JPH0560509A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 深針固定部回りの剛性を高め、さらに深針交
換の時に深針ホルダ出し入れに余分な力がかからないよ
うな深針固定法を提供する。 【構成】 固定部ブロック１１のＶ字溝に深針ホルダ７
を形状記憶合金の板８，８’で押さえ、留めの部分にペ
ルチェ素子９，９’を設けることにより、少なくとも２
ヶ所以上から形状記憶合金の板で固定されることにな
り、従来の方法より深針ホルダ固定部における剛性をあ
げることができる。また、留めの部分のペルチェ素子
９，９’に電流を流すことによりペルチェ素子９，９’
が冷却し、形状記憶合金の板８，８’が冷却されること
により、変態点の温度以下になり自由に変化できるよう
になる。自由にたわむことにより形状記憶合金の板８，
８’が深針ホルダ７を押さえる力が減少し、深針ホルダ
７をより少ない力で出し入れすることができるようにな
った。そのことにより従来に比べて、固定ブロック１１
を支持しているＰＺＴ１２，１４，１５の破損がなくな
った。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子的な分解能で物体の
表面の像を形成する方法でトンネル電流を使用する走査
型トンネル顕微鏡に係わり、トンネル電流検出する探針
の交換機能を改良した走査型トンネル顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子の一つ一つを直視観察できる
走査型トンネル顕微鏡が注目を集めている。通常の光学
顕微鏡は物体のレンズの開口によって決定される分解能
上の限界がある。使用する光の波長の略１／２より良い
分解能を原理的に得られない。特開昭５９−１２１３０
１０号公報は開口の使用による分解能の限界を、波長よ
りも小さな物体からの距離に配置した波長と比較して小
さな入射ひとみの直径の使用によって回避した光学的近
視野走査顕微鏡を開示している。この顕微鏡は波長の１
／１０程度、即ち５０ｎｍ近傍の分解能を達成してい
る。

【０００３】電子顕微鏡は代表的には垂直方向に２０ｎ
ｍ、横方向に１ｎｍの分解能を有するが、高い分解能を
達成するのに必要な電子ビームの高いエネルギーのため
に、多くの表面が著しく傷つく。

【０００４】米国特許第４３４３９９３号明細書および
図面に記載の走査トンネル顕微鏡ははるかに小さなエネ
ルギーで動作する。次に走査トンネル顕微鏡の簡単な説
明を行う。これは、非常に鋭い金属探針が検査すべき表
面を横切って、探針の頂点の原子の電子の雲が探針に最
も近い表面領域上の原子の電子の雲とおだやかに接触す
るような小さな間隔でラスタ走査される。従って上記探
針と表面間に電位差が存在する時にギャップ間にトンネ
ル電流が流れる。このトンネル電流は試料と探針表面間
の距離に依存して指数的に変化するので、試料が探針の
表面を横切って走査する時に生ずる予定値からの偏差に
基づいて修正信号を発生するのに使用される。この修正
信号を使用してトンネルの距離を制御し、修正信号を最
小にし、また検査している表面上の探針の物理的位置か
ら誘導される位置信号の関数としてグラフにする。この
技術による原子スケールの分解能が得られ、表面上の個
々の原子が可視的になる。

【０００５】また、走査トンネル顕微鏡はトンネル・ギ
ャップを横切る電位差を必要とする。従って、探針と検
査すべき表面はともに導電性の材料であるか、導電性の
材料で覆ったものでなければならない。

【０００６】以上のような原理で、走査型トンネル顕微
鏡は、原子スケールの分解能が得られる。ここで説明す
る従来の走査型トンネル顕微鏡は、トンネル電流を一定
にするように探針をＰＺＴで駆動させ、試料表面をＰＺ
Ｔの駆動によってスキャンするものである。

【０００７】以下図面を参考にしながら、従来の走査型
トンネル顕微鏡の探針部の固定法について説明する。図
４は従来の走査型トンネル顕微鏡の探針固定部を示した
図である。図４において１は探針、２は探針１の探針ホ
ルダ、３は探針ホルダ２を固定する固定ブロック、４は
探針ホルダ２を押さえるためのバネ、５はバネ４の止め
ネジである。以上のように構成された走査型トンネル顕
微鏡の探針固定部の機能について説明する。

