JPH09127138A - 走査型トンネル顕微鏡装置 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡装置Info
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- JPH09127138A JPH09127138A JP30343395A JP30343395A JPH09127138A JP H09127138 A JPH09127138 A JP H09127138A JP 30343395 A JP30343395 A JP 30343395A JP 30343395 A JP30343395 A JP 30343395A JP H09127138 A JPH09127138 A JP H09127138A
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- Japan
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- probe
- holder
- tunneling microscope
- scanning tunneling
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 数百nmレベルの大きい凹凸と原子レベルの小
さい凹凸とを同時的に正確に観察することができる走査
型トンネル顕微鏡装置を提供すること。 【解決手段】 試料３は、板バネ９及び平行な３本の圧
電ピエゾ素子10を介して試料ホルダ５に保持されてお
り、圧電ピエゾ素子10の伸縮によりｚ方向に駆動され
る。探針２は、圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7zを介して探針
ホルダ４に保持されており、圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7z
の伸縮により３次元的に駆動される。探針２をｚ方向に
移動させるための圧電ピエゾ素子7zは、時定数が小さい
フィードバック回路11に接続されており、試料３をｚ方
向に移動させるためのピエゾ素子10は、時定数が大きい
フィードバック回路12に接続されている。フィードバッ
ク回路11，12にはトンネル電流測定回路13からトンネル
電流に基づいた電圧が与えられるようになっている。
さい凹凸とを同時的に正確に観察することができる走査
型トンネル顕微鏡装置を提供すること。 【解決手段】 試料３は、板バネ９及び平行な３本の圧
電ピエゾ素子10を介して試料ホルダ５に保持されてお
り、圧電ピエゾ素子10の伸縮によりｚ方向に駆動され
る。探針２は、圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7zを介して探針
ホルダ４に保持されており、圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7z
の伸縮により３次元的に駆動される。探針２をｚ方向に
移動させるための圧電ピエゾ素子7zは、時定数が小さい
フィードバック回路11に接続されており、試料３をｚ方
向に移動させるためのピエゾ素子10は、時定数が大きい
フィードバック回路12に接続されている。フィードバッ
ク回路11，12にはトンネル電流測定回路13からトンネル
電流に基づいた電圧が与えられるようになっている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面に探針を
近接させたとき、両者間に流れるトンネル電流を利用し
て前記試料表面の３次元的な構造解析測定に用いられる
走査型トンネル顕微鏡装置に関する。
近接させたとき、両者間に流れるトンネル電流を利用し
て前記試料表面の３次元的な構造解析測定に用いられる
走査型トンネル顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は、従来の走査型トンネル顕微鏡
（Scanning Tunneling Microscope)装置の要部構成を示
す模式的側面図であり、“応用物理、第54巻 第７号,
p.682‘走査型トンネル顕微鏡による表面観察’”に記
載されている。高真空状態に維持された観察室内に、垂
直部を有する基台１（側面視Ｌ字型）が設置されてお
り、基台１上に探針ホルダ４が固定されている。探針ホ
ルダ４の一面側（垂直部側）には探針２が突出するよう
に取り付けるようになっている。また探針ホルダ４（探
