JPS63153405A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ト）［産業上の利用分野］ この発明は、走査針と試料の観察面とを限り無く、例え
ば５０Ｘ以下に近づけ、両者の間に流れるトンネル電流
を測定して常時一定となるように走査針を軸方向に移動
させ、前記観察面の画像を得る走査型トンネル顕微鏡に
関する。

０３）［従来の技術］ この種の顕微鏡は、試料の表面の構造を、数Ｘ以下とい
う高分解能で解明でき、また試料の観察面を全く損傷す
ることがない等、他の形式の顕微鏡と比べて優れた特性
を有している。このような顕微鏡においては、駆動機構
にそれぞれ走査針と試料とを固定し、これら駆動機構に
より、走査針と試料とを相対的に面方向並びに軸方向に
微動させて、所定の信号を得、この信号をもとにして試
料の表面の三次元画像を得ている。従来の顕微鏡に使用
されている駆動機構としては、圧電体により形成され、
互いに一端が接続され、他端がほぼ同角度で延出した３
本の脚部を有するアクチュエータ、並びに差動マイクロ
メータと積層圧電体で形成されたアクチーエータとの組
合わせからなるものが知られている。

（Ｃ）［発明が解決しようとする問題点］しかし、上記
駆動機構は動作範囲が狭く汎用性に劣るという欠点があ
った。一方、汎用性を求めて、必要な微動機構や粗動機
構を追加すると、装置全体が大型となり、外部振動や熱
ドリフトに弱くなるという問題点があった。

したがって、この発明は上記従来技術の問題点に鑑み案
出されたものであり、その目的は、装置全体が小型化に
できるとともに汎用性にも優れた走査型トンネル顕微鏡
を提供することである。

０））　［問題点を解決する為の手段］この発明の走査
型トンネル顕微鏡は、試料を移動させる第１のアクチュ
エータと走査針を移動させる第２のアクチーエータとの
少なくとも一方は、複数の圧電体が軸方向に電極を介し
て積層された第１の駆動部と、この第１の駆動部の圧電
体と異なる数の圧電体が電極を介して積層された第２の
駆動部とを積層方向に接合してなる積層複合アクチュエ
ータにより形成されていることを特徴とする。

＠）［作　用］ 試料と走査針との間に所定の電圧を印加し、かつ試料と
走査針との間がトンネル領域となるように両者を近接さ
せた状態で、トンネル電流を測定し、アクチュエータに
より、走査針を面方向に移動させるとともに、前記トン
ネル電流が一定となる（仕事関数など物性が均一な試料
の場合には、走査針と試料表面の間隔を一定に保つこと
に相当する）ように走査針を軸方向に移動させる。そし
て、この軸方向に移動式せるための電圧を測定し、これ
を信号として三次元像を描く。次いで、この三次元像を
画像処理して試料表面の凹凸を観測する。

ＣＦ）　［実施例コ 以下に、この発明の一実施例に係わる走査型トンネル顕
微鏡を添付図面を参照して説明する。

第１図において、符号１０は一辺が数画の矩形の基板を
示し、この基板１０は下面が高精度に研磨されたステン
レス板もしくはインバー合金により形成されている。こ
の基板ＪＯの上面の左端近くにはほぼ三角形状の支持板
１２が、右端には矩形状の支持板２６が、立設されてい
る。この支持板１２のほぼ中心部には差動マイクロメー
タ１４が、この支持板１２と直交するようにして、水平
に固定されている。このマイクロメータ１４の前端部１
４ｈは基板１０の他端側に、支持板Ｊ２の前面から突出
し、また後端部である操作部１４ｂは、同支持板１２の
後面から突出されている。このような差動マイクロメー
タ１４は操作部１４ｂを所定角度回動させることにより
、先端部１４ｍが軸線にそって微小距離移動する公知の
ものであり、試料の粗動移動機構を構成している。この
マイクロメータ１４の前端部前面には第一のアクチェエ
ータ１６が同軸的に設けられている。この第一のアクチ
ュエータ１６は、Ｘ−軸、Ｙ−軸、２−軸方向に伸縮可
能なように電極パターンが設けられた円筒型圧電体素子
で公知のものである。このアクチュエータ１６の前端に
は走査針２４が同軸的に固定されている。このアクチー
エータ１６は走査針２４を軸方向に微動させる機能と、
軸に−へ− 直交する面方向に走査させる機能とを有している。