【０００８】探針の固定ブロックは、３軸の方向からＰ
ＺＴで支えられ、各々の軸方向に駆動することが可能で
あり、ＰＺＴを駆動することにより、探針１と試料表面
の間をトンネル電流が流れる距離１ｎｍ以下に保ちなが
らスキャンが行われる。

【０００９】スキャン中においても探針ホルダ２がバネ
４の変形力により固定ブロック３に固定されている。ま
た、探針ホルダ２を固定ブロック３に着脱する時は、バ
ネ４の変形力に逆らって行うことができる。特に、探針
１を着脱するのが簡便になっているのは、測定分解能
が、主に探針１の鋭さによるものによるものであるから
である。つまり測定分解能は、探針１の先端部のトンネ
ル電流が流れる面積により決まるため、探針１の先端部
は常に鋭敏とする必要があるからである。そのため探針
部の補修の簡便さが必要である。また同時に、試料表面
を高速にスキャンするために探針１の支持部に高い剛性
が必要である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、バネ４のみで探針１の探針ホルダ２を
固定するので探針固定部まわりの剛性が低く、試料を高
速にスキャン時に探針１が微少に揺らぎ、分解能の低
下、試料と探針１とが接触する問題点を有していた。ま
た、一方で探針１の探針ホルダ２は常にバネ４から力を
受けているため、探針ホルダ２を交換するとき、探針ホ
ルダ２を着脱する方向に大きな力が懸かり、固定ブロッ
ク３を支持しているＰＺＴが破壊されてしまう問題点を
有していた。

【００１１】本発明は上記問題点に鑑み、走査時におい
ては探針固定部に剛性力があり、探針ホルダ２の着脱に
余分な力がかからないような探針固定法を備えた走査型
トンネル顕微鏡を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の走査型トンネル顕微鏡は、探針固定部におい
て上記探針ホルダを固定するバネの換わりに、固定ブロ
ックに探針ホルダを少なくとも２ヶ所から押さえる形状
記憶合金の板と、前記形状記憶合金の板を固定ブロック
に留める部分に冷却する働きを持つペルチェ素子を備え
た構成を有している。

【００１３】

【作用】本発明は上記した構成によって次のようにな
る。

【００１４】すなわち、スキャンを行っている固定時に
は探針ホルダは形状記憶合金の板により固定ブロックに
しっかり留められた状態にある。しかし、探針ホルダ交
換時には留めの部分のペルチェ素子に通電する。形状記
憶合金の板の温度が下がり、変態点の温度以下になる
と、形状記憶合金の板が自由変形し探針ホルダを抑え込
まない状態になり、探針ホルダの出し入れに余分な力が
かからなく、微動のＰＺＴを破壊することもなく円滑に
探針ホルダを交換することができるようになる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１６】図１は本発明の実施例における探針固定部
回りの構成を示すものである。６は試料表面を操作する
深針、７は探針を支える探針ホルダ、１１は探針ホルダ
７をＶ字溝に固定する固定ブロック、８と８’は探針ホ
ルダ７を固定ブロック１１のＶ字溝に固定する形状記憶
合金の板であり、常温状態では固定するように働く。９
と９’は形状記憶合金の板８，８’を冷却する機能を持
っているペルチェ素子である。図２は本発明の実施例に
おける、探針固定部を支え、微可動させている部分の構
成図を示すものである。図１で示した固定ブロック１１
は互いに直角な３方向から積層型のＰＺＴで支えられて
おり、各々微可動する方向に１２はＺ軸微動ＰＺＴ、１
４はＸ軸微動ＰＺＴ、１５はＹ軸微動ＰＺＴで支えてい
る。Ｚ軸方向は試料表面と探針との距離をｎｍ以下の精
度で合わせる必要があり、Ｚ軸微動ＰＺＴ１２の底部に
は、粗動のためのＺ軸粗動ＰＺＴがあり、２段階で試料
との距離を合わせるようになっている。図３は本発明の
実施例における走査型トンネル顕微鏡のヘッド部の構成
図を示すものである。１６は探針のアクチュエータ部を
示し、図２の構成内容になっている。１７は試料台を示
し、上下に可変である。１８は探針のアクチュエータ部
１６と試料台１７からなる走査型トンネル顕微鏡のヘッ
ド部であり、防振装置を通して外界から支えられてい
る。

