JP2568385C - - Google Patents

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JP2568385C
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】この発明は、探触針を試料表面に限りなく、例えば5nm
に接近させ、探触針と試料表面間に生じる物理量(例えば、トンネル電流や、原
子間力、光子量等)の変化を検出・測定して、画像化する走査型プローブ顕微鏡
に関するものである。 【0002】 【従来の技術】上記走査型プローブ顕微鏡は、探触針を試料表面に限りなく接近
させて、探触針と試料表面間に生じる物理量の変化を検出することにより、試料
の表面形状をナノメータレベルで観測することができる装置として、注目されて
いる。 【0003】この走査型プローブ顕微鏡の中で、探触針と試料表面の間に流れる
トンネル電流を検出・測定して、試料表面を観察する装置は、走査型トンネル顕
微鏡(STM)と呼ばれ、このSTMは、従来の顕微鏡と異なり、試料内に束縛
されている電子を検出することが可能であり、原子配列を実空間で観測できるき
わめて特徴的な表面観察装置である。 【0004】このようなSTMの動作原理を以下に説明する。z方向アクチュエ
―タにより、先端の鋭い探触針を試料表面に、これらからしみ出している電子雲
が僅かに重なり合う程度に接近させ、さらに探触針と試料との間に電圧(トンネ
ル電圧)を印加して、探触針から試料へとトンネル電流を流す。そして、このト
ンネル電流を一定に保つように前記z方向アクチュエ―タをサ―ボ動作しながら
、xy方向アクチュエ―タにより、探触針と試料とを相対的に面方向に移動して
二次元的走査をする。このとき、探触針をサ―ボ動作するz方向アクチュエ―タ
へのサ―ボ電圧を読取り、画像表示することにより試料の表面観察をおこなう。
即ち、探触針が試料表面上を走査し、この表面の段差に到達するとトンネル電流
が増加するので、トンネル電流が一定値(もとの値)になるまで、z方向アクチ
ュエ―タにより探触針を試料より離す。この探触針の移動が表面の段差に対応す
るので、この走査を繰り返しながら、サ―ボ電圧を読取ることにより、試料の表
面像が得られる。 【0005】上記トンネル電流JT は次式で表わされる。 JT ∞ exp(-A・Φ1/2・S) ここで、A:定数、 Φ:探触針と試料の仕事関数の平均 S:探触針と試料との間の距離 従って、トンネル電流Jtは距離Sに対して極めて敏感に変化し、原子スケ―ル
の分解能が得られる。 【0006】上記のように、STMは極めて高分解能で物質の表面像が得られる
。また、これまでの電子線回析、イオン散乱などの方法により得られた逆格子空
間像とは異なり、原子の配列を実空間で観測できるという特徴を有している。さ
らに、探触針と試料との間に印加する電圧は、試料の仕事関数以下の値であり、
検 出されるトンネル電流はnAオ―ダ―であるため使用電力が低く、試料を損傷す
る事も少ないという特徴もある。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】従来のSTMは、実空間で極めて高分解能の表
面像が得られるのにもかかわらず、試料表面上の観察部位を目視で観察してから
上記観察操作をおこなっているために、観察部位があいまいになり、狭い範囲の
特定の部位のみの観察には不向きであった。また、STM像と、他の顕微鏡(光
学顕微鏡、電子顕微鏡等)で得られる従来像との比較ができずSTM観察領域(S
TM視野)と従来観察視野が必ずしも一致しないという欠点があった。 【0008】つまり、STM像と、光学像のそれぞれの像を一台の装置で観察し
ようとする試みは行われてなかった。したがって、この発明は上記従来技術の問
題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、探触針により観察された像と、
他の顕微鏡等で得られる光学観察像のそれそれの像を観察・測定することができ
る走査型プローブ顕微鏡を提供することである。 【0009】 【課題を解決するための手段】この発明に関わる走査型プローブ顕微鏡は、試料
を保持する試料保持手段と、前記試料を光学的に観察するように試料に対向する
位置に配置される試料観察光学系と、前記試料に対向するように配置される探触
針と、前記探触針を支持する支持手段と、前記試料観察光学系と前記探触針とが
前記試料に対向する位置に配置され、前記試料観察光学系の光学視野内で前記探
触針と前記探触針による試料測定位置とを位置決めするための移動手段と、前記
探触針により前記試料測定位置の測定を行なうために、前記試料と前記探触針と
を相対的に駆動するアクチュエータ手段と、を備えた。 【0010】 【作用】上記構成の走査型プローブ顕微鏡においては、試料観察光学系と探触針
とが試料に対向する位置に配置され、前記試料観察光学系の光学視野内で前記探
触針と前記探触針による試料測定位置とを位置決めするための移動手段を備えた
ことにより、探触針による観察像とともに、試料観察光学系による試料測定位置
の光学観察像を得ることができ、また、試料観察光学系の光学視野内で探触針に よる試料測定位置の特定を容易に行うことができるとともに、複数の異なる状態
の観察像を比較することができる。 【0011】 【実施例】以下に、この発明実施例に係わる走査型プローブ顕微鏡を走査型トン
ネル顕微鏡の場合について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する
各実施例において、実質的に同じ機能を有する部材は同じ参照番号を付して説明
を省略する。 【0012】第1の実施例を示す図1並びに図2にて、符号1は基板を示し、こ
の基板1上にはz方向に移動可能に移動ステ―ジ2が設けられている。この移動
ステ―ジ2上にはSTM視野観察光学系(光学顕微鏡)3が、支柱2aによって
、固定されている。この系3は、互いに並ぶように配置された筒状の光源側ハウ
ジング4と観察側ハウジング5とを有する。光源側ハウジング4内には、光源6
が一端に、第1のプリズム7が他端近くに、そして集光レンズ8が途中に、夫々
設けられている。一方、観察側ハウジング5内には、結像レンズ9が一端にそし
て第2のプリズム10が他端近くに、夫々設けられている。また、両ハウジング
4,5の他端には、共通に1個の収束レンズ11(対物レンズ)が取着されてい
る。この収束レンズ11の中心には透孔11aが形成されている。 【0013】上記のような構成のSTM視野観察光学系においては、光源6から
射出された光は、集光レンズ8で集光され、平行光束となって第1のプリズム7
に入射する。入射光束は、ここで直角に2度反射されて収束レンズ11の一部を
通過する。この結果、光束は、収束レンズ11の前面に配置された試料12の観
察面に収束する。試料12からの反射光束は、前記収束レンズ11の他部を通っ
て観察側ハウジング5内に入り、第2のプリズム10で光路が変更され、結像レ
ンズ9で結像される。従って、観察者は、この結像レンズ9を介して、試料の観
察面を見ることができる。この系でピントを合せる場合には、移動ステージ2を
z方向に移動させて、試料に対して、収束レンズ11を接離する。もちろん、試
料12を収束レンズ11に対してz方向に移動させても良い。この試料12の移
動装置は、後述する。 【0014】図1中、符号20はSTM系を示す。この系20は、前記移動ステ ―ジ2に固定されたアクチュエ―タ取付台21を有する。この取付台21には、
x,y,z方向に微動可能な3次元アクチュエ―タ22が固定されている。この
アクチュエ―タの中心部には、探触針ホルダ―23が突設されており、このホル
ダ―には探触針24が取外し可能に、その基端部で保持されている。この探触針
24の先端は、前記収束レンズ11の中央に形成された透孔11aを貫通して試
料12側に、その先端が延出している。この探触針24は、前記透孔11a内を
軸方向(z方向)に移動可能なように、その外径が設定されている。前記探触針
ホルダ―23には、図3に示すように、前端面にワリ23aが形成されており、
このワリ23aに探触針24の基端部を圧入することにより、探触針24を取外
し可能に保持する。前記試料12は、粗動装置30の先端に設けられた試料台3
1に、前記収束レンズ11と対面するようにして保持されている。この粗動装置
30は前記基板1に、ブロック1aによって、固定され、試料台31をz方向に
粗動可能な、例えば、差動マイクロメ―タにより構成されている。 【0015】次に、前記3次元アクチュエ―タ22を図4並びに図5を参照して
説明する。図中、符号40は、基板1に固定されたアクチュエ―タ取付台21に
、一面が取着された、電気絶縁性の板からなる台座を示し、この他面には正方形
の4隅に対応する位置にそれぞれ配設された4個の共通電極41が固定されてい
る。これら共通電極41間には、それぞれx電極42並びにy電極43が、これ
ら電極と共通電極との間に圧電素子44を介在させて、接続されている。また、
中央には、x電極42並びにy電極43に、これらとの間に別の圧電素子44を
介在させるようにして、接続された中央電極45が設けられている。この中央電
極45にはz方向に伸縮可能な圧電素子46が固定されており、この先端面には
、絶縁板47を介して、前記探触針ホルダ―23が固定されている。これら電極
並びに圧電素子は、共に立方体をなし、図示のように前者の方が少し大きなデイ
メンションを有する。また、圧電素子44,は、中央電極45を境として右側の
ものと左側のものとでは分極方向が逆になるように配設されている。例えば、一
定の電圧を電極に印加した場合には、中央電極45の右側に位置する圧電素子4
4は縮み、一方左側に位置する圧電素子は伸びるように設定されている。かくし
て、中央電極45を接地し、x電極42にVx>0の電圧を印加すると、中央電
極4 5は右側に移動し、逆にVx<0の電圧を印加すると左側に移動する。この結果
、交流電圧をx電極に印加することにより、中央電極45に取着された探触針を
x方向に振動させることができる。同様にして、y電極にVy交流電圧を印加す
ることにより、探触針をy方向に振動させることができる。なお、この場合、x
方向とy方向とに同時に振動させるためには、4隅に位置する電極にVx+Vy
の交流電圧を印加する必要がある。上記のような交流電圧の使用により、探触針
はxy方向に移動されて、試料12の観察面を走査することができる。また、ト
ンネル電流を一定に保つサ―ボ動作は、z方向に伸縮可能な圧電素子46に、コ
ントロ―ルユニットからのサ―ボ信号を入力して、試料の観察面と探触針との間
の距離を一定にすることによりおこなえる。 【0016】上記のような構成のSTM系20においては、まず、移動ステ―ジ
2をz方向に粗動させて、探触針24を試料12に、前記光学系3のピント位置
よりもさらに、接近させる。次に、前記粗動装置30を、トンネル電流が検出で
きるまで、即ち、探触針24と試料12とがトンネル領域に入るように、微動調
節する。そして、この状態で3次元アクチュエ―タ22に上述した信号を与て、
探触針22をxy方向(面方向)並びにz方向(軸方向)にトンネル電流を一定
に保ちながら、微動させることにより、試料12の観察面を走査する。 【0017】次に、図6並びに第7図を参照して第2の実施例に係わる走査型ト
ンネル顕微鏡を説明する。この実施例で、試料12を保持するための機構並びに
STM視野観察光学系3及び探触針24の粗動駆動機構は、前記実施例と同じな
ので、その説明を省略する。 【0018】光学系3は光源50並びにこの光源からの光を収束するための集光
レンズ51を有する。このレンズの前方には、入射光束を透過光束と90度反射
光束とに2分するための分岐プリズム52が配設されている。このプリズム52
の透過光束側には、入射光束を拡散して反射する凸面鏡53並びに凸面鏡からの
反射光束を試料12の観測面上に集光する凹面鏡54が設けられている。この凸
面鏡53は透明の支持板55の後面の中央部に固定されている。尚、前記凹面鏡
54からの反射光束は、前記支持板55の周囲部を透過して試料12に入射する
。この支持板55の前面には3次元アクチュエ―タ22が固定されており、この
ア クチュエ―タの先端には探触針24が絶縁板47並びに探触針ホルダ―23を介
して支持されている。前記分岐プリズム52の反射側には、結像レンズ56が設
けられ、この結像レンズ56から、観察者は、試料12からの凹面鏡54、凸面
鏡53並びにプリズム52を介する反射光による試料12の観察面からの顕微鏡
像を観察することができる。 【0019】第2の実施例の装置に使用する3次元アクチュエ―タ22は第1の
実施例と同構造のものでも良いが、ここでは、別の構造のものを使用している。
これを図7を参照して説明する。 【0020】このアクチュエ―タ22は、3個の圧電素子60,61,62を有
する。第1の圧電素子60は電圧の印加方向と分極方向とが一致したものであり
、両端に設けられた電極63,64により、矢印方向(z方向)に伸縮する。第
2並びに第3の圧電素子61,62は分極方向に対して直交する方向に電圧を印
加すると、せん断力が働き、分極方向に滑りが発生する。このような第2並びに
第3の圧電素子61,62を互いに分極方向が直交するように配設し、第2の圧
電素子61と第3の圧電素子62との間並びに第3の圧電素子62と絶縁板47
との間に、夫々電極65,66が設けられている。かくして、第2の圧電素子6
1は電極64、65間に電圧を印加することにより、y方向に伸縮可能であり、
また第3の圧電素子62は電極65,66間に電圧を印加することにより、x方
向に伸縮可能である。 【0021】上記第2の実施例の装置においても、第1の実施例のものと同様の
走査をすることにより、試料12をSTM観察ができると共にこのSTM視野を
光学顕微鏡観察することができる。尚、この実施例のように、光学的視野観察光
学系を反射対物レンズ系で構成した場合には、屈折型対物レンズ系で構成した場
合と比較して、W.Dを大きくとれ、探触針と試料とが接触して、これらを損傷
することがなく、光学的視野観察ができる。またこのような光学系は、色収差が
なく、焦点位置に波長依存性がないという特徴があるので、不可視光に対する焦
点調整が容易に行なえるという効果もある。 【0022】次に、第2の実施例の装置の光学系に、光学的に試料の観察面の表
面形状を測定する機能を付加した例を図8を参照して説明する。図8中、符号7 0は、透明の支持板55と前面が対面するようにして固定された別の透明の支持
板を示す。この支持板70の後面には第1の分岐プリスム71が固定されている
。このプリズム71の側方には、集光レンズ72を介して、光源73が設けられ
ている。この光源73から射出された光は、集光レンズ72により、集光されて
第1の分岐プリノズム71に入射し、これにより90度反射されて、凸面鏡53
,凹面鏡54を順次介して試料12を照射する。この試料12からの反射光束は
凹面鏡54、凸面鏡53を介して、第1の分岐プリズム71に入射する。この分
岐プリズム71の透過側には第2の分岐プリズム74が、また、このプリズム7
4の反射側には接眼レンズ75が夫々設けられてい。かくして、第1の分岐プリ
ズム71に入射した前記反射光束は第2の分岐プリズムにより、一部反射されて
接眼レンズ75に導かれる。この結果、前記第2の実施例と同様に観察者は、接
眼レンズ75を通して、試料12の観察面を顕微鏡観察することができる。 【0023】次に、第2の分岐プリズム74の透過側に設けられた、表面形状測
定装置を説明する。この装置は、第2の分岐プリズム74の透過側に、λ/4板
76を介して、設けられた第3の分岐プリズム77を有する。この第3の分岐プ
リズム77の側方には、集光レンズ78を介して、レ―ザダイオ―ド79が設け
られている。また、この第3の分岐プリズム77の透過側には、偏光ビ―ムスプ
リッタを構成する第4の分岐プリズム80が設けられている。この第4の分岐プ
リズム80の反射側には、第1の臨界角プリズム81を介して、第1のフォトダ
