JPH07119567B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （Ａ）産業上の利用分野 この発明は、走査針部を試料表面に近接させた状態で走
査し、走査針部から得られる試料に関する検出信号に基
づいて、主に試料の表面形状を得る走査型プローブ顕微
鏡に関する。詳しくは、走査針と試料の観察面とを限り
なく、例えば50オングストローム以下に近づけ、両者の
間に流れるトンネル電流を測定して、トンネル電流を常
時一定となるように走査針を軸方向に移動させ、前記観
察面の画像を得る走査型トンネル顕微鏡に関する。

（Ｂ）従来の技術 この種の顕微鏡は、試料の表面の構造を、数オングスト
ローム以下という高分解能で解明でき、また、試料の観
察面を全く損傷することがない等、他の形式の顕微鏡と
比べて優れた特性を有している。

（Ｃ）発明が解決しようとする問題点 しかし、従来、例えば、米国特許No.4,343,993号公報で
知られている走査型トンネル顕微鏡は、上述したような
高分解能を得るためには、外部の震動を影響を極力防止
できるような構成にすることは勿論のこと、主要部を真
空容器に収容して高真空のもとで、駆動する必要があっ
た。このため、装置全体が大型になり、かつ操作が面倒
であるという問題があった。

従って、この発明は上記従来技術の問題点に鑑み案出さ
れたものであり、その目的は、高真空のもとで駆動しな
くても高分解能が得られ、装置全体が小型化できる共に
操作性にも優れた走査型プローブ顕微鏡を提供すること
である。

（Ｄ）問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するため、この発明による走査型プロ
ーブ顕微鏡は、試料を支承する試料保持部材と、この試
料の観察面に対して微小間隔を有して対面するように位
置される走査針部と、前記試料保持部材を支承し、これ
を走査針部に対して接離するように微動可能な第１のア
クチュエータと、前記走査針部を支承し、これを前記試
料に対して試料の面方向並びに軸方向の移動可能な第２
のアクチュエータと、を具備し、前記第１のアクチュエ
ータと第２のアクチュエータとは面対象で対面して位置
し、実質的に、同形状もしくは相似形状を有する構成と
したことを特徴とする。

（Ｅ）作用 始めに、走査針により試料観察が可能な距離まで試料と
走査針との距離を近づける。次に、アクチュエータを駆
動させることで、試料または走査針を試料の面方向に沿
って走査する。この走査により、走査針から検出された
信号い基づいて、主に試料の表面形状が求められる。

