JPH02262001A

JPH02262001A - 圧電素子駆動型探針装置およびその駆動方法

Info

Publication number: JPH02262001A
Application number: JP8434889A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Torii; 鳥居　康弘; Kenji Yamazaki; 山崎　謙治
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1989-04-03
Publication date: 1990-10-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のように探
針を用いて試料表面の状態を観察する装置の主要部とな
る圧電素子駆動型探針装置およびその駆動方法に関する
ものである。

［従来の技術］従来の走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、応用物理第
５６巻Ｎｏ、９　（１９８７）１１２６頁から１１３７
頁に解説されているように、探針をチタン酸ジルコン酸
鉛系（ＰＺＴ）の圧電セラミックスにとりつけ、トンネ
ル電流を測定して物質表面の電子状態を観測したり、ト
ンネル電流の変化に応じて探針を微小変位させ、探針と
試料表面との距離を一定に保つようにして表面形状を観
察したりしている。

この走査型トンネル顕微鏡は、もともと原子像のような
超微小領域の表面状態を非接触で観察するために開発さ
れたものであるが、近年その適用範囲は急速に広がって
いる。原子像を観察するために開発されている通常の走
査型トンネル顕微鏡は、０．１人程度のＺ軸方向（試料
表面に垂直な方向）の分解能を有していた。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来の技術における走査型トンネル
顕微鏡（以下、ＳＴＭと記す）では、表面の凹凸が大き
な試料表面を測定すると、表面の凹凸は観察できるが、
原子オーダの情報は表面の粗い凹凸の中に隠れてしまい
、原子像を得るのが困難になる問題点があった。これは
、表面の凹凸が大きくなると、深針をＺ軸方向に駆動す
る圧電素子駆動において、測定対象の表面の原子オーダ
での変化に対するフィードバックが困難になり、深針を
忠実に原子オーダで追従させることが出来な（なるため
と考えられる。しかも、この傾向は高速に処理すればす
るほど実際の原子オーダの変化と圧電素子を制御する信
号との誤差が大きくなるため、高速な探針の走査によっ
て原子像を得るのはさらに困難である。

即ち、従来のＳＴＭにおいては、高さ方向（試料表面の
仮の基準からの垂直方向の探針の位置、探針のＺ座標）
の探針の変位については、■大きな凹凸（０，１−１μ
ｍ程度）と原子オーダの分解能（０，１−１人程度）の
両立、■大きな凹凸試料での原子像の高速観察、などが
困難であった。

また、ＳＴＭ技術の応用が発展するにつれて、従来のＳ
ＴＭでは機能が必ずしも充分でなく、より融通性に富ん
だＺ軸の探針の構成とその制御方法が望まれていた。例
えば、 ■Ｚ軸探針を一定周期で微小変位させながら、試料表面
と探針との距離の一定に保つような探針制御方法、 ■探針が急激な段差や突起などにぶつからないで、しか
も超微細形状を測定できる探針制御機構、などである。

本発明は、上記問題点や課題を解決するために創案され
たもので、高速度、高精度にＺ軸方向の変位を制御でき
るようにするなど融通性に富む圧電素子駆動型探針装置
およびその駆動方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するための本発明の圧電素子駆動型探
針装置の構成は、測定試料と間隔をおいて配置された探針と、該探針に接
続され少なくとも前記測定試料表面に垂直な方向の変位
を複数の圧電体の変位の総和として付与する複合圧電素
子部と、前記複数の圧電体に独立に変位を付与するため
に前記各圧電体に電圧を印加する駆動電圧印加部とを具
備することを特徴とする。

また、上記の目的を達成するための本発明の圧電素子駆
動型探針装置の制御方法の構成は、圧電素子駆動型探針
装置において、複合圧電素子部の各圧電体に２以上の異
なる制御信号を並行に印加することを特徴とする。

［作用］本発明は、測定試料面上を走査する探針に対し、その測
定試料面に垂直な方向の変位を与える圧電素子部を複数
の圧電体で構成して、その変位を複数圧電体のそれぞれ
の変位の総和として与える。

