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JP2006058016A - Scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope Download PDF

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Publication number
JP2006058016A
JP2006058016A JP2004237043A JP2004237043A JP2006058016A JP 2006058016 A JP2006058016 A JP 2006058016A JP 2004237043 A JP2004237043 A JP 2004237043A JP 2004237043 A JP2004237043 A JP 2004237043A JP 2006058016 A JP2006058016 A JP 2006058016A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
scanner
scanning
voltage
probe microscope
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004237043A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiro Imashige
義宏 今重
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Ltd
Original Assignee
Jeol Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jeol Ltd filed Critical Jeol Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the stability of two-dimensional scanning, to reduce noise of a voltage signal applied to a scanner and to improve the quality of an observation image especially in a narrow-band scanning, by solving the problem that the quality of an observation image is deteriorated by noise or drift possessed by a scanner drive circuit in wide area scanning in the case of narrow area scanning using a scanning probe microscope. <P>SOLUTION: The scanning probe microscope is constituted so as to detect the physical quantity acting across a probe and a sample, and includes a scanner for relatively scanning the probe and the sample, at least two scanner drive circuits corresponding to the scanning region of the scanner, and a switching means for switching at least two scanner drive circuits. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a scanning probe microscope, which is a general term for a scanning tunnel microscope, an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, a scanning near field microscope, and similar devices. is there.

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。   In recent years, the atomic force acting between the probe and the sample can be achieved by scanning the surface of the sample with the probe by placing the cantilever with the probe and the sample facing each other, setting the distance between the probe and the sample to be a few nanometers or less. 2. Description of the Related Art Scanning probe microscopes that measure physical quantities such as magnetic force or electrostatic force and obtain a concavo-convex image, magnetic image, spectroscopic image, etc. of a sample surface based on the measurement have attracted attention.

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。   In general, scanners used in scanning probe microscopes are made of a piezoelectric material that can be driven stably in the order of nanometers to micrometers, thereby enabling a wide variable range from narrow to wide. Scanning is possible.

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。   Figure 3 shows the scanner drive circuit. Commercially available high-voltage operational amplifiers are often used for scanner drive circuits. This high-voltage operational amplifier is an IC that can supply a power supply voltage up to about ± 200V, and can output an output voltage up to about ± 200V. This is because it is necessary to apply a voltage of about 200 V to the piezoelectric body in order to drive the scanner (piezoelectric body) used in the scanning probe microscope at the maximum several tens of nanometers. As described above, in the scanning probe microscope, in order to drive a scanner made of a piezoelectric material in a wide range, the driving signal of the scanner is amplified by an amplifier circuit capable of outputting up to a high voltage and applied to the scanner.

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。   However, observation of an atomic image or the like requires two-dimensional scanning in a narrow region of nanometer order. At this time, the noise and stability of the scanner drive circuit become a problem. As described above, a high-voltage operational amplifier is used to drive the scanner at a maximum of about ± 200 V so that the scanner drive circuit can scan a wide area.

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。   If this high voltage operational amplifier outputs a low voltage of several hundred millivolts, it will greatly affect the output voltage with low noise and drift of the high voltage amplifier, which was not a concern when outputting high voltage. Therefore, it appears as wobbling or noise in the observed image, causing poor image quality.

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)。   As a conventional technique, there is a piezoelectric element driving mechanism that switches the electrode of a scanner according to a scanning region (for example, Patent Document 1).

特開平2000−350478JP 2000-350478 A

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。   The problem to be solved by the present invention is that the noise and drift of the wide area scanning scanner driving circuit deteriorate the quality of the observed image when the scanning probe microscope performs narrow area scanning.

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。   The invention of claim 1 is a scanning probe microscope for detecting a physical quantity acting between a probe and a sample, a scanner that relatively scans the probe and the sample, and at least two corresponding to the scanning region of the scanner. A scanning probe microscope comprising: a plurality of scanner driving circuits; and switching means for selectively connecting the at least two scanner driving circuits to the scanner.

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。   According to a second aspect of the present invention, the scanner driving circuit includes a scanning signal generator, a narrow area driving circuit that amplifies the scanning signal from the scanning signal generator with a low amplification degree, and a wide area driving circuit that amplifies the scanning signal with a high degree of amplification. The scanning probe microscope according to claim 1, further comprising:

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。   According to a third aspect of the present invention, the scanner driving circuit includes a narrow area driving circuit that scans a nanometer order area and a wide area driving circuit that scans a micrometer order area. Scanning probe microscope.

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。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a scanning probe microscope according to any one of the first to third aspects, further comprising scanner drive control means for controlling the scanner drive circuit, wherein the scanner drive control means controls the scanner drive circuit according to a signal from the scanner drive control means. This is a scanning probe microscope in which switching means is switched.