（Ｆ）実施例 以下に、この発明の一実施例に係わる走査型トンネル顕
微鏡を添付図面を参照して説明する。

第１図及び第２図において、符号10は一辺が約10cmの矩
形の基板を示し、この基板10は両面が高精度に研磨され
たステンレス板により形成されている。この基板10の上
面の両端近くには、互いに対面するようにして第１及び
第２の支持板12,14が立設されている。この第１の支持
板12のほぼ中心部には差動マイクロメータ16が、この支
持板12と直交するようにして、水平に固定されている。
このマイクロメータ16の前端部16aは前記第２の支持板1
4側に、支持板12の後面から突出し、また後端部である
操作部16bは、同支持板12の前面から突出されている。
このような差動マイクロメータ16は操作部16bを所定角
度回動させることにより、先端部16aが軸線に沿って微
少距離移動する公知のものであり、試料の粗動駆動機構
を構成している。前記支持板12,14間には、これらに両
端が固定され、三角配置された３本のカイドシャフト1
8,19が互いに水平方向に所定間隔を有して平行に配設さ
れている。これらシャフト18,19には摺動部ユニット22
が軸線に沿って摺動可能に支持されている。この摺動部
ユニット22は筒状の前部24と板状の後部26と第１のアク
チュエータ32（図２）を支える円板25とからなるステン
レス鋼により一体的に組立て形成されている。この後部
26の両側及び中央下端近くには透孔が形成されており、
この透孔を前記ガイドシャフト18,19が貫通しているこ
とにより、前記摺動部ユニット22の摺動が可能となる。
後部26の両側近くを貫通する一体のシャフト18には後部
26と第２の支持板14との間に位置し、これらに両端面が
当接するようにして、一対の弾性部材28,30が装着され
ている。これら弾性部材28,30は、合成ゴム、例えば、
ウレタンにより、円筒状に形成されたものであり、前記
シャフト18が遊挿されている。又、この後部26の後面中
央部には円柱状の突出部26aが形成されており、この突
出部端面に前記差動マイクロメータ16の前端が当接して
いる。前記差動マイクロメータ16の操作部16bを一方向
に回動させることにより、摺動部ユニット22は弾性部材
28,30の弾性力に抗して前方に移動し、他方向に回動さ
せることにより、弾性部材28,30の弾性力により後方に
移動する。前記摺動部ユニット前部24の上部には、前端
側から切欠きされたリード線導出スリット24aが形成さ
れている。この筒状前部24には第２図に示すように第１
のアクチュエータ32が収容されている。このアクチュエ
ータ32の中央部には先端面の試料を支持する試料保持部
材34が固定されている。この第１アクチュエータ32は選
択的に電圧が印加されることにより、試料保持部材34を
軸方向に微動させる機能と、軸に直交する面方向に粗動
させる機能とを有している。前記第２の支持板14は中央
部に開口を有し、又この前面には、取付け板36を介して
第２のアクチュエータ38が固定されている。この第２の
アクチュエータ38は、前記第１のアクチュエータ32に対
して面対称となるように配置され、かつ同アクチュエー
タ32と実質的に同形状で同ディメンションを有する。前
記取付け板36は中央部に開口を有し、また周縁近くに形
成されたネジ孔を介して、ポルトによって、支持板14に
着脱可能になっている。前記第２のアクチュエータ38の
中央部には前記取付け板36並びに第２の支持板14の開口
を貫通して後方に突出した走査針保持部材40が固定され
ている。そして、この保持部材40の先端には、走査針42
（第10図）が装着されている。この走査針保持部材40と
前記試料保持部材34とは、前記差動マイクロメータ16と
同軸的に配置されており、これら保持部材にそれぞれ支
持される走査針並びに試料が同軸的に対面するようにな
っている。第２のアクチュエータ38は、取付け板36に着
脱可能にねじ留めされた合成樹脂性のカバー44中に収容
されることにより、外部より保護されている。この第２
のアクチュエータ38は選択的に電圧が印加されることに
より、走査針保持部材40を軸方向並びにこの軸に直交す
る面方向に微動させる機能とを有している。前記摺動部
ユニット22と第２の支持板14との間隔はできるだけ狭く
し、またスリット24aも狭くすることによって走査針と
試料とを摺動部ユニット22と第２の支持板14とで囲むよ
うにしている。このために外部から音響震動並びに磁気
の影響を少なくしている。

次に第３図ないし第５図を参照して、前記アクチェエー
タを、第１のアクチュエータ32と第２のアクチュエータ
38とは構造上全く同一なので、第２のアクチュエータ38
について詳細に説明する。

第３図中、符号50は導電性材料、例えばステンレス鋼で
形成された電極を示し、これら電極50は、縦３列、横３
列の合計９個がマトリックス状に配設されている。これ
ら電極50は、それぞれの面が精度よく平面仕上げされた
立方体形状をしている。そして、隣合う電極50間には圧
電体52が介在され、かくして格子状の面部54が構成され
ている。各圧電体52は、それぞれの面が精度よく平面仕
上げされ、電極50より少し小型の立方体形状をしてい
る。前記面部54には、５本の脚部56が垂直に同方向に延
出するように突設されている。各脚部56には、一対の圧
電体52の間に電極50を介在させて、構成され、面部54の
４隅と中央とにそれぞれ位置する５個の電極50の同一方
向の側面に圧電体を52側で取着されている。中央に位置
する脚部56の先端には前述した走査針保持部材40（試料
保持部材34）が取着される。又４隅に位置する４本の脚
部56の先端は、前記取付け板36（円板25）に固定されて
いる。尚、上記電極50並びに圧電体52としては、それぞ
れが同じ材質で同じディメンションのものが使用されて
いる。又、４本の脚部56の先端と取付け板36との間に絶
縁部材をはさみ込んでも良い。

圧電体52は、異方性を有しているので、アクチュエータ
を構成するのに際して、全ての電極50の圧延方向を同一
にしておくのが、精度良く走査針並びに試料を移動させ
ることが出来るので好ましい。このためには電極50の表
面に、例えば直線のような方向性のあるマークを付して
おくとか溝を形成しておき、これらの印が一致するよう
にして、電極と圧電体とを組合わせて行くのが望まし
い。又、第４図に示すように、電極50の圧電体が接続さ
れる両面に方向性を有する凹所50a,50bをあらかじめ形
成しておき、またこの凹所50a,50bにそれぞれ対応する
ように縦方向並びに横方向に接続される電極50の側面52
a,52bを形成しておき、これら凹所と圧電体52の側面が
一致した時に、これらを結合すれば所定の方向に圧延方
向が一致するように、それぞれの電極と圧電体とを構成
しておくと、アクチュエータの組立が一層容易になる。

前記各電極50には、これに電圧を印加するために、リー
ド線を接続する必要があるが、リード線からの震動の伝
達を極力防止するためには、リード線は極めて細く（例
えば0.2mm程度）する必要があり、又、圧電体は熱によ
り劣化する恐れがあるので、以下のように接続すること
が望ましい。

第５図に示すように、リード線60の先端を、例えばステ
ンレスやリン青銅で形成され、一辺が2mm程度の矩形の
導電性箔62に半田付けする。そして、次にこの導電性箔
62を導電性接着剤により、電極50の一面に取着する。こ
のような方法によれば、リード線60は導電性箔62に半田
付けにより取着されるので、例え、細いリード線であっ
ても、接着強度に優れる。また、電極50と導電性箔62と
は高温の熱を全く必要としない導電性接着剤により接続
されるので、すでに電極50に取着されている圧電体52を
劣化させるようなことがない。もし、リード線と電極と
の接続に半田付けを使用すると、ステンレス鋼への半田
付けはそれ自体難しい上に、半田付け時の加熱により圧
電体を劣化させ、又導電性接着剤を直接使用すると充分
な接着強度が得られない恐れがある。導電性接着剤とし
ては、熱硬化性のもの、常温硬化性のもの、瞬間接着性
のもの等、使用できる。

上記のような構成のアクチュエータにおいては、所定の
電極間に電圧を印加することにより、これら電極間の位
置する圧電体を所定量伸ばすことができ、保持部材に支
持された試料並びに走査針を制御性良く所定量移動させ
ることが出来る。この場合、面部54の電極間に電圧を印
加すると、面方向（Ｘ−Ｙ方向）に、また脚部56の電極
に電圧を印加すると軸方向（Ｚ−方向）に移動する。ま
た第１のアクチュエータ32の圧電体と第２のアクチュエ
ータ38の圧電体とは同一材料で形成されても良いが、こ
の実施例では一定電圧の印加に対して、第１のアクチュ
エータ32のものの方が伸びが大きくなるようなもの使用
されている。例えば、第１のアクチュエータ32の圧電体
はＤ係数が６Å/Vの材料が使用され、第２のアクチュエ
ータ38の圧電体はＤ係数が３Å/Vのもので形成されてい
る。このようにすることにより、走査針と試料との相対
的移動からなる面方向の走査の場合、第２のアクチュエ
ータで比較的移動距離の短い各画面内に走査を、また第
１のアクチュエータで比較的移動距離の長い画面間の移
動の走査をさせるようにすれば、走査領域面積を広い範
囲に選択出来る。又、第１のアクチュエータをステップ
状に面内駆動すると共に、各ステップに対応して、第２
のアクチュエータで小面積区画を走査させることによ
り、高分解能でかつ広面積の観測像を得ることが出来
る。

次に第６図並びに第７図を参照して資料保持部材34を説
明する。

図中、符号70は前記第１のアクチュエータ32の中央の脚
部に後端が固定された円柱状のサポータを示し、このサ
ポータ70の先端小径部70aの外周面には雄ねじが形成さ
れている。この小径部70aには、内周面に雄ねじが形成
され、後端が開口した円筒状のホルダ72が、この開口側
より螺合されている。このホルダ72の前端閉塞璧の中央
には円孔72aが形成されている。このホルダ72内には、
前記サポータ70の小径部70aの前面と当接するようにし
て円形の押え板74がホルダ72に螺合され、この押え板74
に当接するようにして試料台76が収容されている。この
試料台76の前面中央部には前記円孔72aより僅かに小径
で、これより突出可能な円形突起76aが形成されてお
り、この突起76aの前面に薄板もしくは箔状の試料78が
取着されている。試料台76は、押え板74と共に、ホルダ
72内に挿入後、小径部71aをねじ込むことにより、押え
板74とホルダ72の閉塞璧との間で締付けられ、突起76a
に取着された試料78はホルダ72から突出した状態で、固
定される。前記押え板74は大変小さいので、これの着脱
時の取扱いを容易にするために、後面にプラスねじ溝を
形成しておき、プラスドライバーによりこの試料台76が
取着された押え板74を支持できるようにしてある。もち
ろん他の手段により押し板を支持できるようにしても良
い。

前記試料78に電圧を供給するためのリード線は、ホルダ
72を導電性材料で形成し、ここに接続しても良いが、第
８図に示すようにするとホルダ72の着脱操作が容易にな
る。即に、サポータ70を、互いに接着された導体70b−
絶縁体70c−導体70dの３層構造とし、リード線を導体70
bに接続している。

次に、走査針保持機構40を第９図並びに第10図を参照し
て説明する。

図中、符号80は、前記第２のアクチュエータ38の中央の
脚部に前端が固定された円柱状のサポータを示し、この
サポータ80の先端小径部80aの外周面には、雄ねじが形
成されている。又、この小径部80aには、内周面に雄ね
じが形成され、前端が開口した筒部を有するホルダ82
が、この開口側より螺合されている。このホルダ82の中
央部には、これを貫通するようにして軸方向に伸びた透
孔82bが形成されている。この透孔82b中には、先端ホル
ダ82より後方に突出するように走査針42が固定されてい
る。このホルダ82への走査針42の固定は、導電性接着剤
による方法、軟質金属管に走査針を挿入し、これらを透
孔82bに圧入する軟質金属ブッシュ法等、種々の方法が
採用できるが、この実施例では、ボルダ82の外周面から
透孔82bに至るねじ孔を形成し、この孔にねじ85をねじ
込んで走査針を針止めている。ホルダ82の後面中央に
は、前記透孔82bと同軸的に突設され、外周面に雄ねじ
が形成された円形の取付部82cが設けられている。この
取付部82cは透孔82bより僅かに大きな径を有し、第10図
に示すように、内周面に雄ねじが形成され、両端が開口
した筒状のキャップ84が、走査針42の先端よりも後方に
延出するようにして、この走査針42の先端を保護するよ
うに螺合可能となっている。このキャップ84は、ホルダ
82と一体化された予備の走査針を保護するものでありホ
ルダ82をサポート80に装着した後は、取り外される。こ
の実施例では、キャップ84は両端が開口したものを使用
したが、一端が閉塞して、走査針の先端の上部を覆うよ
うなものでも良い。

前記走査針42としては直径が0.1〜1mmのタングステン、
モリブデン、金等の細線の先端を90度の円錐形に機械研
磨した後、電解研磨し、先端の曲率半径を50mm程度にし
たものが使用されている、前記サポータ80はサポータ70
の第８図に基づく前述の説明と同様の理由から、第８図
の如く絶縁材を介在させた３層構造としている。従っ
て、ホルダー82の着脱には便利である。尚、上記装置
は、図示してしない公知の防振装置に接着され、外部か
らの振動が装置に伝達するのを防止されて使用される。

