JPH02263101A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

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に関し、詳しくは探針
または試料の移動機構の振動特性を改良した走査型トン
ネル顕微鏡に関するものである。

［従来技術］ 近年、原子または分子オーダーの分解能を有する走査型
トンネル顕微鏡が開発され、表面構造解析や表面粗さ計
測などに応用されている。

この走査型トンネル顕微鏡は、導電性試料と導電性探針
の間に電圧を印加してｌｎｍ程度の距離まで接近させる
とトンネル電流が流れ、その距離によりトンネル電流が
指数関数的に変化することを利用したものである。その
探針としては、先端を電界研摩等で非常に先鋭に仕上げ
たものを用いる。そして、探針と導電性物質からなる試
料表面との距離を一定に保ちながら探針または試料を２
次元的に走査すると、表面の原子配列または凹凸の形状
によりトンネル電流が変化し、表面像を得ることができ
る（「固体物理Ｊ　Ｖｏｗ、２２゜Ｎｏ、３　１９８７
　　ｐｐ１７６−１３６）。

ところで、このような走査型トンネル顕微鏡ては探針ま
たは試料を２次元的に走査するための移動機構が必要で
ある。このため従来は、第６図に示すような円筒型圧電
素子が探針の移動機構として用いられていた（　Ａｍｅ
ｒｉｃａｎ　Ｔｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ
、Ｒｅｖ、Ｓｃｊ　Ｉｎｓｔｒｕｍ、５７（８）、１８
８８−１６８９゜／１ｕｇｕｓｔ　１９８６　）。

同図において、探針１は円筒型圧電素子２の一端に固定
され、ｘ、ｙ、Ｘ方向に動作するようになっている。す
なわち、内周の電極４に電圧を印加すると、円筒型圧電
素子２はＺ軸方向に伸縮し、これにより探針１の先端は
Ｘ方向に移動できる。また、外周の電極３ａ、３ｂに電
圧を印加すると円筒には曲げる力が作用し、探針１の先
端はＸ方向に移動する。同様に、電極３ｃ、３ｄに電圧
を印加すると、探針１の先端はＸ方向に移動する。

この円筒型圧電素子による移動機構は共振周波数が高い
ため、高速にｘｙＸ方向走査することが可能で、短時間
のうちに画像を取り込むことができる。したがって、探
針と試料間の温度Ｆリフト等による観察像の歪を少なく
することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような構成の円筒型圧電素子２を高
速で走査すると、円筒型圧電素子の共振周波数の寄生振
動が生じて−様な走査ができず、観察像のＳ／Ｎが悪く
なるという欠点があった。

すなわち、円筒型圧電素子２をＸ方向へ走査するために
、Ｘ方向駆動電極３ａ、３ｂに第５図（Ａ）のような三
角波の印加電圧を加えたとする。このとき、実際の円筒
型圧電素子２の動きを測定すると、第５図（Ｂ）のよう
に三角波に微小な共振による波形がのった動ぎをしてい
ることが分る。

一方、第４図に円筒型圧電素子の周波数特性（駆動電圧
を一定とし、そのときの駆動周波数による円筒型圧電素
子の変位振幅）を示すが、この周波数特性によれば５〜
６ＫＨｚ付近に共振のピークを持つことが分る。実際に
試料の表面像を観察するときには、この共振周波数より
もかなり低い周波数例えば数１００ＨｚでＸ方向へ走査
を行なっているが、特にこの共振周波数の整数分のの周
波数でＸ方向走査を行なったときには、この共振周波数
が励振され微小振動が顕著に現われる。これにより、観
察像はＸ方向に画像が変動しＳ／Ｎが悪くなる傾向があ
った。

本発明は、上述の従来形における問題点に鑑み、探針ま
たは試料を走査する際に移動機構の共振による寄生振動
を速やかに減衰し、安定で−様な走査によってＳ／Ｎ比
のよい観察′像を得ることのできる走査型トンネル顕微
鏡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および作用］上記の目的を
達成するため、本発明は、探針または試料を相対的に走
査するための移動機構に、振動の減衰手段を設けること
としている。これにより、走査時の微小振動を抑え、安
定で−様な走査がで籾、Ｓ／Ｎ比のよい観察像を得られ
る。

なお、振動の減衰手段としては、例えば移動機構である
圧電素子の表面に粘弾性部材を配置したものや、圧電素
子の移動部近傍に導体部材を設けるとともに導体部材に
対向して永久磁石を配置したものなどが好適である。

［実施例コ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例に係る走査型トンネル
顕微鏡の移動機構部分の断面図である。

