JPH0868799A - Scanning type probe microscope - Google Patents
Scanning type probe microscopeInfo
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- JPH0868799A JPH0868799A JP6207245A JP20724594A JPH0868799A JP H0868799 A JPH0868799 A JP H0868799A JP 6207245 A JP6207245 A JP 6207245A JP 20724594 A JP20724594 A JP 20724594A JP H0868799 A JPH0868799 A JP H0868799A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、走査型プロ−ブ顕微
鏡、特に、走査型原子間力顕微鏡に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to a scanning atomic force microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】試料の表面形状を原子レベルで観察する
ことができる顕微鏡が開発されており、中でも、ＳＰＭ
（Scanning Probe Microscope:走査型プロ−ブ顕微鏡）
が知られている。このＳＰＭは、探針を試料の上方で、
試料表面に沿って走査しながら、これらの相互作用に関
する情報を検出し、この検出結果をもとに試料表面の３
次元形状を表示する装置である。2. Description of the Related Art A microscope capable of observing the surface shape of a sample at the atomic level has been developed.
(Scanning Probe Microscope)
It has been known. This SPM has a probe above the sample,
While scanning along the sample surface, information about these interactions is detected, and based on the detection result, 3 of the sample surface is detected.
It is a device for displaying a three-dimensional shape.
【０００３】ＳＰＭとしては、例えば、ＳＴＭ（走査型
トンネル顕微鏡）やＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）が
ある。ＳＴＭでは、試料と探針との間に流れるトンネル
電流を検出することで、ＡＦＭでは、試料と探針との間
に生じる原子間力を検出することで、試料の表面形状を
観察することができる。Examples of SPM include STM (scanning tunneling microscope) and AFM (scanning atomic force microscope). The STM can observe the surface shape of the sample by detecting the tunnel current flowing between the sample and the probe, and the AFM detecting the atomic force generated between the sample and the probe. it can.
【０００４】以下に、従来のＡＦＭの一例を図７（ａ）
を用いて説明する。Below, an example of a conventional AFM is shown in FIG.
Will be explained.
【０００５】この従来例（ＡＦＭ ３０）は、試料３１
を載せた状態で、当該試料を３次元方向に移動させるチ
ュ−ブスキャナ３２と、チュ−ブスキャナ３２の概略位
置決めを行う粗動ステ−ジ３３と、試料３１に向かって
突出した探針３４ａを有し、かつ、その背面に反射面３
５が形成されているカンチレバ−３４と、反射面３５に
光を照射するための光源３６および集光レンズ３７と、
反射面３５からの反射光を受光する受光部３８と、チュ
−ブスキャナ３２を駆動する制御回路３９と、観察結果
を表示する表示装置４０とを備えている。カンチレバ−
３４には、可撓性を有する部材が用いられる。チュ−ブ
スキャナ３２には、例えば、図８に示すような円筒形状
の圧電素子４１が用いられる。圧電素子４１の外周面に
は、４枚の電極４２、４３、４４、４５が等間隔に設け
られ、また、内周面には、共通電極４６が設けられてい
る。この圧電素子４１は、これらの電極に印加される電
圧に応じて自身の一部が伸縮し、その形が微妙に変化す
る。このときの変位を利用することで、上部に載置され
ている試料３１を任意の方向に移動させる。This conventional example (AFM 30) is a sample 31
With a tube scanner 32 for moving the sample in a three-dimensional direction, a coarse movement stage 33 for roughly positioning the tube scanner 32, and a probe 34a protruding toward the sample 31. And a reflective surface 3 on its back
5, a cantilever 34, a light source 36 for irradiating the reflecting surface 35 with light, and a condenser lens 37,
A light receiving unit 38 that receives the reflected light from the reflecting surface 35, a control circuit 39 that drives the tube scanner 32, and a display device 40 that displays the observation result are provided. Cantilever
A member having flexibility is used for 34. For the tube scanner 32, for example, a cylindrical piezoelectric element 41 as shown in FIG. 8 is used. Four electrodes 42, 43, 44, and 45 are provided at equal intervals on the outer peripheral surface of the piezoelectric element 41, and a common electrode 46 is provided on the inner peripheral surface. The piezoelectric element 41 expands and contracts in part according to the voltage applied to these electrodes, and its shape changes slightly. By utilizing the displacement at this time, the sample 31 placed on the upper part is moved in an arbitrary direction.
【０００６】試料の観察時においては、図７（ａ）に示
す制御回路３９は、チュ−ブスキャナ３２を駆動し、試
料表面上の目的の領域を走査する。走査中は、探針３４
ａと試料３１との間に原子間力が作用するので、この力
によってカンチレバ−３４が撓むことにある。この撓み
に応じて、反射面３５からの反射光の光路が変化する。
制御回路３９は、受光部３８を介して、この光路の変化
を検出し、カンチレバ−３４の撓み量を検出する。そし
て、制御回路３９は、この検出結果をフィ−ドバックし
ながら、この撓み量が一定になるように、チュ−ブスキ
ャナ３２を駆動する。したがって、探針３４ａは、この
試料表面に沿って移動することが可能となる。尚、制御
回路３９は、チュ−ブスキャナ３２を駆動するための情
報に基づいて試料３１の表面形状を把握し、この結果を
表示装置４０に立体像として表示させる。At the time of observing the sample, the control circuit 39 shown in FIG. 7A drives the tube scanner 32 to scan a target area on the surface of the sample. During scanning, the probe 34
Since an interatomic force acts between a and the sample 31, this force causes the cantilever 34 to bend. The optical path of the reflected light from the reflecting surface 35 changes according to this bending.
