JPH05296711A - Probe jogging mechanism - Google Patents

Probe jogging mechanism

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JPH05296711A
JPH05296711A JP9985892A JP9985892A JPH05296711A JP H05296711 A JPH05296711 A JP H05296711A JP 9985892 A JP9985892 A JP 9985892A JP 9985892 A JP9985892 A JP 9985892A JP H05296711 A JPH05296711 A JP H05296711A
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JP
Japan
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scanning
probe
voltage
piezoelectric element
piezoelectric elements
Prior art date
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Application number
JP9985892A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhide Seki
一秀 関
Ryuji Takada
龍二 高田
Noboru Yamamoto
登 山本
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH05296711A publication Critical patent/JPH05296711A/en
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To reduce the effect of creep action generated with a plane scanning piezoelectric element on a measurement image, regarding the probe jogging mechanism of a scanning type tunnel microscope or the like. CONSTITUTION:This mechanism is constituted of two piezoelectric elements 3a and 3b corresponding to first and second axes orthogonal with each other for undertaking plane scanning with a probe 1 via the expansion and contraction of the elements 3a and 3b due to voltage application. In addition, the constitution is so made that rated voltage is applied to the elements 3a and 3b in such a way as generating the maximum stroke thereof almost free from creep in non-scanning state prior to the start of plane scanning operation. Also, the constitution is so made as to apply voltage causing the maximum stroke of the elements 3a and 3b determined by the predetermined scanning area.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は探針微動機構に係り、特
に、原子レベルの微細対象物を測定するため使用される
走査型トンネル顕微鏡などに好適な探針微動機構に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine needle movement mechanism, and more particularly to a fine needle movement mechanism suitable for a scanning tunneling microscope or the like used for measuring an atomic level fine object.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡の探針微動機構
は、通常、圧電素子を利用して構成される。走査型トン
ネル顕微鏡によれば、試料表面の原子レベルの寸法の凹
凸形状を測定することができる。この測定では、探針は
試料表面の凹凸形状をなぞるように移動するが、このと
き、微動機構におけるZ方向圧電素子により、探針と試
料表面との間隔を一定に維持するように探針をその高さ
方向に移動させる。
2. Description of the Related Art A fine probe mechanism of a scanning tunneling microscope is usually constructed by using a piezoelectric element. According to the scanning tunneling microscope, it is possible to measure the uneven shape of the atomic level dimension on the sample surface. In this measurement, the probe moves so as to trace the uneven shape of the sample surface. At this time, the Z-direction piezoelectric element in the fine movement mechanism moves the probe so as to keep the interval between the probe and the sample surface constant. Move it in the height direction.

【0003】微動機構の構造には、従来、種々の形式の
ものが提案されている。一般的に、X,Y,Zの相互に
直交する3軸方向のそれぞれにロッド状の圧電素子を配
置してなるトライポッド形式の微動機構が使用される。
この微動機構によれば、X及びYの各方向の圧電素子の
伸縮動作で、試料表面を一辺が約10μmの矩形領域で
平面走査し、Z方向の圧電素子の伸縮動作で探針と試料
表面の間隔が一定となるように調整する。
Various types of fine movement mechanisms have been proposed in the past. Generally, a tripod type fine movement mechanism in which rod-shaped piezoelectric elements are arranged in each of three axial directions of X, Y and Z orthogonal to each other is used.
According to this fine movement mechanism, when the piezoelectric element expands and contracts in each of the X and Y directions, the sample surface is scanned in a rectangular area with one side of about 10 μm, and the piezoelectric element expands and contracts in the Z direction to expand the probe and the sample surface. Adjust so that the interval is constant.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】微動機構で使用される
圧電素子には、次の問題がある。圧電素子は印加される
電圧に応じて歪む性質を有する。所要の電圧を印加する
ことにより、圧電素子を伸長させ所要の長さを得ること
ができる。印加電圧を低減することにより、圧電素子は
収縮し、その長さを減じる。
The piezoelectric element used in the fine movement mechanism has the following problems. The piezoelectric element has the property of being distorted according to the applied voltage. By applying the required voltage, the piezoelectric element can be extended to obtain the required length. By reducing the applied voltage, the piezoelectric element contracts, reducing its length.