ここで、これらの複数圧電体を、並行で独立にフィード
バック信号等の制御信号で駆動することによって、一方
の圧電体では測定試料の大きな凹凸に対応する変位を与
えたり、他方の圧電体では高速応答の圧電体で構成して
原子オーダ等の超微細構造に対応する変位を高速応答で
与えたりすることにより、融通性に富む探針構成や探針
制御を可能にする。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

〈実施例１〉第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図であって、
１は探針、２は測定試料、３は測定試料２を載せるステ
ージ、４は複合型Ｚ軸圧型素子、５はＸ軸圧型素子、６
はＹ軸圧型素子、７はＸ軸圧型素子用走査信号、８はＹ
軸圧型素子走査信号、９．１０は複合型Ｚ軸圧型素子用
制御信号、１１はトンネル信号、１２はバイアス電圧、
１３は信号処理系、１４は計算機、１５は表示装置であ
る。

上記において、Ｘ軸、Ｙ軸は測定試料（以下試料と記す
）２表面に平行な直交座標軸を示し、Ｚ軸はＸ軸とＹｌ
ｌｌｌで形成される平面即ち試料２表面に垂直な軸を示
す。探針１は、その先端と試料２との距離がトンネル領
域になるように接近して配置する。この探針ｌに対し、
複合型Ｚ軸圧型素子４は変位方向がＺ軸方向になるよう
に固定され、Ｘ軸圧型素子５は変位方向がＸ軸方向にな
るように、またＹ軸圧型素子６は変位方向がＹ軸方向に
なるようにそれぞれ固定される。複合型Ｚ軸圧型素子４
は、例えば特性の異なる２つ以上の圧電素子４−１．４
−２から構成されていて、各圧電素子は独立に併行して
動作できる。すなわち、２つの変位を独立に制御する複
合圧電素子であって、複合型Ｚ軸圧型素子４の変位は、
複合型Ｚ軸圧型素子用制御信号９．１０に対応する圧電
素子４−１゜４−２の変位の総和として生じる。圧電素
子４１．４−２は、種々の特性のものを選択することが
できるが、典型的には±１５０Ｖの駆動電圧に対して、
０．１〜１μｍ以上の変位で分解能約ｌＯｐｍを有する
ものである。Ｘ、Ｙ軸圧型素子５゜６も、±１５０〜２
５０■の駆動電圧に対して、１−１０μｍ以上の走査範
囲で分解能約１０ｐｍを有するものである。信号処理系
１３および計算機（ＣＰＵ）１４は本発明の駆動電圧印
加部の構成例であり、上記したＸ軸圧型素子５用の走査
信号７およびＹ軸圧型素子６用の走査信号８を出力して
探針ｌを走査するとともに、複合型Ｚ軸圧型素子４を構
成する圧電素子４−１用の制御信号９および圧電素子４
−２用の制御信号ｌＯを、探針ｌからのトンネル電流Ｉ
、を表わすトンネル信号１１に基づいて出力することに
より、探針１と試料２との距離を一定に保つ。このとき
、トンネル電流■、を得るために信号処理系１３からは
ＤＡ変換器１３ａを介して探針１と試料２の間に所定の
電圧ＶＢを与える。信号処理系１３はディジタル処理系
であり、各軸の圧電素子４−１．４２．５．６に印加す
る電圧Ｖｘ、　Ｖｖ、　Ｖｚ＋、　ＶｚｔはＤＡ変換器
１３ｂとアンプ１３ｃを介して与え、トンネル信号１１
は、トンネル電流■、をアンプ１３ｄとＡＤ変換器１３
ｅを通して信号処理系１３に入力する。

以上の構成の第１の実施例は、以下のように動作する。

まず、試料２と探針ｌとを近づけ、試料２と探針１との
距離がトンネル領域になるように接近させる。この領域
で探針ｌと試料２との間に所定のバイアス電圧ＶＢをか
け、探針目こ流れるトンネル電流Ｉｔ即ちトンネル信号
１１が一定になるように、信号処理系１３で発生する腹
合型Ｚ軸圧型素子用制御信号９．ＩＯでＺ軸の圧電素子
４−１．４−２を制御すれば、探針ｌは試料２の表面形
状や試料２表面の原子゛に付随した電子の局所状態密度
の濃淡をなぞって動くことになる（仕事関数など物性が
均一な試料の場合には、探針ｌと試料２表面との間隔を
一定に保つことに相当する）。すなわち、表面状態が一
定なら試料２表面のトポグラフィを、表面が非常に平坦
なら電子状態密度を測定できる。このとき、Ｘ、Ｙ軸の
走査信号７．８でＸ、Ｙ軸の圧電素子５．６を制御して
、探針ｌをＸ、Ｙ方向にテレビジョン受像機のラスタの
ように走査しながら、トンネル電流Ｉ。

