JP3124058B2 - Scanning probe device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、表面測定装置、表面処
理装置、表面加工装置などに用いられる走査型探針装置
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe used for a surface measuring device, a surface treating device, a surface processing device and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、固体表面の１つ１つの原子を測定
するための装置として、走査型トンネル顕微鏡（以下、
ＳＴＭと略称する。）が出現している。このＳＴＭは、
先端の尖った導電性の探針で導電性試料の表面上を走査
し、そのときに試料と探針との間に流れるトンネル電流
を測定することによって試料表面の構造を原子レベルで
測定するようにしている。このＳＴＭでは、試料と探針
との間に流れるトンネル電流を測定に利用しているた
め、導電性の試料のみに限られる。一方、最近では、Ｓ
ＴＭを応用して電気絶縁体の試料の表面も測定できるよ
うにした顕微鏡が出現している。これは探針をカンチレ
バーで支持し、試料表面と探針との間に働く力で生じる
カンチレバーの変位をＳＴＭの原理で測定することによ
って試料表面の構造を測定するようにしたもので、原子
力間顕微鏡（Atomic Force Microscopy ：ＡＦＭ）と呼
ばれている。このＡＦＭにおいても、ＳＴＭと同様に、
探針で試料表面上を走査しながらカンチレバーの変位を
測定すれば、試料表面の形状（構造）を３次元で測定で
きる。2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (hereinafter, referred to as an apparatus) for measuring each atom on a solid surface has been used.
Abbreviated as STM. ) Has appeared. This STM is
The structure of the sample surface is measured at the atomic level by scanning the surface of the conductive sample with a sharp-pointed conductive probe and measuring the tunnel current flowing between the sample and the probe at that time. I have to. In this STM, since a tunnel current flowing between a sample and a probe is used for measurement, the STM is limited to only a conductive sample. On the other hand, recently, S
Microscopes have become available which can measure the surface of an electrical insulator sample by applying TM. In this method, the probe is supported by a cantilever, and the structure of the sample surface is measured by measuring the displacement of the cantilever generated by the force acting between the sample surface and the probe according to the principle of STM. It is called a microscope (Atomic Force Microscopy: AFM). In this AFM, as in STM,
If the displacement of the cantilever is measured while scanning the sample surface with the probe, the shape (structure) of the sample surface can be measured in three dimensions.
【０００３】ＳＴＭやＡＦＭは、試料の表面測定に限ら
ず種々応用できる。たとえば表面構造を測定した後に表
面の所望位置上へ探針を移動させ、探針と試料間にパル
ス電圧を印加することによって、探針直下に原子スケー
ルの微細加工を施すことも可能である。また、探針を試
料表面に衝突させることによって試料表面に微細な凹凸
を加工することも可能である。つまり、加工装置にも応
用できる。さらには、探針と試料間に気体分子あるいは
液体分子がある場合は、印加電圧による電界によってそ
の分子を試料に吸着させたり、離脱させたりすることも
でき、表面処理装置にも応用できる。[0003] STM and AFM can be applied not only to surface measurement of a sample but also to various other applications. For example, by measuring the surface structure, moving the probe to a desired position on the surface, and applying a pulse voltage between the probe and the sample, it is also possible to perform fine processing on the atomic scale immediately below the probe. It is also possible to process fine irregularities on the sample surface by colliding the probe with the sample surface. That is, it can be applied to a processing device. Further, when gas molecules or liquid molecules are present between the probe and the sample, the molecules can be adsorbed to or desorbed from the sample by an electric field generated by an applied voltage, and can be applied to a surface treatment apparatus.
【０００４】ところで、このようなＳＴＭやＡＦＭで
は、上述の如く探針で試料の表面上を走査する必要があ
る。この走査を実現する、いわゆる走査型探針装置は、
通常、探針と試料との間の間隙長を常に一定に保持する
間隙長制御系と、探針と試料とを試料の表面に沿う方向
に相対移動させて探針で試料の表面上を走査させる走査
系とで構成されており、具体的には図５に示すように構
成されている。この図にはＳＴＭ用のものが示されてお
り、特に走査している間中、探針と試料との間の間隙長
を常に一定に保持する間隙長制御系１が詳しく示されて
いる。In such an STM or AFM, it is necessary to scan the surface of a sample with a probe as described above. The so-called scanning probe device that realizes this scanning,
Normally, a gap length control system that always keeps the gap length between the probe and the sample constant, and the probe and the sample are relatively moved in the direction along the sample surface to scan the sample surface with the probe The scanning system is configured as shown in FIG. This figure shows an STM, and in particular, details a gap length control system 1 that keeps a gap length between a probe and a sample constant during scanning.
【０００５】同図において、２は試料を示し、３は試料
２の表面に対向配置された探針を示している。探針３は
軸４に固定されており、この軸４はＺ軸方向駆動用のア
クチュエータである圧電素子５に連結されている。ま
た，軸４は連結軸６を介してＸ，Ｙ軸方向駆動用のアク
チュエータである圧電素子７にも連結されている。[0005] In FIG. 1, reference numeral 2 denotes a sample, and reference numeral 3 denotes a probe arranged opposite to the surface of the sample 2. The probe 3 is fixed to a shaft 4, and the shaft 4 is connected to a piezoelectric element 5, which is an actuator for driving in the Z-axis direction. The shaft 4 is also connected via a connection shaft 6 to a piezoelectric element 7 which is an actuator for driving in the X and Y axes.
