JPH05126515A - 走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子に印加される駆動電圧がトンネル電
流に影響を与えず、且つシールド手段を設けたとして
も、質量を小さくして固有振動数を高くする。 【構成】 走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構におい
て、導電体の探針取付け部を絶縁体に収容し、この絶縁
体を３本の圧電素子で支持し、これらの圧電素子を駆動
動作することにより試料表面における探針のスキャン動
作及び試料表面に対する探針の接近・離反動作を行う構
造において、絶縁体の外部に露出する表面に導電性物質
による膜を形成して当該表面を被覆し、もって走査型ト
ンネル顕微鏡を電子顕微鏡に組み込む場合には電子顕微
鏡の電子ビームからの影響を除き、また圧電素子に印加
される交流電圧の影響を除く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡の
探針微動機構に関し、特に走査型トンネル顕微鏡が電子
顕微鏡に組付けられた場合に電子ビームによる帯電を防
止すると共に圧電素子に与えられる駆動電圧の影響を阻
止する構造を有した走査型トンネル顕微鏡の探針微動機
構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型トンネル顕微鏡（以下、Ｓ
ＴＭと記す）における探針微動機構の一般的な構造につ
いて説明する。ＳＴＭの探針が試料の測定面を測定する
場合には、探針と試料との間に流れるトンネル電流を利
用する。２つの物質の間に生じるトンネル現象を利用し
てトンネル電流を流すため、探針は試料の測定面に極め
て小さい距離（原子レベルの距離）で接近するように、
その位置を変化させる必要がある。試料の測定面と探針
との距離を調整するために、微動機構は接近・離反用の
圧電素子を備えている。また探針にトンネル電流が流れ
る状態において探針が試料の測定面を測定するために
は、探針は、所要領域の測定面において当該測定面に対
し前記トンネル電流が一定、すなわち一定の距離を保っ
てスキャン動作を行わなければならない。このスキャン
動作は前記測定面に並行なＸ−Ｙ平面内において行われ
る。このスキャン動作のために、スキャン用の圧電素子
を備えている。

【０００３】以上の如くＳＴＭの探針微動機構には、探
針を試料測定面に対し接近・離反させるための圧電素
子、探針を試料測定面に沿ってスキャン動作させるため
の圧電素子を有している。これの複数の圧電素子は固定
用の基部部材に取付けられ、更に探針を取付けた探針取
付け部を支持するように構成されている。具体的に、圧
電素子は積層構造の棒状形態に形成され、且つＸ，Ｙ，
Ｚの各方向に配置された３本の圧電素子が用いられ、棒
状の各圧電素子の一端は前記基部部材に固定され、他端
は前述の探針取付け部に固定されている。かかる支持構
造によって探針は、前記複数の圧電素子により探針取付
け部を介して前述の如き移動を行う。上記の構造におい
て、探針を支持する取付け部は通常絶縁体により形成さ
れている。これは各圧電素子と探針とを電気的に絶縁関
係にするためである。

【０００４】また探針微動機構の構造を開示する従来の
文献として特開平１−１２７９０１号公報が存在する。
この文献では、電子顕微鏡に組付けられたＳＴＭにおい
て、圧電素子に印加される周波的電圧に起因して発生す
る電場が、電子顕微鏡の電子線に偏向を与えることに鑑
み、これを防止すべく、走査ユニット部に導電性シール
ド部材を設けるように構成されたＳＴＭを開示してい
る。これに対して前述の一般的な探針微動機構は、シー
ルド手段は何も施されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭの探針微動機構
では一般的に次のような２つの問題が提起される。

【０００６】まず第１に微動機構におけるスキャン動作
に関与する圧電素子には、０〜１００ボルトの電圧範囲
で数１００ヘルツで変化する駆動電圧が印加される。こ
の周期的に変化する駆動電圧は、圧電素子が探針に対し
探針取付け部を介在して接近状態で配置されているた
め、絶縁体である探針取付け部を経由して、探針に流れ
るトンネル電流にノイズとして影響を与え、トンネル電
流の測定値に誤差を発生させる。