【0005】ところで、圧電素子における印加電圧と歪
み(伸縮長さ)の関係の一例をグラフに示すと、図2の
ようになる。この図は、本発明の実施例説明で用いられ
る図であるが、圧電素子の特性上の問題を説明するため
に参照する。図2のグラフにおいて、横軸が印加電圧を
表し、右方に向かって印加電圧が大きくなる。縦軸が歪
み量を表し、上方に向かって歪み量が大きくなる。グラ
フで明らかなように、最初に印加電圧が0の時は歪み量
は0である。印加電圧を0から次第に大きくして最大歪
み量を達成する定格電圧まで印加すると、歪み量は原点
Oから変化特性Aに従って大きくなるように変化する。
定格電圧に対応するa点で最大ストローク(伸長量)を
生じる。次に印加電圧を定格電圧から次第に減少させる
と、歪み量は変化特性Bに従って小さくなる。印加電圧
を0とすると、b点の位置に移動する。この場合、最初
の印加電圧0の時に比較すると歪み量が異なり、歪み量
は完全に0にならない。ただし時間の経過と共に、歪み
量は0になる。すなわち、b点から原点Oに推移する。
かかる推移が生じる前に、再び印加電圧を0から定格電
圧まで変化させると、歪み量は変化特性Cに従って変化
する。更に、上記と同様に、印加電圧を定格電圧から0
になるまで変化させると、変化特性Dに従って歪み量は
c点まで移動するように変化する。
By the way, an example of the relationship between the applied voltage and the strain (expansion / contraction length) in the piezoelectric element is shown in the graph of FIG. Although this drawing is used in the description of the embodiments of the present invention, it will be referred to in order to explain the problem in the characteristics of the piezoelectric element. In the graph of FIG. 2, the horizontal axis represents the applied voltage, and the applied voltage increases toward the right. The vertical axis represents the strain amount, and the strain amount increases in the upward direction. As is apparent from the graph, the strain amount is 0 when the applied voltage is 0 initially. When the applied voltage is gradually increased from 0 to the rated voltage that achieves the maximum strain amount, the strain amount changes from the origin O to increase according to the change characteristic A.
The maximum stroke (extension amount) occurs at point a corresponding to the rated voltage. Next, when the applied voltage is gradually reduced from the rated voltage, the amount of strain decreases according to the change characteristic B. When the applied voltage is 0, it moves to the position of point b. In this case, the amount of strain is different when compared with the first applied voltage of 0, and the amount of strain is not completely zero. However, the amount of distortion becomes 0 with the passage of time. That is, the transition is made from the point b to the origin O.
When the applied voltage is changed from 0 to the rated voltage again before such a transition occurs, the strain amount changes according to the change characteristic C. Furthermore, in the same manner as above, the applied voltage is 0 from the rated voltage.
When it is changed to, the distortion amount changes according to the change characteristic D so as to move to the point c.

【0006】上記の如く、圧電素子における印加電圧と
歪み量との間には、印加電圧の増加方向と減少方向でそ
れぞれの歪み量の変化特性が異なるというヒステリシス
特性が存在する。また印加電圧の増加及び低減を繰り返
すと、変化特性が、次第に歪み量が多くなる方向に推移
するという特性が存在する。このような推移する特性及
び印加電圧を所定時間一定に保持すると歪み量が減少す
るという特性をクリープ特性という。クリープ特性で
は、歪み量の変化として、印加電圧が0の場合に特に顕
著であるが、その他の中間箇所、例えばd点でも発生す
る。すなわち、時間が経過すると、d点はe点に推移す
る。換言すれば、クリープ現象は、印加電圧に対応する
歪み量の変化特性自体が、印加電圧の増減を反復すると
きには歪み量が大きくなる方向へ変化し、印加電圧を一
定に保つときには歪み量が小さくなる方向へ変化すると
いう現象である。
As described above, between the applied voltage and the strain amount in the piezoelectric element, there is a hysteresis characteristic that the change characteristics of the strain amount are different in the increasing direction and the decreasing direction of the applied voltage. Further, when the applied voltage is repeatedly increased and decreased, the change characteristic has a characteristic that the amount of strain gradually increases. Creep characteristics are characteristics that change and the amount of strain decreases when the applied voltage is held constant for a predetermined time. In the creep characteristics, the change in strain is particularly remarkable when the applied voltage is 0, but it also occurs at other intermediate points, for example, point d. That is, as time passes, point d changes to point e. In other words, the creep phenomenon is such that the change characteristic of the strain amount corresponding to the applied voltage changes in the direction in which the strain amount increases when the applied voltage is repeatedly increased and decreased, and the strain amount decreases when the applied voltage is kept constant. It is a phenomenon that changes in the direction of.

【0007】走査型トンネル顕微鏡による測定上、圧電
素子の前記クリープ特性は、下記の通り測定データに大
きな影響を及ぼす。
[0007] In the measurement by the scanning tunneling microscope, the creep characteristic of the piezoelectric element has a great influence on the measurement data as follows.

