JPH04348204A - Scanning probe apparatus - Google Patents

Scanning probe apparatus

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JPH04348204A
JPH04348204A JP3083462A JP8346291A JPH04348204A JP H04348204 A JPH04348204 A JP H04348204A JP 3083462 A JP3083462 A JP 3083462A JP 8346291 A JP8346291 A JP 8346291A JP H04348204 A JPH04348204 A JP H04348204A
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sample
probe
piezoelectric element
control system
gap length
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Kuniyoshi Tanaka
田中 国義
Miyoko Watanabe
渡辺 美代子
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a scanning probe apparatus which can maintain the distance between a probe and a sample constant in the atomic level even at the high- speed scanning time. CONSTITUTION:A probe 33 provided opposite to a sample 32 is coupled to a driving part 35 which is constituted of a piezoelectric element 38 for ensuring a large expansion/contraction amount and a piezoelectric element 39 for a small amount of expansion/contraction coupled to the piezoelectric element 38 in the Z-axis direction. In order to maintain the gap between the sample 32 and the probe 33 constant at all times, when the gap distance is changed, the piezoelectric element, 38 is driven by a first gap control system 41, and the piezoelectric element 39 is driven by a second gap control system 42 having a smaller driving time constant than the first gap control system 41.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、表面測定装置、表面処
理装置、表面加工装置などに用いられる走査型探針装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe device used in surface measurement devices, surface treatment devices, surface processing devices, and the like.

【0002】0002

【従来の技術】近年、固体表面の1つ1つの原子を測定
するための装置として、走査型トンネル顕微鏡(以下、
STMと略称する。)が出現している。このSTMは、
先端の尖った導電性の探針で導電性試料の表面上を走査
し、そのときに試料と探針との間に流れるトンネル電流
を測定することによって試料表面の構造を原子レベルで
測定するようにしている。このSTMでは、試料と探針
との間に流れるトンネル電流を測定に利用しているため
、導電性の試料のみに限られる。一方、最近では、ST
Mを応用して電気絶縁体の試料の表面も測定できるよう
にした顕微鏡が出現している。これは探針をカンチレバ
ーで支持し、試料表面と探針との間に働く力で生じるカ
ンチレバーの変位をSTMの原理で測定することによっ
て試料表面の構造を測定するようにしたもので、原子力
間顕微鏡(Atomic Force Microsc
opy :AFM)と呼ばれている。このAFMにおい
ても、STMと同様に、探針で試料表面上を走査しなが
らカンチレバーの変位を測定すれば、試料表面の形状(
構造)を3次元で測定できる。
[Prior Art] In recent years, scanning tunneling microscopes (hereinafter referred to as
It is abbreviated as STM. ) has appeared. This STM is
The structure of the sample surface can be measured at the atomic level by scanning the surface of a conductive sample with a pointed conductive probe and measuring the tunneling current that flows between the sample and the probe. I have to. This STM uses a tunnel current flowing between the sample and the probe for measurement, so it is limited to conductive samples only. On the other hand, recently, ST
Microscopes that apply M to the surface of electrical insulator samples have appeared. This method measures the structure of the sample surface by supporting the probe with a cantilever and measuring the displacement of the cantilever caused by the force acting between the sample surface and the probe using the STM principle. Atomic Force Microsc
It is called AFM). In this AFM, as in STM, if the displacement of the cantilever is measured while scanning the sample surface with the probe, the shape of the sample surface (
structure) can be measured in three dimensions.

【0003】STMやAFMは、試料の表面測定に限ら
ず種々応用できる。たとえば表面構造を測定した後に表
面の所望位置上へ探針を移動させ、探針と試料間にパル
ス電圧を印加することによって、探針直下に原子スケー
ルの微細加工を施すことも可能である。また、探針を試
料表面に衝突させることによって試料表面に微細な凹凸
を加工することも可能である。つまり、加工装置にも応
用できる。さらには、探針と試料間に気体分子あるいは
液体分子がある場合は、印加電圧による電界によってそ
の分子を試料に吸着させたり、離脱させたりすることも
でき、表面処理装置にも応用できる。
[0003]STM and AFM can be applied not only to the surface measurement of a sample but also to various other applications. For example, after measuring the surface structure, by moving the probe to a desired position on the surface and applying a pulse voltage between the probe and the sample, it is also possible to perform atomic-scale microfabrication directly below the probe. Furthermore, it is also possible to form fine irregularities on the sample surface by colliding the probe with the sample surface. In other words, it can also be applied to processing equipment. Furthermore, if there are gas or liquid molecules between the probe and the sample, the electric field caused by the applied voltage can cause the molecules to be adsorbed to or detached from the sample, and can also be applied to surface treatment devices.