The control circuit 39 detects the change in the optical path via the light receiving section 38, and detects the amount of bending of the cantilever 34. Then, the control circuit 39 drives the tube scanner 32 so that the bending amount becomes constant while feeding back the detection result. Therefore, the probe 34a can move along the sample surface. The control circuit 39 grasps the surface shape of the sample 31 based on the information for driving the tube scanner 32, and displays the result on the display device 40 as a stereoscopic image.
【０００７】ところで、チュ−ブスキャナの圧電素子に
は、普通、セラミックス系の材料が用いられる。したが
って、チュ−ブスキャナの製作可能な大きさが限られて
しまい（最大径３０ｍｍ程度）、載置する試料の大きさ
が制限される。また、チュ−ブスチャナに大型の試料を
載せてしまうと、チュ−ブスチャナの機械的な共振周波
数が低下して外部の影響を受けやすくなり、顕微鏡自体
の分解能が低下してしまう。By the way, a ceramic material is usually used for the piezoelectric element of the tube scanner. Therefore, the size of the tube scanner that can be manufactured is limited (maximum diameter is about 30 mm), and the size of the sample to be mounted is limited. Further, if a large sample is placed on the tube tuner, the mechanical resonance frequency of the tube tuner is lowered and the tube is likely to be affected by the outside, and the resolution of the microscope itself is lowered.
【０００８】このようなことを考慮して、カンチレバ−
をチュ−ブスキャナ側に設けているＡＦＭが知られてい
る。このＡＦＭは、例えば、図７（ｂ）に示すように構
成される。図７（ｂ）に示すＡＦＭ ４７は、チュ−ブ
スキャナ３２を駆動することでカンチレバ−３４を移動
させ、粗動ステ−ジ３３上の試料３１の表面形状を観察
する。In consideration of the above, the cantilever
There is known an AFM in which is provided on the tube scanner side. This AFM is configured, for example, as shown in FIG. The AFM 47 shown in FIG. 7B moves the cantilever 34 by driving the tube scanner 32, and observes the surface shape of the sample 31 on the coarse movement stage 33.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成すると、試料３１の上方に、光源３６、集光レ
ンズ３７、および、受光部３８のほか、さらにチュ−ブ
スキャナ３２が配置されることになりスペ−スが無くな
ってしまう。普通、ＡＦＭをはじめ探針を有する走査型
プロ−ブ顕微鏡では、観察を開始する前に、まず、探針
を試料表面上の目的の領域まで移動させる。このとき、
探針の位置を確認するために光学顕微鏡が用いられる。
この光学顕微鏡は、試料の真上から観察できるように配
置した方が視野が広くなり正確な観察が行える。しか
し、図７（ｂ）に示すような構成では、試料の上方に光
学顕微鏡をさらに配置することは難しい。However, with this configuration, the tube scanner 32 is arranged above the sample 31 in addition to the light source 36, the condenser lens 37, and the light receiving section 38. The space is gone. Usually, in a scanning probe microscope having a probe such as an AFM, the probe is first moved to a target region on the sample surface before starting observation. At this time,
An optical microscope is used to confirm the position of the probe.
This optical microscope has a wider field of view when arranged so that it can be observed from directly above the sample, and accurate observation can be performed. However, with the configuration shown in FIG. 7B, it is difficult to further arrange the optical microscope above the sample.
【００１０】このような問題点を考慮し、本発明の目的
は、試料の上方におけるスペ−スを確保できる走査型プ
ロ−ブ顕微鏡を提供することにある。In consideration of such problems, an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of ensuring a space above a sample.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の態様によれば、試料を載置するためのステ−ジ
と、前記ステ−ジに対して軸線が水平になるように配置
された円筒形の圧電素子と、前記試料の観察対象面との
相互作用を検出するための探針を有するカンチレバ−
と、前記カンチレバ−を前記円筒形の圧電素子の一方の
端面に固定するための固定部材と、前記円筒形の圧電素
子に装着された電極と、前記電極に電圧を印加するとと
もに前記電圧を調節することで前記円筒形の圧電素子を
変形させ、前記探針を前記観察対象面に沿って移動させ
る制御手段とを備えることを特徴とする走査型プロ−ブ
顕微鏡が提供される。According to a first aspect for achieving the above object, a stage for mounting a sample and an axis line to the stage are horizontal. A cantilever having a cylindrical piezoelectric element arranged and a probe for detecting the interaction between the observation target surface of the sample.
A fixing member for fixing the cantilever to one end surface of the cylindrical piezoelectric element, an electrode mounted on the cylindrical piezoelectric element, and applying a voltage to the electrode and adjusting the voltage. By doing so, the cylindrical piezoelectric element is deformed, and a control means for moving the probe along the observation target surface is provided, and a scanning probe microscope is provided.
