JP2696107B2 - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡

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JP2696107B2
JP2696107B2 JP63320185A JP32018588A JP2696107B2 JP 2696107 B2 JP2696107 B2 JP 2696107B2 JP 63320185 A JP63320185 A JP 63320185A JP 32018588 A JP32018588 A JP 32018588A JP 2696107 B2 JP2696107 B2 JP 2696107B2
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千加良 宮田
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、他の測定手段で試料の測定位置合わせを行
い、走査型トンネル顕微鏡測定する走査型トンネル顕微
鏡(STM装置)に関するもので、詳しくは、光学的な観
察手段とSTM検出部を複合化したSTM装置に関する。
〔従来の技術〕
STM装置は原子レベルの分解能をもつ装置であるが、
近年、ミクロンメートル領域における表面微細形状の観
察に用いられ始めている。STM装置は分解能が高い反
面、最大観察領域が10μm程度と狭いという特徴があ
る。このため、STM装置だけでは試料の観察したい場所
(例えばキズ等)に観察領域を合わせるのが非常に困難
である。精密試料移動テーブル付のSTM装置(例えば昭
和63年精密工学会秋季大会学術講演論文集907頁〜の
「試料移動ステージ付STM装置の開発」)でも、斜横か
ら概略の位置合わせを行い、後は精密移動テーブルで試
料を微少移動してSTM測定を繰り返し、試行錯誤的に位
置合わせを行わざるを得なかった。このため、光学的な
観察手段で試料の希望する測定位置を位置合わせし、こ
の位置へSTM測定領域を位置合わせすることが必要にな
ってきている。
このようなことから、光学的な試料観察手段とSTMと
を複合化して希望する測定位置へ位置合わせできるSTM
装置として、従来、第4図に示すものが知られている。
この装置は、光学顕微鏡(以下光顕)のレボルバ3に対
物レンズ4とSTM検出部1とが支持されており、レボル
バ3を回して対物レンズ4の倍率を順次上げながら、光
学顕微鏡2内のクロスカーソルで位置合わせを行なう。
更にレボルバ3を回すとSTM検出部1が試料5の真上に
来てSTM測定が行えるようになる。第5図にSTM検出部1
の断面図を示す。探針ホルダ104は微動素子101に固定さ
れ、探針101は前記探針ホルダ104に着脱可能にネジ込み
固定されている。カバー103は支持台105にねじ込まれ、
ブロックを構成している。そして、このブロックの支持
台105がレボルバ3に装着された取付け台106に取付けネ
ジ107で押圧固定される。探針102の先端の振れや、固体
差による探針先端の位置ずれの影響は、光顕像内のどの
位置にSTM像があり、クロスカーソルからどれだけずれ
ているか求め、その量だけSTM測定を始める直前にX,Yテ
ーブル7,8で試料5を移動させて補正することで、取り
除くことができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上で述べたように従来の装置では、レボルバ3に対物
レンズ4,STM検出部1が支持されている。STM検出部1は
第5図に示すように、微動素子101を駆動するための配
線11a及び探針102からの信号線11bが必要である。とこ
ろで、レボルバ3に取付けられた検出部1からの配線11
をレボルバ3内からアーム9光顕2等の内部を経由して
取り出すと、レボルバ3の回転の際に、配線が光顕の視
野を遮ったりすると不具合が生じる。そこで、これらの
配線11は第4図に示すように、レボルバ3の1つの穴10
から外へ引き出される。レボルバ3を回すと引き出し穴
10の位置も変わるので、配線11の長さも変化する。この
ため配線11を巻き取り、常に張力を掛ける機構12が必要
である。第6図に概略構造を示す。第6図(a)は平面
図、(b)は断面図である。プーリー13はベアリング14
の外輪に固定されている。前記ベアリング14の内輪はコ
マ15で固定され、コマ15の内側にトーションバネ16の一
