(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする問題点は、走査プローブ顕微鏡で狭域の走査をする場合における、広域走査でのスキャナ駆動回路の持つノイズやドリフトが観察像の質を悪くしていることである。【解決手段】探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、探針と試料を相対的に走査するスキャナと、前記スキャナの走査領域に対応した少なくとも２個のスキャナ駆動回路と、前記少なくとも２個のスキャナ駆動回路を切り替える切替手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡。【選択図】        図４
2006058016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、
探針と試料を相対的に走査するスキャナと、
前記スキャナの走査領域に対応した少なくとも２個のスキャナ駆動回路と、
前記少なくとも２個のスキャナ駆動回路を選択的に前記スキャナと接続するように切り替える切替手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記スキャナ駆動回路として、走査信号発生器と、当該走査信号発生器からの走査信号を低い増幅度で増幅する狭域駆動回路と、高い増幅度で増幅する広域駆動回路を備えることを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記スキャナ駆動回路を制御するスキャナ駆動制御手段を備えた請求項１又は２に記載した走査形プローブ顕微鏡であって、
前記スキャナ駆動制御手段からの信号により前記切替手段が切り替わる走査形プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記スキャナ駆動制御手段がコンピュータであることを特徴とした請求項３に記載した走査形プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像・磁気像・分光画像等を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。
【０００３】
一般に、走査形プローブ顕微鏡に使用されているスキャナは、ナノメートルからマイクロメートルというようなオーダーで安定して駆動できる圧電体で作られており、それによって狭域から広域までの広い可変範囲での走査を可能にしている。
【０００４】
スキャナの駆動回路を図3に示す。スキャナの駆動回路には、市販されている高電圧オペアンプが使用されることが多い。この高電圧オペアンプは、電源電圧が±200Ｖ程度まで供給できるＩＣで、出力電圧も±200Ｖ程度まで出力することのできるものである。これは、走査形プローブ顕微鏡に使用されているスキャナ（圧電体）を最大で数十nm駆動させるのに、200Ｖ程度の電圧を圧電体に印加する必要があるからである。このように、走査形プローブ顕微鏡では圧電体で作られたスキャナを広い範囲で駆動させる為に、スキャナの駆動信号を高電圧まで出力可能な増幅回路で増幅して、スキャナに印加している。
【０００５】
しかしながら、原子像等の観察には、ナノメートルオーダの狭い領域での二次元走査をことが必要である。この時、問題になるのがスキャナ駆動回路のノイズや安定度である。前述の通り、スキャナ駆動回路には広域の走査もできるように、高電圧オペアンプを使用して最大±200Ｖ程度でスキャナを駆動している。
【０００６】
この高電圧オペアンプで数百mVの低い電圧を出力すると、高い電圧を出力している時にはさほど気にならなかったような、高電圧アンプの持つノイズやドリフトが低い出力電圧には大きく影響を与えてしまい、観察像のふらつきやノイズとして現れ、像質の悪さの原因になっている。
【０００７】
なお、従来技術としては、走査領域によりスキャナの電極を切り替える圧電体素子駆動機構がある（例えば、特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】特開平２０００−３５０４７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする問題点は、走査プローブ顕微鏡で狭域の走査をする場合における、広域走査用のスキャナ駆動回路の持つノイズやドリフトが観察像の質を悪くしていることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、探針と試料との間に作用する物理量を検出する走査形プローブ顕微鏡において、探針と試料を相対的に走査するスキャナと、前記スキャナの走査領域に対応した少なくとも２個のスキャナ駆動回路と、前記少なくとも２個のスキャナ駆動回路を選択的に前記スキャナと接続するように切り替える切替手段と、を備えた走査形プローブ顕微鏡である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記スキャナ駆動回路として、走査信号発生器と、当該走査信号発生器からの走査信号を低い増幅度で増幅する狭域駆動回路と、高い増幅度で増幅する広域駆動回路を備えることを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【００１２】