【００１２】上記目的を達成するための第２の態様によ
れば、第１の態様において、前記電極は、前記円筒形の
圧電素子の内周面に形成された電極と、前記円筒形の圧
電素子の外周面に形成された電極とを有して構成され、
前記円筒形の圧電素子の外周面に形成された電極は、前
記ステ−ジに対して水平な方向において対面し、かつ、
互いの面積が等しい２つの電極と、前記ステ−ジに対し
て垂直な方向において対面し、かつ、互いの面積が等し
い２つの電極とからなり、前記水平な方向において対面
するそれぞれの電極の面積は、前記垂直な方向において
対面する電極の面積よりも大きいことを特徴とする走査
型プロ−ブ顕微鏡が提供される。According to a second aspect for achieving the above object, in the first aspect, the electrodes are formed on an inner peripheral surface of the cylindrical piezoelectric element, and the cylindrical piezoelectric element. And an electrode formed on the outer peripheral surface of the element,
The electrodes formed on the outer peripheral surface of the cylindrical piezoelectric element face each other in a direction horizontal to the stage, and
The area of each of the two electrodes having the same area and the two electrodes facing each other in the direction perpendicular to the stage and having the same area, and facing each other in the horizontal direction. Is larger than the area of the electrodes facing each other in the vertical direction, the scanning probe microscope is provided.
【００１３】上記目的を達成するための第３の態様によ
れば、第１または第２の態様において、前記円筒形の圧
電素子を前記軸線方向に移動させる微動機構をさらに備
えることを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡が提供され
る。According to a third aspect for achieving the above object, in the first or second aspect, a fine movement mechanism for moving the cylindrical piezoelectric element in the axial direction is further provided. A scanning probe microscope is provided.
【００１４】上記目的を達成するための第４の態様によ
れば、第１、第２または第３の態様において、前記カン
チレバ−に光を照射する照射装置と、前記カンチレバ−
で反射された光を検出する受光装置をさらに備え、前記
制御手段は、前記受光装置の検出結果に基づいて、前記
探針の相互作用によるカンチレバ−の撓み量を求め、こ
の撓み量に応じて前記電圧を調節し、前記固定部材は、
さらに、前記照射装置および前記受光装置を前記円筒形
の圧電素子の前記一方の端面に固定することを特徴とす
る走査型プロ−ブ顕微鏡が提供される。According to a fourth aspect for achieving the above object, in the first, second or third aspect, an irradiation device for irradiating the cantilever with light and the cantilever are provided.
Further comprising a light receiving device for detecting the light reflected by, the control means, based on the detection result of the light receiving device, to obtain the amount of deflection of the cantilever due to the interaction of the probe, depending on the amount of deflection. Adjusting the voltage, the fixing member,
Further, there is provided a scanning probe microscope characterized in that the irradiation device and the light receiving device are fixed to the one end surface of the cylindrical piezoelectric element.
【００１５】上記目的を達成するための第５の態様によ
れば、第４の態様において、前記試料の観察対象面の上
方に配置された光学顕微鏡をさらに備え、前記照射装置
および前記受光装置のそれぞれは、前記光学顕微鏡の視
野外に配置されていることを特徴とする走査型プロ−ブ
顕微鏡が提供される。According to a fifth aspect for achieving the above object, in the fourth aspect, an optical microscope disposed above the observation target surface of the sample is further provided, and the irradiation device and the light receiving device are provided. A scanning probe microscope is provided, each of which is arranged outside the field of view of the optical microscope.
【００１６】[0016]
【作用】前記第１の態様において、前記制御手段は、前
記電極に電圧を印加するとともに前記電圧を調節するこ
とで前記円筒形の圧電素子を変形させ、前記探針を前記
観察対象面に沿って移動させる。In the first aspect, the control means deforms the cylindrical piezoelectric element by applying a voltage to the electrode and adjusting the voltage so that the probe moves along the observation surface. To move.
【００１７】前記第２の態様において、前記円筒形の圧
電素子は、外周面に形成された電極の構成に応じた電圧
が印加される。In the second aspect, a voltage is applied to the cylindrical piezoelectric element according to the configuration of the electrodes formed on the outer peripheral surface.
【００１８】前記第３の態様において、前記微動機構
は、前記円筒形の圧電素子を前記軸線方向に移動させる
ことができる。In the third aspect, the fine movement mechanism can move the cylindrical piezoelectric element in the axial direction.
【００１９】前記第４の態様において、前記制御手段
は、前記受光装置の検出結果に基づいて、前記探針の相
互作用によるカンチレバ−の撓み量を求め、この撓み量
に応じて前記電圧を調節する。In the fourth aspect, the control means obtains the deflection amount of the cantilever due to the interaction of the probe based on the detection result of the light receiving device, and adjusts the voltage according to the deflection amount. To do.
【００２０】前記第５の態様において、前記照射装置お
よび前記受光装置のそれぞれは、前記光学顕微鏡の視野
外に配置されており、観察の邪魔になることはない。In the fifth aspect, each of the irradiation device and the light receiving device is arranged outside the visual field of the optical microscope, and does not interfere with observation.
【００２１】[0021]
【実施例】以下、本発明をＡＦＭ（走査型原子間力顕微
鏡）に適用した場合の実施例を図面を用いて説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment in which the present invention is applied to an AFM (scanning atomic force microscope) will be described below with reference to the drawings.
【００２２】図１は、本実施例のＡＦＭの全体構成図、
図２は、本実施例のＡＦＭの一部を拡大した斜視図、図
３は、本実施例のＡＦＭに使用されるカンチレバ−の斜
視図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of the AFM of this embodiment,
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a part of the AFM of this embodiment, and FIG. 3 is a perspective view of a cantilever used in the AFM of this embodiment.
