JPH02147804A

JPH02147804A - 走査型トンネル顕微鏡装置

Info

Publication number: JPH02147804A
Application number: JP29968988A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Tsuda; 津田　展宏; Takafumi Yamada; 啓文山田; Fumihiko Ishida; 文彦石田; Masakazu Hayashi; 正和林; Tamiyoshi Yasunaga; 安永　民好; Junzo Uchida; 内田　順三
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1990-06-06
Anticipated expiration: 2009-04-06
Also published as: JPH0625642B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は物質の表面形状等を非接触で高精度に観察す
る走査型トンネル顕微鏡装置の改良に関する。

（従来の技術）近時、微小な観察対象物を観察する顕微鏡装置として米
国特許４３４３９９３号に示されているように例えば原
子を観察できる程度に分解能が高い走査型トンネル顕微
鏡（以下ＳＴＭと称する）装置が開発されている。これ
は、顕微鏡本体に設けられた探針の先端を探針先端の原
子の電子雲と観察対象物（試料）の原子の電子雲とが重
なり合うｌｎｍ程度まで観察対象物に近づけ、この状態
で探針と観察対象物との間に電圧をかけた場合に流れる
トンネル電流の大きさを測定し、この測定結果にもとづ
いて探針と観察対象物との間の距離を超精密に測定する
ようにしたものである。この場合、トンネル電流の大き
さは探針と観察対象物との間の距離に応じて指数関数的
に変化する。そのため、ＳＴＭではこのトンネル電流の
距離依存性を利用して探針の先端を観°察対象物にｌｎ
ｍ程度まで近づけた状態でこの探針で観察対象物の表面
を２次元的に走査し、この観察対象物表面の各測定点で
トンネル電流の大きさを測定して各測定点における探針
と観察対象物との間の距離を超精密に測定し、各測定点
で測定した距離をプロットすることにより、観察対象物
の表面の３次元像を得るものである。なお、実際の測定
では探針と観察対象物との間の距離を高精度に検出する
ことは難しいので、トンネル電流が一定になるように探
針を観察対象物の表面の凹凸に倣って上下動作させなが
ら走査させ、この探針の上下動作にもとづいて観察対象
物の表面の３次元像を得るようになっている。

ところで、この種のＳＴＭにおける探針の走査手段とし
ては従来から第１１図に示すように圧電セラミックスの
ＰＺＴをＸＹＺ方向に直交させたトライッポッドａと呼
ばれる微動機構、或いは第１２図に示すように円筒状の
圧電セラミックスｂの内周面に電極ｚ１外周面に電極ｘ
、ｙ、−Ｘ、−ｙをそれぞれ貼着させたチューブスキャ
ナーＣ等が広く用いられている。しかしながら、トライ
ツボッドａ型の微動機構やチューブスキャナーＣ等では
駆動素子の変位量によって走査範囲が制限されるので、
この制限範囲よりも大きな走査範囲を得ることができな
い問題があった。そのため、トライッポッドａ型の微動
機構やチューブスキャナーＣ等では走査領域が狭いので
、観察対象物の表面を広い範囲に亙って測定することが
できない問題があった。

そこで、例えば昭和６２年度精密工学会秋季大会学術講
演会論文集第２４９〜２５０頁の文献に示されるような
重畳型の平行ばねを用いた走査領域の拡大機構が考えら
れている。しかしながら、この場合には探針を水平方向
に駆動させる構成になっているので、観察対象物を保持
するテーブルの観察対象物保持面を鉛直方向に沿って配
置しなければならない問題があった。そのため、観察対
象物をテーブルの観察対象物保持面に強固に固定する必
要があるので、観察対象物の取付は位置を移動させる機
構を設けることが難しく、観察対象物の観察領域が限定
される問題があった。さらに、テーブルの観察対象物保
持面に装置できる観察対象物の大きさ、厚さ、重量等が
制限される問題もあった。

（発明が解決しようとする課題）探針の走査手段としてトライッポッドａ型の微動機構や
チューブスキャナーＣ等を使用した場合には駆動素子の
変位量によって走査範囲が制限され、この制限範囲より
も大きな走査範囲を得ることができないので、観察対象
物の表面を広い範囲に亙って測定することができない問
題があった。