【0004】ところで、このようなSTMやAFMでは
、上述の如く探針で試料の表面上を走査する必要がある
。この走査を実現する、いわゆる走査型探針装置は、通
常、探針と試料との間の間隙長を常に一定に保持する間
隙長制御系と、探針と試料とを試料の表面に沿う方向に
相対移動させて探針で試料の表面上を走査させる走査系
とで構成されており、具体的には図5に示すように構成
されている。この図にはSTM用のものが示されており
、特に走査している間中、探針と試料との間の間隙長を
常に一定に保持する間隙長制御系1が詳しく示されてい
る。
By the way, in such STM and AFM, it is necessary to scan the surface of the sample with the probe as described above. The so-called scanning probe device that realizes this scanning usually has a gap length control system that always maintains a constant gap length between the probe and the sample, and a gap length control system that moves the probe and sample in a direction along the sample surface. The scanning system is configured as shown in FIG. This figure shows one for STM, and in particular shows in detail the gap length control system 1 that always maintains the gap length between the probe and the sample constant during scanning.

【0005】同図において、2は試料を示し、3は試料
2の表面に対向配置された探針を示している。探針3は
軸4に固定されており、この軸4はZ軸方向駆動用のア
クチュエータである圧電素子5に連結されている。また
,軸4は連結軸6を介してX,Y軸方向駆動用のアクチ
ュエータである圧電素子7にも連結されている。
[0005] In the figure, 2 indicates a sample, and 3 indicates a probe disposed opposite to the surface of the sample 2. The probe 3 is fixed to a shaft 4, and this shaft 4 is connected to a piezoelectric element 5, which is an actuator for driving in the Z-axis direction. The shaft 4 is also connected via a connecting shaft 6 to a piezoelectric element 7 which is an actuator for driving in the X and Y axis directions.

【0006】試料2には、試料2と探針3との間にトン
ネル電流を流すためのバイアス電源8が接続されている
。試料2と探針3との間に流れたトンネル電流は、I/
V増幅器9で電圧信号に変換された後にログ増幅器10
に導入される。このログ増幅器10は、トンネル電流、
つまりI/V増幅器9の出力が試料2と探針3との間の
間隙長に応じて指数関数的に変化するのを直線化する。 ログ増幅器10の出力は、減算器11の一方の入力端に
導入される。この減算器11は他方の入力端に基準電源
12の出力を導入し、差信号を出力する。この差信号は
エラー増幅器13で増幅された後、抵抗14およびコン
デンサ15からなる時定数回路16を経て圧電素子駆動
用の増幅器17に導入される。そして、増幅器17の出
力によって圧電素子5が駆動される。なお、X,Y軸方
向駆動用の圧電素子7は、図示しない走査制御系によっ
て駆動される。
A bias power supply 8 is connected to the sample 2 for causing a tunnel current to flow between the sample 2 and the probe 3 . The tunnel current flowing between the sample 2 and the probe 3 is I/
After being converted into a voltage signal by V amplifier 9, log amplifier 10
will be introduced in This log amplifier 10 has a tunnel current,
In other words, the exponential change in the output of the I/V amplifier 9 depending on the gap length between the sample 2 and the probe 3 is linearized. The output of log amplifier 10 is introduced into one input of subtractor 11. This subtracter 11 introduces the output of the reference power supply 12 into the other input terminal and outputs a difference signal. This difference signal is amplified by an error amplifier 13, and then introduced into an amplifier 17 for driving the piezoelectric element via a time constant circuit 16 consisting of a resistor 14 and a capacitor 15. Then, the piezoelectric element 5 is driven by the output of the amplifier 17. Note that the piezoelectric element 7 for driving in the X and Y axis directions is driven by a scanning control system (not shown).

【0007】このように、従来の走査型探針装置の間隙
長制御系1は、試料2と探針3との間に流れるトンネル
電流が常に一定となるように、つまり試料2と探針3と
の間の間隙長が常に一定となるようにZ軸方向駆動用の
圧電素子5を駆動している。そして、増幅器17の入力
信号を観察信号として取出すようにしている。したがっ
て、試料2の表面に原子レベルの凹凸があると、この凹
凸に対応して観察信号が変化することになり、この変化
から試料2の表面形状を知ることができる。
As described above, the gap length control system 1 of the conventional scanning probe device is designed to maintain a constant tunneling current flowing between the sample 2 and the probe 3, that is, to keep the tunnel current flowing between the sample 2 and the probe 3 constant. The piezoelectric element 5 for driving in the Z-axis direction is driven so that the gap length between the two is always constant. Then, the input signal of the amplifier 17 is taken out as an observation signal. Therefore, if the surface of the sample 2 has unevenness at the atomic level, the observation signal will change corresponding to the unevenness, and the surface shape of the sample 2 can be determined from this change.