が一定になるように複合型Ｚ軸圧型素子４を制御し、そ
の圧電素子４−１または４−２の変位量即ち印加電圧変
化を切り出して画像化し表示すれば、表示装置１０に３
次元像として画像化できる。勿論、探針１と試料２との
距離を一定にして、その間を流れるトンネル電流！、を
表示すれば、試料２表面の電子状態密度などが表示でき
、物質の表面構造や形状を約１０ｐｍの精度で求めるこ
とができる。

次に、上記実施例の基本構成部である複合型Ｚ軸圧型素
子４の制御方法について述べる。一般に、トンネル信号
１１の検出によって、探針１と試料２との距離を一定に
するＳＴＭのフィードバック方式とし、■、を設定電流
とすると、 ■リニアのフィードバック（Ｅ＝１．−１．の誤差信号
に比例して行うフィードバック）、■ログのフィードバ
ック（Ｅ　＝　１２ｏｇ（Ｉ　ｔ／　Ｉ　−）の誤差信
号に比例して行うフィードバック）、■距離変換のフィ
ードバック（Ｅ＝（Ｉ　ｔ　−ｔ、）／Ｉ、の誤差信号
に比例して行うフィードバック）などが使用されており
、本第１の実施例のようなデジタル方式のフィードバッ
ク機構では、上記のいずれかの方式に限定されることな
くいずれの方式をも選択できる。さらに、フィードバッ
クの大きさは、ＰｆＤ制御とよばれている方式が一般に
用いられており、比例利得Ｐ　（Ｚ、＝−ＰＸＥ）。

積分利得１　（Ｚｗ＝Ｚｔｏ　　Ｉ　Ｘ　ｒ　ＸＥ）　
、微分利得Ｄ　（ＺＤ＝−ＤＸ（Ｅ−ＥＯ）／Ｔ）を変
化させて、測定試料２の表面状態に応じて最適なフィー
ドバックをかけるようにしている。ここで、Ｚｐ。

Ｚｓ、Ｚｏはそれぞれ比例要素、積分要素、微分要素に
対応するフィードバック信号、Ｅは前に示した誤差信号
に対応し、Ｅｏは一つ前のサンプル時における誤差信号
、τはトンネル信号のサンプル間隔時間、ＺＩｏは一つ
府のサンプル時における積分要素に対応するフィードバ
ック信号である。一般に、比例利得Ｐは微細な凹凸に対
し、積分利得Ｉはなだらかなゆっくりし・た変化に対し
、微分利得りは急激な大きな変化に対して重要な役割を
果たす。

このような構成になっているので、複合型圧電素子の構
成とその制御方法を選択することによって、種々の機能
を有する探針の制御方法を構成できる。例えば、 ■高速、広ダイナミックな制御方法圧電素子４−１として、変位の大きな（応答速度は変位
の小さいものより一般には遅くなる）圧電素子を用い、
圧電素子４−２として、変位は小さいが応答速度の早い
・圧電素子を用いて、複合型Ｚ軸圧型素子４を構成すれ
ば、高速で広ダイナミツクレンジの探針制御ができる。

即ち、圧電素子４１のフィードバック信号Ｚｌとして、
Ｚ　＋　−Ｚ　ｒを用い、圧電素子４−２のフィードバ
ック信号Ｚ、として、Ｚ　ｔ　＝　Ｚ　ｐかもしくはＺ
ｔ＝Ｚｐ＋Ｚｏを用いれば、平均的な大まかな凹凸に応
じて圧電素子４−１が動き、その状態で圧電素子４−２
が高速に微細な変化に追従するため、高速に走査しても
誤差の少ないフィードバックが可能になる。表示装置１
５に表示する場合に、Ｚ−Ｚ　＋　十Ｚ　ｔの信号に対
応して表示すれば、全体の表面の形状が観察される。２
＝２．の信号に対応して表示すれば、大まかな平均的な
粗い表面形状を示し、Ｚ　”　Ｚ　ｔの信号に対応して
表示すれば、ゆっくりした変化を除いた微細な表面の形
状が観察できる。この上うに、Ｚ軸方向の探針のフィー
ドバックを、粗い凹凸と原子オーダの超微細構造に分離
して制御することにより、１μｍ以上の粗い凹凸に対し
て、１０ｐｍ程度の高分解能でしかも高速に処理できる
。