また、重畳型の平行ばねを用いた走査領域の拡大機構の
場合には探針を水平方向に駆動させる構成になっている
ので、観察対象物の取付は位置を移動させる機構を設け
ることが難しく、観察対象物の観察領域が限定される問
題があるとともに、テーブルの観察対象物保持面に装着
できる観察対象物の大きさ、厚さ、重量等が制限される
問題もあった０この発明は上記事情に廿日してなされたもので、試料表
面の観察領域を拡大させることができるとともに、試料
表面の微細構造を精度よく測定することができ、かつ試
料の大きさ等の制限を低減することができる走査型トン
ネル顕微鏡装置を提供することを目的とするものである
。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明はバイモルフ型圧電素子の変位動作にともない
試料の保持テーブルを水平面に沿って互いに直交する２
方向に２次元に微小変位させる微動機構によってテーブ
ル駆動機構を形成するとともに、この微動機構の駆動方
向と同方向にテーブルを微動機構による変位量よりも大
きな変位量で粗動させる粗動機構を設けたものである。

（作用）粗動機構によって試料の保持テーブルを互いに直交する
２方向に大きな変位スで粗動させることによ慎、試料表
面の観察領域を拡大させるとともに、微動機構によって
テーブルを水平面に沿って互いに直交する２方向に２次
元に微小変位させることにより、試料表面の微細構造を
精度よく測定させ、さらに探針を鉛直方向に沿って駆動
させることにより、テーブルの試料保持面を水平面に沿
って配置してテーブルの試料保持面に装着される試料の
大きさ等の制限を低減するようにしたものである。

（実施例）以下、この発明の一実施例を第１図乃至第６図を衾照し
て説明する。第１図は走査型トンネル顕微鏡装置の要部
の概略構成を示すもので、１は走査型トンネル顕微鏡装
置本体、２はこの顕微鏡装置本体１の基台である。この
基台２上には試料３の保持テーブル４を互いに直交する
２方向に２次元に走査するテーブル駆動機構５および後
述するＺ軸機構（探針駆動機構）６を支持するカラム７
がそれぞれ設けられている。

また、テーブル駆動機構５はテーブル４を水平面に沿っ
て互いに直交する２方向に２次元に微小変位させる微動
機構８によって形成されている。

この場合、微動機構８にはテーブル４を水平面に沿って
Ｘ方向に微小変位させるＸ方向微動機構９とテーブル４
を水平面に沿ってこのＸ方向微動機構９の変位方向と直
交するＹ方向に微小変位させるＸ方向微動機構１０とが
上下２段に重ねられた状態で設けられている。これらの
Ｘ方向微動機構９およびＸ方向微動機構１０は第２図に
示す構成になっている。

第２図中で、１１は激動機構の本体である。この微動機
構本体１１の中央には試料３の保持テーブル４が配置さ
れており、このテーブル４の両側にＸ方向（またはＹ方
向）に沿って２対のバイモルフ型圧電素子１２ａ、１２
ｂ、１３ａ、１３ｂがそれぞれ離間対向配置されている
。また、テーブル４の両側面にはＸ方向（またはＹ方向
）に向けて突起部１４　ａ、１−４　ｂが突設されてお
り、これらの突起部１４ａ、１４ｂに各バイモルフ型圧
電素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、ｉ３ｂにおける長手力
向略中央部位が固定されている。さらに、各バイモルフ
型圧電素子１２　ａ、　　１２　ｂｓ　１３　ａ。

１３ｂの両端部は固定板１５の両端に突設された一対の
支持突部１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ間に架設状態
で装着されている。

また、第３図および第４図は各バイモルフ型圧電素子１
２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの概略構成を示すもので
ある。すなわち、各バイモルフ型圧電素子１２ａ、１２
ｂ、１３ａ、１３ｂは第３図に示すように電圧を印加す
ると長さ方向に伸縮する２枚の圧電索子Ａ、Ｂを貼り合
わせて形成されており、一方を伸ばすと同時に他方を縮
めることにより、屈曲変位を発生させるものである。さ
ラニ、各バイモルフ型圧電素子１２ａ、１２ｂ％１３ａ
、１３ｂを構成する一方の圧電素子Ａの外面には第４図
に示すように複数の分割電極１８ａ。

