JPH0341302A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、走査型トンネル顕微鏡、特に探針を微動操作
させる圧電アクチュエータ部を改良した走査型トンネル
顕微鏡に関するものである。

（従来の技術） 近年、個々の原子までを直接観察しうる走査型トンネル
顕微鏡（以下ＳＴＭと称する）が注目されている。

第４図は従来技術による圧電アクチュエータを備えた代
表的なＳＴＭの構成を示す。

すなわち、ＳＴＭ木休１体の先にはチューブ型の圧電ア
クチュエータ２が固定され、該アクチュエタ２の先端に
探針５が取イ・ｊけられ−Ｃいる。そＩ〜で、チューブ
型の圧電アクチュエータ２は、ｘｙ力方向操作するため
の四分割されたｘｙ電極３・３とＺ方向−・操作するた
めのＺ電極４がその外面を一周するように取イ１けられ
た構造になっている。

動作においては、導電性のある探針５と試料６間に数十
ｍＶから数Ｖの電圧をかけ、探針５と試料６をｌｎｍ程
度の距離に近付けると、数百Ｉ）　Ａから数ｎＡ程度の
トンネル電流が流れる。ｓＴＭはそのトンネル電流の変
化が探針５と試料６の距離の変化に敏感に応答すること
を利用して、試料表面の凹ｌＪ＋１を観察するようにな
っている。

ＳＴＭの測定方法を、定電流モードを一例にとり具体的
に説明する。スキャナー７により、圧電アクチュエータ
２のｘｙ電極３にそれぞれ電圧をかけ、探針５をｘｙ方
向に操作する。この時に、探針５と試料６間に流れるト
ンネル電流をトンネル電流検出器８で検出し、それが一
定になるようにサーボ回路９を使って２電極４にかける
電圧を変えて探針５を上下する。圧電アクチュエータ２
は形状、材質等によっても異なるが、探針５を十から数
百Ａ／Ｖで走査させ、上下させることができる。この２
電極４にかける電圧の変化を記録することによって、原
子レベルで試料表面を観察することができる。また、微
細な表面形状を非破壊で測定できる特徴を生かして、表
面粗さ計として使用する要望が高まっていて、より大き
な走査範囲（≧１μｍ）が必要となっている。

探針５を上下させながら走査するのは、チュブ型の圧電
アクチュエータ２を用いて行うことができる。チューブ
型の圧電アクチュエータ２は極めて高い剛性を持つので
、外部からの振動に対しては強いという特徴がある。

しかし、更に走査に万全を契す上で、第４図に示すよう
にチューブ型のアクチュエータ２がＺ方向粗動用の積層
型の圧電アクチュエータ１ｏの先端に固定して取り付け
る構成となっているものも多い。

そして、探針の走査範囲は、チューブ型の圧電アクチュ
エータ２の電圧感度と、探針５とｘｙ電極３間の距離に
より決定される。第４図の構成を保ったままで探針の走
査範囲を変更するためには、スキャナーによってチュー
ブ型の圧電アクチュエータに加える電圧を変更しなけれ
ばならない。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の走査型トンネル顕微鏡においては
、大きな領域でのＳＴＭ像を観察するときには、チュー
ブ型の圧電アクチュエータ２に高電圧を加える必要があ
るが、圧電アクチュエタのヒステリシス特性や耐電圧の
問題で、加えられる電圧にも限界があり、限界以上の走
査範囲を得るためには、圧電アクチュエータを目的とす
る走査範囲に対応するものと交換するか、更には異なっ
た走査範囲に対応する複数のＳＴＭ装置が必要となって
くる場合もある。また、走査範囲や分解能に於て、スキ
ャナーの限界を越えるＳＴＭ像を観察する必要があると
きは、スキャナーを変更するしかなかった。

このように、従来の構造のチューブ型の圧電アクチュエ
ータ２を用いたＳＴＭ装置では、そのままの構成で走査
可能な範囲を越えるＳＴＭ観察が必要な時に、圧電アク
チュエータやＳＴＭ装置、スキャナーの変更のために、
手数がかかる上に種々のパーツが必要となってしまう欠
点がある。従って、高分解能の原子レベルの観察から比
較的低分解能の表面粗さ計としての使用までを一台のＳ
ＴＭ装置で行うには極めて効率が悪く、また、種々のパ
ーツが必要となることからコストもかかるという問題が
あった。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり
、その目的とするところは、極めて簡便に探針の走査範
囲を広く可変可能として、またそれによりコストの増加
を招くこともない走査型トンネル顕微鏡を提供すること
にある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本体と探針との間に配置さ
れた移動機構によって前記探針を試料の位置に対して３
次元的に変化させ、前記試料と前記探針間に流れるトン
ネル電流に基づいて前記試料表面を観察する走査型トン
ネル顕微鏡において、この発明は、前記移動機構が、前
記試料に対して垂直又は水平方向に変位を生じる複数の
圧電アクチュエータを着脱自在な接続部材を介して接続
配置して構成される。