【0008】探針は、前述の如く、X方向圧電素子とY
方向圧電素子で試料表面の矩形平面を走査する。この平
面走査では、図6(A)に示すように試料表面で矩形領
域31が設定される。図6(A)は試料の一部表面を示
し、縦線32は試料表面のパターン例を示している。矩
形領域31において、横軸がX軸を意味し、縦軸がY軸
を意味する。かかる矩形領域31を平面走査するため
に、X軸方向圧電素子及びY軸方向圧電素子のそれぞれ
に、図5に示すように駆動電圧が印加される。それぞれ
の圧電素子に印加される電圧の大きさは、走査領域に対
応して決定される。X軸方向圧電素子には往復移動を繰
り返すため三角波電圧が印加される。Y軸方向圧電素子
には、三角波電圧のそれぞれに対応して一定距離ごとに
位置を移動させるためにステップ状の電圧が印加され
る。いずれの圧電素子についても、印加電圧は0から始
まる。こうしてX及びYの各方向の圧電素子によって探
針は矩形領域31を平面走査する。
As described above, the probe is composed of the X-direction piezoelectric element and the Y-direction.
The rectangular piezoelectric element on the sample surface is scanned by the directional piezoelectric element. In this plane scanning, a rectangular area 31 is set on the sample surface as shown in FIG. 6 (A). FIG. 6A shows a partial surface of the sample, and the vertical line 32 shows an example of a pattern on the sample surface. In the rectangular area 31, the horizontal axis means the X axis and the vertical axis means the Y axis. In order to scan the rectangular area 31 in a plane, a driving voltage is applied to each of the X-axis direction piezoelectric element and the Y-axis direction piezoelectric element as shown in FIG. The magnitude of the voltage applied to each piezoelectric element is determined corresponding to the scanning area. A triangular wave voltage is applied to the X-axis direction piezoelectric element to repeat the reciprocating movement. A step-like voltage is applied to the Y-axis direction piezoelectric element in order to move the position at a constant distance corresponding to each of the triangular wave voltages. The applied voltage starts from 0 for both piezoelectric elements. In this way, the probe scans the rectangular area 31 in a plane by the piezoelectric elements in the X and Y directions.

【0009】しかし、圧電素子にはクリープ特性が存在
するため、走査を開始した直後のX軸方向の圧電素子に
クリープ現象が生じ、測定データの精度が低下する。従
来の制御方法では、圧電素子の印加電圧の初期値は0で
あり、印加電圧の範囲として特にクリープが顕著に発生
する電圧領域を使用している。その結果、図6(B)に
示すように測定画像33の走査開始直後に測定された画
像部分34が乱れるという不具合が発生する。
However, since the piezoelectric element has creep characteristics, the creep phenomenon occurs in the piezoelectric element in the X-axis direction immediately after the start of scanning, and the accuracy of the measurement data deteriorates. In the conventional control method, the initial value of the applied voltage to the piezoelectric element is 0, and the range of the applied voltage uses the voltage region in which creep is particularly remarkable. As a result, as shown in FIG. 6B, the image portion 34 measured immediately after the scanning of the measurement image 33 starts to be disturbed occurs.

【0010】上記の問題は、他の形式の探針微動機構で
も同様に生じる。
The above-mentioned problems similarly occur in other types of probe fine movement mechanisms.

【0011】本発明の目的は、圧電素子で生じるクリー
プ作用が測定画像に影響を与えるのを低減した走査型ト
ンネル顕微鏡等の探針微動機構を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a fine movement mechanism of a probe, such as a scanning tunneling microscope, in which the creeping effect of a piezoelectric element is less likely to affect the measurement image.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明に係る探針微動機
構は、直交する第1軸及び第2軸のそれぞれに対応する
2つの圧電素子を有し、これらの圧電素子のそれぞれに
電圧を印加しその伸縮動作で探針の平面走査を行うよう
に構成され、前記平面走査を開始する前の非走査時に、
2つの圧電素子に対し、クリープがほとんど発生しない
最大ストロークを生じる定格電圧を印加するように構成
される。
A probe fine movement mechanism according to the present invention has two piezoelectric elements respectively corresponding to a first axis and a second axis which are orthogonal to each other, and a voltage is applied to each of these piezoelectric elements. It is configured to perform planar scanning of the probe by applying and expanding and contracting it, and at the time of non-scanning before starting the planar scanning,
The two piezoelectric elements are configured to be applied with a rated voltage that causes a maximum stroke in which almost no creep occurs.

【0013】また本発明に係る探針微動機構は、直交す
る第1軸及び第2軸のそれぞれに対応する2つの圧電素
子を有し、これらの圧電素子のそれぞれに電圧を印加し
その伸縮動作で探針の平面走査を行うように構成され、
更に、前記平面走査を開始する前の非走査時に、2つの
圧電素子に対し、設定された走査領域で決まる最大スト
ロークを生じる電圧を印加するように構成される。この
電圧は、走査領域に探針をとどめると共に当該走査領域
においてクリープの発生がもっとも少ない箇所に対応す
る電圧である。
The probe fine movement mechanism according to the present invention has two piezoelectric elements respectively corresponding to the first axis and the second axis which are orthogonal to each other, and a voltage is applied to each of these piezoelectric elements to expand and contract. Is configured to perform flat scanning of the probe with
Further, during non-scanning before starting the planar scanning, a voltage that causes a maximum stroke determined by the set scanning region is applied to the two piezoelectric elements. This voltage is a voltage that keeps the probe in the scanning area and corresponds to a location in the scanning area where creep is least generated.