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。   A fifth aspect of the present invention is the scanning probe microscope according to the fourth aspect, wherein the scanner drive control means is a computer.

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。   According to the present invention, the driving circuit for driving the scanner can be switched to a driving circuit having a suitable output voltage range, the stability of two-dimensional scanning can be increased, and noise of the voltage signal applied to the scanner can be reduced. The image quality of the observed image was improved particularly in narrow area scanning.

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。   Hereinafter, the present invention will be described in detail according to the best mode for carrying out the invention.

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PbZrTiO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。 The configuration of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows a control circuit in a scanning probe microscope (STM). A sample 2 is placed on the upper surface of the scanner 5 in a replaceable manner, and a probe 1 is placed facing the sample 2. The cylindrical scanner 5 is composed of a piezoelectric element that is a piezoelectric ceramic such as PbZrTiO 3 . Electrodes X, Y, and Z are coated on the surface of the scanner 5, and when a voltage is applied by a power source (not shown), the free end on which the sample is placed is displaced in the XYZ directions.

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。   A current-voltage converter 3 is connected to the probe 1. The current-voltage converter 3 is a circuit that detects a tunnel current flowing between the probe 1 and the sample 2, converts the voltage, and outputs it. The height direction control circuit 4 connected to the current / voltage converter 3 receives the output of the current / voltage converter 3 and compares the reference voltage with the output of the current / voltage converter 3. This is a circuit for controlling the height direction of the scanner 5 so that a constant current flows through the scanner 5.

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。   The scanner driving circuit Z6 connected to the height direction control circuit 4 is a piezoelectric body driving circuit for causing the scanner 5 to operate in the height direction. The scanning signal generators X9 and Y10 are circuits that can output a scanning signal by setting scanning signal data sent from the computer 11, and are circuits that can output a scanning signal waveform with an output of maximum ± 10V.

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。   The scanner drive circuits Xw7 and Yw8 are shown in FIG. The scanner drive circuits Xw7 and Yw8 are piezoelectric drive circuits for causing the scanner 5 to perform two-dimensional scanning, and the output of the scanning signal generator is amplified by a high voltage operational amplifier 20 having an amplification factor of 20 times to a voltage of maximum ± 200V. Can be used for wide-area scanning.

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。   FIG. 5 shows the scanner drive circuits Xn and Yn. The scanner drive circuits Xn and Yn are piezoelectric drive circuits for causing the scanner 5 to perform two-dimensional scanning. The output of the scanning signal generator is amplified by an operational amplifier having a single amplification factor and can be output up to a voltage of ± 10V. It is a circuit and is used for narrow area scanning.

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。   The scanner 5 has a structure as shown in FIG. The X and Y electrodes of the scanner 5 can be driven by 20 μm in the XY directions by applying a maximum of ± 200 V to the electrodes of each piezoelectric body.

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。   In FIG. 4, the switch A 23 connected to each scanner drive circuit is turned OFF when the narrow area observation control signal sent from the computer 11 is detected, and the switch B 24 receives the narrow area observation control signal sent from the computer 11. Turns on when detected.

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。   The configuration of each unit in the figure has been described above. Next, the operation will be described. In FIG. 4, first, when a bias voltage is applied to the sample 2 and the probe 1 is moved closer to the sample 2, a tunnel current starts to flow through the probe 1 when the distance between the probe 1 and the sample 2 reaches a certain distance. . It is converted into a voltage value by the current-voltage converter 3 and input to the height direction (Z) control circuit 4. A reference value of the tunnel current is given to the height direction control circuit 4 as a voltage, the reference value is compared with the tunnel current, and a signal for driving the Z electrode portion of the scanner 5 in the direction in which the difference is reduced is given in the height direction. The control circuit 4 outputs. By driving the output of this height direction control circuit through the piezoelectric drive amplifier and driving the Z scanner 5, two-dimensional scanning is performed while performing feedback control so that the tunnel current becomes a constant value, and the surface of the sample 2 Can be obtained. That is, the unevenness on the sample surface can be observed at the atomic level by imaging the unevenness information based on the distance-converted voltage applied to control the Z direction at this time.

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。   The two-dimensional scanning of the scanning probe microscope can be realized by the scanner 5 made of a piezoelectric material. As shown in FIG. 1, the scanner 5 is provided with three piezoelectric bodies, X, Y, and Z. By applying a voltage signal to each electrode, the scanner 5 is driven by the piezoelectric effect of the piezoelectric body. Is possible. Thus, the scanner 5 performs two-dimensional scanning by applying a scanning signal as a voltage signal to the electrodes of the X and Y piezoelectric bodies.

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。   In FIG. 4, a scanning signal for performing two-dimensional scanning is generated by scanning signal generators X9 and Y10. When the operator sets a scanning area in the computer 11, the computer 11 calculates a voltage value to be applied to the piezoelectric body from the piezoelectric constant of the scanner 5 (piezoelectric body), and the voltage value is calculated based on the amplification degree of the scanner driving circuit. The divided value is set in the scanning signal generator, and the scanning signal generator outputs the voltage signal. As a result, the scanner 5 (piezoelectric body) can two-dimensionally scan the scanning region set by the operator.

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。   Now, when performing sample observation in a wide area, the operator sets the wide area observation to the computer 11. Wide-area observation here refers to surface observation that scans a wide area on the order of micrometers and obtains an observation image.

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。   When the computer 11 is set to the wide area observation, the computer 11 does not output the narrow area observation control signal to the switch A23 and the switch B24. Each switch does not change as shown in the figure, the switch A23 is ON, and the switch B24 is OFF.

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。   Next, the operator sets the scanning area to be observed on the computer 11. The computer 11 calculates the voltage value applied to the X and Y electrodes of the scanner 5 to drive the scanner 5 from the characteristics of the scanning region and the piezoelectric body set by the operator. A value obtained by dividing the calculated value by the amplification factor of the scanner driving circuit is set in the scanning signal generators X9 and Y10. The scanning signal generator outputs a scanning signal having a set value as a voltage signal to the scanner driving circuits Xw7 and Yw8. The scanner driving circuit amplifies the input scanning signal with a high voltage amplifier and outputs it. The scanner drive circuit applies the output voltage signal to the X and Y electrodes of the scanner 5. The scanner 5 starts two-dimensional scanning in the scanning area set by the operator.

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。   In this case, the scanner 5 can be driven to a maximum of 20 μm, and a wide area scan up to 20 μm can be performed. However, when observation is performed in a narrow area, as described above, noise and drift of the scanner driving circuit are greatly affected, and it is difficult to obtain a high-quality image.

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。   When performing sample observation in a narrow area, the operator sets the narrow area observation in the computer 11. The narrow area observation here refers to surface observation in which an observation image can be obtained by scanning a narrow area such as atomic image observation generally in the order of nanometers.

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。   When narrow range observation is set in the computer 11, the computer 11 outputs a narrow range observation control signal to the switch A23 and the switch B24. When each switch senses the narrow area observation control signal, the switch A23 is turned off and the switch B24 is turned on.

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。
Next, the operator sets the scanning area to be observed on the computer 11. The computer 11 calculates a voltage value to be applied to the piezoelectric bodies of the scanners 5X and Y in order to drive the scanner 5 from the scanning region set by the operator and the characteristics of the piezoelectric bodies, and calculates the calculated values to the scanning signal generators X9 and Y10. Set to. The scanning signal generator applies the scanning signal having the set value to the scanner 5X, Y as a voltage signal.
The scanner 5 starts two-dimensional scanning in the scanning area set by the operator.

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。   In this way, by setting narrow-area observation, surface observation in a narrow area such as atomic image observation is possible without being affected by electrical noise and drift caused by the high-voltage operational amplifier 20 of the scanner drive circuit. Thus, the operator can obtain a high-quality observation image. However, since the scanner drive circuits Xn and Yn (FIG. 5) can only output a maximum of ± 10 V, the scanner 5 cannot be driven at 1 μm or more.

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。   Although the operation has been described above, the effect of the present invention is that it is possible to eliminate the fluctuation of the observed image, which is a problem in the observation in a narrow region such as the atomic image observation in the scanning probe microscope. In other words, in order to scan the scanning area, the driving circuit for driving the scanner is switched to a driving circuit having an appropriate output voltage range, thereby improving the stability of the two-dimensional scanning and reducing the noise of the voltage signal applied to the scanner. It is characterized by the fact that it has been reduced, thereby improving the quality of the observed image.

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。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in Example 1, an example of a tunneling microscope is shown, but in general scanning probe microscopes such as an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a friction force microscope, a micro viscoelastic microscope, a surface potential difference microscope, and a scanning near-field microscope are used. Can adapt.

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。   Further, instead of scanning the sample side, the probe side may be scanned.

さらに、スキャナ駆動回路は3個以上あってもよい。   Further, there may be three or more scanner driving circuits.

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。   The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

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。   The configuration of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 shows a control circuit in the STM of the scanning probe microscope. The current-voltage converter 3 is a circuit that detects a tunnel current flowing between the probe 1 and the sample 2, converts the voltage, and outputs it. The height direction control circuit 4 receives the output of the current-voltage converter 3, compares the reference voltage and the output of the current-voltage conversion circuit, and the scanner 5 outputs a constant current between the probe 1 and the sample 2. This circuit controls the height direction. The scanner drive circuit Z6 is a piezoelectric drive circuit for causing the scanner 5 to operate in the height direction. The scanning signal generators X9 and Y10 are circuits that can output a scanning signal by setting scanning signal data sent from the computer 11, and are circuits that can output a scanning signal waveform with an output of maximum ± 10V. The scanner driving circuit X26 is shown in FIG. The scanner drive circuit is a piezoelectric drive circuit for causing the scanner 5 to perform two-dimensional scanning. The scanner drive circuit has a circuit that can switch the output of the scanning signal generator by 1 to 20 times with a switch such as a multiplexer and has a maximum of ± 200V. A circuit that can output up to a voltage. The scanner driving circuit Y27 has a similar structure.

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。   The scanner 5 has a structure as shown in FIG. 1, and X, Y, and Z electrodes are provided on a piezoelectric body. By applying a maximum of ± 200 V to the X and Y electrodes of the piezoelectric body of the scanner 5, each can be driven by 20 μm. The switch A23 is turned off when the narrow area observation control signal sent from the computer 11 is sensed, and the switch B24 is turned on when the narrow area observation control signal sent from the computer 11 is sensed.

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。   The configuration of each unit in the figure has been described above. Next, the operation will be described. First, the operator sets a scanning area to be observed on the computer 11. The computer 11 calculates the voltage value applied to the X and Y electrodes of the scanner 5 to drive the scanner 5 from the characteristics of the scanning region and the piezoelectric body set by the operator. Based on the calculated value, the computer 11 determines an appropriate scanner drive circuit for the set scan area from among the scanner drive circuits A29, B30, and C31 in the scanner drive circuits X26 and Y27, and scan control is performed by the switch circuit 28. Send a signal to change the switch.

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。   In FIG. 6, values obtained by dividing the calculated value by the amplification factor of the scanner driving circuit determined to be appropriate are set in the scanning signal generators X9 and Y10. The scanning signal generators X9 and Y10 output the scanning signal having a set value as a voltage signal to the scanner driving circuits X26 and Y27. The scanner driving circuits X26 and Y27 amplify and output the input scanning signals by the scanner driving circuits 29, 30, and 31 selected by the switch circuit 28 having the scanning signals therein. The scanner drive circuits X26 and Y27 apply the output voltage signal to the X and Y electrodes of the scanner 5. The scanner 5 starts two-dimensional scanning in the scanning area set by the operator.

チューブ型スキャナの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a tube type scanner. 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。It is a figure which shows the control circuit of the scanning tunnel microscope of a prior art. 図4におけるスキャナ駆動回路(Xw、Yw)を示す図である。It is a figure which shows the scanner drive circuit (Xw, Yw) in FIG. 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。It is a figure which shows the control circuit of the scanning tunnel microscope by the 1st Example of this invention. 図4におけるスキャナ駆動回路(Xn、Yn)を示す図である。It is a figure which shows the scanner drive circuit (Xn, Yn) in FIG. 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。It is a figure which shows the control circuit of the scanning tunnel microscope by the 2nd Example of this invention. 図6におけるスキャナ駆動回路(X、Y)を示す図である。It is a figure which shows the scanner drive circuit (X, Y) in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Probe 2 Sample 3 Voltage-current converter 4 Height direction control circuit 5 Scanner 6 Scanner drive circuit Z
7 Scanner drive circuit Xw
8 Scanner drive circuit Yw
9 Scanning signal generator X
10 Scanning signal generator Y
11 Computer 12 Operation 13 Bias Amplifier 20 High Voltage Operational Amplifier 21 Scanner Drive Circuit Xn
22 Scanner drive circuit Yn
23 Switch A
24 Switch B
25 High Voltage Operational Amplifier 26 Scanner Drive Circuit X
27 Scanner Drive Circuit Y
28 Switch circuit 29 Scanner drive circuit A
30 Scanner drive circuit B
31 Scanner drive circuit C

Claims (4)

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。
In a scanning probe microscope that detects a physical quantity acting between a probe and a sample,
A scanner that relatively scans the probe and the sample;
At least two scanner driving circuits corresponding to the scanning area of the scanner;
A scanning probe microscope comprising: switching means for selectively switching the at least two scanner driving circuits to be connected to the scanner.
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。   The scanner driving circuit includes a scanning signal generator, a narrow area driving circuit that amplifies the scanning signal from the scanning signal generator with a low amplification degree, and a wide area driving circuit that amplifies the scanning signal with a high amplification degree. The scanning probe microscope according to claim 1. 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。
The scanning probe microscope according to claim 1 or 2, further comprising scanner drive control means for controlling the scanner drive circuit.
A scanning probe microscope in which the switching means is switched by a signal from the scanner drive control means.
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。
4. The scanning probe microscope according to claim 3, wherein the scanner drive control means is a computer.
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