■急峻な段差、突起に対応した制御方式圧電素子４−１
と圧電素子４−２に、変位が大きくしかも出来るだけ高
速の圧電素子と変位は小さいが高速の素子を用いて、圧
電素子４−１のフィードバック信号Ｚ、をＺｌ−ＺＩ＋
Ｚ［＋とし、圧電素子４−２のフィードバック信号Ｚ、
をＺ　ｔ−Ｚ　ｐとすれば、急峻で大きな段差や突起に
対して、圧電素子４−１が追従できるため、探針Ｉは試
料に衝突することなく圧電素子４−２の動作により微細
な表面構造に対応した動作を行う。すなわち、Ｚｌの信
号に対して、段差、突起などを含む大まかな試料の形状
を得ることが出来、Ｚ２の信号よりよりおおまかな変化
を除いた超微細な表面状態の信号を得ることができる。

さらに、この２つの信号の和Ｚ＝Ｚｌ＋Ｚｔよげ全体の
表面状態を表示てきる。

■その他の制御方式同じような概念を適用できる対象は多い。今までの説明
はＰＩＤ制御によるフィードバック信号に対応して、圧
電素子４−１と４−２を動作させることを例にして説明
したが、本発明はこのような制御に限定されるものでは
ない。次にこのような例について述べる。

（Ａ）変調信号を付加した制御方式圧電素子４−１に通常のＳＴＭ用の素子を用い、圧電素
子４−２に微小高速に変位する素子を用いて、フィード
バック信号Ｚ、に交流の変調信号をかけて圧電素子４−
２に周期的に変調した微小変位を生じさける。すなわち
、このように一定周期の微小変位を与えることにより、
表面の微細な形状信号とその近傍で探針ｌと試料２間隙
を変えた信号を得ることができる。例えば、変調した微
小変位に対応して得られる変調トンネル信号１１を同期
検波して、ＰＩＤ制御信号としてＺ　＋　＝　Ｚ　ｐ　
＋ＺＩ＋ＺＩ）を用いて圧電素子４−１を制御すれば、
Ｓ／Ｎの良い高精度の制御が可能になる。また、トンネ
ル信号１１が得られない絶縁体の試料２に対しても、キ
ャパシタンスの変化として電流が検出できるので、同様
に圧電素子４−１をＰＩＤ制御で駆動することにより分
解能は悪くなるが、表面の形状を観察できる。さらに、
検出したトンネル信号から周期的な微小変位に対応する
周波数成分を除去した信号をもとに、圧電素子４−１を
動作させることにより、各測定点におけるＩｔ　　Ｚ特
性や試料２面におけるｄｌｔ／ｄＺ特性を得ることがで
きる。また、この微小変位を音波領域の周波数にすれば
、この音波の試料２への伝播を検出し、フィードバック
をすることにより絶縁物の表面形状をも観察できる。

（Ｂ）その他の制御方式 ■トンネル信号１１を高周波数成分と低周波数成分に分
離し、この分離した信号で圧電素子４−１゜４−２をフ
ィードバック制御して、より高速、高精度に探針を制御
する方法、 ■トンネル信号を大きな電流値と小さな電流値の２つの
信号の和に分解して、それぞれの信号で変位の大きな圧
電素子４−１と高速微小変位の特性を何する圧電索子４
−２をフィードバック制御して、より高速、高精度に探
針を制御する方法、などが可能である。

