JPH0625642B2 - Scanning tunnel microscope device - Google Patents

Scanning tunnel microscope device

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JPH0625642B2
JPH0625642B2 JP63299689A JP29968988A JPH0625642B2 JP H0625642 B2 JPH0625642 B2 JP H0625642B2 JP 63299689 A JP63299689 A JP 63299689A JP 29968988 A JP29968988 A JP 29968988A JP H0625642 B2 JPH0625642 B2 JP H0625642B2
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JP
Japan
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movement mechanism
type piezoelectric
piezoelectric element
bimorph type
fine movement
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JP63299689A
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展宏 津田
啓文 山田
文彦 石田
正和 林
民好 安永
順三 内田
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Toshiba Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
Toshiba Corp
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【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
る走査トンネル顕微鏡装置の改良に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to an improvement of a scanning tunneling microscope apparatus for observing a surface shape or the like of a substance with high accuracy in a non-contact manner.

(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1nm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1nm
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。
(Prior Art) Recently, as a microscope apparatus for observing a minute observation object, as shown in US Pat. No. 4,434,993, for example, a scanning tunnel microscope (hereinafter referred to as STM) having a high resolution so that atoms can be observed. The device is being developed. This is because the tip of the probe provided on the microscope main body is brought close to the observation target to about 1 nm where the electron cloud of the atom at the tip of the probe and the electron cloud of the atom of the observation target (sample) overlap with each other, and in this state Measure the magnitude of the tunnel current that flows when a voltage is applied between the needle and the observation object, and based on this measurement result, measure the distance between the probe and the observation object with ultra precision. It was done. In this case, the magnitude of the tunnel current changes exponentially according to the distance between the probe and the observation object. Therefore, in STM, the tip of the probe is set to 1 nm as the observation target by utilizing the distance dependence of the tunnel current.
With this probe, the surface of the object to be observed is two-dimensionally scanned in a state of being close enough to measure the magnitude of the tunnel current at each measuring point on the surface of the object to be observed and the probe at each measuring point. The three-dimensional image of the surface of the observation object is obtained by measuring the distance to the object with ultra precision and plotting the distance measured at each measurement point. In actual measurement, it is difficult to detect the distance between the probe and the object to be observed with high accuracy.Therefore, follow the unevenness of the surface of the object to observe the probe so that the tunnel current is constant. Scanning is performed while operating, and a three-dimensional image of the surface of the observation object is obtained based on the vertical movement of the probe.

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13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14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Z、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c等が広く用いられている。
By the way, as a probe scanning means in this type of STM, conventionally, as shown in FIG. 13, a fine movement mechanism called tripod a in which PZT of piezoelectric ceramics is orthogonal to the XYZ directions, or a cylinder as shown in FIG. A tube scanner c or the like in which an electrode Z is adhered to the inner peripheral surface of the piezoelectric ceramic b and electrodes x, y, -x, -y are adhered to the outer peripheral surface thereof is widely used.

また、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。
Further, a mechanism for enlarging the scanning region using a parallel type parallel spring as shown in the literature, for example, pp. 249-250, Proceedings of the Autumn Meeting of the Precision Engineering Society of Japan 1987 has been considered.

(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。
(Problems to be solved by the invention) When a tripod a type fine movement mechanism, a tube scanner c, or the like is used as the scanning means of the probe, the scanning range is limited by the displacement amount of the drive element. However, there is a problem that a large scanning range cannot be obtained. Therefore, the tripod a type fine movement mechanism, the tube scanner c, and the like have a problem that the surface of the observation object cannot be measured over a wide range because the scanning area is narrow.

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
付け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。
Further, in the case of a scanning area enlarging mechanism using a superimposing parallel spring, the probe is configured to be driven in the horizontal direction, so that the observation object holding surface of the table holding the observation object is set in the vertical direction. There was a problem that had to be placed along. Therefore, since it is necessary to firmly fix the observation target to the observation target holding surface of the table, it is difficult to provide a mechanism for moving the attachment position of the observation target, and the observation area of the observation target is limited. was there. further,
There is also a problem that the size, thickness, weight, etc. of the observation object that can be attached to the observation object holding surface of the table are limited.

この発明は上記事情に着目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うえ、試料
を保持するテーブルの支持剛性を高め、試料表面の測定
動作を安定に行なう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。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to enlarge the observation area of the sample surface, measure the fine structure of the sample surface with high accuracy, and limit the size of the sample. It is an object of the present invention to provide a scanning tunneling microscope apparatus that can be reduced in number and can increase the supporting rigidity of a table that holds a sample and can stably perform the measurement operation of the sample surface.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) この発明は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に対し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テーブル微動機
構と、このテーブル微動機構の駆動方向と同方向に前記
テーブル微動機構による変位量よりも大きな変位量で前
記テーブルを粗動させるテーブル粗動機構とを前記テー
ブル駆動機構に設けるとともに、前記テーブル微動機構
には前記バイモルフ型圧電素子の両端部に前記テーブル
粗動機構側との固定部、前記バイモルフ型圧電素子の略
中央部に前記テーブル側との連結部を設け、かつ前記バ
イモルフ型圧電素子の前記両端部間の複数箇所の所定部
位での分極方向を予め定めておき、更に前記所定部位に
対応して前記バイモルフ型圧電素子の電極を分割させて
前記電極に電圧を印加することによって前記バイモルフ
型圧電素子の前記両端部間の部分を略弓形に変形させて
前記バイモルフ型圧電素子の変位量を増幅する変位量増
幅手段を設けたものである。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In the present invention, the tables holding the sample are orthogonal to each other.
A table drive mechanism for two-dimensionally scanning in a direction and a probe drive mechanism for driving a probe for detecting a minute current, which is arranged to face a sample on the table, in a direction perpendicular to the scanning direction of the table, With the scanning of the table, the probe was moved to the sample above until the electron clouds of both were overlapped and the tunnel current flowing when a potential difference was applied between the two was kept constant. In a scanning tunneling microscope device that measures the surface shape of a sample on the table by driving in a direction perpendicular to the scanning direction of the table, the tables are orthogonal to each other along a horizontal plane due to a displacement operation of a bimorph type piezoelectric element. A table fine movement mechanism for performing a two-dimensional fine displacement in two directions, and the table fine movement mechanism in the same direction as the driving direction of the table fine movement mechanism. The table drive mechanism is provided with a table coarse movement mechanism that coarsely moves the table with a displacement amount larger than the displacement amount by the table coarse movement mechanism side at both ends of the bimorph type piezoelectric element. And a fixed portion, a connection portion with the table side is provided at a substantially central portion of the bimorph type piezoelectric element, and a polarization direction at a plurality of predetermined portions between the both ends of the bimorph type piezoelectric element is predetermined. Further, by dividing the electrodes of the bimorph type piezoelectric element corresponding to the predetermined portion and applying a voltage to the electrodes, the portion between the both ends of the bimorph type piezoelectric element is deformed into a substantially arc shape, and A displacement amount amplifying means for amplifying the displacement amount of the bimorph type piezoelectric element is provided.

(作用) テーブル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方向に大きな変位量で粗動させることによ
り、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る。さらに、バイモルフ型
圧電素子を両端支持構造にすることにより、テーブルの
支持剛性を高め、かつバイモルフ型圧電素子の電極を分
割させた変位量増幅手段によってバイモルフ型圧電素子
の変位量を増幅するようにしたものである。
(Operation) By coarsely moving the holding table of the sample in two directions orthogonal to each other by a large displacement amount by the table coarse movement mechanism, the observation area of the sample surface is enlarged, and at the same time by the fine movement mechanism, the tables are orthogonal to each other along the horizontal plane. To do 2
By finely displacing two-dimensionally in the direction, the fine structure of the sample surface can be accurately measured. Furthermore, by supporting the bimorph type piezoelectric element at both ends, the support rigidity of the table is increased, and the displacement amount amplifying means in which the electrodes of the bimorph type piezoelectric element are divided is used to amplify the displacement amount of the bimorph type piezoelectric element. It was done.

