JPH01129106A - 走査トンネル顕微鏡を備えた透過型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は走査トンネル顕微鏡に係わり、特に電子顕微鏡
の試料ホルダに組み込むと共に、可動部を観察時機械的
にロックして剛性を上げるようにした電子顕微鏡用走査
トンネル顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重な
り合うｌｎｍ程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧が１ｍＶのとき、１
〜１０ｍＡ程度である。

このトンネル電流の大きさは、試料と探針との間の距離
により変化し、トンネル電流の大きさを測定することに
より試料と探針との間の距離を超精密測定することがで
き、探針位置が既知であれば試料の表面形状を原子レベ
ルで求めることができる。またトンネル電流が一定にな
るように探針位置を制御すれば探針位置軌跡により同様
に試料の表面形状を測定することができる。

このような原理に基づく走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａ
ｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｓ
略してＳＴＭ）は、大気中、液体中、真空中などどのよ
うな状態ででも使用できるため、近年、各方面で開発が
行われている。

〔発明が解決すべき問題点〕

ところで、このようなＳＴＭを走査形電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）の中に組み込み、二次電子像とＳＴＭ像を得ること
を目的にしたものの報告があり、透過型電子顕微鏡（Ｔ
ＥＭ）においてもＳＴＭ像を得ることが望まれていた。

しかしながら、ＴＥＭはＳＥＭより分解能が高いため、
対物レンズポールピースのギャップが狭く、ＳＴＭ走査
部が入らないことや、試料と針を近づける手段、試料の
良い視野に針を移動させる手段、試料にベーク、蒸着等
の加工を施した時、針に蒸気や金属が付着するのを防止
する手段等がな（、またＳＴＭ走査部の剛性を上げて耐
振性を良くする方法がないためにＴＥＭにＳＴＭを組み
込むことはできなかった。さらに、ＳＴＭでは電子レベ
ルの観察をするため外乱に対して対策が必要であるが、
３７Ｍ針とＳＴＭ走査部は粗動部に乗っており、可動部
分は一般に動けるために剛性が低くなり、そのため耐震
性が良（ないという欠点がある。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、ＴＥＭに
ＳＴＭを組み込み、試料の電子顕微鏡による観察とトン
ネル現象を利用した超精密測定とを可能にすると共に、
観察時には３７Ｍ針及びＳＴＭ走査部が乗っている可動
部を動かないようにロックして剛性を高め、耐振性を向
上することができる電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡を
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明は、電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡
において、電子顕微鏡の試料ホルダー中に設けられた３
軸移動機構と、３軸移動機構に取付けられた走査トンネ
ル顕微鏡走査機構とを備え、前記３軸移動機構は剛性を
上げるための固定機構を備えていることを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、電子顕微鏡の試料ホルダー中で走査トンネル
顕微鏡走査機構を３軸移動機構により移動可能にし、電
子顕微゛鏡により視野探しを行い、走査トンネル顕微鏡
による観察時には３軸移動機構可動部をロックすること
により、耐振性を向上させるようにしたものである。

〔実施例〕

以下、実施例を図面を参照して説明する。

まず、ＴＥＭにＳＴＭを組み込んだ電子顕微鏡用走査ト
ンネル顕微鏡を説明する。

第１図（イ）は本発明の電子顕微鏡用走査トンネル顕Ｗ
１鏡により反射像を得る場合の概略構成を示す図、第１
図（ロ）は電子線の軌跡を示す図で、図中、１はホルダ
ー、２は試料、３は試料固定台、４は３７Ｍ走査１．５
は３７Ｍ針、６は対物レンズ（ＯＬ）ポールピース、７
は光軸、８は偏向器、８ａ、８ｂは第１、第２偏向器、
９は対物レンズである。

ホルダー１　（詳細は後述する）は、図示しないサイド
エントリゴニオメータにより移動させられて試料２を所
定位置にセントするようになっている。このホルダー１
内には、試料２が試料固定台３に図示のように取りつけ
られ、またピエゾ素子からなるＳＴＭ走査部４が収納さ
れ、３７Ｍ針５が試料１に対向して設けられている。こ
のＳＴＭ走査部４は、約１．６鶴Ｘ　３　ｍ　Ｘ　５　
ｍｓ程度のもので、ホルダー１内に十分収納可能なよう
に構成されている。

こ゛のような構成において、光軸に沿って試料面に平行
に放出された電子線が、対物レンズ９の前方磁場と対物
レンズ上方に設置された偏向器８により曲げられかつ集
束されて試料面にある角度を持ってスポット状に照射さ
れそこで反射されたビームは光軸上を通って対物レンズ
下方に反射像を結像する（第１図口）、その反射像が図
示しない感光面状に結像されて試料面の観察が行われる
。