【０００６】試料２には、試料２と探針３との間にトン
ネル電流を流すためのバイアス電源８が接続されてい
る。試料２と探針３との間に流れたトンネル電流は、Ｉ
／Ｖ増幅器９で電圧信号に変換された後にログ増幅器１
０に導入される。このログ増幅器１０は、トンネル電
流、つまりＩ／Ｖ増幅器９の出力が試料２と探針３との
間の間隙長に応じて指数関数的に変化するのを直線化す
る。ログ増幅器１０の出力は、減算器１１の一方の入力
端に導入される。この減算器１１は他方の入力端に基準
電源１２の出力を導入し、差信号を出力する。この差信
号はエラー増幅器１３で増幅された後、抵抗１４および
コンデンサ１５からなる時定数回路１６を経て圧電素子
駆動用の増幅器１７に導入される。そして、増幅器１７
の出力によって圧電素子５が駆動される。なお、Ｘ，Ｙ
軸方向駆動用の圧電素子７は、図示しない走査制御系に
よって駆動される。[0006] A bias power supply 8 for flowing a tunnel current between the sample 2 and the probe 3 is connected to the sample 2. The tunnel current flowing between the sample 2 and the probe 3 is I
/ V amplifier 9 converts the voltage signal to a voltage signal, and
0 is introduced. The log amplifier 10 linearizes that the tunnel current, that is, the output of the I / V amplifier 9 changes exponentially according to the gap length between the sample 2 and the probe 3. The output of the log amplifier 10 is introduced to one input terminal of a subtractor 11. The subtracter 11 introduces the output of the reference power supply 12 to the other input terminal and outputs a difference signal. The difference signal is amplified by an error amplifier 13 and then introduced into a piezoelectric element driving amplifier 17 through a time constant circuit 16 including a resistor 14 and a capacitor 15. And the amplifier 17
Drives the piezoelectric element 5. X, Y
The piezoelectric element 7 for axial driving is driven by a scanning control system (not shown).
【０００７】このように、従来の走査型探針装置の間隙
長制御系１は、試料２と探針３との間に流れるトンネル
電流が常に一定となるように、つまり試料２と探針３と
の間の間隙長が常に一定となるようにＺ軸方向駆動用の
圧電素子５を駆動している。そして、増幅器１７の入力
信号を観察信号として取出すようにしている。したがっ
て、試料２の表面に原子レベルの凹凸があると、この凹
凸に対応して観察信号が変化することになり、この変化
から試料２の表面形状を知ることができる。As described above, the gap length control system 1 of the conventional scanning probe apparatus is designed so that the tunnel current flowing between the sample 2 and the probe 3 is always constant, that is, the sample 2 and the probe 3 The piezoelectric element 5 for driving in the Z-axis direction is driven such that the gap length between them is always constant. Then, an input signal of the amplifier 17 is extracted as an observation signal. Therefore, if the surface of the sample 2 has irregularities at the atomic level, the observation signal changes according to the irregularities, and the surface shape of the sample 2 can be known from the change.
【０００８】しかしながら、上記のように構成された従
来の走査型探針装置にあっては次のような問題があっ
た。すなわち、試料２の表面は必ずしもＸＹ平面に平行
ではなく、ある傾きを有している場合が多い。このた
め、試料２の表面の広い範囲に亘って表面上の凹凸を測
定できるようにするには、伸縮量の大きい圧電素子５を
用いる必要がある。このため、通常は圧電素子片を複数
積層して圧電素子５を形成するとともに増幅器１７とし
て高電圧増幅器を用いて要望を満たすようにしている。
しかし、高電圧増幅器は、一般に応答速度が遅く（時定
数が大きく）、ノイズが大きい。このため、たとえば図
６に示すような表面形状を有する試料２を対象にし、時
定数が１秒の間隙長制御系１で試料２と探針３との間の
間隙長を制御するとともに、Ｘ軸方向駆動用の圧電素子
に図７(a) に示すようにピーク値までの時間が１５ミリ
秒と短い３角波を印加して探針３をＸ軸方向に往復動さ
せた場合、観察信号は図７(b) に示すように試料２のＸ
軸方向の傾きだけに対応したものとなり、表面の凹凸、
つまり原子位置に対応したものとはならない。図８には
同様の駆動条件で試料であるグラファイトの表面をＹ軸
方向に６４本走査したときの観察信号画像が示されてい
る。所要時間は２秒であったが、表面の原子まで観測す
ることはできなかった。なお、走査速度を遅くして図８
に示される領域を３分かけて走査すると原子までを観測
することができた。[0008] However, the conventional scanning probe device configured as described above has the following problems. That is, the surface of the sample 2 is not always parallel to the XY plane, and often has a certain inclination. Therefore, in order to be able to measure unevenness on the surface of the sample 2 over a wide range, it is necessary to use the piezoelectric element 5 having a large amount of expansion and contraction. For this reason, usually, a plurality of piezoelectric element pieces are laminated to form the piezoelectric element 5 and a high-voltage amplifier is used as the amplifier 17 to satisfy the demand.