請求項３の発明は、前記スキャナ駆動回路が、ナノメートルオーダの領域を走査する狭域駆動回路とマイクロメートルオーダの領域を走査する広域駆動回路で構成することを特徴とする請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【００１３】
請求項４の発明は、前記スキャナ駆動回路を制御するスキャナ駆動制御手段を備えた請求項１乃至３のいずれかに記載した走査形プローブ顕微鏡であって、前記スキャナ駆動制御手段からの信号により前記切替手段が切り替わる走査形プローブ顕微鏡である。
【００１４】
請求項５の発明は、前記スキャナ駆動制御手段がコンピュータであることを特徴とした請求項４に記載した走査形プローブ顕微鏡である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、スキャナを駆動する駆動回路を適した出力電圧範囲を持つ駆動回路に切り替えることができ、二次元走査の安定度を高め、スキャナへ印加する電圧信号のノイズを減らすことが可能となり、特に狭域走査において、観察像の像質が改良された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、発明を実施するための最良の形態により、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明の構成を図１，３、４、５を用いて説明する。図4は走査形プローブ顕微鏡（STM）における制御回路を示したものである。スキャナ５上面には試料２が交換自在に置載されており、試料２に対向して探針１が設置されている。円筒型状のスキャナ５はＰｂＺｒＴｉＯ３等の圧電セラミックであるピエゾ素子から構成されている。スキャナ５表面には電極Ｘ、Ｙ、Ｚがコーティングされており、図示しない電源で電圧を印加することによりＸＹＺ方向に試料が置載されている自由端が変位する。
【００１８】
探針１には電流電圧変換器３が接続されている。電流電圧変換器３は探針１と試料２間に流れるトンネル電流を検出し電圧変換し出力する回路である。電流電圧変換器３に接続されている高さ方向制御回路４は、電流電圧変換器３の出力が入力され、基準電圧と電流電圧変換器３の出力を比較し、探針１−試料２間に一定の電流が流れるようにスキャナ５の高さ方向を制御する回路である。
【００１９】
高さ方向制御回路４に接続されているスキャナ駆動回路Z６はスキャナ５に高さ方向の動作をさせる為の圧電体駆動回路である。また、走査信号発生器Ｘ９，Ｙ１０はコンピュータ１１から送られてくる走査信号データを設定することで走査信号を出力できる回路で、最大±10Ｖの出力で走査信号波形を出力できる回路である。
【００２０】
スキャナ駆動回路Xw７、Yw８を図3に示す。スキャナ駆動回路Xw７、Yw８はスキャナ５に二次元走査をさせる為の圧電体駆動回路で、走査信号発生器の出力を20倍の増幅度を持つ高電圧オペアンプ２０で増幅し、最大±200Vの電圧まで出力できる回路であり、広域走査に用いられる。
【００２１】
スキャナ駆動回路Xn, Ynを図5に示す。スキャナ駆動回路Xn, Ynはスキャナ５に二次元走査をさせる為の圧電体駆動回路で、走査信号発生器の出力を1倍の増幅度を持つオペアンプで増幅し、最大±10Vの電圧まで出力できる回路であり、狭域走査に用いられる。
【００２２】
スキャナ５は図1のような構造になっている。スキャナ５のX,Y電極は最大±200Vを各圧電体の電極に印加することで、ＸＹ方向に２０μm駆動することができる。
【００２３】
図４において、各スキャナ駆動回路に接続されているスイッチＡ２３はコンピュータ１１から送られてくる狭域観察制御信号を感知するとOFFし、スイッチＢ２４はコンピュータ１１から送られてくる狭域観察制御信号を感知するとONする。
【００２４】
以上、図における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。図４において、まず、試料２にバイアス電圧を加え、探針１を試料２に近づけていくと、探針１−試料２間がある距離になった時点で探針１にトンネル電流が流れ始める。それを電流電圧変換器３により電圧値に変換し、高さ方向（Ｚ）制御回路４に入力する。トンネル電流の基準値を電圧として高さ方向制御回路４に与えておき、その基準値とトンネル電流を比較させ、その差分が少なくなる方向にスキャナ５のＺ電極部分を駆動する信号を高さ方向制御回路４は出力する。この高さ方向制御回路の出力を圧電体駆動アンプに通してＺスキャナ５を駆動する事により、トンネル電流が一定の値になるようにフィードバック制御を行いながら、二次元走査を行い、試料２表面の凹凸像を得ることができる。つまり、この時Ｚ方向を制御するために印加した電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化することにより、試料表面の凹凸を原子レベルで観察することができる。