１９ａ、２０ａ、２１ａ、他方の圧電素子Ｂの外面には
これらの分割電極１８ａ、１９ａ、２０ａ。

２１ａと対応する位置に各分割電極１８ｂ。

１９ｂ、２０ｂ、２１ｂがそれぞれ並設されている。ま
た、各バイモルフ型圧電素子１２ａ。

１２ｂ、１３ａ、１３ｂを構成する２枚の圧電素子Ａ、
Ｂ間には電極２２が介設されている。なお、第３図中の
各圧電素子Ａ、Ｂの矢印は分極方向を示している。さら
に、第５図は各バイモルフ型圧電素子１２ａ、１２ｂ、
１３ａ、１３ｂの各分割電極］、８ａ、１９ａ、２０ａ
、２１ａ、１８ｂ。

１９ｂ、２０ｂ、２１ｂおよび電極２２の配線状態を示
すものである。

そして、この微動機構本体１１は各バイモルフ型圧電素
子１２ａ、、１２ｂ、１３ａ、１３ｂに電圧が印加され
ない不動作状態では第３図中に実線で示すように各バイ
モルフ型圧電素子１２ａ。

１２ｂ、１３ａ、１３ｂがそれぞれ略直線状の通常状態
で保持されるようになっており、この状態ではテーブル
４は所定の不動作位置で保持されるようになっている。

また、各バイモルフ型圧電素子１２ａ、１２ｂ、１３ｇ
、１３ｂに電圧が印加された場合には各バイモルフ型圧
電素子１２ａ。

１２ｂ、１３ａ、１３ｂを形成、している２枚の圧電素
子Ａ、Ｂはその両端側では一方の圧電素子Ａが長さ方向
に伸びると同時に他方の圧電素子Ｂが長さ方向に縮む方
向に変形するとともに、この内側では圧電素子Ｂが長さ
方向に伸びると同時に圧電素子Ａが長さ方向に縮む方向
に変形し、各バイモルフ型圧電素子１２ａ、１２ｂ、１
３ａ。

１３ｂ全体は第３図中に仮想線で示すように絡りなり状
に変形するようになっている。この場合、Ｘ方向微動機
構９は各バイモルフ型圧電素子１．２ａ、１２ｂ、１３
ａ、１３ｂがそれぞれテーブル４のＸ方向に沿って並設
されているので、各バイモルフ型圧電素子１２　ａ、　
　１２　ｂｓ　１３　ａ。

１３ｂの変形によってテーブル４がＸ方向に変位し、同
様にＸ方向微動機構１０は各バイモルフ型圧電素子１２
ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂがそれぞれテーブル４のＸ
方向に沿って並設されているので、各バイモルフ型圧電
素子１２ａ、１２ｂ％１３ａ、１３ｂの変形によってテ
ーブル４がＸ方向に変位するようになっている。

また、顕微鏡装置本体１には微動機構８の駆動方向と同
方向にテーブル４を微動機構８にＪる変位量よりも大き
な変位量で粗動させる粗動機構２４が設けられている。

この粗動機構２４にはテーブル４を水平面に沿ってＸ方
向に粗動させるＸ方向粗動機構２５とテーブル４を水平
面に沿ってＸ方向に粗動させるＸ方向粗動機構２６とが
上下２段に重ねられた状態で設けられている。この場合
、Ｘ方向粗動機構２５およびＸ方向粗動機構２６は例え
ばマイクロメータによって形成されている。

さらに、顕微鏡装置本体１の基台２上にはテーブル４上
の試料３の傾きを補正するチルトステージ２７が設けら
れている。このチルトステージ２７には略水平方向に沿
う切欠部２８が形成されているとともに、内部に切欠部
２８の上側部分２７ａを引張る図示しない引張りボルト
およびこの切欠部２８の上側部分２７ａを押圧する図示
しない押圧ボルトがそれぞれ装着されている。そして、
これらの各ボルトのねじ込み量の調整にともないチルト
ステージ２７の切欠部２８の上側部分２７ａを弾性変形
させることにより、テーブル４上の試料３の傾きを補正
するようになっている。

一方、テーブル４上の試料３の上方には微小電流検出用
の探針２９が対向配置されている。この探針２９は例え
ば長さ数ｍｍ〜数１０ｍｍ、直径数ｍｍ以下のタングス
テンや白金等のチップの先端を電解研磨や機械加工（グ
ラインディング）等の手段によって直径０．１μｍ以下
程度まで鋭利に加工したもので、この探針２９の基端部
が探針２９をテーブル４の走査方向に対し垂直方向に駆
動するＺ軸機構６の微動機構３０に固定されている。ま
た、Ｚ軸機構６にはカラム７の上端部に装着されたねじ
、送り式の第１の粗動機構３１、この第１の粗動機構３
１に取付けられた平行ばねによる第２の粗動機構３２お
よびこの第２の粗動機構３２に取付けられた微動機構３
０がそれぞれ設けられている。この微動機構３０は圧電
素子単体によって形成されている。