However, a high-voltage amplifier generally has a slow response speed (large time constant) and large noise. For this reason, for example, for a sample 2 having a surface shape as shown in FIG. 6, the gap length between the sample 2 and the probe 3 is controlled by a gap length control system 1 having a time constant of 1 second. As shown in FIG. 7 (a), when a triangular wave with a short time to the peak value of 15 milliseconds was applied to the piezoelectric element for axial driving and the probe 3 was reciprocated in the X-axis direction, the observation was made. The signal is the X of sample 2 as shown in FIG.
It corresponds to only the inclination in the axial direction.
That is, it does not correspond to the atomic position. FIG. 8 shows an observation signal image obtained by scanning the surface of graphite as a sample 64 times in the Y-axis direction under the same driving conditions. The required time was 2 seconds, but it was not possible to observe the atoms on the surface. It should be noted that the scanning speed is reduced and FIG.
Scanning the region shown in (3) over 3 minutes, it was possible to observe even atoms.
【０００９】このように、従来の走査型探針装置では試
料２の表面上を走査できる走査速度の上限が圧電素子５
を駆動する間隙長制御系１の駆動時定数、特に圧電素子
５に電圧を印加する高電圧増幅器の応答速度で決定さ
れ、原理的に速くすることができない問題があった。こ
のように走査速度が遅いことは種々の不具合を招く。す
なわち、試料の表面形状は、時間の経過とともに変化す
る場合が多い。したがって、従来の走査型探針装置を使
用した場合には、その時々の表面状態をリアルタイムに
近い状態で測定できないことになる。この種の装置の性
能は、いかに速い速度で表面を測定できるかで決まる。
また、表面加工においても、いかに速い速度で表面微細
加工ができるかで装置の性能が決定される。As described above, in the conventional scanning probe device, the upper limit of the scanning speed at which the surface of the sample 2 can be scanned is limited by the piezoelectric element 5.
Is determined by the driving time constant of the gap length control system 1 for driving the piezoelectric element 5, particularly the response speed of the high-voltage amplifier that applies a voltage to the piezoelectric element 5, and there is a problem that it cannot be increased in principle. Such a low scanning speed causes various problems. That is, the surface shape of the sample often changes over time. Therefore, when a conventional scanning probe device is used, the surface state at that time cannot be measured in a state close to real time. The performance of such a device depends on how fast the surface can be measured.
Also, in the surface processing, the performance of the apparatus is determined by how fast the surface can be finely processed.
【００１０】そこで、このような不具合を解消するため
に、ノイズが少なく、応答スピードの速い高速高電圧増
幅器を製作することが考えられるが、これを実現するに
は技術的な困難が伴い、コストの上昇を免れ得ないこと
になる。In order to solve such a problem, it is conceivable to manufacture a high-speed high-voltage amplifier with low noise and a high response speed. Inevitably rise.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の走
査型探針装置では、走査速度を速くすることができない
ため、速度の速い測定、処理、加工等には寄与できない
と言う問題があった。As described above, since the conventional scanning probe cannot increase the scanning speed, it cannot contribute to high-speed measurement, processing, processing, and the like. Was.
【００１２】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
きる走査型探針装置を提供することを目的としている。Accordingly, an object of the present invention is to provide a scanning probe device which can solve the above-mentioned problems.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、試料の表面に対向配置される探針と、
この探針と前記試料との間の間隙長を常に一定に保持す
る間隙長制御手段と、前記探針と前記試料とを上記試料
の表面に沿う方向に相対移動させて上記探針で上記試料
の表面上を走査する走査手段とを備えた走査型探針装置
において、前記間隙長制御手段が、それぞれの変位量の
和の変位量で前記探針と前記試料とを相対移動させる複
数のアクチュエータと、前記探針と前記試料との間の間
隙長変化に応答して対応する前記アクチュエータを駆動
する駆動時定数の異なる複数の制御系とを備えている。In order to achieve the above object, the present invention provides a probe which is arranged to face a surface of a sample,
A gap length control means for always keeping the gap length between the probe and the sample constant; and moving the probe and the sample relative to each other in a direction along the surface of the sample, and moving the sample with the probe. Scanning means for scanning the surface of the probe, wherein the gap length control means comprises a plurality of actuators for relatively moving the probe and the sample by a displacement amount equal to the sum of the respective displacement amounts. And a plurality of control systems having different drive time constants for driving the corresponding actuator in response to a change in the gap length between the probe and the sample.
【００１４】なお、ここで言う試料とは、ＳＴＭに適用
したときには試料そのものを指し、ＡＦＭに適用したし
たときにはカンチレバーの変位で模擬された試料を指し
ている。The term "sample" as used herein refers to a sample itself when applied to STM, and to a sample simulated by cantilever displacement when applied to AFM.
