JPH03205502A - 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（　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎ
ｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：　Ｓ　’Ｉ’　Ｍ
　）は、１９８２年にビニッヒ（　Ｂｉｎｎｉｇ　）ら
によって米国特許第４，　３４３．９９３号において微
細表面形状計測装置として提案されている。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、この探針と試料との間にトンネル電
流が流れる。このトンネル電流は、探針一試料間の距離
が１オングストローム程度変化するとほぼ１桁変化する
ことが知られている。ＳＴＭ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表面
の形状計測を可能とするものである。例えば、トンネル
電流の値を一定に保つように圧電体などによって試料一
探針間の距離をサーボ制御しなから探針を試料表面に沿
って走査し、このときのサーボ制御信号電圧を記録する
ことによって、試料表面の凹凸をオングストロームレベ
ルで反映する像が得られるのである。

ところで、ＳＴＭは分解能が非常に高いので、ＳＴＭに
よる観察領域を選択するための低倍率での試料観察には
適していない。そこで本出願人占は、先に、Ｓ　ｉ”　
Ｍ測定と同時に試料面を光学的に観察できる観察光学系
を備えた光学顕微鏡一体型Ｓ　Ｔ　Ｍを開発し、出願し
ている。

こ発明が解決しようとする課題］ この光学顕微鏡一体型ＳＴＭの１つに、光学的に透明な
支持部材によって支持された探針を、対物レンズと試料
との間に配置した構造のＳＴＭがある。この光学顕微鏡
一体型ＳＴＭでは、Ｓ　Ｔ’　Ｍによる試料観察に先だ
って、光学的な試料観察が行われ、探針によるＳ　ｉ’
　Ｍ　ｕ察の対象となる位置が、探針の陰として光顕視
野内で確認される。しかしながら、この陰が試料の光学
的観察の邪魔になるという問題があった。

また、ＳＴＭの第２の問題点として試料へ通電を行うた
めの電極の問題がある。ＳＴＭにおいて、試料一探針間
にバイアス電圧を印加したり、あるいは試料一探針間に
流れる｝・ンネル電流を検出するためには、試料に電極
を設けなければならない。

この電極は試料を交換するたびに付け替える必要がある
が、この作業は非常に手間がかかる。この手間を省くた
め、従来は試料を載置する試料台自体を電極として、バ
イアス電圧の印加などを試料台を介して行っていた。し
かしこのような構成では、電極である試料台の面積が大
きいために、外部の電磁ノイズを拾いやすく、トンネル
電流の検出値にノイズが含まれてしまい、試料の観察面
を反映する正確なＳＴＭ像が得られないという問題があ
った。

さらに、ＳＴＭの第３の問題点として、探針へのリーク
電流の問題がある。Ｓ　Ｔ　Ｍの探針は圧電駆動体によ
って駆動されるのが普通であるが、圧電駆動体の駆動電
極には高電圧が印加されるため、この駆動電極から探針
へ電流がリークし、検出されるトンネル電流のノイズ戊
分となってしまうという問題があった。

そこで、この発明は、探針の陰のない試料面の光学的観
察像を得ることができるとともに、試料との導通が容易
にとれ、かつノイズのないＳＴＭ像が得られる走査型ト
ンネル顕微鏡を提供することを目的とする。

［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、試料表面を光学的
に観察するための観察光学系と、前記観察光学系の対物
レンズを支持するとともに、この対物レンズを粗く移動
する第１の粗動手段と、光学的に透明な部材によって支
持される探針およびこの探針を走査する圧電駆動体を有
する探針ユニノトと、前記探針ユニットを支持するとと
もに、探針ユニットを粗く移動する第２の粗動手段とを
備える。

また、この発明の別の走査型トンネル顕微鏡は、試料が
載置される絶縁性の試料ステージと、前記試料を押圧し
て前記試料ステージに保持する導電性の保持部材と、こ
の保持部材を所定の位置に固定するとともに、トンネル
電流を検出する手段に電気的に接続される導電性の接続
部材とを備える。

また、この発明の走査型トンネル顕微鏡の探針ユニット
は、複数の圧電体と駆動電極とを有する圧電駆動体と、
前記圧電駆動体と着脱可能に設けられ、探針を支持する
透明部材と、前記駆動電極と探針との間に設けられ、接
地電位にある分離電極とを有する。

こ作用］ この発明の走査型トンネル顕微鏡では、探針によるＳ　
ｉ’　Ｍ　Ｕｌ定に先だって、光学的な試料観察が行わ
れる。光学系のフォーカス調整は、対物レンズを移動す
る第１の粗動手段によって、対物レンズを試料面に垂直
な方向（Ｚ方向）に移動することによって行われる。こ
のとき、探針が光学系の焦点位置に入らないように、第
２の粗動手段によって探針が上下に移動され、光学系の
合焦位置か乙大きくずらされる。この結果、探針の陰を
含まない試料面の光学的観察像が得られる。

また、この発明の別の走査型トンネル顕微鏡では、試料
が導電性の保持部材によって保持されるだけで、例えば
プリアンプなどのトンネル電流検出装置に接続されるよ
う構戊されている。

さらに、走査する探針ユニットは、走査用圧電体に高電
圧を印加する駆動電極からのリーク電流が、分離電極（
ガードリング）によって探針またはトンネル電流検出系
に流れ込まないように構或されている。

［実施例］ この発明の第１の実施例について図面を参照しながら説
明する。第ｌ図は、この実施例のＳＴＭ装置の全体的な
構戎を説明するための図である。

このＳＴ．Ｍ装置は大きく分けて、試料を載置し、移動
するステージ系１と試料を光学的にあるいはＳ　’ｒ　
Ｍで観察するための試料観察系２の２つの部分に分けら
れる。まずステージ系１について説明してゆく。

このＳＴＭでは、試料をＸＹ平面内で移動するためのＸ
Ｙステージ１２が設けられている。ＸＹステージ１２は
本体底部に固定された基台１４を備え、基台１４の上に
は紙面に対して垂直な方向に摺動可能に設けられたＸ位
置設定用スライド板１６が設けられている。スライド板
１６はＸ用操作ダイヤル１８の回転操作によって紙面に
垂直な方向にスライド移動される。Ｘ位置設定用スライ
ド板１６の上には、Ｙ位置設定用スライド板２０が紙面
の左右方向に摺動可能に設けられている。

Ｘ位置設定用スライド板１６は、Ｙ位置設定用スライド
板２０を移動するためのモーター２２を側面に備える。

モーター２２には微小移動用のＹ用操作ダイヤル２４が
設けられている。Ｙ位置設定用スライド板２０は、操作
ダイヤル２４あるいはモーター２２の回転動作によって
、送りネジ機構により進退移動される操作棒２６により
、Ｙ方向にスライド移動される。

第２図は第１図に示される試料台の構戊を示す図である
。導電性の金属よりなる試料台２８はＹ位置設定用スラ
イド板２０の上に載置されている。

試料台２８の内側にはプリアンプ３０が収容されている
。試料台２８の上には絶縁材料からなる試料ステージ３
２が載置され、この試料ステージ３２の上に試料３４が
載置される。また、試料３４を試料ステージ３２との間
に挾んで保持する導電性の保持部材３６を上端部に備え
た導電性材料からなる取り付け部材３８が、絶縁体４０
を介して試料台２８に固定されている。取り付け部材３
８の下端は試料台２８の内部でプリアンプ３０とリード
線４２によって電気的に接続されている。

次に第１図および第３図を参照して、試料観察系２の構
成について説明する。この実施例のＳＴＭは、図示され
ないリニア●ガイドによってＳ′ＦＭ装置の本体底部よ
り立設された支柱４１に対して上下方向（Ｚ方向）に摺
動可能に設けられる光学系固定台座４４を備える。この
光学系固定台座４４は、ＳＴＭ装置本体上部に設けられ
たモーター４６、あるいはモーター４６に設けられた操
作ダイヤル４７の回動操作によって上下方向に移動され
る。光学系固定台座４４には鏡筒４８が立設され、鏡筒
４８の上部には、光学顕微鏡接眼部５０及びビデオカメ
ラ取り付け筒５２を備えた試料観察光学系５５が設けら
れる。さらに、光学系固定台座４４の下方には、上下方
向に移動司能な探針ユニット支持部材５４が設けられて
いる。探針ユニット支持部材５４は、図示されないリニ
ア・ガイドによって光学系固定台座４４に対して上下方
向（Ｚ方向）に摺動可能に設けられており、第３図に示
されるように上端部に設けられるマイクロメーター５６
によってＺ方向の位置決めが成される。なお、探針ユニ
ット支持部材５４及び光学系固定台座４４に設けられる
支持ピン５８、６０に両端が固定されるバネ６２は、探
針ユニット支持部材５４を滑与かに移動するためのもの
である。

次に探針ユニット６８およびその支持機構について説明
する。第４図は探針ユニノト６８およびその支持部分の
断面を示す図である。探針ユニット支持部材５４は、下
部にリング状突出部６４を備える円形開口部６６を有す
る。探針ユニット６８はリング状支持部７２と、上端部
がリング状支持部７２に固定される円筒型圧電アクチュ
エータ−７４を備える。円筒型圧電アクチュエータ−７
４の下端には、カバーガラスなどの光学的に透明な板か
らなり中心に探針７８が立設した探針ホルダー７６が取
り付けられる。第５図において、リング状支持部７２が
、探針ユニット支持部材５４の円形開口部６６とネジ８
０で規定される空間に収容されることにより、探針ユニ
ット６８は支持される。また、探針ユニット６８は、そ
のリング状支持部７２を２本のネジ８０とバネ８２によ
って移動可能に設けられたピン８４とで３方向から押圧
されており、このネジ８０を調整することによって探針
７８と試料観察光学系５５の図示されない光軸との位置
決めが威される。

探針ユニノト６８の円筒型圧電アクチュエータ−７４の
内部には、上部を光学系支持部材４４によって支持され
る対物レンズ８６が収容される。

第６Ａ図及び第６Ｂ図において、対物レンズ８６は、上
端部につば部８８ａを備える支詩部材８８に螺合されて
おり、この支持部材８８が、光学系固定台座４４に設け
られ、下端にリング状突起部４４ａを有する開口部に収
容されて支持される。

支持部材８８を外周するコイルバネ９０が、つば部８８
ａとリング状突起部４４ａとの間に設けられる。また、
光学系固定台座４４は、支持部材８８を固定するための
ロックネジ９２を備える。対物レンズ８６を光学系固定
台座４４に固定する際、支持部材８８のつば部８８ａが
、光学系固定台座４４に設けられた開口部に、コイルバ
ネ９０の力に逆らって押し込まれ、この状態でクックネ
ジ９２を締め付けることによって、第６Ａ図に示めされ
るように固定される。対物レンズ８６を交換する際、ロ
ソクネジ９２をゆるめると、第６Ｂ図に示されるように
コイルバネ９０の力によって支持部材８８が上方に持ち
上げられる。これは、対物レンズ８６を交換する際の作
業を容易にする。

次に、上述した構戊によって試料の観察を行う手順につ
いて説明する。

この実施例のＳＴＭにおいては、ＳＴＭ観察に先だって
試料の観察領域の設定を行なったり、ＳＴＭ観察中の探
針の位置を同時進行で確認するために、まず、探針を試
料観察光学系５５の光軸位置と一致させるための調整を
する。この調整の手順を第１図および第７Ａ図〜第７Ｆ
図を参照しながら説明する。まず、調整時に探針７８と
試料３４とが接触しないようにするため、第１の粗動機
構であるモーター４６により光学系固定台座４４を上方
向に移動する。次に第２の粗動機構であるマイクロメー
ター５６により探針ユニット６８を含む支持部材５４を
上下方向に移動し、探針７８の先端を対物レンズ８６の
焦点に合わせる。この時、探針７８と対物レンズ８６の
位置関係は第７Ａ図から第７Ｃ図の状態となり、試料観
察光学系５５て観察される探針像２０１は非合焦像の第
７Ｂ図から合焦像の第７Ｄ図のように小さく鮮明となる
。その次に、接眼レンズ５０に内蔵されているクロス指
標２０３に探針７８を合わせ込むために、第５図に示し
たネジ８０を調整する。これは２本のネジ８０を適宜回
動じて行われ、この調整によって探針７８と対物レンズ
８６の位置関係を第７Ｃ図から第７Ｅ図の状態となるよ
うにし、これによって光学顕微鏡５４で観察される探針
像２０１は第７Ｆ図のようにクロス指標２０３の中心に
位置決めされる。

次に、観察光学系のフォーカス調整について述べる。上
述したように探針７８と試料観察光学系ら５の光軸との
位置合わせが行われた後、試料３４の光学的な観察が行
われる。光学系のフォーカス調整は光学系固定台座４４
を本体上部に設けられたモーター４６、あるいは操作ダ
イヤル４７の操作によって上下方向に移動して行われる
。このとき、光顕視野内に探針の陰が生じるが、マイク
ロメーター５６によって光学系固定台座４４に対して探
針７８を上昇させ焦点位置からずらすことにより、探針
７８は像として認識されなくなり、陰のない光学観察像
を得ることができる。

次に、上記ＳＴＭ装置によって試料表面のＳＴＭ測定を
行う様子を説明する。まず、試料台２８およびＹ位置設
定用スライド板２０を電気的にグランドレベルにし、探
針７８にバイアス電圧を印加する。この状態でマイクロ
メーター５６により探針７８を試料３４に接近させてい
くと、ある地点で試料一探針間にトンネル電流が流れる
。トンネル電流は支持部材３６を介してプリアンプ３０
に取り込まれて増幅される。ここで不図示のサーボ回路
によりトンネル電流をある一定の値に保つように、円筒
型圧電アクチ二エータ−７４へ印加する電圧を制御すれ
ば、探針７８は試料表面を正確にトレースＩ一てゆく。

この印加電圧を試料表面上の各ＸＹ座標ごとにモニター
するこどで、従来のＳＴＭ同様、ＳＴＭ観察像が得られ
ることになる。

上述したように、この実施例のＳ　’Ｉ’　Ｍによれば
、ＳＴＭ観察に先だって光学顕微鏡による探針のＳＴＭ
観察領域への設定を行なう際、探針の陰のない試料面の
光学的観察像が得られる。また、ＳＴＭ観察中にも、試
料面の光顕観察が可能であり、探針の位置も同時進行で
確認することができる。

さらにこの実施例のＳＴＭ装置においては、試料３４を
支持部材３６によってプリアンプ３０と電気的に接続す
るよう構戊したため、試料３４とプリアンプ３０の接続
が容易になる。すなわち、従来では試料を交換するとき
試料に電極を設けなければならなかったが、このＳＴＭ
によれば、保持部材３６で保持するだけで試料３４との
導通がとれる。また、試料３４とプリアンプ３０が極め
て近距離に配置されることによって、他の部分にプリア
ンプを設けるより外部ノイズ混入を低減することができ
る。さらに、金属である試料台２８を電気的にグランド
レベルにすることで、試料３４に装置内部を通って回り
込んでくる電磁ノイズを減少させることができる。すな
わち、試料台２８が試料３４に対するガードリング（分
離電極）となり、電磁ノイズをカットすることができる
。

また、グランドレベルにある試料台２８およびＹ位置設
定用スライド板２０は、この場合プリアンプ３０に対す
るシールド●ケースになり、アンプ部への外部電磁ノイ
ズの侵入を防止できる。

さらに、バイアス電圧を印加し、トンネル電流を検出す
る信号線を、探針側に接続するよう構戊すれば、試料表
面をグランドレベルにすることができ、試料による外部
ノイズの拾い込み、すなわち試料面積が大きいほどトン
ネル電流ノイズが大きくなる現象を防止することができ
る。

なお、第１図の構戊において、Ｘ位置設定用スライド板
１６の下方に回転機構を設け、ＸＹ平面内で試料３４を
試料ステージ３２ごと回動可能とすれば、観察光学系５
５の光軸と探針７８と試料上の観察部位とを一致させた
後に、探針走査のＸ，Ｙ軸と、試料ステージのＸ，Ｙ軸
とを一致させることができ、得られるＳＴＭ像の方向を
任意に回転調整することができる。

次に、この発明の他の実施例として、前述した第２粗動
機構であるマイクロメーター５６を、モーター型マイク
ロメーター５６Ｂと、その制御手段であるＺ方向粗動制
御回路とに置き換えた例を示す。

モーター付きマイクロメーター５６Ｂは、第８図に示す
ように、第１実施例のマイクロメーター５６と同様に配
置される。また、モーター付きマイクロメーター５６Ｂ
を駆動するモーターの動きは、後述する駆動回路によっ
て制御されるよう構戊されている。

第９図は、Ｚ方向粗動制御回路の回路構戊を示すブロッ
ク図である。第９図において、第１粗動駆動回路１０１
は、光学系固定台座５らを移動するためのモーター４６
を駆動するための回路、また第２粗動駆動回路１０２は
、前述したモーター型マイクロメーター５６Ｂを駆動す
るための回路である。これら２つの回路はマイクロコン
ピュータ１００からの信号により制御されている。

第１０図は、トンネル電流検知回路１０３の回路構．戎
を示す図である。トンネル電流検知回路１０３は、コン
パレータ１１０および基＄電圧発生回路１１１からなり
、プリアンプ３０からのトンネル電流電圧変換信号Ｓ１
と基準電圧発生回路１１１によって発生される微小トン
ネル電流基１ｉ１圧Ｓｌｌとを比較することによってト
ンネル電流が検知されているか、検知されていないかを
示す２値信号であるトンネル電流検知信号Ｓ３をマイク
ロコンピュータ１００に出力するよう構或されている。

第１１図は、Ｚ微動中心電圧検知回路１０４の回路構或
を示す図である。Ｚ微動中心電圧検知回路１０４は、コ
ンパレータ１１６およびＺ制御中心電圧発生回路１１７
からなり、円筒型圧電アクチュエータ−７４のＺ方向の
伸縮量を制御するＺ制御信号Ｓ２とＺ制御中心電圧発生
回路１１７によって発生されるＺ中心電圧信号Ｓ１５（
円筒型圧電アクチュエータ−７４が基準長Ｌ。となると
きの電圧を示す信号）とを比較することによって、円筒
型圧電アクチュエータ−７４が基準長ＬＯより長いか、
短いかを示す２値信号であるＺ微動中心電圧検知信号Ｓ
５をマイクロコンピュータ１００に出力するよう構成さ
れている。

第１２図は、Ｚ制御回路１０５の回路構成を示す図であ
る。Ｚ制御回路１０５は、サーボ回路１１３、Ｚ中心電
圧発生回路１１４、Ｚ制御最縮電圧発生回路１１５、お
よびアナログスイッチ１１２で構戊されている。サーボ
回路１１３は、ブリアンプ３０からのトンネル電流電圧
変換信号Ｓ１を入力とし、これを一定に保つように円筒
型圧電アクチュエータ−７４へ印加する電圧を変化させ
、探針７８のＺ方向の位置を制御するものである。

またＺ中心電圧発生回路１１４は、探針７８を支持する
円筒型圧電アクチュエータ−７４を基準長Ｌ０にする電
圧を発生するものである。さらにＺ制御最縮電圧発生回
路１１５は、探針７８を支持する円筒型圧電アクチュエ
ータ−７４を最も縮んだ状態、すなわち、探針一試料間
隔が最も長い状態にする電圧を発生するものである。ア
ナログスイッチ１１２は、マイクロコンピュータ１００
からのＺ制御切り替え信号Ｓ４により、サーボ回路１１
３、Ｚ中心電圧発生回路１１４、Ｚ制御最縮電圧発生回
路１１５の３つの回路のうちどの回路から信号を出力さ
せるかを選択する働きをする。

次に、このような構或によって試料３４にオートフォー
カスするシーケンスを第１３図〜第１５図、および第１
８図に示したフローチャートを用いて説明する。

第１３Ａ図は、予め対物レンズ８６の焦点に探針７８の
先端が位置決めされ、かつ前述の方法でクロス指標２０
３と探針像２０１が合わせられている状態を示す。この
時には、第１３Ｂ図のようなクロス指標２０３と探針像
２０１が重なった光学像が現れている。（ステップ１）
　この状態から、操作パネル１０６によってオートフォ
ーカス命令を入力する。オートフォーカス命令が入力さ
れると、第１粗動機構であるモーター４６により光学系
固定台座４４が下方に移動され、探針ユニット６８と対
物レンズ８６とが一体的に試料３４に近づいてゆく。（
ステップ２）　この間、マイクロコンピューター１００
はトンネル電流検知回路１０３から出力されるトンネル
電流検知信号Ｓ３をモニターし続け、（ステップ３）　
信号Ｓ３が変化したら探針７８と試料３４の衝突を避け
るため直ちにＺ制御切り替え信号Ｓ４を出力し、第１２
図に示すＺ制御回路１０５内のアナログスイッチ１１２
がＺ最縮電圧信号３１４を選択するように切り替える（
ステップ４）と同時に、モーター４６を停止させる。こ
のとき対物レンズ８６の焦点は試料表面に合焦されてお
り、第１４Ａ図のような関係となり、第１４Ｂ図に示す
光学像が得られている。（ステップ５）　この状態では
、探針像２０１が光学観察の妨げとなるので、第２粗動
機構であるモーター型マイクロメーター５６により、探
針７８先端がデフォーカスされるように探針ユニット支
持部材５４を移動し、探針ユニッ１・６８を上方に予め
定めた一定距離Ｄ０だけ移動させる。この時第１５Ａ図
のような位置関係となり、第１５Ｂ図のように探針７８
に妨げられない光学像が得られる。（ステップ６）　以
上のシーケンスにより予め探針７８先端に光学焦点を合
わせておけば、目動的に試料表面を合焦状態で観察する
ことができる。また、この状態では、探針７８が試料３
４から一定距離Ｄ０だけ離されているため、探針７８と
試料３４とが衝突することなく試料を移動して試料表面
のＳＴＭ観察目標部２０２を探針位置であるクロス指標
２０３に位置決めすることができる。

次に、上述したモーター型マイクロメーター５６Ｂおよ
び第９図に示したＺ方向粗動制御回路によって試料３４
のトンネル領域まで探針先端を近付けるオートアプロー
チのシーケンスを第１９図に示したフローチャートを参
照して説明する。

第１６Ａ図は、上述したオートフォーカスシーケンスに
より観察光学系５５が合焦された後、試料ステージ３２
を移動してＳＴＭ観察目標部２０２をクロス指標２０３
に位置決めした状態を示す。

この状態における光学像は、第１６Ｂ図のように得られ
ている。この時、第９図に示す操作パネル１０６よりオ
ートアプローチ命令を入力すると、マイクロコンピュー
ター１００は、Ｚ制御回路１０５にＺサーボ信号３１２
を遺択させる信号を出力する。（ステノプ７）　円筒型
アクチュエータ−７４はトンネル電流が流れ始めるまで
最伸状態となるので、第２粗動機構であるモーター型マ
イクロメーター５６Ｂにより探針ユニット支持部材５４
が下方に移動し、試料に近付いてゆく。（ステップ８）
　その後マイクロコンピューター１００は、第１１図に
示したＺ微動中心電圧検知回路１０４のＺ微動中心電圧
検知信号Ｓ５をモニターし続ける。Ｚ微動中心電圧検知
信号Ｓ５は、探針一試料間にトンネル電流が流れ始め、
探針ユニット６８の移動にともなって円筒型圧電アクチ
ュエータ−７４が縮み始め、所定の長さ（基準長Ｌ。）
となるときに変化する。（ステップ９）　この変化をマ
イクロコンピュータ１００が読取り、直ちにモーター型
マイクロメーター５６Ｂを停止させる。（ステップ１０
）　この結果、円筒型アクチュエーターは基準長Ｌｏで
サーボ状態に保たれ、この後ＳＴＭ測定が行われる。

以上のように、この実施例のＳＴＭ装置によれば、光学
顕微鏡一体型ＳＴＭにおける観察光学系のオートフォー
カス、およびオートアプローチを行うことができ、探針
の破損などの心配をなくすことができる。

なお、上述した２つの実施例はさらに種々変形可能であ
る。例えば、第１粗動機構を試料ステージ側に設けたり
、探針ユニットを筐体に固定し、第１粗動機構をステー
ジに、第２粗動機構を光学系に設け、第１粗動と第２粗
動を連動して駆動したり、単独で駆動することにより、
試料表面と対物レンズの距離を変化させることも可能で
ある。

次に、第２０図を参照して第４図に示した探針ユニット
６８の他の実施例について説明する。なお同図において
、第４図と同一の部材には同一の符号を付してある。

第２０図において、７４は円筒型圧電アクチュエーター
であり、リング状の絶縁部材９１を介してリング状圧電
体支持部材７２に接着してある。

このように絶縁部材９１を介在させることによって圧電
体支持部材７２と圧電アクチュエーターの表面電極９４
Ａ，９４Ｂとの間の放電を防いでいる。また円筒型圧電
アクチュエータ−７４の先端にはガードリング部材９３
（分離電極）を介して金属外枠９６が接着してある。金
属外枠９６の内周にはネジ２９Ａが切ってあり、このネ
ジが探針ホルダー７６の外周に設け与れたネジ２９Ｂと
螺合しており、これによって探針ホルダー７６が金属外
枠９６と接続されている。ガードリング部材９３は、リ
ング状絶縁部材３３の外周中央部に金属膜９７がコート
され、この金属膜９７は、リード線３５を介して試料台
２８に接続されており、グランドレベルにある。

このようなガードリング部材９３を設けることにより、
円筒型圧電アクチュエータ−７４の表面電極９４Ａ，９
４Ｂから探針ホルダー７６への漏れ電流のＡＣ戊分およ
びＤＣ成分をともに防ぐことができ、トンネル電流に対
するノイズを減少させることができる。また、探針ホル
ダー７６が円筒型圧電アクチュエータ−７４と着脱可能
であるため、探針の交換が容易に行なえる。

なお、ガードリング部材９３を円筒型圧電アクチュエー
タ−７４と別体にするのではなく圧電アクチュエータ−
７４の表面にガードリング電極として２０図に破線で示
すように金属膜９７Ａを設けることもできる。このよう
な構成にすれば、ガードリングを設けることによる探針
ユニット全体の剛性の低下の心配がない。

