JPH034102A - 走査型トンネル顕微鏡 - 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Ｊ この発明は、走査型トンネル顕微鏡に関する。 より詳細には、予め試料の観察領域を視野選択するため
の光学顕微鏡を備えた走査型トンネル顕微鏡に関する。 ［従来の技術］ 高真空中における超高分解能表面形状測定装置として、
１９８２年にＢｆｎｎｊｇらにより、ＵＳＰａｔ、　４
　、３４３．９９３において、走査型トンネル顕微鏡（
以下、ＳＴＭと言う）が提案された。２方向アクチユエ
ーターにより、先端の鋭い探触針を試料表面にｌｒｖ程
度まで接近させ、探触針と試料との間に所定の電圧を印
加すると、探触針と試料との間にトンネル電流を流れる
。このトンネル電流は、探触針と試料との距離に敏感に
反応し、変化する。ＳＴＭは、このトンネル電流の性質
を利用して、試料表面の形状を観ｉｌｌするもので、ト
ンネル電流の値を一定に保つように２方向アクチユエー
ターをサーボ動作させながら、ｘ’１方向アクチュエー
ターによって、探触針を試料表面の面方向に番目対的に
移動させるとともに、２方向アクチユエーターのサーボ
電圧を読みとり、画像表示することにより、試料表面の
形状を観察する。 このＳＴＭは、分解能が非常に高いため、試料を低倍率
で観察して、観察領域を選択するには適していない。し
かも、試料表面上の観察領域を他の顕微鏡により観察し
た後にＳＴＭによる観察を行なう場合、顕微鏡で得られ
る像と、ＳＴＭによる観察像とが必ずしも一致しないと
いう欠点があった。このため、観察領域を選択するため
の光学顕微鏡を備えたＳＴＭが使用されるに至った。 このようなＳＴＭの一例が、Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃ１．Ｔｅ
ｃｈｎ。 １、Ａ１３（２）、Ｍａｒ／Ａｐｒ　１９８ｇ、ｐｐａ
８３−３８５に開示されている。この従来例に係るＳＴ
Ｍでは、透明試料を介して光学Ｗｉ微鏡の対物レンズと
ＳＴＭの探触針とが対峙している。探触針の反対側から
、対物レンズを介して観察する試料表面に光を照射し、
この試料表面からの反射光で光学的に観察する一方、反
対側に配置された探触針を走査させてＳ７Ｍ観察を行な
う。

【発明が解決しようとする課ｗＪ］ しかし、このようなＳＴＭにおいて、試料を光学的に観
察する際、試料表面に反対側から光を照射するので、観
察試料は光学的に透明でなければならない。すなわち、
光学的に透明でない試料を光学的に観察することができ
ない。 また、試料を載せる試料台が、光学顕微鏡のステージの
上にａ置されるので、外部振動に対して対物レンズと試
料台とが同位相で振動しない。このため、試料を高倍率
の光学顕微鏡で観察する場合、光学顕微鏡による像が外
部振動によって、大きく搗れてしまうため、位置決めが
非常に困難になるという欠点がある。 この発明は、耐振動性に優れ、かつ不透明試料を光学的
に観察できる光学顕微鏡を備える走査型トンネル顕微鏡
を提供することを目的とする。 ｃａｔｚ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、試料を保持する試
料台と、トンネル電流を検出する探触針と、この探触針
を走査させるアクチュエーターとを備える探触針走査ユ
ニットと、対物光学部材と、この対物光学部材を介する
前記試料からの反射光を受ける接眼光学部材とを有し、
この接眼光学部材を介して前記試料の表面を観察する光
学系と、前記探触針走査ユニットまたは前記対物光学部
材を前記試料の上方の観察位置に選択的に配置する手段
とを備えることを特徴とする。 または、試料を保持する試料台と、トンネル電流を検出
する探触針と、この探触針を走査させるアクチュエータ
ーとを備える探触針走査ユニットと、対物光学部材と、
この対物光学部材を介する前記試料からの反射光を受け
る接眼光学部材とを有し、この接眼光学部材を介して前
記試料の表面を観察する光学系と、前記探触針走査ユニ
ットを、前記試料と前記対物光学部材との間に介在させ
る手段とを鎧えることを特徴とする。 ［作用］ この発明では、試料上方の観察位置に、探触針走査ユニ
ットまた°は対物光学部材のいずれがが選択的に配置さ
れる。試料表面を観察する光学系の対物光学部材を観察