【００１５】[0015]
【作用】今、アクチュエータが２個設けられており、一
方のアクチュエータが第１の圧電素子で形成され、他方
のアクチュエータが第１の圧電素子より大きい変位量が
得られる第２の圧電素子で形成され、第１の圧電素子を
駆動する制御系の駆動時定数が第２の圧電素子を駆動す
る制御系の駆動時定数より小さいものとすると、第２の
圧電素子およびこれを駆動する制御系は、応答速度が遅
いので試料の緩やかな傾斜に追随させて探針と試料とを
相対移動させる。また、第１の圧電素子およびこれを駆
動する制御系は、応答速度が速いので試料表面の微細な
凹凸に追随させて探針と試料とを相対移動させる。した
がって、走査速度を速くしても、探針と試料との間の間
隙長を常に一定に保持でき、広範囲な試料表面上を高速
に走査しながら高い分解能で表面の微細構造を測定した
り、加工したりすることに寄与できる。Now, two actuators are provided, one of which is formed by a first piezoelectric element, and the other of which is formed by a second piezoelectric element capable of obtaining a larger displacement than the first piezoelectric element. If the drive time constant of the control system for driving the first piezoelectric element is smaller than the drive time constant of the control system for driving the second piezoelectric element, the second piezoelectric element and the control system for driving the same are: Since the response speed is slow, the probe and the sample are relatively moved by following the gentle inclination of the sample. In addition, the first piezoelectric element and the control system for driving the first piezoelectric element have a high response speed, so that the probe and the sample are relatively moved following fine irregularities on the surface of the sample. Therefore, even if the scanning speed is increased, the gap length between the probe and the sample can always be kept constant, and the fine structure of the surface can be measured with high resolution while scanning over a wide range of sample surfaces at high speed, It can contribute to processing.
【００１６】[0016]
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。Embodiments will be described below with reference to the drawings.
【００１７】図１には本発明の一実施例に係る走査型探
針装置、ここにはＳＴＭ用の走査型探針装置で、かつ間
隙長制御系３１だけが詳しく示されている。FIG. 1 shows a scanning probe apparatus according to an embodiment of the present invention, specifically, a scanning probe apparatus for STM and only a gap length control system 31 is shown in detail.
【００１８】同図において、３２は試料を示し、３３は
試料３２の表面に対向配置された探針を示している。探
針３３は軸３４に固定されており、この軸３４はＺ軸方
向駆動用の駆動部３５に連結されている。また，軸３４
は連結軸３６を介してＸ，Ｙ軸方向駆動用のアクチュエ
ータである圧電素子３７に連結されている。In FIG. 1, reference numeral 32 denotes a sample, and reference numeral 33 denotes a probe which is arranged to face the surface of the sample 32. The probe 33 is fixed to a shaft 34, and the shaft 34 is connected to a driving unit 35 for driving in the Z-axis direction. Also, the shaft 34
Is connected via a connecting shaft 36 to a piezoelectric element 37 which is an actuator for driving in the X and Y directions.
【００１９】駆動部３５は、試料３２の表面の傾きや変
形などの3000〜5000オングストローム程度の大きな変位
に対応できる伸縮量が得られる圧電素子３８で形成され
たアクチュエータと、試料３２の表面の原子レベルの微
細な変位に対応できる伸縮量が得られる圧電素子３９で
形成されたアクチュエータとをＺ軸方向に連結して構成
されている。具体的には、圧電素子３８として伸縮率が
１ボルト当り５オングストロームのものが用いられ、圧
電素子３９として伸縮率が１ボルト当り１オングストロ
ームのものが用いられている。The driving unit 35 includes an actuator formed of a piezoelectric element 38 capable of obtaining an amount of expansion and contraction capable of coping with a large displacement of about 3000 to 5000 angstroms such as inclination and deformation of the surface of the sample 32, The actuator is formed by connecting in the Z-axis direction an actuator formed of a piezoelectric element 39 capable of obtaining an amount of expansion and contraction capable of responding to a minute displacement at a level. Specifically, a piezoelectric element having an expansion / contraction rate of 5 angstroms per volt is used, and a piezoelectric element 39 having an expansion / contraction rate of 1 angstroms per volt is used.
【００２０】試料３２には、試料３２と探針３３との間
にトンネル電流を流すためのバイアス電源４０が接続さ
れている。この電源４０としてはノイズを避けるために
電池が用いられている。A bias power supply 40 for flowing a tunnel current between the sample 32 and the probe 33 is connected to the sample 32. As the power source 40, a battery is used to avoid noise.
【００２１】圧電素子３８は第１の間隙長制御系４１に
よって駆動され、圧電素子３９は第２の間隙長制御系４
２によって駆動される。The piezoelectric element 38 is driven by a first gap length control system 41 and the piezoelectric element 39 is driven by a second gap length control system 4.
2 driven.
【００２２】第１の間隙長制御系４１は、試料３２と探
針３３との間に流れたトンネル電流をＩ／Ｖ増幅器（増
幅率を１０7 Ｖ／Ａ、１０8Ｖ／Ａ、１０9 Ｖ／Ａに切
換えできる。）４３で電圧信号に変換し、この変換信号
をログ増幅器４４を介して減算器４５の一方の入力端に
導入している。この減算器４５は他方の入力端に基準電
源４６の出力を導入して差信号を出力する。この差信号
をエラー増幅器１３で増幅した後に抵抗４８とコンデン
サ４９からなる時定数回路５０を経て高電圧増幅器５１
に導入している。高電圧増幅器５１としては、入力振幅
が±５Ｖ、増幅率が１００倍、出力振幅が±５００Ｖ、
ノイズレベルが最大振幅で７ｍＶ、応答時定数が約０．
１〜１０秒の間を変化するものが用いられている。そし
て、高電圧増幅器５１の出力で圧電素子３８を駆動して
いる。The first gap length control system 41 converts the tunnel current flowing between the sample 32 and the probe 33 into an I / V amplifier (amplification rate of 10 7 V / A, 10 8 V / A, 10 9 The voltage can be switched to V / A.) The voltage signal is converted into a voltage signal at 43 and the converted signal is introduced to one input terminal of a subtractor 45 via a log amplifier 44. The subtracter 45 introduces the output of the reference power supply 46 to the other input terminal and outputs a difference signal. This difference signal is amplified by the error amplifier 13 and then passed through a time constant circuit 50 including a resistor 48 and a capacitor 49 to a high voltage amplifier 51.
Has been introduced. As the high voltage amplifier 51, the input amplitude is ± 5V, the amplification factor is 100 times, the output amplitude is ± 500V,
The noise level is 7 mV at the maximum amplitude, and the response time constant is about 0.
Those that change between 1 and 10 seconds are used. The output of the high voltage amplifier 51 drives the piezoelectric element 38.
【００２３】一方、第２の間隙長制御系４２は、前述し
たログ増幅器４４の出力を減算器５２の一方の入力端に
導入している。そして、減算器５１の他方の入力端に基
準電源４６の出力を導入して差信号を出力させ、この差
信号をエラー増幅器５３で増幅した後に抵抗５４とコン
デンサ５５からなる時定数回路５６を経て増幅器５７に
導入している。増幅器５７としては、増幅率が１倍、入
力振幅と出力振幅が±５Ｖ、ノイズレベルが最大振幅で
０．５ｍＶ以下、応答時定数が約１〜１００ミリ秒のも
のが用いられている。そして、増幅器５７の出力で圧電
素子３９を駆動している。また、増幅器５７の入力信号
を観察信号とし、必要に応じて高電圧増幅器５１の入力
信号も観察信号としている。On the other hand, the second gap length control system 42 introduces the output of the above-described log amplifier 44 to one input terminal of a subtractor 52. Then, the output of the reference power supply 46 is introduced to the other input terminal of the subtractor 51 to output a difference signal. The difference signal is amplified by an error amplifier 53 and then passed through a time constant circuit 56 including a resistor 54 and a capacitor 55. It is introduced to the amplifier 57. The amplifier 57 has an amplification factor of 1, an input amplitude and an output amplitude of ± 5 V, a noise level of 0.5 mV or less at a maximum amplitude, and a response time constant of about 1 to 100 milliseconds. The output of the amplifier 57 drives the piezoelectric element 39. The input signal of the amplifier 57 is used as an observation signal, and the input signal of the high-voltage amplifier 51 is also used as an observation signal as needed.
【００２４】なお、探針３３をＸ軸方向とＹ軸方向に駆
動するための圧電素子３７は、図示しない走査制御系の
出力によって駆動される。The piezoelectric element 37 for driving the probe 33 in the X-axis direction and the Y-axis direction is driven by the output of a scanning control system (not shown).
【００２５】次に、上記のように構成された走査型探針
装置の動作を説明する。Next, the operation of the scanning probe configured as described above will be described.
【００２６】走査制御系を動作させ、圧電素子３７を駆
動して試料３２の表面に近接配置されている探針３３で
試料３２の表面上をＸ，Ｙ軸方向に走査する。このと
き、試料３２と探針３３との間に流れるトンネル電流の
値が常に基準電源４６の出力レベルで規定される値とな
るように第１の間隙長制御系４１および第２の間隙長制
御系４２が試料３２の表面の凹凸に追随させて圧電素子
３８，３９の伸縮量を制御する。したがって、試料３２
と探針３３との間の間隙長は常に一定に保たれる。The scanning control system is operated to drive the piezoelectric element 37 to scan the surface of the sample 32 in the X and Y-axis directions with the probe 33 arranged close to the surface of the sample 32. At this time, the first gap length control system 41 and the second gap length control system are so set that the value of the tunnel current flowing between the sample 32 and the probe 33 always becomes a value specified by the output level of the reference power supply 46. The system 42 controls the amount of expansion and contraction of the piezoelectric elements 38 and 39 by following the irregularities on the surface of the sample 32. Therefore, sample 32
The gap length between the probe and the probe 33 is always kept constant.