【0008】しかしながら、上記のように構成された従
来の走査型探針装置にあっては次のような問題があった
。すなわち、試料2の表面は必ずしもXY平面に平行で
はなく、ある傾きを有している場合が多い。このため、
試料2の表面の広い範囲に亘って表面上の凹凸を測定で
きるようにするには、伸縮量の大きい圧電素子5を用い
る必要がある。このため、通常は圧電素子片を複数積層
して圧電素子5を形成するとともに増幅器17として高
電圧増幅器を用いて要望を満たすようにしている。 しかし、高電圧増幅器は、一般に応答速度が遅く(時定
数が大きく)、ノイズが大きい。このため、たとえば図
6に示すような表面形状を有する試料2を対象にし、時
定数が1秒の間隙長制御系1で試料2と探針3との間の
間隙長を制御するとともに、X軸方向駆動用の圧電素子
に図7(a) に示すようにピーク値までの時間が15
ミリ秒と短い3角波を印加して探針3をX軸方向に往復
動させた場合、観察信号は図7(b) に示すように試
料2のX軸方向の傾きだけに対応したものとなり、表面
の凹凸、つまり原子位置に対応したものとはならない。 図8には同様の駆動条件で試料であるグラファイトの表
面をY軸方向に64本走査したときの観察信号画像が示
されている。所要時間は2秒であったが、表面の原子ま
で観測することはできなかった。なお、走査速度を遅く
して図8に示される領域を3分かけて走査すると原子ま
でを観測することができた。
However, the conventional scanning probe device configured as described above has the following problems. That is, the surface of the sample 2 is not necessarily parallel to the XY plane, but often has a certain inclination. For this reason,
In order to be able to measure surface irregularities over a wide range of the surface of the sample 2, it is necessary to use a piezoelectric element 5 with a large amount of expansion and contraction. For this reason, the piezoelectric element 5 is usually formed by laminating a plurality of piezoelectric element pieces, and a high voltage amplifier is used as the amplifier 17 to meet the requirements. However, high voltage amplifiers generally have slow response speed (large time constant) and large noise. For this purpose, for example, with a sample 2 having a surface shape as shown in FIG. As shown in Figure 7(a), the piezoelectric element for axial drive has a time of 15 minutes until the peak value.
When the probe 3 is reciprocated in the X-axis direction by applying a triangular wave as short as milliseconds, the observation signal corresponds only to the tilt of the sample 2 in the X-axis direction, as shown in Figure 7(b). Therefore, it does not correspond to the surface irregularities, that is, the atomic positions. FIG. 8 shows observation signal images obtained when the surface of a graphite sample was scanned 64 times in the Y-axis direction under similar driving conditions. The time required was 2 seconds, but it was not possible to observe atoms on the surface. Note that when the scanning speed was slowed and the region shown in FIG. 8 was scanned for 3 minutes, it was possible to observe even atoms.

【0009】このように、従来の走査型探針装置では試
料2の表面上を走査できる走査速度の上限が圧電素子5
を駆動する間隙長制御系1の駆動時定数、特に圧電素子
5に電圧を印加する高電圧増幅器の応答速度で決定され
、原理的に速くすることができない問題があった。この
ように走査速度が遅いことは種々の不具合を招く。すな
わち、試料の表面形状は、時間の経過とともに変化する
場合が多い。したがって、従来の走査型探針装置を使用
した場合には、その時々の表面状態をリアルタイムに近
い状態で測定できないことになる。この種の装置の性能
は、いかに速い速度で表面を測定できるかで決まる。 また、表面加工においても、いかに速い速度で表面微細
加工ができるかで装置の性能が決定される。
As described above, in the conventional scanning probe device, the upper limit of the scanning speed at which the surface of the sample 2 can be scanned is the piezoelectric element 5.
The drive time constant of the gap length control system 1 that drives the piezoelectric element 5 is determined by the response speed of the high voltage amplifier that applies voltage to the piezoelectric element 5, and there is a problem that it cannot be made faster in principle. Such a slow scanning speed causes various problems. That is, the surface shape of a sample often changes over time. Therefore, when a conventional scanning probe device is used, the current surface condition cannot be measured in near real time. The performance of this type of device is determined by how fast it can measure surfaces. Furthermore, in surface processing, the performance of the equipment is determined by how fast surface micromachining can be performed.

【0010】そこで、このような不具合を解消するため
に、ノイズが少なく、応答スピードの速い高速高電圧増
幅器を製作することが考えられるが、これを実現するに
は技術的な困難が伴い、コストの上昇を免れ得ないこと
になる。
[0010] Therefore, in order to eliminate such problems, it may be possible to manufacture a high-speed high-voltage amplifier with low noise and high response speed, but realizing this is accompanied by technical difficulties and costs. This means that it is inevitable that the increase in

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の走
査型探針装置では、走査速度を速くすることができない
ため、速度の速い測定、処理、加工等には寄与できない
と言う問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] As mentioned above, conventional scanning probe devices have the problem that they cannot contribute to high-speed measurements, processing, processing, etc. because the scanning speed cannot be increased. Ta.

【0012】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
きる走査型探針装置を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a scanning probe device that can eliminate the above-mentioned problems.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、試料の表面に対向配置される探針と、
この探針と前記試料との間の間隙長を常に一定に保持す
る間隙長制御手段と、前記探針と前記試料とを上記試料
の表面に沿う方向に相対移動させて上記探針で上記試料
の表面上を走査する走査手段とを備えた走査型探針装置
において、前記間隙長制御手段が、それぞれの変位量の
和の変位量で前記探針と前記試料とを相対移動させる複
数のアクチュエータと、前記探針と前記試料との間の間
隙長変化に応答して対応する前記アクチュエータを駆動
する駆動時定数の異なる複数の制御系とを備えている。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a probe disposed opposite to the surface of a sample;
a gap length control means for always keeping the gap length between the probe and the sample constant; In the scanning probe device, the gap length control means includes a plurality of actuators that relatively move the probe and the sample by a displacement amount that is the sum of the displacement amounts of each actuator. and a plurality of control systems having different drive time constants that drive the corresponding actuators in response to changes in the gap length between the probe and the sample.