(実施例) 以下、この発明の一実施例を第1図乃至第8図を参照し
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(X方向およびY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。
(Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. 1 shows a schematic configuration of a main part of the scanning tunneling microscope apparatus. Reference numeral 1 is a scanning tunneling microscope apparatus main body, and 2 is a base of the microscope apparatus main body 1. On the base 2, a table drive mechanism 5 for two-dimensionally scanning the holding table 4 of the sample 3 in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other and a Z-axis mechanism (probe drive mechanism) 6 described later are provided. Columns 7 for supporting each are provided.

また、テーブル駆動機構5にはテーブル4を水平面に沿
って互いに直交する2方向(X方向およびY方向)に2
次元に微小変位させるテーブル微動機構8と、このテー
ブル微動機構8の駆動方向と同方向にテーブル微動機構
8による変位量よりも大きな変位量でテーブル4を粗動
させるテーブル粗動機構24とが設けられている。
Further, the table 4 is arranged in the table drive mechanism 5 in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other along the horizontal plane.
A table fine movement mechanism 8 for performing a minute displacement in a dimension, and a table coarse movement mechanism 24 for coarsely moving the table 4 in the same direction as the driving direction of the table fine movement mechanism 8 by a displacement amount larger than the displacement amount by the table fine movement mechanism 8 are provided. Has been.

さらに、テーブル微動機構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Y方向微動機構1
0とが上下2段に重ねられた状態で設けられている。
Further, the table fine movement mechanism 8 includes an X-direction fine movement mechanism 9 for finely displacing the table 4 in the X direction along the horizontal plane, and a fine movement of the table 4 along the horizontal plane in the Y direction orthogonal to the displacement direction of the X direction fine movement mechanism 9. Displacement Y direction fine movement mechanism 1
0 and 0 are provided in a state of being vertically stacked.

第2図はX方向微動機構9の概略構成を示すものであ
る。第2図中で、11はX方向微動機構の本体である。
この微動機構本体11には平板状の固定板15が設けら
れている。この固定板15上の中央には試料3の保持テ
ーブル4がX方向に移動自在に配置されている。
FIG. 2 shows a schematic configuration of the X-direction fine movement mechanism 9. In FIG. 2, 11 is the main body of the X-direction fine movement mechanism.
The fine movement mechanism main body 11 is provided with a flat plate-shaped fixing plate 15. At the center of the fixed plate 15, a holding table 4 for the sample 3 is arranged so as to be movable in the X direction.

また、テーブル4の両側面にはX方向に向けて突起部1
4a,14bが突設されている。そして、一方の突起部
14aにはY方向に延設された薄板状の2組のバイモル
フ型圧電素子12a,12bの中央部位が連結され、他
方の突起部14bにも同様にY方向に延設された薄板状
の2組のバイモルフ型圧電素子13a,13bの中央部
位が連結されている。
Further, on both side surfaces of the table 4, the projections 1 are directed in the X direction.
4a and 14b are projected. The central portion of two thin plate-shaped bimorph-type piezoelectric elements 12a and 12b extending in the Y direction is connected to one protrusion 14a, and the other protrusion 14b also extends in the Y direction. The central portions of the two thin plate-shaped bimorph-type piezoelectric elements 13a and 13b are connected.

この場合、突起部14a側の2組のバイモルフ型圧電素
子12a,12bはX方向に離間された状態で略平行に
対向配置され、突起部14b側の2組のバイモルフ型圧
電素子13a,13bも同様にX方向に離間された状態
で略平行に対向配置されている。
In this case, the two sets of bimorph type piezoelectric elements 12a and 12b on the side of the protrusion 14a are arranged in parallel and face each other in the state of being separated in the X direction, and the two sets of bimorph type piezoelectric elements 13a and 13b on the side of the protrusion 14b are also arranged. Similarly, they are arranged so as to face each other substantially in parallel while being separated in the X direction.

また、微動機構本体11の固定板15にはX方向の両端
部両側面に上方向に向けて支持突部16a,16b、1
7a,17bがそれぞれ略直角に突設されている。この
場合、固定板15の一端側の一対の支持突部16a,1
6bはテーブル4の一方の突起部14aに離間対向配置
されている。各支持突部16a,16bにはバイモルフ
型圧電素子12a,12bが差し込まれる一対のスリッ
トがそれぞれ形成されている。そして、2組のバイモル
フ型圧電素子12a,12bの両端部は支持突部16
a,16bのスリットに差し込まれた状態で固定されて
おり、各バイモルフ型圧電素子12a,12bは両端支
持構造になっている。
Further, on the fixing plate 15 of the fine movement mechanism main body 11, support projections 16a, 16b, 1
7a and 17b are provided so as to project at substantially right angles. In this case, the pair of support protrusions 16 a, 1 on one end side of the fixed plate 15
6b is arranged on one of the protrusions 14a of the table 4 so as to be spaced apart and opposed thereto. A pair of slits into which the bimorph type piezoelectric elements 12a and 12b are inserted are formed in the support protrusions 16a and 16b, respectively. Both ends of the two pairs of bimorph type piezoelectric elements 12a and 12b are provided with the support projection 16
The bimorph type piezoelectric elements 12a and 12b are fixed in a state of being inserted into the slits a and 16b, and have a structure of supporting both ends.

同様に、固定板15の他端側の一対の支持突部17a,
17bはテーブル4の他方の突起部14bに離間対向配
置されている。各支持突部17a,17bにはバイモル
フ型圧電素子13a,13bが差し込まれる一対のスリ
ットがそれぞれ形成されている。そして、2組のバイモ
ルフ型圧電素子13a,13bの両端部は支持突部17
a,17bのスリットに差し込まれた状態で固定されて
おり、各バイモルフ型圧電素子13a,13bは両端支
持構造になっている。
Similarly, a pair of support protrusions 17a on the other end side of the fixed plate 15,
17b is arranged on the other protruding portion 14b of the table 4 so as to be separated and opposed thereto. A pair of slits into which the bimorph type piezoelectric elements 13a and 13b are inserted are formed in the support protrusions 17a and 17b, respectively. Both ends of the two pairs of bimorph-type piezoelectric elements 13a and 13b have support projections 17
The bimorph type piezoelectric elements 13a and 13b are fixed in a state of being inserted into the slits a and 17b, and have a structure of supporting both ends.

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枚の圧電素子A,Bを中央電
極22を介して貼り合わせて形成されている。
3 and 4 show each bimorph type piezoelectric element 1
2 shows a schematic configuration of 2a, 12b, 13a, 13b. That is, each bimorph type piezoelectric element 12a, 12
As shown in FIG. 3, b, 13a, and 13b are formed by bonding two piezoelectric elements A and B, which expand and contract in the lengthwise direction when a voltage is applied, via a central electrode 22.

さらに、各バイモルフ型圧電素子12a,12b、13
a,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,20
a,21aがそれぞれ並設され、他方の圧電素子Bの外
面にはこれらの分割電極18a,19a,20a,21
aと対応する位置に分割電極18b,19b,20b,
21bがそれぞれ並設されている。
Further, each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 13
On the outer surface of one of the piezoelectric elements A constituting a and 13b, a fourth
As shown in the figure, a plurality of divided electrodes 18a, 19a, 20
a and 21a are arranged in parallel, and the divided electrodes 18a, 19a, 20a and 21 are formed on the outer surface of the other piezoelectric element B.
The divided electrodes 18b, 19b, 20b, at positions corresponding to a.
21b are arranged side by side.