〈実施例２〉第２図は本発明の第２の実施例を示す構成図である。第
１の実施例においては、説明の便宜上ディジタルフィー
ドバックについて説明したが、本発明はこれに限定され
ることなく、アナログ回路を用いたフィードバックでも
、同様の機能を実現できることはいうまでもない。その
例が第２図の実施例であり、１６．１７はＸ軸、Ｙ軸圧
型素子走査信号、１８．１９は複合型Ｚ軸圧型素子用制
御信号、２０はトンネル信号、２１は設定電流、２２は
バイアス電圧、２３．２４はフィードバック信号の積分
（１）制御回路と比例（Ｐ）制御回路、２５はインター
フェイスを含む計算機（制御装置）、２６は表示”ＡＩ
、２７はＸＹ走査回路、２８は比較部である。第１図と
同じ符号を付しである探針１．測定試料２．ステージ３
．複合型Ｚ軸圧型素子４．Ｘ軸圧電素子５．Ｙ軸圧型素
子６は、第１の実施例と同様に構成する。上記において
、探針ｌと測定試料２の間に流れるトンネル電流■、を
得るためのバイアス電圧２２は、電圧源Ｖａより与える
。また、Ｘ軸圧型素子５の走査信号およびＹ軸圧型素子
６の走査信号はＸ、Ｙ走査回路２７より出力し、その走
査信号はインターフェイスを介して計算機２５に取り込
まれ、計算機２５は、その走査信号に同期して圧電素子
４−１４−２への印加電圧２．．２．を切り出し、画像
化を行い３次元像として表示装置２６へ表示する。

探針１がＸ軸、Ｙ袖の圧電素子５．６によって走査され
る間のトンネル電流Ｉ、はアンプ２８ａを通して比較部
２８にトンネル信号２０として入力され、この比較部２
８において設定電流２１と比較されて、積分制御回路２
３および比例制御回路２４に入力される。この差信号が
零となるように、積分制御回路２３は、測定試料２表面
の粗い凹凸に対応して圧電素子４−１に対しアナログの
制御信号１８を出力し、比例制御回路２４は測定試料２
表面の原子オーダの微細な形状に対応して圧電素子４−
２に対しアナログの制御信号１９を出力する。制御信号
１８は、アンプ２３ａを介して複合型Ｚ軸圧型素子４を
構成する一方の圧電素子４１ヘフイードバツク信号Ｚ１
として印加し、制御信号１９はアンプ２４ａを介して他
方の圧電素子４−２へフィードバック信号Ｚ、として印
加する。

以上のように第２の実施例は、第１図の第１の実施例の
ディジタルフィードバック系をアナログ回路によるリニ
アーフィードバック回路で置き換えたものであり、第１
の実施例の場合と同様にして、高速に走査しても、誤差
の少ない超微細信号を得ることができる。

〈実施例３〉上記実施例に用いる複合型Ｚ軸圧型素子の具体的な構成
例を第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。第３図（ａ
）は複合型Ｚ軸圧型素子を一つの圧電体３１で構成し、
この圧電体３１に電圧が印加される領域の長さを変えて
２つの領域で変位／電圧特性を変えた例である。この領
域の長さは、電極３２．３３の長さを変えることで実現
し、電圧が印加される圧電体の領域に比例して変位幅が
異なる。よって、同じ印加電圧に対する。伸縮の長さが
異なり、変位の精度は電極領域の小さい方が良い。なお
、Ｚ軸変位の精度（分解能）さえあれば、なるべく低い
電圧で所望の変位をとった方が低電圧駆動で高速動作が
可能であるので、必ずしも印加される領域を短くする必
要がない。第３図（ｂ）、（ｃ）は、長さまたは応答速
度等の特性の異なる圧電素子３４．３５を絶縁体３６等
を介して接続して、各圧電素子３４．３５の電極Ｉ７に
駆動電圧が印加できるように構成した例で、種々の特性
の圧電体を組み合わせて使用することができ、長さを変
えれば、上記のように２つの圧電素子３４．３５の変位
／電圧特性を異なる構成にすることができる。この様な
複合型圧電素子は、トライポット微動機構、十字型微動
構成、やぐら型微動機構のＺ軸圧型素子に用いることに
より、本発明の圧電素子駆動型探針装置を構成できる。