位置に配置することにより、試料方面を光学顕微鏡像が
観察できできるとともに、観察位置に探触針走査ユニッ
トを配置することにより、ＳＴＭ像が観察できる。 または、試料表面を観察する光学系により光学顕微鏡像
が観察できるとともに、光学系の対物光学部材と試料と
の間に探触針走査ユニットを配置することにより、ＳＴ
Ｍ像が観察できる。 いずれの場合も、光学顕微ｔＰＬ（！Ｉ！とＳＴＭｉ！
ｊ！、を同じ方向から観察するので、光学的に不透明な
試料を観察することができる。 Ｃ実ＭｉＮ］ この発明の一実施例をｍ１図を参照して説明する。台座
１２の上には試料台２０が載置されている。ｇ料金２０
は、ａ置された試料１０を上下方向に移動させる２ステ
ージと、作動つまみ２１を回転させることにより、試料
１０を水平方向に移動させるＸＹステージを帰えている
。台座１２の端部には、はぼ逆り字状の形をした支持ア
ーム１４が立設されている。支持アーム１４の先端部上
方には、接眼レンズ２６を鍮えるＦＲｒＩＩｉ光学部２
８が配置されている。また、支持アーム１４の先端部の
下方には、公知の光学顕微鏡で知られる回動可能なレボ
ルバ−１６が取り付けられている。レボルバ−１６は複
数のネジ穴を鍮え、このネジ穴に対物レンズ２２および
探触針追査ユニットが螺合されている。レボルバ−・１
６を回転させることにより、対物レンズ２２または探触
針走査ユニット２４のいずれかが、選択的に試料ｌＯの
上方に垂直に配置される。 探触針走査ユニット１４は、その断面図が第２図に示さ
れるように、レボルバ−１６のネジ穴の雌ネジに螺合可
能は雄ネジが周面に形成された突出部を上端部に有し、
また下端が開口した円筒状の外枠３０を備えている。外
枠３０の内側において、上部スライダー３２が、側面に
固着された上部支持用圧電アクチュエーター３６によっ
て、支持されている。上部スライダー３２の下面には移
動用圧電アクチュエーター３８が固着され、移動用圧電
アクチュエーター３８の下端は下部スライダー３４に固
着されている。下部スライダー３４もまた、側面に固着
された下部支持用圧電アクチュエーターによって、外枠
３０の内側に支持されている。下部スライダー３４の下
面には、探触針５２を鎧える円筒型圧電アクチュエータ
ー５０が取り付けられている。円筒型圧電アクチュエー
ター５０は、上部支持用圧電アクチュエーター３６およ
び下部支持用圧電アクチュエーター４０の固定を交互に
解除し、この解除に応じて移動用圧電アクチュエーター
３８を断続的に伸縮させる、いわゆるインチワーム方式
により、２方向に移動される。 次に円筒型圧電アクチュエーター５０について、第３図
を参照して説明する。円筒型圧電アクチュエーター５０
は、円筒型圧電体５４の内面に１１１−電極５６を備え
、外周面に４分割電極５８を備える。円筒型圧電体５４
の下端にはセラミック製の絶縁リング６０を介して、中
心に探触針ホルダー６４を固定するためのネジ穴を有す
る金属円板６２が取着されている。金属円板６２のネジ
穴には、中心に探触針５２が固定された探触針ホルダー
が螺合されている。 円筒型圧電アクチュエーター５０は、Ｘ＊Ｖ−２方向の
走査信号を受けて３次元方向に走査される。走査原理を
述べると、単一電極５６および４分割電極のそれぞれに
等しく、所定の電圧が印加されると、円筒型圧電体５４
が２方向に伸縮され、２方向に変位する。また、４分割
電極５８の各々に選択的に所定の電圧が印加されると、
円筒型圧電体５４がわん曲し、４分割電極５８に印加さ
れた電圧の比に対応してｘｙ力方向変位する。これによ
り、円筒型圧電アクチュエーター５０に取り付けられた
探触針５２が３次元方向に走査される。 試料のＳＴＭ＠観察領域の光学５ＩＪＩ微鏡による観察
ニついて述べる。トンネルバイアス電圧を印加するため
の電極が取り付けられた試料１０を試料台２０の上に固
定する。レボルバ−１６を回転させ、試料１０の上方に
対物レンズ２２を配置し、・光学顕微鏡の光軸と対物レ
ンズの光軸を一致させる。これにより、試料１０の表面
が光学顕微鏡により観察可能となる。試料台２０の２ス
テージを上下方向に移動させて、光学像のピントを合わ
せる。試料１０の光学像を観察しながら、試料台２０の
ＸＹステージを移動させて、ＳＴＭ像を観察したい試料
１０の領域を光学像の中心に移動させる。 次にＳＴＭによる観察について述べる。光学顕微鏡によ