【0014】[0014]

【作用】本発明では、走査型トンネル顕微鏡等で測定を
開始するとき、測定対象である表面領域で探針を平面走
査させるにあたり、平面走査開始前の非走査時に平面走
査に関係する2つの圧電素子に定格電圧を印加してお
く。この定格電圧は圧電素子を最大ストロークにセット
するため、当該圧電素子はクリープがほとんどを起きな
い状態に保持される。従って測定のために平面走査を開
始したとき、定格電圧が印加された状態から開始される
ので、測定開始直後でもクリープの影響を受けることな
く安定して平面走査を行うことができる。
According to the present invention, when the scanning tunneling microscope or the like is used to start the measurement, when the probe is made to scan the surface area to be measured in the plane, two piezoelectric elements related to the plane scan during the non-scan before the start of the plane scan. Apply the rated voltage to the device. This rated voltage sets the piezoelectric element to a maximum stroke, so that the piezoelectric element is held in a state where almost no creep occurs. Therefore, when the plane scanning is started for the measurement, the plane scanning is started from the state in which the rated voltage is applied, so that the plane scanning can be stably performed immediately after the measurement is started without being affected by the creep.

【0015】測定する領域が限定された領域である場合
には、当該測定領域においてもっともクリープの発生程
度が小さい箇所に対応する印加電圧を、定格電圧の代わ
りに前記圧電素子に印加する。この場合にも、測定開始
直後において、クリープの影響を低減することができ
る。
When the region to be measured is a limited region, the applied voltage corresponding to the portion where the degree of creep generation is smallest in the measurement region is applied to the piezoelectric element instead of the rated voltage. Also in this case, the influence of creep can be reduced immediately after the start of measurement.

【0016】[0016]

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0017】図1は走査型トンネル顕微鏡の基本的構成
を示し、走査型トンネル顕微鏡の探針の微動機構、その
動作を制御する制御機構、信号処理機構のそれぞれを概
略的に示す。本実施例では走査型トンネル顕微鏡に適用
される探針微動機構について説明する。また探針微動機
構は、その制御機構を含むものとする。
FIG. 1 shows the basic structure of a scanning tunneling microscope, and schematically shows a fine movement mechanism of a probe of the scanning tunneling microscope, a control mechanism for controlling its operation, and a signal processing mechanism. In this embodiment, a fine movement mechanism of a probe applied to a scanning tunneling microscope will be described. The probe fine movement mechanism includes its control mechanism.

【0018】探針1は、その先端が試料2の測定表面に
対向して垂直に配置される。探針1は3次元圧電アクチ
ュエータ3に固定される。アクチュエータ3はX,Y,
Zの各軸方向の圧電素子3a,3b,3cを有する。探
針1は、3つの圧電素子3a〜3cの垂直交差部に取り
付けられる。圧電素子3a,3bは、探針1を試料2の
表面に沿ってXY走査(平面走査)させるための駆動手
段である。圧電素子3cは、探針のZ方向の位置を変化
させて探針1と試料2の表面との距離(高さ)を調整す
るためのZ方向の駆動手段である。
The tip 1 of the probe 1 is vertically arranged with its tip facing the measurement surface of the sample 2. The probe 1 is fixed to the three-dimensional piezoelectric actuator 3. The actuator 3 has X, Y,
It has piezoelectric elements 3a, 3b, 3c in the respective Z-axis directions. The probe 1 is attached to a vertical intersection of the three piezoelectric elements 3a to 3c. The piezoelectric elements 3a and 3b are driving means for performing XY scanning (planar scanning) of the probe 1 along the surface of the sample 2. The piezoelectric element 3c is a Z-direction driving unit for adjusting the distance (height) between the probe 1 and the surface of the sample 2 by changing the position of the probe in the Z direction.

【0019】探針1と試料2との間には電源4が接続さ
れ、探針1と試料2との間隔が所定の範囲で接近する
と、探針と試料との間にトンネル電流が流れるように構
成される。探針1が試料2の表面に、原子のレベルの大
きさの距離で接近すると、両者の間にトンネル電流が流
れる。この現象は、量子効果に起因するトンネル現象に
基づいて発生する。探針1と試料2の表面との距離の調
整は、前述の圧電素子3cの伸縮動作で行われる。圧電
素子3cの伸縮の動作量は、圧電素子3cに印加される
電圧によって決定される。圧電素子3cへの印加電圧
は、サーボ回路5から与えられる。
A power source 4 is connected between the probe 1 and the sample 2, and when the distance between the probe 1 and the sample 2 approaches within a predetermined range, a tunnel current flows between the probe and the sample. Is composed of. When the probe 1 approaches the surface of the sample 2 at a distance as large as the atomic level, a tunnel current flows between them. This phenomenon occurs based on the tunnel phenomenon caused by the quantum effect. The adjustment of the distance between the probe 1 and the surface of the sample 2 is performed by the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 3c described above. The amount of expansion / contraction of the piezoelectric element 3c is determined by the voltage applied to the piezoelectric element 3c. The voltage applied to the piezoelectric element 3c is given from the servo circuit 5.