〈実施例４〉第４図は、本発明の別の圧電素子駆動型探針の具体的な
構成例でチューブ型の例である。本実施例は、圧電素子
４１をチューブ型に形成し、一方の端面側に探針ｌを固
定する。この圧電素子４１の周面上の探針ｌに近い方に
、Ｘ軸走査信号電圧±Ｖ８を印加するための電極４２の
対とＹ軸走査信号電圧±Ｖｙを印加するための電ｖｉＡ
４３の対を交互に配置する。また、探針ｌをＺ軸方向（
チューブの軸方向）に変位させる２つの電極４４．４５
を長さを変えて円筒状に２段に配置する。電極４４には
フィードバック信号Ｖｚｌを、電極４５にはフィードバ
ック信号ｖ２ｔを印加する。これらフィードバック信号
Ｖ　ｚｌ　、　Ｖ　ｚ２のコモン電圧はチューブ型の圧
電素子４１の内周面に形成した電極（図示せず）に接続
する。以上の構成例を第１図または第２図の実施例に用
いて、電極４４．４５に対し、フィードバック信号■ｚ
１．■□を独立して同時に印加することにより、第１図
または第２図の実施例における探針制御を行うことがで
き、同様の動作を行うことができる。

〈実施例５〉第５図は異なる圧電微動機溝を組合せた圧電駆動型探針
の一実施例を示す斜視図である。５１は十字型圧電微動
機構、５２は高精度のチューブ型圧電微動機構であり、
本実施例はこれらを組み合せて構成する。即ち、十字型
圧電微動機構５Ｉは、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に変位する
圧電素子より成り、そのＺ軸方向に変位するチューブ型
圧電微動機構５２を取付け、さらにその先端に探針ｌを
固定する。チューブ型圧電微動機構５２は、外形２ｍｍ
Φ、長さ１０ｍｍ程度で、８０人／■程度の特性の圧電
素子を構成できる。よって、±１５Ｖで２４００人の変
位が可能である。しかも、チューブ型圧電駆動機構５２
は、非常に小型のため１ＯｋＦ（以上の高速で応答する
ことができるので、高速の圧電アクチュエータとして使
用できる。このような構成例を第１図または第２図の実
施例に用いて、十字型圧電微動機構５１のＺ軸方向の変
位と、チューブ型圧電微動機構５２の高精度なＺ軸方向
の変位とを独立して同時に制御することにより、第１図
または第２図の実施例における探針制御を行うことがで
き、同様の動作を行うことができる。

〈実施例６〉第６図は異なる圧電微動機構を組み合せた他の実施例を
示す斜視図である。本実施例は、第５図の実施例とは逆
に、チューブ型圧電微動機構６１に板状のＺ軸の微小圧
電素子６２を組み合わせた例であり、通常のチューブ型
圧電微動機構６１のＺ軸方向の動作に微小なＺ軸圧型素
子６２のＺ軸方向の変位を付加した形で動作できる。チ
ューブ型圧電微動機構６１は、チューブ型圧電素子の周
面上に分割して交互に配置されたＸ軸走査信号士■８を
印加する電極６３と、Ｙ軸走査信号±Ｖ、を印加する電
極６４とを、そのチューブ型圧電素子の周面上に交互に
配置し、Ｚ軸方向のフィードバック信号Ｖｚｚを印加す
る電極をその内周面に設ける。このフィードバック信号
ＶＺｔのグランド側は、外部において±Ｖｘ、±Ｖｖの
グランドへ接続する。

Ｚ軸圧型素子６２は、例えばＸ軸用の電極６３に固着し
、板状表面の電極にフィードバック信号Ｖ２１を印加し
、その先端に探針ｌを固定する。以上の構成例を第１図
または第２図の実施例に用いてチューブ型圧電微動機構
６１のＺ軸方向の変位と、Ｚ軸圧型素子６２の微小なＺ
軸方向の変位とを独立して同時に制御することにより、
第１図または第２図の実施例における探針制御を行うこ
とができ、同様の動作を行うことかできる。