（作用） 上記構成において、この発明は、探針を移動させる複数
の圧電アクチュエータの接続位置を変更可能として、探
針を試料に対して水平方向に移動する圧電アクチュエー
タと探針との距離を容易に可変可能にしている。

（実施例） 第１図は本発明によるＳＴＭ］の実施例の構成を示す図
である。同図において、１］はＳＴＭ本体側の接続部、
１２は積層型の圧電アクチュエータであって、その両端
にナツト１３およびボルト１３′を有しているもの、１
４はチューブ型の圧電アクチュエータであって、その両
端にナツト１７．１８を有しかつｘｙ電極１５とＺ電極
１６を有しているもの、１９は枠側ホルダで探針５が装
着される反対側にはボルトが設けられている。

なお、２０は送り機構としてのマイクロメータヘッドで
ある。

ＳＴＭ本体側の接続部〕１．積層型の圧電アクチュエー
タ１２．チューブ型の圧電アクチュエータ１−４および
探針ホルダ１９のそれぞれの個体の構造を第２図（ｄ）
、（ｃ）、（ｂ）　　　（ａ）の順で示しである。

なお、参照番号５〜９までの構成要素は第４図のものと
同一なので同し参照番号が付しである。

第１図の実施例において、各圧電アクチュエータ１２，
１．４および探針ホルダ１９が、どのように相互に係合
しなからＳＴＭ本体側の接続部］］と着脱自在に結合さ
れているか、第２図（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する
。

まず、第２図（ｄ）に示す前記接続部１］のネジＢ３が
第２図（Ｃ）の積層型圧電アクチュエータ］２のナツト
１３に螺合され、ネジＢ２か第２図（ｂ）のチューブ型
の圧電アクチュエータ１４のナツト１８に螺合され、同
１４の反対側のナツト１７が第２図（ａ）の探針ホルダ
１９のボルトＢ１に螺合された構成になっている。

動作においては、スキャナー（走査装置）７によりチュ
ーブ型圧電アクチュエータ１４のｘｙ電極１５に電圧を
かけ、探針５をｘｙ方向に走査し、その際に探針５と試
料６間に流れるトンネル電流をトンネル電流検出器８で
検出し、前記電流か一定になるようにサーボ回路９を介
してＺ電極１６に印加される電圧を変化させ、探針５を
上下°しながら該電圧の変化を記録し、原子レベルて試
料表面の状態を観察することかできる。

なお、寸法関係の一つの実施例は下記の通りである。

第２図（ａ）の探針ホルダ１８は、例えば真鍮でてきて
おり、円錐台の二面を切りとったような形をしている。

この円錐台の高さは５　ｍ　ｍ−、上面の半径３ｍｍ、
底面の半径６ｍｍで、その二面は１１１３　ｍ　ｍで切
りとられている。中心に０．３ｍｍの貫通孔が開いてお
り、両側に下面より高さ２゜５ｍｍの位置にネジＭｌの
孔が開けられている。

探針はこの０．３ｍｍの貫通孔に差し込まれ、両側より
Ｍｌのネジで固定される。底面には長さ２ｍｍのネジＢ
１が出ており、ここを圧電アクチュエータ１４の端に付
いているナツト１７に固定する。

第２図（ｂ）のチューブ型の圧電アクチュエタ１４は、
外形１５ｍｍ、内径１４　ｍ　ｍ　％長さ３Ｑｍｍで、
例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ　Ｚ　Ｔ）で作られて
おり、内面をグランド、外面に正電圧を印加したときに
縮むように予め分極されている。

外面と内面には、Ａｇを多く含む電極が焼き４−Ｊけコ
ートされている。特に外面の電極は分割されていて、大
きく分けて二つの部分より戊っている。

ｘｙ方向への走査のためのｘｙ電極１５と、２方向走査
のためのＺ電極１６である。それぞれの電極の＋ｊ＋は
、ｘｙ電極１５が２２ｍｍ、ｚｆｉｉ極１６が５　ｍ　
ｍである。Ｚ電極］６は外面を一周しているが、ｘｙ電
極１−５は円周方向に沿って１．　ｍ　ｍの間隔を持っ
て四分割されている。そしてその反対には、ナツト１７
が（＝１けられている。

第２図（Ｃ）の積層型の圧電アクチュエータ１２は、縦
Ｉ　Ｑ　ｍ　ｍ、横１０ｍｍ、高さ１−８　ｍ　ｍで、
例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で作られており
、電極と圧電体を交互に積み重ねる構成をとっている。

該積層型の圧電アクチュエータ１２は、この構成をとる
ことにより、印加電圧に対し高さ方向へ大きな変位を得
ることができる。そしてその両端にはそれぞれボルト１
３′とナツト１３が取り（＝１けられている。