【００２３】図１および図２に示すように、このＡＦＭ
１は、試料２が載置されている粗動ステ−ジ３と、観
察対象となる試料表面（観察対象面２ａ）との相互作用
を検出する探針４が先端部に設けられている板状のカン
チレバ−５と、探針４が観察対象面２ａに向くような状
態でカンチレバ−５を支持するカンチレバ−支持部６
と、照射装置７と、受光装置８と、これら（カンチレバ
−支持部６、照射装置７、受光装置８）を固定する板状
部材９と、板状部材９を一方の端面に取り付け、当該板
状部材９を移動させるチュ−ブスキャナ１０と、チュ−
ブスキャナ１０を固定するとともに、当該チュ−ブスキ
ャナ１０を移動させる微動素子１１と、光学顕微鏡１２
（図２では対物レンズ１３のみ示されている）と、チュ
−ブスキャナ１０および微動素子１１を駆動するための
制御回路１４と、表示装置１５とを備えている。チュ−
ブスキャナ１０は、図１および図２に示すように、粗動
ステ−ジ３に対して軸線１０ａが水平になるように配置
されている。したがって、試料２の上方には、十分なス
ペ−スが確保され、光学顕微鏡１２の対物レンズ１３を
観察対象面２ａの真上に配置することが可能になってい
る。As shown in FIGS. 1 and 2, this AFM
Reference numeral 1 denotes a plate having a tip 4 provided with a probe 4 for detecting the interaction between the coarse movement stage 3 on which the sample 2 is mounted and the surface of the sample to be observed (observation target surface 2a). -Shaped cantilever 5 and a cantilever support portion 6 that supports the cantilever 5 in a state in which the probe 4 faces the observation target surface 2a.
An irradiation device 7, a light receiving device 8, a plate-shaped member 9 for fixing these (the cantilever support 6, the irradiation device 7, and the light receiving device 8), and the plate-shaped member 9 attached to one end surface, A tube scanner 10 for moving the member 9 and a tube scanner 10.
A fine movement element 11 for fixing the tube scanner 10 and moving the tube scanner 10 and an optical microscope 12
(Only the objective lens 13 is shown in FIG. 2), a control circuit 14 for driving the tube scanner 10 and the fine movement element 11, and a display device 15. Tu
As shown in FIGS. 1 and 2, the scanner 10 is arranged such that the axis 10a is horizontal to the coarse movement stage 3. Therefore, a sufficient space is secured above the sample 2, and the objective lens 13 of the optical microscope 12 can be arranged directly above the observation target surface 2a.
【００２４】カンチレバ−５の先端部には、図３に示す
ように、前述した探針４のほか、光を反射する反射面１
６が探針４の反対側の位置に形成されている。At the tip of the cantilever 5, as shown in FIG. 3, in addition to the probe 4, the reflecting surface 1 for reflecting light is provided.
6 is formed at a position opposite to the probe 4.
【００２５】照射装置７は、図示しないが、その内部に
光源と、光源から放射された光をカンチレバ−５の反射
面１６に向けて集光する集光レンズが設けられている。
本実施例では、光源に半導体レ−ザを用いている。受光
装置８は、反射面１６からの反射光を受光するための２
分割光検出器であり、例えば、フォトダイオ−ドを用い
て構成される。尚、この２分割光検出器は、制御回路１
４に接続されている。Although not shown, the irradiation device 7 is provided therein with a light source and a condenser lens for condensing the light emitted from the light source toward the reflecting surface 16 of the cantilever 5.
In this embodiment, a semiconductor laser is used as the light source. The light receiving device 8 is provided for receiving the reflected light from the reflecting surface 16.
It is a split photodetector, and is configured by using, for example, a photodiode. In addition, the two-division photodetector is based on the control circuit 1.
4 is connected.
【００２６】板状部材９は、軽量な部材であればよく、
例えば、アルミ板を用いることができる。尚、カンチレ
バ−支持部６、照射装置７、および、受光装置８は、こ
の板状部材９に固定されているので、同方向に移動する
ことになる。したがって、移動中、これらの光学的な関
係が保たれることになる。また、照射装置７、および、
受光装置８は、光学顕微鏡１２の視野に入らないない位
置に配置されている。The plate-shaped member 9 may be any lightweight member,
For example, an aluminum plate can be used. Since the cantilever support 6, the irradiation device 7, and the light receiving device 8 are fixed to the plate-shaped member 9, they move in the same direction. Therefore, these optical relationships are maintained during movement. Further, the irradiation device 7, and
The light receiving device 8 is arranged at a position that does not enter the visual field of the optical microscope 12.
【００２７】チュ−ブスキャナ１０の構成の詳細は、図
４に示されている。Details of the construction of the tube scanner 10 are shown in FIG.
【００２８】図４に示すように、チュ−ブスキャナ１０
は、円筒形の圧電素子１７と、圧電素子１７の外周面に
形成された電極１８、１９、２０、２１と、内周面に形
成された共通電極２２とから構成される。圧電素子１７
には、例えば、ＰＺＴが用いられる。As shown in FIG. 4, a tube scanner 10 is provided.
Is composed of a cylindrical piezoelectric element 17, electrodes 18, 19, 20, and 21 formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric element 17, and a common electrode 22 formed on the inner peripheral surface. Piezoelectric element 17
For example, PZT is used.