【0020】走査型トンネル顕微鏡における測定動作で
は、探針1と試料2との距離を最初に一定の距離にセッ
トし(トンネル電流の大きさに基づいて設定する)、探
針1を走査する時、トンネル電流を検出し、このトンネ
ル電流を一定に保持することにより、探針1と試料2と
の距離を前記の一定距離に保持するように、圧電素子3
cをサーボ制御する。こうすれば、探針1は試料2の表
面の原子レベルの凹凸形状をなぞって移動するため、探
針1を移動させるための制御データに基づいて、試料表
面の凹凸形状を測定することができる。図1において、
6は、トンネル電流を検出し、増幅し、更に電流値を距
離(電圧値)に換算する機能を有するトンネル電流検出
・距離換算回路である。トンネル電流検出・距離換算回
路6から出力される信号は、サーボ回路5に与えられ
る。サーボ回路5は、トンネル電流検出・距離換算回路
6の出力信号が所定の一定値になるように、探針1の移
動を決定する電圧を設定し、圧電素子3cに供給する。
In the measurement operation of the scanning tunneling microscope, the distance between the probe 1 and the sample 2 is first set to a constant distance (set based on the magnitude of the tunnel current), and the probe 1 is scanned. By detecting the tunnel current and holding the tunnel current constant, the piezoelectric element 3 is held so that the distance between the probe 1 and the sample 2 is held at the above-mentioned constant distance.
Servo control c. By doing so, the probe 1 moves by tracing the atomic level unevenness on the surface of the sample 2, so that the unevenness of the sample surface can be measured based on the control data for moving the probe 1. .. In FIG.
Reference numeral 6 denotes a tunnel current detection / distance conversion circuit having a function of detecting and amplifying a tunnel current and further converting the current value into a distance (voltage value). The signal output from the tunnel current detection / distance conversion circuit 6 is given to the servo circuit 5. The servo circuit 5 sets a voltage for determining the movement of the probe 1 so that the output signal of the tunnel current detection / distance conversion circuit 6 has a predetermined constant value, and supplies the voltage to the piezoelectric element 3c.

【0021】7は、探針1の走査を行わせる圧電素子3
a,3bの動作を制御するXY走査回路である。
Reference numeral 7 is a piezoelectric element 3 for scanning the probe 1.
It is an XY scanning circuit that controls the operations of a and 3b.

【0022】探針1に測定動作を行わせる目的で、圧電
素子3a〜3cの伸縮動作を制御する。このとき、サー
ボ回路5で生成されるZ方向の制御データ、及びXY走
査回路7で生成されるX及びYの各方向の制御データ
は、メモリ8に供給され、格納される。メモリ8に格納
された探針1の測定動作を行わせるための制御データ
は、そのまま試料表面の凹凸形状を表す測定データとな
る。この測定データは信号処理回路9でデータ処理さ
れ、これによって作成された画像データに基づき表示装
置10の画面に測定された試料表面の画像が表示され
る。
For the purpose of causing the probe 1 to perform a measurement operation, the expansion / contraction operation of the piezoelectric elements 3a to 3c is controlled. At this time, the Z direction control data generated by the servo circuit 5 and the X and Y direction control data generated by the XY scanning circuit 7 are supplied to and stored in the memory 8. The control data for performing the measurement operation of the probe 1 stored in the memory 8 becomes the measurement data representing the uneven shape of the sample surface as it is. This measurement data is data-processed by the signal processing circuit 9, and the image of the measured sample surface is displayed on the screen of the display device 10 based on the image data created thereby.

【0023】次に、平面走査ための圧電素子3a,3b
の動作制御について説明する。
Next, piezoelectric elements 3a and 3b for plane scanning.
The operation control of will be described.

【0024】試料2の測定表面の上で探針1を平面走査
する時には、圧電素子3a,3bのそれぞれの伸縮動作
を所定のタイミングで制御する。圧電素子3a,3bの
伸縮動作による平面走査は、XY走査回路7から与えら
れる走査信号に基づいて行われる。XY走査回路7から
の走査信号は、コンピュータ11から与えられる制御指
令に基づいて生成される。
When the probe 1 is scanned in a plane on the measurement surface of the sample 2, the expansion and contraction operations of the piezoelectric elements 3a and 3b are controlled at predetermined timings. The plane scanning by the expansion / contraction operation of the piezoelectric elements 3a and 3b is performed based on the scanning signal given from the XY scanning circuit 7. The scanning signal from the XY scanning circuit 7 is generated based on the control command given from the computer 11.