【００２５】
走査プローブ顕微鏡の二次元走査は、圧電体で作られたスキャナ５で実現する事ができる。スキャナ５には図１のようにＸ，Ｙ，Ｚと３つの圧電体が設置されており、それぞれの電極に電圧信号を印加する事で、圧電体のもつ圧電効果によりスキャナ５を駆動させる事が可能となる。これによって、Ｘ，Ｙの圧電体の電極に走査信号を電圧信号として印加する事でスキャナ５の二次元走査を行っている。
【００２６】
図４において、二次元走査を行う為の走査信号は、走査信号発生器Ｘ９、Ｙ１０によって生成される。オペレータがコンピュータ１１に走査領域を設定する事で、コンピュータ１１はスキャナ５（圧電体）のもつ圧電定数より圧電体に印加する電圧値を計算し、その電圧値をスキャナ駆動回路のもつ増幅度で割った値を走査信号発生器に設定し、走査信号発生器はその電圧信号を出力する。これによって、スキャナ５（圧電体）は、オペレータの設定した走査領域を二次元走査する事ができる。
【００２７】
さて、広域での試料観察を行う場合、オペレータはコンピュータ１１へ広域観察の設定をする。ここでいう広域観察とは、マイクロメートルオーダの広い領域を走査し観察像を得る表面観察の事を指す。
【００２８】
コンピュータ１１に広域観察の設定がされると、コンピュータ１１は狭域域観察制御信号をスイッチＡ２３とスイッチＢ２４に対して出力しない。それぞれのスイッチは図のような状態のまま変化せず、スイッチＡ２３はONし、スイッチＢ２４はOFFの状態である。
【００２９】
次に、オペレータはコンピュータ１１に観察する走査領域の設定をする。コンピュータ１１はスキャナ５を駆動する為にスキャナ５のＸ、Ｙ電極に印加する電圧値を、オペレータが設定した走査領域と圧電体の特性から計算する。算出した値をスキャナ駆動回路の増幅度で割った値を走査信号発生器X９、Y１０に設定する。走査信号発生器は、設定された値の走査信号を電圧信号としてスキャナ駆動回路Xw７、Yw８に対して出力する。スキャナ駆動回路は入力した走査信号を高電圧アンプで増幅し出力する。スキャナ駆動回路は出力した電圧信号をスキャナ５のX,Y電極に印加する。スキャナ５はオペレータが設定した走査領域での二次元走査を開始する。
【００３０】
この場合は、最大20μmまでスキャナ５を駆動でき、20μmまでの広域の走査を行う事ができる。ただし、狭域での観察を行うと前述したように、スキャナ駆動回路の持つノイズやドリフトが大きく影響してくる為、良質の像を得る事は困難である。
【００３１】
また、狭域での試料観察を行う場合、オペレータはコンピュータ１１へ狭域観察の設定をする。ここでいう狭域観察とは、ナノメートルオーダの、一般に言う原子像観察等の狭い領域を走査し観察像を得られる表面観察の事を指す。
【００３２】
コンピュータ１１に狭域観察の設定がされると、コンピュータ１１は狭域観察制御信号をスイッチＡ２３とスイッチＢ２４に対して出力する。それぞれのスイッチは狭域観察制御信号を感知すると、スイッチＡ２３はOFFし、スイッチＢ２４はONする。
【００３３】
次に、オペレータはコンピュータ１１に観察する走査領域の設定をする。コンピュータ１１はスキャナ５を駆動する為にスキャナ５X,Yの圧電体に印加する電圧値を、オペレータが設定した走査領域と圧電体の特性から計算し、算出した値を走査信号発生器X９、Y１０に設定する。走査信号発生器は、設定された値の走査信号を電圧信号としてスキャナ５X,Yに印加する。
スキャナ５はオペレータが設定した走査領域での二次元走査を開始する。
【００３４】
このように、狭域観察という設定を行う事によって、スキャナ駆動回路の持つ高電圧オペアンプ２０による電気的なノイズやドリフトの影響を受ける事無く、原子像観察などといった狭域での表面観察が可能となり、オペレータは品質の良い観察像を得る事ができる。ただし、スキャナ駆動回路Xn,Yn（図5）は最大±10Vの出力しかできない為、スキャナ５を１μm以上で駆動させる事はできない。
【００３５】
以上、動作について説明したが、本発明の効果は、走査形プローブ顕微鏡において原子像観察などの狭域での観察で問題であった、観察像の揺らぎを無くす事ができるという事である。つまり、走査領域を走査する為に、スキャナを駆動する駆動回路を、適した出力電圧範囲を持つ駆動回路に切り替える事により、二次元走査の安定度を高め、スキャナへ印加する電圧信号のノイズを減らした事を特徴としており、それによって観察像の像質が良くなるという事である。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、実施例１ではトンネル顕微鏡の例を示したが、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡、走査形近接場顕微鏡等の走査形プローブ顕微鏡全般に適応することができる。