針２）と前記垂直部との間の基台１上に試料ホルダ５が
取り付けられており、試料ホルダ５は基台１の垂直部に
て支持されているマイクロメータヘッド６の操作により
矢符方向での位置調節が可能となしてある。試料３は試
料ホルダ５の探針ホルダ４側の面に保持されるようにな
してある。
（Scanning Tunneling Microscope)装置の要部構成を示
す模式的側面図であり、“応用物理、第54巻 第７号,
p.682‘走査型トンネル顕微鏡による表面観察’”に記
載されている。高真空状態に維持された観察室内に、垂
直部を有する基台１（側面視Ｌ字型）が設置されてお
り、基台１上に探針ホルダ４が固定されている。探針ホ
ルダ４の一面側（垂直部側）には探針２が突出するよう
に取り付けるようになっている。また探針ホルダ４（探
針２）と前記垂直部との間の基台１上に試料ホルダ５が
取り付けられており、試料ホルダ５は基台１の垂直部に
て支持されているマイクロメータヘッド６の操作により
矢符方向での位置調節が可能となしてある。試料３は試
料ホルダ５の探針ホルダ４側の面に保持されるようにな
してある。
【０００３】図５は探針ホルダ４を示す拡大斜視図であ
る。探針２は正面視略五角形の探針保持具８により保持
されており、探針保持具８は棒状をなす３本のアクチュ
エータ素子である圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7zによりその
三方を支持されている。圧電ピエゾ素子は、通電に応じ
て伸縮する性質を有する。圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7zの
うち圧電ピエゾ素子7x, 7yは探針２を試料３表面方向に
移動させるためのものであり、探針２，試料３間の距離
に関係するのは圧電ピエゾ素子7zである。
る。探針２は正面視略五角形の探針保持具８により保持
されており、探針保持具８は棒状をなす３本のアクチュ
エータ素子である圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7zによりその
三方を支持されている。圧電ピエゾ素子は、通電に応じ
て伸縮する性質を有する。圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7zの
うち圧電ピエゾ素子7x, 7yは探針２を試料３表面方向に
移動させるためのものであり、探針２，試料３間の距離
に関係するのは圧電ピエゾ素子7zである。
【０００４】このような構成の走査型トンネル顕微鏡に
おける観察は以下のようにして行う。まず大気中を伝わ
る音波を遮断するため、また試料表面を清浄に保つため
に観察室を高真空に維持し、探針２に対する試料ホルダ
５の位置をマイクロメータヘッド６の操作により設定す
る。そして探針２，試料３間に所定の電圧を印加したと
き両者間に流れるトンネル電流を検出する。トンネル電
流は原子尺度の距離変化に対して非常に敏感である。こ
のトンネル電流が一定となるように圧電ピエゾ素子7zを
伸縮させて探針２，試料３間の距離を一定に保ちつつ、
圧電ピエゾ素子7x, 7yに適当な電圧を印加して試料３表
面を走査する。そうすると探針２の駆動距離から試料３
表面の３次元構造の情報を原子スケールの分解能で正確
に得ることができる。
おける観察は以下のようにして行う。まず大気中を伝わ
る音波を遮断するため、また試料表面を清浄に保つため
に観察室を高真空に維持し、探針２に対する試料ホルダ
５の位置をマイクロメータヘッド６の操作により設定す
る。そして探針２，試料３間に所定の電圧を印加したと
き両者間に流れるトンネル電流を検出する。トンネル電
流は原子尺度の距離変化に対して非常に敏感である。こ
のトンネル電流が一定となるように圧電ピエゾ素子7zを
伸縮させて探針２，試料３間の距離を一定に保ちつつ、
圧電ピエゾ素子7x, 7yに適当な電圧を印加して試料３表
面を走査する。そうすると探針２の駆動距離から試料３
表面の３次元構造の情報を原子スケールの分解能で正確
に得ることができる。
【０００５】ここで高精度の表面形状情報を得るには、
探針２，試料３間の距離を常時一定に保ち正確に試料３
表面をなぞる必要がある。探針２，試料３間の距離を例
えば１nm程度とした場合、その距離は10pm（好ましくは
５％以下の５pm）の精度で保つ必要がある。このために
は床からの振動（例えば５Ｈｚ程度の共振周波数，振
幅：数μm ）が走査型トンネル顕微鏡装置に伝わらない
ように装置の共振周波数をできるたけ高くする必要があ