【0025】ここで、図2に圧電素子における印加電圧
と歪み量との関係を示す。図2であきらかなように、圧
電素子では、最初の印加電圧を0として、この電圧0と
定格電圧との間で印加電圧を繰り化し増減すると、変化
特性A,B,C,Dの順序に従って印加電圧に対応して
歪み量が変化する。図2の変化特性において、a点を除
いて、前述したようにクリープ特性が生じる。変化特性
において、クリープ現象は、定格電圧に対応するa点の
近くの領域では小さく生じ、電圧0に対応する領域では
大きく生じる。従来の探針微動機構で平面走査を行う場
合、圧電素子3a,3bの初期状態で印加電圧は通常0
にセットされていた。図2に示される如く、電圧0の領
域はクリープが大きく発生する領域である。従って、従
来の微動機構で平面走査を行う場合には、平面走査を実
行する圧電素子3a,3bでクリープが大きく発生し易
く、測定画像では測定開始直後クリープの影響を大きく
受け、クリープ特性による位置ずれが生じていた。
FIG. 2 shows the relationship between the applied voltage and the amount of strain in the piezoelectric element. As is apparent from FIG. 2, in the piezoelectric element, when the first applied voltage is 0 and the applied voltage is repeated between the voltage 0 and the rated voltage, the change characteristics A, B, C, D follow the order. The amount of strain changes according to the applied voltage. In the change characteristic of FIG. 2, the creep characteristic occurs as described above except the point a. In the change characteristic, the creep phenomenon occurs small in the region near the point a corresponding to the rated voltage and large in the region corresponding to zero voltage. When performing a plane scan by the conventional fine movement mechanism of the probe, the applied voltage is usually 0 in the initial state of the piezoelectric elements 3a and 3b.
Was set to. As shown in FIG. 2, the region where the voltage is 0 is a region where large creep occurs. Therefore, when performing the plane scan by the conventional fine movement mechanism, a large amount of creep is likely to occur in the piezoelectric elements 3a and 3b that perform the plane scan, and the measured image is greatly affected by the creep immediately after the start of measurement, and the position due to the creep characteristic is increased. There was a gap.

【0026】そこで、本実施例では、平面走査において
クリープの影響をできる限り低減するため、X方向の圧
電素子3aとY方向の圧電素子3bに電圧を印加して伸
縮駆動することにより平面走査する場合、平面走査開始
の前に、圧電素子3a,3bのそれぞれに定格電圧を与
えた状態にセットする。印加電圧は厳密に定格電圧と一
致させる必要はない。定格電圧の近傍の電圧で充分であ
る。
Therefore, in the present embodiment, in order to reduce the influence of creep in planar scanning as much as possible, planar scanning is performed by applying a voltage to the piezoelectric element 3a in the X direction and the piezoelectric element 3b in the Y direction to expand and contract. In this case, the piezoelectric elements 3a and 3b are set to have a rated voltage applied thereto before the start of the plane scanning. The applied voltage does not have to exactly match the rated voltage. A voltage close to the rated voltage is sufficient.

【0027】上記の如く、平面走査を開始する前の非走
査時に圧電素子3a,3bのそれぞれに定格電圧を印加
しておけば、平面走査を開始する時、比較的に早く安定
状態に移行し、クリープの影響を低減することができ
る。
As described above, if the rated voltage is applied to each of the piezoelectric elements 3a and 3b during the non-scanning before the start of the plane scanning, when the plane scanning is started, the stable state shifts relatively quickly. The effect of creep can be reduced.

【0028】上記の如く平面走査を開始する前に圧電素
子3a,3bの印加電圧を定格電圧にセットする装置構
成を、ハード構成として図3に示す。この構成はXY走
査回路7に含まれる。この構成によれば、コンピュータ
11から与えられるセット指令をD/Aコンバータ12
でアナログ電圧信号に変換し、バッファアンプ13で増
幅して、圧電素子3a,3bのそれぞれに供給してい
る。
FIG. 3 shows, as a hardware configuration, an apparatus configuration for setting the applied voltage to the piezoelectric elements 3a and 3b to the rated voltage before the plane scanning is started as described above. This configuration is included in the XY scanning circuit 7. According to this configuration, the set command given from the computer 11 is sent to the D / A converter 12
Is converted into an analog voltage signal by the buffer amplifier 13, amplified by the buffer amplifier 13, and supplied to each of the piezoelectric elements 3a and 3b.