【００１７】次に以上のように構成された走査型トンネ
ル顕微鏡における動作を示す。まず、探針のアクチュエ
ータ部１６はテトラポット状の形状をしており、探針６
が固定されている固定ブロック１１をＸ，Ｙ，Ｚ方向に
ＰＺＴで微動させることができる構造になっている。試
料と探針６との間をトンネル電流が流れる間隔でｎｍの
精度で保つようにＺ軸粗動ＰＺＴ１３が動作する。ま
た、試料表面上を高速にスキャンするのに、高速にＸ軸
微動ＰＺＴ１４，Ｙ軸微動ＰＺＴ１５を駆動させる必要
があり、またスキャン中に探針と試料表面の距離を一定
に保つ、つまり試料表面と探針との間に流れるトンネル
電流を一定に保つように探針を動かすため、Ｚ軸微動Ｐ
ＺＴ１２の応答が遅れないように動作させる必要があ
る。そのために、探針６を固定ブロックに強く固定する
必要がある。一方で、探針６の先端は試料との接触によ
る磨耗、トンネル電流が流れることによる劣化が生じ
る。高精度の分解能を保つために、探針６の先端を鋭く
保っておく必要があり、そのためには探針６を頻繁に交
換する必要がある。

【００１８】形状記憶合金の板を用いることにより、探
針６の交換時と非交換時のホールドの状態を変えること
により上記矛盾が解決される。

【００１９】以上のように本実施例によれば、固定部ブ
ロック１１のＶ字溝に探針ホルダ７を形状記憶合金の板
８，８’で押さえ、留めの部分にペルチェ素子９，９’
を設けることにより、少なくとも２ヶ所以上から形状記
憶合金の板で固定されることになり、従来の方法以上に
探針ホルダ固定部における剛性をあげることができた。
コンパクトな方法で剛性をあげたため、探針６を可動す
るための出力負荷が大きくならなかった利点もあった。

【００２０】また、留めの部分のペルチェ素子９，９’
を通電させることによりペルチェ素子９，９’が冷却
し、形状記憶合金の板８，８’が変態点温度以下になり
自由に形を変えることがたやすくなる。自由に形を変え
ることにより形状記憶合金の板８，８’が探針ホルダ７
を押さえる力が減少し、探針ホルダ７を僅かな力で装着
することができるようになった。そのことにより従来に
比べて、固定ブロック１１を支持しているＰＺＴ１２，
１４，１５の破損がなくなった。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明は、固定ブロックに
探針ホルダを少なくとも２ヶ所から形状記憶合金の板で
押さえ、その留めの部分にペルチェ素子を備えることに
より、探針ホルダ固定部の剛性があがり、ひいては走査
型トンネル顕微鏡の解像力の向上、探針と試料の接触の
防止につながる。一方では、探針ホルダの交換時には余
分な力がかからなくなり、その時に固定ブロックを微動
させるＰＺＴを破壊することもなくなるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における探針固定部回りの構成
図

【図２】本発明の実施例における探針固定部回りを支
え、微可動させている部分の構成図

【図３】本発明の実施例における走査型トンネル顕微鏡
のヘッド部の構成図

【図４】従来の探針固定部回りの構成図

【符号の説明】

６ 探針 ７ 探針ホルダ ８ 板 ９ ペルチェ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 剛 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 防振機能により防振された基台と、この
   基台上に設置された探針を３次元的に微小移動する機構
   と、前記基台上に設置され試料を保持する試料台と前記
   機構を移動し、前記探針と試料表面を所定の距離まで近
   づけ、前記探針と試料との間に所定の電圧を印加し、両
   者間に流れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査す
   る走査型トンネル顕微鏡において、前記探針と深針を保
   持する探針ホルダと、互いに直交する３軸方向に可動せ
   しめるＰＺＴで支えられ、かつＶ溝を有する固定ブロッ
   クと、前記探針ホルダを前記固定ブロックのＶ溝に固定
   するための形状記憶合金の板金と前記形状記憶合金の板
   金を冷却する機能を持ち、かつ保持する座がね状のペル
   チェ素子とを備えていることを特徴とする走査型トンネ
   ル顕微鏡。