【0014】なお、ここで言う試料とは、STMに適用
したときには試料そのものを指し、AFMに適用したし
たときにはカンチレバーの変位で模擬された試料を指し
ている。
[0014] The sample referred to herein refers to the sample itself when applied to STM, and refers to a sample simulated by the displacement of a cantilever when applied to AFM.

【0015】[0015]

【作用】今、アクチュエータが2個設けられており、一
方のアクチュエータが第1の圧電素子で形成され、他方
のアクチュエータが第1の圧電素子より大きい変位量が
得られる第2の圧電素子で形成され、第1の圧電素子を
駆動する制御系の駆動時定数が第2の圧電素子を駆動す
る制御系の駆動時定数より小さいものとすると、第2の
圧電素子およびこれを駆動する制御系は、応答速度が遅
いので試料の緩やかな傾斜に追随させて探針と試料とを
相対移動させる。また、第1の圧電素子およびこれを駆
動する制御系は、応答速度が速いので試料表面の微細な
凹凸に追随させて探針と試料とを相対移動させる。した
がって、走査速度を速くしても、探針と試料との間の間
隙長を常に一定に保持でき、広範囲な試料表面上を高速
に走査しながら高い分解能で表面の微細構造を測定した
り、加工したりすることに寄与できる。
[Operation] Now, two actuators are provided, one actuator is formed by a first piezoelectric element, and the other actuator is formed by a second piezoelectric element that can obtain a larger displacement than the first piezoelectric element. If the drive time constant of the control system that drives the first piezoelectric element is smaller than the drive time constant of the control system that drives the second piezoelectric element, then the second piezoelectric element and the control system that drives it are Since the response speed is slow, the probe and the sample are moved relative to each other by following the gentle slope of the sample. Furthermore, since the first piezoelectric element and the control system that drives it have a fast response speed, the probe and the sample are moved relative to each other by following the minute irregularities on the sample surface. Therefore, even if the scanning speed is increased, the gap length between the probe and the sample can always be kept constant, and the surface microstructure can be measured with high resolution while scanning over a wide range of the sample surface at high speed. You can contribute to processing.

【0016】[0016]

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明する
Embodiments Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

【0017】図1には本発明の一実施例に係る走査型探
針装置、ここにはSTM用の走査型探針装置で、かつ間
隙長制御系31だけが詳しく示されている。
FIG. 1 shows a scanning probe device according to an embodiment of the present invention, which is a scanning probe device for STM, and only the gap length control system 31 is shown in detail.

【0018】同図において、32は試料を示し、33は
試料32の表面に対向配置された探針を示している。探
針33は軸34に固定されており、この軸34はZ軸方
向駆動用の駆動部35に連結されている。また,軸34
は連結軸36を介してX,Y軸方向駆動用のアクチュエ
ータである圧電素子37に連結されている。
In the figure, 32 indicates a sample, and 33 indicates a probe disposed opposite to the surface of the sample 32. The probe 33 is fixed to a shaft 34, and this shaft 34 is connected to a drive section 35 for driving in the Z-axis direction. In addition, the shaft 34
is connected via a connecting shaft 36 to a piezoelectric element 37 which is an actuator for driving in the X and Y axis directions.

【0019】駆動部35は、試料32の表面の傾きや変
形などの3000〜5000オングストローム程度の大
きな変位に対応できる伸縮量が得られる圧電素子38で
形成されたアクチュエータと、試料32の表面の原子レ
ベルの微細な変位に対応できる伸縮量が得られる圧電素
子39で形成されたアクチュエータとをZ軸方向に連結
して構成されている。具体的には、圧電素子38として
伸縮率が1ボルト当り5オングストロームのものが用い
られ、圧電素子39として伸縮率が1ボルト当り1オン
グストロームのものが用いられている。
The drive unit 35 includes an actuator formed of a piezoelectric element 38 that can expand and contract to accommodate large displacements of about 3000 to 5000 angstroms such as inclination and deformation of the surface of the sample 32, and The actuator is connected in the Z-axis direction with an actuator formed of a piezoelectric element 39 that can expand and contract an amount that can correspond to minute displacements. Specifically, the piezoelectric element 38 has an expansion/contraction rate of 5 angstroms per volt, and the piezoelectric element 39 has an expansion/contraction rate of 1 angstrom/volt.

【0020】試料32には、試料32と探針33との間
にトンネル電流を流すためのバイアス電源40が接続さ
れている。この電源40としてはノイズを避けるために
電池が用いられている。
A bias power supply 40 is connected to the sample 32 for causing a tunnel current to flow between the sample 32 and the probe 33. A battery is used as the power source 40 to avoid noise.