また、第６図は走査型トンネル顕微鏡装置本体１の制御
回路を示すものである。第６図中で、３３は例えばマイ
クロコンピュータおよびその周辺回路によって形成され
た制御部である。この制御部３３にはＡ／Ｄ変換器３４
およびＤ／Ａ変換器３５がそれぞれ接続されているとと
もに、例えばキーボード等の操作部３６および例えばｘ
ｙブロック−や濃度表示のための画像メモリ等を有する
ＣＲＴ等によって形成された表示部３７がそれぞれ接続
されている。さらに、Ａ／Ｄ変換器３４には制御回路３
８が接続ぎれている。この制御回路３８は比較増幅器３
９を介して基準電源４０に接続されている。また、比較
増幅器３９には増幅器４１を介して探針２９が接続され
ている。さらに、制御回路３８には駆動回路４２を介し
てＺ軸微動機構３０が接続されている。

また、Ｄ／Ａ変換器３５には増幅器４３を介してＸ方向
微動機構９が接続されているとともに、増幅器４４を介
してＸ方向微動機構１０が接続されている。なお、テー
ブル４上の試料３には電源回路４５から所定のバイアス
電圧が印加されている。

次に、上記構成の作用について説明する。

まず、テーブル４上に試料３を装着する。そして、この
状態で、マイクロメータによって形成されるＸ方向粗動
機構２５およびＹ方向粗動機構２６を手動操作して試料
３をテーブル４を水平面に沿ってＸ方向およびＹ方向に
粗動させ、試料３の表面上の所望のｆｉｌ定部分を探針
２９と対向配置する。

続いて、テーブル４上の試料３に電源回路４５を接続し
て所定のバイアス電圧を印加させる。この状態で、次に
Ｚ軸機構６の第１の粗動機構３１および第２の粗動機構
３２を手動操作して探針２９を下降させ、この探針２９
の先端をテーブル４上の試料３に接近させる。この場合
、探針２９の先端とテーブル４上の試料３との間隔が２
ｎｍ以下でトンネル電流が流れるトンネル領域まで探針
２９の先端をテーブル４上の試料３に接近させる。そし
て、この状態で制御部３３からの制御信号をＤ／Ａ変換
器３５、増幅器４３を介してＸ方向微動機構９に供給す
るとともに、同様に制御部３３からの制御信号をＤ／Ａ
変換器３５い増幅器４４を介してＸ方向微動機構１０に
供給し、これらのＸ方向微動機構９およびＸ方向微動機
構１０によってテーブル４上の試料３をＸ方向およびＹ
方向に走査させる。

さらに、テーブル４上の試料３をＸ方向およびＹ方向に
走査させる際に探針２９によって検出されるトンネル電
流は増幅器４１によって増幅されたのち、比較増幅器３
９に入力される。そして、この比較増幅器３９によって
基準電源がら出力される基準電流と検出トンネル電流と
が比較されその誤差分がこの比較増幅器３９によって増
幅されたのち、制御回路３８に入力される。また、この
制御回路３８からは基準電流と検出トンネル電流との誤
差分をＯにする方向に探針２９を駆動するための制御信
号が出力される。そして、この制御信号は駆動回路４２
によって電圧増幅された状態でＺ輔微動機構３０に供給
され、この２軸微動機構３０によって探針２９の先端と
テーブル４上の試料３との間に流れるトンネル電流を一
定に保持させる状態で探針２９がテーブル４の走査方向
と垂直方向に駆動される。この場合、制御回路３８から
駆動回路４２に供給される制御信号はＡ／Ｄ変換器３４
でディジタル信号に変換されたのち、テーブル４上の試
料３をＸ、Ｙ方向に走査させるＸ方向微動機構９および
Ｘ方向微動機構１０の制御信号と同期させた状態で制御
部３３に入力される。そして、この入力信号にもとづい
て制御部３３によって試料３の表面形状（凹凸状態）に
関する情報が処理され、検出された試料３の表面形状が
表示部３７のＣＲＴ等に表示される。

