JPH0238904A - 微小変位機構及びこれを用いた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１μｍ以下の微小な変位を制御する機構に係り
、特に走査型トンネル顕微鏡の探針の位置制御等に応用
するのに好適な微小変位機構及び走査型トンネル顕微鏡
に関する。

〔従来の技術〕

従来、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の探針の開動機
構に関しては、第２図に示すように圧電素子の伸縮を利
用することが、例えば、精密工学会誌、第５３巻、第５
号（１９８７）６９５頁〜６９７頁において論じられて
いる。ＳＴＭの原理は、試料１と探針２の先端との間に
流れるトンネル電流を検出し、この値が一定になるよう
に探針２を上下させながら試料１の表面を走査し、探針
２の駆動信号を用いて画像処理を行うものである。

探針１３を試料１の表面から１μｍ程度の互層まで近づ
けるには機械的な粗動機構が使われ、探針２の背後から
図の矢印２゜の方向に探針２を駆動する。しかし測定に
さいしての探針２位置のサーボは、圧電素子３に電圧を
加えて２方向に伸縮させることによって行われる。圧電
素子に加える電圧は次の構成からなる回路で与えられる
。すなわち、検出器５で検出されたトンネル電流は、比
例・積分・微分制御回路（ＰＩＤ制御回路）２７で処理
され、電圧発生回路６に入力されて目標値からのずれに
応じた電圧に変換されて圧電索子３に供給される。試料
台４のｘｙ力方向の走査にしたがって変化する上記電圧
信号を画像処理回、１７で処理することにより試料面の
情報が画像として得られる。

同誌において論じられているように、圧電素子の伸縮は
ヒステリシスやクリープといった非直線性を持つので、
ＳＴＭの性能を向上させる上で現在の探針駆動機構には
問題がある。また、圧電素子に数μｍ程度の伸縮量を期
待する場合には、積ｍ形の圧電素子が使われるが、この
場合にはベーキングによる高温や、極低温での使用に対
して制約が大きい、これらの問題を解決する新しいアク
チュエータの開発が望まれている。

〔発明が解決しようとする問題〕

上記従来技術は、微小変位機構の動作の非直線性に対し
て配慮がされておらず、ＳＴＭで観察する像のゆがみが
問題であった。また、積層型の圧電素子は高温に耐えな
いので、超高真空下での測定のためにＳＴＭ全体を焼出
すことができないという問題があった。さらに、微小変
位機構の動作範囲が１μｍ程度と小さいので、粗動機構
と併用する必要があり、装置が大きくなるという問題が
あった。

本発明の目的は、ヒステリシス、クリープ等の極めて少
ない微小変位機構を提供することであり、さらに、焼出
しによる３００℃程度の高温にも耐える微小変位機構を
提供することである。

本発明の他の目的は、上記の微小変位機構を用いること
により、像のゆがみの少ないＳＴＭを提供し、さらに、
コンパクトな構造のＳＴＭを実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、微小変位機構として弾性体か
らなるダイヤフラム面を、これと近接した電極との間に
働く静電力で変位させるという機構を開発し、ダイヤプ
ラム面の変位に関する信号をフィードバックして電極に
加える電圧を制御する方法をとった。

さらに、これをＳＴＭの探針の微動機構に採用し、試料
と針先との間に流れるトンネル電流が一定になるように
探針を微動させたものである。

〔作用〕

ダイヤフラム面は、電極との間に働く静電力によって一
定の量だけたわむ。たわみの量はダイヤフラムの弾性的
な復原力と静電力とのっりあいの条件で定まるから、ヒ
ステリシスやクリープを生じることが無い。また、後述
するように、シリコン単結晶、ガラス、金属など、熱的
に安定な材料のみで変位機構を構成できるから、焼出し
による加熱にも充分耐える。

ダイヤフラム面にとりつけた探針を用いて成るＳＴＭは
、上記の如く運動の非線型性が無いから、試料を観察し
て得た像のゆがみが少なくなる。また、ダイヤフラムの
変位量は数十μｍ以上とれるから、粗動機構を別に持た
ないコンパクトなＳＴＭを実現できる。