【0021】圧電素子38は第1の間隙長制御系41に
よって駆動され、圧電素子39は第2の間隙長制御系4
2によって駆動される。
The piezoelectric element 38 is driven by a first gap length control system 41, and the piezoelectric element 39 is driven by a second gap length control system 4.
2.

【0022】第1の間隙長制御系41は、試料32と探
針33との間に流れたトンネル電流をI/V増幅器(増
幅率を107 V/A、108V/A、109 V/A
に切換えできる。)43で電圧信号に変換し、この変換
信号をログ増幅器44を介して減算器45の一方の入力
端に導入している。この減算器45は他方の入力端に基
準電源46の出力を導入して差信号を出力する。この差
信号をエラー増幅器13で増幅した後に抵抗48とコン
デンサ49からなる時定数回路50を経て高電圧増幅器
51に導入している。高電圧増幅器51としては、入力
振幅が±5V、増幅率が100倍、出力振幅が±500
V、ノイズレベルが最大振幅で7mV、応答時定数が約
0.1〜10秒の間を変化するものが用いられている。 そして、高電圧増幅器51の出力で圧電素子38を駆動
している。
The first gap length control system 41 converts the tunnel current flowing between the sample 32 and the probe 33 into I/V amplifiers (with amplification factors of 107 V/A, 108 V/A, and 109 V/A).
You can switch to ) 43 into a voltage signal, and this converted signal is introduced into one input terminal of a subtracter 45 via a log amplifier 44. This subtracter 45 inputs the output of the reference power supply 46 to the other input terminal and outputs a difference signal. After this difference signal is amplified by an error amplifier 13, it is introduced into a high voltage amplifier 51 via a time constant circuit 50 consisting of a resistor 48 and a capacitor 49. The high voltage amplifier 51 has an input amplitude of ±5V, an amplification factor of 100 times, and an output amplitude of ±500V.
V, the noise level is 7 mV at the maximum amplitude, and the response time constant varies between about 0.1 and 10 seconds. The piezoelectric element 38 is driven by the output of the high voltage amplifier 51.

【0023】一方、第2の間隙長制御系42は、前述し
たログ増幅器44の出力を減算器52の一方の入力端に
導入している。そして、減算器51の他方の入力端に基
準電源46の出力を導入して差信号を出力させ、この差
信号をエラー増幅器53で増幅した後に抵抗54とコン
デンサ55からなる時定数回路56を経て増幅器57に
導入している。増幅器57としては、増幅率が1倍、入
力振幅と出力振幅が±5V、ノイズレベルが最大振幅で
0.5mV以下、応答時定数が約1〜100ミリ秒のも
のが用いられている。そして、増幅器57の出力で圧電
素子39を駆動している。また、増幅器57の入力信号
を観察信号とし、必要に応じて高電圧増幅器51の入力
信号も観察信号としている。
On the other hand, the second gap length control system 42 introduces the output of the above-mentioned log amplifier 44 into one input terminal of the subtracter 52. Then, the output of the reference power supply 46 is introduced into the other input terminal of the subtracter 51 to output a difference signal, and this difference signal is amplified by an error amplifier 53 and then passed through a time constant circuit 56 consisting of a resistor 54 and a capacitor 55. It is introduced into the amplifier 57. The amplifier 57 used has an amplification factor of 1, an input amplitude and an output amplitude of ±5 V, a noise level of 0.5 mV or less at the maximum amplitude, and a response time constant of about 1 to 100 milliseconds. The piezoelectric element 39 is driven by the output of the amplifier 57. Further, the input signal of the amplifier 57 is used as an observation signal, and the input signal of the high voltage amplifier 51 is also used as an observation signal if necessary.

【0024】なお、探針33をX軸方向とY軸方向に駆
動するための圧電素子37は、図示しない走査制御系の
出力によって駆動される。
The piezoelectric element 37 for driving the probe 33 in the X-axis direction and the Y-axis direction is driven by the output of a scanning control system (not shown).

【0025】次に、上記のように構成された走査型探針
装置の動作を説明する。
Next, the operation of the scanning probe device constructed as described above will be explained.

【0026】走査制御系を動作させ、圧電素子37を駆
動して試料32の表面に近接配置されている探針33で
試料32の表面上をX,Y軸方向に走査する。このとき
、試料32と探針33との間に流れるトンネル電流の値
が常に基準電源46の出力レベルで規定される値となる
ように第1の間隙長制御系41および第2の間隙長制御
系42が試料32の表面の凹凸に追随させて圧電素子3
8,39の伸縮量を制御する。したがって、試料32と
探針33との間の間隙長は常に一定に保たれる。
The scanning control system is operated to drive the piezoelectric element 37 to scan the surface of the sample 32 in the X and Y axis directions with the probe 33 placed close to the surface of the sample 32. At this time, the first gap length control system 41 and the second gap length control system are used so that the value of the tunnel current flowing between the sample 32 and the probe 33 is always the value specified by the output level of the reference power source 46. The system 42 causes the piezoelectric element 3 to follow the irregularities on the surface of the sample 32.
Controls the amount of expansion and contraction of 8 and 39. Therefore, the gap length between the sample 32 and the probe 33 is always kept constant.

