JPH056305U - 探針走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で走査領域の設定を広く行える装
置を実現する。 【構成】 探針走査型顕微鏡において、走査信号を発生
する位置制御装置はｘ，ｙ方向の大領域走査用と小領域
走査用の各走査信号を発生する位置信号発生装置と位置
信号発生装置からのｘ，ｙ方向の位置信号がそれぞれ入
力されてｘ，ｙアクチュエ−タを駆動させるｘ，ｙ用位
置制御回路で構成され、更にｘ，ｙ用位置制御回路の構
成は位置信号発生装置から出力された小領域および大領
域走査用位置信号がそれぞれ入力される第１および第２
のＤ／Ａ変換器と第１および第２のＤ／Ａ変換器により
変換されたアナログ信号がそれぞれ入力される第１およ
び第２の乗算器と第２の乗算器の出力が入力されるロ−
パスフィルタと第１の乗算器の出力とロ−パスフィルタ
によりノイズ除去された出力が入力される加算器と加算
器の出力が入力されるｘ，ｙ用アクチュエ−タ駆動回路
を具備した装置。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、探針を試料に対して微小距離まで近づけ、探針と試料の間に流れる トンネル電流や両者の間に作用する原子間力や磁気力などを検出し、探針を試料 表面上を走査させることにより、試料の表面形状や表面の物性などを測定するよ うにした探針走査型顕微鏡に関し、特に簡単な構成で走査領域の設定を広く行え るようにした装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、走査型トンネル顕微鏡などの探針走査型顕微鏡では、原子や分子など の微小領域を高分解能で測定する場合と、光ディスクの溝形状などの原子や分子 に比べて、よりマクロな測定を行う場合とがある。前者の測定では、横分解能が ０．０１ｎｍ、後者の測定では、数μｍ以上の走査領域が必要となる。

【０００３】 図２は探針走査型顕微鏡の従来例を示す構成図である。図２において、探針１ は試料２に対して微小距離まで接近して配置されており、両者の間に流れるトン ネル電流や両者間に働く原子間力などを検出する。サ−ボ回路３では、その信号 が一定となるように、ｚアクチュエ−タを駆動し、探針１と試料２の距離が一定 になるように制御する。探針１と試料２の相対的な位置決めは、位置制御装置７ により行われるものであり、位置信号発生装置７１からｘおよびｙ方向の位置信 号がそれぞれｘ用，ｙ用Ｄ／Ａ変換器７２，７３に入力され、アナログ信号に変 換された後、ｘ用，ｙ用アクチュエ−タ駆動回路７４，７５を介して、ｘ，ｙア クチュエ−タ４，５を駆動する。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

このように、上記従来技術に示す探針走査型顕微鏡においては、位置制御装置 ７内にｘ−ｙ走査用として、各方向１個ずつのｘ用，ｙ用Ｄ／Ａ変換器７２，７ ３が設置されているが、このような構成では、上述した２通りの測定を行う場合 、２０ビット程度のＤ／Ａ変換器が必要となるが、ノイズやリニアリティなどの 十分な性能を有するものが得られ難いので、アクチュエ−タ部分に感度の違うも のを何通りか用意し、測定対象ごとに、アクチュエ−タ部分を交換しなければな らないため、装置構成が複雑であった。 本考案は上記従来技術の課題を踏まえて成されたものであり、位置制御装置内 にｘ−ｙ走査用として、各方向それぞれに大領域走査用と小領域走査用の２個の Ｄ／Ａ変換器を有する構成とすることにより、それぞれの測定に適した走査信号 を出力することができるため、１つのアクチュエ−タ部分だけで原子レベルの測 定からミクロンオ−ダ−の測定を可能とすることができ、簡単な構成で走査領域 の設定を広く行うことができる探針走査型顕微鏡を提供することを目的としたも のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するための本考案の構成は、探針を試料に対して微小距離まで 近づけ、探針と試料の間に流れるトンネル電流や両者の間に作用する原子間力や 磁気力などを検出し、探針を試料表面上を走査させることにより、試料の表面形 状や表面の物性などを測定するようにした探針走査型顕微鏡において、 前記試料表面上をｘおよびｙ方向に走査させる走査信号を発生する位置制御装 置は、 ｘおよびｙ方向の大領域走査用と小領域走査用の各走査信号を発生する位置信 号発生装置と、 この位置信号発生装置からのｘおよびｙ方向の位置信号がそれぞれ入力されて ｘアクチュエ−タおよびｙアクチュエ−タを駆動させるｘ用位置制御回路および ｙ用位置制御回路で構成され、 更に前記ｘ（またはｙ）用位置制御回路の構成は、前記位置信号発生装置から 出力された前記小領域走査用位置信号が入力される第１のＤ／Ａ変換器と、この 第１のＤ／Ａ変換器により変換されたアナログ信号が入力される第１の乗算器と 、前記位置信号発生装置から出力された前記大領域走査用位置信号が入力される 第２のＤ／Ａ変換器と、この第２のＤ／Ａ変換器により変換されたアナログ信号 が入力される第２の乗算器と、この第２の乗算器の出力が入力されるロ−パスフ ィルタと、前記第１の乗算器の出力と前記ロ−パスフィルタによりノイズ除去さ れた出力が入力される加算器と、この加算器の出力が入力されるｘ（またはｙ） 用アクチュエ−タ駆動回路を具備した構成としたことを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】