イオ―ド82が、また透過側には第2の臨界角プリズム83を介して、第2のフ
ォトダイオ―ド84が、夫々設けられている。 【0024】上記構成の表面形状計測装置の作用を以下に説明する。まず、レ―
ザダイオード79から射出された光束は、集光レンズ78により平行光束にされ
て第3の分岐プリズム77に入射し、ここで90度反射される。この反射光束は
λ/4板76を透過し、第2の分岐プリズム74,第1の分岐プリズム71、凸
面鏡53,凹面鏡54を介して試料12に入射し、この観察面上に微小なスポツ
トを形成する。この観察面からの反射光束は、入射光束と逆の光路を通ってλ/
4板76に入射し、さらに第3の分岐プリズム77を透過する。この光束は第3
の分岐プリズム77によりp偏光され、第4の分岐プリズム80に入射し、ここ で2分される。一方の光束は第1の臨界角プリスム81を介して、第1のフォト
ダイオ―ド82に、また他方の光束は第2の臨界角プリスム83を介して、第2
のフォトダイオ―ド84に、夫々入射する。このような装置においては、第1並
びに第2の臨界角プリズム81,83に夫々入射する光束が試料12の観察面の
凹凸により、入射角が異なり、臨界角を越えて入射する光束はプリズム81,8
3外に出るので、フォトダイオ―ド82,84での検出光量に変化が生じ、かく
して試料12の観察面上の凹凸情報を光学的に得ることができる。 【0025】上記光学的形状測定装置の原理を、図9を参照して簡単に説明する
。試料の観察面(測定面)aが対物レンズb(凸面鏡と凹面鏡に対応する)の焦
点位置にあるとき、対物レンズbを通過した反射光は平行光束となって臨界角プ
リズムcに入射する。この時、プリズムcの反射面と入射光とのなす角が臨界角
となるように光学系を設定しておく。一方、観察面aが対物レンズb側(点線A
で示す位置)に位置する場合には、観察面aからの反射光は、対物レンズbによ
り発散光束となり、また逆に、焦点位置より遠い位置(点線Cで示す位置)にあ
る場合には収束光束となる。これらの場合、中心光線のみが臨界角でプリズムc
に入射し、中心から一方にずれている光束は、入射角が臨界角よりも小さくなっ
て光の一部が屈折し、プリズムc外に射出し、残りの光が反射する。さらに他方
にある光束は、入射角が臨界角よりも大きくなり、全反射する。以上のような動
作を行わせることにより、2分割フォトダイオ―ドdに入射する光束の光量が左
右のフォトダイオ―ドの検出面で異なり、この結果これらに入力側が接続された
作動アンプeを介して、出力端子fから誤差信号が得られる。従って、光学的に
対物レンズbの焦点位置を検出することにより、観察面の凹凸情報を得ることが
できる。さらに、観察面をxy方向に所定の範囲走査することにより、観察面の
3次元像が得られる。 【0026】図8並びに図9に示した実施例では、試料表面の微小変位の測定、
即ち、変位測定光学系の一例として臨界角法を説明したが、変位測定光学系は、
特に、臨界角法にかぎることなく焦点検出方式を応用した公知の光学系が使用可
能である(米国特許第4,726,685号公報、第4,732,485号公報
参照)。例えば、非点収差法を利用した光学系を使用することができる。 【0027】図10に示す走査型トンネル顕微鏡は、図2に示すものに、凹面鏡
からなる監視装置100を設け、探触針24と試料12との接近の程度を容易に
観察できるようにしたものである。この凹面鏡は、3次元アクチュエ―タ22と
粗動装置30との中間に位置するようにして基板1に固定され、凹面鏡の焦点内
に探触針24と試料12とが位置するように凹面を上に向けて配設され、拡大正
立虚像を凹面鏡を介して観察することにより、上記接近の程度を知ることを可能
にしている。 【0028】上記各実施例の装置において、光学顕微鏡観察の場合、観察倍率の
偏光は接眼レンズによっておこなえるが、対物レンズ側をレボルバ―方式にして
もよい。図6並びに図8に示す、実施例のように、光学系視野観察光学系を反射
対物レンズ系で構成した場合には、探触針24が試料12と接触すると、探触針
24と一緒に移動する凸面鏡53と、固定されている凹面鏡54との間隔が狂っ
て光学顕微鏡像が劣化する恐れがある。このような場合は、凸面鏡53と凹面鏡
54とを一体的に形成すれば良く、その例を以下に説明する。 【0029】図11に示すものは、図6に示す装置で、レンズ系だけを上記思想
に沿って変形したものである。図11において、符号55は前面並びに後面が共
に所定の曲率を有する透明の石英板を示し、この後面に高反射率の蒸着膜を中央
部を除いて蒸着することにより、凹面鏡54が形成されている。この石英板55
の前面中央部には円形凹所が形成されており、この凹所内に、後面に凸面鏡53
が、凹面鏡54と同方法により形成された透明の石英支持体57が挿入、固定さ
れている。この支持体の前面には、探触針24を駆動する3次元アクチュエ―タ
22が固定されている。この結果、凸面鏡53並びに凹面鏡54は石英板55と
一体的に形成されているので、これらの間隔は、探触針24が試料12に接触し
ても狂うことがない。このような構成においては、凸面鏡53の曲率半径は凹面
鏡54の曲率半径よりも小さくなるように、また石英板55の前面の内、支持体
57が設けられていない面の曲率は凸面鏡53の曲率と同じになるように設定さ
れている。 【0030】上記例においては、STM観察時に、照明光を遮光する目的の遮光
板を集光レンズ51と分岐プリズム52との間に設けても良い。又、アクチュエ ―タ22を探触針24をz軸方向にのみ駆動する1次元アクチュエ―タで構成し
、試料台31をx方向並びにy方向に移動可能な2次元アクチュエ―タで構成し
ても良い。 【0031】上記各実施例ではSTM視野観察光学系とSTM観察系とを一体的
に組合わせて構成しているので、本発明の技術を汎用型の光学顕微鏡にそのまま
適用するのには適していない。このため、以下に、汎用の光学顕微鏡を、ほとん
どそのままで利用することができる走査型トンネル顕微鏡の例を説明する。 【0032】第3の実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図12において、符号
110は、汎用型の顕微鏡の対物レンズa1に円筒状の3次元アクチュエ―タ2
2を支承するための環状の支持部材を示す。この支持部材110は対物レンズa
1の外周面に着脱可能に、これと同心的に設けられている。この支持部材110
と対物レンズa1との取着は、例えば螺合やボルト留めのような手段によってお
こなわれる。3次元アクチュエ―タ22は、この上端が支持部材110に固定も
しくは着脱可能に装着されている。このアクチュエ―タ22の下端には、透明の
板、例えばカバ―ガラスからなる探触針ホルダ―23が同心的に取着されている
。このホルダ―23の中心には透孔が穿設され、この透孔内には探触針24の基
端が挿入され、接着剤等により、ここで探触針24はホルダ―23に固定されて
いる。この探触針24とアクチュエ―タ22とは高精度で同心的に接続されてお
り、またこれらの中心軸と前記対物レンズa1の光軸とは一致するように設定さ
れている。以上のようにして、支持部材110と、アクチュエ―タ22と、探触
針ホルダ―23と、探触針24とによりトンネル走査ユニット120が構成され
ている。このような構成の走査型トンネル顕微鏡においては、トンネル走査ユニ
ット120を、これの探触針24の中心軸と対物レンズa1の光軸とが一致する
ようにして、対物レンズa1に装着した状態で、透明のホルダ―23を介して試
料12の観察面のSTM走査領域を顕微鏡観察する。そして、前記実施例と同様
に、アクチュエ―タ22により探触針24を3次元的に移動させて前記STM領
域をSTM観察をする。このように、この実施例の装置においても、前記実施例
の装置と同様に、STM像と従来像とを重ねて観察、測定することができる。 【0033】図13に示す第4の実施例においては、3次元アクチュエ―タ22 は対物レンズa1に取着されているのではなく、試料台31を中に支持している
フレ―ム状の支持部材130に支持されている。この支持部材130は上壁中央
部に円形開口を有し、この開口の周面に円形リング状のアクチュエ―タ22が、
対物レンズa1の光軸と同心的に固定されている。このアクチュエ―タ22の内
周面には、この孔を閉塞するようにして、透明ガラス板よりなる探触針ホルダ―
23が取着されている。このホルダ―23の中心には、対物レンズa1の光軸上
で試料12方向に突出するようにして、探触針24が取着されている。 【0034】図14に示す第5の実施例においては、支持部材130は、対物レ
ンズa1の光軸と平行に伸びた支持軸131に、これを中心として水平面内で回
動可能に支承されている。この結果、支持部材130の自由端側に設けられた3
次元アクチュエ―タ22と、透明の探触針ホルダ―(図示せず)と、探触針24
とからなるトンネル走査ユニット120は対物レンズa1と試料12との間から
はずすことが可能になっている。このような構成にすることにより、従来像の観
察時に、対物レンズa1を試料12に接近させることができる。図14に示す例
では透明の探触針ホルダ―を用いたが、透明のホルダ―以外でも光学視野をさま
たげない範囲であり、探触針の位置を特定できるものであれば、すべて使用可能
である。例えば、ワイヤ―で探触針を支持した構造でも良い。 【0035】図15に示す第6の実施例において、符号140は、公知の光学顕
微鏡、例えば金属顕微鏡のレボルバ―a2に着脱可能に取付けられる対物レンズ
ユニットを示す。このユニット140は、レボルバ―a2の対物レンズ螺着用の
雌ねじに螺合可能な雄ねじが周面に形成された突出部を上面に有し、また下端が
開口した円筒状の外枠141を具備する。この外枠141の上壁内面中央にはね
じ穴が形成されており、このねじ穴に対物レンズa1が上端で螺合されている。
この対物レンズa1の外周面と外枠141の内周面との間には円筒状の内枠14
2が設けられている。この内枠142は上下に互いに所定間隔を有して位置する
1対の支持部142aと、この支持部間に支持され、上下方向に伸縮可能な圧電
素子からなる筒状の探触針移動用粗微動装置142bとから構成されている。こ
れら支持部142aは、外枠141の周壁に上下方向に離間して設けられた1対
の上方内枠固定用粗微動装置141a並びに1対の下方内枠固定用素微動装置1 41bによって、夫々選択的に固定され得る。これら各対の2個の粗微動装置1
41a(141b)は互いに180度離間して設けられ、内枠142方向に伸縮
可能な圧電素子により構成されている。上方の支持部142aには、内枠142
と対物レンズa1との間に対物レンズa1と同心的に位置する円筒状の3次元ア
クチュエ―タ22の上端が固定されている。このアクチュエ―タ22は、前記上
方内枠固定用粗微動装置141aと下方内枠固定用粗微動装置141bとを交互
に働かせることにより、上方並びに下方の支持部142aの固定を交互に解除し
、この解除に応じて探触針移動用粗微動装置142bを断続的に伸縮させる、い
わゆるインチワ―ム方式により、z方向に移動される。このアクチュエ―タ22
の下端には、中央に円形開口を有する円形の金属枠143が周縁で固定されてい
る。この時の固定は、金属枠143がアクチュエ―タ22から取外して、交換可
能なように、、例えば、ねじのような手段によりおこなうのが好ましい。この金
属枠143には、これの円形開口を閉塞するようにしてカバ―ガラスからなる探
触針ホルダ―23が取着され、、またこのホルダ―の中心部には、探触針24が
対物レンズa1の光軸に沿って試料12方向に突設されている。試料12はx並
びにy方向に移動可能なステージよりなる試料台31上に固定されている。 【0036】上記図15に示す走査型トンネル顕微鏡の操作を以下に説明する。
光学顕微鏡のレボルバ―a2に対物レンズユニット140を装着して試料表面の
顕微鏡観察をおこなう。この時の光学顕微鏡像(従来像)のピント合せは、試料
台を粗動させておこなう。この場合、従来像上に存在する探触針24による影の
部分がSTMの走査範囲に対応するので、これによってSTM走査範囲を光学顕
微鏡で確認することができる。一方、STM表面像を観察するのには、対物レン
ズユニット140を光学顕微鏡のピント位置に設定した後、このユニット140
の素微動装置141aにより探触針24を微動調整してトンネル電流を検出し、
この後は前記実施例と同様に3次元アクチュエ―タ22を働かせて試料12を探
触針24により走査する。 【0037】前記試料を移動できるように保持する試料台31は、x方向に移動
させるアクチュエ―タとy方向に移動させるアクチュエ―タとを組合わせて構成
しても良いし、又、前記円筒状の3次元アクチュエ―タ22と同様のアクチュエ ―タを試料の下に設けるようにして構成しても良い。 【0038】次に、上記実施例で使用されている円筒状の3次元アクチュエ―タ
22を図16(a,b,c)を参照して説明する。図中、符号150は、圧電材
料で形成され、両端が開口した円筒状の本体を示す。この本体150の外周面下
部には、周方向に所定間隔を有してX電極151a、−Y電極151b、−X電
極151c並びにY電極151dが夫々1個ずつ、計4個配設されている。これ
ら電極の内、X電極(Y電極)と−X電極(−Y電極)とは互いに180度離間
するように位置されている。また、この本体150の外周面上部には、全周に渡
って延出するようにして、1個のZ電極152が設けられている。本体150の
内周面には前記電極151a,151b,151c,151d,152と対向す
るようにして、グランド電極である裏側電極153が設けられている。このよう
な構成の3次元アクチュエ―タ22の夫々の電極に、図16(d)に示すような
極性の電圧を印加することにより、選択的にx方向、y方向、z方向に、探触針
24を走査してSTM観察をおこなうことができる。 【0039】図17に示す第7の実施例においては、3次元アクチュエ―タ22
の代わりに、z方向にのみ伸縮可能なz方向アクチュエ―タ22zを使用してい
る。このアクチュエ―タ22zは中央に円形開口を有する円板状のバイモルフ圧
電体によりに構成され、内枠142の下方の支持部142aに周縁で固定されて
いる。このアタチュエ―タ22zの中央開口には、図15に示す実施例と同様に
、探触針24を対物レンズa1の光軸と中心軸が一致するように固定し、カバ―
ガラスからなる探触針ホルダ―23が設けられている。試料12が上面に固定さ
れた支持台31を収容した枠状の支持部材130内には、支持台を31をx方向
並びにy方向に夫々微動させるx方向アクチュエ―タ22x並びにy方向アクチ
ュエ―タ22yが設けられている。これらx方向アクチュエ―タ22x並びにy
方向アクチュエ―タ22yは、支持台31と支持部材130との間に設けられた
圧電素子により構成されている。これらx方向並びにy方向アクチュエ―タ22
x,22yにより、試料は面方向(x−y方向)に移動され、前記z方向のアク
チュエ―タ22zにより探触針24はz方向に移動されて、STM観察がおこな
われる。尚、この実施例においては、内枠固定用粗微動装置141a,141b
は前 記15図に示す実施例とは異なり上下に夫々1個しか設けていないが、動作は前
記実施例と同じである。 【0040】図18に示す第8の実施例においては、対物レンズa1側にはST
M走査機構を設けず、試料12を保持する試料支持機構側にSTM走査機構を設
けている。この例において、枠状の支持部材130の上面中央には、中央に開口
を有するxy方向アクチュエ―タ22xyが取着されている。このアクチュエ―
タ22xyには探触針24が試料側に突設されたカバ―ガラスからなる探触針ホ
ルダ―23が取着されている。この探触針ホルダ―23の下側には、試料12を
上面に保持したz方向アクチュエ―タ22z並びにこのアクチュエ―タ22zを
保持する試料台31が設けられている。z方向アクチュエ―タ22zは、試料1
2を、これと探触針24との間隔を所定の範囲にするようにz方向に移動させる
。尚、このz方向アクチュエ―タ22zに代えて、前述したような3次元アクチ
