されている。チューブ型圧電素１子の固定端は固定台６を介して試料室１９に固定されている。チューブ型圧電素子１表面にはＸ、Ｙ、Ｚ軸用の電極３、４、５がメタライズされており、各電極に電圧を印加することにより圧電効果を利用してＸＹＺ方向に自由端が変位する。

チューブ型圧電素子１のＸ駆動電極３、Ｙ駆動電極４には駆動制御手段であるＸＹドライバ１５が接続されており、Ｚ駆動電極５にも駆動制御手段であるＺドライバ１６が接続されている。ＸＹドライバ１５及びＺドライバ１６はコンピュータ１７に接続されており、コンピュータ１７は図示しない演算部、メモリ部、表示装置から構成されており各ドライバを制御する。

また、コンピュータ１７は試料２と探針１３間に所定のバイアス電圧を印加するバイアス回路１８と、探針２と試料１３間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出手段を制御する。

チューブ型圧電素子１を用いた微動装置によりこのトンネル電流が一定となるように探針２をＺ方向に制御して試料１３表面上を二次元的に走査する。この時Ｚ方向を制御するために印加した電圧をコンピュータ１７において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
このような構成の走査形プローブ顕微鏡において、実施例１で述べたように、室温〜ベーク温度〜室温〜低温〜室温のヒートサイクルが生じた場合、金属製固定台６の変形が激しいが、切欠部７を備えたチューブ型圧電素子１の固定部は追従し易いため破損が起き難く有効である。

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、試料側を走査させてもよい。また、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、走査形近接場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適用してもよい。

従来技術における微動装置。図１の断面図。図１の圧電素子の展開図。本発明を用いた微動装置。図４の断面図。図５の圧電素子の展開図。本発明を用いた走査形プローブ顕微鏡。本発明における切欠部の図である。本発明における圧電素子の展開図。

符号の説明

１チューブ型圧電素子
２プローブ
３Ｘ駆動電極
４Ｙ駆動電極
５Ｚ駆動電極
６固定台
７切欠部
８固定部
９Ｕ字形状切欠部
１０先端部曲面形状切欠部
１１Ｖ字形状切欠部
１２コの字形状切欠部
１３試料
１４試料台
１５ＸＹドライバー
１６Ｚドライバー
１７コンピュータ
１８バイアス回路
１９超高真空試料室

Claims

円筒状に形成され、一方の端部に切欠部が形成された圧電素子体と、
前記圧電素子体の前記一方の端部を固定し、前記圧電素子体と温度変化による変形率が異なる固定台と、
前記圧電素子体に設けられた電極と、を備えた前記圧電素子体の他方の端部を微動させる微動装置であって、
前記圧電素子体と前記固定台との温度変化による変形量の違いを前記切欠部を形成することにより生ずる前記圧電素子体の弾性変形で吸収することを特徴とする微動装置。
前記切欠部の先端が曲面で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の微動装置。
前記切欠部がＵ字形状で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の微動装置。
前記切欠部が少なくとも２カ所に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微動装置。
前記切欠部が等間隔に、４カ所に、形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微動装置。
前記圧電体素子が前記固定台に接着により固定されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微動装置。
探針と試料を接近させて対向配置し、前記探針と前記試料との相対位置を変化させ、前記探針と前記試料間に作用する物理量により検出される信号に基づいて前記試料表面の像情報を得る走査形プローブ顕微鏡において、
前記試料が配置された試料室の温度を変化させ、請求項１乃至６のいずれかに記載の微動装置により前記探針と前記試料の相対位置を変化させることを特徴とした走査形プローブ顕微鏡。