本考案によれば、位置制御装置内にｘ−ｙ走査用として、各方向にそれぞれ大 領域走査用と小領域走査用の２個のＤ／Ａ変換器を有し、それぞれの信号に異な った定数を乗算して、アクチュエ−タを駆動する構成とし、特に大領域走査用の Ｄ／Ａ変換器の出力に対しては、ロ−パスフィルタを用いて、ノイズを除去する 構成としている。したがって、１つのアクチュエ−タ部分で、原子レベルの測定 からミクロンオ−ダ−の測定までを可能にすることができ、各測定範囲でそれぞ れ適したアクチュエ−タを用意して交換する必要がない。

【０００７】

【実施例】

以下、本考案を図面に基づいて説明する。 図１は本考案の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構成図である。なお、図１ において図２と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。図１に おいて、１０は探針１を試料２表面上をｘおよびｙ方向に走査させるための走査 信号を発生する位置制御装置であり、この位置制御装置１０内には、ｘおよびｙ 方向の大領域走査用と小領域走査用の各走査信号を発生する位置信号発生装置１ １と、この位置信号発生装置１１からの位置信号が入力されてｘアクチュエ−タ ４およびｙアクチュエ−タ５を駆動させるｘ用位置制御回路１２およびｙ用位置 制御回路１３とを備えている。このｘ用位置制御回路１２およびｙ用位置制御回 路１３の構成は、（ただし、ｘ用位置制御回路１２とｙ用位置制御回路１３は同 一構成であるため、構成説明はｘ用位置制御回路１２だけとする。）位置信号発 生装置１１から出力された小領域走査用位置信号が入力される第１のＤ／Ａ変換 器１２１と、この第１のＤ／Ａ変換器１２１により変換されたアナログ信号が入 力される第１の乗算器と１２３と、位置信号発生装置１１から出力された大領域 走査用位置信号が入力される第２のＤ／Ａ変換器１２２と、第２のＤ／Ａ変換器 １２２により変換されたアナログ信号が入力される第２の乗算器１２４と、第２ の乗算器１２４の出力が入力されるロ−パスフィルタ１２５と、第１の乗算器１ ２３の出力とロ−パスフィルタ１２５によりノイズ除去された出力が入力される 加算器１２６と、この加算器１２６の出力が入力されるｘ用アクチュエ−タ駆動 回路１２７とを備えている。

【０００８】 このような構成において、探針１は試料２に対して微小距離まで近づけて配置 され、両者の間に流れるトンネル電流や両者間に働く原子間力などを検出する。 サ−ボ回路３では、その信号が一定になるように、ｚアクチュエ−タ６を駆動し 、探針１と試料２の距離が一定になるよう制御する。探針１と試料２との相対的 位置は、位置制御装置１０により、ｘ，ｙアクチュエ−タ４，５を駆動し、移動 する。位置制御装置１０内のｘ，ｙ用位置制御回路１２，１３は、位置信号発生 装置１１（または、図示しない外部の制御用コンピュ−タなど）からの位置信号 を基に、ｘ，ｙアクチュエ−タ４，５を駆動し、探針１の位置決めを行う。

【０００９】 ｘ用位置制御回路１２の動作は、まず位置信号発生装置１１から出力された位 置信号が、第１および第２のＤ／Ａ変換器１２１，１２２に入力される。位置信 号には、小領域走査用信号と大領域走査用信号とがあり、小領域走査用位置信号 は、第１のＤ／Ａ変換器１２１でアナログ信号に変換され、第１の乗算器１２３ で或る定数が乗算される。なお、この定数の値は、測定に必要な最小分解能が位 置信号の１ビットに相当するように定めるものであり、例えば、原子の測定を行 う場合では、０．０１ｎｍ程度である。第１の乗算器の出力は、加算器１２６に 入力される。大領域走査用位置信号は、第２のＤ／Ａ変換器１２２でアナログ信 号に変換され、第２の乗算器１２４で或る定数が乗算される。なお、この定数の 値は、測定に必要な最大走査領域（数μｍ〜数１０μｍ）が位置信号の最大値に 相当するように定める。第２の乗算器１２４の出力は、ロ−パスフィルタ１２５ でノイズを除去され、加算器１２６で第１の乗算器１２３から入力された小領域 走査用位置信号と加算され、ｘ用アクチュエ−タ駆動回路１２７を経て、ｘアク チュエ−タ４を駆動する。また、ｙ用位置制御回路１３の動作は、上述したｘ用 位置制御回路１２の動作と同様であるため、その説明は省略する。