【００２９】電極１８、１９は、粗動ステ−ジ３（図１
および図２参照）に対して水平な方向において対面し、
かつ、互いの面積が等しくなるように形成されている。
一方、電極２０、２１は、粗動ステ−ジ３に対して垂直
な方向において対面し、かつ、互いの面積が等しくなる
ように形成されている。また、電極１８、１９のそれぞ
れ面積は、電極２０（２１）の面積よりも大きくなって
いる。尚、説明を簡略化するため、円筒形の圧電素子１
７の軸線方向をＹ方向、粗動ステ−ジ３に対して垂直な
方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方
向とする。The electrodes 18 and 19 are connected to the coarse stage 3 (see FIG. 1).
And (see FIG. 2) in a horizontal direction,
Moreover, they are formed so that their areas are equal to each other.
On the other hand, the electrodes 20 and 21 are formed so as to face each other in the direction perpendicular to the coarse movement stage 3 and have the same area. The area of each of the electrodes 18 and 19 is larger than the area of the electrode 20 (21). In order to simplify the description, the cylindrical piezoelectric element 1
The axis direction of 7 is the Y direction, the direction perpendicular to the coarse movement stage 3 is the Z direction, and the directions perpendicular to the Y direction and the Z direction are the X directions.
【００３０】外周面に形成された各電極は、制御回路１
４に高圧アンプ２３、２４、２５、２６を介して接続さ
れ、また、共通電極２２は、接地されている。そして、
チュ−ブスキャナ１０は、電極１８、１９に、絶対値が
同じで極性が異なる電圧が与えられるとＸ方向に曲が
り、図１および図２で示した板状部材９を介して、カン
チレバ−５に設けられている探針４をＸ方向に移動させ
る。例えば、制御回路１４は、高圧アンプ２４を介して
電極１８に、＋１００Ｖの電圧を印加するともに、高圧
アンプ２５を介して電極１９に、−１００Ｖの電圧を印
加し、探針４を、図４のＸ方向において左から右に移動
させる。尚、移動の向きにおいては、使用する圧電素子
の特性により決定されるものであり、圧電素子によって
は、右から左に移動させるものもある。一方、電極２
０、２１に絶対値が同じで極性が異なる電圧が与えられ
ると、チュ−ブスキャナ１０は、Ｚ方向に曲がり、探針
４をＺ方向に移動させる。Each of the electrodes formed on the outer peripheral surface corresponds to the control circuit 1.
4 via high-voltage amplifiers 23, 24, 25, 26, and the common electrode 22 is grounded. And
The tube scanner 10 bends in the X direction when voltages having the same absolute value but different polarities are applied to the electrodes 18 and 19, and the cantilever 5 is moved to the cantilever 5 via the plate member 9 shown in FIGS. 1 and 2. The probe 4 provided is moved in the X direction. For example, the control circuit 14 applies a voltage of +100 V to the electrode 18 via the high voltage amplifier 24, and also applies a voltage of −100 V to the electrode 19 via the high voltage amplifier 25, so that the probe 4 is moved to the position shown in FIG. Move from left to right in the X direction. The direction of movement is determined by the characteristics of the piezoelectric element used, and some piezoelectric elements move from right to left. On the other hand, electrode 2
When voltages having the same absolute value but different polarities are applied to 0 and 21, the tube scanner 10 bends in the Z direction and moves the probe 4 in the Z direction.
【００３１】また、本実施例では微動素子１１に、一般
的な、積層型の圧電セラミックアクチュエ−タを用いて
いる。アクチュエ−タの内部には、多数の層状の電極
（図示せず）が端面（チュ−ブスキャナ１０が固定され
ている面）１１ａと平行にＹ方向に並んで設けられてい
る。各電極それぞれは、側面に設けられている２つの外
部電極１１ｂ、１１ｃにより電気的に並列に接続されて
いる、また、外部電極１１ｂは、高圧アンプ２７を介し
て制御回路１４に接続され、外部電極１１ｃは、接地さ
れている。アクチュエ−タ１１は、前述の電極に引加さ
れる電圧に応じて、Ｙ方向に伸縮し、これにともなっ
て、探針４をＹ方向に移動させる。Further, in this embodiment, the fine movement element 11 uses a general laminated piezoelectric ceramic actuator. Inside the actuator, a large number of layered electrodes (not shown) are provided in parallel with the end face (the face to which the tube scanner 10 is fixed) 11a in the Y direction. Each of the electrodes is electrically connected in parallel by two external electrodes 11b and 11c provided on the side surface, and the external electrode 11b is connected to the control circuit 14 via the high voltage amplifier 27, The electrode 11c is grounded. The actuator 11 expands and contracts in the Y direction in accordance with the voltage applied to the above-mentioned electrodes, and accordingly moves the probe 4 in the Y direction.