この第１のアクチーエータ１６と対面するようにして、
前記基板１０の他端側には、後で詳述する積層複合型の
第２のアクチーエータ２２が基板１０から突設された支
持板２６により、固定されている。この第２のアクチュ
エータ２２の先端には、試料台２０を介して試料１８が
前記走査針２４と対面するように固定されている。この
第２のアクチュエータ２２は、その電極に選択的に電圧
が印加されることによシ、試料１８を軸方向に粗動並び
に微動させる機能を有している。

次に、第２図を参照して、前記第２のアクチュエータ２
２を説明する。

図中符号３０は第１の駆動部を、また符号３２は第２の
駆動部をそれぞれ示し、とｔら駆動部３０．３２は同軸
的に配設され、絶縁体３４によシ接合されている。第１
の駆動部３０は、それぞれのあいだに電極３６が介在さ
れて、積層された３個の圧電体３８を有する。また、外
側に位置する圧電体の面にも電極３６が形成されている
。第２の駆動部３２は圧電体３８が７個使用されている
以外は、第１の駆動部３０と全く同様にして構成されて
いる。前記電極３６は一つ置きに第１並びに第２の電源
回路４０．４２のマイナス側とプラス側に接続されてお
り、かくして各圧電体３８は両面の電極３６を介して電
圧が印加され、伸縮される。この結果、第１の電源回路
４０を駆動した場合には第１の駆動部３０が伸縮し、第
２の電源回路４２を駆動したときには第２の駆動部３２
が、第１の駆動部３０の伸縮量よりも大きく伸縮し、ま
た両駆動回路４０．４２を同時に駆動したときにはさら
に大きく伸縮する。従って第１の駆動部３０は試料の微
動用として、第１と第２の駆動部とを合わせたものは粗
動用として、そして第２の駆動部３２は中間用として使
用できる。ここで第１の駆動部と第２の駆動部とは、圧
電体の個数が異なっていれば、その数は適宜でよい。そ
して、駆動部も２個に制限されるものではなく、これ以
上でもよい。さらに、電源回路は必ずしも複数である必
要はなく、単一の電源回路でも、これとそれぞれの駆動
部とのあいだにスイッチン゛グ回路を介在きせることに
より、使用できる。

上記構成の走査型トンネル顕微鏡を使用して試料である
金属片の表面の凹凸を側番する場合につき説明する。

試料１８と走査針２４とのあいだに所定電圧（０，Ｉ　
Ｖ〜１０ｖ）を印加する。つぎに差動マイクロメータ１
４によりｉｌｌのアクチュエータ１６を軸方向に粗動さ
せ、走査針２４を試料１８に近づける。そして、第２の
アクチーエータ２２に電圧を印加して、試料１８を、試
料１８と走査針２４との間が真空トンネル領域（約１２
Ｘ）となるまで走査針２４に接近させトンネル電流を測
定する。

この状態で、第１のアクチュエータ１６の所定の電極に
電圧を印加して、走査針２４を面方向に移動させ、観察
面を走査するとともに、測定したトンネル電流にもとづ
いて、常時、トンネル電流が一定となるように軸方向に
も微動させる。この時の走査針２４の軸方向の移動のだ
めの電圧を測足し、これを信号として試料の表面の三次
元像を描く。この電圧は試料の仕事関数と、試料と走査
針との距離の関数であるので、試料表面に凹凸もしくは
汚染がおると変化し、これらを表示することになる。し
たがって、この三次元像を画像処理することにより試料
表面を観察できる。