端が固定されている。他端は前記プーリー13上の板17と
バネ押え18で固定され、プーリー13に配線11を巻き取る
力を付与している。配線11はプーリー13に巻き取られ、
前記板17の中心、つまりプーリー13の回転中心から引き
出すことで、これ以降の配線11の長さが変化しないよう
にしてある。この機構12で、レボルバ3を回転しても配
線11が常に張られた状態にすることができる。なお、張
力をかけないと、配線11がたれ下り、試料5にさわる、
対物レンズ4の焦点側を遮る、見栄えが悪い、STM検出
部1先端の探針102に当たり探針102を曲げる、配線11を
引っ掛ける場合がある等の問題が生じる。しかし、張
力を掛けることで、レボルバ3の位置決め精度に悪影響
を与える可能性がある。この構成では、探針102から
の信号線11bが巻き取り機構12を介してI/Vアンプ19に接
続されるので、信号線11bの長さが長くなる。このた
め、インピーダンスが高くなりS/Nが低下する。レボ
ルバ3はフリーで回転できると配線11が対物レンズ4等
により巻き取られ、断線等を生ずるので、レボルバ3が
1回転以上できないように回転止めを付ける必要があ
る。レボルバ3に加わる張力と、レボルバ3の回転角
の規制により自動化がしずらい等の不具合点がある。
〔課題を解決するための手段〕
前述の問題点を解決するために、STM検出部を光学的
な観察手段を支持するフレームに脱着可能に固定し、対
物レンズに別置するようにした。
〔作用〕
上記のような構成となっているので、STM検出部は回
転移動等の移動がなされず、STM検出部の配線による不
具合を除去することができる。
〔実施例〕
第1図に本発明に係る実施例を示す。装置のアーム9
は光顕2とレボルバ3,STM検出部1及びI/Vアンプ19が支
持されている。即ち、アーム9には、取付け台24が設置
され、この取付け台24に取付けねじ107によりSTM検出部
1が固定される。STM検出部内の配線と取付け台とは従
来と同様に端子ピンとソケート等により着脱可能に接続
される。そして、この取付け台24と同様にI/Vアンプ19
がアームに支持され、この両者間も電気的接続がなされ
ている。前記レボルバ3には対物レンズ4が取り付けて
ある。対物レンズ4の焦点位置とSTM検出部1先端の探
針102との高さ方向の関係は、同図に示す如く探針102の
方が試料5より遠い位置となる。これは、光顕測定時に
STM探針102が試料5に当たらないようにするためであ
る。Xテーブル7,Yテーブル8は試料5を面内方向に移
動して位置合わせ及び光顕、STM測定時の軸間移動を行
なうためのものである。Zテーブル6は、試料5を高さ
方向に移動させ、対物レンズ4との焦点合わせや、STM
測定のための粗動を行なうものである。位置合わせ方法
は、まず光顕2で測定位置決めを行なう。次にZテーブ
ル6を下げ、補正量だけXテーブル7,Yテーブル8で試
料5を移動する。この操作でSTM検出ブロック1の探針1
02の真下に、光顕2で位置合わせした部分がくる。次に
オートアプローチする。即ち、Zテーブル6を探針102
に近づけていき、トンネル領域(試料5と探針102間の
距離が1nm程度)に入ったことを検出すると自動停止
し、STM測定可能な状態になる。なお、前述の補正量は
対物レンズの光軸22と探針102の軸23との間隔であり、
この量は従来の技術で述べた方法と同じである。
本構成によれば、I/Vアンプ19をSTM検出部1の近傍に
配置でき、信号線11bを短くしてS/N比を向上させること
ができる。又、巻き取り機構が不用になり構成上簡素
化、高剛性化が計れる。又、位置決め精度も従来ではレ
ボルバ3に張力が加わっていたため、再現性が悪かった
がこれを改善し精度向上を計ることができた。更に、レ
ボルバ3を電動レボルバに変え、対物レンズ4が取り付
いていない穴10の位置を検出するスイッチを設けること
で容易に自動化することができる。この場合、光顕にCC
Dを付け、電気的なカーソルを設けることで、試料をセ
ットした後の操作、即ち、希望する位置への光顕を用い
た位置合わせ、レボルバ回転による対物レンズ4の退
避、STM測定位置への試料移動、オートアプローチ、STM
測定を全てキーボードか行なうことができ、光顕での位
置合わせ後、STMのオートアプローチまでを全て自動化
することができる。
他の実施例を第2図,第3図に示す。
第2図は第2実施例の側面図であり、対物レンズ4の
倍率を固定したもの、つまりレボルバ3を除いた例であ
る。第3図は第3実施例の側面図であり、対物レンズの