以上のように構成した実施例の作用を述べる。

従来技術のＺ軸の圧電素子は、原理的には最大制御範囲
の１０−４程度の制御性を有しており、】０００人の変
位に対して、０．１人の分解能で制御できる特性を有し
ているが、実際には、粗い試料面に対して誤差が大きく
超微細構造の観察は困難であった。また、一般に高分解
能の像を得るためには、表面の凹凸が大きくなるにつれ
て走査速度を遅くする必要があった。そのため、表面凹
凸が大きくなるにつれて駆動圧電素子は、高速に走査で
きなくなるため、測定データを収集するのに益々長い時
間を要するという欠点があった。これは、通常使用され
ている圧電素子の構成、制御方式が、比例要素と積分要
素とを並列結合させたＰＩ制御を使用しているため、こ
の２つの要素が混在している場合に忠実に比例要素に対
応する制御が精度よくできず、誤差として残るためと考
えられる。

それに対して、本発明はフォードバック信号の各要素信
号に対応して、並行で独立に各圧電素子部を変位させる
ため、非常に融通性のあるＺ軸の探針制御ができる。例
えばＰ■制御の比例要素と積分要素とを分離して、各要
素に対応した制御信号を独立に圧電素子部に駆動、制御
できるので、各フォードパック成分に対して誤差を少な
く構成できる。すなわち、フォードバック信号を表面の
大きな凹凸と原子オーダの超微細構造に対応する信号に
分離すれば、表面の凹凸の大きな試料に対しても超高分
解能性を保つことができ、１μｍ以上の凹凸があっても
原子像を観察できる。さらに、表面の凹凸が大きくなっ
ても、比例要素に対応する圧電素子部の応答速度が早け
れば、誤差の少ない追従ができるので、走査速度を落と
すことなく超微細構造に対応する信号を収集することが
できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
２以上の異なる圧電素子または圧電微動機構を組み合わ
せることにより、探針のアクチュエータを構成しても良
いし、その組み合わせら自由である。このように、本発
明はその主旨に沿って種々に応用され、種々の実施態様
を取り得るものである。

［発明の効果］以上の説明で明らかなように、本発明の圧電素子駆動型
探針装置およびその駆動方法によれば、２種以上の圧電
素子を組み合せて、各圧電素子を独立、並行に駆動でき
る複合型Ｚ軸圧型制御素子を用いているため、トネンル
信号を検出、制御する探針を融通性高く、高精度に制御
できる、例えば、うねりや突起などをもった粗い面や段
差などを有する測定試料でも、高速・高精度に表面を観
察できる。その他、Ｓ／Ｎを向上したり、絶縁物の検出
などの測定試料表面の形状観察に有効な種々の機能を容
易に付加することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す構成図、第３図（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）は複合型Ｚ軸圧型素子の具体例を示す斜視
図、第４図、第５図、第６図は他の圧電駆動型探針の具
体例を示す斜視図である。ｌ・・・探針、２・・・測定試料、４・・・複合型Ｚ軸
圧型素子、１３・・・信号処理系、１４・・・計算機、
１５・・・表示装置、２３・・・積分制御回路、２４・
・・比例制御回路、２８・・・比較部。番第６図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定試料と間隔をおいて配置された探針と、該探
針に接続され少なくとも前記測定試料表面に垂直な方向
の変位を複数の圧電体の変位の総和として付与する複合
圧電素子部と、前記複数の圧電体に独立に変位を付与するために前記各
圧電体に電圧を印加する駆動電圧印加部とを具備するこ
とを特徴とする圧電素子駆動型探針装置。
（２）複合圧電素子部が、応答速度または変位／電圧特
性のいずれかの特性が異なる２つ以上の圧電素子で構成
されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子
駆動型探針装置。
（３）請求項１または請求項２に記載の圧電素子駆動型
探針装置において、複合圧電素子部の各圧電体に２以上の異なる制御信号を
並行に印加することを特徴とする圧電素子駆動型探針装
置の駆動方法。
（４）制御信号が比例要素、積分要素、微分要素を適宜
組み合わせた２つ以上のフィードバック信号から成るこ
とを特徴とする請求項３に記載の圧電素子駆動型探針装
置の駆動方法。
（５）制御信号が探針を一定周期で微小変位する信号と
該探針と測定試料表面との距離を一定にするフィードバ
ック信号とからなっていることを特徴とする請求項３に
記載の圧電素子駆動型探針装置の駆動方法。
（６）制御信号が圧電体を変位させる速度の異なる２つ
の信号かもしくは圧電体の最大変位幅の異なる２つの信
号であることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子駆
動型探針装置の駆動方法。