JPH02265154A - 走査型トンネル顕微鏡のトンネル・ユニット及びスキャン・ヘッド - 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（以下、ＳＴＭと記
す）に係り、特にネジを用いた３点支持の粗動機構のト
ンネル・ユニット及びスキャン・ヘッドに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

従来、圧電素子に探針を取り付けたスキャンヘッドを試
料台に設けられた３本のネジにより３点支持するＳＴＭ
の粗動機構のトンネル・ユニットが例えば、（１）　Ｊ
、５ｃｈｎｃｉｒ、　Ｒ，５ｏｎｎｅｎｆｅｌｄ、　０
゜Ｍａｒｔｉ、　Ｐ、に、Ｈａｎｓｍａ　　Ｊ、Ｅ、Ｄ
ｅｍｕｔｈ　ａｎｄ　Ｒ，Ｊ、ＩＩａｍｅｒｓ：　Ｊ、
八ｐｐ１．Ｐｈｙｓ、、　　Ｖｏｌ、６３．　　Ｎｏ、
３．　　ｐｐ７１７−７２１．１９８８及び（２）　０
．Ｍａｒｔｉ、　Ｂ、Ｄｒａｋｅ、　Ｓ、Ｃ：ｏｕｌｄ
、　ａｎｄ　Ｐ、Ｋ。

ｔｌａｎｓｍａ：　　Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｔ＋
ｎｏ１．＾、　　１１０１．６．　　Ｎｏ、２．　　ｐ
ｐ２８７−２９０．１９８８等に開示されている。これ
らのトンネル・ユニットは第１４Ａ図及び第１４Ｂ図に
示すように、スキャン・ヘッド（１１０）と試料台（１
２０）とを有しており、スキャン・ヘッド（１１０）に
は微動機構となる圧電素子（１１３）とこの圧電素子（
１１３）に取り付けられた探針（１１５）とが備えられ
、一方試料台（１２０）には試料載置面上にその先端が
突出した３本のネジ（１１２）が備えられると共に試料
載置面上に試料（１２４）が載置されている。そして、
３本のネジ（１１，２）の先端上にスキャン・ヘッド（
１１０）を載置し、ネジ（１，１２）を適宜回転させて
進退させることにより、スキャン・ヘッド（１１０）に
設けられた探針（１１５）と試料台（１２０）　Ｊ二に
載置された試料（１２４）との間隔の調整を行う。尚、
スキャン・ヘッド（１１０）の側部には探針観察用の切
欠（１０ａ）が形成されており、この切欠（１０ａ）を
通してルーペで探針（１１５）の先端部を拡大観察しな
から探針（１１５）と試料（１２４）との間隔調整が行
なわれる。

ところが、スキャン・ヘッド（ｔｉｏ）を３本のネジ（
１１２）上に単に載置したたけてはトンネル・ユニット
の剛性が不十分であるので、第１４Ａ図のようにスキャ
ン・ヘッド（１１０）と試料台（１２０）との間にをス
プリング（１２９）による引っ張り力を加えたり、ある
いは第１４Ｂ図に示すように各ネジ（１１２）の先端に
球状の永久磁石（１１９）を取り付けると共にスキャン
・ヘッド（１１０）を磁性体から形成して磁力による吸
着力を加えていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、これらのトンネル・ユニットでは次のよ
うな問題点があった。

すなわち、スプリング（１，２９）でスキャン・ヘッド
（１１０）と試料台（１２０）とを引っ張り合わせる場
合には、探針（１１５）や試料（１２４）を交換する際
にスプリング（１２９）の着脱が不便である。特に、１
ヘンネル　ユニットの剛性を高めるためにバネ定数の大
きいスプリング（１２９）を用いたり、複数のスプリン
グ（１２９）を用いた場合には、その着脱時にスキャン
・ヘッド（１１０）に衝撃が生じたり、あるいはスキャ
ン・ヘッド（１１０）が傾いて、探針（１１５）が試料
白け２０）や試料（１２４）に接触し、探針（１１５）
や試料（１２４）を傷付けることがある。