り、観察領域を視野選択した後、試料台２０のＸＹステ
ージおよび２ステージを動かすことなく、レボルバ−１
６を回転させて、探触針走査ユニット２４を試料１０の
上方に配置する。このとき、探触針走査ユニット２４の
探触針５２は、試料１０に当たらないように、対物レン
ズ２２の最下端より高い位置に支持されている。探触針
５２は探触針走査ユニット２４の中心にあるので、探触
針５２は、レボルバ−１６を回転する以前に位置してい
た対物レンズ２２の光軸上に位置する。 この結果、ＳＴＭの観察領域と光学顕微鏡による観察領
域が一致する。 試料１０と探触針５２の間に所定の電圧を印加し、両者
の間に流れるトンネル電流を７１−１定しつつ、インチ
ワーム方式により円筒型圧電アクチュエーター５０を下
げ、トンネル電流が０．５ｎＡになるまで探触針５２を
試料１０の表面に近づける。さらに円筒型圧電アクチュ
エーター５０を用いて、トンネル電流の値が５ｎＡにな
るまで、探触針５２を試Ｎ１０に接近させる。 探触針５２と試料１０との間に流れるトンネル電流を一
定に保つように、所定の２方向走査信号を円筒型圧電ア
クチュエーター５０に送りながら、円筒型圧電アクチュ
エーター５０にｘｙ方向走査用信号を送り、探触針５２
をｘｙ力方向走査させる。このとき、ｘｙ方向走査信号
に同期させて、２方向走査信号をコンピュータに取り込
み、画像処理した後、ＣＲＴまたはビデオプリンターに
ＳＴＭ像を出力する。 この発明では、光学ｉ微鏡による観察とＳＴＭによる観
察を同方向から行なうので、不透明な試料も観察できる
。しかも、レボルバ−１６を回転させるだけで、光学顕
微鏡の光軸上に探触針５２を配置できるので、位置決め
が容品に行える。さらに、顕微鏡本体ごと除振台上に載
置することにより、振動の影響を低減できる。 別の探触針走査ユニットを第４図に示す。この探触針走
査ユニット７０は、レボルバ−１６のネジ穴の雌ネジに
螺合可能は雄ネジが周面に形成された突出部を上端部に
有し、また下端が開口した円筒状の外枠７２を備えてい
る。外枠７２は調整ネジ７４が挿通する開口部を有する
突出部７４を備えている。外枠７２の内側には、上下方
向に移動可能が内枠７６が挿入されており、内枠７２は
、その上に配置されたバネ７７によって比圧されている
。内枠７６は、外枠７２の開口部７５を通って外部に延
出する突出部７９を備える。内枠７６の突出部７９は、
外枠７２の突出部７３の開口部を貫通した３！整ネジ７
４が螺合するネジ穴を先端部に備えている。内枠７６は
、調整ネジ７４を回転させることにより、外枠７２の内
側を上下に移動される。内枠７６の内側において、探触
針５２が取り付けられた支持部材８０は、一端が支持部
材８０の側面に固着され、他端が内枠７６の内壁側面に
固着された４本のｘｙ方向走査用圧電アクチュエーター
８２により支持されている。また、２方向走査用圧電ア
クチユエーター８４の一端が支持部材８０の上面に固着
され、他端が内枠７６の土壁の下面に固着されている。 ４本のｘｙ方向走査用圧電アクチュエーター８２に電圧
が印加されて伸縮されることにより、探触針５２がｘｙ
力方向走査され、また２方向走査用圧電アクチユエータ
ー８４に電圧が印加されることにより、探触針５２が２
方向に移動される。 また別の探触針走査ユニットを第５図に示す。 この探触針走査ユニット９ｏは、レボルバ−１６のネジ
穴の雌ネジに螺合可能な雄ネジ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９２
を具備する。この外枠９２の土壁内面中央には、ネジ穴
が形成されており、このネジ穴に対物レンズ２２が上端
で螺合されている。この対物レンズ２２の外周面と外枠
９２の内周面との間には円筒状の内枠９４が設けられて
いる。この内枠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９４ａ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９４ｂとから構成されている。これら支持
部９４ｇは、外枠９２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ｒｉ１９２ａ並び
に１対の下方内枠固定用粗微動装置９２ｂによって、各