このとき、試料面が光軸に平行であるために、凹凸部分
が電子線に対して影となるために、その形状に対応して
縞が観察される。この凹凸の程度はＳＴＭ走査走査部子
動してＳＴＭ走査針５により超精密に測定される。この
場合、前述したようにＳＴＭの分解能は原子レベルであ
るので、３７Ｍ針の許容される振動の振幅は０．１Å以
下であるが、本発明においては試料と針とが１つのホル
ダー内に固定されているため耐振上極めて有利となる。

第２図は電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡により透過像
を得る場合の本発明の他の実施例を示す図である。

本実施例の場合には透過像を得るために試料面が光軸に
対して直角になっており、そのため３７Ｍ針が図示のよ
うに角度をもって試料面に対向している意思外は第１図
の場合と同様である。

第３図は本発明におけるホルダーの一実施例を示す図で
、同図（イ）は試料観察状態を示す図、同図（ロ）はＳ
ＴＭ走査走査状料から離した状態を示す図で、第１［ｆ
ｆｌと同一番号は同一内容を示している。なお、１１は
アーム、１２は球、１３．１４．１５はＯリング溝、１
６はバー、１７は内情、１８はダイアル、１９はロック
部材、２０はネジ、２１はネジ、２２はノブ、２３は導
線、２４はハーメチックシール部、２５はくさび、２６
はピエゾ素子、２７はピン、２８はネジ、２９はバネ、
３０ば導線収納空間、３１は貫通孔である。

本発明のホルダー構成は、ホルダー１の中に、内筒１７
に平行なＸ軸と、Ｘ軸に直交して球１２を支点とするＹ
軸及びＺ軸の３軸の試料移動機構を設け、そこにＳＴＭ
走査走査部子５を設けたものである。なお、光軸は紙面
に垂直方向、即ち試料面に平行になっている。

ホルダー１内には、試料固定台３が固定され、また内ｆ
ｌｆ　１゛７がホルダー軸方向に摺動可能なように内面
に接して設けられている。試料２は、その面がホルダー
１の中心軸に一致するように試料固定台３に固定され、
これに対向して針５がＳＴＭ走査走査部子端に取り付け
られ、ＳＴＭ走査走査部子−ム１１に固定されている。

内？Ｊ１７の先端部には真空シール用の０リング溝１３
を設けたテーパ部が設けられ、アーム１１と一体の理工
２を気密状態を保持して回動自在に受けるようになって
いる。そして球１２にはバー１６が一体に設けられ、そ
の先端はフリーで、バネ２８により上方へ付勢されると
共に、ネジ２１で下方へ押下げられるようになっている
。したがうて、ネジ２１を回してバー１６の自由端を上
下に動かすことにより、球Ｉ２を支点としてアーム！■
を動かすことができ、針５を試料に近づけたり離したり
することができる。また紙面に垂直にネジ２１と同様の
ネジ（図示せず）が設けてあり、このネジを操作するこ
とにより針５を試料面に沿って移動でき、視野探しを行
うことができる。

これらアーム１１、球１２、バー１６は、ホルダーＩの
中心軸から外れた偏心位置（図では上側）に設けられ、
その下方に導線２３の収納空間３０を形成するようにし
ている。また内筒１７とホルダー１との間は真空シール
用のＯリング溝１４が形成され、これとＯリング溝１３
とにより試料側を真空に保持し、また、ＳＴＭ走査走査
動駆動用トンネル電流取り出し用の導線２３の為のハー
メチックシール部２４が形成されている。また内筒１７
は、ダイアル１８のネジ部と噛み合うネジ２０を有し、
ダイアル１８を回すと内筒１７はピン２７により回転で
きないため、軸方向に移動する。この移動により試料の
軸方向の視野探しを行うことができる。また内筒１７の
内面にはテーバ杖先端部が球１２の所まで伸びると共に
、ネジ２１が貫通する貫通孔３１が設けられたロック部
材１９が設けられ、また後端部には、ノブ２２が取付け
られるネジ２８が設けられ、ロック部材の後端と接して
いる。そして、ノブ２２を回し、ロック部材１９を押す
ことにより、ロック部材先端のテーバが球１２を押圧し
て固定し、Ｙ軸及びＺ軸方向へのアーム１１の動き難く
して剛性を上げられるようになっている。

また内筒１７のホルダー１との接触面の一部にテーパを
持った溝が設けられ、この溝にはくさび２５と、くさび
を押す積層型のピエゾ素子２６が設けられ、ピエゾ素子
２６を駆動して伸ばすことによりくさび２５を押し、内
筒１７とホルダー１との間に圧入させることにより、内
筒１７をＸ軸方向にロックして剛性を上げる構造となっ
ている。