【００２７】この場合、第１の間隙長制御系４１は、大
きな伸縮量を確保する必要性から高電圧増幅器５１を使
用しているので、速い応答速度は期待できないが、試料
３２の表面の傾斜や緩やかな変位には十分に追随でき
る。一方、第２の間隙長制御系４２は、大きな伸縮量を
必要としないので、応答速度の速い増幅器５７を使用で
きるので、試料３２の表面の微細な凹凸には十分追随で
きる。したがって、この２つの間隙長制御系４１，４２
の動作によって、たとえ走査速度が速い場合であっても
試料３２と探針３３との間の間隙長を常に一定に保持す
ることが可能となり、ＳＴＭやＡＦＭ、あるいはこれら
を応用した加工装置、表面処理装置に組込んだとき、走
査速度を速くした状態で良好な測定、加工の実現に寄与
できる。In this case, since the first gap length control system 41 uses the high-voltage amplifier 51 because it is necessary to secure a large amount of expansion and contraction, a high response speed cannot be expected. It can sufficiently follow moderate displacement. On the other hand, the second gap length control system 42 does not require a large amount of expansion and contraction, so that the amplifier 57 having a high response speed can be used, so that it can sufficiently follow fine irregularities on the surface of the sample 32. Therefore, these two gap length control systems 41, 42
By the above operation, even if the scanning speed is high, the gap length between the sample 32 and the probe 33 can always be kept constant, and the STM, the AFM, the processing apparatus and the When incorporated in a processing device, it can contribute to the realization of good measurement and processing with the scanning speed increased.
【００２８】図２(b) ，(c) には図６に示した表面形状
を有する試料を対象にし、第１の間隙長制御系４１の駆
動時定数が約１５ミリ秒、第２の間隙長制御系４２の駆
動時定数が約１ミリ秒の走査型探針装置を用い、Ｘ軸方
向駆動用の圧電素子に図２(a) に示すようにピーク値ま
での時間が１５ミリ秒と短い３角波を印加して探針３３
をＸ軸方向に往復動させたときの高電圧増幅器５１の入
力信号の変化および増幅器５７の入力信号（観察信号）
の変化が示されている。これらの図から判るように、高
電圧増幅器５１の入力信号は試料の緩やかな傾きだけに
対応したものとなり、また増幅器５７の入力信号は試料
表面の微細な凹凸、つまり原子位置に対応したものとな
る。FIGS. 2 (b) and 2 (c) are directed to a sample having the surface shape shown in FIG. 6 and the driving time constant of the first gap length control system 41 is about 15 milliseconds, and the second gap length is controlled. Using a scanning probe in which the drive time constant of the length control system 42 is about 1 millisecond, the time required for the piezoelectric element for driving in the X-axis direction to reach a peak value of 15 milliseconds as shown in FIG. Applying a short triangular wave to the probe 33
Of the input signal of the high-voltage amplifier 51 when the is reciprocated in the X-axis direction and the input signal of the amplifier 57 (observation signal)
Is shown. As can be seen from these figures, the input signal of the high-voltage amplifier 51 corresponds to only a gentle inclination of the sample, and the input signal of the amplifier 57 corresponds to minute irregularities on the sample surface, that is, those corresponding to the atomic position. Become.
【００２９】図３には同様の駆動条件でグラファイト試
料の表面をＹ軸方向に６４本走査したときの観察信号画
像が示されている。この領域の走査に要した時間は２秒
であり、従来の装置に比べて走査速度が２桁向上してい
る。FIG. 3 shows an observation signal image when 64 surfaces of the graphite sample are scanned in the Y-axis direction under the same driving conditions. The time required for scanning this area is 2 seconds, and the scanning speed is improved by two digits as compared with the conventional apparatus.
【００３０】図４には第１の間隙長制御系４１の駆動時
定数τ41と間隙長制御系４２の駆動時定数τ42との比
と、表面原子の凹凸に対応して変化する高電圧増幅器５
１の入力信号Ｓ41と増幅器５７の入力信号Ｓ42との和に
対するＳ42の割合をプロットしたものが示されている。
この図から判るように、駆動時定数の比が１０以上で効
果が現れる。[0030] FIG. 4 a high voltage which varies in response to the ratio of the drive time constant tau 42 of the drive time constant tau 41 and gap length control system 42 of the first gap length control system 41, the surface atoms irregularities Amplifier 5
Have shown a plot of the ratio of S 42 to the sum of the input signal S 42 of the first input signal S 41 and an amplifier 57.
As can be seen from the figure, the effect appears when the driving time constant ratio is 10 or more.
