(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料と探針とを相対的に走査し、試料表面の像を得るようにした走査型プローブ顕微鏡において、一対のＸ方向駆動用電極及び一対のＹ方向駆動用電極が設けられた円筒圧電体を備え、当該円筒圧電体にはその端部に設けられた切り欠きにより分離された第１の半円筒圧電体部と第２の半円筒圧電体部とが形成され、第１の半円筒圧電体部には第１のＺ方向駆動用電極及び第１の探針が設けられているとともに、第２の半円筒圧電体部には第２のＺ方向駆動用電極及び第２の探針が設けられていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記第１の半円筒圧電体部にはＸ駆動機構を介して第１の探針が設けられているとともに、第２の半円筒圧電体部にはＹ駆動機構を介して第２の探針が設けられていることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、像の取得時間を短縮することができる走査型トンネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡には、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などが含まれており、これらは探針を利用したプローブ顕微鏡である。この顕微鏡では、探針を被観察試料の表面に数ナノメータ以下の距離に近接させ、この状態で探針と試料とを相対的に走査し、この走査に基づいて試料表面の原子レベルの凹凸像を得るようにしている。
【０００３】
この走査型プローブ顕微鏡では、観察媒体として使用する物理量によって種々の観察手段が得られるものである。例えば、探針と試料間に電圧を印加して得られるトンネル電流を計測するものが走査トンネル顕微鏡であり、探針と試料の間の働く原子間力を計測するものが原子間力顕微鏡である。
【０００４】
その他の関連装置として試料表面の磁気力を計測する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）や、細い光学ガラスにレーザー光などを導入してその先端から漏れるエバネセント光を利用して光学的に観察する近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）なども走査型プロープ顕微鏡のファミリー装置として注目を浴びている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、走査トンネル顕微鏡においては、探針と試料との間にバイアス電圧を印加し、トンネル電流を測定している。そして、探針と試料とを相対的に走査することでトンネル電流が変化するが、このトンネル電流が一定となるように探針のＺ方向位置を変化させるようにしている。このＺ方向の位置変化信号を像信号として用いている。
【０００６】
このような走査トンネル顕微鏡では、Ｚ方向のフィードバック制御の応答速度に限界があり、探針と試料との相対的なＸ−Ｙ方向の速度を速めることができない。このため、広い領域の試料像を得るためには長い時間が必要となる。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、広い領域の像を比較的短時間に得ることができる走査トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡を実現するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に基づく走査型プローブ顕微鏡は、試料と探針とを相対的に走査し、試料表面の像を得るようにした走査型プローブ顕微鏡において、一対のＸ方向駆動用電極及び一対のＹ方向駆動用電極が設けられた円筒圧電体を備え、当該円筒圧電体にはその端部に設けられた切り欠きにより分離された第１の半円筒圧電体部と第２の半円筒圧電体部とが形成され、第１の半円筒圧電体部には第１のＺ方向駆動用電極及び第１の探針が設けられているとともに、第２の半円筒圧電体部には第２のＺ方向駆動用電極及び第２の探針が設けられていることを特徴としている。
【０００９】
第１の発明では、複数の探針を同時に走査するように構成したので、走査時間を短縮でき、また、走査範囲を広くすることができる。