このような構成において、図示しないサイドエントリゴ
ニオメータにホルダー１を挿入し、ホルダーを移動させ
ることにより試料移動を行って視野探しを行い、反射像
観察法により試料面を観察する。こうして得られた反射
像の中でさらにＳＴＭにより観察したい領域を設定し、
ダイアル１８で軸方向移動、ネジ２１で試料との接近、
ネジ２１と同様の図示しない紙面に直交するネジで試料
面に沿った方向の針の移動を行う、ネジ２１で計５を試
料に近づける場合、ＴＥＭ法で試料と針のギャップを観
察しながらトンネル゛電流を検出できる距離まで接近さ
せるようにすれば、針を試料に衝突させて針と試料に損
傷を与えることを防ぐことができる。こうして、針のセ
ットを行った後、ノブ２２を回してロック部材１９を押
して球１２、アーム１１を固定し、さらにピエゾ素子２
６を駆動して内筒１７を固定することにより全体として
剛性を上げて３７Ｍ走査の耐振性を良くしてＳＴＭ法に
よる超精密測定を行う。

なお、ホルダー１内での試料の加工を行う場合には、ネ
ジ２１を回して針５を試料２から離し、周囲に当たらな
くなる状態にしてダイアル１８を回すことにより内筒１
７を引き込んで第３図（口に示す状態とし、この状態で
試料のベータ、蒸着等を行えば、針が試料面から離れて
いるので金属や蒸気が針に付着する等の悪影響を防止す
ることができる。

次に、第４図、第５図に基づいて本発明の固定機構の具
体例について説明する。

ＳＴＭ走査機構及び探針は、前述したように３軸方向全
てに粗動できるようになっており、そのためロック機構
は３軸全てについて行わなければならないが、この内Ｙ
、Ｚ軸（第３図において紙面に垂直方向と試料面に対し
て垂直方向）は同一の機構（球状支点で第３図の球１２
）を使用しているので共通化でき、ロック機構はＸ軸方
向（第３図のホルダー軸方向）との２つの機構ですむこ
とになる。

第４図は本発明の内筒ロック機構（Ｘ軸方向）の実施例
を示す図である０図中、４０はエアーポンプ、４１はエ
アーシリンダー、４２は第１のロッド、４３はＯリング
、４４はクランク、４５は軸、４６は第２のロッド、４
７はスライド板、４８はピン、４９は長孔、５０は板バ
ネ、５１はくさびである。

この実施例のくさび５１はスライド板４７の先端に設け
られ、先の例と同様にホルダー１と内筒１７の間のテー
パーの溝に位置している。スライド板４７は、常時板バ
ネ５０に取付けられ、くさび５１を後方へ引くように作
用し、クランク４４を介し、Ｏリング４３で真空シール
された第１のロッド４２によりエアーシリンダー４１に
連結している。したがって、エアシリンダは大気側に配
置されるので、操作が容易となる。

観察時には大気側でエアーポンプ４０を駆動し、エアー
シリンダー４１を矢印方向に駆動すると、第１のロッド
４２によりクランク４４が引かれ、第２のロッド４６を
介してスライド板４７は板バネ５０の力に抗して矢印方
向に摺動し、くさび５１を押して内筒１７とホルダー１
との間に圧入させる。その結果、内筒１７をロックして
剛性を上げることになる。この実施例では、エアーポン
プ４０のエアー圧の最大は３ｋｇ／ｃｄ、エアーシリン
ダー４１は最大は１．１５ｋｇ／−のものを使用してい
る。

第５図は球状支点のロック機構（Ｙ、Ｚ軸方向）の実施
例を示す図で、図中、６０はエアーポンプ、６１はエア
ーシリンダー、６２は第１のロッド、６３は０リング、
６４はクランク、６５は軸、６６は第２のロッド、６７
はスライド板、６８はピン、６９は長孔、７０は係合凹
部、７１はＵ型てこ、７２は軸、７３はコイルバネ、７
４は支点押さえパイプである。

支点押さえバイブ７４の先端は先の例のロック部材と同
様に、テーパ状をしており、球１２を押正固定し、Ｙ軸
及びＺ軸方向へのアーム１１を動き難くして剛性を上げ
られるようになっている。

支点押さえパイプ７４の後端部には、コイル７３が設け
られて後端方向に引かれていると共に、Ｕ型でこ７１の
一方が当接し、Ｕ型てこ７１の他方はスライド板６７に
設けられた係合凹部７０に係合し、スライド板６７によ
り摺動可能となっている。スライド板６７はクランク６
４を介し、さらにＯリング４３で真空シールされた第１
のロッド４２を介してエアーシリンダー４１に連結して
いる。このエアシリンダも大気側に配置される。

