JP3333111B2 - 走査型プローブ顕微鏡及び走査型プローブ顕微鏡に用いられるユニット - Google Patents

Description

【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Ｊ_Tは次式で表わされ
る。 Ｊ_T ∞ ｅｘｐ（−Ａ・Φ^1/2 ・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Ｊ_T 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（ＳＴＭ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。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。

【０００８】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、光学顕
微鏡による試料観察と、この光学顕微鏡により特定され
る試料の測定部位の探触針による測定を行うことのでき
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、試料を光学的に観察し、探触針によ
る測定位置を特定する観察光学系を備える走査型プロー
ブ顕微鏡において、前記探触針と対物レンズとを備え、
前記探触針が前記試料に対向する位置にある状態と、前
記対物レンズが前記試料に対向する位置にある状態とを
選択するユニットが着脱可能に設けられていることを特
徴とする。また、この発明に関わるユニットは、試料を
光学的に観察し、探触針による測定位置を特定する観察
光学系を備える走査型プローブ顕微鏡に着脱可能に設け
られたユニットであって、前記探触針と対物レンズとを
備え、前記探触針が前記試料に対向する位置にある状態
と、前記対物レンズが前記試料に対向する位置にある状
態とを選択することを特徴とする。また、この発明に関
わるユニットは、試料を光学的に観察する光学顕微鏡
に、着脱可能に設けられたユニットであって、探触針と
対物レンズとを備え、前記探触針が前記試料に対向する
位置にある状態と、前記対物レンズが前記試料に対向す
る位置にある状態とを選択することを特徴とする。

【００１０】

【作用】走査型プローブ顕微鏡の観察光学系、または、
光学顕微鏡を用いて、試料を光学的に観察すると共に、
着脱可能なユニットの構成要素の一つである探触針で測
定する測定位置を特定し、この測定位置を探触針で測定
する。

【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。

【００１４】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―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。

【００１５】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１
１ａ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３１
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１
ａによって、固定され、試料台３１をｘ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。

【００１６】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４
３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４
２並びにｙ電極４３に、これらとの間に別の圧電素子４
４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４４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４５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。

【００１７】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１
２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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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６１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。

【００２２】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１
２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。

【００２３】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７０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の分岐プリズム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７４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。

【００２４】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８
０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。

【００２５】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―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の臨界角プリズム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
リズム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８１，８３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。

【００２６】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。

【００２７】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４，７２６，６
８５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。

【００２８】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２
４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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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２
２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。

【００３２】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。

【００３３】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２２を支
承するための環状の支持部材を示す。この支持部材１１
０は対物レンズａ１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―２
３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。

【００３４】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ａ
１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。

【００３５】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。

【００３６】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
１４２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１４
１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１４１ｂ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１４１ａ（１４１
ｂ）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１４
１ａ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―ジよりなる試料台３１上に固定され
ている。

【００３７】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１
４０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。

【００３８】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。

【００３９】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１５
１ａ，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。

【００４０】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
クチュエ―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２２ｘ，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２２
ｚ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。

【００４１】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ＳＴＭ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２２
ｘｙ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２２
ｚ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１２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。

【００４２】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３
１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１
６３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
１６４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。

【００４３】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。

【００４４】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３０
ａ，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ａ
１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。

【００４５】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１６０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。

【００４６】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―８６、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８
８が接続されている。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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ＳＴＭ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。このように、光学的なピント合
わせが終了したところで、ＳＴＭ観察部位の位置決めを
行う。

【００５２】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ＳＴＭ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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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）。

【００５７】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。

【００５８】ｂ．３次元スキャナ―９５を広範囲（１０
μｍ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―９
２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。

【００５９】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
ェア―的につなぎ合せる）を行う。

【００６０】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。

【００６１】この例では、試料１２の測定面と探触針２
４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２０１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に導くための光フアイバ―（コ―ルドフアィバ
―）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、光フアイバ―２０２による試料１
２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２
０２ａ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―２
０２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２０
４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が接触することによ
る、両者の損傷を防ぐことができる。

【００６２】尚、図中、符号２０６は計測ユニット２０
０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。

【００６３】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ａ１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ａ
１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２０１ｂ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２１３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
動ボ―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、ｘ
ｙ方向テ―ブル２１６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。

【００６４】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ｘｙ方向テ―ブル２１６と中微動板２１
７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２２
３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２２
１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２２ｘｙ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２２１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２
２０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２２
２を作動させず、第１のアクチュエ―タ２１８のみを１
μｍ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。