そこで、上記構成のものにあってはバイモルフ型圧電素
子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの変位動作にともな
い試料３の保持テーブル４を水平面に沿ってＸ方向に微
小変位させるＸ方向微動機構９およびこのＸ方向微動機
構９の変位方向と直交するＹ方向に微小変位させるＸ方
向微動機構１０によってテーブル駆動機構５を形成する
とともに、Ｘ方向微動機構９およびＸ方向微動機構１０
の駆動方向と同方向にテーブル４を微動機構９．１０に
よる変位量よりも大きな変位量で粗動させるＸ方向粗動
機構２５およびＹ方向粗動機構２６を設けたので、粗動
機構２５．２６によって試料３の保持テーブル４を互い
に直交する２方向に大きな変位量で粗動させることかで
きる。そのため、従来に比べて試料３の表面の観察領域
を大幅に拡大させることができる。

さらに、Ｘ方向微動機構９およびＸ方向微動機構１０の
各バイモルフ型圧電素子１２ａ、１２ｂ。

１３ａ、１３ｂを構成する一方の圧電素子Ａの外面に複
数の分割電極１８ａ、１９ａ、２０ａ。

２１ａ１他方の圧電素子Ｂの外面にも同様に複数の分割
電極１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ、２１ｂをそれぞれ並設さ
せ、各バイモルフ型圧電索子１２ａ。

１２ｂ、１３ａ、１３ｂに電圧が印加された場合に各バ
イモルフ型圧電素子１．２ａ、１２ｂ。

１３ａ、１３ｂを形成している２枚の圧電素子Ａ。

Ｂの両端側では一方の圧電素子Ａが長さ方向に伸びると
同時に他方の圧電素子Ｂが長さ方向に縮む方向に変形さ
せるとともに、この内側では圧電素子Ｂが長さ方向に伸
びると同時に圧電素子Ａが長さ方向に縮む方向に変形さ
せることにより、各バイモルフ型圧電索子１２　ａ・、
１２　ｂ　ｓ　１３　ａ　。

１３ｂ全体を略弓なり状に変形させるようにしたので、
テーブル４のＸ方向およびＸ方向の変位量（ストローク
）を比較的大きくすることができ、試料３の表面形状の
測定時における保持テーブル４の走査領域の拡大を図る
ことができる。

また、微動機構９，１０によってテーブル４を水平面に
沿って互いに直交する２方向に２次元に微小変位させる
ことができるので、試料３の表面の微細構造を精度よく
測定させることができる。

さらに、探針２９を鉛直方向に沿って駆動させるように
したので、テーブル４の試料保持面を水平面に沿って配
置することができる。そのため、探針２９を水平方向に
駆動させる場合のようにテーブル４の試料保持面に試料
３を格別に強固に固定する必要がないので、テーブル４
の試料保持面に装着される試料３の取扱いを容易化する
ことができ、テーブル４の試料保持面に装着できる試料
３の大きさ、厚さ、重量等が制限されることを防止する
ことができる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、Ｘ方向微動機構９およびＸ方向微動機構１０
は第７図乃至第９図に示す構成にしてもよい。

第７図中で、５１は微動機構の本体である。この微動機
構本体５１の中央には試料３の保持テーブル４、このテ
ーブル４の周囲には互いに所定間隔離間させた状態で３
層に積層された略矩形枠状の枠体５２．５３．５４がそ
れぞれ配置されている。また、外側の第１の枠体５２に
はテーブル４のＸ方向（またはＸ方向）に沿う一対の対
向壁面に圧電素子取付は用開口部５５ａ、５５ｂがそれ
ぞれ形成されている。これらの開口部５５ａ。

５５ｂにはテーブル４のＸ方向（またはＸ方向）両側に
平行に離間対向配置させた一対のバイモルフ型圧電素子
５６ａ、５６ｂがそれぞれ配設されている。この場合、
バイモルフ型圧電素子５６ａ。

５６ｂはその両端部が開口部５５ａ、５５ｂの両端部間
に架設状態で装着されている。そして、この第１の枠体
５２によって一対のバイモルフ型圧電素子５６ａ、５６
ｂの両端部間を連結させる第１の支持フレームが形成さ
れている。

また、バイモルフ型圧電素子５６ａ、５６ｂは第８図に
示すように電圧を印加すると長さ方向に伸縮する２枚の
圧電索子Ａ、Ｂを貼り合わせて形成されており、一方を
伸ばすと同時に他方を縮めることにより、屈曲変位を発
生させるものである。