観察時にはエアーポンプ６０を駆動し、エアーシリンダ
ー６１を矢印方向に駆動すると、第１のロッド６２によ
りクランク４４は同方向に引かれ、第２のロンドロ６を
介し、スライド板６７も矢印方向に摺動し、Ｕ型てこ７
１によりて支点押さえパイプ７４を矢印方向に押し、球
１２を押圧固定し、Ｙ軸及びＺ軸方向へのアーム１１の
動き難くして剛性を上げる。この実施例のエアーポンプ
４０のエアー圧の最大及びエアーシリンダー４１は最大
は上記Ｘ軸のロック機構と同様である。

なお、上記実施例では針の移動、ロック等をネジ、エア
シリンダによる駆動力を使用して行う例について説明し
たが、てこの原理を使用したり、ピエゾ素子を用いて行
う等、駆動機構はどのような手段を使用してもよい。

また上記実施例では反射像による観察についてのホルダ
ー構成について説明したが、第２図に示す透過像による
観察の場合のホルダー構成も、針と試料面との角度が変
わるだけで他の構成は全く同様である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、試料ホルダーの中にＸ、
Ｙ、２３軸の移動機構を設け、これにＳＴＭ走査機構を
取付けることにより、電子顕微鏡の試料移動機構により
視野探しを行うで後、走査トンネル顕微鏡により超精密
に観察することができ、その際、大気側より駆動できる
ＳＴＭ走査走査付取付、支持部の固定機構を設けること
により剛性を上げて耐振性を向上させることができ、ま
た固定機構を人手でなくエアーシリンダーを用いて行う
ことにより、観察中に像が動くことを防止でき、精密な
観察を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本発明の電子顕微鏡用走査トンネル顕微
鏡により反射像を得る場合の概略構成を示す図、第１図
（ロ）は電子線の軌跡を示す図、第２図は電子顕微鏡用
走査トンネル顕微鏡により透過像を得る場合の本発明の
他の実施例を示す図、第３図は本発明におけるホルダー
の一実施例を示し、同図（イ）は試料観察状態を示す図
、同図（ロ）はＳＴＭ走査部を試料から離した状態を示
す図、第４図は本発明の実施例のＸ軸方向のロック機構
について説明する図、第５図は本発明の実施例のＹ、Ｚ
軸方向のロック機構について説明する図である。 ｌ・・・ホルダー、２・・・試料、３・・・試料固定台
、４・・・ＳＴＭ走査部、５・・・３７Ｍ針、６・・・
対物レンズ（ＯＬ）ポールピース、７・・・光軸、１１
・・・アーム、１２・・・球、１６・・・バー、１７・
・・内筒、１８・・・ダイアル、１９・・・ロック部材
、２２・・・ノブ、２３・・・導線、２８・・・ネジ、
４１・・・エアーシリンダー、４４・・・クランク、４
７・・・スライド板、５０・・・板バネ、５１・・・く
さび、６１・・・エアーシリンダー、６４・・・クラン
ク、６７・・・スライド板、７１・・・Ｕ型てこ、７３
・・・コイルバネ、７４・・・支点押さえパイプ。 出　　願　　人　　日本電子株式会社 代理人　弁理士　　蛭　川　昌　信（外３名）手　続　
（甫　正　書　（方式） 昭和６３年　３月　１日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 ２、発明の名称　電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡のロ
ック機構 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　　所　東京都昭島市武蔵野三丁目１番２号名　　称
　　（４２７）日本電子株式会社代表者　竹　内　　　
隆 ４、代理人 、５．補正命令の日付　　昭和６３年　２月　３日発送
日　　昭和６３年　２月２３日

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡において、電子
   顕微鏡の試料ホルダー中に設けられた３軸移動機構と、
   ３軸移動機構に取付けられた走査トンネル顕微鏡走査機
   構とを備え、前記３軸移動機構は剛性を上げるための固
   定機構を備えていることを特徴とする電子顕微鏡用走査
   トンネル顕微鏡のロック機構。
2. （２）固定機構は、試料ホルダと、前記走査機構が取付
   けられた球状支点部材を先端部で回動自在に支持し、試
   料ホルダ内に嵌合する内筒との間にくさびを圧入させる
   内筒固定手段からなる特許請求の範囲第１項記載の電子
   顕微鏡用走査トンネル顕微鏡のロック機構。
3. （３）固定機構は、試料ホルダ内に嵌合する内筒の先端
   部で回動自在に支持された走査機構が取付けられた球状
   支点部材を、内筒内面に設けられた支点押さえパイプで
   押圧する球状支点部材固定手段からなる特許請求の範囲
   第１項記載の電子顕微鏡用走査トンネル顕微鏡のロック
   機構。