る。
探針２，試料３間の距離を常時一定に保ち正確に試料３
表面をなぞる必要がある。探針２，試料３間の距離を例
えば１nm程度とした場合、その距離は10pm（好ましくは
５％以下の５pm）の精度で保つ必要がある。このために
は床からの振動（例えば５Ｈｚ程度の共振周波数，振
幅：数μm ）が走査型トンネル顕微鏡装置に伝わらない
ように装置の共振周波数をできるたけ高くする必要があ
る。
【０００６】図６は、探針ホルダ４及び試料ホルダ５を
含むトンネルユニットを支える系（除振台と称する）を
説明するための模式図である。定量化するために質量Ｍ
の重りと定数ｋのバネからなる系に制動Ｃが並列に加わ
る場合を考える。床部分に外力ｋＸexsin ωt が加わっ
たとき、除振台の振動振幅Ｘと外部振動の振幅Ｘexとの
比は（１）式で表される（梶村他、固体物理、22(1987)
p.177.）。 Ｘ／Ｘex＝［（１＋Ｈ2 Ω2 ）／｛（１−Ω2 ）2 ＋Ｈ2 Ω2 ｝］1/2 …(1) 但し、Ω＝ω／ω0 （Ω：規格化振動数） ω：床の固有振動数 ω0 ：除振台（物体）の固有振動数 ω0 2 ＝ｋ／Ｍ（ｋ：物体の弾性定数，Ｍ：物体の質
量） Ｈ＝Ｃ／Ｍω0
含むトンネルユニットを支える系（除振台と称する）を
説明するための模式図である。定量化するために質量Ｍ
の重りと定数ｋのバネからなる系に制動Ｃが並列に加わ
る場合を考える。床部分に外力ｋＸexsin ωt が加わっ
たとき、除振台の振動振幅Ｘと外部振動の振幅Ｘexとの
比は（１）式で表される（梶村他、固体物理、22(1987)
p.177.）。 Ｘ／Ｘex＝［（１＋Ｈ2 Ω2 ）／｛（１−Ω2 ）2 ＋Ｈ2 Ω2 ｝］1/2 …(1) 但し、Ω＝ω／ω0 （Ω：規格化振動数） ω：床の固有振動数 ω0 ：除振台（物体）の固有振動数 ω0 2 ＝ｋ／Ｍ（ｋ：物体の弾性定数，Ｍ：物体の質
量） Ｈ＝Ｃ／Ｍω0
【０００７】さらに床振動に対するトンネルユニットの
振動から伝達関数Ｚは（２）式で表される。 Ｚ＝20 log｛（Ｘ−Ｘex）／Ｘex｝ …（２） （２）式に基づいて得られる規格化振動数Ωと伝達関数
Ｚとの関係を図７に示す。図７より、規格化振動数Ωが
小さいほど、即ちトンネルユニットの共振周波数が低い
ほど、伝達関数Ｚは大きい、即ち床振動の影響を受け易
いことが判る。このことは、トンネルユニットにおける
振動が大きく、安定して探針で試料表面を走査すること
が困難であることを意味する。
振動から伝達関数Ｚは（２）式で表される。 Ｚ＝20 log｛（Ｘ−Ｘex）／Ｘex｝ …（２） （２）式に基づいて得られる規格化振動数Ωと伝達関数
Ｚとの関係を図７に示す。図７より、規格化振動数Ωが
小さいほど、即ちトンネルユニットの共振周波数が低い
ほど、伝達関数Ｚは大きい、即ち床振動の影響を受け易
いことが判る。このことは、トンネルユニットにおける
振動が大きく、安定して探針で試料表面を走査すること
が困難であることを意味する。
【０００８】従ってトンネルユニットの共振周波数をで
きるだけ高める必要があり、このためにはできるだけ堅
く、小さくしなければならない。トンネルユニットの堅
さは主に材質で決定され、大きさは探針駆動素子である
ピエゾ素子によって規定される。一般にトンネルユニッ
トの各ホルダは、アルミニウム，セラミックス，又はス
テンレス鋼で構成されている。
きるだけ高める必要があり、このためにはできるだけ堅
く、小さくしなければならない。トンネルユニットの堅
さは主に材質で決定され、大きさは探針駆動素子である
ピエゾ素子によって規定される。一般にトンネルユニッ
トの各ホルダは、アルミニウム，セラミックス，又はス
テンレス鋼で構成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところが探針２，試料
３間の距離の調節に使用されているピエゾ素子の伸びに
は限界があり、通常１Ｖの印加電圧に対して２nm程度し
か伸縮しない。そして精度が良い高圧電源(500Ｖ以上）
は入手し難いことと相まって、ピエゾ素子全体で１μm
程度しか伸縮させることができない。このため１μm 以
上の凹凸を有する試料の測定では、探針が試料と衝突し
たり、試料から離れ過ぎることによりトンネル電流の計
測、即ち走査型トンネル顕微鏡装置による所定の測定が
不可能になったりすることがある。
３間の距離の調節に使用されているピエゾ素子の伸びに
は限界があり、通常１Ｖの印加電圧に対して２nm程度し
か伸縮しない。そして精度が良い高圧電源(500Ｖ以上）
は入手し難いことと相まって、ピエゾ素子全体で１μm