なお、第９図はバイモルフ型圧電素子５６ａ。

５６ｂの電極構造を示すもので、第９図中の各圧電素子
Ａ、Ｂの矢印は分極方向を示し、また図全体は片持ち支
持のバイモルフ型圧電素子機構を示している。

さらに、第１の枠体５２の内側の第２の枠体５３にはテ
ーブル４のＸ方向（またはＸ方向）に沿う一対の対向壁
面の略中央部位にバイモルフ型圧電素子５６ａ、５６ｂ
側に向けて突設された突起部５７ａ、５７ｂが形成され
ている。これらの突起部５７ｇ、５７ｂにはバイモルフ
型圧電素子５６ａ、５６ｂにおける長手方向略中央部位
が固定されている。

また、第２の枠体５３にはバイモルフ型圧電素子５６ａ
、５６ｂと同一構成のバイモルフ型圧電素子５８ａ、５
８ｂがテーブル４のＸ方向（またはＸ方向）両側に平行
に離間対向状態で配設されている。この場合、バイモル
フ型圧電素子５８ａ。

５８ｂはその両端部が第２の枠体５３の支持突起５９ａ
、５９ａ間に架設状態で装着されている。

そして、この第２の枠体５２によって一対のバイモルフ
型圧電素子５８ａ、５８ｂの両端部間を連結させる第２
の支持フレームが形成されている。

さらに、第２の枠体５３の内側の第３の枠体５４にはテ
ーブル４のＸ方向（またはＸ方向）に沿う一対の対向壁
面の略中央部位にバイモルフ型圧電素子５８ａ、５８ｂ
側に向けて突設された突起部６０ａ、６０ｂが形成され
ている。これらの突起部６０ａ、６０ｂにはバイモルフ
型圧電素子５８ａ、５８ｂにおける長手方向略中央部位
が固定されている。

また、第３の枠体５４にはバイモルフ型圧電素子５８ａ
、５８ｂと同一構成のバイモルフ型圧電素子６１ａ、６
１ｂがテーブル４のＸ方向（またはＸ方向）両側に平行
に離間対向状態で配設されている。この場合、バイモル
フ型圧電素子６１ａ。

６１ｂはその両端部が第３の枠体５４の支持突起６２ａ
、６２ａ間に架設状態で装着されている。

そして、この第３の枠体５３によって一対のバイモルフ
型圧電素子６１ａ、６１ｂの両端部間を連結させる第３
の支持フレームが形成されている。

さらに、第３の枠体５３の内側のテーブル４にはＸ方向
（またはＸ方向）に沿う一対の対向壁面の略中央部位に
バイモルフ型圧電素子６１ａ。

６１ｂ側に向けて突設された突起部６３ａ２６３ｂが形
成されている。これらの突起部６３ａ。

６３ｂにはバイモルフ型圧電素子６１ａ、６１ｂにおけ
る長手方向略中央部位が固定されている。

そして、この微動機構本体５１は各バイモルフ型圧電素
子５６ａ、５６ｂ、５８ａ、５８ｂｓ６１ａ、６１ｂに
電圧が印加されない不動作状態では第８図および第９図
中に実線で示すように各バイモルフ型圧電素子５６　ａ
　、５６　ｂ　ｓ　５８　ａ　。

５８ｂ、６１ａ、６１ｂがそれぞれ略直線状の通常状態
で保持されるようになっており、この状態ではテーブル
４は所定の不動作位置で保持されるようになっている。

また、微動機構本体１１は各バイモルフ型圧電素子５６
ａ、５６ｂ、５８ａ。

５８ｂ、６１ａ、６１ｂに電圧が印加された場合には各
バイモルフ型圧電素子５６　ａ、　５６　ｂｓ５８ａ、
５８ｂ、６１ａ、６１ｂが第８図中に仮想線で示すよう
に各バイモルフ型圧電素子５６ａ。

５６ｂ、５８ａ、５８ｂ、６１ａ、６１ｂを形成してい
る２枚の圧電素子Ａ、Ｂの一方の圧電素子Ａが長さ方向
に伸びると同時に他方の圧電素子Ｂが長さ方向に縮む状
態で略号なり状に変形する。