【００１０】 このような本考案の探針走査型顕微鏡を用いて、小領域の測定を行う場合、大 領域走査用信号は任意の一定値に保持し測定を行う。この時、第２のＤ／Ａ変換 器１２２に起因するノイズは、第２の乗算器１２４の定数が、第１の乗算器１２ ３の定数より大きいため、第１のＤ／Ａ変換器１２１に起因するノイズに比べて 大きくなり、測定の分解能に影響すると考えられるが、ロ−パスフィルタ１２５ により充分除去できる。一方、大領域の測定を行う場合は、小領域走査用信号は 任意の一定値に保持し測定を行う。この場合、走査速度は、ロ−パスフィルタ１ ２５により制限されるが、大領域を測定する場合、その測定速度は、サ−ボ系の 性能により、高速に測定することができないので、問題とはならない。

【００１１】 なお、アクチュエ−タとしては、小型で大きな走査範囲がとれるため、積層型 の圧電アクチュエ−タをトライポット型に組んだものが有効である。

【００１２】 また、本考案の構成によれば、大領域の測定を行い、その結果から、より詳細 に測定を行いたい地点まで、大領域走査用位置信号を用いて探針１を移動し、そ の地点で小領域走査用位置信号を用いて測定することも可能である。

【００１３】

【考案の効果】

以上、実施例と共に具体的に説明したように、本考案によれば、位置制御装置 内にｘ−ｙ走査用として、各方向にそれぞれ大領域走査用と小領域走査用の２個 のＤ／Ａ変換器を有し、それぞれの信号に異なった定数を乗算して、アクチュエ −タを駆動する構成とし、特に大領域走査用のＤ／Ａ変換器の出力に対しては、 ロ−パスフィルタを用いて、ノイズを除去する構成としている。したがって、１ つのアクチュエ−タ部分で、原子レベルの測定からミクロンオ−ダ−の測定まで を可能にすることができ、各測定範囲でそれぞれ適したアクチュエ−タを用意し て交換する必要がなくなった。そのため、大きな範囲を測定した後、その中の任 意の小さな範囲を測定することも可能となる等、簡単な構成で走査領域の設定を 広く行うことができる探針走査型顕微鏡を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構
成図である。

【図２】従来例である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ 試料 ３ サ−ボ回路 ４ ｘアクチュエ−タ ５ ｙアクチュエ−タ ６ ｚアクチュエ−タ １０ 位置制御装置 １１ 位置信号発生装置 １２ ｘ用位置制御回路 １３ ｙ用位置制御回路 １２１ 第１のＤ／Ａ変換器 １２２ 第２のＤ／Ａ変換器 １２３ 第１の乗算器 １２４ 第２の乗算器 １２５ ロ−パスフィルタ １２６ 加算器 １２７ ｘ用アクチュエ−タ駆動回路

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 探針を試料に対して微小距離まで近づ
   け、探針と試料の間に流れるトンネル電流や両者の間に
   作用する原子間力や磁気力などを検出し、探針を試料表
   面上を走査させることにより、試料の表面形状や表面の
   物性などを測定するようにした探針走査型顕微鏡におい
   て、 前記試料表面上をｘおよびｙ方向に走査させる走査信号
   を発生する位置制御装置は、 ｘおよびｙ方向の大領域走査用と小領域走査用の各走査
   信号を発生する位置信号発生装置と、 この位置信号発生装置からのｘおよびｙ方向の位置信号
   がそれぞれ入力されてｘアクチュエ−タおよびｙアクチ
   ュエ−タを駆動させるｘ用位置制御回路およびｙ用位置
   制御回路で構成され、 更に前記ｘ（またはｙ）用位置制御回路の構成は、前記
   位置信号発生装置から出力された前記小領域走査用位置
   信号が入力される第１のＤ／Ａ変換器と、この第１のＤ
   ／Ａ変換器により変換されたアナログ信号が入力される
   第１の乗算器と、前記位置信号発生装置から出力された
   前記大領域走査用位置信号が入力される第２のＤ／Ａ変
   換器と、この第２のＤ／Ａ変換器により変換されたアナ
   ログ信号が入力される第２の乗算器と、この第２の乗算
   器の出力が入力されるロ−パスフィルタと、前記第１の
   乗算器の出力と前記ロ−パスフィルタによりノイズ除去
   された出力が入力される加算器と、この加算器の出力が
   入力されるｘ（またはｙ）用アクチュエ−タ駆動回路を
   具備した構成としたことを特徴とする探針走査型顕微
   鏡。