また、各バイモルフ型圧電素子12a,12b、13
a,13bの一方の圧電素子Aには各分割電極18a,
19a,20a,21aと中央電極22との間に、さら
に他方の圧電素子Bには各分割電極18b,19b,2
0b,21bと中央電極22との間に第3図中の矢印で
示す分極方向で予めバイアス電圧が印加されている。
In addition, each of the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13
One of the divided electrodes 18a,
19a, 20a, 21a and the central electrode 22, and the piezoelectric element B on the other side is divided into respective divided electrodes 18b, 19b, 2a.
A bias voltage is previously applied between 0b and 21b and the central electrode 22 in the polarization direction shown by the arrow in FIG.

すなわち、圧電素子Aには各分割電極18a,19a,
20a,21aと中央電極22との間の各区間にそれぞ
れ異なる分極方向で予めバイアス電圧が印加されてい
る。ここで、分割電極18aと中央電極22との間の区
間では分極方向は分割電極18aが−、中央電極22が
+で電圧が印加され、分割電極19aと中央電極22と
の間の区間では分極方向は分割電極19aが+、中央電
極22が−で電圧が印加される。さらに、分割電極20
aと中央電極22との間の区間では分極方向は分割電極
20aが+、中央電極22が−で電圧が印加され、分割
電極21aと中央電極22との間の区間では分極方向は
分割電極21aが−、中央電極22が+で電圧が印加さ
れる。
That is, the piezoelectric element A includes the divided electrodes 18a, 19a,
Bias voltages are applied in advance to the respective sections between 20a and 21a and the central electrode 22 in different polarization directions. Here, in the section between the split electrode 18a and the central electrode 22, the polarization direction is − and the central electrode 22 is +, and the voltage is applied, and the polarization is performed in the section between the split electrode 19a and the central electrode 22. In the direction, the split electrode 19a is +, and the central electrode 22 is −, and a voltage is applied. Furthermore, the split electrode 20
In the section between a and the central electrode 22, the divided electrodes 20a are polarized with a voltage of +, and the central electrode 22 is applied with a voltage, and in the section between the divided electrode 21a and the central electrode 22, the polarized direction is the divided electrode 21a. , And the central electrode 22 is +, and a voltage is applied.

また、圧電素子Bには各分割電極18b,19b,20
b,21bと中央電極22との間の各区間にそれぞれ異
なる分極方向で予めバイアス電圧が印加され、分割電極
18bと中央電極22との間の区間では分極方向は分割
電極18bが+、中央電極22が−で電圧が印加され、
分割電極19bと中央電極22との間の区間では分極方
向は分割電極19bが−、中央電極22が+で電圧が印
加される。さらに、分割電極20bと中央電極22との
間の区間では分極方向は分割電極20bが−、中央電極
22が+で電圧が印加され、分割電極21bと中央電極
22との間の区間では分極方向は分割電極21bが+、
中央電極22が−で電圧が印加される。
In addition, the piezoelectric element B includes the divided electrodes 18b, 19b, 20.
Bias voltages are applied in advance to the sections between the electrodes b and 21b and the central electrode 22 in different polarization directions, and in the section between the split electrodes 18b and the central electrode 22, the polarization direction is + for the split electrode 18b and the central electrode. 22 is-and a voltage is applied,
In the section between the divided electrode 19b and the central electrode 22, the polarization direction is − for the divided electrode 19b and + for the central electrode 22, and a voltage is applied. Further, in the section between the divided electrode 20b and the central electrode 22, the polarization direction is − and the central electrode 22 is +, and the polarization direction is applied in the section between the divided electrode 21b and the central electrode 22. Is the divided electrode 21b is +,
A voltage is applied when the central electrode 22 is negative.

さらに、第5図は各バイモルフ型圧電素子12a,12
b、13a,13bの各分割電極18a,19a,20
a,21a、18b,19b,20b,21bおよび電
極22と駆動電源との間の配線状態を示すものである。
Further, FIG. 5 shows each bimorph type piezoelectric element 12a, 12
b, 13a, 13b divided electrodes 18a, 19a, 20
The wiring state between a, 21a, 18b, 19b, 20b, 21b and the electrode 22 and the driving power supply is shown.

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に駆動電圧が印加さ
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
いる。この状態ではテーブル4は保持テーブル4の中央
の中立位置で保持されている。
The fine-movement mechanism main body 11 has the bimorph-type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b in a non-operating state in which a drive voltage is not applied to the bimorph-type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a as shown by the solid line in FIG. , 13b are each held in a substantially linear normal state. In this state, the table 4 is held at the central neutral position of the holding table 4.

また、各バイモルフ型圧電素子12a,12b、13
a,13bに駆動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は次のように変形する。す
なわち、分割電極18aと中央電極22との間の区間の
圧電素子Aに予め第3図の分極方向(分割電極18aを
−、中央電極22を+)でバイアス電圧を印加し、第5
図のように駆動電圧をかけた場合、圧電素子Aはこの区
間では伸びる。このとき、対向側の分割電極18bと中
央電極22との区間の圧電素子Bでは分極方向(分割電
極18bを+、中央電極22を−)が圧電素子Aとは反
対であるために第5図のように同じ駆動電圧を印加した
場合、圧電素子Bはこの区間では縮むことになる。
In addition, each of the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13
When a drive voltage is applied to a and 13b, the two piezoelectric elements A and B forming each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 13a and 13b are deformed as follows. That is, a bias voltage is applied in advance to the piezoelectric element A in the section between the divided electrode 18a and the central electrode 22 in the polarization direction of FIG. 3 (the divided electrode 18a is − and the central electrode 22 is +), and the fifth voltage is applied.
When a drive voltage is applied as shown, the piezoelectric element A expands in this section. At this time, in the piezoelectric element B in the section between the divided electrode 18b and the central electrode 22 on the opposite side, the polarization direction (+ for the divided electrode 18b, − for the central electrode 22) is opposite to that of the piezoelectric element A, and therefore FIG. When the same drive voltage is applied as described above, the piezoelectric element B contracts in this section.

なお、分割電極21aと中央電極22との間の区間の圧
電素子Aおよび分割電極21bと中央電極22との区間
の圧電素子Bでも同様である。そのため、各バイモルフ
型圧電素子12a,12b、13a,13bの両端部の
部分(分割電極18a,18b間の区間および分割電極
21a,21b間の区間)は内部側が第3図中で下向き
湾曲されることになる。
The same applies to the piezoelectric element A in the section between the divided electrode 21a and the central electrode 22 and the piezoelectric element B in the section between the divided electrode 21b and the central electrode 22. Therefore, the inner sides of the portions at both ends of each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 13a, 13b (the section between the divided electrodes 18a, 18b and the section between the divided electrodes 21a, 21b) are curved downward in FIG. It will be.

さらに、分割電極19aと電極22との間の区間の圧電
素子Aに予め第3図の分極方向(分割電極19aを+、
中央電極22を−)でバイアス電圧を印加し、第5図の
ように駆動電圧をかけた場合には圧電素子Aはこの区間
では縮む。このとき、対向側の分割電極19bと電極2
2との間の区間の圧電素子Bでは分極方向(分割電極1
9bを−、中央電極22を+)が圧電素子Aとは反対で
あるために第5図のように同じ駆動電圧を印加した場
合、圧電素子Bはこの区間では伸びることとなる。
Further, in the piezoelectric element A in the section between the divided electrode 19a and the electrode 22, the polarization direction (the divided electrode 19a is +,
When a bias voltage is applied to the central electrode 22 by-) and a drive voltage is applied as shown in FIG. 5, the piezoelectric element A contracts in this section. At this time, the divided electrode 19b and the electrode 2 on the opposite side are
In the piezoelectric element B in the section between 2 and 2, the polarization direction (divided electrode 1
Since 9b is − and the central electrode 22 is +, which is opposite to the piezoelectric element A, when the same drive voltage is applied as shown in FIG. 5, the piezoelectric element B expands in this section.