同図において、円筒型圧電素子２はその一端が固定部４
に固定され、他端には探針保持部５が固着されている。

探針保持部５は探針１を保持する構造となっている。ま
た、円筒型圧電素子２の外周に沿って粘弾性部材６が固
着されている。この粘弾性部材６の材質としてはフッ素
ゴムもしくはシリコンゴムなどのゴム、またはポリウレ
タンもしくはテフロンなどの樹脂などを用いることがで
きる。粘弾性部材６は、接着剤または焼付けなどにより
円筒型圧電素子２の外周に固着される。

第５図（Ｃ）は減衰部材を取り付けた本実施例に係る円
筒型圧電素子の動作波形を示す。この動作波形は、第５
図（Ａ）に示す三角波の駆動電圧を印加して円筒型圧電
素子を動作させた場合の動作波形である。

第５図（Ｃ）の波形図により、第５図（Ａ）の駆動電圧
波形に対して、三角波の頂点て円筒型圧電素子は走査を
折り返し、その直後のみ残留振動か残り、はぼ駆動波形
と同し動作が得られることか分る。

このように減衰効果のある部材を円筒型圧電素子の外周
に配置することにより、高速走査時の円筒型圧電素子の
寄生振動を速やかに減衰させることがてきる。

なお、未実施例ではこの粘弾性部材を円筒型圧電素子２
の外周に配置したか、その内周面に配置してもよく、ま
た固定部４と円筒型圧電素子２の部にまたがって配置し
ても同様の効果か得られる。

［他の実施例コ 第２図は、本発明の第２の実施例に係る走査型１〜ンネ
ル顕微鏡の移動機構部分の断面図である。

この実施例は、円筒型圧電素子２の外周面に粘弾性部材
６を配置し、さらにその上に比較的剛性の高い部材７を
配置したものである。円筒型圧電素子２か走査時に走査
方向に撓んだとき、部材７と円筒型圧電素子２の外周の
間で粘弾性部材６は大きなせん断力を受けるため、非常
に大きな減衰力が作用する。部材７の材質としては、薄
い金属または樹脂などを用いることができる。

第３図は、本発明の第３の実施例に係る走査型トンネル
顕微鏡の移動機構部分の断面図および下面図である。同
図において、円筒型圧電素子２の端に固着された探針保
持部５の外周には絶縁部材８を介して導電性部材７が固
定されている。その導電性部材７に所定の間隔を保って
対向するように、永久磁石６が、固定部４に固定された
円筒部材９に固定されている。

円筒型圧電素子２か走査により、固定された永久磁石６
に対して移動すると、永久磁石６に対向する導電性部材
７の表面に磁束変化を打ち消すうず電流か生じて減衰効
果が生じる。

このような構成とすることにより、真空中で粘弾性部材
からの発生ガスを嫌う場合にも減衰作用を持たずことか
でき、上述の実施例と同様に寄生振動をなくし安定で−
様な走査が可能となる。

なお、上記の実施例では探針の移動機構として円筒型圧
電素子を用いたものを説明したが、これに限らず、トラ
イボッド型の圧電素子、バイモルフを利用した移動機構
、または平行ヒンジを用いた移動機構においても本発明
の減衰手段を用いることができる。さらに、探針を移動
させるのではなく、試料を移動させる場合にも適用は可
能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、探針または試料
の移動機構に振動の減衰手段を設りているので、高速に
走査するときに移動機構の共振による寄生振動を速やか
に減衰し、安定で−様な走査が可能となり、Ｓ／Ｎ比の
よい観察像を得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例に係る走査型トンネル
顕微鏡の移動機構部分の断面図、第２図は、本発明の第
２の実施例に係る走査型トンネル顕微鏡の移動機構部分
の断面図、第３図は、本発明の第３の実施例に係る走査
型トンネル顕微鏡の移動機構部分の断面図および下面図
、 第４図は、従来の円筒型圧電素子の周波数特性を示すグ
ラフ、 第５図は、従来例および本発明に係る円筒型圧電素子の
特性を説明するための駆動電圧および動作波形図、 第６図は、従来の走査型トンネル顕微鏡において用いら
れていた円筒型圧電素子の外観図である。 探針、 円筒型圧電素子、 ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：電極、 固定部、 ：探針保持部、 ・永久磁石、 ：導電性部材。 特 許 出 願 人 キャノン株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）探針または試料を相対的に走査する移動機構を有
   する走査型トンネル顕微鏡において、前記移動機構に、
   前記探針または試料の走査の際の振動を減衰させる減衰
   手段を設けたことを特徴する走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）前記移動機構が圧電素子を具備し、該圧電素子の
   表面に粘弾性部材を配置した請求項１に記載の走査型ト
   ンネル顕微鏡。
3. （３）前記移動機構が圧電素子を具備し、該圧電素子の
   移動部近傍に導体部材を設けるとともに、該導体部材に
   対向して永久磁石を配置した請求項１に記載の走査型ト
   ンネル顕微鏡。