また、球状永久磁石け１９）を用いる場合にも、スキャ
ン・ヘッド（１１，０）を試料台（１２０）上に載置す
る際に磁力によりこれら両者が急激に吸着して探側（１
１５）や試料（１２４）を傷付ける恐れがある。さらに
、例えばアルニコやフェライト等の保磁力の大きい永久
磁石材料は一般に硬く且つもろいため、機械的加工が難
しく、少なくともスキャン・ヘッド（１１０）に接する
部分だけでも球状に表面粗さを小さく加工することが困
難となる。また、焼結磁石を用いると表面加工後に球面
に巣や空洞が現れ易くなり、鉄−コバルト合金の針状粒
子をプラスチック内に充填した永久磁石は表面摩耗が生
じる、剛性が低い、熱膨張係数が大きいといった欠点が
ある。

また、スキャン・ヘラＦ（１１０）には切欠（１０ａ）
が形成されているので、この切欠（１０ａ）を通して外
部からスキャン・ヘッド（１１０）内に侵入した音波が
圧電素子（１１３）に直接伝わり、電気的雑音を生じる
ことがあった。さらに、この種のＳＴＭでは、例えば探
針（１１５）と試料（１２４）との間に印加するバイア
ス電圧２０ｍＶに対して１ヘンネル電流が１ｎＡ程度と
極めて小さく、このため切欠けＯａ）を通して外部から
スキャン・ヘッド（１１０）内に電磁波が侵入すると電
気的雑音が大きくなるという問題があった。スキャン・
ヘッド（１１０）内に侵入する電磁波の発生源としては
、トンネル電流を用いて試料（１２４）表面の観察像を
映し出すためのＣＲＴの偏向電極に印加する高電圧等が
ある。そこで、従来は音波や電磁波の侵入を防止するた
めに、スキャン・ヘッド（１１０）をプラスチックある
いは金属製の箱で覆って観察を行っていた。しかしなが
ら、このような箱をスキャン・ヘッド（１１０）に被せ
て試料（１２４）の観察を行おうとすると、観察の作業
性が著しく低下するという問題があった。

この発明はこのような問題点を解消するためになされた
もので、機械的剛性が高く、探針や試料を安全且つ容易
に交換することができるＳＴＭのトンネル・ユニットを
得ることを目的とする。

また、この発明は、電気的雑音が少なく且つ作業性の優
れたＳＴＭのスキャン・ヘッドを得ることも目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明に係るＳＴＭのトンネル・ユニットは、非磁
性体の継ぎ目材を介して互いに接合された複数のポール
・ピースを有し且つこれら複数のポール・ピース及び継
ぎ目材が共に露出する試料載置面を有する試料台と、こ
の試料台内で且つ複数のポール・ピースの接合部に回転
自在に埋設された永久磁石と、試料台の試料載置面の上
方て且つ露出された継ぎ目材をまたぐように配置された
スキャン・ヘッド本体と、このスキャン・ヘッド本体に
固定された圧電素子と、この圧電素子に取り付けられた
探針と、スキャン・ヘッド本体に回転自在に取り付りら
れると共にその先端部が試料台の試料載置面上に接触す
ることによりスキャンヘッド本体を試料台の試料載置面
の上方に支持する３本の磁性体からなるネジとを備えた
ものである。

また、第２の発明に係るＳＴＭのトンネル・ユニットは
、非磁性体の第１の継ぎ目材を介して互いに接合された
複数の第１のポール・ピースを有し且つこれら複数の第
１のポール・ピース及び第１の継ぎ目材が共に露出する
試料台載置面を有する補助台と、この補助台内で且つ複
数の第１のポール・ピースの接合部に回転自在に埋設さ
れた第１の永久磁石と、補助台の試料台載置面上に載置
されると共に非磁性体の第２の継ぎ目材を介して互いに
接合された複数の第２のポール・ピースを有し且つこれ
ら複数の第２のポール・ピース及び第２の継ぎ目材が共
に露出する試料載置面を有する試料台と、この試料台内
で且つ複数の第２のポール・ピースの接合部に回転自在
に埋設された第２の永久磁石と、試料台の試料載置面の
上方て且つ露出された第２の継ぎ目材をまたぐように配
置されたスキャン・ヘッド本体と、このスキャン・ヘッ
ド本体に固定された圧電素子と、この圧電素子に取り付
けられた探針と、スキャン・ヘッド本体に回転自在に取
り付けられると共にその先端部が試料台の試料載置面上
に接触することによりスキャン・ヘッド本体を試料台の
試料載置面の上方に支持する３本の磁性体からなるネジ
とを備えたものである。