【0029】平面走査開始前の非走査時において、圧電
素子3a,3bのそれぞれに定格電圧が印加されている
ことは、各圧電素子が最大ストロークの状態にあること
を意味する。従って、かかる状態で平面走査を開始する
ので、圧電素子の歪み量が少なくなる方向で、すなわち
収縮する方向で走査が開始される。また、最大ストロー
ク状態にある各圧電素子3a,3bを一旦最小ストロー
ク状態とし、クリープが発生する前に印加電圧を増大し
て走査を開始し、平面走査を行うようにすることも可能
である。このような平面走査用の圧電素子3a,3bの
伸縮動作の制御は、コンピュータ11から供給される制
御指令に基づいて実行される。圧電素子3a,3bの伸
縮動作の制御の内容については、コンピュータ11の内
部にソフト的に設定されている。
The fact that the rated voltage is applied to each of the piezoelectric elements 3a and 3b before the start of the plane scanning means that each piezoelectric element is in the state of the maximum stroke. Therefore, since the planar scanning is started in such a state, the scanning is started in the direction in which the distortion amount of the piezoelectric element decreases, that is, in the contracting direction. It is also possible to temporarily set each of the piezoelectric elements 3a and 3b in the maximum stroke state to the minimum stroke state, increase the applied voltage before the occurrence of creep, start scanning, and perform planar scanning. The control of the expansion / contraction operation of the piezoelectric elements 3a and 3b for plane scanning is executed based on the control command supplied from the computer 11. The contents of control of the expansion / contraction operation of the piezoelectric elements 3a and 3b are set inside the computer 11 by software.

【0030】図5はXY平面走査用圧電素子3a,3b
による走査可能範囲を示したものである。矩形領域14
が走査可能範囲を表す領域である。矩形領域14おい
て、横軸がX軸、縦軸がY軸である。前記実施例の場
合、平面走査を開始する時点で圧電素子3a,3bに定
格電圧が印加されているため、探針1は、領域14にお
いて圧電素子3a,3bのそれぞれ最大ストロークに対
応して決まるQ点に存在する。同様に、O点では圧電素
子3a,3bの印加電圧は0、P点では圧電素子3aの
印加電圧は定格電圧、圧電素子3bの印加電圧は0、R
点では圧電素子3aの印加電圧は0、圧電素子3bの印
加電圧は定格電圧となる。
FIG. 5 shows piezoelectric elements 3a and 3b for XY plane scanning.
2 shows the scannable range by. Rectangular area 14
Is an area representing the scannable range. In the rectangular area 14, the horizontal axis is the X axis and the vertical axis is the Y axis. In the case of the above-described embodiment, since the rated voltage is applied to the piezoelectric elements 3a and 3b at the time of starting the planar scanning, the probe 1 is determined in the region 14 corresponding to the maximum stroke of each of the piezoelectric elements 3a and 3b. Exists at point Q. Similarly, at the point O, the applied voltage to the piezoelectric elements 3a and 3b is 0, at the point P, the applied voltage to the piezoelectric element 3a is the rated voltage, and the applied voltage to the piezoelectric element 3b is 0, R.
At this point, the applied voltage to the piezoelectric element 3a is 0, and the applied voltage to the piezoelectric element 3b is the rated voltage.

【0031】次にXY走査用圧電素子3a,3bの平面
走査開始前の印加電圧の設定に関する他の実施例につい
て説明する。
Next, another embodiment concerning the setting of the applied voltage before the start of the planar scanning of the XY scanning piezoelectric elements 3a and 3b will be described.

【0032】走査型トンネル顕微鏡による測定で、試料
2の表面における測定領域は、上記走査可能範囲14内
において任意に設定することができる。換言すれば、上
記走査可能範囲14において測定対象となる走査領域は
任意に設定される。図5において、15は設定された走
査領域を示す。このように、測定対象となる走査領域1
5が走査可能範囲14の部分領域として設定される場合
には、前記実施例の如く、圧電素子3a,3bのそれぞ
れに定格電圧を印加して最大ストロークに設定する必要
はない。すなわち、走査領域15において、Q点にもっ
とも近いS点に探針1が存在するように圧電素子3a,
3bの印加電圧を設定することもできる。このS点は、
圧電素子3a,3bによって走査領域15を走査するに
あたって、X及びYの各軸の最大の印加電圧により決定
される。このように平面走査開始前の非走査時における
圧電素子3a,3bの印加電圧を設定すると、探針1が
走査領域15内に存在するために、走査動作を短時間に
且つ滑らかに行えると共に、またクリープの影響を最小
限に抑えることができる。
In the measurement by the scanning tunneling microscope, the measurement area on the surface of the sample 2 can be arbitrarily set within the scannable range 14. In other words, the scan area to be measured in the scannable range 14 is set arbitrarily. In FIG. 5, reference numeral 15 indicates a set scanning area. In this way, the scanning area 1 to be measured is
When 5 is set as a partial area of the scannable range 14, it is not necessary to apply the rated voltage to each of the piezoelectric elements 3a and 3b to set the maximum stroke as in the above-described embodiment. That is, in the scanning area 15, the piezoelectric element 3a, the probe 1 is arranged so that the probe 1 exists at the point S closest to the point Q.
The applied voltage of 3b can also be set. This S point is
When the scanning area 15 is scanned by the piezoelectric elements 3a and 3b, it is determined by the maximum applied voltage of each of the X and Y axes. In this way, when the applied voltage to the piezoelectric elements 3a and 3b during the non-scanning before the start of the plane scanning is set, the scanning operation can be smoothly performed in a short time because the probe 1 exists in the scanning region 15. Also, the influence of creep can be minimized.