〔実施例〕

以下１本発明の微小変位機構の一実施例を第１図により
説明する１本実施例では弾性変形をするダイヤフラム１
４としてシリコン単結晶８を用いた。シリコン単結晶８
のウェハの周辺部を残して中央部をエツチングすると、
第１図に示すように、中央部の肉厚が薄くなってダイヤ
プラム状に加工できる。このシリコンウェハのダイヤフ
ラム１４を静電力で吸引するため、ガラス板９の表面に
アルミニウム、あるいはタングステンシリサイド等の導
電体を蒸着して成る電極１０をダイヤフラム１４に近接
して設置する。ガラス板９とダイヤフラム１４を構成す
るシリコンウェハ８は互いに接着されるが、上記の電極
１０は接合面を介して外部に引出される。また、ダイヤ
フラム１４と？１ｎ】Ｏとの間にはエアギャップ１１が
保たれる。ダイヤフラム１４の変位量は、電圧の２乗に
比例しエアギャップに反比例する静電力と、シリコン単
結晶８の弾性復元力とのつりあいによって決まるので、
圧電素子型アクチュエータに比べて、クリープ、ヒステ
リシス等の非線型性が極めて小さく。

一定電圧に対する変位の再現性が高い。

第１図の実施例では、ダイヤフラム１４の中央部にＳＴ
Ｍ用の探針１２を設置し、電圧を加えない状態での探針
位置に対して、変位した状態の探針を１２′で示した。

本実施例では、ダイヤフラム１４の変位の制御を、ダイ
ヤフラム１４上の一部に設けたピエゾ抵抗素子型ひずみ
ゲージ１３を用いて行った。すなわち、ダイヤフラム１
４の変位によって生じるシリコン単結晶８のひずみ量に
比例してピエゾ抵抗素子１３の抵抗値が変化するから、
適切なブリッジ回路を組むことにより、変位信号が得ら
れる。これを目標値と比較して偏差信号をとり、ＰＩＤ
制御回路２７（比例、積分・微分制御回路）で処理して
静電力を発生する電圧発生回路２８にフィードバックす
れば、ダイヤフラム８の変位を目標値に制御することが
できる。

上記のひずみゲージによるダイヤプラムの変位の制御は
、ＳＴＭの機能としては探針を試料に接近させるための
粗動機能に相当する。さらに、試料表面を走査するさい
の探針の微動機能が、全く同一の構成のもとで行われる
６すなわち、ＳＴＭの走査モードにおける探針の微動は
、ダイヤフラムの変位を、探針と試料との間に流れるト
ンネル電流によって制御してやればよい。トンネル電流
が一定になるよう静電力を発生する電圧を制御し。

この電圧から試料の表面情報を得る。

第３図に、上記の機能を持つ探針微動機構の概観図を示
す。シリコンウェハ８上には探針１２があり、その裏面
はエツチングによって肉厚を薄く加工されてダイヤフラ
ム１４を形成している。ダイヤフラム１４の周辺部には
、ボロンをドープしたピエゾ抵抗素子１３が形成され、
ひずみゲージの役割を果している。ひずみゲージおよび
探針１２の表面からはそれぞれ金凪配線がチップ周辺部
に向って引き出されている。一方、ガラス板９の上には
電極１０が形成され、その一部は周辺部に向って配線で
引き出されている。

上記の探針駆動ユニットを組込んだＳＴＭの構成を第４
図に示す。試料移動台４′上の試料１′に対向して探針
駆動ユニット１５が設置される。

探針１２の位置の信号はダイヤフラムのひずみゲ−ジの
信号およびトンネル電流の二つの形で得られる。探針１
２が試料１′から遠くにあってトンネル電流が流れない
場合には、スイッチ１６は閉じている。この場合は探針
１２の粗動をダイヤフラム上のひずみゲージからの信号
によって制御する。探針１２の試料１′への接近、退避
が、このモードによって行われる。探針１２が試料１′
に近接してトンネル電流が流れるとスイッチ１６は開か
れる。この結果、トンネル電流が一定になるようにダイ
ヤフラムの動きが制御される。ダイヤプラムを駆動する
ための電圧発生回路６′で生じる電圧を画像信号処理回
路に送って像を得ることは、従来のＳＴＭと同様の手法
で行われる６圧電素子３を探針間動機構に用いた従来の
ＳＴＭの構成（第２図）と本発明の構成（第４図）を比
較して明らかなように、本発明によれば探針の２方向の
粗動機能を微動機構の中に組込めるので、装置がコンパ
クトになる。探針州動機構の代表的な寸法の一例と運動
機能の次様を以下に示す。