さらに、図２０において、金属外枠９６の外周とプリア
ンプ３０から出ているトンネル電流、バイアス電圧用信
号線３１とを接続するよう構戊すれば、ブリアンプと探
針との電気的接続を容易に戎すことができる。この場合
、探針ホルダー７６上の探針７８と金属外枠９６とは、
導電性接着剤９８と導電性透明膜９９を介して電気的に
接続されることになる。

次に、探針ユニットに探針ホルダーを取り付けるための
治具について説明する。第２１図は取り付け治具１５を
説明するための図である。図のように取り付け治具１５
は、中央に探針保護用の穴２１が設けられている円形平
板の外周に案内リング２３が設けられており、探針ホル
ダー７６側には探針ホルダー７６に設けられた小孔２７
と係合するガイドピン２５が設けられている。

このような構成において探針ユニットに探針ホルダーを
取り付ける場合、探針７８が上記取り付け治具１５に設
けられた針保護用の穴２１に入るように探針ホルダー７
６を支持し、治具１５の外周を回すことで探針ホルダー
７６と金属外枠９６とが螺合する。こうすれば探針７８
の先端を損傷することなく、確実に探針ホルダー７６を
金属外枠９６に取り付けることができる。

［発明の効果］ この発明の走査型トンネル顕微鏡によれば、探針の陰の
ない試料面の光学的観察像を得ることができる。また、
試料との導通が容易にとれ、かつノイズのない観察像を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の走査型トンネル顕微鏡の全体的な構
戊を説明するための説明図、第２図は第１図に示される
試料台の構成を説明する図、第３図は第１図に示される
探針ユニットを移動するための構造を示す図、第４図は
探針ユニット及びその支持機構を説明する図、第５図は
探針ユニットの位置決め機構の構或を示す図、第６Ａ図
及び第６Ｂ図は対物レンズの支持機構を説明する図、第
７図は探針を試料観察光学系の光軸位置に調整する過程
を示す図、第８図は第２図に示した第２粗動機構の他の
実施例を示す図、第９図は観察光学系のＺ方向粗動制御
回路を示す図、第１０図はトンネル電流検知回路を示す
図、第１１図はＺ微動中心電圧検知回路を示す図、第１
２図はＺ制御回路を示す図、第１３図から第１５図は観
察光学系のオートフォーカスの過程を説明するための説
明図、第１６図および第１７図は観察光学系のオートア
プローチの過程を説明するための説明図、第１８図は観
察光学系のオートフォーカス動作を説明するためのフロ
ーチャート、第１９図は観察光学系のオートアプローチ
動作を説明するためのフローチャート、第２０図は探針
ユニットの他の実施例を説明するための説明図、第２１
図は探針ホルダーの探針ユニットへの取り付けを行う治
具を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料表面を光学的に観察するための観察光学系と
   、 前記観察光学系の対物レンズを支持するとともに、この
   対物レンズを粗く移動する第１の粗動手段と、 光学的に透明な部材によって支持される探針およびこの
   探針を走査する圧電駆動体を有する探針ユニットと、 前記探針ユニットを支持するとともに、探針ユニットを
   粗く移動する第２の粗動手段とを備えることを特徴とす
   る走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）試料を載置する絶縁性の試料ステージと、前記試
   料を押圧して前記試料ステージに保持する導電性の保持
   部材と、 この保持部材を所定の位置に固定するとともに、トンネ
   ル電流を検出する手段に電気的に接続される導電性の接
   続部材とを備えることを特徴とする走査型トンネル顕微
   鏡。
3. （３）複数の圧電体と駆動電極とを有する圧電駆動体と
   、 前記圧電駆動体と着脱可能に設けられ、探針を支持する
   透明部材と、 前記駆動電極と探針との間に設けられ、接地電位にある
   分離電極とを有する走査型トンネル顕微鏡の探針ユニッ
   ト。