第３の発明に係るＳＴＭのスキャン・ヘラＩ・は、観察
用の切欠が形成されたスキャン　ヘッド本体と、スキャ
ン・ヘッド本体に固定されると共にスキャン・ヘッド本
体内に配置された圧電素子と、圧電素子に取り付けられ
ると共にスキャン　ヘッド本体の切欠の近傍に配置され
た探針と、スキャン・ヘッド本体の切欠にこれを閉じる
ように設けられると共に光学的に透明で且つスキャン・
ヘッド本体内への外部からの擾乱を防止する観察窓体と
を備えたものである。

〔作用〕 第１の発明においては、試料台内に埋設された永久磁石
の回転に応じて、スキャン・ヘッド本体に設けられた３
本のネジと試料台の試料載置面とが吸着状態あるいは非
吸着状態になる。

また、第２の発明においては、試料台内に埋設された第
２の永久磁石の回転に応して、スキャンヘッド本体に設
けられた３本のネジと試料台の試料載置面とが吸着状態
あるいは非吸着状態になると共に、補助台内に埋設され
た第１の永久磁石の回転に応して、試料台と補助台の試
料台載置面とが吸着状態あるいは非吸着状態となる。

さらに、第３の発明においては、スキャン　ヘッド本体
の切欠に設けられた観察窓体を通して探５］先端部の観
察が行われる一方、この観察窓体がスキャン・ヘッド本
体内への外部からの擾乱を防止する。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１Ａ図はこの発明のＩ〜ンネル　ユニッ１への第１実
施例を示す斜視図である。このトンネル・ユニットは、
ユニ７１〜台（１３０）の上に載置された試料台（１，
２０）と、試料台（１２０）の」二に載置されたスキャ
ン　ヘッド（１１０）とを備えている。

］２ ユニット台（１３０）は強磁性体の材質から形成され、
水平な試料台載置面（１３０ａ）を有している。

試料台（１２０）は、高透磁率の材質からなり且つ円柱
を縦に二分したような形状の二つのポール・ピース（１
２２）を備えている。これらのポール・ピース（１２２
）は非磁性体からなる継き目材（１２３）により接合さ
れ、一つの円柱を形成している。そして、この円柱の下
端面がユニット台（１，３０）の試料台載置面（１３０
ａ　）上に載置され、上端面は試料を載置するための試
料載置面（１２０ａ）を形成している。また、つのボー
ル　ピース（］、２２　）の接合部にはその接合面に沿
って水平に円孔が形成され、この円孔内に回転自在に永
久磁石（１，２１）が挿入されている。

永久磁石（１，２１）は、丸棒を相対する二側面で等量
だけ平面カッ１−シた形状を有し、平面カツトシていな
い二円弧を結ぶ方向に磁化されている。尚、平面カット
は磁束漏れを少なくするためになされてたものである。

スキャン・ヘッド（１，１０）は、高透磁率の材質から
なると共にその中心部付近に上面から下面に貫通ずる貫
通孔が形成された円筒型のスキャン・ヘッド本体（１１
１）を有しており、このスキャン　ヘッド本体（１１，
１）の貫通孔内に円筒型圧電素子（１１，３）が配置さ
れている。この圧電素子（１１３）は第１Ｂ図に示すよ
うに、その上端部において、電気的絶縁性を有する固定
材（１１４）によりスキャン・ヘッド本体（１１１）の
貫通孔の内壁に固定されている。また、圧電素子（１，
１３）の下端部には探針（１１５）が取り付けられてい
る。第１Ａ図において、スキャンヘッド本体け１１）に
はその周に沿って所定の間隔で配置されると共にスキャ
ン・ヘッド本体（１１１）の上面から下面に貫通する３
本のネジ（１１２）が螺合されている。これらのネジ（
１１２）は高透磁率の材質から形成され、第１Ｃ図に示
すように正三角形あるいは二等辺三角形をなすような位
置に平面（ｘＹ千面）配置されている。さらに、３本の
ネジ（１，１２）により形成される二等辺三角形（ある
いは正三角形）の底辺Ｐの両端に位置する２本のネジ（
１１２）をそれぞれＭｌ、他の１本のネジ（１１２）を
Ｍ２とすると、圧電素子（１，１，３）の中心点及び探
針（１１５）はイ、ジＭ２を通り且つ二等辺三角形の底
辺Ｐに垂直な直線ＤＩ　　Ｄ２上に位置し、特に探針（
１１５）は−等辺三角形の底辺Ｐかられずかな距離Ｂだ
けずれた位置に配置される。そして、スキャン　ヘラ１
〜本体（１１，１）の下面から下方に突出した各ネジ（
１１，２）の先端部が試料台（１２０）の試料載置面（
１２０ａ）上に接し、これによりスキャン　ヘッド本体
（＋、１．１）か圧電素子（１１，３）及び探針（１，
１，５）と共に試料台（１２０）の試料載置面（１２０
ａ）の上方に位置している。尚、各ネジ（１１２）のス
キャン　ヘッド本体（１］、　１．　）の下面からの突
出長さは、各ネジ（１４２）を回転させることによって
調節することができる。

また、図示していないが、圧電素子（１，１，３）には
探針（１１，５）を三次元の微動走査させるだめの複数
の電極が設けられており、さらにこれらの電極に電圧を
印加するための電源、探針（１］、　５　）と試料との
間に電圧を印加するバイアス電源、探ｔｌ（１１，５）
と試料との間を流れるトンネル電流を検出しこれを設定
値に維持するフィード　バック回路、試料表面の観察像
を映し出すためのＣＲＴ等のティスプレィが１ヘンネル
・ユニツＩ・に接続されているものとする。

次に、この第１実施例の動作を説明する。まず、第１Ａ
図に示ずように、永久磁石（１２１）の回転位置をその
Ｎ極とＳ極とを結ぶ方向が二つのポール・ピース（１，
２２）の接合面と平行になるような位置とする。そして
、第１Ｂ図のように試料（１２４）を試料台（１２０）
の試料載置面（１２０ａ）上で且つこの試料載置面（１
２０ａ）に露出している継ぎ目材（１２３）の上に取り
付けた後、この試料台（１２０）をユニ７１〜台（１，
３０）の試料台載置面（１３０ａ）上に載置する。

次に、探針（１１５）の先端が試料（１２４）の直上に
位置するようにスキャン　ヘラＦ（１１０）を試料台（
１２０）の試料載置面け２０ａ）の」二に載置する。こ
のとき、スキャン　ヘラｌ＜（１１０）の３木のネジ（
１１２）のうち、２本のネジＭ１は試料台（１２０）の
試料載置面（＋、２０ａ）に露出している継ぎ目材（１
２３）をまたぎ、残りのネジＭ２は露出している継ぎ目
材（１２３）の上に位置させる。尚、スキャン・ヘッド
（１１０）を試料載置面（１２０ａ）Ｊ二に載置したと
きに探針（１１５）の先端が試料（１２４）に触れず且
つ離れ過ぎないように、予め３本のネジ（１１２）の高
さを調節しておく。

また、このとき永久磁石（１２１）から流れ出す磁束φ
は、第１Ｄ図及び第１Ｅ図に示すように、はとんどポー
ル・ピース（１２２）内のみを流れるのて゛、試料台（
１２０）とユニッ１へ台（１３０）及びスキャン・ヘッ
ド（１１０）とは吸引しない。従って、試料台（１２０
）をユニット台（１３０）上に載置する際や、スキャン
・ヘッド（１１０）を試料台（１，２０）上に載置する
際に急激に吸着されて探針（１，１５）や試料（１，２
４）を傷付ける恐れはない。尚、このように永久磁石（
１２１）からの磁束φがポール・ピースけ２２）内のみ
を流れる状態を以下、磁気回路の開成と呼ぶことにする
。

次に、第１Ｆ図に示すように、永久磁石（１２１）を回
転してそのＮ極とＳ極とを結ぶ方向か二つのポール・ピ
ース（１２２）の接合面と垂直になるような位置とする
。この場合、第１Ｇ図及び第１　Ｈ図に示すように、２
本のネジＭ１とスキャン　ヘッド本体（１１１）とポー
ル・ピース（１２２）とを流れる磁束φ１、他の１本の
ネジＭ２とポール・ピース（１２２）とを流れる磁束φ
２及びユニット台（１３０）とポール・ピース（１２２
）とを流れる磁束φ３が永久磁石（１２１）から流れ出
す。これにより、試料台（１２０）とユニット台（１３
０）、試料台（１，２０）とスキャン　ヘッド（１１０
）がそれぞれ強力に吸着し、極めて剛性の高いトンネル
・ユニットが構成される。尚、このように永久磁石（１
２１，）からの磁束φがスキャン・ヘッド（１１０）の
ネジ（１１２）やユニッＩ・台（１３０）にまて流れる
状態を以下、磁気回路の開成と呼ぶことにする。