程度しか伸縮させることができない。このため１μm 以
上の凹凸を有する試料の測定では、探針が試料と衝突し
たり、試料から離れ過ぎることによりトンネル電流の計
測、即ち走査型トンネル顕微鏡装置による所定の測定が
不可能になったりすることがある。
【００１０】高精度の高圧電源が入手されたとしても、
大きい伸びを有するピエゾ素子は大きく、装置の共振周
波数が大きくなる。従って外部振動の影響を受けやすく
なり、逆に正確な観察像が得られない。
大きい伸びを有するピエゾ素子は大きく、装置の共振周
波数が大きくなる。従って外部振動の影響を受けやすく
なり、逆に正確な観察像が得られない。
【００１１】またトンネル電流の一定化は、探針２をｚ
方向に駆動する圧電ピエゾ素子に所定の電圧、即ちフィ
ードバック電圧を印加することにより達成される。フィ
ードバック電圧を発生する電気回路は、通常フィードバ
ック回路，積分回路等と称され、フィードバック電圧Ｖ
0 は（３）式で示される。 Ｖ0 ＝｛−１／（Ｃf ・Ｒs ）｝・∫t Ｖs ｄｔ …（３） 但し、Ｃf ：コンデンサの静電容量 Ｒs ：抵抗値 Ｖs ：トンネル電流値に対応する入力電圧 ｔ：時間
方向に駆動する圧電ピエゾ素子に所定の電圧、即ちフィ
ードバック電圧を印加することにより達成される。フィ
ードバック電圧を発生する電気回路は、通常フィードバ
ック回路，積分回路等と称され、フィードバック電圧Ｖ
0 は（３）式で示される。 Ｖ0 ＝｛−１／（Ｃf ・Ｒs ）｝・∫t Ｖs ｄｔ …（３） 但し、Ｃf ：コンデンサの静電容量 Ｒs ：抵抗値 Ｖs ：トンネル電流値に対応する入力電圧 ｔ：時間
【００１２】例えば測定範囲が数μm である場合、数百
nmオーダーの凹凸を捉えるには一走査で10個程度の凹凸
を捉えればよいのでフィードバック回路の時定数は大き
くてよいが、原子レベル（10-1nmオーダー）の凹凸を捉
えるには一走査で数万個程度の凹凸を捉える必要があ
り、時定数を非常に小さくしなければならない。即ち
（３）式の時間ｔを大きくすると、数百nmオーダーの凹
凸は捉えることができるが、原子レベルの凹凸は平均化
されるために正確に測定することができない。これに対
して時間ｔを小さくすると、原子レベルの凹凸は捉えら
れるが、積分特性の不安定性が増大するので、数百nmオ
ーダーの凹凸部では出力電圧が発振し、正確な表面凹凸
を捉えることが困難である。
nmオーダーの凹凸を捉えるには一走査で10個程度の凹凸
を捉えればよいのでフィードバック回路の時定数は大き
くてよいが、原子レベル（10-1nmオーダー）の凹凸を捉
えるには一走査で数万個程度の凹凸を捉える必要があ
り、時定数を非常に小さくしなければならない。即ち
（３）式の時間ｔを大きくすると、数百nmオーダーの凹
凸は捉えることができるが、原子レベルの凹凸は平均化
されるために正確に測定することができない。これに対
して時間ｔを小さくすると、原子レベルの凹凸は捉えら
れるが、積分特性の不安定性が増大するので、数百nmオ
ーダーの凹凸部では出力電圧が発振し、正確な表面凹凸
を捉えることが困難である。
【００１３】このように数百nmレベルの大きな凹凸の観
察と、原子レベルの小さな凹凸の観察とでは必要とする
フィードバック回路の時定数が一致しない。しかしなが
ら従来の走査型トンネル顕微鏡装置ではフィードバック
回路の時定数が１つであるので、これらを同時的に測定
することは非常に困難であるという問題がある。
察と、原子レベルの小さな凹凸の観察とでは必要とする
フィードバック回路の時定数が一致しない。しかしなが
ら従来の走査型トンネル顕微鏡装置ではフィードバック
回路の時定数が１つであるので、これらを同時的に測定
することは非常に困難であるという問題がある。
【００１４】さらに従来の走査型トンネル顕微鏡装置で
は、通常、アルミニウム，セラミックス，又はステンレ
ス鋼製の治具（探針ホルダ４及び試料ホルダ５）で探針
２，試料３を保持しているが、温度変化が激しい環境に
設置されている場合、熱膨張，収縮による伸縮により探
針２と試料３との間の距離が変化する（熱ドリフト）。
この場合も走査型トンネル顕微鏡装置による所定の測定
を正確に行うことが困難である。
は、通常、アルミニウム，セラミックス，又はステンレ
ス鋼製の治具（探針ホルダ４及び試料ホルダ５）で探針
２，試料３を保持しているが、温度変化が激しい環境に
設置されている場合、熱膨張，収縮による伸縮により探
針２と試料３との間の距離が変化する（熱ドリフト）。
この場合も走査型トンネル顕微鏡装置による所定の測定