第２図（ｄ）のＳＴＭ本体の接続部１１は、前記積層型
の圧電アクチユエータ１２のナツト１３側に、長さ２ｍ
ｍのネジＢ３が出ている。

第３図（ａ）〜（Ｃ）には本発明による両圧電アクチュ
エータ１２．１４の組合せ方の種々の変更例を示し、そ
の組合せ方を第２図（ａ）〜（ｄ）を参照して図の順番
に沿って説明する。

第３図（ａ）の構成にするには、第２図のチューブ型の
圧電アクチュエータ１４を上下逆に取り付ければ良い。

第３図（ｂ）の構成にするには、まずＳＴＭ本体の接合
部１１のネジＢ３をチューブ型の圧電アクチュエータ１
４の２電極側のナツト１８にねじ込む。次に、積層型の
圧電アクチュエータ１２のボルト１３′と、チューブ型
の圧電アクチュエータ１４のｘｙ電極側のナツト１７を
繋ぐ、最後に、探針ホルダー１９のネジＢ１を積層型の
圧電アクチュエータ１２のナツト１３にねじ込んで完成
する。

第３図（ｃ）の構成にするには、第３図（ｂ）のチュー
ブ型の圧電アクチュエータ１４を上下逆に取り付ければ
良い。

第１図および第３図（ａ）から（ｃ）の探針５とチュー
ブ型の圧電アクチュエータ１４のｘｙ電極との距離を、
それぞれＬｌからＬ４とする。探針の走査範囲は、チュ
ーブ型の圧電アクチュエタのｘｙ電極１５の傾き角θと
ｘｙｆｆＩ極１５と探針５の距離りの積に比例する。傾
き角θを一定とすると、Ｌｌ＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４より、
探針の走査範囲も第１図〈第３図（ａ）く第３図（ｂ）
〈第３図（ｃ）となる。

このように、本発明のＳＴＭにおいては、積層型および
チューブ型の両圧電アクチュエータの構成を変えて、広
い走査範囲に一組のパーツで簡便に対応することができ
る。尚、本発明は上記の使用方法に限られたものではな
い。例えば、観察したい試料に応じて、電圧感度の事な
るチューブ型の圧電アクチュエータや積層型の圧電アク
チュエータと簡単に交換可能なことは明かである。即ち
、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施することができ
る。

このように、この実施例にあっては、積層型及びチュー
ブ型の両圧電アクチュエータを機械的に１ 着脱自在なボルト及びナツトにより接続するようにして
いるので、共にＳＴＭ本体側の接続部および探針ホルダ
の接続部の間で前記各圧電アクチュエータを交換可能な
構成にすることによって、自由に組合わせることを可能
にしている。したがって、所与の一組のパーツの組合せ
範囲内で探針の先端とｘｙ電極を有するチューブ型の圧
電アクチュエータとの間の距離を、簡単なパーツ交換操
作で変えることができるので、探針の走査範囲を経済的
かつ広い範囲にわたって変化することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、探針を移動さ
せる複数の圧電アクチュエータを着脱自在に接続するよ
うにしたので、探針を水平方向へ移動させる圧電アクチ
ュエータと探針との距離を容易かつ広範囲に可変可能に
することが可能となる。これにより、探針の走査範囲が
極めて簡便に広く可変可能となり、またコストの増加を
招くこともない走査型トンネル顕微鏡を提供することが
　２ できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）の構成を示す図、第２図は第１図に示すＳＴ
Ｍの要部構成を示す図、第３図は第１図に示すＳＴＭに
おける要部の接続組合せを示す図、第４図は従来のＳＴ
Ｍの構成を示す図である。 ５・・・探針、６・・・試料、 ７・・・スキャナー　８・・・トンネル電流検出器、９
・・・サーボ回路、１１・・・ＳＴＭ本体側の接続部、
１２・・・積層型の圧電アクチュエータ、１３．１３−
・・・積層型圧電アクチュエータのボルト、 １４・・・チューブ型圧電アクチュエータ、１５・・・
チューブ型圧電アクチュエータのｘｙ電極、１６・・・
チューブ型圧電アクチュエータのｚ電極、１７．１７−
・・・チューブ型圧電アクチュエータのナツト、 １９・・・探針ホルダ、２０・・・マイクロメータヘッ
ド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 本体と探針との間に配置された移動機構によって前記探
   針を試料の位置に対して３次元的に変化させ、前記試料
   と前記探針間に流れるトンネル電流に基づいて前記試料
   表面を観察する走査型トンネル顕微鏡において、 前記移動機構は、前記試料に対して垂直又は水平方向に
   変位を生じる複数の圧電アクチュエータを着脱自在な接
   続部材を介して接続配置してなることを特徴とする走査
   型トンネル顕微鏡。