【００６５】一方のばね受け２３０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２
３１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。

【００６６】次に、対物レンズユニット１４０を、図２
５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３０１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３００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３００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。

【００６７】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。

【００６８】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。このレンズ装着筒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。

【００６９】尚、前記第１ないし第３のレンズ３０６，
３０７，３１０と、凹面鏡５４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２００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。

【００７０】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２
６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４０１の前方には第１並びに第２の回動ア―ム４
０２ａ，４０２ｂの一端が位置している。第１のア―ム
部４０２ａの他端には、このア―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２０３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４０３ｃ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４０４ａ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―ム部４０２
ａ，４０２ｂには、先端が前記案内溝４０１ａ，４０１
ｂ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。

【００７１】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２０３を回動させることにより、歯
車４０３ａ，４０３ｂ並びにア―ム部４０２ａ，４０２
ｂ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４０３ｂ，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２
２）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。

【００７２】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５０３を介して回動板５０４が、ユニット１４
０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。

【００７３】尚、この図にて、符号５０５は、回動板５
０４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―ム５０１に回動可能に支承されている。

【００７４】なお、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。

【００７５】

【発明の効果】この発明により、走査型プローブ顕微鏡
の観察光学系、または、光学顕微鏡による試料の光学観
察と、この光学観察により特定される測定位置を探触針
で測定することができる。

【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―

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 門田 宏 (56)参考文献 特開 昭63−168853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−168853（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−103360（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−134855（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4343993（ＵＳ，Ａ) 第34回応用物理学関係連合講演会講演 予稿集：第２分冊，日本，社団法人応用 物理学会，1987年３月28日，334 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 H01J 37/28 G02B 21/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を光学的に観察し、探触針による測定
   位置を特定する観察光学系を備える走査型プローブ顕微
   鏡において、前記探触針と対物レンズとを備え、前記探
   触針が前記試料に対向する位置にある状態と、前記対物
   レンズが前記試料に対向する位置にある状態とを選択す
   るユニットを備えていることを特徴とする走査型プロー
   ブ顕微鏡。
2. 【請求項２】前記ユニットは着脱可能であることを特徴
   とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】前記探触針は、前記試料と対向する位置
   で、その中心軸が、前記対物レンズが前記試料に対向し
   ているときの光軸とほぼ一致するように支持されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載された走査型
   プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】前記探触針は前記観察光学系の光学視野内
   にあることを特徴とする請求項１または２に記載された
   走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】前記探触針は、前記光学視野内において、
   前記対物レンズの光軸が通る位置とほぼ一致する位置に
   配置されることを特徴とする請求項４記載の走査型プロ
   ーブ顕微鏡。
6. 【請求項６】前記観察光学系は、光学顕微鏡を構成し、
   金属顕微鏡、偏光顕微鏡、ノマルスキー微分干渉顕微
   鏡、蛍光顕微鏡、赤外線顕微鏡、実体顕微鏡、表面形状
   測定装置または顕微測光システムの内の一つを含むこと
   を特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載さ
   れた走査型プローブ顕微鏡。
7. 【請求項７】探触針と対物レンズとを備え、前記探触針
   が試料に対向する位置にある状態と、前記対物レンズが
   前記試料に対向する位置にある状態とを選択し、走査型
   プローブ顕微鏡に着脱可能であることを特徴とするユニ
   ット。
8. 【請求項８】前記探触針は、前記試料と対向する位置
   で、その中心軸が、前記対物レンズが前記試料に対向し
   ているときの光軸とほぼ一致するように支持されている
   ことを特徴とする請求項７に記載されたユニット。
9. 【請求項９】前記探触針は前記走査型プローブ顕微鏡の
   観察光学系の光学視野内にあることを特徴とする請求項
   ７に記載されたユニット。
10. 【請求項１０】前記探触針は、前記光学視野内におい
    て、前記対物レンズの光軸が通る位置とほぼ一致する位
    置に配置されることを特徴とする請求項９に記載された
    ユニット。
11. 【請求項１１】試料を光学的に観察する光学顕微鏡に着
    脱可能に設けられたユニットであって、探触針と対物レ
    ンズとを備え、前記探触針が前記試料に対向する位置に
    ある状態と、前記対物レンズが前記試料に対向する位置
    にある状態とを選択することを特徴とするユニット。