第２の発明に基づく走査型プローブ顕微鏡は、第１の発明において、前記第１の半円筒圧電体部にはＸ駆動機構を介して第１の探針が設けられているとともに、第２の半円筒圧電体部にはＹ駆動機構を介して第２の探針が設けられているように構成したので、請求項１の発明と同様な効果が得られると共に、走査範囲に応じて複数の探針の相対的な位置を正確に調整することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に基づく走査トンネル顕微鏡を示しており、１は試料である。試料１に接近してスキャナ２が配置されているが、スキャナ２はＸ駆動機構３、Ｘ駆動機構３に取り付けられたＹ駆動機構４、Ｙ駆動機構４に固定された第１のＺ駆動機構５と第２のＺ駆動機構６とより構成されている。第１のＺ駆動機構５には補助Ｘ駆動機構７を介して第１の探針８が取り付けられ、第２のＺ駆動機構６には補助Ｙ駆動機構９を介して第２の探針１０が取り付けられている。
【００１１】
Ｘ駆動機構３、Ｙ駆動機構４、第１と第２のＺ駆動機構５，６、更には補助Ｘ駆動機構７、補助Ｙ駆動機構９は、それぞれピエゾ素子を用いて精密なＸ，Ｙ，Ｚ方向の駆動が可能なように構成されている。Ｘ駆動機構３とＹ駆動機構４は、Ｘ−Ｙ走査制御回路１１からの信号により駆動される。
【００１２】
第１のＺ駆動機構５はＺ駆動制御回路１２からの信号により駆動される。第２のＺ駆動機構６はＺ駆動制御回路１３からの信号により駆動される。補助Ｘ駆動機構７と補助Ｙ駆動機構９には、探針位置合わせ制御回路１４からの信号により駆動される。試料１と第１および第２の探針８，１０との間には、バイアス電源１５からバイアス電圧が印加されている。
【００１３】
第１の探針８に流れるトンネル電流は、増幅器１６を介して第１のフィードバック回路１７に供給される。第２の探針１０に流れるトンネル電流は、増幅器１８を介して第１のフィードバック回路１９に供給される。なお、第１のフィードバック回路１７は第１のＺ駆動制御回路１２に制御信号を送り、第２のフィードバック回路１９は第２のＺ駆動制御回路１３に制御信号を送る。
【００１４】
第１のフィードバック回路１９からの信号と第２のフィードバック回路１９からの信号はコンピュータ２０に供給される。コンピュータ２０はＸ−Ｙ走査制御回路１１と、探針位置合わせ制御回路１４と、バイアス電源１５を制御している。更に、コンピュータ２０はフィードバック回路１７，１９からの信号に基づいた像信号を表示装置２１に供給する。このような構成の動作を次に説明する。
【００１５】
まず、コンピュータ２０からの制御によりバイアス電源１５から試料１にバイアス電圧が印加される。この状態で、図示していない粗動の駆動機構によりスキャナ２を試料に近付け、探針８，１０にトンネル電流が流れるまでスキャナ２を試料に接近させる。
【００１６】
この後、Ｘ−Ｙ走査制御回路１１からの信号によりＸ駆動機構３とＹ駆動機構４を駆動すると、第１の探針８と第２の探針１０は試料１に対してＸ−Ｙ方向に２次元的に走査される。図２はこの走査の様子を示しており、試料１の特定領域Ａに対して、第１の探針８は実線Ｓ１で示すように特定領域Ａの左半分を走査する。一方、第２の探針１０は点線Ｓ２で示すように特定領域Ａの右半分を走査する。
【００１７】
この走査の過程で、第１の探針８に流れるトンネル電流は検出され、増幅器１６を介して第１のフィードバック回路１７に供給される。このトンネル電流は、試料１表面の凹凸により変化するが、フィードバック回路１７は第１の探針８に流れるトンネル電流が一定となるように第１のＺ駆動機構５を制御する。この結果、第１の探針８のＺ方向位置は試料表面の凹凸の状態によって変化することになる。この第１の探針８のＺ方向位置に対応した信号は第１のフィードバック回路１７からコンピュータ２０に供給される。
【００１８】
一方、Ｘ−Ｙ方向の走査の過程で、第２の探針１０に流れるトンネル電流は検出され、増幅器１８を介して第２のフィードバック回路１９に供給される。このトンネル電流は、試料１表面の凹凸により変化するが、フィードバック回路１９は第２の探針１０に流れるトンネル電流が一定となるように第２のＺ駆動機構６を制御する。この結果、第２の探針１０のＺ方向位置は試料表面の凹凸の状態によって変化することになる。この第２の探針１０のＺ方向位置に対応した信号は第２のフィードバック回路１９からコンピュータ２０に供給される。
【００１９】
コンピュータ２０は、第１の探針８のＺ方向位置変化信号と第２の探針１０のＺ方向位置変化信号とを試料表面の凹凸に対応した像信号として表示装置２１に供給する。この結果、表示装置２１には、試料１の凹凸像が表示されることになる。
【００２０】
このように、図１に示した装置では、第１と第２の探針を用いて試料の所定領域を走査するようにしたので、同じ領域の走査時間を、探針が１本の従来装置に比べて半分とすることができる。また、従来と同じ走査時間では、２倍の走査領域の像信号を取得することができる。