【0027】この場合、第1の間隙長制御系41は、大
きな伸縮量を確保する必要性から高電圧増幅器51を使
用しているので、速い応答速度は期待できないが、試料
32の表面の傾斜や緩やかな変位には十分に追随できる
。一方、第2の間隙長制御系42は、大きな伸縮量を必
要としないので、応答速度の速い増幅器57を使用でき
るので、試料32の表面の微細な凹凸には十分追随でき
る。したがって、この2つの間隙長制御系41,42の
動作によって、たとえ走査速度が速い場合であっても試
料32と探針33との間の間隙長を常に一定に保持する
ことが可能となり、STMやAFM、あるいはこれらを
応用した加工装置、表面処理装置に組込んだとき、走査
速度を速くした状態で良好な測定、加工の実現に寄与で
きる。
In this case, since the first gap length control system 41 uses the high voltage amplifier 51 because it is necessary to ensure a large amount of expansion and contraction, a fast response speed cannot be expected; It is able to sufficiently follow small and gradual displacements. On the other hand, since the second gap length control system 42 does not require a large amount of expansion and contraction, the amplifier 57 with a fast response speed can be used, so that it can sufficiently follow minute irregularities on the surface of the sample 32. Therefore, the operation of these two gap length control systems 41 and 42 makes it possible to always keep the gap length between the sample 32 and the probe 33 constant even when the scanning speed is high, and the STM When incorporated into AFM, AFM, or processing equipment or surface treatment equipment that utilizes these, it can contribute to realizing good measurement and processing at a high scanning speed.

【0028】図2(b) ,(c) には図6に示した
表面形状を有する試料を対象にし、第1の間隙長制御系
41の駆動時定数が約15ミリ秒、第2の間隙長制御系
42の駆動時定数が約1ミリ秒の走査型探針装置を用い
、X軸方向駆動用の圧電素子に図2(a) に示すよう
にピーク値までの時間が15ミリ秒と短い3角波を印加
して探針33をX軸方向に往復動させたときの高電圧増
幅器51の入力信号の変化および増幅器57の入力信号
(観察信号)の変化が示されている。これらの図から判
るように、高電圧増幅器51の入力信号は試料の緩やか
な傾きだけに対応したものとなり、また増幅器57の入
力信号は試料表面の微細な凹凸、つまり原子位置に対応
したものとなる。
In FIGS. 2(b) and 2(c), the sample having the surface shape shown in FIG. Using a scanning probe device in which the drive time constant of the long control system 42 is about 1 millisecond, the piezoelectric element for driving in the X-axis direction has a time to peak value of 15 milliseconds, as shown in Figure 2(a). A change in the input signal of the high voltage amplifier 51 and a change in the input signal (observation signal) of the amplifier 57 are shown when the probe 33 is reciprocated in the X-axis direction by applying a short triangular wave. As can be seen from these figures, the input signal to the high voltage amplifier 51 corresponds only to the gentle inclination of the sample, and the input signal to the amplifier 57 corresponds to minute irregularities on the sample surface, that is, the atomic positions. Become.

【0029】図3には同様の駆動条件でグラファイト試
料の表面をY軸方向に64本走査したときの観察信号画
像が示されている。この領域の走査に要した時間は2秒
であり、従来の装置に比べて走査速度が2桁向上してい
る。
FIG. 3 shows observation signal images obtained when the surface of a graphite sample was scanned 64 times in the Y-axis direction under similar driving conditions. The time required to scan this area was 2 seconds, which is a two-digit improvement in scanning speed compared to conventional devices.

【0030】図4には第1の間隙長制御系41の駆動時
定数τ41と間隙長制御系42の駆動時定数τ42との
比と、表面原子の凹凸に対応して変化する高電圧増幅器
51の入力信号S41と増幅器57の入力信号S42と
の和に対するS42の割合をプロットしたものが示され
ている。 この図から判るように、駆動時定数の比が10以上で効
果が現れる。
FIG. 4 shows the ratio between the drive time constant τ41 of the first gap length control system 41 and the drive time constant τ42 of the gap length control system 42, and the high voltage amplifier 51 that changes in accordance with the unevenness of the surface atoms. A plot of the ratio of S42 to the sum of the input signal S41 of the amplifier 57 and the input signal S42 of the amplifier 57 is shown. As can be seen from this figure, the effect appears when the ratio of drive time constants is 10 or more.