シリコン単結晶の大きさ：　２０Ｘ２０Ｘ０．４ｆｆ１
ｍダイヤフラムの厚さ８４４μｍ 電極とダイヤフラム間のエアギャップ：３０μｍダイヤ
フラムの変位量：１５μｍ　（２５０Ｖ印加時）ダイヤ
フラムの変位の信号をとるため、上記の第１の実施例に
おいては、ダイヤフラム上に設けたひずみゲージを用い
た。これに代って、ダイヤフラム面と電極面との間の静
電容量変化によっても、ダイヤフラム面の変位信号を得
ることができるにの第２の構成の探針駆動ユニットの概
観図を第５図に示した。シリコンダイヤフラム１４上に
は、探針１２からトンネル電流を引出すための配線２９
のみがある６ガラス板９上には、静電力を発生するため
の電極パターン２０と独立して。

ダイヤフラム１４との間の静電容量を測るためのパター
ン２１が、導電材料で形成されている。この探針駆動ユ
ニットを用いたＳＴＭでは、第４図の構成においてひず
みゲージの信号の代りに、静電容量の変化すなりちイン
ピーダンスの変化の信号が置きかわる。

なお、第５図の構成では、静電力を発生する電極２０と
、＃Ｉ電容量を測定する電極２１を分離して形成したが
、通常、ダイヤフラムの駆動の制御は数ＫＨｚの速さで
行い、一方、静電容量の変化は数Ｍ　Ｈｚの交流を用い
て行うから、相互の電極を分離しなくても、周波数フィ
ルタを中間に置くことにより５前記の機能を満足するこ
とも可能である。

ところで、以上の実施例ではダイヤフラム上の探針につ
いては述べなかった。探針は、従来知られているタング
ステン針を、ダイヤフラム中央に接合して実施すること
が可能である。さらに他の方法として、ダイヤフラムと
一体に探針を形成することができる。第６図（ａ）に示
すように。

（１００）方位を持つシリコンウェハ２２の上面で針の
先端に相当する位置にマスク２３を窒化膜（Ｓｉ、Ｎ、
）で形成し、ウェハ下面には、ダイヤフラムの枠の相当
する位置にマスク２４を同様に形成する。ＫＯＨ水溶液
などの異方性エツチング液でこのウェハをエツチングす
れば、第６図（ｂ）に示すように、探針２５および探針
２６を一体で形成することができる。この後、ダイヤフ
ラム表面の絶縁処理、探針表面の導電処理、配線形成な
どは、公知の半導体加工技術で容易に行われる。

本発明では、ダイヤフラム材料としてシリコン単結晶を
用いたが、この理由は第１にシリコンが弾性材料として
ヒステリシス、クリープ等のほとんど無いことであり、
第２はピエゾ抵抗素子によるひずみゲージの形成が可能
であること、等である。また、静電力を発生する電極の
基板としてガラス板（パイレックスガラス）を用いたの
は、シリコンとパイレックスは静電接合 （ａｎｏｄｉｃｂｏｎｄｉｎｇ）という方法で容易に良
好な貼合せができ、エアギャップを正確に設定できるこ
とにある。このような諸特長を考慮して、シリコンとガ
ラスの組合せを用いたが、本発明の原理の適用はこれに
とどまらず、ダイヤフラム材料として、金屑などの弾性
体を用いること、また電極基板材料として絶縁性の高い
セラミクス等を用いることなど、材料の選定は適宜行う
ことができる。

なお１本発明の適用は特にＳＴＭの探針駆動機構につい
て述べたが、探針側を固定し、逆に試料台側に本発明の
院動機構をつけて、トンネル電流を検出するシステムを
構成できることは自明である。また、本発明はＳＴＭを
対象に実施例を述べたが、ＳＴＭ関連またはその類似装
置にも適用することができる。すなわち、原子開力顕微
鏡（ＡＦＭ）、トンネル電流を用いた情報ファイル装置
、さらに探針と試料との間の静電容量を一定として試料
の表面を走査する表面形状測定器等がそれに相当する。

本発明は、上記以外にもさらに一般の用途でも、ダイヤ
フラムの運動を取り出すことにより、汎用の微小能動機
構として、細胞の把持、微小光学系の光軸位置調整具な
どにひろく適用することができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上に述べたように構成されるので以下のよ
うな効果が得られる。