ュエ―タを使用しても良い。 【0041】図19ないし図21を参照して第9の実施例を説明する。図19(
a,b)において、符号160は台座を示し、これには試料台を兼ねた棒状圧電
素子31並びにこの圧電素子31をx方向並びにy方向に粗動させるための粗動
装置30を支持した支持ア―ム161が前面に突設されている。また、この台座
160には、支持ア―ム161を、台座160に対してz方向に移動させるため
の移動装置165が設けられている。そして、台座160の前面角部には、垂直
方向に伸びた回転軸162が、上端並びに下端で回転可能に軸支されている。こ
の回転軸162にはトンネル走査ユニット120が、これと共に回転可能に設け
られている。このトンネル走査ユニット120は、回転軸に突設された支持体1
63を具備し、この支持体163に3次元アクチュエ―タ22が固定されている
。このアクチュエ―タ22は3本の棒状の圧電素子が互いに直角をなして、延出
し、その基端で互いに接続されたトライポットアクチュエ―タにより構成されて
いる。これら圧電素子の基端部には、探触針24が下方に突設されている。また
前記支持体163には、図19(a)に示すSTM非測定位置から、図19(b
)に示すSTM測定位置に、トンネル走査ユニット120が回動された時に、こ
の位置でトンネル走査ユニット120を台座160にロックするロック手段16
4が設 けられている。このロック手段164は、支持体163に螺合されたロックねじ
よりなり、この先端が台座160の側面に圧接されることにより、上記ロックが
果たされる。前記粗動装置30は試料台31を上に支持するxテ―ブル並びにy
テ―ブルと、これらの作動つまみ30a,30bとを有する。 【0042】図20は、上記台座160を公知の金属顕微鏡に組み入れた状態を
示す。この時には、前述したように顕微鏡の対物レンズa1の光軸と探触針24
の軸とが一致するように、設定され、光学的観察並びにSTM観察がなされる。 【0043】最初にトンネル走査ユニット120を試料12からはずれた位置(
図19(a)に示す位置)にし、金属顕微鏡で試料12を見ながら作動つまみ3
0a,30bを回転させて、水平面内でのSTM観察位置を決定する。作動つま
み165を回転させることにより、高さを調整しピントを合せる(ピントの合っ
た位置は、ほぼ探触針24の走査位置である)。対物レンズa1上には、トンネ
ル走査ユニット120を走査状態にセットしたときの探触針24と同じ位置にマ
―カ―(例えば、+ など)がほどこされ、さらにSTM走査範囲も確認できる
ようになっているため、オペレ―タは金属顕微鏡をのぞいて走査したい試料位置
のセット及び走査範囲の試料を正確に確認することができる。 【0044】走査する位置を決めた後に、トンネル走査ユニット120を台座1
60に固定し、STM像の測定操作を行う。図21は、STM測定システムの構
成を示すブロック図である。 【0045】図中、符号85はコントロ―ラ―を示す。このコントロ―ラ―85
は入力インタ―フェイス91および出力インタ―フェイスを内臓している。また
コントロ―ラ―85には、CPUグラフィックデイスプレイ、フレ―ムメモリ―
、記憶装置としてのプロッタ―、プリンタ―などが接続されている。またコント
ロ―ラ―85の入力端には、計測領域選択ボタン、制御ボックスとしてのマウス
等の入力機器が接続されており、出力端には、X,Y,Z位置コントロ―ラ―8
6、およびxy方向試料位置決め用粗動装置87、オ―トアクセス装置88が接
続されている。 【0046】光学顕微鏡一体化トンネルユニットにおいて、探触針24から得ら
れたトンネル電流は、プリアンプ89,アンプ90によって増幅され、前記入力 用インタ―フェイス91を介して、コントロ―ラ―85に供給される。また、ト
ンネル電流信号は、プリアンプ89,アンプ90により増幅された後、波形モニ
タ―92を介してコントロ―ラ―85に入力される。 【0047】STMトンネルユニットと光学的に結合し、一体化されている光学
顕微鏡(対物レンズ部分にトンネルユニットを組込んだところの光学顕微鏡)で
得られた観測像は、ビデオカメラ93で撮像され、その撮像信号はビデオモニタ
―96に供給される。また、入力用インタ―フェイス91を介してコントロ―ラ
―85に供給される。 【0048】次に、上記制御系の動作を中心とした本実施例装置全体の操作法お
よび動作について説明する。まず、装置の使用に際しては電源を投入した後、以
下の操作を順次おこなう。 【0049】I.試料12を試料台に固定し、トンネルバイアス電圧印加用電極
をつける。 II.STM像観察部位の位置決めのために、試料を光学顕微鏡94で観察する。
この時、光学顕微鏡のピントを自動フォ―カス機構により合せる。ピント合せの
方法としては、ナイフエッチ法を用い、ピントのずれによる光学像の変化を接眼
レンズ部に取り付けられたビデオカメラ93で撮像し、コントロ―ラ―85に入
力し、コントロ―ラ―85からの自動フォ―カス機構制御信号を自動フォ―カス
装置に入力することにより、試料と対物レンズ部との相対的位置が制御でき、光
学顕微鏡像のピントを合せることができる。 【0050】また、自動フォ―カス機構を用いて対物レンズと試料との相対位置
をフォ―カス位置に合せることによって、対物レンズと試料との間に位置するS
TM探触針と試料との距離を一定の値(50μm程度)まで、近付けることがで
きる。 【0051】このように、光学的なピント合せが終了したところで、STM観察
部位の位置決めを行う。光学顕微鏡像の中心に存在するマ―カ―(この位置にS
TM探触針が存在している)に、STMによって観察を行ないたい試料表面の部
位を合せる。この時、試料位置の調整は、コントロ―ラ―上のスイッチを操作し
て行う。この時、コントロ―ラ―から出力される、X,Y方向位置決め信号は、 試料位置決め用粗動装置87に入力され、試料のxy位置およびθ(xy平面内),
ψ((xz平面内),γ(yz平面内)方向の角度を決めることができる。 【0052】III.前記のような、STM観察位置決めを行った後、STM探触
針をオ―トアクセス装置88を用いてトンネル電流が観測される距離まで近付け
る。光学的ピント合せによって、STM探触針と試料との相対位置を一定の値の
位置まで近付けた後、試料にバイアス電圧を印加し、試料―探触針間に流れるト
ンネル電流をプリアンプ、アンプ等で増幅した後、コントロ―ラ―に入力し、コ
ントロ―ラ―からのオ―トアクセス装置制御信号をオ―トアクセス装置に入力し
、トンネル電流が所定の値になるように、試料―探触針間距離を調整する。 【0053】トンネル電流が非常に大きくなった場合にも、このオ―トアクセス
機構を用いて、探触針を試料から離すことができ、探触針を試料に接触させる危
険性がなくなる。 【0054】光学的なオ―トアクセスと、トンネル電流をセンサ―とするオ―ト
アクセスの2段階オ―トアクセス機構を用いることで、探触針をアプロ―チする
のに要する時間を短縮することができる。 【0055】IV.次に、試料表面(試料表面全体として)が対物レンズのレンズ
面に対して平行になるように、試料の傾きを試料位置決め用粗動装置上の、例え
ば、ゴニオメ―タ―等で調整する(探触針が試料表面に対して垂直になるように
調整する)。 【0056】試料の傾きの調整は次の2段階でおこなう。 a.ビデオカメラによって撮像された光学顕微鏡像が視野全体に渡ってピントが
あうように、コントロ―ラ―から制御信号を試料位置決め用粗動装置87へ供給
し、試料の傾きを補正する。 【0057】b.3次元スキャナ―95を広範囲(10μm程度)で走査させた
時のトンネル電流信号を、増幅した後、波形モニタ―92に入力する。波形モニ
タ―92からの出力が一定値になるように(x軸、y軸走査信号と同一周波数成
分が0になるように)、コントロ―ラ―85から、試料位置決め用粗動装置87
に、制御信号を入力し、試料の傾き補正を行う光学方法と、トンネル電流をセン
サ―とする2つの手法を用いて、試料傾きを補正することによって、トンネル電 流だけをセンサ―とする場合と比較して、短時間で試料傾きを補正することがで
きる。 【0058】V.3次元スキャナ―95をx,y方向に走査し、トンネル電流が
一定になるようにz方向の位置制御をとおこないながら、STM像の測定を行う
。なお、広範囲のSTM像(光学顕微鏡像と同程度の広さ)を得るためには、試
料位置決め用粗動装置87を用いてSTM像のつなぎ合せ(狭い範囲のSTM像
を、試料表面の走査位置を変えながら順次測定し、これをソフトウエア―的につ
なぎ合せる)を行う。 【0059】次に、図6に示す実施例の装置と類似した装置を図22を参照して
説明する。この実施例にて、図6に示す部材と実質的に同じ機能を示す部材は、
同符号を付して詳しい説明は省略する。 【0060】この例では、試料12の測定面と探触針24の先端との間の微小間
隔を観測するための観察手段が、以下に説明するように設けられている。図中、
符号200は、試料支持機構と、対物レンズユニット120とをユニット枠20
1内に組み込んで構成された計測ユニットを示す。このユニット枠201の一側
には、光を試料12に導くための光ファイバ―(コ―ルドファイバ―)202の
一端側が設けられている。また、ユニット枠201の他側には、光ファイバ―2
02による試料12からの反射光を受光するようにして、補助対物レンズ203
が設けられている。前記光フアイバ―202の一端並びに補助対物レンズ203
は、ユニット枠201に、試料12の表面中心を中心として、試料12の観測面
よりほぼ20度の角度の範囲(α)で、垂直面内を傾動可能となっている。前記
光フアイバ―202の他端202aは、光学顕微鏡の光源50近くに延出されて
いる。この結果、光源50からの光は光学顕微鏡の照明系を介して、試料12に
導かれると共に、光フアイバ―202を介しても試料12にも導かれる。前記補
助対物レンズの203の後段光軸上には、回動可能な反射鏡204を介して、補
助接眼レンズ205が設けられており、補助対物レンズ203からの反射光を反
射鏡204を介して、受光することにより、この補助接眼レンズ205を介して
、試料12の観測面と探触針24の先端との間隔を目視することができる。この
結果、この測定を行ないながら、探触針24と試料12とを接近させることが可
能 となり、試料12に探触針24か接触することによる、両者の損傷を防ぐことが
できる。 【0061】尚、図中、符号206は計測ユニット200が載置される防振台を
示す。前記計測ユニット200の構成を図23(a,b)並びに図24(a,b
)を参照して説明する。 【0062】ユニット枠201は、上枠201aと、下枠201bと、1対の対
向した側枠201cとを有する。上枠201a中央には、光源50からの光をユ
ニット枠201内に通すと共にユニット枠201内の光を接眼レンズ51方向に
通す円形開口201dが形成されている。また、この上枠201aの内面には、
円板形の対物レボルバ―211が回転軸211aによって、回転可能に装着され
ている。この対物レボルバ―211には、夫々倍率の異なる2個の対物レンズa
1と1個の対物レンズユニット140とが前記回転軸211aから等距離の所に
配設されている。この離間距離は、対物レンズa1並びにユニット140が選択
的に前記開口201dの所に移動された時に、この中心軸線がこの開口201d
の中心軸線と一致するように設定されている。このユニット枠201の下枠20
1bの中心には、一端がユニット枠201内に突設するようにして粗動ねじ21
3が外側より螺着されている。この粗動ねじの突出端には、粗動ホ―ル214を
介して、粗動テ―ブル215が粗動ねじ213の回転によって、両端角部に設け
られた2対のガイドレ―ル215aに案内されて、上下方向(z方向)に移動す
るように、支持されている。この粗動テ―ブル215の上面には、外から走査さ
れるx方向調整つまみ216a並びにy方向調整つまみ216b(図24(b)
を参照)を備えたxy方向テ―ブル216が、粗動テ―ブルに対して、面方向(
x並びにy方向)移動可能に載置されている。この粗動テ―ブル215とxy方
向テ―ブル216とは、面方向に遊びのある凹凸係合しており、またこれら係合
側面間には、一方向に、粗動テ―ブル215に対してxy方向テ―ブル216を
付勢する1個のばね216cが設けられていることにより、xy方向テ―ブル2
16の移動量が規定されている。また、このxy方向テ―ブル216の幅方向中
央部の上面には両端が開口した矩形溝216dが形成され、この矩形溝216d
内には中微動板217が挿入されている。XYテ―ブル216の長手方向の一端
に はz方向に伸縮可能な第1のアクチュエ―タ218が固定されている。このアク
チュエ―タ218の上端には、前記中微動板217の長手方向の一端の下面に形
成された凹所と係合した第1の微動ピン219が当接されている。また、前記x
y方向テ―ブル216と中微動板217の他端間には第1の固定ピン220が介
在されている。かくして、第1のアクチュエ―タ218を伸縮させることにより
、中微動板217は第1の固定ピン220を支点としてxy方向テ―ブル216
に対して垂直面内を回動可能になっている。前記中微動板217上には高微動板
221が設けられている。この中微動板217の長手方向の他端にはz方向に伸
縮可能な第2のアクチュエ―タ222が突設されている。このアクチュエ―タ2
22の上端には、前記高微動板221の長手方向の他端の下面に形成された凹所
と係合した第2の微動ピン223が当接されている。また、前記中微動板217
の中心の一端寄りの箇所と、高微動板221の一端との間には、矩形溝216d
の内壁により支承された第2の固定ピン224が介在されている。かくして、第
2のアクチュエ―タ222を伸縮させることにより、高微動板221は第2の固
定ピン224を支点として中微動板217に対して垂直面内で回動可能になって
いる。この高微動板221の一端近くの上面には、xy方向アクチュエ―タ22
xyが支持され、このアクチュエ―タ22xyの上には試料12が載置されてい
る。このxy方向アクチュエ―タ22xyは、試料12をx方向並びにy方向に
微動させ、後述するz方向アクチュエ―タ22zと共同してSTM観測を果たす
。この実施例では、試料12と第2の微動ピン223との間の距離は、第2の固
定ピン224と試料12との間の距離の10倍になっている。即ち、高微動板2
21のレバ―比は10:1に設定されている。また第1の微動ピン219と第1
の固定ピン220との間の距離は、試料12と第2の微動ピン223との間の距
離の2倍に設定されている。このため、第2のアクチュエ―タ222を1μm上
方に移動させると、試料12の表面は1μm×1/10=0.1μmだけ探触針
24に接近する。また、第2のアクチュエ―タ222を作動させず、第1のアク
チュエ―タ218のみを1μm上方に作動させると、試料12の表面は1μm×
1/20×1/10=0.0005μmだけ探触針24に接近する。即ち、第2
のアクチュエ―タ222により中微動、第1のアクチュエ―タ218により小微
動を 試料12に与えることができる。前記ユニット枠201の1対の側枠201cの
両端間には、夫々ばね受け230、231が固定されている。一方のばね受け2
30と中微動板217の一端上面間には、常時この一端を下方に付勢する圧縮ば
ね232が介在されている。同様に、他方のばね受け231と高微動板221の
他端上面間には、常時この他端を下方に付勢する圧縮ばね233が介在されてい
る。上記構成の計測ユニット200はユニット枠201により各部品が強固に組
付けられ、この結果、耐震性に優れている。また、これらユニット枠201等の
部材は熱膨脹係数の小さいアンバ―等によりコンパクトに形成され、熱による影
響が少なくなるように設定されている。 【0063】次に、対物レンズユニット140を、図25を参照して説明する。
図中、符号300は、上下端が開口し、外周に着脱用のロ―レット部300aが
形成された筒状の上部ハウジングを示す。この上部ハウジング300の下部外周
には、雄ねじが形成されており、この雄ねじには、ロ―レット部301aを外周
面に有し、上端が開口した筒状の下部ハウジング301の上部内周面に形成され