【００３１】このように、試料３２と探針３３との間の
間隙長を一定に保持する間隙長制御系３１を、応答速度
は遅いが大きな伸縮量を得ることができる第１の間隙長
制御系４１と、大きな伸縮量は得られないが応答速度の
速い第２の間隙長制御系４２とで構成している。このた
め、第１の間隙長制御系４１によって試料３２の表面の
傾斜や緩やかな変位に追随させることができ、また第２
の間隙長制御系４２によって試料３２の表面の原子レベ
ルの微細な凹凸に忠実に追随させることができ、この結
果として、たとえ走査速度が速い場合であっても試料３
２と探針３３との間の間隙長を常に一定に保持すること
ができる。したがって、ＳＴＭやＡＦＭ、あるいはこれ
を応用した表面処理装置や加工装置に適用したときに
は、試料の表面状態が熱ドリフト等で変化する前に測
定、処理あるいは加工等を終了させることができる。As described above, the gap length control system 31 for maintaining the gap length between the sample 32 and the probe 33 constant is provided by the first gap length control system which has a low response speed but can obtain a large amount of expansion and contraction. It comprises a system 41 and a second gap length control system 42 which does not provide a large amount of expansion and contraction but has a high response speed. For this reason, the first gap length control system 41 can follow the inclination or gentle displacement of the surface of the sample 32, and
The gap length control system 42 can faithfully follow the fine irregularities on the surface of the sample 32 at the atomic level. As a result, even if the scanning speed is high, the sample 3
The gap length between the probe 2 and the probe 33 can always be kept constant. Therefore, when applied to STM or AFM, or a surface treatment apparatus or processing apparatus using the same, measurement, processing, processing, or the like can be completed before the surface state of the sample changes due to thermal drift or the like.
【００３２】また、第１の間隙長制御系４１は速い応答
速度を必要としないので、高電圧増幅器５１として周波
数応答度の低いもの、つまり安価で、しかもノイズノ少
ない高電圧増幅器５１を使用できる。また、第２の間隙
長制御系４２では圧電素子３９に印加する電圧が低くて
よいので、周波数応答度が高く、しかも出力ノイズの少
ない汎用の演算増幅（ＩＣ）の出力を直接印加すること
もできる。Since the first gap length control system 41 does not require a high response speed, the high voltage amplifier 51 having a low frequency response, that is, a high voltage amplifier 51 which is inexpensive and has little noise can be used. Further, in the second gap length control system 42, since the voltage applied to the piezoelectric element 39 may be low, the output of a general-purpose operational amplifier (IC) having high frequency response and low output noise may be directly applied. it can.
【００３３】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、上述した実施例では試料を
固定し、この試料に対して探針を移動させるようにして
いるが、逆に探針を固定し、試料を移動させるようにし
てもよい。また、圧電素子３８を探針側に、圧電素子３
９を試料側に設置してもよいし、これとは逆の関係に各
圧電素子を設置してもよい。また、上述した実施例では
間隙長制御系を２段構成としているが、３段以上の構成
にしてもよい。また、本発明に係る走査型探針装置は、
測定、処理、加工に際し、試料と探針との間の間隙長を
一定に保持して探針で試料表面を走査するもの全般、す
なわち、ＳＴＭ、ＡＦＭ、容量顕微鏡、表面処理装置、
表面に微細加工を施す装置等に適用できる。なお、容量
顕微鏡に適用したときには探針と試料との間の容量から
間隙長情報を得ることになる。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々変形できる。The present invention is not limited to the embodiment described above. That is, in the above-described embodiment, the sample is fixed and the probe is moved with respect to the sample. Alternatively, the probe may be fixed and the sample may be moved. Also, the piezoelectric element 38 is placed on the probe side,
9 may be placed on the sample side, or each piezoelectric element may be placed in the opposite relationship. In the above-described embodiment, the gap length control system has a two-stage structure, but may have a three-stage or more structure. Further, the scanning probe device according to the present invention,
In the measurement, processing, and processing, in general, scanning the sample surface with the probe while keeping the gap length between the sample and the probe constant, that is, STM, AFM, capacitance microscope, surface treatment device,
The present invention can be applied to an apparatus or the like that performs fine processing on a surface. When applied to a capacitance microscope, gap length information is obtained from the capacitance between the probe and the sample. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、試
料と探針との間の間隙長を常に一定に保持する間隙長制
御系を複数段構成とし、これらのうちの特定段を他のも
のに比べて駆動時定数の小さいもので構成している。し
たがって、駆動時定数の大きいもので試料の表面の傾斜
や緩やかな変位に追随させることができ、また駆動時定
数の小さい特定段によって試料表面の原子レベルオーダ
の微細な凹凸に忠実に追随させることができ、この結果
として、たとえ走査速度が速い場合であっても、高価な
増幅器等を必要とせずに試料と探針との間の間隙長を常
に一定に保持することができる。As described above, according to the present invention, the gap length control system for maintaining the gap length between the sample and the probe always constant is constituted by a plurality of stages, and a specific stage among these is arranged. The drive time constant is smaller than those of the others. Therefore, a sample with a large driving time constant can follow the inclination and gentle displacement of the sample surface, and a specific step with a small driving time constant faithfully follows minute irregularities on the atomic level of the sample surface. As a result, even if the scanning speed is high, the gap length between the sample and the probe can always be kept constant without requiring an expensive amplifier or the like.
【図１】本発明の一実施例に係る走査型探針装置におけ
る要部の概略構成図FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of a scanning probe device according to an embodiment of the present invention.
【図２】同走査型探針装置をＳＴＭに適用して緩やかな
傾斜を持つ試料の表面上を高速で往復走査したときの各
部波形図FIG. 2 is a waveform diagram of each part when the scanning probe device is applied to an STM and reciprocatingly scans a surface of a sample having a gentle inclination at a high speed.