を正確に行うことが困難である。
【００１５】この問題に対処するためには、試料３表面
の微小領域を高速で測定し、その影響を最低限に抑える
方法しか講じられていないのが現状である。従って数μ
m の比較的広範囲を観察することは不可能である。
の微小領域を高速で測定し、その影響を最低限に抑える
方法しか講じられていないのが現状である。従って数μ
m の比較的広範囲を観察することは不可能である。
【００１６】特開平６-66509号公報には、微粗動ステー
ジを動作させ、レーザー干渉変位計，ひずみゲージ，静
電容量型変位測定手段を用いてステージの変位を計測す
る走査型トンネル顕微鏡装置が開示されている。しかし
ながら微粗動機構に比較的大きいステージを使用するた
め装置が大型化し、床振動の影響を受け易い。またフィ
ードバック回路に関しては配慮されていない。
ジを動作させ、レーザー干渉変位計，ひずみゲージ，静
電容量型変位測定手段を用いてステージの変位を計測す
る走査型トンネル顕微鏡装置が開示されている。しかし
ながら微粗動機構に比較的大きいステージを使用するた
め装置が大型化し、床振動の影響を受け易い。またフィ
ードバック回路に関しては配慮されていない。
【００１７】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、探針だけでなく試料も駆動素子にて支持し、
また時定数が異なる別なフィードバック回路に各駆動素
子を夫々接続することにより、数百nmオーダーの大きい
凹凸と原子レベルの小さい凹凸とを同時的に正確に観察
することが可能な走査型トンネル顕微鏡装置を提供する
ことを目的とする。
のであり、探針だけでなく試料も駆動素子にて支持し、
また時定数が異なる別なフィードバック回路に各駆動素
子を夫々接続することにより、数百nmオーダーの大きい
凹凸と原子レベルの小さい凹凸とを同時的に正確に観察
することが可能な走査型トンネル顕微鏡装置を提供する
ことを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
試料を保持する試料ホルダと、探針を３次元的な移動が
可能なように保持する探針ホルダとを備え、探針の先端
とこれに近接させた試料との間に流れるトンネル電流を
一定に保ちながら、探針で試料表面を走査することによ
り、試料表面の形状情報を得る走査型トンネル顕微鏡装
置において、前記試料ホルダは、探針，試料間の距離を
変更する方向への移動が可能なように試料を保持するべ
く構成されていることを特徴とする。
試料を保持する試料ホルダと、探針を３次元的な移動が
可能なように保持する探針ホルダとを備え、探針の先端
とこれに近接させた試料との間に流れるトンネル電流を
一定に保ちながら、探針で試料表面を走査することによ
り、試料表面の形状情報を得る走査型トンネル顕微鏡装
置において、前記試料ホルダは、探針，試料間の距離を
変更する方向への移動が可能なように試料を保持するべ
く構成されていることを特徴とする。
【００１９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加えて、前記探針及び試料は、夫々駆動素子を介し
て保持するようになしてあり、各駆動素子の動作は異な
る時定数で制御されることを特徴とする。
成に加えて、前記探針及び試料は、夫々駆動素子を介し
て保持するようになしてあり、各駆動素子の動作は異な
る時定数で制御されることを特徴とする。
【００２０】請求項３記載の発明は、請求項２記載の構
成に加えて、前記試料を固定するための固定治具を備
え、該固定治具は、前記駆動素子にて少なくとも３点で
支持されるようになしてあることを特徴とする。
成に加えて、前記試料を固定するための固定治具を備
え、該固定治具は、前記駆動素子にて少なくとも３点で
支持されるようになしてあることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づき具体的に説明する。図１は本発明に係
る走査型トンネル顕微鏡装置を示す概略図であり、トン
ネルユニットの側面図及び回路構成の要部を示す。観察
室内に設置された、垂直部を有する基台１（側面視Ｌ字
型）上にセラミックスからなる探針ホルダ４が固定され
ている。探針ホルダ４の一面側（垂直部側）には探針２
が突出するように取り付けられている。また探針ホルダ
４（探針２）と前記垂直部との間の基台１上に、セラミ
ックスからなる試料ホルダ５が取り付けられており、試
料ホルダ５は基台１の垂直部にて支持されているマイク
ロメータヘッド６の操作により矢符方向（ｚ方向）での
位置調節が可能となしてある。試料３は試料ホルダ５の
探針ホルダ４側の面に保持されるようになしてある。
示す図面に基づき具体的に説明する。図１は本発明に係
る走査型トンネル顕微鏡装置を示す概略図であり、トン
ネルユニットの側面図及び回路構成の要部を示す。観察
室内に設置された、垂直部を有する基台１（側面視Ｌ字
型）上にセラミックスからなる探針ホルダ４が固定され
ている。探針ホルダ４の一面側（垂直部側）には探針２
が突出するように取り付けられている。また探針ホルダ
４（探針２）と前記垂直部との間の基台１上に、セラミ
ックスからなる試料ホルダ５が取り付けられており、試
料ホルダ５は基台１の垂直部にて支持されているマイク
ロメータヘッド６の操作により矢符方向（ｚ方向）での
位置調節が可能となしてある。試料３は試料ホルダ５の
探針ホルダ４側の面に保持されるようになしてある。
【００２２】探針２は、従来と同様（図５参照）、正面
視略五角形の探針保持具８により保持されており、探針
保持具８は棒状をなす３本の圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7z
によりその三方を支持されている。圧電ピエゾ素子７
は、通電に応じて伸縮する性質を有する。圧電ピエゾ素
子7x, 7y, 7zのうち圧電ピエゾ素子7x, 7yは探針２を試
料３表面方向へ移動させるためのものであり、探針２，
試料３間の距離に関係するのは圧電ピエゾ素子7zであ
る。圧電ピエゾ素子7zは、時定数が小さいフィードバッ
ク回路11に接続されている。また探針２はトンネル電流
検出回路13に接続されている。
視略五角形の探針保持具８により保持されており、探針
保持具８は棒状をなす３本の圧電ピエゾ素子7x, 7y, 7z
によりその三方を支持されている。圧電ピエゾ素子７
は、通電に応じて伸縮する性質を有する。圧電ピエゾ素
子7x, 7y, 7zのうち圧電ピエゾ素子7x, 7yは探針２を試
料３表面方向へ移動させるためのものであり、探針２，
試料３間の距離に関係するのは圧電ピエゾ素子7zであ
る。圧電ピエゾ素子7zは、時定数が小さいフィードバッ
ク回路11に接続されている。また探針２はトンネル電流
検出回路13に接続されている。
【００２３】一方、試料ホルダ５には、３本の圧電ピエ
ゾ素子10が平行にその一端で取り付けられており、圧電
ピエゾ素子10の他端には、試料３を取り付けるためのリ
ン青銅の板バネ９がエポキシ樹脂で取り付けられてい
る。図２は試料ホルダ５を正面側（探針ホルダ側）から
示す図である。板バネ９は、共振周波数が十分に高く、
圧電ピエゾ素子10の伸縮によりｚ方向に移動可能であ
る。試料３を保持している板バネ９は、ｚ方向に垂直な
ｘｙ平面における３点で圧電ピエゾ素子10に支持されて
いるので、その面方向が安定している。圧電ピエゾ素子
10は、時定数が大きいフィードバック回路12に接続され
ている。フィードバック回路11，12にはトンネル電流に
基づいた電圧がトンネル電流検出回路13から与えられる
ようになっている。
ゾ素子10が平行にその一端で取り付けられており、圧電
ピエゾ素子10の他端には、試料３を取り付けるためのリ
ン青銅の板バネ９がエポキシ樹脂で取り付けられてい
る。図２は試料ホルダ５を正面側（探針ホルダ側）から
示す図である。板バネ９は、共振周波数が十分に高く、
圧電ピエゾ素子10の伸縮によりｚ方向に移動可能であ
る。試料３を保持している板バネ９は、ｚ方向に垂直な
ｘｙ平面における３点で圧電ピエゾ素子10に支持されて
いるので、その面方向が安定している。圧電ピエゾ素子
10は、時定数が大きいフィードバック回路12に接続され
ている。フィードバック回路11，12にはトンネル電流に
基づいた電圧がトンネル電流検出回路13から与えられる
ようになっている。
【００２４】以上の如く構成された走査型トンネル顕微
鏡装置における観察動作について述べる。まずマイクロ
メータヘッド６の操作により試料ホルダ５の位置を設定
する。そして探針２，試料３間に所定の電圧を印加した
とき両者間に流れるトンネル電流を検出する。このトン
ネル電流が一定となるように圧電ピエゾ素子7z，10を伸
縮させて探針２，試料３間の距離を一定に保ちつつ、圧
電ピエゾ素子7x, 7yに適当な電圧を印加して試料３表面
を走査する。
鏡装置における観察動作について述べる。まずマイクロ
メータヘッド６の操作により試料ホルダ５の位置を設定
する。そして探針２，試料３間に所定の電圧を印加した
とき両者間に流れるトンネル電流を検出する。このトン
ネル電流が一定となるように圧電ピエゾ素子7z，10を伸
縮させて探針２，試料３間の距離を一定に保ちつつ、圧
電ピエゾ素子7x, 7yに適当な電圧を印加して試料３表面
を走査する。
【００２５】本発明では、探針２側だけでなく試料３側
にも圧電ピエゾ素子10を備えるため、ｚ方向の伸びの総
和が大きい。これにより凹凸が大きい試料３の表面形態
も正確に測定することができる。また試料３側の圧電ピ
エゾ素子10はｘｙ平面におけるｘ，ｙ方向（走査方向）
へ駆動する必要がないので、小型のものを使用すること
が可能である。従って探針２側だけで同程度の伸びを得
る場合よりもトンネルユニットを小さくすることができ
る。このことは前述の（１）式における質量Ｍが小さい
ことを意味する。従ってトンネルユニットの共振周波数
が高く、床振動の影響を受けにくいので、凹凸が大きい
試料表面も安定して正確に測定することができる。
にも圧電ピエゾ素子10を備えるため、ｚ方向の伸びの総
和が大きい。これにより凹凸が大きい試料３の表面形態
も正確に測定することができる。また試料３側の圧電ピ
エゾ素子10はｘｙ平面におけるｘ，ｙ方向（走査方向）
へ駆動する必要がないので、小型のものを使用すること
が可能である。従って探針２側だけで同程度の伸びを得
る場合よりもトンネルユニットを小さくすることができ
る。このことは前述の（１）式における質量Ｍが小さい
ことを意味する。従ってトンネルユニットの共振周波数
が高く、床振動の影響を受けにくいので、凹凸が大きい
試料表面も安定して正確に測定することができる。
【００２６】また駆動機構及びその時定数を２種類（２
組）に分け、一方は時定数が小さいフィードバック回路
11に接続した圧電ピエゾ素子7zにより原子レベル（10-1
nmオーダー）の分解能を達成する。また他方は時定数が
大きいフィードバック回路12に接続した圧電ピエゾ素子
10により大きい凹凸（数百nmオーダー）に対応可能であ
る。以上より両者を同時的に安定して測定することが可
能となり、あらゆる凹凸形態を有する表面を正確に観察
することが可能となる。
組）に分け、一方は時定数が小さいフィードバック回路
11に接続した圧電ピエゾ素子7zにより原子レベル（10-1
nmオーダー）の分解能を達成する。また他方は時定数が
大きいフィードバック回路12に接続した圧電ピエゾ素子
10により大きい凹凸（数百nmオーダー）に対応可能であ
る。以上より両者を同時的に安定して測定することが可
能となり、あらゆる凹凸形態を有する表面を正確に観察
することが可能となる。
【００２７】図３は上述した本発明に係る走査型トンネ
ル顕微鏡装置を使用して得たＳｉ（１１１）清浄表面の
結晶構造を示す写真である。Ｓｉ（１１１）清浄表面に
おいて特徴的である2.7 nmのコーナーホールと100 nm幅
のステップとが同時的に安定して観察されていることが
判る。このように本発明に係る走査型トンネル顕微鏡装
置では、大きさが著しく異なる凹凸を有する表面でも、
従来よりはるかに正確な観察像が得られるといえる。
ル顕微鏡装置を使用して得たＳｉ（１１１）清浄表面の
結晶構造を示す写真である。Ｓｉ（１１１）清浄表面に
おいて特徴的である2.7 nmのコーナーホールと100 nm幅
のステップとが同時的に安定して観察されていることが
判る。このように本発明に係る走査型トンネル顕微鏡装
置では、大きさが著しく異なる凹凸を有する表面でも、
従来よりはるかに正確な観察像が得られるといえる。
【００２８】なお上述の実施例では、試料及び探針の駆
動素子として圧電ピエゾ素子を使用しているが、トンネ
ル電流に基づいてフィードバック制御可能であれば他の
素子を使用してもよい。
動素子として圧電ピエゾ素子を使用しているが、トンネ
ル電流に基づいてフィードバック制御可能であれば他の
素子を使用してもよい。
【００２９】
【発明の効果】以上のように本発明に係る走査型トンネ
ル顕微鏡装置によれば、探針だけでなく試料も駆動素子
に接続し、各駆動素子の動作を異なる時定数で制御する
ことが可能な構成とすることにより、数百nmレベルの大
きい凹凸と原子レベルの小さい凹凸とを同時的に正確に
観察することができる。また熱ドリフトによる試料と探
針との相対位置変化を、試料ホルダに接続された駆動素
子によって補正することができるので、表面状態を正確
に把握することができる等、本発明は優れた効果を奏す
る。
ル顕微鏡装置によれば、探針だけでなく試料も駆動素子
に接続し、各駆動素子の動作を異なる時定数で制御する
ことが可能な構成とすることにより、数百nmレベルの大