つぎに、複数の積層複合圧電体を用いた走査型トンネル
顕微鏡の例について説明する。

第３図において、基板１０、支持板１２、差動マイクロ
メータ１４は、第１図のものと同様のものである。ただ
し基板１０の右端には突出部はない。差動マイクロメー
タ１４の前端部前面には第１の積層複合アクチュエータ
１６が同軸的に設けられている。この第１の積層複合ア
クチュエータ１６は、第２図に示されているように、第
１の駆動部３０と第２の駆動部３２とから構成されてい
る。アクチーエータ１６の前端には、試料台２０を介し
て試料１８が取着されている。一端が互いに接合され三
方向に延出する第１ないし第３の脚部ｚ４．ｚ６．２ｇ
を有する第２のアクチュエータ２２は、第１ないし第２
の脚部２４’、２６の他９一 端が基板１０の上面右端に固定され、第３の脚部２８が
これと基板１０とのあいだに第１のアクチーエータ１６
を位置させるように、基板１０の上面に対して平行に延
出し、その他端が前記支持板１２の上面にねじ止めされ
た装着部材３０に固定されている。これら３本の脚部２
４，２６．２８は、それぞれが積層複合圧電体からなる
。また、３本の脚部が集合する接合部の下側には走査針
保持部材３２を介して、走査針３４が前記試料１８と対
面するように支承されている。

上記構成の走査型トンネル顕微鏡の動作について説明す
る。

試料１８と走査針３４とのあいだに所定電圧（０，１Ｖ
〜１０ｖ）を印加する。つぎに差動マイクロメータ１４
により第１のアクチーエータ１６を軸方向に粗動させ試
料１８を走査針３４に近づける。そして、第１のアクチ
ュエータ１６に′電圧を印加して、試料１８を、試料１
８と走査針３４とのあいだが真空トン坏ル領域（約１２
Ｘ）となるまで、走査針３４に接近をせトンネル電流を
測定スる。この状態で、第２のアクチュエータ２２の所
定の電極に電圧を印加して、走査針３４を面方向に移動
させ、観察面を走査するとともに測定したトンネル電流
にもとづいてこのトンネル電流が一定となるように軸方
向にも微動させる。この時の走査針３４の軸方向の移動
のための電圧を信号として、試料の表面の三次元像を得
る。本構成の走査型トンネル顕微鏡においては、第１お
よび第２のアクチーエータがともに積層複合圧電体から
構成きれているため、広い範囲に走査針および試料を移
動させることができ、汎用性に優れるうえ、小型化も達
成できる。

上記実施例では、第２のアクチュエータの３本の脚部２
４，２６．２８に、積層複合圧電体を用いたが、これら
は単なる積層圧電体であってもよいし、単体の圧電体で
あってもよい。

（Ｇ）［発明の効果］ この発明の走査型トンネル顕微鏡においては、試料を移
動するアクチュエータと走査針を移動するアクチュエー
タとの少なくとも一方は、複数の圧電体が軸方向に電極
を介して積層された第１の駆動部と、この第１の駆動部
の圧電体と異なる数の圧電体が電極を介して積層された
第２の駆動部とを積層方向に接合して力る積層複合アク
チュエータにより形成されている。この積層複合アクチ
ーエータは、小型で簡単な構成で粗動と微動とを選択的
に果せるので、汎用性を維持しつつ装置全体の小型化が
達成できる。また外部振動や熱ドリフトの影響を受けに
くいので高分解能の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係わる走査型トンネル
顕微鏡の全体を示す斜視図、第２図は、同トンネル顕微
鏡に使用されている複合積層アクチーエータを説明する
為の図、第３図は、この発明の他の実施例の全体を示す
斜視図、そして第４図はその背面図である。 １０・・・基板、１４・・・差動マイクロメータ、１６
・・・第１のアクチーエータ、１８・・・試料、２２・
・・第２のアクチーエータ、３４・・・走査針。 １り 第１図 第２図 Ｕ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料の観察面に対して微少間隔を有して対面するように
   位置され、試料との間に電圧が印加されることにより、
   両者間にトンネル電流が流される走査針と、試料を移動
   させる第１のアクチエータと、前記走査針を移動させる
   第２のアクチエータとを具備し、前記第１と第２のアク
   チエータの少なくとも一方は複数の圧電体が軸方向に電
   極を介して積層された第１の駆動部と、この第１の駆動
   部の圧電体と異なる数の圧電体が電極を介して積層され
   た第２の駆動部とを積層方向に接合してなる積層複合ア
   クチエータにより形成されていることを特徴とする走査
   型トンネル顕微鏡。