た雌ねじが螺合している。かくして、上部ハウジング300と下部ハウジング3
01とはねじ結合により、着脱可能に取着されている。また、上部ハウジング3
00の内周面には雌ねじが形成されており、この雌ねじには、互いに上下方向に
所定間隔を有して、上部支持筒体302並びに下部支持筒体303が、これらの
外周に形成された雄ねじにより螺合している。そして、この上部ハウジング30
0の上端筒状突出部に形成された雌ねじには、留めねじ304が、その外周に形
成された雄ねじにより螺合している。この留めねじ304は、上下端が開口し、
また上端に内方フランジ部と外方フランジ部とを有し、円筒状をなし、内周面に
は雌ねじが形成されている。この留めねじ304の雌ねじには、上下端が開口し
た円筒状の光案内部材305の上部外周に形成された雄ねじが螺合している。留
めねじ304の内方フランジ部と光案内部材305の上端との間には、第1のレ
ンズ306が締付け固定されている。前記上部支持筒体302の下面と下部支持
筒体303の内周面に形成された段部との間には、中央部に透孔を有する、第2
のレンズ307が締付け固定されている。この下部支持筒体303の下部には、
レンズ装着筒308の上部が挿入され、締付けリング309により、固定されて いる。このレンズ装看筒308の小径となった下端部には第3のレンズ310が
取着されている。尚、前記第2のレンズの下面には凹面鏡54が、また第3のレ
ンズの上面中央部には凸面鏡53が、夫々形成されている。前記下部ハウジング
301の下端中央部には開口が形成され、この開口には、透明な部材、例えば石
英ガラス、で形成された支持板311が取着されている。この支持板311の中
央部にはz方向アクチュエ―タ22zが下方に突出するようにして装着されてお
り、また、このアクチュエ―タ22zの先端には、探触針24が下方に突設され
ている。尚、前記第1ないし第3のレンズ306,307,310と、凹面鏡5
4と、凸面鏡53と、探触針24と、z方向アクチュエ―タ22zとは同軸的に
配置されている。このような構成のユニット140を組み込んだ計測ユニット2
00を図22に示す光学顕微鏡に装着しておこなう、従来像の観察並びにSTM
像の観察は他の実施例とほぼ同様なので、ここでは省略する。 【0064】前記、光フアイバ―202並びに補助対物レンズ203からなる探
触針―試料間隔観測装置を図26を参照して説明する。図中、符号401はユニ
ット枠201(図23(a)参照)に、垂直面に沿うように固定された案内板を
示す。この案内板401には、これの周面に沿って、左右対象に円弧状に延びた
第1並びに第2の案内溝401a,401bが形成されている。この案内板40
1の前方には第1並びに第2の回動アーム402a,402bの一端が位置して
いる。第1のアーム部402aの他端には、このアーム部402aと平行になる
ようにして、光フアイバ―202の一端部が、このア―ム部402aの回動と共
に回動するように固定されている。第2のア―ム部402bの他端には、このア
―ム部402bと平行になるようにして、補助対物レンズ203が、このア―ム
部402bの回動と共に回動するように装着されている。この補助対物レンズ2
03は、ピニオンにより、光軸に沿って直線状に移動可能に、ア―ム部402b
に対してラック―ピニオン結合されている。第1並びに第2のア―ム部402a
,402bの一端部には、互いに歯合した歯車403a,403bが、夫々固定
されている。この第2の歯車403bには第3の歯車403cに歯合されている
。これら第1ないし第3の歯車403a,403b,403cは、夫々ユニット
枠201(図23(a)参照)に回転可能に支承されている。この結果第1並び
に 第2のア―ム部402a,402bは、歯車403a,403bの回動によって
、垂直面内をこれら歯車の中心軸を中心として回動される。前記第3の歯車40
3Cには第1のプ―リ404aが、この歯車403cと共に回動するように、同
軸的に固定されている。一方、補助対物レンズ203の光射出側に設けられた反
射鏡204には、これと同軸的に第2のプ―リ404bが反射鏡204と共に回
転可能に設けられている。そして、第1のプ―リ40aと第2のプ―リ404b
との間にはエンドレスベルト405が掛渡されている。また、前記第1並びに第
2のアーム部402a,402bには、先端が前記案内溝401a,401b内
に位置し、この案内溝に沿って案内される係合ピン406a,406bが突設さ
れている。 【0065】上記のような構成の間隔測定装置においては、補助対物レンズ20
3を回動させることにより、歯車403a,403b並びにア―ム部402a,
402bを介して、光フアイバ―202も同じ回動量だけ回動し、この結果、光
フアイバ―202から試料に入射した光の反射光は常時、効率良く補助対物レン
ズ203に導かれる。また、補助対物レンズ203の回動に応じて、歯車403
b,403c、プ―リ404a,404b並びにエンドレスベルト405を介し
て、反射鏡204も回動し、この結果、補助対物レンズ203のどの回動位置に
おいても、この補助対物レンズ203からの射出光は、反射鏡204によって補
助接眼レンズ205(図22)に導かれる。従って、補助対物レンズ203を回
動して、探触針と試料との間隔を測定し易い位置にもたらして、測定することが
できる。 【0066】図27並びに図28は、図23に示す計測ユニット200並びに図
26に示す間隔測定装置の変形例を示し、この例では、ユニット140は顕微鏡
(図示せず)に固定された支持ア―ム501により、支持されており、またユニ
ット140には、アクチュエ―タ並びに探触針24は装着されていない点が前記
実施例とは異なる。図中、符号502は固定部材を示し、これにはピボット軸5
03を介して回動板504が、ユニット140の下側に来る位置と、ここからは
ずれる位置との間で、水平面内を回動可能に一端で、支承されている。この回動
板504の中央部には透孔が形成されており、この透孔の上面には、透明の板、 例えばカバ―ガラスからなる探触針ホルダ―23が透孔をおおうようにして、設
けられている。そして、この探触針ホルダ―23には下方に、即ち、試料12方
向に突出するようにしてz方向アクチュエ―タ22zを介して、探触針24が固
定されている。また試料は、この探触針24の下方に、xy方向アクチュエ―タ
22xyによって支持されている。尚、この図にて、符号505は、回動板50
4を図示のSTM観察位置に保持するためのクリック機構を示す。また、この例
では、光フアイバ―202並びに補助対物レンズ203を同期して回動させるた
めの第1並びに第2の歯車403a,403b、および反射鏡204を回動させ
るための第3の歯車403cは、夫々支持アーム501に回動可能に支承されて
いる。 【0067】本発明においては、STM走査域観察用の光学顕微鏡としては、実
施例で説明した金属顕微鏡以外の光学顕微鏡を使用しても良く、例えば、偏光顕
微鏡、ノマルスキ―微分干渉顕微鏡、蛍光顕微鏡、赤外線顕微鏡、実体顕微鏡、
表面形状測定装置、顕微測光システムなどが使用可能である。 【0068】 【発明の効果】この発明の走査型プローブ顕微鏡においては、試料観察光学系と
探触針とが試料に対向する位置に配置され、前記試料観察光学系の光学視野内で
前記探触針と前記探触針による試料測定位置とを位置決めするための移動手段を
備えたことにより、探触針による観察像とともに、試料観察光学系による試料測
定位置の光学観察像を得ることができ、また、試料観察光学系の光学視野内で探
触針による試料測定位置の特定を容易に行うことができるとともに、複数の異な
る状態の観察像を比較することができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe,
Close to the probe, and the physical quantities (for example, tunnel current,
Scanning probe microscope that detects and measures changes in interchild force, photon amount, etc., and images it.
It is about. 2. Description of the Related Art In the above-mentioned scanning probe microscope, a probe is brought as close as possible to a sample surface.
Then, by detecting the change in physical quantity that occurs between the probe and the sample surface, the sample
Attracts attention as a device that can observe the surface shape of
I have. In this scanning probe microscope, the flow between the probe and the sample surface
A device that detects and measures the tunnel current and observes the sample surface is a scanning tunnel microscope.
This microscope is called a microscope (STM).
Is capable of detecting the electrons that have been
This is a unique surface observation device. [0004] The operation principle of such an STM will be described below. z direction actuator
The electron cloud is seeping from the probe tip with a sharp tip on the sample surface.
Are close enough to overlap each other, and a voltage (tunnel) is applied between the probe and the sample.
And a tunnel current flows from the probe to the sample. And this
Servo operation of the z-direction actuator so as to keep the channel current constant
The probe and the sample are moved relatively in the plane by the xy-direction actuator.
Perform a two-dimensional scan. At this time, a z-direction actuator that servos the probe is used.
The surface voltage of the sample is observed by reading the servo voltage to the sample and displaying the image.
That is, the probe scans the surface of the sample, and when it reaches a step on this surface, the tunnel current
Increases, the actuation in the z-direction continues until the tunnel current reaches a constant value (original value).
Separate the probe from the sample with a heater. This movement of the probe corresponds to the step on the surface.
Therefore, by reading the servo voltage while repeating this scan, the sample surface
A plane image is obtained. The above tunnel current J T Is represented by the following equation. J T ∞ exp (-A ・ Φ 1/2 S: where A: constant, Φ: average work function between the probe and the sample S: distance between the probe and the sample t Changes very sensitively to the distance S, and the atomic scale
Is obtained. As described above, the STM can obtain a surface image of a substance with extremely high resolution.
. In addition, the reciprocal lattice space obtained by conventional methods such as electron diffraction and ion scattering.
Unlike interim images, it has the feature that the arrangement of atoms can be observed in real space. Sa
Further, the voltage applied between the probe and the sample is a value equal to or less than the work function of the sample,
Since the detected tunnel current is of the order of nA, the power consumption is low and the sample is damaged.
There is also a feature that there is little. [0007] The conventional STM has a very high resolution table in real space.
After observing the observation area on the sample surface visually,
Due to the above observation operation, the observation site becomes ambiguous,
It was unsuitable for observation of only a specific site. In addition, STM images and other microscopes (optical
Cannot be compared with conventional images obtained with a scanning microscope, electron microscope, etc.
(TM field of view) and the conventional observation field of view do not always match. That is, each of the STM image and the optical image is observed with one device.