（１）　　ヒステリシス、クリープ等の非線型性の無い
微小変位機構が実現する。

（２）機構全体を３００℃程度の高温に加熱しても上記
の微小変位機構の機能は劣化しない。

（３）探針駆動機構に非線型性が無いので、ＳＴＭ像の
ゆがみが低減する。

（４）ｚ軸方向の粗動機能が微小変位機構に含まれるの
で、コンパクトなＳＴＭが実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の微小変位機構の構成を
示す断面図、第２図は在来の圧電素子駆動型のＳＴＭの
構成を示す図、第３図は本発明の第１の実施例のＳＴＭ
探針駆動機構の構成を示す概観図、第４図は本発明の第
１の実施例の探針駆動機構を応用したＳＴＭの構成を示
す図、第５図は本発明の第２の実施例のＳＴＭ探針探針
機動機構成を示す概観図、第６図はＳＴＭの探針とダイ
ヤフラムとをシリコン単結晶から一体で作り出す工程を
示す断面図である。 １．１′・・・試料、２・・・探針、３・・・圧電素子
。 ４．４′・・・試料台、５．５’・・・電流検出器。 ６．６′・・・電圧発生回路（増幅器）、７．７′・・
・画像処理回路、８・・・シリコンウェハ、９・・・ガ
ラス板、１０・・電極、１１・・・エアギャップ、１２
．１２’・・・探針、１３・・ピエゾ抵抗素子。 １４・・ダイヤフラム、１５・・・探針駆動ユニット、
１６・スイッチ、２７．２７’・・・ＰＩＤ制御回路。 蚕　／　閾 吊Ｊ図 第 １図 箇 圏 届 ダ 旧 壕２尼 ２？

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変形可能な弾性体からなる変位機構体、該変位機構
   体の変形を検出する検出部、該検出部での検出信号の目
   標値からの偏差に対応して所定の電圧を発生する制御回
   路、および、該電圧が印加され該変位機構体を静電力で
   吸引する電極から構成されることを特徴とする微小変位
   機構。 ２、請求項１に記載の微小変位機構において、上記変位
   機構体が単結晶シリコンであることを特徴とする微小変
   位機構。 ３、請求項１または２に記載の微小変位機構において上
   記検出部が静電容量型の変位計であることを特徴とする
   微小変位機構。 ４、請求項１または２に記載の微小変位機構において、
   上記検出部がピエゾ抵抗素子であることを特徴とする微
   小変位機構。 ５、請求項１または２に記載の微小変位機構において上
   記検出部が、上記変位機構体と近接して配置された物体
   との間に流れるトンネル電流を検出するものであること
   を特徴とする微小変位機構。 ６、探針と、該探針に対向して配置された試料と、変形
   可能な弾性体からなる変位機構体、該変位機構体の変形
   を検出する検出部、該検出部での検出信号の目標値から
   の偏差に対応して所定の電圧を発生する制御回路、該電
   圧が印加され、上記変位機構体を静電力で吸引する電極
   からなる微小変位機構と、上記試料と上記探針の間に流
   れるトンネル電流を検出する検出手段を有し、上記微小
   変位機構の上記変位機構体には上記探針と上記試料の一
   方が固定されている走査型トンネル顕微鏡。 ７、請求項６記載のものにおいて、上記変位機構体には
   上記探針が固定されていることを特徴とする走査型トン
   ネル顕微鏡。 ８、請求項６に記載のものにおいて、上記変位機構体が
   単結晶シリコンであることを特徴とする走査型トンネル
   顕微鏡。 ９、請求項６に記載のものにおいて上記検出部が静電容
   量型の変位計であることを特徴とする走査型トンネル顕
   微鏡。 １０、請求項６に記載のものにおいて、上記検出部がピ
   エゾ抵抗素子であることを特徴とする走査型トンネル顕
   微鏡。 １１、請求項６に記載のものにおいて上記検出部が、上
   記変位機構体と近接して配置された物体との間に流れる
   トンネル電流を検出するものであることを特徴とする走
   査型トンネル顕微鏡。 １２、請求項７に記載のものにおいて、上記探針は上記
   微小変位体と一体にシリコン半結晶からなることを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡。