JPH03120401A - 微細表面形状計測装置 - 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］ この発明は走査型トンネル顕微鏡、特に試料を光学的に
観察する観察光学系を備える走査型トンネル顕微鏡に関
する。

［従来の技術］ 走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、１９８２年にビニ
ツヒ（Ｂｉｎｎｌｇ）らによって米国特許第４．３４３
．９９３号において提案された微細表面形状計測装置で
ある。鋭く尖った探針を試料表面に近づけ、探針と試料
との間にバイアス電圧を印加すると、探針と試料との間
にトンネル電流が流れる。探針・試料間の距離が１人程
度変化するとζトンネル電流はほぼ１桁変化する。ＳＴ
Ｍは、このトンネル電流の性質を利用することによって
、原子的レベルでの試料面の形状計測を可能としている
。例えば、トンネル電流の値を一定に保つように探針・
試料間の距離を制御しながら、探針を試料面に沿って走
査し、このときの探針の位置を記録することによって、
試料面の凹凸をλレベルで反映する像が得られる。

このようなＳＴＭは分解能が非常に高いので、低倍率に
よる広範囲な試料面の観察には適していない。そこで、
試料面を光学的に観察する光学系を備える光学顕微鏡一
体型ＳＴＭが使用されるに至った。

［発明が解決しようとする課題］ 光学顕微鏡一体型ＳＴＭは、通常の光学顕微鏡が流用さ
れることが多い。例えば、複数の対物レンズが取り付け
られる回転可能なレボルバ−を備え、このレボルバ−を
回転して対物レンズを切り換える光学顕微鏡を流用し、
対物レンズの代わりに、探針と探針走査機構を備えるＳ
　Ｔ　Ｍユニ・ソトをレボルバ−に取り付けた光学顕微
鏡一体型ＳＴＭがある。

このような光学顕微鏡一体型ＳＴＭにおいては、試料台
を載せる昇降ステージ及びＳＴＭユニ・ソトは、それぞ
れ片持ち構造で顕微鏡本体に支持されるので、その構造
上、外的な振動の影響を受は易いとともに、探針と試料
との間に相対的な移動が存在するという問題がある。ま
た、探針と試料との間は解放状態にあるので、空気の流
れや外的な電気ノイズ、磁気ノイズなどの影響を受は易
いという問題がある。

この発明は、外乱ノイズや外部振動に強い走査型トンネ
ル顕微鏡の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の走査型トンネル顕微鏡は、試料を載置する試
料台と、探針を有し、この探針を走査する５７Ｍユニッ
トと、探針が試料と対向する位置に前記５７Ｍユニット
を保持する手段とを備え、さらに、前記５７Ｍユニット
が前記試料台に接触する接′触部を有する支持部材をそ
の外周部に備える。

［作用］ この発明の走査型トンネル顕微鏡において、５７Ｍユニ
ットはその外周部に試料台に向かって延出する支持部材
を備える。試料観察の際、試料台を上昇させ、あるいは
５７Ｍユニットを下降させることによって、５７Ｍユニ
ットの支持部材を試料台に押し当てる。この結果、支持
部材が試料台を押圧し、試料台と５７Ｍユニットが一体
化され、外部振動に対する耐性が高まる。さらに、試料
台に接触された支持部材は、探針と試料を外界から遮閉
し、これにより空気の流れ及び電気ノイズ並びに磁気ノ
イズを遮断する。

［実施例］ この発明による走査型トンネル顕微鏡の第１実施例につ
いて、第１図を参照して説明する。顕微鏡本体１０は、
対物レンズ１２及びＳＴＭユニット１４を保持するレボ
ルバ−１６と、上下方向に移動可能な昇降ステージ１８
を備える。昇降ステージ１８には試料台２０が載置され
る。′試料台２０は、凹部を有する基部２２、凹部に収
容設置される積層型圧電アクチユエータ−２４、及び積
層型圧電アクチュエーター２４の上に設けられる試料ス
テージ２６を備える。試料２８は試料ステージ２６の上
に載置され、Ｓ７Ｍ測定の際に積層型圧電アクチュエー
ター２４によって上下方向に粗動される。ＳＴＭユニッ
ト１４は、トンネル電流を検出する探針３０と、探針３
０を底部に備える円筒型３次元圧電アクチュエーター３
２を有する。円筒型３次元圧電アクチュエーター３２は
、円筒内面に共通電極、円筒外周面に４分割電極を備え
、これらの電極に印加される電圧が制御され、探針３０
は３次元方向に走査される。ＳＴＭユニット１４は、円
筒型圧電アクチュエーター３２の外周を覆う円筒状の支
持部材３４を更に備える。

試料２８を光学的に観察する場合、レボルバ−１６を回
転させることによって対物レンズ１２が試料２８の上方
に配置される。この状態で、昇降ステージ１８を上下方
向に移動させ、フォーカス調整して、試料面の光学的観
察を行う。

ＳＴＭによる試料観察を行う際、レボルバ−１６を回転
させてＳＴＭユニット１４が試料２８の上方に配置され
るとともに、昇降ステージ１８を上昇させて支持部材３
４と試料台２０を接触させ、ＳＴＭユニット１４と試料
台２０が一体化される。次に積層型圧電アクチュエータ
ー２４からなる粗動機構を用いて、トンネル電流が流れ
得る距離まで、試料２８が探針３０に近づけられる。

探針３０と試料２８との間にバイアス電圧を印加してト
ンネル電流を発生させ、トンネル電流値を一定に保つよ
うに円筒型３次元圧電アクチュエーター３２の印加電圧
を制御しながら、探針３０を試料面に沿って走査するこ
とにより試料面のＳＴＭ像が得られる。

この実施例によれば、８１Ｍ観察の際、ＳＴＭユニット
１４と試料台２０が一体化されるので、探針３０と試料
２８との間の相対的な移動が抑えられるとともに、支持
部材３４によって、外部からの電気ノイズ、磁気ノイズ
、音響ノイズ、さらに空気の流れが遮断されるので、安
定した８１Ｍ観察が行える。もちろん、試料２８や探針
３０の交換、及び試料２８の光学的観察を容易に行える
という、この種の光学顕微鏡一体型ＳＴＭに特有な特徴
を損なうことはない。

この実施例において、試料台２０には粗動機構として積
層型圧電アクチュエーター２４を備えるものを用いたが
、他の粗動機構を有する試料台が使用されてもよい。例
えば、第２図に示されるように、いわゆるインチワーム
と呼ばれる粗動機構を有する試料台２０が使用されても
よい。試料台２０の基部２２は凹部を有し、凹部内にお
いて、下部スライダー３６は、その側面に固定された下
部支持用圧電アクチュエーター３８が凹部内面を押圧す
ることによって支持される。下部スライダー３６の上面
には移動用圧電アクチュエーター４０が固定され、移動
用圧電アクチユエーター４０の上端に上部スライダー４
２（試料ステージ）が固定される。上部スライダー４２
は側面に上部支持用圧電アクチュエーター４４を備え、
上部圧電アクチユエータ−４４が四部の内面を押圧する
ことにより上部スライダー４２を支持する。試料２８は
上部スライダー４２に載置される。試料２８は、上部及
び下部支持用圧電アクチュエーター３８及び４４の固定
を交互に解除するとともに、移動用圧電アクチュエータ
ー４０を断続的に伸縮させることによって、上下方向に
移動される。

あるいは、第３図に示されるように、マイクロメーター
４６による粗動機構を備える試料台が使用されてもよい
。試料台２０の基部２２の凹部内において、両端が試料
台に固定された板バネ４８が設けられ、板バネ４８の上
面に試料２８を載せる試料ステージ２６が固定され、上
下に移動するクサビ形の上部スライダー５０が固定され
ている。

基部２２は側面にマイクロメーター４６を備え、マイク
ロメーター４６の作用軸５４の先端は左右に移動可能な
りサビ形の下部スライダー５４に接している。下部スラ
イダー５４の上面及び下面には、下部スライダー５４が
円滑に移動できるようにニードル軸受け５６が設けであ
る。マイクロメーター４６を操作することによって、下
部スライダー５４は左右に移動され、下部スライダー５
４の移動は上部スライダー５０を上下方向に移動させる
。これにより、試料２８が上下方向に移動される。

次にこの発明の第２実施例について第４図を参照しなが
ら説明する。この実施例において、ＳＴＭユニット１４
はゴムなどの弾性部材５８を介してレボルバ−１６に取
り付けられる。ＳＴＭユニット１４の支持部材３４は下
端にテーパ一部を有し、これに係合するテーパ一部が１
、試料２８が載置される試料台２０の凹部の縁にも設け
である。探針３０を備える円筒型３次元圧電アクチュエ
ーター３２は積層型圧電アクチユエータ−６４を介して
、支持部材３４の円筒内に固定されている。積層型圧電
アクチュエーター６４は、探針３０を上下方向に移動さ
せる粗動機構として機能する。

この実施例によれば、ＳＴＭユニット１４とレボルバ−
１６との間に弾性部材５８が設けられるので、支持部材
３４を試料台２０に押し当てる際の力の調整が不要ある
いは容易になる。さらに、支持部材３４の下端にテーパ
一部が設けられるとともに、これに係合するテーパ一部
が試料台２０にも設けられるので、位置合わせが容易に
なる。

第３実施例が第５図に示される。この実施例のＳＴＭユ
ニット１４は、支持部材３４に対して上下方向に移動可
能に設けられた取付部材６６を有し、取付部材６６が、
例えば螺合によってレボルバ−１６に固定される。取付
部材６６の回りにはコイルバネ６８が配置され、支持部
材３４とレボルバー１６の間に弾性を与える。探針３０
を走査する円筒型圧電アクチュエーター３２は、第２実
施例と同様に、積層型圧電アクチュエーター６４を介し
て、支持部材３４の円筒内に固定される。

この実施例ではコイルバネ６８が弾性を与えることによ
り、′Ｍ２実施例と同様の効果、すなわち、支持部材３
４を試料台２０に押し当てる際の力の＆ｉｌａが不要あ
るいは容易になるという効果が得られる。

第４実施例について第６図を参照して説明する。

探針３０を備える円筒型圧電アクチュエーター３２は、
粗動用の積層型圧電アクチユエータ−６４を介して、支
持部材３４の円筒内に固定される。試料台２０は、試料
２８を載せる試料ステージ２６と基部２２との間にコイ
ルバネ７０を備える。コイルバネ７０は、支持部材３４
が試料ステージ２６に押し付けられた際の力調整を不要
にする。コイルバネ７０の代わりに、板バネを用いた試
料台の構成が第７図に示される。試料台２０は、基部２
２の凹部にわたされて固定される板バネ７２を備え、板
バネ７２の上に試料ステージ２６が設けられる。この構
成では、板バネ７２が、コイルバネ７０と同様に、支持
部材３４が試料ステージ２６に押し付けられた際の力調
整を不要にする。

第８図を参照しながら第５実施例について説明する。支
持部材３４は下端部にネジ部を備え、試料台は試料ステ
ージ２６の周りで回転可能に設けられた固定部材７４を
備える。固定部材７４は、支持部材のネジ部と螺合する
ネジ部を開口部側面に備える。この構成は成就の実施例
と組み合わせて使用され、３７Ｍユニットと試料台は螺
合によってより強固に一体化されるので、探針と試料と
の間の相対的な移動の防止を助長する。

光学的観察と同時にＳＴＭ観察が行える光学顕微鏡完全
一体型走査型トンネル顕微鏡（ＰＣＴ／Ｊ　８８１００
８０４）にこの発明を適用した第６実施例が第９図に示
される。Ｓ７Ｍユニット１４は下端が開口した円筒状の
支持部材３４を備える。

支持部材３４は土壁内面中央にネジ穴を有し、このネジ
穴に対物レンズ７６が上端で螺合されている。対物レン
ズ７６の外周面と支持部材３４の内周面との間には円筒
状の枠７８が設けられている。

この枠７８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７８ａ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７８ｂを備える。これら支持
部７８ａは、支持部材３４の周壁に上下に離間して設け
られた１対の上方支持部固定用圧電体８０ａ及び下方支
持部固定用圧電体８０ｂによって、それぞれが固定され
る。これら各対の２個の圧電体８０は互いに１８０度離
間して設けられている。上方の支持部７８ａには、枠７
８と対物レンズ７６との間に、対物レンズ７６と同心的
に位置する円筒型３次元圧電アクチュエーター３２の上
端が固定されている。この円筒型圧電アクチュエーター
３２は、上方支持部固定用圧電体８０ａと下方支持部固
定用圧電体８０ｂによる固定を交互に解除し、この解除
に応じて圧電素子７８ｂを断続的に伸縮させる、いわゆ
るインチワーム方式によって上下に移動される。円筒型
圧電アクチュエーター３２の下端には、中央に円形開口
を有する円形の金属枠８２が周縁で固定されている。こ
のときの金属枠８２の固定は、交換可能なように、例え
ば、ネジのような手段により行なうのが好ましい。この
金属枠８２は、円形開口を塞ぐカバーガラスからなる探
針ホルダー８４を備え、探針ホルダー８４の中心部に探
針３０が設けられている。

また、別の光学顕微鏡完全一体型走査型トンネル顕微鏡
にこの発明を適用した第７実施例が第１０図に示される
。３７Ｍユニットは、円筒型３次元圧電アクチュエータ
ーの代わりに、上下方向にのみ伸縮可能な、中央に円形
開口部を有する円板状のバイモルフ圧電体８６が下方の
支持部７８ａに周縁で固定されている。円形開口部には
、探針３０を備えるカバーガラスからなる探針ホルダー
８４が設けられる。試料台２０は、基部２２と、基部２
２に収容される試料ステージ２６を備え、基部２２と試
料ステージ２６の間には、試料ステージ２６をｘｙ面内
で移動するための圧電体８８が設けられている。ＳＴＭ
測定の際、バイモルフ圧電体８６によって探針３０が上
下方向に移動されるとともに、圧電体８８により試料２
８はｘｙ而面で移動される。

これらの実施例において、前述の実施例と同様に、電気
ノイズ、磁気ノイズ、及び音響ノイズがカットされると
ともに、空気の流れが遮断されるので、安定性の良い光
学顕微鏡完全一体型走査型トンネル顕微鏡が得られる。

さらに別の実施例が第１１図に示される。この実施例に
おいて、支持部材３４は、内外面に導電性材料膜９２を
備える円筒形の絶縁性部材９０で形成され、下端に突出
する電極ピン９４を備える。

電極ピン９４は、絶縁性部材９０内で上下方向に移動可
能に設けられ、コイルバネ９６の力によって電極ピン９
４の下端部が突出させられている。

電極ピン９６はリード線９８により、探針３０と電気的
に接続される。また、試料台２０は、電極ピン９６と接
触する位置に、絶縁材１０２を介して電極板１００が設
けられている。電極板１００はリード線１０４によって
、試料台２０の内部に設けられたプリアンプ１０６に接
続されている。

ＳＴＭ測定の際、支持部材３４は、その下端が試料台２
０に完全に接触するまで近づけられる。このとき、電極
ピン９４と電極板１００が接触し、結果として探針３０
とプリアンプ１０．６とが電気的に接続される。この実
施例によれば、プリアンプにトンネル電流を最短距離で
導くことができるとともに、リード線が電気的にシール
ドされた部分を通るので、ノイズに対して敏感な微弱ト
ンネル電流をノイズに影響されることなくプリアンプに
導くことができる。

また、第１２図に示されるように、電極ピン９４及び電
極板１００を用いる代わりに、導電性の支持部材３４及
び試料台２０を接触させ、探針３０とプリアンプ１０６
とを導通させることによっても同様の効果が得られる。

［発明の効果］ この発明によれば、支持部材が試料台に押し当てられ、
８１Ｍユニットと試料台が一体化されるので、試料と探
針との間に相対的な移動がなくなるとともに、振動に対
して強い構造になる。さらに、支持部材が試料と探針を
外界から遮断するので、電気ノイズ、磁気ノイズ、音響
ノイズ等を遮断するとともに、空気の流れを遮断する。

この結果、外部振動に強く、安定性に優れた走査型トン
ネル顕微鏡が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の構成を示す図、第２図
は第１実施例において使用される別の試料台の構成を示
す図、第３図は第１実施例において使用される更に別の
試料台の構成を示す図、第４図はこの発明の第２実施例
の構成を示す図、第５図はこの発明の第３実施例を説明
する図、第６図はこの発明の第４実施例の構成を示す図
、第７図は第４実施例における別の試料台の構成を示す
図、第８図はこの発明の第５実施例の構成を説明する図
、第９図はこの発明の第６実施例の構成を示す図、第１
０図はこの発明の第７実施例の構成を示す図、第１１図
はこの発明の第８実施例を示す図、第１２図は第８実施
例に代わる別の構成を示す図である。 １４・・・８１Ｍユニット、１６・・・レボルバ−２０
・・・試料台、３０・・・探針、３４・・・支持部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）探針を含み、この探針を走査するＳＴＭユニット
   と、試料を載置する試料台と、探針が試料と対向する位
   置に前記ＳＴＭユニットを保持する手段とを備える走査
   型トンネル顕微鏡において、前記ＳＴＭユニットが前記
   試料台に接触する接触部を有する支持部材をその外周部
   に備える走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）トンネル電流を検出する手段を更に備え、前記接
   触部が前記探針と電気的に接続される第１の電極を備え
   、前記試料台が前記検出手段に電気的に接続される第２
   の電極を備え、この第２の電極は前記第１の電極に電気
   的に接続される請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。