【００３２】ところで、本実施例のチュ−ブスキャナの
電極の構成は、図１、図２および図４に示した通りであ
るが、図７（ｂ）に示すような、微動ステ−ジ３３に対
して垂直に配置されていた従来のチュ−ブスキャナの電
極の構成は、図８に示すようになっていた。すなわち、
圧電素子４１の外周面に形成された４つの電極４２、４
３、４４、４５のそれぞれの面積は同一であった。この
圧電素子４１は、電極４２、４３に絶対値が同じで極性
が異なる電圧が与えられて、Ｘ方向に曲がり、また、電
極４４、４５に絶対値が同じで極性が異なる電圧が与え
られて、Ｙ方向に曲がり、ここでは図示しない探針をそ
の方向に移動させるものである。また、圧電素子４１
は、いずれかの極性の電圧が４つの電極のすべてに与え
られると、Ｚ方向において、その極性に応じて、伸びる
ように変形するか、または、縮むように変形する。した
がって、探針をＺ方向に移動させることができる。The structure of the electrodes of the tube scanner of the present embodiment is as shown in FIGS. 1, 2 and 4, but the fine movement stage 33 as shown in FIG. 7B is used. The configuration of the electrodes of the conventional tube scanner which is vertically arranged with respect to this is as shown in FIG. That is,
Four electrodes 42, 4 formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric element 41
The areas of 3, 44, and 45 were the same. In this piezoelectric element 41, voltages having the same absolute value and different polarities are applied to the electrodes 42 and 43 to bend in the X direction, and voltages having the same absolute value and different polarities are applied to the electrodes 44 and 45. , Y direction, and moves a probe not shown here in that direction. In addition, the piezoelectric element 41
When a voltage of either polarity is applied to all four electrodes, the element deforms to extend or contract in the Z direction depending on the polarity. Therefore, the probe can be moved in the Z direction.
【００３３】ところで、このような円筒形の圧電素子
は、本実施例の円筒形の圧電素子も含めて、通常、Ｘ方
向またはＹ方向での曲がりの度合いと、Ｚ方向での伸縮
の度合いが異なっている。例えば、直径１０ｍｍ、長さ
３０ｍｍ程度の円筒形の圧電素子を用いた場合、曲がり
量は伸縮量の５倍程度になる。具体的には、図８におい
て、Ｘ方向に１０μｍ、Ｙ方向に１０μｍ、Ｚ方向に２
μｍというような比率で探針を移動させることが可能と
なる。By the way, such a cylindrical piezoelectric element, including the cylindrical piezoelectric element of this embodiment, usually has a degree of bending in the X direction or the Y direction and a degree of expansion / contraction in the Z direction. Is different. For example, when a cylindrical piezoelectric element having a diameter of 10 mm and a length of 30 mm is used, the amount of bending is about 5 times the amount of expansion and contraction. Specifically, in FIG. 8, 10 μm in the X direction, 10 μm in the Y direction, and 2 in the Z direction.
It is possible to move the probe at a ratio such as μm.
【００３４】しかしながら、この従来のチュ−ブスキャ
ナを本実施例にそのまま適用すると、図２の座標系にお
いて、Ｘ方向に１０μｍ、Ｚ方向に１０μｍ、Ｙ方向に
２μｍという移動範囲になる。制御対象面２ａに沿って
探針４を走査する場合、表面の凹凸方向、すなわちＺ方
向の探針４の移動量は５μｍ程度でよく、反対に、試料
の走査範囲を決定づけるＸ方向およびＹ方向の移動量に
ついては、できるだけ大きいほうがよい。したがって、
本実施例のように、電極１８、１９の面積を、電極２
０、２１の面積よりも大きくしておけば、チュ−ブスキ
ャナ１０のＺ方向の曲がり量よりもＸ方向の曲がり量の
ほうが大きくなり、効率的に圧電素子を利用することが
できる。また、Ｙ方向においては、圧電素子１７の伸縮
方向になってしまう。したがって、当該圧電素子の伸縮
による探針の移動は行わず、本実施例のように微動素子
を用いたほうが、Ｙ方向における移動量を大きくするこ
とができる。However, if this conventional tube scanner is applied to this embodiment as it is, in the coordinate system of FIG. 2, the movement range is 10 μm in the X direction, 10 μm in the Z direction, and 2 μm in the Y direction. When the probe 4 is scanned along the controlled surface 2a, the amount of movement of the probe 4 in the uneven direction of the surface, that is, the Z direction may be about 5 μm, and conversely, the X and Y directions that determine the scanning range of the sample As for the movement amount of, it is better to be as large as possible. Therefore,
As in this example, the area of the electrodes 18 and 19 is
If the area is larger than 0 and 21, the amount of bending of the tube scanner 10 in the X direction is larger than the amount of bending in the Z direction, and the piezoelectric element can be used efficiently. Further, in the Y direction, the piezoelectric element 17 extends and contracts. Therefore, it is possible to increase the movement amount in the Y direction by using the fine movement element as in this embodiment without moving the probe due to expansion and contraction of the piezoelectric element.
【００３５】つぎに、本実施例のＡＦＭの動作について
図１〜図４を用いて説明する。尚、ＡＦＭの動作につい
ては、既によく知られているので詳細は省略する。Next, the operation of the AFM of this embodiment will be described with reference to FIGS. Since the operation of the AFM is already well known, the details will be omitted.