No attempt was made to do so. Therefore, the present invention is based on the above-mentioned prior art.
It was made in view of the point, the purpose is to make the image observed by the probe,
You can observe and measure optical observation images obtained with other microscopes etc.
To provide a scanning probe microscope. [0009] A scanning probe microscope according to the present invention includes a sample
Sample holding means for holding the sample and facing the sample so as to optically observe the sample
A sample observation optical system arranged at a position, and a probe arranged to face the sample
A needle, supporting means for supporting the probe, the sample observation optical system and the probe,
The probe is disposed at a position facing the sample, and is located within an optical field of view of the sample observation optical system.
Moving means for positioning a stylus and a sample measurement position by the probe,
In order to measure the sample measurement position with a probe, the sample and the probe
And actuator means for relatively driving the actuator. In the scanning probe microscope constructed as described above, the sample observation optical system and the probe
Are arranged at positions facing the sample, and the search is performed within the optical field of view of the sample observation optical system.
Moving means for positioning a stylus and a sample measurement position by the probe;
In addition to the image observed by the probe, the sample measurement position by the sample observation optical system
The optical observation image can be obtained, the sample measurement position can be easily specified by the probe in the optical field of view of the sample observation optical system, and a plurality of different states can be obtained.
Can be compared. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention will now be described.
The case of a tunneling microscope will be described with reference to the accompanying drawings. It will be described below.
In each embodiment, members having substantially the same function are described with the same reference numerals.
Is omitted. In FIGS. 1 and 2 showing the first embodiment, reference numeral 1 denotes a substrate.
A movable stage 2 is provided on the substrate 1 so as to be movable in the z direction. This move
An STM visual field observation optical system (optical microscope) 3 is provided on the stage 2 by a support 2a.
, Has been fixed. This system 3 is a cylindrical light source side housing arranged side by side.
It has a jing 4 and an observation side housing 5. A light source 6 is provided in the light source side housing 4.
At one end, the first prism 7 near the other end, and the condenser lens 8 halfway,
Is provided. On the other hand, an imaging lens 9 is placed at one end in the observation side housing 5.
The second prisms 10 are respectively provided near the other ends. Also, both housings
One converging lens 11 (objective lens) is commonly attached to the other end of each of the lenses 4 and 5.
You. At the center of the converging lens 11, a through hole 11a is formed. In the STM visual field observation optical system having the above configuration, the light source 6
The emitted light is condensed by the condensing lens 8 and becomes a parallel light beam, and the first prism 7
Incident on. Here, the incident light beam is reflected twice at a right angle and passes through a part of the converging lens 11.
pass. As a result, the light beam is viewed from the sample 12 placed in front of the converging lens 11.
Converge on the surface. The reflected light beam from the sample 12 passes through the other part of the converging lens 11.
Into the observation side housing 5, the optical path is changed by the second prism 10,
The image is formed by a lens 9. Therefore, the observer views the sample through the imaging lens 9.
You can see the point of view. When focusing with this system, move stage 2
The convergent lens 11 is moved toward and away from the sample by moving in the z direction. Of course, try
The material 12 may be moved with respect to the converging lens 11 in the z direction. Transfer of this sample 12
The moving device will be described later. In FIG. 1, reference numeral 20 indicates an STM system. The system 20 has an actuator mount 21 fixed to the moving stage 2. In this mounting table 21,
A three-dimensional actuator 22 that can be finely moved in the x, y, and z directions is fixed. this
A probe holder 23 is protruded from the center of the actuator.
A probe 24 is detachably held at the proximal end of the Dar. This probe
The tip of 24 passes through a through hole 11a formed in the center of the
The tip extends to the material 12 side. The probe 24 moves through the through hole 11a.
The outer diameter is set so as to be movable in the axial direction (z direction). The probe
As shown in FIG. 3, the holder 23 has a crack 23a formed on a front end surface thereof.
The probe 24 is removed by press-fitting the base end of the probe 24 into the crack 23a.
And hold it as possible. The sample 12 is provided on a sample table 3 provided at the tip of the coarse movement device 30.
1 is held so as to face the converging lens 11. This coarse adjustment device
30 is fixed to the substrate 1 by a block 1a, and the sample table 31 is
It can be roughly moved, for example, by a differential micrometer. Next, the three-dimensional actuator 22 will be described with reference to FIGS.
explain. In the figure, reference numeral 40 denotes an actuator mounting base 21 fixed to the substrate 1.
Pedestal consisting of an electrically insulating plate, one side of which is mounted, square on the other side
Four common electrodes 41 provided at positions corresponding to the four corners are fixed.
You. An x electrode 42 and a y electrode 43 are provided between these common electrodes 41, respectively.
The piezoelectric element 44 is connected between the common electrode and the common electrode. Also,
In the center, another piezoelectric element 44 is provided between the x electrode 42 and the y electrode 43 between them.
A connected central electrode 45 is provided so as to be interposed. This central train
A piezoelectric element 46 that can expand and contract in the z direction is fixed to the pole 45,
The probe holder 23 is fixed via an insulating plate 47. These electrodes
In addition, the piezoelectric elements are both cubic, and the former has a slightly larger
Has mention. The piezoelectric element 44 is located on the right side of the center electrode 45 as a boundary.
It is arranged so that the polarization direction is opposite to that of the left one. For example, one
When a constant voltage is applied to the electrodes, the piezoelectric element 4 located on the right side of the center electrode 45
4 is set to contract, while the piezoelectric element located on the left side is set to extend. Hide
When the center electrode 45 is grounded and a voltage of Vx> 0 is applied to the x electrode 42, the center electrode 45
The pole 45 moves to the right, and conversely, moves to the left when a voltage Vx <0 is applied. As a result
By applying an AC voltage to the x electrode, the probe attached to the center electrode 45 is
It can be vibrated in the x direction. Similarly, a Vy AC voltage is applied to the y electrode.
Accordingly, the probe can be vibrated in the y direction. In this case, x
In order to vibrate simultaneously in the direction and the y direction, Vx + Vy
Must be applied. By using the AC voltage as described above, the probe
Can be moved in the xy directions to scan the observation surface of the sample 12. Also,
The servo operation for keeping the channel current constant is performed by the piezoelectric element 46 which can expand and contract in the z direction.
The servo signal from the control unit is input and the signal between the observation surface of the sample and the probe
This can be done by keeping the distance of. In the STM system 20 configured as described above, first, the moving stage
2 is roughly moved in the z-direction, and the probe 24 is placed on the sample 12 so that the optical system 3 is in focus.
Even closer. Next, the coarse movement device 30 is detected by detecting the tunnel current.
Until it can be closed, that is, so that the probe 24 and the sample 12 enter the tunnel region.
Save. Then, in this state, the signal described above is given to the three-dimensional actuator 22,
Keep the probe needle 22 constant in the tunnel current in the xy direction (plane direction) and the z direction (axial direction).
The observation surface of the sample 12 is scanned by slightly moving the sample 12 while keeping the position. Next, referring to FIG. 6 and FIG. 7, the scanning type tom according to the second embodiment will be described.
The tunnel microscope will be described. In this embodiment, a mechanism for holding the sample 12 and
The coarse movement drive mechanism of the STM visual field observation optical system 3 and the probe 24 is the same as in the above embodiment.
Therefore, the description is omitted. The optical system 3 includes a light source 50 and a light collector for converging light from the light source.
It has a lens 51. In front of this lens, the incident light beam is reflected by the transmitted light beam by 90 degrees.
A splitting prism 52 is provided for splitting the light into two beams. This prism 52
On the side of the transmitted light beam, the convex mirror 53 that diffuses and reflects the incident light beam and the light from the convex mirror 53
A concave mirror 54 for condensing the reflected light beam on the observation surface of the sample 12 is provided. This convex
The plane mirror 53 is fixed to the center of the rear surface of the transparent support plate 55. The concave mirror
The reflected light flux from the light source 54 passes through the periphery of the support plate 55 and enters the sample 12.
. The three-dimensional actuator 22 is fixed to the front surface of the support plate 55.
At the tip of the actuator, a probe 24 is interposed via an insulating plate 47 and a probe holder 23.
Has been supported. An imaging lens 56 is provided on the reflection side of the branch prism 52.
From the imaging lens 56, the observer can see the concave mirror 54 and the convex
A microscope from the observation surface of the sample 12 by reflected light through the mirror 53 and the prism 52
The image can be observed. The three-dimensional actuator 22 used in the apparatus of the second embodiment is a
Although it may have the same structure as that of the embodiment, here, another structure is used.
This will be described with reference to FIG. This actuator 22 has three piezoelectric elements 60, 61, 62.
I do. The first piezoelectric element 60 has a direction in which the voltage is applied and a direction in which the polarization is matched.
The electrodes 63 and 64 provided at both ends expand and contract in the arrow direction (z direction). No.
The second and third piezoelectric elements 61 and 62 apply a voltage in a direction orthogonal to the polarization direction.
When applied, a shear force acts, causing slippage in the polarization direction. Such second
The third piezoelectric elements 61 and 62 are arranged so that the polarization directions are orthogonal to each other, and
Between the electric element 61 and the third piezoelectric element 62 and between the third piezoelectric element 62 and the insulating plate 47.
Are provided with electrodes 65 and 66, respectively. Thus, the second piezoelectric element 6
1 can be expanded and contracted in the y direction by applying a voltage between the electrodes 64 and 65;
In addition, the third piezoelectric element 62 applies a voltage between the electrodes 65 and 66 to form the third piezoelectric element 62 in the x direction.
It can expand and contract in the direction. In the apparatus of the second embodiment, the same device as that of the first embodiment is used.
By scanning, the STM observation of the sample 12 can be performed, and the STM visual field can be changed.
It can be observed with an optical microscope. Incidentally, as in this embodiment, the optical field observation light
If the optical system is composed of a reflective objective lens system, the
W. D is large and the probe and sample come into contact and damage them
Optical field observation can be performed without any need for observation. Such an optical system also has chromatic aberration.
And there is no wavelength dependence in the focal position.
There is also an effect that point adjustment can be easily performed. Next, the optical system of the apparatus of the second embodiment is optically
An example in which a function of measuring a surface shape is added will be described with reference to FIG. In FIG. 8, reference numeral 70 denotes another transparent support fixed so that the front surface faces the transparent support plate 55.
Show the board. A first branch prism 71 is fixed to the rear surface of the support plate 70.
. A light source 73 is provided on the side of the prism 71 via a condenser lens 72.
ing. The light emitted from the light source 73 is condensed by the condenser lens 72 and
The light enters the first branching plinism 71, is reflected by 90 degrees, and is reflected by the convex mirror 53.
The sample 12 is radiated sequentially through the concave mirror 54. The reflected light beam from this sample 12 is
The light enters the first splitting prism 71 via the concave mirror 54 and the convex mirror 53. This minute
On the transmission side of the branch prism 71, a second branch prism 74 is provided.
An eyepiece 75 is provided on each of the reflection sides 4. Thus, the first branch pre
The reflected light flux incident on the prism 71 is partially reflected by the second branching prism.
It is guided to the eyepiece 75. As a result, as in the second embodiment, the observer can contact
Through the eye lens 75, the observation surface of the sample 12 can be observed with a microscope. Next, the surface shape measurement provided on the transmission side of the second branching prism 74 is performed.
The setting device will be described. This device includes a λ / 4 plate on the transmission side of the second branch prism 74.
There is provided a third branching prism 77 provided via the light source 76. This third branch
A laser diode 79 is provided on the side of the rhythm 77 via a condenser lens 78.
Have been. The transmission side of the third splitting prism 77 has a polarization beam splitter.
A fourth splitting prism 80 constituting a litter is provided. This fourth branch
On a reflection side of the rhythm 80, a first critical angle prism 81
An anode 82 and a second critical angle prism 83 on the transmission side are used for the second field.
Photodiodes 84 are provided respectively. The operation of the surface profile measuring device having the above configuration will be described below. First,
The light beam emitted from the diode 79 is converted into a parallel light beam by the condenser lens 78.
Incident on the third splitting prism 77, where it is reflected by 90 degrees. This reflected light flux
The light is transmitted through the λ / 4 plate 76, and the second splitting prism 74, the first splitting prism 71,
The light enters the sample 12 via the surface mirror 53 and the concave mirror 54, and a minute spot
To form The light beam reflected from the observation surface passes through the optical path opposite to the incident light beam and
The light enters the four plates 76 and further passes through the third branching prism 77. This beam is the third
Is p-polarized by the splitting prism 77, enters the fourth splitting prism 80, and is split into two. One light beam passes through the first critical angle prism 81 to the first photo
The diode 82 and the other light beam pass through the second critical angle prism 83 to the second beam.
, Respectively. In such an apparatus, the first
In addition, the luminous flux incident on the second critical angle prisms 81 and 83 respectively
The angle of incidence is different due to the unevenness, and the light beam incident beyond the critical angle is prisms 81 and 8.
3, the light quantity detected by the photodiodes 82 and 84 changes.
As a result, unevenness information on the observation surface of the sample 12 can be obtained optically. The principle of the optical shape measuring device will be briefly described with reference to FIG.
. The observation surface (measurement surface) a of the sample is focused on the objective lens b (corresponding to the convex mirror and the concave mirror).
At the point position, the reflected light passing through the objective lens b becomes a parallel light beam and is
The light enters the rhythm c. At this time, the angle between the reflection surface of the prism c and the incident light is the critical angle.
The optical system is set so that On the other hand, the observation surface a is on the objective lens b side (dotted line A).
(Position indicated by), the reflected light from the observation surface a is reflected by the objective lens b.
Divergent light beam, and conversely, at a position farther than the focal position (the position indicated by the dotted line C).
In this case, it becomes a convergent light beam. In these cases, only the central ray is at the critical angle and prism c
Incident on the beam and deviated to one side from the center, the incident angle becomes smaller than the critical angle
Part of the light is refracted, exits the prism c, and the remaining light is reflected. And the other
Has an incident angle larger than the critical angle and is totally reflected. Movement like above
The light quantity of the light beam incident on the two-segment photodiode d is
The photodiodes on the right differed in their sensing surface, resulting in the inputs being connected to them.