この場合、Ｘ方向微動機構９は各バイモルフ型圧電素子
５６　ａ　、５６　ｂ　ｓ　５８　ａ　、５８　ｂ　％
　６１　ａ　。

６１ｂがそれぞれテーブル４のＸ方向に沿って並設され
ているので、外側のバイモルフ型圧電素子５６ａ、５６
ｂの変形によって第１の枠体５１に対して第２の枠体５
２がテーブル４のＸ方向にｘｌだけ変位し、同様にバイ
モルフ型圧電素子５８ａ、５８ｂの変形によって第２の
枠体５２に対して第３の枠体５３がテーブル４のＸ方向
にｘ２だけ変位し、バイモルフ型圧電素子６１ａ。

６１ｂの変形によって第３の枠体５２に対してテブル４
がＸ方向にｘ３だけ変位する。したがって、テーブル４
は第１の枠体５１に対してテーブル４のＸ方向にＸＩ　
＋ｘ２　＋Ｘ３だけ変位するようになっている。また、
Ｘ方向微動機構１０は各バイモルフ型圧電素子５６ａ、
５６ｂ、５８ａ。

５８ｂ、６１ａ、６１ｂがそれぞれテーブル４のＸ方向
に沿って並設されているので、外側のバイモルフ型圧電
素子５６ａ、５６ｂの変形によって第１の枠体５１に対
して第２の枠体５２がテーブル４のＸ方向にｙｌだけ変
位し、°同様にバイモルフ型圧電素子５８ａ、５８ｂの
変形によって第２の枠体５２に対して第３の枠体５３が
テーブル４のＸ方向にｙｌだけ変位し、バイモルフ型圧
電素子６１ａ、６１ｂの変形によって第３の枠体５２に
対してテーブル４がＸ方向にｙ３だけ変位する。

したがって、テーブル４は第１の枠体５１に対してテー
ブル４のＸ方向にＹ１＋ｙ２　＋５’３だけ変位するよ
うになっている。

そこで、上記構成のものにあってはＸ方向微動機構９お
よびＸ方向微動機構１０の各バイモルフ型圧電素子５６
　ａ　、５６　ｂ　ｓ　５８　ａ　、５８　ｂ　５６１
ａ、６１ｂをテーブル４のＸ方向およびＸ方向に沿って
それぞれ３段に並設させ、バイモルフ型圧電素子５６ａ
、５６ｂ、５８ａ、５８ｂｓ６１ａ、６１ｂの変形時に
は各段のバイモルフ型圧電素子５６ａ、５６ｂ、５８ａ
、５８ｂ。

６１ａ、６１ｂの変形によるテーブル４のＸ方向および
Ｘ方向の変位量を順次積層させた状態でテーブル４を変
位させるようにしたので、試料３の表面形状の測定時に
おける保持テーブル４の走査領域の拡大を図ることがで
きる。

さらに、第７図乃至第９図に示す実施例ではＸ方向微動
機構９およびＹ方向微動機構１０の各バイモルフ型圧電
素子５６ａ、５６ｂ、５８ａ。

５８ｂ、６１ａ、６１ｂをテーブル４のＸ方向およびＹ
方向に沿ってそれぞれ３段に並設させ、バイモルフ型圧
電索子５６　ａ、５６　ｂ　、　５８ａ　。

５８ｂ、６１ａ、６１ｂの変形時には各段のバイモルフ
型圧電素子５６　ａ　＊　　５６　ｂ　ｓ　５８　ａ　
。

５８ｂ、６１ｇ、６１ｂの変形によるテーブル４のＸ方
向およびＹ方向の変位量を順次積層させた状態でテーブ
ル４を変位させる構成のものを示したが、バイモルフ型
圧電素子の積層段数をさらに増加させてもよく、この場
合にはテーブル４のＸ方向およびＹ方向の走査領域をさ
らに拡大させることができる。

また、上記実施例ではＸ方向微動機構９およびＹ方向微
動機構１０をそれぞれ別個に設け、これらを上下２段に
積み重ねた構成のものを示したが、第１０図に示すよう
にＸ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１０を単一の
微動機構本体７１内に組込み、この微動機構本体７１に
よってテーブル４を互いに直交する２方向（Ｘ方向とＹ
方向）に２次元に走査する構成にしてもよい。この場合
、Ｘ方向微動機構９を形成する各段のバイモルフ型圧電
素子７２　ａ　、　７２　ｂ　ｓ　７３　ａ　、７３　
ｂ　ｓ　７４　ａ　。

７４ｂはテーブル４のＸ方向に沿って並設されていると
ともに、Ｙ方向微動機構１０を形成する各段のバイモル
フ型圧電素子７５　ａ　、　７５　ｂ　％７６ａ、７６
ｂ、７７ａ、７７ｂはテーブル４のＹ方向に沿って並設
されている。そして、微動機構本体７１の動作時にはＸ
方向微動機構９を形成スル各段のバイモルフ型圧電素子
７２ａ、７２ｂ。