【０００７】次に第２の問題として、電子顕微鏡の試料
室内にＳＴＭを配設した構成を有するものにおいては、
電子顕微鏡にて発生する電子ビームによって探針取付け
部の絶縁体の表面が帯電し、この帯電作用が探針のトン
ネル電流にノイズとして影響を与え、測定誤差を生じ
る。

【０００８】上記ＳＴＭにおける２つの一般的問題につ
いて、前述した従来の一般的な探針微動機構の構造によ
れば、何等のシールド手段も備えないので、いずれの問
題も解決することができない。また前記公知文献に開示
された探針微動機構の構造によれば、全体を覆うシール
ド部材を備えているので、前記第２の問題を解決するこ
とができるが、前記第１の問題については、これを解決
することができない。なお、前記公知文献に示された探
針微動機構の構造では、シールド部材のために特別なス
ペースが必要となり、またシールド部材を別部材として
付加することは、本来微動機構に要求される、質量を小
さくすること、及び固有振動数を高くすることに反する
という問題も提起される。

【０００９】本発明の目的は、圧電素子に印加される駆
動電圧がトンネル電流に影響を与えず、且つシールド手
段を設けたとしても、質量を小さくして固有振動数を高
くすることのできるＳＴＭの探針微動機構を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡の探針微動機構は、試料面測定用の探針を探
針取付け部を介して取付け、試料の測定面に沿って探針
をスキャン動作させる圧電素子と、測定面に対して探針
を接近又は離反させる圧電素子とを備えて、これらの圧
電素子が探針取付け部材を支持するように構成された走
査型トンネル顕微鏡の探針微動機構において、探針取付
け部は絶縁体で形成され、探針取付け部の表面を導電性
物質で被覆し、この探針取付け部と圧電素子との間に導
電性物質を介在させたことを特徴とする。また本発明
は、前記走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構におい
て、探針取付け部の外側に露出する面全体を導電性物質
の膜で覆うようにしたことを特徴とする。また本発明
は、前記走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構におい
て、探針取付け部の外面を覆う膜は、金属メッキである
ことを特徴とする。また本発明は、前記の各走査型トン
ネル顕微鏡の探針微動機構において、圧電素子のそれぞ
れは、被覆された導電性部分を介して探針取付け部に接
着されていることを特徴とする。また本発明は、前記の
各走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構において、被覆
された導電性部分はアースされることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明による走査型トンネル顕微鏡の探針微動
機構では、絶縁体で形成された探針取付け部の外表面に
導電性物質による膜を形成し、周辺に電子ビームが存在
するときには、探針取付け部が電子ビームによって帯電
するを防止する作用が生じる。また探針取付け部は複数
の圧電素子により接着され、これらの圧電素子に支持さ
れるが、この圧電素子との間に導電性物質による膜等を
形成するようようにしたため、圧電素子に印加される周
期的な駆動電圧の発生する電場がトンネル電流に影響を
与えるの防止することができる。かかる導電性の膜を探
針取付け部に設けたとしても、極めて軽量なものである
から、探針の動作における迅速性には何等問題は生じな
い。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を第１図及び第２図
に基づいて説明する。第１図は本発明に係る探針微動機
構の前方斜視図、第２図は同微動機構の要部側方断面図
である。

【００１３】第１図において、１は固定用の基部部材
で、基部部材１は図示されない固着手段によりＳＴＭ本
体に取付けられる。２Ａ，２Ｂ，２Ｃは棒状の形状を有
する圧電素子であり、基部部材１の手前側に配設された
２本の圧電素子２Ａ，２Ｂは探針をスキャン動作させる
ためのアクチュエータであり、基部部材１の後側に配設
された圧電素子２Ｃは探針の接近・離反の動作を行うた
めのアクチュエータである。上記の各圧電素子は積層構
造を有する。前記の基部部材１の形態は、全体的にほぼ
Ｌ字型を有し、前縁に圧電素子２Ａ，２Ｂのそれぞれの
一端を支持固定する片部１ａ，１ｂが形成され、後縁に
圧電素子２Ｃの一端を支持固定する立設された片部１ｃ
が形成されている。