An error signal is obtained from the output terminal f via the operation amplifier e. Therefore, optically
By detecting the focal position of the objective lens b, it is possible to obtain information on the unevenness of the observation surface.
it can. Furthermore, by scanning the observation surface in a predetermined range in the xy directions, the observation surface is scanned.
A three-dimensional image is obtained. In the embodiment shown in FIG. 8 and FIG.
That is, the critical angle method has been described as an example of the displacement measurement optical system.
In particular, a known optical system that uses a focus detection method without limiting to the critical angle method can be used.
(U.S. Pat. Nos. 4,726,685 and 4,732,485)
reference). For example, an optical system using an astigmatism method can be used. The scanning tunneling microscope shown in FIG. 10 is different from that shown in FIG.
A monitoring device 100 is provided, which can easily determine the degree of approach between the probe 24 and the sample 12.
It is something that can be observed. This concave mirror has a three-dimensional actuator 22 and
It is fixed to the substrate 1 so as to be located at an intermediate position with respect to the coarse movement device 30 and is within the focal point of the concave mirror.
The probe 24 and the sample 12 are arranged so that the concave surface faces upward so that
By observing a standing virtual image through a concave mirror, it is possible to know the degree of the above approach
I have to. In the apparatus of each of the above embodiments, when observing with an optical microscope, the observation magnification
Polarization can be performed with an eyepiece, but the objective lens side is set to a revolver type.
Is also good. As in the embodiment shown in FIG. 6 and FIG.
In the case of the objective lens system, when the probe 24 comes in contact with the sample 12, the probe
The distance between the convex mirror 53 that moves together with the mirror 24 and the concave mirror 54 that is fixed is incorrect.
And the optical microscope image may be degraded. In such a case, the convex mirror 53 and the concave mirror
54 may be integrally formed, and an example thereof will be described below. FIG. 11 shows the apparatus shown in FIG.
Is deformed along. In FIG. 11, reference numeral 55 denotes both the front and rear surfaces.
Shows a transparent quartz plate having a predetermined curvature, and a vapor deposition film with high reflectivity
The concave mirror 54 is formed by vapor deposition except for the portion. This quartz plate 55
A circular recess is formed in the center of the front surface of the lens, and a convex mirror 53 is formed on the rear surface in the recess.
However, a transparent quartz support 57 formed by the same method as the concave mirror 54 is inserted and fixed.
Have been. A three-dimensional actuator for driving the probe 24 is provided on the front surface of the support.
22 is fixed. As a result, the convex mirror 53 and the concave mirror 54 are
Since they are formed integrally, the distance between them is such that the probe 24 contacts the sample 12.
No madness. In such a configuration, the radius of curvature of the convex mirror 53 is concave.
The support member is set so as to be smaller than the radius of curvature of the mirror 54 and in the front surface of the quartz plate 55.
The curvature of the surface not provided with 57 is set to be the same as the curvature of the convex mirror 53.
Have been. In the above example, light shielding for the purpose of shielding illumination light during STM observation
A plate may be provided between the condenser lens 51 and the branch prism 52. The actuator 22 is constituted by a one-dimensional actuator which drives the probe 24 only in the z-axis direction.
, The sample stage 31 is composed of a two-dimensional actuator capable of moving in the x direction and the y direction.
May be. In each of the above embodiments, the STM field observation optical system and the STM observation system are integrated.
The technology of the present invention can be used in a general-purpose optical microscope as it is
Not suitable to apply. For this reason, a general-purpose optical microscope will be
An example of a scanning tunnel microscope that can be used as it is will be described. In FIG. 12 showing a scanning tunnel microscope according to the third embodiment, reference numerals are used.
Reference numeral 110 denotes a cylindrical three-dimensional actuator 2 attached to an objective lens a1 of a general-purpose microscope.
2 shows an annular support member for supporting 2; This support member 110 is provided with an objective lens a
1 is detachably provided on the outer peripheral surface of the lens 1 and is provided concentrically therewith. This support member 110
The attachment between the lens and the objective lens a1 is performed by means such as screwing or bolting.
It is done. The upper end of the three-dimensional actuator 22 is fixed to the support member 110.
Or, it is attached detachably. At the lower end of this actuator 22, a transparent
A probe, for example a probe holder 23 made of a cover glass, is concentrically mounted.
. A through hole is formed in the center of the holder 23, and the base of the probe 24 is formed in the through hole.
The end is inserted, and the probe 24 is fixed to the holder 23 by an adhesive or the like.
I have. The probe 24 and the actuator 22 are connected concentrically with high precision.
In addition, these central axes are set so as to coincide with the optical axis of the objective lens a1.
Have been. As described above, the support member 110, the actuator 22,
The tunnel scanning unit 120 is constituted by the needle holder 23 and the probe 24.
ing. In a scanning tunneling microscope having such a configuration, a tunnel scanning unit is used.
The center axis of the probe 24 coincides with the optical axis of the objective lens a1.
As described above, while the lens is mounted on the objective lens a1, the test is performed through the transparent holder 23.
The STM scanning area on the observation surface of the sample 12 is observed with a microscope. And the same as the above embodiment
Next, the probe 22 is three-dimensionally moved by the actuator 22 to move the STM area.
The area is observed by STM. Thus, in the apparatus of this embodiment,
In the same manner as in the apparatus described above, the STM image and the conventional image can be observed and measured while being superimposed. In the fourth embodiment shown in FIG. 13, the three-dimensional actuator 22 is not attached to the objective lens a1, but supports the sample table 31 inside.
It is supported by a frame-shaped support member 130. This support member 130 is located at the center of the upper wall.
The opening has a circular opening, and a circular ring-shaped actuator 22 is provided around the opening.
It is fixed concentrically with the optical axis of the objective lens a1. Of this actuator 22
On the peripheral surface, a probe holder made of a transparent glass plate
23 are attached. The center of the holder 23 is located on the optical axis of the objective lens a1.
The probe 24 is attached so as to project in the direction of the sample 12. In the fifth embodiment shown in FIG.
The support shaft 131 extending parallel to the optical axis of the lens a1 is turned around a horizontal axis around the support shaft 131.
It is movably supported. As a result, the 3 provided on the free end side of the support member 130
A two-dimensional actuator 22, a transparent probe holder (not shown), and a probe 24
The tunnel scanning unit 120 composed of
It is possible to remove it. With such a configuration, the view of the conventional image can be obtained.
At the time of observation, the objective lens a1 can be made to approach the sample 12. Example shown in FIG.
Used a transparent probe holder.
Any area can be used as long as it is a non-slatchable area and the position of the probe can be specified.
It is. For example, a structure in which a probe is supported by a wire may be used. In the sixth embodiment shown in FIG. 15, reference numeral 140 denotes a known optical microscope.
Objective lens detachably attached to a microscope, for example, a revolver a2 of a metal microscope
Indicates a unit. This unit 140 is equipped with an objective lens screw of the revolver a2.
A male screw that can be screwed into the female screw has a protruding part formed on the peripheral surface on the upper surface, and the lower end is
An open cylindrical outer frame 141 is provided. At the center of the inner surface of the upper wall of this outer frame 141
The objective lens a1 is screwed into the screw hole at the upper end.
A cylindrical inner frame 14 is provided between the outer peripheral surface of the objective lens a1 and the inner peripheral surface of the outer frame 141.
2 are provided. The inner frame 142 is located at a predetermined interval from above and below
A pair of support portions 142a, and a piezoelectric member supported between the support portions and capable of expanding and contracting in a vertical direction.
And a cylindrical coarse and fine movement device 142b for moving the probe. This
These support portions 142a are provided on a peripheral wall of the outer frame 141 in a vertically spaced manner.
Can be selectively fixed by the upper inner frame fixing coarse / fine movement device 141a and the pair of lower inner frame fixing fine / fine movement devices 141b, respectively. These two pairs of coarse and fine movement devices 1
41a (141b) are provided 180 degrees apart from each other and extend and contract in the direction of the inner frame 142.
It is composed of possible piezoelectric elements. The inner frame 142 is provided on the upper support portion 142a.
Between the lens and the objective lens a1, a cylindrical three-dimensional aperture concentrically located with the objective lens a1.
The upper end of the actuator 22 is fixed. This actuator 22 is
The coarse and fine movement device 141a for fixing the inner frame and the coarse and fine movement device 141b for fixing the lower inner frame are alternately arranged.
To release the fixing of the upper and lower support portions 142a alternately.
In response to this release, the probe-moving coarse / fine movement device 142b is intermittently expanded and contracted.
It is moved in the z direction by the so-called inch worm method. This actuator 22
A circular metal frame 143 having a circular opening in the center is fixed to the lower end of the peripheral edge.
You. At this time, the metal frame 143 can be removed from the actuator 22 and replaced.
Preferably, this is done, for example, by means such as screws. This money
The metal frame 143 is covered with a cover glass so as to close the circular opening.
A stylus holder 23 is attached, and a probe 24 is provided at the center of the holder.
The projection is provided in the direction of the sample 12 along the optical axis of the objective lens a1. Sample 12 is x average
Further, it is fixed on a sample table 31 composed of a stage movable in the y direction. The operation of the scanning tunnel microscope shown in FIG. 15 will be described below.
The objective lens unit 140 is mounted on the revolver a2 of the optical microscope, and the
Perform microscopic observation. The focus of the optical microscope image (conventional image) at this time is
Perform by coarsely moving the table. In this case, the shadow of the probe 24 existing on the conventional image is
Since the portion corresponds to the STM scanning range, this allows the STM scanning range to be optically observed.
It can be confirmed with a microscope. On the other hand, to observe the STM surface image,
After setting the zoom unit 140 to the focus position of the optical microscope,
The fine adjustment of the probe 24 is performed by the fine movement device 141a to detect the tunnel current.
Thereafter, the sample 12 is searched for by operating the three-dimensional actuator 22 in the same manner as in the previous embodiment.
Scanning is performed by the stylus 24. The sample stage 31 for holding the sample so as to be movable moves in the x direction.
Combination of actuator to move and actuator to move in y direction
Alternatively, an actuator similar to the cylindrical three-dimensional actuator 22 may be provided below the sample. Next, the cylindrical three-dimensional actuator used in the above embodiment.
22 will be described with reference to FIG. 16 (a, b, c). In the drawing, reference numeral 150 is a piezoelectric material.
2 shows a cylindrical body formed of a material and having open ends. Below the outer peripheral surface of the main body 150
The X electrode 151a, the -Y electrode 151b, and the -X electrode are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction.
A total of four poles 151c and one Y electrode 151d are provided. this
X electrode (Y electrode) and -X electrode (-Y electrode) are 180 degrees apart from each other
Are located to be. In addition, the upper part of the outer peripheral surface of
One Z electrode 152 is provided so as to extend. Of the main body 150
The inner peripheral surface is opposed to the electrodes 151a, 151b, 151c, 151d, and 152.
In this way, the back electrode 153 serving as the ground electrode is provided. like this
As shown in FIG. 16 (d), each electrode of the three-dimensional actuator
By applying a polarity voltage, the probe can be selectively moved in the x, y, and z directions.
24 can be scanned for STM observation. In the seventh embodiment shown in FIG. 17, the three-dimensional actuator 22
Instead of using a z-direction actuator 22z that can only expand and contract in the z-direction.
You. This actuator 22z is a disc-shaped bimorph pressure having a circular opening in the center.
And is fixed to the support portion 142a below the inner frame 142 at the peripheral edge.
I have. At the center opening of this actuator 22z, as in the embodiment shown in FIG.
The probe 24 is fixed so that the optical axis of the objective lens a1 and the central axis coincide with each other,
A probe holder 23 made of glass is provided. Sample 12 is fixed on top
In the frame-shaped support member 130 accommodating the supported support 31, the support 31 is moved in the x direction.
And an x-direction actuator 22x and a y-direction actuator for slightly moving in the y-direction, respectively.
A heater 22y is provided. These x-direction actuators 22x and y
The direction actuator 22y is provided between the support table 31 and the support member 130.
It is composed of a piezoelectric element. These x-direction and y-direction actuators 22
The sample is moved in the plane direction (xy direction) by x and 22y, and the sample is moved in the z direction.
The probe 24 is moved in the z direction by the tuner 22z, and STM observation is performed.
Will be In this embodiment, the coarse and fine movement devices 141a and 141b for fixing the inner frame are used.
Unlike the embodiment shown in FIG. 15, only one is provided at each of the upper and lower sides.
This is the same as the above embodiment. In the eighth embodiment shown in FIG. 18, the objective lens a1 has the ST
An MTM scanning mechanism is not provided, and an STM scanning mechanism is provided on the side of the sample support mechanism that holds the sample 12.
I am. In this example, the center of the upper surface of the frame-shaped support member 130 has an opening at the center.
An xy-directional actuator 22xy having the following is attached. This actor
The probe 22xy has a probe 24 made of cover glass protruding from the sample side.
Rudder 23 is attached. The sample 12 is placed under the probe holder 23.
The z-direction actuator 22z held on the upper surface and this actuator 22z
A holding stage 31 is provided. The z-direction actuator 22z is the sample 1
2 is moved in the z direction so that the distance between the probe 2 and the probe 24 is within a predetermined range.
. Note that, instead of the z-direction actuator 22z, a three-dimensional actuator as described above is used.
A heater may be used. The ninth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG.
In a and b), reference numeral 160 denotes a pedestal, which includes a rod-shaped piezoelectric member also serving as a sample stage.
Coarse movement for coarsely moving the element 31 and the piezoelectric element 31 in the x and y directions;
A support arm 161 for supporting the device 30 is projected from the front surface. Also this pedestal
A support arm 161 is moved in the z direction with respect to the pedestal 160.
Of the moving device 165 are provided. And, in the front corner of the pedestal 160,
A rotating shaft 162 extending in the direction is rotatably supported at the upper end and the lower end. This
The tunnel scanning unit 120 is provided on the rotating shaft 162 so as to be rotatable therewith.
Have been. The tunnel scanning unit 120 includes a support 1 protruding from a rotating shaft.
63, and the three-dimensional actuator 22 is fixed to the support 163.
. This actuator 22 has three rod-shaped piezoelectric elements extending at right angles to each other.
And composed of tri-pot actuators connected to each other at their proximal ends
I have. A probe 24 projects downward from the base end of these piezoelectric elements. Also
The support 163 is moved from the STM non-measurement position shown in FIG.