【００２１】
なお、図１に示した装置において、第１の探針８と第２の探針１０の相対的な位置の調整を行うことは重要である。そのため、第１の探針８は補助Ｘ駆動機構７に取り付けられており、第２の探針１０は補助Ｙ駆動機構９に取り付けられている。
【００２２】
このような構成で補助Ｘ駆動機構７を用いて第１の探針８をＸ方向に駆動し、補助Ｙ駆動機構９を用いて第２の探針１０をＹ方向に駆動すれば、第１の探針８と第２の探針１０とのＸ−Ｙ方向の間隔を任意に調整することができる。なお、探針間の調整のため、例えば、一方の探針を固定とし、他方の探針をＸ−Ｙ駆動機構により位置調整可能に構成しても良い。
【００２３】
図１の構成では、スキャナ２を積層タイプのものとしたが、円筒状のスキャナを用いることもできる。図３は本発明に用いる円筒型のスキャナ２５の一例を示している。図において２６は円筒圧電体であり、円筒圧電体２６には一対のＸ方向駆動用の電極２７．２８が貼り付けられている。また、円筒圧電体２６には一対のＹ方向駆動用の電極２９が貼り付けられている。Ｙ方向駆動用の他方の電極は、電極２９の反対側に貼り付けられており、図には示されていない。
【００２４】
円筒圧電体２６の下部には縦方向の切り欠き３０が設けられている。この切り欠き３０の対称部分にも切り欠きが設けられているが、それは図示されていない。この切り欠きによって分離された半円筒圧電体の一方３１には、第１のＺ方向駆動用電極３２が貼り付けられており、半円筒圧電体の他方３３には第２のＺ方向駆動用電極３４が貼り付けられている。
【００２５】
半円筒圧電体の一方３１にはＸ駆動機構３５、探針ホルダ３６を介して第１の探針３７が取り付けられている。第１の探針３７はネジ３８によって固定されているが、押さえ板３９により探針が少し内側に向くように位置合わせがされている。また、半円筒圧電体の他方３３にはＹ駆動機構４０、探針ホルダ４１を介して第２の探針４２が取り付けられている。第１の探針４２はネジ４３によって固定されているが、押さえ板４４により探針が少し内側に向くように位置合わせがされている。
【００２６】
このような図３に示したスキャナ２５では、Ｘ方向駆動用電極２７，２８に駆動用電圧を印加することにより、円筒圧電体２６はＸ方向に傾斜し、第１の探針３７と第２の探針４２はＸ方向に走査される。また、Ｙ方向駆動用電極２９に駆動用電圧を印加することにより、円筒圧電体２６はＹ方向に傾斜し、第１の探針３７と第２の探針４２はＹ方向に走査される。
【００２７】
第１の探針３７に流れるトンネル電流は検出され、このトンネル電流が一定となるように第１のＺ方向駆動用の電極３２に電圧が印加される。この結果、半円筒圧電体の一方３１は独立してＺ方向に駆動される。また、第２の探針４２に流れるトンネル電流は検出され、このトンネル電流が一定となるように第２のＺ方向駆動用の電極３４に電圧が印加される。この結果、半円筒圧電体の他方３３は独立してＺ方向に駆動される。
【００２８】
以上本発明の実施の形態を詳述したが、本発明はこの形態に限定されない。例えば、探針の数を２本としたが、３本以上であっても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明では、複数の探針を設け、この複数の探針を同時に走査するように構成したので、走査時間を短縮でき、また、走査範囲を広くすることができる。
【００３０】
第２の発明に基づく走査型プローブ顕微鏡は、第１の発明において、複数の探針の相対的な位置を調整する機構を備えるように構成したので、第１の発明と同様な効果が得られると共に、走査範囲に応じて複数の探針の相対的な位置を正確に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく走査トンネル顕微鏡の一例を示す図である。
【図２】２本の探針による走査の様子を示す図である。
【図３】本発明に用いることができる円筒状スキャナの一例を示す図である。
【符号の説明】
１  試料
２  スキャナ
３  Ｘ駆動機構
４  Ｙ駆動機構
５，６  Ｚ駆動機構
７  補助Ｘ駆動機構
８，１０  探針
９  補助Ｙ駆動機構
１１  Ｘ−Ｙ走査制御回路
１２，１３  Ｚ駆動制御回路
１４  位置合わせ制御回路
１５  バイアス電源
１６，１８  増幅器
１７，１９  フィードバック回路
２０  コンピュータ
２１  表示装置
【図１】
0003784570.tif 000002
【図２】
0003784570.tif 000003
【図３】
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