なお、分割電極20aと中央電極22との間の区間の圧
電素子Aおよび分割電極20bと中央電極22との区間
の圧電素子Bでも同様である。そのため、バイモルフ型
圧電素子12a,12b、13a,13bは中央側の部
分(分割電極19a,19b間の区間および分割電極2
0a,20b間の区間)は全体として第3図に仮想線で
示すように下向きに突出された湾曲形状に湾曲されるこ
とになる。
The same applies to the piezoelectric element A in the section between the split electrode 20a and the central electrode 22 and the piezoelectric element B in the section between the split electrode 20b and the central electrode 22. Therefore, the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b are located in the central portion (the section between the divided electrodes 19a, 19b and the divided electrode 2).
The section between 0a and 20b) is curved as a whole so as to project downward as shown by the phantom line in FIG.

したがって、駆動電圧の印加時には各バイモルフ型圧電
素子12a,12b、13a,13bはその両端側(分
割電極18a,18b間の区間および分割電極21a,
21b間の区間)では圧電素子Aが長さ方向に伸びると
同時に圧電素子Bが長さ方向に縮む方向に変形するとと
もに、この両端変形部の内側(分割電極19a,19b
間の区間および分割電極20a,20b間の区間)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1
2a,12b、13a,13b全体は第3図中に仮想線
で示すように下向きに略弓なり状に変形するようになっ
ている。これにより、バイモルフ型圧電素子12a,1
2b、13a,13bの電極を分割させてバイモルフ型
圧電素子12a,12b、13a,13bの変位量を増
幅する変位量増幅手段が構成されている。
Therefore, at the time of applying the drive voltage, each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 13a, 13b has its both ends (the section between the divided electrodes 18a, 18b and the divided electrode 21a,
In the section between 21b), the piezoelectric element A extends in the longitudinal direction and at the same time the piezoelectric element B deforms in the direction of contracting in the longitudinal direction, and inside the both end deformed portions (divided electrodes 19a, 19b).
In the interval between and between the divided electrodes 20a and 20b), the piezoelectric element B extends in the length direction and at the same time, the piezoelectric element A deforms in the direction of contracting in the length direction, and each bimorph type piezoelectric element 1
The whole of 2a, 12b, 13a, 13b is adapted to be deformed downward in a substantially bow shape as shown by an imaginary line in FIG. Thereby, the bimorph type piezoelectric elements 12a, 1
Displacement amount amplification means for amplifying the displacement amount of the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b by dividing the electrodes 2b, 13a, 13b is configured.

また、Y方向微動機構10はX方向微動機構9と略同一
機構になっている。この場合、Y方向微動機構10のテ
ーブル4はX方向微動機構9の固定板15の下面に固定
されている。
The Y-direction fine movement mechanism 10 is substantially the same as the X-direction fine movement mechanism 9. In this case, the table 4 of the Y direction fine movement mechanism 10 is fixed to the lower surface of the fixing plate 15 of the X direction fine movement mechanism 9.

さらに、Y方向微動機構10のテーブル4の両側面には
Y方向に向けて突起部14a,14bが突設されてい
る。そして、一方の突起部14aにはX方向に延設され
た薄板状の2組のバイモルフ型圧電素子12a,12b
の中央部位が連結され、他方の突起部14bにも同様に
X方向に延設された薄板状の2組のバイモルフ型圧電素
子13a,13bの中央部位が連結されており、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Y方向に変位するようになって
いる。なお、このY方向微動機構10の各バイモルフ型
圧電素子12a,12b、13a,13bもX方向微動
機構9と同様に両端支持構造になっている。
Further, projections 14a and 14b are provided on both side surfaces of the table 4 of the Y-direction fine movement mechanism 10 so as to extend in the Y-direction. Then, on one of the protrusions 14a, two thin plate-shaped bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b extending in the X direction are provided.
Of the thin plate-like bimorph type piezoelectric elements 13a and 13b extending in the X direction are also connected to the other projecting portion 14b. The table 4 is displaced in the Y direction by the deformation of 12a, 12b, 13a, 13b. Each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 13a, 13b of the Y direction fine movement mechanism 10 also has a structure of supporting both ends similarly to the X direction fine movement mechanism 9.

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によ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Y方向に粗動させるY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Y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。
Further, the microscope apparatus main body 1 is provided with a coarse movement mechanism 24 that coarsely moves the table 4 in the same direction as the driving direction of the fine movement mechanism 8 by a displacement amount larger than the displacement amount by the fine movement mechanism 8.
The coarse movement mechanism 24 includes an X-direction coarse movement mechanism 25 for roughly moving the table 4 in the X direction along the horizontal plane and a Y direction coarse movement mechanism 26 for roughly moving the table 4 in the Y direction along the horizontal plane. It is provided in a state of being stacked in layers. In this case, the X-direction coarse movement mechanism 25 and the Y-direction coarse movement mechanism 26 are formed by, for example, a micrometer.

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。
Further, a tilt stage 27 for correcting the tilt of the sample 3 on the table 4 is provided on the base 2 of the microscope apparatus main body 1.

このチルトステージ27には略水平方向に沿う切欠部2
8が形成されている。この場合、切欠部28は第7図に
示すように上下に2段設けられている。そして、第7図
中で上方の第1の切欠部28aの末端部にはチルトステ
ージ27における第1の切欠部28aの上側部分27a
を揺動自在に支持するヒンジ部111aが形成されてい
る。
The tilt stage 27 has a cutout portion 2 extending in a substantially horizontal direction.
8 is formed. In this case, the cutouts 28 are provided in two steps, one above the other as shown in FIG. Then, in FIG. 7, the upper end portion 27a of the first notch portion 28a of the tilt stage 27 is provided at the end of the upper first notch portion 28a.
A hinge portion 111a for swingably supporting the is formed.

さらに、下方の第2の切欠部28bの末端部にはチルト
ステージ27における第2の切欠部28bの上側部分2
7aを揺動自在に支持するヒンジ部111bが形成され
ている。なお、上下のヒンジ部111a,111bの揺
動軸の軸心方向は直交状態で配置されている。
Furthermore, the upper portion 2 of the second notch portion 28b of the tilt stage 27 is provided at the end of the lower second notch portion 28b.
A hinge portion 111b that swingably supports 7a is formed. In addition, the axial center directions of the swing shafts of the upper and lower hinge portions 111a and 111b are arranged orthogonally.

また、チルトステージ27の上面にはチルトステージ2
7における第1の切欠部28aの上側部分27aを揺動
操作する引張りねじ部101および押圧ねじ部102
と、チルトステージ27における第2の切欠部28bの
上側部分27aを揺動操作する引張りねじ部101′お
よび押圧ねじ部102′とが設けられている。
Further, the tilt stage 2 is provided on the upper surface of the tilt stage 27.
7, the tension screw portion 101 and the pressing screw portion 102 for swinging the upper portion 27a of the first cutout portion 28a.
And a tension screw portion 101 'and a pressing screw portion 102' for swinging the upper portion 27a of the second cutout portion 28b of the tilt stage 27.

ここで、引張りねじ部101には第8図に示すようにチ
ルトステージ27における第1の切欠部28aの上側部
分27aに形成された挿通孔103内に挿通される固定
ねじ104が設けられている。この固定ねじ104の下
端部はチルトステージ27における第1の切欠部28a
の下側部分27bに固定されている。
Here, as shown in FIG. 8, the tension screw portion 101 is provided with a fixing screw 104 that is inserted into the insertion hole 103 formed in the upper portion 27a of the first cutout portion 28a of the tilt stage 27. . The lower end portion of the fixing screw 104 has a first cutout portion 28 a in the tilt stage 27.
It is fixed to the lower part 27b.

さらに、この固定ねじ104の上端部は挿通孔103の
上側に突出されており、この突出部にチルト調節ナット
105が螺着されている。
Further, the upper end portion of the fixing screw 104 is projected above the insertion hole 103, and the tilt adjusting nut 105 is screwed to the protruding portion.

また、押圧ねじ部102にはチルトステージ27におけ
る第1の切欠部28aの上側部分27aに形成されたね
じ穴106内に螺挿される押圧ねじ107が設けられて
いる。
Further, the pressing screw portion 102 is provided with a pressing screw 107 that is screwed into a screw hole 106 formed in the upper portion 27a of the first cutout portion 28a of the tilt stage 27.

そして、チルト調節ナット105または押圧ねじ107
のねじ込み量の調整にともないヒンジ部111aを弾性
変形させ、チルトステージ27の第1の切欠部28aの
上側部分27aをこのヒンジ部111aを中心に揺動さ
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。
Then, the tilt adjusting nut 105 or the pressing screw 107
The hinge portion 111a is elastically deformed in accordance with the adjustment of the screwing amount, and the upper portion 27a of the first cutout portion 28a of the tilt stage 27 is swung about the hinge portion 111a, so that the sample 3 on the table 4 It is designed to correct the tilt.

また、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以下のダングステンや
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
で鋭利に加工してものである。そして、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にこの探針29の基端部が固定されてい
る。
Further, a probe 29 for detecting a minute current is arranged above the sample 3 on the table 4 so as to face it. This probe 29 has a length of several mm to several tens of mm and a diameter of several mm or less, and the tip of a tip made of dangsten or platinum is sharpened to a diameter of about 0.1 μm or less by means such as electrolytic polishing or machining (grinding). It can be processed. Then, the Z-axis mechanism 6 that drives the probe 29 in the direction perpendicular to the scanning direction of the table 4
The base end portion of the probe 29 is fixed to the fine movement mechanism 30.

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。
The Z-axis mechanism 6 includes a screw feed type first coarse movement mechanism 31 mounted on the upper end of the column 7, and the first coarse movement mechanism 3
Second coarse movement mechanism 32 by a parallel spring attached to No. 1 and fine movement mechanism 3 attached to this second coarse movement mechanism 32
0 is provided for each. The fine movement mechanism 30 is formed by a single piezoelectric element.

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ブロッター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が接続されている。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。
Further, FIG. 6 shows a control circuit of the scanning tunneling microscope apparatus main body 1. In FIG. 6, reference numeral 33 is a control unit formed by, for example, a microcomputer and its peripheral circuits. The control unit 33 includes an A / D converter 34.
And a D / A converter 35 are connected to each other, and an operation unit 36 such as a keyboard and x
A display unit 37 formed by a CRT or the like having a y-blotter and an image memory for density display is connected to each. Further, the A / D converter 34 includes a control circuit 3
8 is connected. This control circuit 38 includes a comparison amplifier 3
It is connected to the reference power source 40 via 9. Further, the probe 29 is connected to the comparison amplifier 39 via an amplifier 41. Further, the Z-axis fine movement mechanism 30 is connected to the control circuit 38 via a drive circuit 42.

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Y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。
Further, the D / A converter 35 is connected to the X-direction fine movement mechanism 9 via the amplifier 43, and is also connected to the Y-direction fine movement mechanism 10 via the amplifier 44. A predetermined bias voltage is applied from the power supply circuit 45 to the sample 3 on the table 4.

次に、上記構成の作用について説明する。Next, the operation of the above configuration will be described.

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の表面上の所望の測定部分を探針29
と対向配置する。
First, the sample 3 is mounted on the table 4. Then, in this state, the X-direction coarse movement mechanism 25 and the Y-direction coarse movement mechanism 26 formed by the micrometer are manually operated to coarsely move the sample 3 along the horizontal plane in the X and Y directions. The desired measurement portion on the surface of the sample 3 is probed 29
To be placed opposite.

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
2nm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、増幅器44を介してY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Y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。
Then, the power supply circuit 45 is connected to the sample 3 on the table 4 to apply a predetermined bias voltage. In this state, next, the first coarse movement mechanism 31 and the second coarse movement mechanism 32 of the Z-axis mechanism 6 are manually operated to lower the probe 29.
Of the sample 3 is brought close to the sample 3 on the table 4. In this case, the tip of the probe 29 is brought close to the sample 3 on the table 4 up to a tunnel region where the distance between the tip of the probe 29 and the sample 3 on the table 4 is 2 nm or less and a tunnel current flows. Then, in this state, the control signal from the control unit 33 is supplied to the X-direction fine movement mechanism 9 via the D / A converter 35 and the amplifier 43, and similarly, the control signal from the control unit 33 is changed to D / A.
The Y-direction fine movement mechanism 10 via the A converter 35 and the amplifier 44.
The sample 3 on the table 4 is scanned in the X direction and the Y direction by the X direction fine movement mechanism 9 and the Y direction fine movement mechanism 10.

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
基準電源か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0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軸微動機構30に供給
され、このZ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
Y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。
Further, the tunnel current detected by the probe 29 when the sample 3 on the table 4 is scanned in the X direction and the Y direction is amplified by the amplifier 41, and then the comparison amplifier 3
9 is input. Then, the comparison amplifier 39 compares the reference current output from the reference power source with the detected tunnel current, the error amount is amplified by the comparison amplifier 39, and then input to the control circuit 38. Further, the control circuit 38 outputs a control signal for driving the probe 29 in a direction in which the error between the reference current and the detected tunnel current is set to zero. The control signal is sent to the drive circuit 42.
The voltage is supplied to the Z-axis fine movement mechanism 30 in a state where the voltage is amplified by the Z-axis fine movement mechanism 30, and the Z-axis fine movement mechanism 30 detects the tunnel current flowing between the tip of the probe 29 and the sample 3 on the table 4 in a constant state. The needle 29 is driven in the direction perpendicular to the scanning direction of the table 4. In this case, the control signal supplied from the control circuit 38 to the drive circuit 42 is the A / D converter 34.
After being converted into a digital signal by, the signal is input to the control unit 33 in a state synchronized with the control signals of the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10 for scanning the sample 3 on the table 4 in the X and Y directions. . Then, based on this input signal, the control unit 33 processes the information about the surface shape (concavo-convex state) of the sample 3, and the detected surface shape of the sample 3 is displayed on the CRT or the like of the display unit 37.

そこで、上記構成のものにあってはテーブル駆動機構5
にテーブル4を互いに直交するX方向およびY方向に2
次元に微小変位させるテーブル微動機構8と、このテー
ブル微動機構8の駆動方向と同方向にテーブル微動機構
8による変位量よりも大きな変位量でテーブル4を粗動
させるテーブル粗動機構24とを設けたので、試料3の
保持テーブル4を互いに直交する2方向に比較的大きな
変位量で変位させることができる。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。
Therefore, in the above structure, the table drive mechanism 5
2 in the X and Y directions, which are orthogonal to each other.
A table fine movement mechanism 8 for performing a minute displacement in a dimension and a table coarse movement mechanism 24 for coarsely moving the table 4 in the same direction as the driving direction of the table fine movement mechanism 8 by a displacement amount larger than the displacement amount by the table fine movement mechanism 8 are provided. Therefore, the holding table 4 of the sample 3 can be displaced in two directions orthogonal to each other with a relatively large displacement amount. Therefore, the observation area on the surface of the sample 3 can be significantly enlarged as compared with the conventional case.

さらに、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12a,12b、13a,13
bを両端支持構造にしたので、テーブル4の支持剛性を
高めることができる。そのため、テーブル4の固有振動
数を高め、試料表面の測定動作を安定に行なうことがで
きる。
Furthermore, each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 13a, 13 of the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10.
Since b has a structure of supporting both ends, the supporting rigidity of the table 4 can be increased. Therefore, the natural frequency of the table 4 can be increased and the measurement operation of the sample surface can be stably performed.

また、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12a,12b、13a,13b
を構成する2枚の圧電素子A,Bを中央電極22を介し
て貼り合わせるとともに、各圧電素子A,Bの外面に分
割電極18a,19a,20a,21a、18b,19
b,20b,21bをそれぞれ並設し、各バイモルフ型
圧電素子12a,12b、13a,13bの電極を分割
させてバイモルフ型圧電素子12a,12b、13a,
13bの変位量を増幅する変位量増幅手段を構成するこ
とにより、各バイモルフ型圧電素子12a,12b、1
3a,13bに電圧が印加された場合に各バイモルフ型
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、この両端側変形部
の内側部分では圧電素子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て、各バイ
モルフ型圧電素子12a,12b、13a,13b全体
を略弓なり状に変形させることができる。そのため、テ
ーブル4のX方向およびY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るので、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。
Further, the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b of the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10 respectively.
The two piezoelectric elements A and B constituting the above are bonded to each other via the central electrode 22, and the divided electrodes 18a, 19a, 20a, 21a, 18b and 19 are formed on the outer surfaces of the respective piezoelectric elements A and B.
b, 20b, 21b are arranged side by side, and the electrodes of the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b are divided to form the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a,
By configuring displacement amount amplification means for amplifying the displacement amount of 13b, each bimorph type piezoelectric element 12a, 12b, 1
When a voltage is applied to 3a and 13b, the two piezoelectric elements A and B forming the respective bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a and 13b are provided with one piezoelectric element A at both ends.
Is extended in the lengthwise direction and at the same time, the other piezoelectric element B is deformed in the direction of contracting in the lengthwise direction, and at the inner portions of the both end side deformed portions, the piezoelectric element B is extended in the lengthwise direction and at the same time the piezoelectric element A is extended. By deforming the bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b in the direction of contracting in the vertical direction, the entire bimorph type piezoelectric elements 12a, 12b, 13a, 13b can be deformed into a substantially bow shape. Therefore, the displacement amount (stroke) of the table 4 in the X and Y directions
Can be made relatively large, so that the scanning region of the holding table 4 can be enlarged when the surface shape of the sample 3 is measured.

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。
Further, since the table 4 can be two-dimensionally minutely displaced in two directions orthogonal to each other along the horizontal plane by the fine movement mechanisms 9 and 10, the fine structure of the surface of the sample 3 can be accurately measured.

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。
Further, since the probe 29 is driven along the vertical direction, the sample holding surface of the table 4 can be arranged along the horizontal plane. Therefore, it is not necessary to firmly fix the sample 3 to the sample holding surface of the table 4 as in the case of driving the probe 29 in the horizontal direction.
It is possible to facilitate handling of the sample 3 mounted on the sample holding surface, and prevent the size, thickness, weight, etc. of the sample 3 mounted on the sample holding surface of the table 4 from being restricted. it can.

また、チルトステージ27により試料の傾きの補正を行
なうことができるので、大きな範囲の観察領域で測定を
行なう場合に試料の傾きにより、試料が測定中にZ方向
の微動機構の測定範囲から外れてしまうことを防止する
ことができる。そのため、傾きのある試料に対しても大
きな範囲の測定を行なうことができる。
Further, since the tilt of the sample can be corrected by the tilt stage 27, when the measurement is performed in a large observation area, the tilt of the sample causes the sample to deviate from the measurement range of the fine movement mechanism in the Z direction during measurement. It can be prevented. Therefore, it is possible to measure a large range even for a sample having an inclination.

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Y方向微動機構1
0は第9図乃至第11図に示す構成にしてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 1
0 may be configured as shown in FIGS. 9 to 11.

第9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Y方向)に沿う一対の対
向壁面に圧電素子取付け用開口部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Y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55
a,55bの両端部間に架設状態で装着され、両端支持
構造になっている。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,56b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。
In FIG. 9, reference numeral 51 is the main body of the fine movement mechanism. A holding table 4 for the sample 3 is provided at the center of the fine movement mechanism main body 51, and the table 3 is provided around the table 4 with a predetermined space therebetween.
Substantially rectangular frame-shaped frame bodies 52, 53, 54 stacked in layers are arranged, respectively. Further, on the outer first frame 52, piezoelectric element mounting openings 55a and 55b are formed on a pair of opposing wall surfaces along the X direction (or Y direction) of the table 4, respectively. In these openings 55a and 55b, a pair of bimorph-type piezoelectric elements 56a, which are arranged in parallel on both sides of the table 4 in the X direction (or the Y direction), are spaced apart and face each other.
56b are arranged respectively. In this case, the bimorph type piezoelectric elements 56a and 56b have openings 55 at both ends thereof.
It is mounted between both ends of a and 55b in a erected state to have a structure of supporting both ends. The first frame 52 forms a first support frame that connects the ends of the pair of bimorph piezoelectric elements 56a and 56b.

また、バイモルフ型圧電素子56a,56bは第10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
の圧電素子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11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1
1図中の各圧電素子A,Bの矢印は分極方向を示す。
The bimorph type piezoelectric elements 56a and 56b are formed by bonding two piezoelectric elements A and B, which expand and contract in the lengthwise direction when a voltage is applied, as shown in FIG. Bending displacement is generated by contracting. FIG. 11 shows the electrode structure of the bimorph type piezoelectric elements 56a and 56b.
The arrows of the piezoelectric elements A and B in FIG. 1 indicate the polarization directions.

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Y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57a,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、両端支持構造になっている。
Further, in the second frame body 53 inside the first frame body 52, the bimorph type piezoelectric elements 56a and 56b are provided at substantially central portions of a pair of opposing wall surfaces along the X direction (or the Y direction) of the table 4.
Protrusions 57a and 57b are formed so as to protrude toward the side. The protrusions 57a and 57b are fixed at substantially central portions in the longitudinal direction of the bimorph type piezoelectric elements 56a and 56b to form a support structure at both ends.

また、第2の枠体53にはバイモルフ型圧電素子56
a,56bと同一構成のバイモルフ型圧電素子58a,
58bがテーブル4のX方向(またはY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、両端支持構造になっている。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,5
8b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。
Further, the second frame 53 has a bimorph type piezoelectric element 56.
bimorph type piezoelectric element 58a having the same structure as a, 56b,
58b are arranged in parallel on both sides of the table 4 in the X direction (or Y direction) in a spaced-apart and opposed state. In this case, the bimorph type piezoelectric elements 58a and 58b are mounted at their both ends in a state of being erected between the supporting protrusions 59a and 59a of the second frame 53, thereby forming a both-end supporting structure. Then, the pair of bimorph type piezoelectric elements 58a and 5a are formed by the second frame 52.
A second support frame is formed to connect both ends of 8b.

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Y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。
Further, in the third frame body 54 inside the second frame body 53, bimorph type piezoelectric elements 58a, 58b are provided at substantially central portions of a pair of opposing wall surfaces along the X direction (or Y direction) of the table 4.
Protrusions 60a and 60b are formed so as to protrude toward the side. The central portions of the bimorph type piezoelectric elements 58a and 58b in the longitudinal direction are fixed to the protrusions 60a and 60b.

また、第3の枠体54にはバイモルフ型圧電素子58
a,58bと同一構成のバイモルフ型圧電素子61a,
61bがテーブル4のX方向(またはY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,62b間に架設状態で装着さ
れ、両端支持構造になっている。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,6
1b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。
Further, the bimorph type piezoelectric element 58 is provided on the third frame 54.
bimorph type piezoelectric element 61a having the same structure as a, 58b,
61b are arranged in parallel on both sides of the table 4 in the X direction (or the Y direction) in a spaced-apart and opposed state. In this case, the bimorph type piezoelectric elements 61a and 61b are mounted at their both ends in a state of being erected between the support protrusions 62a and 62b of the third frame 54 to have a both-end support structure. Then, the pair of bimorph type piezoelectric elements 61a, 6a is formed by the third frame 53.
A third support frame is formed to connect both ends of 1b.

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Y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63a,63b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61
a,61bにおける長手方向略中央部位が固定されてい
る。
Further, on the table 4 inside the third frame 53, a projection portion is provided at a substantially central portion of a pair of opposing wall surfaces along the X direction (or Y direction) so as to project toward the bimorph type piezoelectric elements 61a and 61b. 63a and 63b are formed. The bimorph type piezoelectric element 61 is provided on the protrusions 63a and 63b.
A central portion in the longitudinal direction of a and 61b is fixed.

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,58b、61a,61bに
電圧が印加されない不動作状態では第10図および第1
1図中に実線で示すように各バイモルフ型圧電素子56
a,56b、58a,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は中央の中立位置で保持される
ようになっている。
The fine movement mechanism main body 51 is shown in FIGS. 10 and 1 in a non-operating state in which no voltage is applied to the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56b, 58a, 58b, 61a, 61b.
As shown by the solid line in FIG. 1, each bimorph type piezoelectric element 56
a, 56b, 58a, 58b, 61a, 61b are each held in a substantially linear normal state,
In this state, the table 4 is held at the central neutral position.

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56a,5
6b、58a,58b、61a,61b全体が第1の実
施例と同様に第10図中に仮想線で示すように略弓なり
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56a,56b、58a,58b、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,
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x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x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x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x
+x+xだけ変位するようになっている。
Further, the fine movement mechanism main body 11 includes the bimorph type piezoelectric elements 56.
When a voltage is applied to a, 56b, 58a, 58b, 61a, 61b, each bimorph type piezoelectric element 56a, 5
The entire 6b, 58a, 58b, 61a, 61b are deformed into a substantially arched shape as shown by the phantom line in FIG. 10 as in the first embodiment. In this case, the X-direction fine movement mechanism 9 includes the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56b, 58a, 58b, 61.
Since a and 61b are arranged in parallel along the X direction of the table 4, the outer bimorph type piezoelectric elements 56a,
The second frame body 52 is displaced by x 1 in the X direction of the table 4 with respect to the first frame body 51 by the deformation of 56b, and the second frame body 52 is similarly deformed by the deformation of the bimorph type piezoelectric elements 58a, 58b. In contrast, the third frame 53 is the X of the table 4.
Is displaced by x 2 in the direction, and the bimorph type piezoelectric element 61a,
By the deformation of 61b, the table 4 is displaced with respect to the third frame body 52 by x 3 in the X direction. Therefore, the table 4 is arranged in the X direction of the table 4 with respect to the first frame 51 by x 1
It is designed to be displaced by + x 2 + x 3 .

また、Y方向微動機構10は各バイモルフ型圧電素子5
6a,56b、58a,58b、61a,61bがそれ
ぞれテーブル4のY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Y方向にy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Y方向にyでけ変
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Y方向にy
だけ変位する。したがって、テーブル4は第1の枠体5
1に対してテーブル4のY方向にy+y+yだけ
変位するようになっている。
In addition, the Y-direction fine movement mechanism 10 includes each bimorph type piezoelectric element 5
6a, 56b, 58a, 58b, 61a, 61b are arranged in parallel along the Y direction of the table 4, respectively,
Due to the deformation of the outer bimorph type piezoelectric elements 56a and 56b, the second frame body 52 is displaced with respect to the first frame body 51 in the Y direction of the table 4 by y 1 , and similarly, the bimorph type piezoelectric elements 58a and 58b are deformed. Due to the deformation, the third frame 53 is displaced by y 2 in the Y direction of the table 4 with respect to the second frame 52, and due to the deformation of the bimorph type piezoelectric elements 61a and 61b, the third frame 53 is displaced with respect to the third frame 52. Table 4 is y 3 in Y direction
Only displaced. Therefore, the table 4 includes the first frame 5
1 is displaced by y 1 + y 2 + y 3 in the Y direction of the table 4.

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Y方向微動機構10の各バイモルフ型圧電素子56
a,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、バイモルフ型圧電素子56a,56b、58a,
58b、61a,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
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。
Therefore, in the structure described above, the bimorph type piezoelectric elements 56 of the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10 are arranged.
a, 56b, 58a, 58b, 61a, 61b are arranged in three stages along the X direction and the Y direction of the table 4, respectively, and the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56b, 58a,
At the time of deformation of 58b, 61a, 61b, the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56b, 58a, 58b, 61a at each stage are deformed.
Since the table 4 is displaced while sequentially stacking the displacement amounts of the table 4 in the X and Y directions due to the deformation of 61b, it is possible to increase the scanning area of the holding table 4 when measuring the surface shape of the sample 3. Can be planned.

さらに、第9図乃至第11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,61
b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、バイモルフ型圧電素子56a,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56a,56b、58a,58
b、61a,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。
Further, in the embodiment shown in FIGS. 9 to 11, the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56b, 58a, 58b, 61a, 61 of the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10 are used.
b are arranged in parallel in three stages along the X direction and the Y direction of the table 4, and the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56
When the b, 58a, 58b, 61a, 61b are deformed, the bimorph type piezoelectric elements 56a, 56b, 58a, 58 of the respective stages are formed.
b, 61a, and 61b are deformed, the displacement amounts of the table 4 in the X direction and the Y direction are sequentially stacked.
However, the number of stacked layers of the bimorph type piezoelectric element may be further increased, and in this case, the scanning region of the table 4 in the X direction and the Y direction can be further expanded.

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12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72a,72b、73a,73b、74a,74
b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75a,75b、76a,76b、77a,7
7b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
を形成する各段のバイモルフ型圧電素子72a,72
b、73a,73b、74a,74bの変形にともなう
X方向の変位量x,x,xが操作アーム78,7
9,80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、7
7a,77bの変形にともなうY方向の変位量y,y
,y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。
Further, in the above-described embodiment, the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10 are separately provided, and these are stacked vertically in two stages. However, as shown in FIG. 12, the X-direction fine movement mechanism is shown. 9 and the Y direction fine movement mechanism 10 are incorporated in a single fine movement mechanism main body 71, and the fine movement mechanism main body 71 causes the table 4 to be orthogonal to each other in two directions (X direction and Y direction).
It may be configured to scan two-dimensionally in the direction). In this case, the bimorph type piezoelectric elements 72a, 72b, 73a, 73b, 74a, 74 of the respective stages forming the X-direction fine movement mechanism 9 are formed.
b are arranged in parallel along the X direction of the table 4 and each stage of the bimorph type piezoelectric elements 75a, 75b, 76a, 76b, 77a, 7 forming the Y direction fine movement mechanism 10.
7b are arranged in parallel along the Y direction of the table 4. When the fine movement mechanism main body 71 is operating, the X direction fine movement mechanism 9
Forming bimorph type piezoelectric elements 72a, 72
The displacement amounts x 1 , x 2 , x 3 in the X direction due to the deformation of b, 73a, 73b, 74a, 74b are the operation arms 78, 7 respectively.
The bimorph type piezoelectric elements 75a, 75b, 76a, 76b, 7 at the respective stages forming the Y-direction fine movement mechanism 10 while being sequentially laminated via 9 and 80 and transmitted to the table 4.
Displacement amounts y 1 and y in the Y direction due to deformation of 7a and 77b
2 , 2 and y 3 are sequentially stacked via the operation arms 81, 82 and 83 and transmitted to the table 4.

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。
Further, the fine movement mechanism 30 of the Z-axis mechanism 6 may have the same configuration as the X-direction fine movement mechanism 9 and the Y-direction fine movement mechanism 10 of the above-described embodiment. In this case, the amount of vertical movement of the probe 29 can be increased.