レボルバ3aとは別にアーム9にSTM検出部を取付けるレ
ボルバ3bを設置し、このレボルバ3bにSTM検出部を複数
個装着できるようにした例である。STM検出部を複数個
具備できると、探針102を駆動する微動素子101の種類を
変えたもの、例えば原子測定用と形状測定用等を同時に
備えることができる。又、同じ種類のSTM検出部を複数
個備えることで、例えば探針102をぶつける等で探針102
の交換が必要な場合、回転することですぐ対応すること
ができる。この第3実施例では、STM検出部1の配線11
a,11bのレボルバ3bからの引出しは、レボルバ3bの回転
軸の中心を通して行う。又、STM検出部側のレボルバ3b
で、対物レンズ側のレボルバ3と同様にSTM検出部1が
ねじ込まれていない空孔位置を設けることで、X,Yステ
ージ移動時の安全位置とすることができる。なお、従来
の例を示す第4図でレボルバ3の回転軸から配線11が引
き出せないのは、光軸を遮ってしまうからである。
前述してきた以上の実施例のSTM装置では、試料をX,Y
軸方向に移動するX,Yステージ及び高さ方向に移動し、
フォーカッシング及びSTMでの粗動を行なうZステージ
を備えている。そこで光軸とSTM検出部の中心軸間の距
離だけ、試料をX,Yステージで移動することで光顕で位
置合わせした試料の位置をSTM測定することができる。
従来の手段と本発明の大きな違いは、従来技術ではレボ
ルバを回転して光軸上にSTM検出部をセットしたのに対
し、本発明では光軸とSTM検出部とを別に配置し、その
間をテーブルで移動するようにしている。そのため、一
見、本発明の方が光顕で位置合わせを行い、そこをSTM
測定するために光軸とSTM検出部間をテーブルで試料移
動する行為が余分に入り、位置合わせ精度が低下すると
考えやすい。しかし、STM検出部の先端である探針は都
度交換する種のものであり、従来技術においても光軸と
STM検出先端部の位置を補正し、位置合わせを行ってい
る。この補正は、従来の技術で述べたとおりX−Yテー
ブルを移動させて行っている。つまり、X−Yテーブル
を移動させて補正する行為は従来技術でも、本発明でも
同等に行っており、移動量が本発明の方が数十mm程度多
くなるだけである。この量は、テーブルの一方向からの
位置再現精度(バックラッシュ除去のため)として考え
ると従来技術と何ら変わりはない。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本構成によれば、STM検出部とI/V
アンプ間の信号線を短くすることでS/N比を向上させる
ことができ、配線の巻き取り機構が不用で構造が簡潔に
なる、配線に張力が加わらないので位置決め時の再現性
が向上する。自動化も容易に行える等非常に効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す側面図、第2図は第2実
施例を示す側面図、第3図は第3実施例の側面図、第4
図は従来例の側面図、第5図はSTM検出部の断面図、第
6図(a)は巻き取り機構の平面図、第6図(b)は巻
き取り機構の断面図である。 1……STM検出部 3……レボルバ 4……対物レンズ 5……試料 11……配線 12……I/Vアンプ 20……一軸テーブル

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学的な観察手段と移動ステージとで試料
    の位置合わせを行い、走査型トンネル顕微鏡(STM)測
    定できる装置で、前記光学的観察手段のZ軸方向の光軸
    からX,Y方向に所定量離れた位置に中心軸を有し、か
    つ、前記光学的観察手段の対物レンズとX,Y方向に別置
    される、微動素子とその端部に固定される探針を有する
    STM検出部を有し、前記光学的観察手段で測定位置決め
    したあと、前記所定量だけ試料をX,Y方向に移動して前
    記測定位置決めした部分を前記STM検出部下に配置し、S
    TM測定を行うことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
  2. 【請求項2】前記STM検出部は該STM検出部を複数個固定
    できるレボルバ部に固定されていることを特徴とする請
    求項1記載の走査型トンネル顕微鏡。
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