When the tunnel scanning unit 120 is rotated to the STM measurement position shown in
Locking means 16 for locking the tunnel scanning unit 120 to the pedestal 160 at the position
4 are provided. The locking means 164 includes a locking screw screwed to the support 163.
When the tip is pressed against the side surface of the pedestal 160, the lock is released.
Will be fulfilled. The coarse movement device 30 includes an x table and a y table for supporting the sample stage 31 thereon.
It has a table and these operating knobs 30a and 30b. FIG. 20 shows a state in which the pedestal 160 is incorporated in a known metallographic microscope.
Show. At this time, as described above, the optical axis of the objective lens a1 of the microscope and the probe 24
The optical observation and the STM observation are performed so that the axes coincide with each other. First, the tunnel scanning unit 120 is moved to a position (
19 (a), and the operating knob 3 while viewing the sample 12 with a metallographic microscope.
By rotating Oa and 30b, the STM observation position in the horizontal plane is determined. Operating knob
Adjusting the height and focusing by rotating the 165
The approximated position is almost the scanning position of the probe 24). The tunnel is placed on the objective lens a1.
At the same position as the probe 24 when the scanning unit 120 is set to the scanning state.
-Car (for example, +) is given and STM scanning range can be confirmed
The operator should be able to scan the sample position while looking through the metallographic microscope.
Sample and the sample in the scanning range can be accurately confirmed. After determining the scanning position, the tunnel scanning unit 120 is mounted on the pedestal 1.
At 60, the STM image measurement operation is performed. FIG. 21 shows the structure of the STM measurement system.
It is a block diagram showing composition. In the figure, reference numeral 85 denotes a controller. This controller 85
Has an input interface 91 and an output interface. Also
The controller 85 has a CPU graphic display and a frame memory.
, A plotter as a storage device, a printer, and the like are connected. In addition,
At the input end of the Roller 85, a measurement area selection button and a mouse as a control box
Input devices such as X, Y, Z position controller 8
6, the coarse movement device 87 for positioning the sample in the xy direction, and the automatic access device 88 are connected.
Has been continued. In the tunnel unit integrated with the optical microscope, the data obtained from the probe 24
The tunnel current thus amplified is amplified by a preamplifier 89 and an amplifier 90, and supplied to a controller 85 via the input interface 91. Also,
The channel current signal is amplified by a preamplifier 89 and an amplifier 90,
The data is input to the controller 85 via the tar 92. Optically coupled to and integrated with the STM tunnel unit
With a microscope (optical microscope with a tunnel unit built into the objective lens)
The obtained observation image is captured by a video camera 93, and the captured signal is
-96. In addition, a controller is provided via an input interface 91.
-85. Next, the operation method and the operation of the entire apparatus of this embodiment centering on the operation of the control system will be described.
And operation will be described. First, turn on the power before using the device.
Perform the following operations sequentially. I. The sample 12 is fixed to a sample stage, and a tunnel bias voltage applying electrode
Attach II. The sample is observed with the optical microscope 94 for positioning the STM image observation site.
At this time, the focus of the optical microscope is adjusted by an automatic focus mechanism. Out of focus
As a method, use the knife-etch method and observe changes in the optical image due to defocus.
An image is taken by the video camera 93 attached to the lens unit, and entered into the controller 85.
The auto focus mechanism control signal from the controller 85.
By inputting to the device, the relative position between the sample and the objective lens can be controlled,
The microscope image can be focused. The relative position between the objective lens and the sample is determined by using an automatic focusing mechanism.
Is adjusted to the focus position, so that S positioned between the objective lens and the sample is adjusted.
The distance between the TM probe and the sample can be reduced to a certain value (about 50 μm).
Wear. After the optical focusing is completed, the STM observation is performed.
Position the part. Marker at the center of the optical microscope image (S
(There is a TM probe), the part of the sample surface to be observed by STM
Rank together. At this time, adjust the sample position by operating the switch on the controller.
Do it. At this time, the X and Y direction positioning signals output from the controller are input to the sample positioning coarse movement device 87, and the sample xy position, θ (in the xy plane),
It is possible to determine the angle in the ψ ((xz plane), γ (yz plane) directions.III. After performing the STM observation positioning as described above, the STM probe
Move the needle close to the distance where the tunnel current is observed using the auto access device 88
You. By optical focusing, the relative position between the STM probe and the sample is fixed to a certain value.
After approaching the position, a bias voltage is applied to the sample, and the
After amplifying the channel current with a preamplifier, amplifier, etc., input it to the controller and
An auto access device control signal from the controller is input to the auto access device.
The distance between the sample and the probe is adjusted so that the tunnel current becomes a predetermined value. Even when the tunnel current becomes very large, this auto access
Using a mechanism, the probe can be separated from the sample, and there is a danger that the probe contacts the sample.
The ruggedness disappears. Optical auto-access and auto using tunnel current as a sensor
The probe is approached by using a two-stage automatic access mechanism of access.
Can be shortened. IV. Next, the sample surface (as the entire sample surface) is the lens of the objective lens.
Adjust the tilt of the sample so that it is parallel to the
Adjust with a goniometer, etc. (so that the probe is perpendicular to the sample surface)
adjust). The adjustment of the inclination of the sample is performed in the following two stages. a. The optical microscope image taken by the video camera is focused over the entire field of view.
Control signals are supplied from the controller to the coarse positioning device 87 for sample positioning.
Then, the inclination of the sample is corrected. B. 3D scanner 95 was scanned over a wide area (about 10 μm)
After amplifying the tunnel current signal at the time, the signal is input to the waveform monitor 92. Waveform monitor
(The same frequency components as the x-axis and y-axis scanning signals) so that the output from the
The controller 85 and the coarse positioning device 87 for positioning the sample.
Input a control signal to correct the tilt of the sample.
By correcting the sample tilt using the two methods of using the sensor, it is possible to correct the sample tilt in a shorter time than in the case where only the tunnel current is used as the sensor.
Wear. V. A three-dimensional scanner 95 scans in the x and y directions, and the tunnel current is
Measure the STM image while controlling the position in the z direction so as to be constant
. In order to obtain a wide range STM image (same size as the optical microscope image),
Of the STM images using the coarse positioning device 87 (the STM image in a narrow range)
Are sequentially measured while changing the scanning position on the sample surface, and this is measured by software.
To join together). Next, an apparatus similar to the apparatus of the embodiment shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG.
explain. In this embodiment, members having substantially the same functions as the members shown in FIG.
The same reference numerals are given and detailed description is omitted. In this example, the minute gap between the measurement surface of the sample 12 and the tip of the probe 24
Observation means for observing the septum are provided as described below. In the figure,
Reference numeral 200 denotes a sample supporting mechanism and an objective lens unit 120 which are connected to the unit frame 20.
1 shows a measurement unit configured to be incorporated in the device 1. One side of this unit frame 201
Of the optical fiber (cold fiber) 202 for guiding light to the sample 12
One end side is provided. The other side of the unit frame 201 has an optical fiber-2.
02 to receive the reflected light from the sample 12 by the auxiliary objective lens 203
Is provided. One end of the optical fiber 202 and the auxiliary objective lens 203
Is the observation surface of the sample 12 around the center of the surface of the sample 12 in the unit frame 201.
It is possible to tilt in a vertical plane within an angle range (α) of approximately 20 degrees. Said
The other end 202a of the optical fiber 202 extends near the light source 50 of the optical microscope.
I have. As a result, the light from the light source 50 is applied to the sample 12 via the illumination system of the optical microscope.
While being guided, it is also guided to the sample 12 via the optical fiber 202. The supplement
Auxiliary objective lens 203 has a supplementary optical axis on a rear optical axis via a rotatable reflecting mirror 204.
An auxiliary eyepiece 205 is provided, and reflects reflected light from the auxiliary objective lens 203.
By receiving light through the projection mirror 204, the light is received through the auxiliary eyepiece 205.
The distance between the observation surface of the sample 12 and the tip of the probe 24 can be visually checked. this
As a result, the probe 24 can be brought closer to the sample 12 while performing this measurement.
To prevent the probe 12 from being damaged due to the contact of the probe 12 with the sample 12.
it can. In the figure, reference numeral 206 denotes a vibration isolation table on which the measuring unit 200 is mounted.
Show. The configuration of the measuring unit 200 is shown in FIGS.
). The unit frame 201 includes an upper frame 201a, a lower frame 201b, and a pair of pairs.
Facing side frame 201c. In the center of the upper frame 201a, light from the light source 50 is used.
Pass the light through the knit frame 201 and the light inside the unit frame 201 toward the eyepiece 51.
A circular opening 201d is formed to pass through. Also, on the inner surface of the upper frame 201a,
A disk-shaped objective revolver 211 is rotatably mounted by a rotating shaft 211a.
ing. The objective revolver 211 has two objective lenses a having different magnifications.
One and one objective lens unit 140 are at the same distance from the rotation shaft 211a.
It is arranged. This separation distance is selected by the objective lens a1 and the unit 140.
When the central axis is moved to the opening 201d,
Is set so as to coincide with the central axis of. Lower frame 20 of this unit frame 201
1b, one end of the coarse screw 21 is projected into the unit frame 201.
3 is screwed from the outside. A coarse ball 214 is attached to the protruding end of the coarse screw.
The coarse movement table 215 is provided at both corners by the rotation of the coarse movement screw 213.
It is guided by the two pairs of guide rails 215a and moves in the vertical direction (z direction).
As supported. The upper surface of the coarse movement table 215 is scanned from outside.
X-direction adjustment knob 216a and y-direction adjustment knob 216b (FIG. 24B)
The xy direction table 216 with the XY direction table (see FIG. 2)
(x and y directions). This coarse movement table 215 and xy direction
The directional table 216 is engaged with concave and convex with play in the surface direction.
An xy direction table 216 is provided between the side surfaces in one direction with respect to the coarse movement table 215.
Since one biasing spring 216c is provided, the xy direction table 2
Sixteen moving amounts are defined. Also, the center of the xy direction table 216 in the width direction is used.
A rectangular groove 216d having both ends opened is formed on the upper surface of the central portion.
A medium / fine movement plate 217 is inserted therein. One end of the XY table 216 in the longitudinal direction
A first actuator 218 that can expand and contract in the z direction is fixed to the first actuator. This access
On the upper end of the tutor 218, a shape is formed on the lower surface of one end in the longitudinal direction of the middle / fine moving plate 217.
The first fine movement pin 219 engaged with the formed recess is abutted. In addition, the x
A first fixing pin 220 is interposed between the y-direction table 216 and the other end of the middle / fine moving plate 217.
Are located. Thus, by expanding and contracting the first actuator 218,
The middle and fine moving plate 217 is provided with an xy direction table 216 with the first fixing pin 220 as a fulcrum.
Is rotatable in a vertical plane. On the middle fine plate 217, a high fine plate
221 are provided. The other end in the longitudinal direction of the middle fine plate 217 extends in the z direction.
A retractable second actuator 222 protrudes. This actuator 2
A recess formed on the lower surface of the other end in the longitudinal direction of the high-fine movement plate 221
The second fine movement pin 223 that has been engaged with the contact is in contact. In addition, the middle and fine movement plate 217
Is located between one end of the center and one end of the high-precision moving plate 221.
A second fixing pin 224 supported by the inner wall of the fin is interposed. Thus,
By expanding and contracting the actuator 222 of the second, the fine movement plate 221 is moved to the second fixed position.
With the fixed pin 224 as a fulcrum, it can rotate in the vertical plane with respect to the
I have. An xy-direction actuator 22 is provided on the upper surface near one end of the fine movement plate 221.
xy is supported, and the sample 12 is mounted on the actuator 22xy.
You. The xy direction actuator 22xy moves the sample 12 in the x direction and the y direction.
Performs STM observation with fine movement, in cooperation with z-direction actuator 22z described later.
. In this embodiment, the distance between the sample 12 and the second fine movement pin 223 is equal to the second fixed pin.
It is ten times the distance between the fixed pin 224 and the sample 12. That is, the high fine moving plate 2
The lever ratio of 21 is set to 10: 1. Also, the first fine movement pin 219 and the first
Distance between the sample 12 and the second fine movement pin 223.
It is set to twice the separation. For this reason, the second actuator 222 is raised by 1 μm.
When it is moved to the direction, the surface of the sample 12 has a probe of 1 μm × 1/10 = 0.1 μm.
Approach 24. Further, the first actuator 222 is not operated, and the first actuator is not operated.
When only the tutor 218 is operated 1 μm upward, the surface of the sample 12 becomes 1 μm ×
The probe approaches the probe 24 by 1/20 × 1/10 = 0.0005 μm. That is, the second
Medium and minute movements by the actuator 222, and small and minute movements by the first actuator 218
Motion can be applied to the sample 12. Of the pair of side frames 201c of the unit frame 201
Spring receivers 230 and 231 are fixed between both ends. One spring receiver 2
Between the upper surface of the moving plate 30 and the upper surface of one end of the middle fine moving plate 217, a compression
232 is interposed. Similarly, the other spring receiver 231 and the high
A compression spring 233 for constantly urging the other end downward is interposed between the upper surfaces of the other ends.
You. In the measuring unit 200 having the above configuration, the components are firmly assembled by the unit frame 201.
As a result, it is excellent in earthquake resistance. In addition, the unit frame 201 and the like
The member is compactly formed by an amber with a small coefficient of thermal expansion, etc.
It is set to reduce the effect. Next, the objective lens unit 140 will be described with reference to FIG.
In the drawing, reference numeral 300 denotes an opening at the upper and lower ends, and a knurling portion 300a for attachment / detachment on the outer periphery.
6 shows a formed cylindrical upper housing. Lower outer periphery of this upper housing 300
Has a knurled portion 301a on its outer periphery.
Formed on the upper inner peripheral surface of a cylindrical lower housing 301 having an upper end opened.
Female screw is screwed. Thus, the upper housing 300 and the lower housing 3
01 is detachably attached by screw connection. Also, the upper housing 3
00 is formed with an internal thread on its inner peripheral surface.
At a predetermined interval, the upper support cylinder 302 and the lower support cylinder 303
It is screwed together by a male screw formed on the outer periphery. And, the upper housing 30
The female screw formed at the upper end cylindrical protrusion of the “0” has a set screw 304 formed on the outer periphery thereof.