【００３７】
また、試料側を走査する代わりに、探針側を走査してもよい。
【００３８】
さらに、スキャナ駆動回路は３個以上あってもよい。
【実施例２】
【００３９】
実施例１と同一の構成要素には同一番号を付し、説明を省略する。
【００４０】
本発明の構成を図を用いて説明する。図6は走査形プローブ顕微鏡のSTMにおける制御回路を示したものである。電流電圧変換器３は探針１と試料２間に流れるトンネル電流を検出し電圧変換し出力する回路である。高さ方向制御回路４は、電流電圧変換器３の出力が入力され、基準電圧と電流電圧変換回路の出力を比較し、探針１−試料２間に一定の電流が流れるようにスキャナ５の高さ方向を制御する回路である。スキャナ駆動回路Z６はスキャナ５に高さ方向の動作をさせる為の圧電体駆動回路である。走査信号発生器Ｘ９、Ｙ１０はコンピュータ１１から送られてくる走査信号データを設定する事で走査信号を出力できる回路で、最大±10Ｖの出力で走査信号波形を出力できる回路である。スキャナ駆動回路Ｘ２６を図7に示す。スキャナ駆動回路はスキャナ５に二次元走査をさせる為の圧電体駆動回路で、走査信号発生器の出力を1〜20倍の増幅度をマルチプレクサなどのスイッチで切り替えられる回路を持ち、最大±200Vの電圧まで出力できる回路とする。スキャナ駆動回路Ｙ２７も同様の構造である。
【００４１】
スキャナ５は図1のような構造になっており、圧電体にＸ、Ｙ、Ｚの電極が設置されている。最大±200Vをスキャナ５の圧電体のX,Y電極に印加する事で、それぞれが20μm駆動する事ができるものとする。スイッチＡ２３はコンピュータ１１から送られてくる狭域観察制御信号を感知するとOFFし、スイッチＢ２４はコンピュータ１１から送られてくる狭域観察制御信号を感知するとONする。
【００４２】
以上、図における各部の構成について説明したが、次に動作について説明する。まず、オペレータはコンピュータ１１に観察する走査領域の設定をする。コンピュータ１１はスキャナ５を駆動する為にスキャナ５のX,Y電極に印加する電圧値を、オペレータが設定した走査領域と圧電体の特性から計算する。算出した値より、コンピュータ１１はスキャナ駆動回路X２６、Y２７の中にあるスキャナ駆動回路A２９、B３０、C３１の中から、設定したスキャン領域に適切なスキャナ駆動回路を判断し、スイッチ回路２８に走査制御信号を送りスイッチを切り替える。
【００４３】
また、図６において、算出した値より、適切だと判断されたスキャナ駆動回路の増幅度で割った値を走査信号発生器X９、Y１０に設定する。走査信号発生器X９、Y１０は、設定された値の走査信号を電圧信号としてスキャナ駆動回路X２６、Y２７に対して出力する。スキャナ駆動回路X２６、Y２７は入力した走査信号を内部に持つスイッチ回路２８にて選ばれたスキャナ駆動回路２９、３０、３１で増幅し出力する。スキャナ駆動回路X２６、Y２７は出力した電圧信号をスキャナ５のX,Y電極に印加する。スキャナ５はオペレータが設定した走査領域での二次元走査を開始する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】チューブ型スキャナの構造を示す図である。
【図２】従来技術の走査形トンネル顕微鏡の制御回路を示す図である。
【図３】図４におけるスキャナ駆動回路（Ｘｗ、Ｙｗ）を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例による走査形トンネル顕微鏡の制御回路を示す図である。
【図５】図４におけるスキャナ駆動回路（Ｘｎ、Ｙｎ）を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例による走査形トンネル顕微鏡の制御回路を示す図である。
【図７】図６におけるスキャナ駆動回路（Ｘ、Ｙ）を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  探針
２  試料
３  電圧電流変換器
４  高さ方向制御回路
５  スキャナ
６  スキャナ駆動回路Ｚ
７  スキャナ駆動回路Ｘｗ
８  スキャナ駆動回路Ｙｗ
９  走査信号発生器Ｘ
１０  走査信号発生器Ｙ
１１  コンピュータ
１２  オペレーション
１３  バイアスアンプ
２０  高圧オペアンプ
２１  スキャナ駆動回路Ｘｎ
２２  スキャナ駆動回路Ｙｎ
２３  スイッチＡ
２４  スイッチＢ
２５  高圧オペアンプ
２６  スキャナ駆動回路Ｘ
２７  スキャナ駆動回路Ｙ
２８  スイッチ回路
２９  スキャナ駆動回路Ａ
３０  スキャナ駆動回路Ｂ
３１  スキャナ駆動回路Ｃ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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