【0033】上記の実施例を実現するためには、図3に
おいて、コンピュータ11から与えられる制御指令が、
走査領域15における各軸の最大印加電圧に対応すれば
充分である。
In order to realize the above embodiment, the control command given from the computer 11 in FIG.
It is sufficient to support the maximum applied voltage of each axis in the scanning area 15.

【0034】[0034]

【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等の探針微動機構におい
て、平面走査を行う2つの圧電素子に対し、平面走査開
始前の非走査時に、クリープ現象の発生が少ない状態に
対応する電圧を印加するように構成したため、平面走査
を開始して測定を行うと、開始直後においてクリープの
影響が低減された安定状態にて走査を行うことができ、
精度の良好な測定画像を得ることができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, in a fine movement mechanism of a probe such as a scanning tunneling microscope, two piezoelectric elements that perform planar scanning are used for non-scanning before the start of planar scanning. Since the voltage corresponding to the state in which the creep phenomenon is small is applied, the measurement can be performed in the stable state in which the influence of creep is reduced immediately after the start when the measurement is performed after the plane scanning is started. You can
It is possible to obtain a measurement image with good accuracy.

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

【図1】本発明の一実施例を示す走査型トンネル顕微鏡
の探針微動機構の要部構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a probe fine movement mechanism of a scanning tunneling microscope showing an embodiment of the present invention.

【図2】圧電素子における印加電圧と歪み量との関係を
示す特性図である
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between an applied voltage and a strain amount in a piezoelectric element.

【図3】圧電素子に所定の電圧を印加する構成を示す回
路構成図である。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram showing a configuration for applying a predetermined voltage to a piezoelectric element.

【図4】走査可能範囲及び走査領域と平面走査用圧電素
子の印加電圧との関係を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a scannable range and a scan area and a voltage applied to a planar scanning piezoelectric element.

【図5】平面走査用の2つの圧電素子に印加される各電
圧の変化特性を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing change characteristics of each voltage applied to two piezoelectric elements for plane scanning.

【図6】測定対象である試料の測定表面と測定画像の関
係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a measurement surface of a sample to be measured and a measurement image.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …探針 2 …試料 3 …3次元圧電アクチュエータ 3a,3b …平面走査用圧電素子 3c …高さ調整用圧電素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Probe 2 ... Sample 3 ... Three-dimensional piezoelectric actuator 3a, 3b ... Planar scanning piezoelectric element 3c ... Height adjustment piezoelectric element

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 直交する第1軸及び第2軸のそれぞれに
対応する2つの圧電素子を有し、これらの圧電素子のそ
れぞれに電圧を印加しその伸縮動作で探針の平面走査を
行う探針微動機構において、前記平面走査を開始する前
の非走査時に、前記2つの圧電素子に対し、最大ストロ
ークを生じる電圧を印加する電圧印加手段を備えること
を特徴とする探針微動機構。
1. A probe having two piezoelectric elements respectively corresponding to a first axis and a second axis which are orthogonal to each other, and applying a voltage to each of these piezoelectric elements to perform planar scanning of a probe by its expanding and contracting operation. The fine needle movement mechanism includes a voltage applying unit that applies a voltage that causes a maximum stroke to the two piezoelectric elements during non-scanning before starting the plane scanning.
【請求項2】 直交する第1軸及び第2軸のそれぞれに
対応する2つの圧電素子を有し、これらの圧電素子のそ
れぞれに電圧を印加しその伸縮動作で探針の平面走査を
行う探針微動機構において、前記平面走査を開始する前
の非走査時に、前記2つの圧電素子に対し、設定された
走査領域で決まる最大ストロークを生じる電圧を印加す
る電圧印加手段を備えることを特徴とする探針微動機
構。
2. A probe having two piezoelectric elements respectively corresponding to a first axis and a second axis which are orthogonal to each other, and applying a voltage to each of these piezoelectric elements to perform planar scanning of a probe by its expanding and contracting operation. The fine needle movement mechanism is provided with a voltage applying unit that applies a voltage that causes a maximum stroke determined by a set scanning region to the two piezoelectric elements during non-scanning before starting the planar scanning. Fine movement mechanism of the probe.
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