上記構成の走査型トネル顕微鏡を使用して試料であり金
属片の表面の凹凸を測定する場合につき説明する。

試料78を試料台76に取着し、この試料台76をホルダ72に
より、サポータ70に固定する。そして、試料78と走査針
42との間に所定電圧（0.1〜10V）を印加する。次に差動
マイクロメータ16により第１のアクチュエータ32を軸方
向に粗動させ試料78を走査針42に近づける。そして、第
１のアクチュエータ32の脚部56の電極に電圧を印加し
て、試料保持部材34を軸方向に移動させ試料78を、試料
78と走査針42との間が真空トンネル領域（約10Å）とな
るまで走査針42を接近させる。トンネル領域に試料がも
たらされたか否かはトンネル電流を測定することにより
判断できる。この状態で、第２のアクチュエータ38の所
定の電極に電極を印加して走査針42を面方向に微動され
ると共に、測定している前記トンネル電流が一定となる
ように、軸方向に微動させる。この時の走査針42の軸方
向の移動のための圧電電圧を測定し、これを信号として
試料の表面の２次元像を描く。この圧電電圧は試料の仕
事関数と、試料と走査針との間隙の関数であるので、試
料表面に凹凸もしくは汚染があると変化し、これらを表
示することになる。従って、この２次元像を画像処理す
ることにより、試料表面を３次元的に観察できる。この
ような操作は全て大気中でおこなわれ得る。

上記実施例では、アクチュエータとして、それぞれ電極
と圧電体とにより構成された面部と、この面部から直角
に突出された５本の脚部とを有するやぐら構造のものを
使用したが、他の形式のもの、例えば、３本の脚部の有
する圧電体と、この脚部の先端にそれぞれ設けられた電
極とからなるものを使用しても良い。第１のアクチュエ
ータを粗動させる駆動機構は差動マイクロメータのよう
な機械的なものでも、又圧電体等を使用した電気的なも
のでも良い。第１のアクチュエータと第２のアクチュエ
ータとは、形状が同一もしくは相似形あれば、その材質
は例えば、実施例でＤ係数の異なる圧電体を使用したよ
うに、必ずしも同じでなくても良い。

また、上記実施例では、走査針の走査により、試料を観
察したが、走査針を固定し、試料により走査をおこなっ
ても良い。

（Ｇ）発明の効果 この発明の走査型プローブ顕微鏡は、第１のアクチュエ
ータと第２のアクチュエータとは実質的に同形状もしく
は相似形状を有しかつ互いに面対角に配設されているの
で両アクチュエータは外部振動に対して同じ振動をす
る。このために、異なるアクチュエータを使用した場
合、並びに非対象に配設した場合に比較して、走査針並
びに試料の振動を少なくすることが出来る。従って高真
空のもとで駆動させなくても高分解能が得らて、装置全
体が小型化できると共に操作性にも優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係わる走査型トンネル
顕微鏡の全体を示す斜視図、第２図は、同トンネル顕微
鏡の断面図、第３図は、同装置に使用されているアクチ
ュエータを示す斜視図、第４図は、同アクチュエータの
組立てを説明するための、圧電体と電極を組立てた後の
断面図、第５図は、同アクチュエータのリード線との配
線を説明するための斜視図、第６図は、アクチュエータ
と試料保持機構とを示す一部切欠き側面図、第７図は、
試料保持機構の断面図、第８図は、試料保持機構の変形
例を示す断面図、第９図は、アクチュエータと走査針保
持機構とを示す一部切欠き側面図、そして第10図は、走
査針保持機構の断面図である。 16……差動マイクロメータ、32……第１のアクチュエー
タ、38……第２のアクチュエータ、42……走査針、78…
…試料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 治男 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 森田 清三 宮城県仙台市新寺１丁目３の７の405号 (72)発明者 御子柴 宣夫 宮城県仙台市八木山本町２の30の18

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を支承する試料保持部材と、 この試料の観察面に対して微小間隔を有して対面するよ
   うに位置される走査針部と、 前記試料保持部材を支承し、これを走査針部に対して接
   離するように微動可能な第１のアクチュエータと、 前記走査針部を支承し、これを前記試料に対して試料の
   面方向並びに軸方向に移動可能な第２のアクチュエータ
   と、を具備し、 前記第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとは
   面対象で対面して位置し、実質的に、同形状もしくは相
   似形状を有することを特徴とする走査型プローブ顕微
   鏡。