７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂの変形にともなうＸ方
向の変位ｆｆ１Ｘ＋　Ｉ　　Ｘ２１　　Ｘ３が操作アー
ム７８．７９．８０を介して順次積層されてテーブル４
に伝達されるとともに、Ｙ方向微動機構１０を形成する
各段のバイモルフ型圧電素子７５ａ。

７５ｂ、７６ａ、７６ｂ、７７ａ、７７ｂの変形にとも
なうＹ方向の変位量Ｖ１＋　　Ｙｚ＋　　ｙ３が操作ア
ーム８１，８２．８３を介して順次積層されてテーブル
４に伝達されるようになっている。

さらに、Ｚ軸機構６の微動機構３０として上記実施例の
Ｘ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１０と同様の構
成にしてもよい。この場合には探針２９の上下方向の移
動量を増大させることができる。

さらに、その他この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形実施できることは勿論である。

［発明の効果］この発明によればバイモルフ型圧電素子の変位動作にと
もない試料の保持テーブルを水平面に沿って互いに直交
する２方向に２次元に微小変位させる微動機構によって
テーブル駆動機構を形成するとともに、この微動機構の
駆動方向と同方向にテーブルを微動機構による変位量よ
りも大きな変位量で粗動させる粗動機構を設けたので、
試料表面の観察領域を拡大させることができるとともに
、試料表面の微細構造を精度よ＜　ＡＩ）定することが
でき、かつ試料の大きさ等の制限を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図はこの発明の一実施例を示すもので、
第１図は走査型トンネル顕微鏡装置全体の概略構成を示
す側面図、第２図は微動機構を示す斜視図、第３図はバ
イモルフ圧電素子の変形動作を説明するための側面図、
第４図は圧電素子外面の電極の並設状態を示す平面図、
第５図はバイモルフ圧電素子の各電極の配線状態を示す
概略構成図、第６図は制御回路を示す概略構成図、第７
図乃至第９図はこの発明の別の実施例を示すもので、第
７図は微動機構を示す平面図、第８図はバイモルフ圧電
素子の変形動作を説明するための概略構成図、第９図は
第８図の一部を拡大した状態を示す要部の概略構成図、
第１０図はこの発明のさらに別の実施例を示す要部の平
面図、第１１図はトライボッドを示す斜視図、ｍ１２図
はチューブスキャナを示す斜視図である。３・・・試料、４・・・テーブル、５・・・テーブル駆
動機構、６・・・２軸機構、８・・・微動機構、９・・
・Ｘ方向微動機構、１０・・・Ｙ方向微動機構、２４・
・・粗動機構、２５・・・Ｘ方向粗動機構、２６・・・
Ｙ方向微動機構、２９・・・探針。指定代理人　工業技術院計量研究所長　眼部　　台出願
人複代理人　弁理士　鈴江武彦出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第３図第４図第１図試料テーブル駅勤塙塙２軛砲構黴動擁祷Ｘ方向黴！が媚膏Ｙ方向微動機構組輪キ１１Ｘ方向粗勧襦１鼻Ｙ方薗粗善Ｍ＠橘探針第　７　図第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

試料を保持するテーブルを互いに直交する２方向に２次
元に走査するテーブル駆動機構および前記テーブル上の
試料に対向配置される微小電流検出用の探針を前記テー
ブルの走査方向に対し垂直方向に駆動する探針駆動機構
を備え、前記テーブル上の試料に対して前記探針を両者
の電子雲が重なり合う程度まで接近させ、両者間に電位
差を加えた際に流れるトンネル電流を一定に保持させる
状態で前記テーブルの走査にともない前記探針を前記テ
ーブルの走査方向と垂直方向に駆動して前記テーブル上
の試料の表面形状を測定する走査型トンネル顕微鏡装置
において、バイモルフ型圧電素子の変位動作にともない
前記テーブルを水平面に沿って互いに直交する２方向に
２次元に微小変位させる微動機構によって前記テーブル
駆動機構を形成するとともに、この微動機構の駆動方向
と同方向に前記テーブルを前記微動機構による変位量よ
りも大きな変位量で粗動させる粗動機構を設けたことを
特徴とする走査型トンネル顕微鏡装置。