【0031】このように、試料32と探針33との間の
間隙長を一定に保持する間隙長制御系31を、応答速度
は遅いが大きな伸縮量を得ることができる第1の間隙長
制御系41と、大きな伸縮量は得られないが応答速度の
速い第2の間隙長制御系42とで構成している。このた
め、第1の間隙長制御系41によって試料32の表面の
傾斜や緩やかな変位に追随させることができ、また第2
の間隙長制御系42によって試料32の表面の原子レベ
ルの微細な凹凸に忠実に追随させることができ、この結
果として、たとえ走査速度が速い場合であっても試料3
2と探針33との間の間隙長を常に一定に保持すること
ができる。したがって、STMやAFM、あるいはこれ
を応用した表面処理装置や加工装置に適用したときには
、試料の表面状態が熱ドリフト等で変化する前に測定、
処理あるいは加工等を終了させることができる。
In this way, the gap length control system 31 that keeps the gap length between the sample 32 and the probe 33 constant is controlled by the first gap length control system that has a slow response speed but can obtain a large amount of expansion and contraction. system 41 and a second gap length control system 42 which does not provide a large amount of expansion and contraction but has a fast response speed. Therefore, the first gap length control system 41 can follow the slope and gentle displacement of the surface of the sample 32, and the second gap length control system
The gap length control system 42 makes it possible to faithfully follow the minute irregularities on the atomic level of the surface of the sample 32, and as a result, even when the scanning speed is high, the sample 3
The gap length between the probe 2 and the probe 33 can always be kept constant. Therefore, when applied to STM, AFM, or surface treatment equipment or processing equipment that applies this, measurement can be performed before the surface state of the sample changes due to thermal drift, etc.
Processing or machining can be completed.

【0032】また、第1の間隙長制御系41は速い応答
速度を必要としないので、高電圧増幅器51として周波
数応答度の低いもの、つまり安価で、しかもノイズノ少
ない高電圧増幅器51を使用できる。また、第2の間隙
長制御系42では圧電素子39に印加する電圧が低くて
よいので、周波数応答度が高く、しかも出力ノイズの少
ない汎用の演算増幅(IC)の出力を直接印加すること
もできる。
Furthermore, since the first gap length control system 41 does not require a fast response speed, it is possible to use a high voltage amplifier 51 with a low frequency response, that is, an inexpensive high voltage amplifier 51 with less noise. Furthermore, since the voltage applied to the piezoelectric element 39 may be low in the second gap length control system 42, it is also possible to directly apply the output of a general-purpose operational amplifier (IC) with high frequency response and low output noise. can.

【0033】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、上述した実施例では試料を
固定し、この試料に対して探針を移動させるようにして
いるが、逆に探針を固定し、試料を移動させるようにし
てもよい。また、圧電素子38を探針側に、圧電素子3
9を試料側に設置してもよいし、これとは逆の関係に各
圧電素子を設置してもよい。また、上述した実施例では
間隙長制御系を2段構成としているが、3段以上の構成
にしてもよい。また、本発明に係る走査型探針装置は、
測定、処理、加工に際し、試料と探針との間の間隙長を
一定に保持して探針で試料表面を走査するもの全般、す
なわち、STM、AFM、容量顕微鏡、表面処理装置、
表面に微細加工を施す装置等に適用できる。なお、容量
顕微鏡に適用したときには探針と試料との間の容量から
間隙長情報を得ることになる。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々変形できる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments. That is, in the embodiments described above, the sample is fixed and the probe is moved relative to the sample, but conversely, the probe may be fixed and the sample is moved. In addition, the piezoelectric element 38 is placed on the probe side, and the piezoelectric element 38 is placed on the probe side.
9 may be placed on the sample side, or each piezoelectric element may be placed in the opposite relationship. Further, in the above-described embodiment, the gap length control system has a two-stage structure, but it may have a three-stage structure or more. Furthermore, the scanning probe device according to the present invention includes:
All devices that scan the sample surface with a probe while maintaining a constant gap length between the sample and the probe during measurement, processing, and processing, such as STM, AFM, capacitance microscopes, surface treatment equipment,
It can be applied to devices that perform micromachining on surfaces. Note that when applied to a capacitance microscope, gap length information is obtained from the capacitance between the probe and the sample. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、試
料と探針との間の間隙長を常に一定に保持する間隙長制
御系を複数段構成とし、これらのうちの特定段を他のも
のに比べて駆動時定数の小さいもので構成している。し
たがって、駆動時定数の大きいもので試料の表面の傾斜
や緩やかな変位に追随させることができ、また駆動時定
数の小さい特定段によって試料表面の原子レベルオーダ
の微細な凹凸に忠実に追随させることができ、この結果
として、たとえ走査速度が速い場合であっても、高価な
増幅器等を必要とせずに試料と探針との間の間隙長を常
に一定に保持することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the gap length control system that always keeps the gap length between the sample and the probe constant is configured in multiple stages, and a specific stage of these is configured to It is constructed with a drive time constant that is smaller than other types. Therefore, it is possible to follow the inclination or gradual displacement of the sample surface with a drive time constant that is large, and it is possible to faithfully follow the minute irregularities on the atomic level of the sample surface using a specific stage with a small drive time constant. As a result, even when the scanning speed is high, the gap length between the sample and the probe can be kept constant without requiring an expensive amplifier or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係る走査型探針装置におけ
る要部の概略構成図
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of main parts of a scanning probe device according to an embodiment of the present invention.