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。
Furthermore, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

[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テーブル微動機構と、このテ
ーブル微動機構の駆動方向と同方向にテーブル微動機構
による変位量よりも大きな変位量でテーブルを粗動させ
るテーブル粗動機構とをテーブル駆動機構に設けたの
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。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, a table fine movement mechanism for finely displacing the table two-dimensionally in two directions orthogonal to each other along a horizontal plane in accordance with the displacement operation of the bimorph type piezoelectric element, and a driving direction of the table fine movement mechanism, Since the table drive mechanism is provided with the table coarse movement mechanism that coarsely moves the table in the same direction by a displacement amount larger than the displacement amount by the table fine movement mechanism, the observation area of the sample surface can be expanded and It is possible to measure a fine structure with high accuracy and reduce restrictions such as the size of the sample.

さらに、バイモルフ型圧電素子の両端部に固定部側との
固定部、バイモルフ型圧電素子の中央部位にテーブル側
との連結部を設け、バイモルフ型圧電素子を両端支持構
造にしたので、試料を保持するテーブルの支持剛性を高
め、試料表面の測定動作を安定に行なうことができる。
Furthermore, the bimorph type piezoelectric element is provided with a fixed part to the fixed part side and a fixed part to the table side in the central part of the bimorph type piezoelectric element, and the bimorph type piezoelectric element has a structure to support both ends, thus holding the sample. The supporting rigidity of the rotating table can be increased, and the measurement operation of the sample surface can be stably performed.

また、バイモルフ型圧電素子の電極を分割させてバイモ
ルフ型圧電素子の変位量を増幅する変位量増幅手段を設
けたので、テーブル微動機構による変位量を拡大して試
料表面の観察領域を拡大させることができる。
Further, since the displacement amount amplifying means for amplifying the displacement amount of the bimorph type piezoelectric element is provided by dividing the electrode of the bimorph type piezoelectric element, it is possible to enlarge the displacement amount by the table fine movement mechanism and enlarge the observation area of the sample surface. You can

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図乃至第8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
図はチルトステージの斜視図、第8図はチルトステージ
の一部を破断して示す側面図、第9図乃至第11図はこ
の発明の別の実施例を示すもので、第9図は微動機構を
示す平面図、第10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11図は第10図の一
部を拡大した状態を示す要部の概略構成図、第12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1
3図はトライポッドを示す斜視図、第14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……Z軸機構、8……微動機構、9……X方向微
動機構、10……Y方向微動機構、12a,12b,1
3a,13b……バイモルフ型圧電素子、18a,18
b,19a,19b,20a,20b,21a,21b
……分割電極、24……粗動機構、25……X方向粗動
機構、26……Y方向微動機構、29……探針。
1 to 8 show an embodiment of the present invention.
FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of the entire scanning tunneling microscope apparatus, FIG. 2 is a perspective view showing a fine movement mechanism, and FIG. 3 is a side view for explaining a deforming operation of a bimorph piezoelectric element.
FIG. 4 is a plan view showing a state in which electrodes are arranged in parallel on the outer surface of the piezoelectric element,
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a wiring state of each electrode of the bimorph piezoelectric element, FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a control circuit, and FIG.
FIG. 8 is a perspective view of a tilt stage, FIG. 8 is a side view showing a part of the tilt stage in a cutaway manner, FIGS. 9 to 11 show another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 10 is a plan view showing the mechanism, FIG. 10 is a schematic configuration diagram for explaining a deforming operation of the bimorph piezoelectric element, and FIG. 11 is a schematic configuration diagram of essential parts showing a state in which a part of FIG. 10 is enlarged, FIG. 1 is a plan view of a main portion showing still another embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a perspective view showing a tripod, and FIG. 14 is a perspective view showing a tube scanner. 3 ... Sample, 4 ... Table, 5 ... Table drive mechanism, 6 ... Z-axis mechanism, 8 ... Fine movement mechanism, 9 ... X-direction fine movement mechanism, 10 ... Y-direction fine movement mechanism, 12a, 12b, 1
3a, 13b ... Bimorph type piezoelectric elements, 18a, 18
b, 19a, 19b, 20a, 20b, 21a, 21b
...... Split electrodes, 24 ...... Coarse movement mechanism, 25 ...... X direction coarse movement mechanism, 26 ...... Y direction fine movement mechanism, 29 ...... Probe.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 文彦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 林 正和 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 安永 民好 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 内田 順三 静岡県富士市蓼原336番地 株式会社東芝 富士工場内 審査官 新井 重雄 (56)参考文献 特開 昭63−281002(JP,A) 特開 昭62−266882(JP,A) 特開 昭61−285776(JP,A) 実開 昭62−174362(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Fumihiko Ishida Inventor Fumihiko Ishida 8 Shinsita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Stock Production Company, Toshiba Institute of Industrial Technology (72) Inventor Masakazu Hayashi 8 Shinsita-cho, Isogo-ku, Yokohama, Kanagawa In the production company Toshiba Production Engineering Laboratory (72) Inventor Tamiki Yasunaga 8 Shinsita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Stock Company Inside the Toshiba Production Engineering Laboratory (72) Inventor Junzo Uchida 336 Tatehara, Fuji City, Shizuoka Co., Ltd. Shigeo Arai, Examiner, Toshiba Fuji Plant (56) References JP-A-63-281002 (JP, A) JP-A-62-266882 (JP, A) JP-A-61-285776 (JP, A) Actual development Sho-62 -174362 (JP, U)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】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に対し垂直方向に駆動し
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
小変位させるテーブル微動機構と、このテーブル微動機
構の駆動方向と同方向に前記テーブル微動機構による変
位量よりも大きな変位量で前記テーブルを粗動させるテ
ーブル粗動機構とを前記テーブル駆動機構に設けるとと
もに、前記テーブル微動機構には前記バイモルフ型圧電
素子の両端部に前記テーブル粗動機構側との固定部、前
記バイモルフ型圧電素子の略中央部に前記テーブル側と
の連結部を設け、かつ前記バイモルフ型圧電素子の前記
両端部間の複数箇所の所定部位での分極方向を予め定め
ておき、更に前記所定部位に対応して前記バイモルフ型
圧電素子の電極を分割させて前記電極に電圧を印加する
ことによって前記バイモルフ型圧電素子の前記両端部間
の部分を略弓形に変形させて前記バイモルフ型圧電素子
の変位量を増幅する変位量増幅手段を設けたことを特徴
とする走査型トンネル顕微鏡装置。
1. A table drive mechanism for two-dimensionally scanning a table holding a sample in two directions orthogonal to each other, and a probe for detecting a minute current arranged facing the sample on the table in a scanning direction of the table. On the other hand, a probe drive mechanism for driving in the vertical direction is provided, and the probe is brought close to the sample on the table to such an extent that both electron clouds overlap each other,
The surface shape of the sample on the table is driven by driving the probe in a direction perpendicular to the scanning direction of the table while the tunnel current flowing when a potential difference is applied between the two is kept constant. In a scanning tunneling microscope apparatus for measuring the temperature, a table fine movement mechanism for finely displacing the table two-dimensionally in two directions orthogonal to each other along a horizontal plane in accordance with a displacement operation of a bimorph type piezoelectric element, and a driving direction of the table fine movement mechanism. And a table coarse movement mechanism that coarsely moves the table in the same direction as the table fine movement mechanism by a displacement amount larger than the displacement amount by the table fine movement mechanism, and the table fine movement mechanism includes both ends of the bimorph type piezoelectric element. Is fixed to the table coarse movement mechanism side, and the table is provided at a substantially central portion of the bimorph type piezoelectric element. And a polarization direction at predetermined portions at a plurality of positions between the both ends of the bimorph type piezoelectric element is determined in advance, and further, the polarization direction of the bimorph type piezoelectric element corresponding to the predetermined portion is provided. Displacement amount amplification means for amplifying the displacement amount of the bimorph type piezoelectric element by dividing the electrode and applying a voltage to the electrode to deform the portion between the both ends of the bimorph type piezoelectric element into a substantially arc shape is provided. A scanning tunneling microscope device characterized in that
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