々選択的に固定される。これら６対の２個の粗微動装置
は互いに１８０度離間して設けられ、内枠方向に伸縮可
能は圧電素子により構成されている。上方の支持部９４
ａには、内枠９４と対物レンズ２２との間に、対物レン
ズ２２と同心的に位置する円筒状の３次元アクチュエー
ター９６の上端が固定されている。この３次元アクチュ
エーター９６は、前記上方内枠固定用粗微動装Ｗ１９２
ａと下方内枠固定用粗微動装置９２ｂとを交互に働かせ
ること１こより、上方および下方の支持部９４ａの固定
を交互に解除し、この解除に応じて探触針移動用ｍ微動
装置９４ｂを断続的に伸縮させる、いわゆるインチワー
ム方式により、２方向に移動される。 このアクチュエーターの下端には、中央に円形開口を有
する円形の金属枠９８が周縁で固定されている。このと
きの金属枠９８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９８には、これの円形開口を塞ぐカバーガラスからな
る探触針ホルダー１００が取り付けられ、この探触針ホ
ルダー１００の中心部には、探触針５２が対物レンズ２
２の光軸に沿って試料方向に突設されている。試料１０
はＸおよびｙ方向に移動可能なステージよりなる試料台
１０２上に固定されている。 光学顕微鏡のレボルバ−１６に、この探触針走査ユニッ
ト９０を装着して試料表面の顕微鏡観察を行なう場合、
光学顕微鏡のピント合わせは、試料台１０２を粗動させ
て行なう。この場合、光学顕微鏡像上に存在する探触針
５２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Ｓ７Ｍ走査範囲・を光学顕微鏡で確認す
ることができる。一方、ＳＴＭ表面像を観察するには、
探触針走査ユニット９０の対物レンズ２２を光学顕微鏡
のピント位置に設定した後、このユニットの粗微動装置
により探触針を微動調整してトンネル電流を検出した後
、３次元アクチュエーターを働かせて試料を探触針によ
り走査する。 この発明に係る別の実施例を第６図および第７図を参照
して説明する。一般に知られる光学顕微鏡１３０におい
て、上下方向に移動可能なＺステージ１３１の上に、位
置調整機能を備えた試料ステージ１３２がａｔされてい
る。試料ステージ１３２の中央部には、積層型圧電アク
チュエーター１３４が立設されている。積層型圧電アク
チュエーター１３４は一端が閉塞された円筒状の支持部
材１３５により覆われ、積層型圧電アクチュエーター１
３４の上端と支持部材１３５の閉塞面は固着されている
。支持部材１３５の外周に、その下端において周ａｒｆ
Ｂで固定された円筒型圧電アクチュ、１−１−１３６が
配置されている。この円筒型圧電アクチュエーター１３
６の上端を塞ぐように試料台１３７が取り付けられてい
る。試す４台１３７の上に載置された試料１３８の位置
は、積層型圧電アクチュエーター１３４により上下方向
に微動調整され、また円？？ｉ型圧電アクチュエーター
１３６により水平方向に微動調整される。 試料１３８の上方には、その光軸が試料表面に垂直な対
物レンズ２２が配置さ゛れている。試料ステージ１３２
の上端には、スライド枠１１０が固定されており、スラ
イド枠１１０は対物レンズ２２と試料１３Ｂの間に配置
される。スライド枠１１０の上面図が第７図に示される
。スライド枠１１０は、スライドガイド１１４の溝に沿
って移動可能なスライド板１１２を備え、スライド板１
１２を固定する固定用ネジ１１６をスライドガイド１１
４に備える。スライド板１１２には、光学観察用の開口
部１１８と、探触針走査ユニット１２０が離間して設け
られている。探触針走査・ユニット１２０は、探触針５
２が立設された探触針ホルダー１２８が固定された金属
円板１２６の外周面が、一端がこの金属円板１２６の外
周面に固定され、他喘がスライド板１１２に設けられた
開口部１２２の内側面に固定された４本の圧電アクチュ
エーター１２４により支持されて構成される。これら４
本の圧電アクチュエーター１２４に所定の電圧が印加さ
れることにより、探触針５２がｘｙ力方向走査される。 このスライド枠１１０は、スライドガイド１１４が試料
ステージ１３２の上端に固定されることにより、スライ
ド板１１２が水平方向に移動可能に取り付けられる。 試料１３８の光学的観察は、対物レンズ２２の下方に開
口部１１８が位置するようにスライド板１１２を移動す
る。これにより、試料１３８の表面で反射された観察光
が開口部１１８を通って対物レンズ２２に入射されるよ
うになり、光学的観察ができるようになる。光学像のピ
ント合わせは２ステージを上下方向に移動することによ
り行なわれる。光学像を観察しながら、試料ステージ１
３２の位Ｗ１調整機構を用いて、ＳＴＭ像を観察する領
域が中心に位置するように調整する。 ＳＴＭによる観察は、光学的観察により位置決めを行な
った後、スライド板１１２を移動させ、探触針５２が対
物レンズ２２の光軸上に位置するように配置して行なう
。探触針５２を観察領域上に配置した後、探触針５２と
試料１３８との間に所定の電圧を印加し、両者の間に所
定のトンネル電流が流れるように、閉居型圧電アクチュ
エーター１３４に電圧を印加して、試料１３８を探触針
５２に接近させる。この状態で、トンネル電流を一定に
保つように、円筒型圧電アクチュエーター１３６を駆動
させて、探触針５２と試料１３８との距離を制御しなが
ら、圧電アクチュエーター１２４に所定の電圧を印加し
て探触針５２をｘｙ力方向走査させる。このとき、探触
針５２をｘｙ力方向走査させるための圧電アクチュエー
ター１２４および円筒型圧電アクチュエーター１３６に
印加される電圧を同期させて検出し、処理することによ
りＳＴＭ像を得る。 この実施例では、光学的観察と８７Ｍ観察の切り替えは
、スライド板を移動させることにより行なわれ、従って
位置合わせも容易である。また、不透明な試料が、観察
可能であることは言うまでもない。 この発明は上述した実施例に限定されるものではなく、
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々多くの変形が可能で
ある。 【発明の効果】 この発明によれば、光学顕微鏡による観察とＳＴＭによ
る観察を同方向から行なうので、不透明な試料も観察で
きるようになる。しかも、光学顕微鏡の光軸と探触針を
一致させて、対物レンズと探触針走査ユニットとを簡単
に入れ換えられるので、試料の観察領域の位置決めが容
易に行えるようになる。さらに、顕微鏡本体ごと除振台
上に載置することにより、振動の影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る装置の構成を示す図
、第２図は一実施例に係る探触針走査ユニットの断面図
、第３図は一実施例に係る円筒型圧電アクチュエーター
の断面図、第４図は別の探触針走査ユニットの断面図、
第５図はまた別の探触針走査ユニットの断面図、ｔＪ６
図はこの発明の別の実施例に係る装置の構成を示す図、
第７図はスライド枠の上面図である。 １０・・・試ｌｌ、１６・・・レボルバ−２２・・・対
物レンズ、２４・・・探触針走査ユニットｅ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を保持する試料台と、 トンネル電流を検出する探触針と、この探触針を走査さ
   せるアクチュエーターとを備える探触針走査ユニットと
   、 対物光学部材と、この対物光学部材を介する前記試料か
   らの反射光を受ける接眼光学部材とを有し、この接眼光
   学部材を介して前記試料の表面を観察する光学系と、 前記探触針走査ユニットまたは前記対物光学部材を前記
   試料の上方の観察位置に選択的に配置する手段とを備え
   る走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）試料を保持する試料台と、 トンネル電流を検出する探触針と、この探触針を走査さ
   せるアクチュエーターとを備える探触針走査ユニットと
   、 対物光学部材と、この対物光学部材を介する前記試料か
   らの反射光を受ける接眼光学部材とを有し、この接眼光
   学部材を介して前記試料の表面を観察する光学系と、 前記探触針走査ユニットを、前記試料と前記対物光学部
   材との間に介在させる手段とを備える走査型トンネル顕
   微鏡。
3. （３）前記探触針走査ユニットが、前記探触針をトンネ
   ル電流が流れる距離まで前記試料に接近させる粗動装置
   を備えることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネ
   ル顕微鏡。