【００３６】観察対象面２ａの観察を行う場合、まず、
制御回路１４により、チュ−ブスキャナ１０および微動
素子１１を駆動し、探針４を観察対象面上における目的
の観察領域まで移動する。探針４の位置は、光学顕微鏡
１２によって視認することができる。制御回路１４は、
さらに、チュ−ブスキャナ１０および微動素子１１を駆
動し、観察領域内を探針４で走査する。このとき、カン
チレバ−５は、観察対象面２ａと探針４との間に生じる
原子間力により撓むことになる。２分割光検出器８は、
反射面１６で反射されたレ−ザ−光を受光することで、
カンチレバ−５の撓みによるレ−ザ−光の光路差を検出
し、この光路差に応じた作動出力を行う。制御回路１４
は、この出力をフィ−ドバックしながらカンチレバ−５
の撓み量が一定になるようにチュ−ブスキャナ１０のＺ
方向の動きを制御する。したがって、探針４は、観察対
象面２ａに沿って移動することが可能となる。制御回路
１４は、このときの探針４の駆動量を用いて、観察対象
面２ａの表面形状の画像情報を生成し、表示装置１５に
これを表示させる。When observing the observation target surface 2a, first,
The control circuit 14 drives the tube scanner 10 and the fine movement element 11 to move the probe 4 to a target observation area on the observation target surface. The position of the probe 4 can be visually recognized by the optical microscope 12. The control circuit 14
Further, the tube scanner 10 and the fine movement element 11 are driven to scan the observation area with the probe 4. At this time, the cantilever 5 is bent by the atomic force generated between the observation target surface 2 a and the probe 4. The two-division photodetector 8 is
By receiving the laser light reflected by the reflecting surface 16,
The optical path difference of the laser light due to the bending of the cantilever 5 is detected, and the operation output according to this optical path difference is performed. Control circuit 14
Cantilever 5 while feeding back this output.
Of the tube scanner 10 so that the amount of deflection of the tube scanner 10 becomes constant.
Controls directional movement. Therefore, the probe 4 can move along the observation target surface 2a. The control circuit 14 uses the driving amount of the probe 4 at this time to generate image information of the surface shape of the observation target surface 2a, and causes the display device 15 to display the image information.
【００３７】以上、本実施例のＡＦＭの構成について記
述したが、図５に示すように微動素子１１とチュ−ブス
キャナ１０との間に平行ばね２８を配置してもよい。こ
の平行ばね２８は、Ｙ軸方向にのみ変位するように構成
されており、微動素子１１の動きをチュ−ブスキャナ１
０に伝達することができる。Although the structure of the AFM of this embodiment has been described above, a parallel spring 28 may be arranged between the fine movement element 11 and the tube scanner 10 as shown in FIG. The parallel spring 28 is configured to be displaced only in the Y-axis direction, and the movement of the fine movement element 11 is controlled by the tube scanner 1.
Can be transmitted to zero.
【００３８】また、図６に示すように、チュ−ブスキャ
ナ１０の端面に、カンチレバ−支持部６を直接固定する
ように構成してもよい。この場合、照射装置および受光
装置は、試料の上方に保持される。そして、照射装置
は、カンチレバ５−の動きに追従するように反射面１６
に光を照射し、また、受光装置は、この反射光を随時受
光できるように構成すればよい。Further, as shown in FIG. 6, the cantilever support portion 6 may be directly fixed to the end surface of the tube scanner 10. In this case, the irradiation device and the light receiving device are held above the sample. Then, the irradiation device is configured so as to follow the movement of the cantilever 5-.
The light receiving device may be configured to be capable of receiving the reflected light at any time.
【００３９】[0039]
【発明の効果】本発明によれば、試料の上方におけるス
ペ−スが確保をできる走査型プロ−ブ顕微鏡が実現され
る。According to the present invention, a scanning probe microscope which can secure a space above a sample is realized.
【図１】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
一部を拡大した斜視図。FIG. 2 is an enlarged perspective view of a part of the scanning atomic force microscope according to the embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施例に係るカンチレバ−の斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a cantilever according to an embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施例に係るチュ−ブスキャナの説明
図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a tube scanner according to an embodiment of the present invention.
【図５】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
構成図。FIG. 5 is a configuration diagram of a scanning atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施例に係る走査型原子間力顕微鏡の
一部を拡大した斜視図。FIG. 6 is an enlarged perspective view of a part of the scanning atomic force microscope according to the embodiment of the present invention.
【図７】従来の走査型原子間力顕微鏡の構成図。FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional scanning atomic force microscope.
【図８】従来の走査型原子間力顕微鏡のチュ−ブスキャ
ナの説明図。FIG. 8 is an explanatory view of a tube scanner of a conventional scanning atomic force microscope.
１、３０、４７：ＡＦＭ（走査型原子間力顕微鏡）、
２、３１：試料、 ３、３３：粗動ステ−ジ、 ４、３
４ａ：探針、 ５、３４：カンチレバ−、 ６：カンチ
レバ−支持部、 ７：照射装置、 ８：受光装置、
９：板状部材、１０、３２：チュ−ブスキャナ、 １
１：微動素子、 １２：光学顕微鏡、 １３：対物レン
ズ、 １４、３９：制御回路、 １５、４０：表示装
置、 １６、３５：反射面、 １７、４１：圧電素子、
１８、１９、２０、２１、４２、４３、４４、４５：
電極、 ２２、４６：共通電極、 ２３、２４、２５、
２６、２７：高圧アンプ、２８：平行ばね、 ３６：光
源、 ３７：集光レンズ、 ３８：受光部1, 30, 47: AFM (scanning atomic force microscope),
2, 31: sample, 3, 33: coarse movement stage, 4, 3
4a: probe, 5, 34: cantilever, 6: cantilever support part, 7: irradiation device, 8: light receiving device,
9: plate-shaped member, 10 and 32: tube scanner, 1
1: Fine movement element, 12: Optical microscope, 13: Objective lens, 14, 39: Control circuit, 15, 40: Display device, 16, 35: Reflecting surface, 17, 41: Piezoelectric element,
18, 19, 20, 21, 42, 43, 44, 45:
Electrodes, 22, 46: Common electrodes, 23, 24, 25,
26, 27: High-voltage amplifier, 28: Parallel spring, 36: Light source, 37: Condensing lens, 38: Light receiving part
Claims (5)
テ−ジに対して軸線が水平になるように配置された円筒
形の圧電素子と、前記試料の観察対象面との相互作用を
検出するための探針を有するカンチレバ−と、前記カン
チレバ−を前記円筒形の圧電素子の一方の端面に固定す
るための固定部材と、前記円筒形の圧電素子に装着され
た電極と、前記電極に電圧を印加するとともに前記電圧
を調節することで前記円筒形の圧電素子を変形させ、前
記探針を前記観察対象面に沿って移動させる制御手段と
を備えることを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡。1. A stage for mounting a sample, a cylindrical piezoelectric element arranged so that its axis is horizontal to the stage, and an observation target surface of the sample. A cantilever having a probe for detecting the action, a fixing member for fixing the cantilever to one end surface of the cylindrical piezoelectric element, and an electrode mounted on the cylindrical piezoelectric element, A scanning type device comprising: a control unit configured to deform the cylindrical piezoelectric element by applying a voltage to the electrode and adjust the voltage to move the probe along the observation target surface. Probe microscope.