It is screwed together by the formed male screw. This retaining screw 304 has upper and lower ends opened,
In addition, it has an inner flange portion and an outer flange portion at the upper end, has a cylindrical shape, and has an inner peripheral surface
Has an internal thread. The female screw of the retaining screw 304 has upper and lower ends opened.
A male screw formed on the outer periphery of the upper part of the cylindrical light guide member 305 is screwed. Stay
A first groove is provided between the inner flange portion of the female screw 304 and the upper end of the light guide member 305.
The lens 306 is fastened and fixed. Lower surface and lower support of the upper support cylinder 302
Between the step formed on the inner peripheral surface of the cylindrical body 303, a second hole having a through hole at the center is provided.
Lens 307 is fastened and fixed. In the lower part of the lower support cylinder 303,
The upper part of the lens mounting tube 308 is inserted and fixed by a fastening ring 309. A third lens 310 is provided at the lower end of the lens-equipped display tube 308 having a small diameter.
Has been attached. Incidentally, a concave mirror 54 is provided on the lower surface of the second lens, and a third lens is provided.
A convex mirror 53 is formed at the center of the upper surface of the lens. The lower housing
An opening is formed in the center of the lower end of 301, and a transparent member such as a stone is formed in the opening.
A support plate 311 made of English glass is attached. In this support plate 311
A z-direction actuator 22z is mounted in the center so as to project downward.
A probe 24 projects downward from the tip of the actuator 22z.
ing. The first to third lenses 306, 307, 310 and the concave mirror 5
4, the convex mirror 53, the probe 24, and the z-direction actuator 22z are coaxial.
Are located. Measurement unit 2 incorporating unit 140 having such a configuration
00 is attached to the optical microscope shown in FIG.
Observation of an image is substantially the same as in the other embodiments, and thus will not be described here. The search for the optical fiber 202 and the auxiliary objective lens 203
The stylus-sample spacing observation device will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 401 denotes a uni.
A guide plate fixed along a vertical plane is attached to a cut frame 201 (see FIG. 23A).
Show. The guide plate 401 extends in an arc shape symmetrically to the left and right along the peripheral surface thereof.
First and second guide grooves 401a and 401b are formed. This guide plate 40
One end of the first and second rotating arms 402a and 402b is located in front of
I have. The other end of the first arm 402a is parallel to the arm 402a.
Thus, one end of the optical fiber 202 cooperates with the rotation of the arm 402a.
It is fixed so as to rotate. This arm is connected to the other end of the second arm section 402b.
The auxiliary objective lens 203 is set so as to be parallel to the arm section 402b.
It is mounted so as to rotate with the rotation of the part 402b. This auxiliary objective lens 2
Reference numeral 03 denotes an arm 402b which can be moved linearly along the optical axis by a pinion.
And a rack-pinion connection. First and second arm portions 402a
, 402b are fixed to one end of gears 403a, 403b, respectively.
Have been. The second gear 403b is meshed with the third gear 403c.
. Each of the first to third gears 403a, 403b, 403c is a unit
The frame 201 is rotatably supported by a frame 201 (see FIG. 23A). As a result, the first row
The second arm portions 402a and 402b are moved by the rotation of the gears 403a and 403b.
Are rotated about a central axis of these gears in a vertical plane. The third gear 40
3C, the first pulley 404a is rotated so as to rotate together with the gear 403c.
It is fixed axially. On the other hand, the counter provided on the light exit side of the auxiliary objective lens 203
A second pulley 404b is coaxially rotated with the reflecting mirror 204 to the mirror 204.
It is provided to be rollable. Then, the first pool 40a and the second pool 404b
And an endless belt 405 is stretched between them. In addition, the first and the second
The second arm portions 402a, 402b have their tips in the guide grooves 401a, 401b.
And engagement pins 406a and 406b guided along this guide groove are provided in a protruding manner.
Have been. In the distance measuring apparatus having the above-described configuration, the auxiliary objective lens 20
3, the gears 403a, 403b and the arm portions 402a,
The optical fiber 202 also rotates by the same amount of rotation via the optical fiber 402b.
The reflected light of the light incident on the sample from the fiber 202 is always efficiently used as the auxiliary objective lens.
203. In addition, the gear 403 is moved according to the rotation of the auxiliary objective lens 203.
b, 403c, pulleys 404a, 404b and endless belt 405
As a result, the reflecting mirror 204 also rotates, and as a result,
In this case, the light emitted from the auxiliary objective lens 203 is supplemented by the reflecting mirror 204.
It is guided to the auxiliary eyepiece 205 (FIG. 22). Therefore, the auxiliary objective lens 203 is rotated.
To move the probe to the sample at a position that is easy to measure.
it can. FIG. 27 and FIG. 28 show the measuring unit 200 shown in FIG.
26 shows a modification of the interval measuring device shown in FIG. 26, in which the unit 140 is a microscope
(Not shown) and is supported by a support arm 501 fixed to the
The fact that the actuator 140 and the probe 24 are not attached to the
Different from the embodiment. In the figure, reference numeral 502 denotes a fixing member, which includes a pivot shaft 5.
03 and the position where the rotating plate 504 comes to the lower side of the unit 140,
At one end, it is rotatably supported in a horizontal plane between the offset positions. This rotation
A through hole is formed in the center of the plate 504, and a probe plate 23 made of a transparent plate, for example, cover glass is provided on the upper surface of the through hole so as to cover the through hole.
Have been killed. The probe holder 23 is placed downward, that is, the sample 12 direction.
The probe 24 is fixed through the z-direction actuator 22z so as to project in the
Is defined. The sample is placed below the probe 24 in an xy direction actuator.
22xy. In this figure, reference numeral 505 denotes the rotating plate 50.
4 shows a click mechanism for holding the 4 in the illustrated STM observation position. Also, this example
Then, the optical fiber 202 and the auxiliary objective lens 203 are rotated synchronously.
The first and second gears 403a and 403b and the reflecting mirror 204 are rotated.
Gears 403c are rotatably supported by the support arms 501, respectively.
I have. In the present invention, the optical microscope for observing the STM scanning area is a real one.
An optical microscope other than the metal microscope described in the embodiment may be used.
Microscope, Nomarski differential interference microscope, fluorescence microscope, infrared microscope, stereo microscope,
A surface shape measuring device, a microphotometry system, and the like can be used. According to the scanning probe microscope of the present invention, a sample observation optical system and
The probe and the probe are arranged at positions facing the sample, and within the optical field of view of the sample observation optical system.
Moving means for positioning the probe and the sample measurement position by the probe;
With this, the sample observation optical system and the sample
An optical observation image at a fixed position can be obtained, and it can be searched within the optical field of view of the sample observation optical system.
The sample measurement position can be easily specified using the stylus, and multiple different
Observation images in different states can be compared.

【図面の簡単な説明】 【図1】この発明の一実施例に係わる走査型トンネル顕微鏡の全体を示す平面図
である。 【図2】同走査型トンネル顕微鏡の側面図である。 【図3】同走査型トンネル顕微鏡の探触針と、そのホルダ―を示す斜視図である
。 【図4】同走査型トンネル顕微鏡の3次元アクチュエ―タの斜視図である。 【図5】同3次元アクチュエ―タの平面図である。 【図6】第2の実施例の走査型トンネル顕微鏡を概略的に示す図である。 【図7】第2の実施例に使用されている3次元アクチュエ―タを示す側面図であ
る。 【図8】第2の実施例の装置に表面形状測定機能を付加させた変形例を概略的に
示す図である。 【図9】表面形状測定の原理を説明するための図である。 【図10】第1の実施例の装置に監視装置を付加した変形例を示す側面図である
。 【図11】図6に示す実施例の変形例を示す図である。 【図12】第3の実施例を示す対物レンズユニットの断面図である。 【図13】第4の実施例を示すトンネル走査ユニットの断面図である。 【図14】第5の実施例を示す断面図である。、 【図15】第6の実施例を示す対物レンズユニットの断面図である。 【図16】実施例で使用されている3次元アクチュエ―タを説明するための図で
あり(a)はアクチュエータの平面図、(b)はアクチュエータの側面図、(c
)はアクチュエータの断面図、そして(d)は3次元アクチュエ―タを駆動する
ための印加電圧とアクチュエ―タの駆動方向との関係を示す図である。 【図17】第7の実施例に係わる走査型トンネル顕微鏡を示す断面図である。 【図18】第8の実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図である。 【図19】第9の実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図で、(a)はトンネル
走査ユニットが被STM走査位置にない状態を示し、そして(b)はトンネル走
査ユニットが被STM走査位置にある状態を示す。 【図20】トンネル走査ユニットと光学顕微鏡とを組み合せた状態を示す図であ
。 【図21】STM測定システムの構成を示すブロック図である。 【図22】第10の実施例の走査型トンネル顕微鏡の光学系を示す図である。 【図23】第10の実施例にて示されている計測ユニットを示し、(a)は横断
面図、そして(b)は縦断面である。 【図24】(a)は、第10の実施例にて示されている計測ユニットでの対物レ
ボルバ―と、対物レンズと、対物レンズユニットとの位置関係を示す図、そして
(b)は水平に切断して示す断面図である。 【図25】計測ユニットに使用されている対物レンズユニットを示す一部切欠側
面図である。 【図26】第10の実施例に使用されている間隔測定装置を示す一部切欠側面図
である。 【図27】計測ユニットの変形例を示し、(a)は一部切欠上面図、そして(b
)は断面図である。 【図28】図27に示す計測ユニットの間隔測定装置の部分を示す側面図である
。 【符号の説明】 a1…顕微鏡の対物レンズ、12…試料、22…3次元アクチュエ―タ、23…
探触針ホルダー、24…探触針、110、130…支持部材、120…トンネル
走査ユニット、140…対物レンズユニット、200…計測ユニット、211…
対物レボルバ―。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view showing an entire scanning tunneling microscope according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side view of the scanning tunnel microscope. FIG. 3 is a perspective view showing a probe of the scanning tunnel microscope and its holder. FIG. 4 is a perspective view of a three-dimensional actuator of the scanning tunneling microscope. FIG. 5 is a plan view of the three-dimensional actuator. FIG. 6 is a view schematically showing a scanning tunneling microscope according to a second embodiment. FIG. 7 is a side view showing a three-dimensional actuator used in the second embodiment. FIG. 8 is a diagram schematically showing a modification in which a surface shape measuring function is added to the device of the second embodiment. FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of surface shape measurement. FIG. 10 is a side view showing a modification in which a monitoring device is added to the device of the first embodiment. FIG. 11 is a view showing a modification of the embodiment shown in FIG. 6; FIG. 12 is a sectional view of an objective lens unit showing a third embodiment. FIG. 13 is a sectional view of a tunnel scanning unit according to a fourth embodiment. FIG. 14 is a sectional view showing a fifth embodiment. FIG. 15 is a sectional view of an objective lens unit showing a sixth embodiment. 16A and 16B are views for explaining a three-dimensional actuator used in the embodiment, where FIG. 16A is a plan view of the actuator, FIG. 16B is a side view of the actuator, and FIG.
() Is a sectional view of the actuator, and (d) is a diagram showing the relationship between the applied voltage for driving the three-dimensional actuator and the driving direction of the actuator. FIG. 17 is a sectional view showing a scanning tunneling microscope according to a seventh embodiment. FIG. 18 is a view showing a scanning tunnel microscope according to an eighth embodiment. FIGS. 19A and 19B are views showing a scanning tunneling microscope according to a ninth embodiment, in which FIG. 19A shows a state in which the tunnel scanning unit is not at the STM scanning position, and FIG. Is shown. FIG. 20 is a diagram showing a state in which a tunnel scanning unit and an optical microscope are combined. FIG. 21 is a block diagram illustrating a configuration of an STM measurement system. FIG. 22 is a diagram showing an optical system of a scanning tunneling microscope according to a tenth embodiment. FIGS. 23A and 23B show the measuring unit shown in the tenth embodiment, wherein FIG. 23A is a cross-sectional view and FIG. 24A is a diagram showing a positional relationship between an objective revolver, an objective lens, and an objective lens unit in the measurement unit shown in the tenth embodiment, and FIG. FIG. FIG. 25 is a partially cutaway side view showing the objective lens unit used in the measurement unit. FIG. 26 is a partially cutaway side view showing an interval measuring device used in the tenth embodiment. 27A and 27B show a modification of the measurement unit, FIG. 27A is a partially cutaway top view, and FIG.
() Is a sectional view. 28 is a side view showing a part of the interval measuring device of the measuring unit shown in FIG. 27. [Explanation of Signs] a1 ... microscope objective lens, 12 ... sample, 22 ... three-dimensional actuator, 23 ...
Probe holder, 24 Probe, 110, 130 Support member, 120 Tunnel scanning unit, 140 Objective lens unit, 200 Measurement unit, 211
Objective revolver.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】試料を保持する試料保持手段と、 前記試料を光学的に観察するように試料に対向する位置に配置される試料観察光
学系と、 前記試料に対向するように配置される探触針と、 前記探触針を支持する支持手段と、 前記試料観察光学系と前記探触針とが前記試料に対向する位置に配置され、前記
試料観察光学系の光学視野内で前記探触針と前記探触針による試料測定位置とを
位置決めするための移動手段と、 前記探触針により前記試料測定位置の測定を行なうために、前記試料と前記探触
針とを相対的に駆動するアクチュエータ手段と、 を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 【請求項2】前記探触針は、その中心軸が、前記試料と対向する位置で、前記試
料観察光学系が試料に対向しているときの光軸とほぼ一致するように、前記移動
手段に着脱可能に支持されていることを特徴とする請求項1の走査型プローブ顕
微鏡。
Claims: 1. A sample holding means for holding a sample, a sample observation optical system disposed at a position facing the sample so as to optically observe the sample, and a sample observation optical system facing the sample. Probe, supporting means for supporting the probe, the sample observation optical system and the probe are arranged at positions facing the sample, and the optical system of the sample observation optical system Moving means for positioning the probe and the sample measurement position by the probe within the field of view, and the sample and the probe to measure the sample measurement position by the probe. A scanning probe microscope, comprising: actuator means for relatively driving the scanning probe microscope. 2. The moving means so that the center axis of the probe is substantially coincident with the optical axis when the sample observation optical system is facing the sample at a position facing the sample. 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the scanning probe microscope is detachably supported on the scanning probe microscope.

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