【００１４】基部部材１における圧電素子２Ａ，２Ｂ，
２Ｃの配置状態では、圧電素子２Ａ，２Ｂは互いに直交
する位置関係に配置され、圧電素子２Ｃの軸方向は探針
の軸方向と同じ方向であり、且つ圧電素子２Ｃは圧電素
子２Ａ，２Ｂのそれぞれに直交している。また第１図中
において、３Ａ〜３Ｃは圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれ
に駆動電圧を給電する電源ラインである。

【００１５】４は探針であり、この探針４はその先端が
第１図中において手前方向に向くように配置される。探
針４は探針取付け部５にネジ６で固定される。探針取付
け部５は導電体部材で形成される。探針取付け部５に接
続されたライン７は、探針４にトンネル電流を流すため
の印加電圧を与える電源ラインである。トンネル電流
は、探針４と測定対象である試料の測定面の距離が原子
レベルの距離になったときに探針４において流れる。Ｓ
ＴＭの構成としては、その他に電気系統として、前記印
加電圧を発生する回路部、探針４に流れるトンンネル電
流を検出する検出回路、流れたトンネル電流を一定とす
るために、試料測定面に対する探針４の距離を一定に制
御する探針位置制御回路部、探針の位置変化に関するデ
ータを収集し、データ処理する演算部等の構成要素を有
しているが、それらの図示は省略される。

【００１６】８は探針取付け部５を取付け、支持する絶
縁体で、同時に前記圧電素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれの他
端を固着している。探針取付け部５は接着剤によって絶
縁体８に固定される。絶縁体８の機能は、トンネル電流
が流れる探針取付け部５と、駆動電圧の印加を受けて伸
縮する圧電素子２Ａ〜２Ｃとの間を電気的に遮断するこ
とにある。

【００１７】次に前記絶縁体８の表面には、第２図で明
らかなように、導電性物質によるメッキが形成されてい
る。９がメッキ層である。メッキ層９は導電性物質であ
れば良く、代表的には金属メッキが使用される。図示例
では、厚みを持たせて表示されているが、実際には極め
て薄い膜状のものであり、質量的にはほとんど無視でき
るものである。絶縁体８において、探針取付け部５と絶
縁体８との接着面にはメッキ層９は形成されない。また
探針取付け部５と、絶縁体８のその他の表面部に形成さ
れたメッキ層９は電気的に絶縁されている。

【００１８】上記の如く絶縁体８において、探針取付け
部５が接着される表面以外の表面部分にはメッキ層９が
形成される。従って当然のことながら、前述の３本の圧
電素子２Ａ〜２Ｃの絶縁体８側の端部は、絶縁体８の表
面に設けられたメッキ層９に接着される。第２図では圧
電素子２Ｃとメッキ層９との接着部のみを示している
が、他の圧電素子２Ａ，２Ｂについても同様な接着構造
を有している。なお圧電素子２Ａ〜２Ｃの端面には絶縁
体で形成されているので、各圧電素子をメッキ層９に直
接的に接着させても、各圧電素子とメッキ層９との間に
おいて導通関係が生じることはない。

【００１９】また第２図に示されるように、絶縁体８を
覆うように設けられたメッキ層９には、アースライン１
０が接続されており、このアースライン１０を介してメ
ッキ層９はアースされる。

【００２０】以上の如く絶縁体８の所定の表面部分にメ
ッキ層９を形成することにより、次の作用を生じさせる
ことができる。探針取付け部５を外部に支持する絶縁体
８において、外部に露出する絶縁体表面部分に対して導
電性を有するメッキ層９を形成することにより、絶縁体
８の表面部分がシールドされ、その結果ＳＴＭを電子顕
微鏡と組み合わせて構成した場合にも、電子顕微鏡の電
子ビームにより絶縁体８の表面に帯電が生じるのを防止
することができる。従って、電子ビームの帯電によるト
ンネル電流上のノイズが軽減されることになる。

【００２１】次に、探針取付け部５と圧電素子２Ａ〜２
Ｃとの間にメッキ層９が設けられ、このメッキ層９によ
って探針取付け部５が圧電素子２Ａ〜２Ｃからシールド
されるため、圧電素子２Ａ〜２Ｃに印加される駆動電圧
に起因して発生するトンネル電流上のノイズを大幅に軽
減することができる。

【００２２】更に、トンネル電流におけるノイズを上記
の如く軽減できるにも拘らず、設けられる手段はメッキ
層９だけであり、このメッキ層９は質量的にはほとんど
無視できるものであり、また形態的にも微動機構は従来
の大きさとまったく変わらない。換言すれば、本実施例
による探針微動機構の構成によれば、絶縁体８をシール
ドするために余分なスペースを要しないという利点を有
する。また質量の増加を無視できるということは、従来
通りの高速なスキャン動作を維持することができること
を意味する。

【００２３】なお変更実施例として、前記メッキ層９の
代わりに、導電体物質を蒸着して膜を形成しても良い
し、導電体の薄い箔を接着剤で接着することも可能であ
る。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構において、
絶縁体である探針取付け部の外表面に導電性物質による
膜等を形成するようにしたため、探針取付け部に電子ビ
ーム等による帯電が発生することを防止することができ
る。これにより電子ビームに起因するトンネル電流のノ
イズが低減される。また探針駆動用アクチュエータであ
る圧電素子に対して、探針取付け部は電導性物質でシー
ルドされるため、圧電素子の駆動電圧によるトンネル電
流のノイズが低減される。更に、導電性物質はメッキ等
の膜状に形成されるため、質量的にはほとんど無視で
き、余計なスペースも不要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る探針微動機構の前方斜視図であ
る。

【図２】探針微動機構の要部側方断面図である。

【符号の説明】

１ 基部部材 ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 圧電素子 ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 電源ライン ４ 探針 ５ 探針取付け部 ８ 絶縁体 ９ メッキ層 １０ アースライン

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年９月２１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細木 茂行 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 保坂 純男 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山田 理 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日立 製作所那珂工場内 (72)発明者 羽崎 栄市 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日立 製作所那珂工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料面測定用の探針を探針取付け部を介
   して取付け、試料の測定面に沿って前記探針をスキャン
   動作させる圧電素子と、前記測定面に対して前記探針を
   接近又は離反させる圧電素子とを備えて、これらの圧電
   素子が前記探針取付け部材を支持するように構成された
   走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構において、前記探
   針取付け部は絶縁体で形成され、前記探針取付け部の表
   面を導電性物質で被覆し、この探針取付け部と前記圧電
   素子との間に前記導電性物質を介在させたことを特徴と
   する走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡の
   探針微動機構において、前記探針取付け部の外側に露出
   する面全体を前記導電性物質の膜で覆うようにしたこと
   を特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構。
3. 【請求項３】 請求項２記載の走査型トンネル顕微鏡の
   探針微動機構において、前記探針取付け部の外面を覆う
   膜は、金属メッキであることを特徴とする走査型トンネ
   ル顕微鏡の探針微動機構。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の走
   査型トンネル顕微鏡の探針微動機構において、前記圧電
   素子のそれぞれは、被覆された前記導電性部分を介して
   前記探針取付け部に接着されていることを特徴とする走
   査型トンネル顕微鏡の探針微動機構。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の走
   査型トンネル顕微鏡の探針微動機構において、被覆され
   た前記導電性部分はアースされることを特徴とする走査
   型トンネル顕微鏡の探針微動機構。