きい凹凸と原子レベルの小さい凹凸とを同時的に正確に
観察することができる。また熱ドリフトによる試料と探
針との相対位置変化を、試料ホルダに接続された駆動素
子によって補正することができるので、表面状態を正確
に把握することができる等、本発明は優れた効果を奏す
る。
【図１】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡装置を示す
概略図である。
概略図である。
【図２】図１に示す試料ホルダの正面図である。
【図３】本発明装置を使用して得たＳｉ（１１１）清浄
表面の結晶構造を示す写真である。
表面の結晶構造を示す写真である。
【図４】従来の走査型トンネル顕微鏡装置の要部構成を
示す模式図である。
示す模式図である。
【図５】図４に示す探針ホルダを示す拡大斜視図であ
る。
る。
【図６】走査型トンネル顕微鏡装置と床との振動系を説
明するための図である。
明するための図である。
【図７】規格化振動数と伝達関数との関係を示すグラフ
である。
である。
２ 探針 ３ 試料 ４ 探針ホルダ ５ 試料ホルダ 7x, 7y, 7z，10 圧電ピエゾ素子 ９ 板バネ 11，12 フィードバック回路 13 トンネル電流検出回路
Claims (3)
- 【請求項１】 試料を保持する試料ホルダと、探針を３
次元的な移動が可能なように保持する探針ホルダとを備
え、探針の先端とこれに近接させた試料との間に流れる
トンネル電流を一定に保ちながら、探針で試料表面を走
査することにより、試料表面の形状情報を得る走査型ト
ンネル顕微鏡装置において、前記試料ホルダは、探針，
試料間の距離を変更する方向への移動が可能なように試
料を保持するべく構成されていることを特徴とする走査
型トンネル顕微鏡装置。 - 【請求項２】 前記探針及び試料は、夫々駆動素子を介
して保持するようになしてあり、各駆動素子の動作は異
なる時定数で制御されることを特徴とする請求項１記載
の走査型トンネル顕微鏡装置。 - 【請求項３】 前記試料を固定するための固定治具を備
え、該固定治具は、前記駆動素子にて少なくとも３点で
支持されるようになしてあることを特徴とする請求項２
記載の走査型トンネル顕微鏡装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30343395A JPH09127138A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | 走査型トンネル顕微鏡装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30343395A JPH09127138A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | 走査型トンネル顕微鏡装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09127138A true JPH09127138A (ja) | 1997-05-16 |
Family
ID=17920952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30343395A Pending JPH09127138A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | 走査型トンネル顕微鏡装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09127138A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011047887A (ja) * | 2009-08-28 | 2011-03-10 | Hitachi Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 |
-
1995
- 1995-10-26 JP JP30343395A patent/JPH09127138A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011047887A (ja) * | 2009-08-28 | 2011-03-10 | Hitachi Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 |
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