【図３】同走査型探針装置をＳＴＭに適用してグラファ
イト試料の表面一定領域を高速走査したときに得られた
観察信号画像図FIG. 3 is an observation signal image diagram obtained when the scanning probe device is applied to an STM to scan a constant area of a graphite sample at a high speed.
【図４】同走査型探針装置における間隙長制御系を構成
している第１および第２の間隙長制御系の駆動時定数と
信号強度比とを示す図FIG. 4 is a diagram showing a drive time constant and a signal intensity ratio of first and second gap length control systems constituting a gap length control system in the scanning probe device.
【図５】従来の走査型探針装置における要部の概略構成
図FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a main part of a conventional scanning probe device.
【図６】試料と探針との関係を拡大して示す図FIG. 6 is an enlarged view showing a relationship between a sample and a probe;
【図７】従来の走査型探針装置をＳＴＭに適用して図６
に示す緩やかな傾斜を持つ試料の表面上を高速で往復走
査したときの各部波形図FIG. 6 shows a conventional scanning probe device applied to an STM.
Waveform diagram of each part when reciprocating scanning at high speed over the surface of the sample with gentle slope shown in
【図８】従来の走査型探針装置をＳＴＭに適用してグラ
ファイト試料の表面一定領域を高速走査したときに得ら
れた観察信号画像図FIG. 8 is an observation signal image diagram obtained when a conventional scanning probe device is applied to an STM to scan a constant surface area of a graphite sample at a high speed.
３１…間隙長制御系、 ３２…試
料、 ３３…探針、 ３５…駆動
部、 ３７…Ｘ，Ｙ軸方向駆動用の圧電素子、 ３８、３９
…圧電素子、 ４０…バイアス電源、 ４１…第１
の間隙長制御系、 ４２…第２の間隙長制御系、 ４３…Ｉ／
Ｖ増幅器、 ４４…ログ増幅器、 ４５，５２
…減算器、 ４６…基準電源、 ５１…高電
圧増幅器、 ５７…増幅器。31: gap length control system, 32: sample, 33: probe, 35: drive unit, 37: piezoelectric element for driving in X and Y axis directions, 38, 39
... Piezoelectric element, 40 ... Bias power supply, 41 ... First
42 ... second gap length control system, 43 ... I /
V amplifier, 44… Log amplifier, 45, 52
... subtractor, 46 ... reference power supply, 51 ... high-voltage amplifier, 57 ... amplifier.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｇ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 H01J 37/28 H01J 37/30 H02N 2/00 G01B 21/30 G01B 11/30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 identification code FI H02N 2/00 G12B 1/00 601G (58) Investigated field (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13 / 24 G12B 21/00-21/24 G01B 7/34 H01J 37/28 H01J 37/30 H02N 2/00 G01B 21/30 G01B 11/30
Claims (3)
探針と前記試料との間の間隙長を常に一定に保持する間
隙長制御手段と、前記探針と前記試料とを上記試料の表
面に沿う方向に相対移動させて上記探針で上記試料の表
面上を走査する走査手段とを備えた走査型探針装置にお
いて、前記間隙長制御手段は、それぞれの変位量の和の
変位量で前記探針と前記試料とを相対移動させる複数の
アクチュエータと、前記探針と前記試料との間の間隙長
変化に応答して対応する前記アクチュエータを駆動する
駆動時定数の異なる複数の制御系とを具備してなること
を特徴とする走査型探針装置。1. A probe arranged opposite to a surface of a sample, a gap length control means for always keeping a gap length between the probe and the sample constant, and the probe and the sample being connected to each other. Scanning means for scanning relative to the surface of the sample with the probe by relatively moving in the direction along the surface of the sample, the gap length control means, the gap length control means, the sum of the respective displacement amount A plurality of actuators for moving the probe and the sample relative to each other by a displacement amount, and a plurality of actuators having different drive time constants for driving the corresponding actuator in response to a change in gap length between the probe and the sample. A scanning probe device comprising a control system.
り、一方のアクチュエータは第１の圧電素子で形成さ
れ、他方のアクチュエータは上記第１の圧電素子より大
きい変位量が得られる第２の圧電素子で形成され、上記
第１の圧電素子を駆動する前記制御系の駆動時定数は上
記第２の圧電素子を駆動する前記制御系の駆動時定数よ
り小さいことを特徴とする請求項１に記載の走査型探針
装置。2. The actuator according to claim 1, wherein said actuator includes two actuators, one of said actuators is formed of a first piezoelectric element, and the other actuator is a second piezoelectric element capable of obtaining a larger displacement than said first piezoelectric element. The driving time constant of the control system for driving the first piezoelectric element is smaller than the driving time constant of the control system for driving the second piezoelectric element. Scanning probe device.
動時定数は、前記第２の圧電素子を駆動する制御系の駆
動時定数の１０分の１以下であることを特徴とする請求
項２に記載の走査型探針装置。3. A driving time constant of a control system for driving the first piezoelectric element is one-tenth or less of a driving time constant of a control system for driving the second piezoelectric element. The scanning probe according to claim 2.
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