記円筒形の圧電素子の外周面に形成された電極とを有し
て構成され、 前記円筒形の圧電素子の外周面に形成された電極は、 前記ステ−ジに対して水平な方向において対面し、か
つ、互いの面積が等しい２つの電極と、前記ステ−ジに
対して垂直な方向において対面し、かつ、互いの面積が
等しい２つの電極とからなり、 前記水平な方向において対面するそれぞれの電極の面積
は、前記垂直な方向において対面する電極の面積よりも
大きいことを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡。2. The electrode according to claim 1, wherein the electrode has an electrode formed on an inner peripheral surface of the cylindrical piezoelectric element and an electrode formed on an outer peripheral surface of the cylindrical piezoelectric element. The electrode formed on the outer peripheral surface of the cylindrical piezoelectric element is composed of two electrodes facing each other in the horizontal direction with respect to the stage and having the same area each other, and It is composed of two electrodes facing each other in the vertical direction and having the same area as each other, and the area of each electrode facing in the horizontal direction is larger than the area of the electrodes facing in the vertical direction. A scanning probe microscope characterized by the above.
機構をさらに備えることを特徴とする走査型プロ−ブ顕
微鏡。3. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising a fine movement mechanism that moves the cylindrical piezoelectric element in the axial direction.
チレバ−で反射された光を検出する受光装置をさらに備
え、前記制御手段は、前記受光装置の検出結果に基づい
て、前記探針の相互作用によるカンチレバ−の撓み量を
求め、この撓み量に応じて前記電圧を調節し、 前記固定部材は、さらに、前記照射装置および前記受光
装置を前記円筒形の圧電素子の前記一方の端面に固定す
ることを特徴とする走査型プロ−ブ顕微鏡。4. The irradiation device according to claim 1, 2 or 3, further comprising: an irradiation device that irradiates the cantilever with light, and a light receiving device that detects light reflected by the cantilever. Based on the detection result of the device, the deflection amount of the cantilever due to the interaction of the probe is obtained, the voltage is adjusted according to the deflection amount, and the fixing member further includes the irradiation device and the light receiving device. A scanning probe microscope characterized by being fixed to the one end face of the cylindrical piezoelectric element.
さらに備え、 前記照射装置および前記受光装置のそれぞれは、前記光
学顕微鏡の視野外に配置されていることを特徴とする走
査型プロ−ブ顕微鏡。5. The optical microscope according to claim 4, further comprising an optical microscope disposed above an observation target surface of the sample, wherein each of the irradiation device and the light receiving device is disposed outside a field of view of the optical microscope. A scanning probe microscope characterized by the above.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6207245A JPH0868799A (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Scanning type probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6207245A JPH0868799A (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Scanning type probe microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0868799A true JPH0868799A (en) | 1996-03-12 |
Family
ID=16536621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6207245A Pending JPH0868799A (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Scanning type probe microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0868799A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1130573A (en) * | 1997-05-20 | 1999-02-02 | Jeol Ltd | Holder holding device |
| EP2367016A1 (en) * | 2008-12-10 | 2011-09-21 | Kyoto University | Method for processing output of scanning type probe microscope, and scanning type probe microscope |
| CN111060718A (en) * | 2018-10-16 | 2020-04-24 | 株式会社岛津制作所 | Surface analysis device |
-
1994
- 1994-08-31 JP JP6207245A patent/JPH0868799A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1130573A (en) * | 1997-05-20 | 1999-02-02 | Jeol Ltd | Holder holding device |
| EP2367016A1 (en) * | 2008-12-10 | 2011-09-21 | Kyoto University | Method for processing output of scanning type probe microscope, and scanning type probe microscope |
| EP2367016A4 (en) * | 2008-12-10 | 2014-03-05 | Univ Kyoto | Method for processing output of scanning type probe microscope, and scanning type probe microscope |
| CN111060718A (en) * | 2018-10-16 | 2020-04-24 | 株式会社岛津制作所 | Surface analysis device |
| CN111060718B (en) * | 2018-10-16 | 2023-04-07 | 株式会社岛津制作所 | Surface analysis device |
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