【図2】同走査型探針装置をSTMに適用して緩やかな
傾斜を持つ試料の表面上を高速で往復走査したときの各
部波形図
[Figure 2] Waveform diagrams of various parts when the same scanning probe device is applied to STM and the surface of a sample with a gentle slope is scanned back and forth at high speed.

【図3】同走査型探針装置をSTMに適用してグラファ
イト試料の表面一定領域を高速走査したときに得られた
観察信号画像図
[Figure 3] Observation signal image diagram obtained when the same scanning probe device was applied to STM to scan a certain area on the surface of a graphite sample at high speed.

【図4】同走査型探針装置における間隙長制御系を構成
している第1および第2の間隙長制御系の駆動時定数と
信号強度比とを示す図
FIG. 4 is a diagram showing the drive time constant and signal intensity ratio of the first and second gap length control systems that constitute the gap length control system in the scanning probe device.

【図5】従来の走査型探針装置における要部の概略構成
[Fig. 5] Schematic diagram of the main parts of a conventional scanning probe device

【図6】試料と探針との関係を拡大して示す図[Figure 6] Diagram showing an enlarged view of the relationship between the sample and the probe

【図7】
従来の走査型探針装置をSTMに適用して図6に示す緩
やかな傾斜を持つ試料の表面上を高速で往復走査したと
きの各部波形図
[Figure 7]
Waveform diagrams of various parts when applying a conventional scanning probe device to STM and scanning back and forth at high speed on the surface of a sample with a gentle slope as shown in Figure 6.

【図8】従来の走査型探針装置をSTMに適用してグラ
ファイト試料の表面一定領域を高速走査したときに得ら
れた観察信号画像図
[Fig. 8] Observation signal image diagram obtained when a conventional scanning probe device was applied to STM to scan a fixed area on the surface of a graphite sample at high speed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31…間隙長制御系、               
     32…試料、 33…探針、                   
         35…駆動部、 37…X,Y軸方向駆動用の圧電素子、    38、
39…圧電素子、 40…バイアス電源、               
     41…第1の間隙長制御系、 42…第2の間隙長制御系、            
  43…I/V増幅器、 44…ログ増幅器、                
      45,52…減算器、 46…基準電源、                 
       51…高電圧増幅器、 57…増幅器。
31...Gap length control system,
32...sample, 33...probe,
35... Drive unit, 37... Piezoelectric element for driving in the X and Y axis directions, 38,
39... Piezoelectric element, 40... Bias power supply,
41...First gap length control system, 42...Second gap length control system,
43...I/V amplifier, 44...log amplifier,
45, 52...Subtractor, 46...Reference power supply,
51...High voltage amplifier, 57...Amplifier.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料の表面に対向配置される探針と、この
探針と前記試料との間の間隙長を常に一定に保持する間
隙長制御手段と、前記探針と前記試料とを上記試料の表
面に沿う方向に相対移動させて上記探針で上記試料の表
面上を走査する走査手段とを備えた走査型探針装置にお
いて、前記間隙長制御手段は、それぞれの変位量の和の
変位量で前記探針と前記試料とを相対移動させる複数の
アクチュエータと、前記探針と前記試料との間の間隙長
変化に応答して対応する前記アクチュエータを駆動する
駆動時定数の異なる複数の制御系とを具備してなること
を特徴とする走査型探針装置。
1. A probe disposed opposite to the surface of a sample; gap length control means for always maintaining a constant gap length between the probe and the sample; and scanning means for scanning the surface of the sample with the probe by relative movement in a direction along the surface of the sample, wherein the gap length control means is configured to adjust the distance between the sum of the respective displacement amounts. A plurality of actuators that relatively move the probe and the sample by a displacement amount, and a plurality of actuators having different drive time constants that drive the corresponding actuators in response to a change in the gap length between the probe and the sample. A scanning probe device comprising a control system.
【請求項2】前記アクチュエータは2個設けられており
、一方のアクチュエータは第1の圧電素子で形成され、
他方のアクチュエータは上記第1の圧電素子より大きい
変位量が得られる第2の圧電素子で形成され、上記第1
の圧電素子を駆動する前記制御系の駆動時定数は上記第
2の圧電素子を駆動する前記制御系の駆動時定数より小
さいことを特徴とする請求項1に記載の走査型探針装置
2. Two actuators are provided, one of which is formed of a first piezoelectric element,
The other actuator is formed of a second piezoelectric element that can obtain a larger displacement amount than the first piezoelectric element, and
2. The scanning probe device according to claim 1, wherein a drive time constant of the control system for driving the second piezoelectric element is smaller than a drive time constant for the control system for driving the second piezoelectric element.
【請求項3】前記第1の圧電素子を駆動する制御系の駆
動時定数は、前記第2の圧電素子を駆動する制御系の駆
動時定数の10分の1以下であることを特徴とする請求
項2に記載の走査型探針装置。
3. A drive time constant of a control system that drives the first piezoelectric element is one-tenth or less of a drive time constant of a control system that drives the second piezoelectric element. The scanning probe device according to claim 2.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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