その後、ネジＭ２を回すことにより、探針（＋１５）の
先端を試料け２４）表面に近接させる。第１Ｃ図で示し
たように探針（１１５）は３本のネジ（１１２）による
二等辺三角形の底辺Ｐから距離Ｂだけ離れている。従っ
て、この底辺ＰからネジＭ２まての距離をＡ　（＞　Ｂ
　）とすると、第１１図の垂直面関係図から判るように
、ネジＭ２を回してこれに高低差Ｈを与えると、２本の
ネジＭ１を結ぶ底辺Ｐが支点となり、探針（１１５）は
ほぼＢ／Ａ倍の倍率で縮小された高低差１】て上下動す
る。この縮小率は、第１Ｃ図において、スキャン　ヘラ
１〜本体（１１１）の中心Ｏ８と探針（１１５）が取り
付けられる円筒型圧電素子（１１３）の中心０２との距
離Ｃによって決定されるので、トンネル・ユニットの製
作時に所望の縮小率とすることができる。

このようにして互いに近接した探針（１１５）と試料（
１２４）との間にバイアス電圧を印加し、圧電素子（１
１３）により探針（１１５）を二次元（ｘｙ）走査させ
つつネジＭ２を回して探針（１１５）と試料（１２４）
とをさらに接近させる。そして、これら探針（１１５）
及び試料（１２４）間に流れるトンネル電流が設定値に
達したらフィード・バック回路を作動させ、トンネル電
流を設定値て維持するように圧電素子（１１３）のＺ方
向の電極にフィード・バックをかけて探針（１１５）を
Ｚ方向に走査する。このときのＸＹ走査量と２方向のフ
ィード・バック量とをデイスプレィで表示することによ
り、試料（１２４）の表面観察像が映し出される。

次に、この発明のトンネル・ユニットの第２実施例を第
２Ａ図に示す。

この実施例では、３本のネジ（０２）のうち継ぎ目材（
１２３）の上に位置するネジＭ２に螺合する非磁性体の
雌ネジカラー（１１２１）がスキャン・ヘッド本体（１
１１）に設けられている。また、試料載置面（１２０ａ
）に接する各ネジ（１１２）の先端部（ｉｔｚｂ）には
それぞれ金属球（１１２２）が取り付けられている。円
筒型圧電素子（１１３）の内周面及び外周面上には複数
の電極（１１３１）が設けられ、これらの電極（１１３
１）にそれぞれリード線（１１３２）が接続されている
。また、探針（１１５）にはリード線（１１５４）が接
続されている。さらに、永久磁石（１２１）の一端部に
はこの永久磁石（１２１）を回転させるためのハンドル
け２１１）が取り付けられ、ポール・ピース（１２２）
に設けられた円孔内に潤滑剤（１２１２）を介して挿入
されている。

ここで、この第２実施例におけるトンネル・ユニットの
各部材の材質及び寸法等を詳細に述べる。

スキャン・ヘッド本体（１１１）として、熱膨張係数が
小さく強磁性体・高透磁率である、例えば温度３０〜１
００℃での熱膨張係数が２ｘ　１０−’／℃以下のイン
パール（Ｆｅ：６４％、Ｎｉ：３６％）あるいは温度３
０〜１００℃での熱膨張係数が１．３ｘ　１０−’／℃
以下のスーパー・インパール（Ｆｅ：６３％、Ｎｉ：３
２％、Ｃｏ：５％）等を用いる。

３本のネジ（１１２）は、純鉄（Ｆｅ）あるいは硬さ及
び切削性等の機械的性質を改善するため鉄に鉛（Ｐｂ）
や硫黄（Ｓ）を添加したものから形成する。各ネジ（１
１２）は例えば外径１７４インチ、ピッチｐＯ，３１７
５ｍｍのネジ山数８０フインチのユニファイ細目ネジ（
ＪＩＳ　８０２０８）を用いる。これらのネジ（１１２
）の先端部（１１２ｂ）に設けられた金属球（１１２２
）は例えば３７１６インチの球軸受は用鋼球（ＪＩＳ　
Ｉｆ　１５０１）を用い、これを各ネジ（１１２）の先
端部（１１２ｂ）の凹みにかしめて取り付ける。継ぎ目
材（１２３）の上に位置するネジＭ２に対応する雌ネジ
カラー（１１２１）は、非磁性体の例えば黄銅（Ｃｕニ
ア０％、Ｚｎ：３０％）から形成されており、スキャン
・ヘッド本体（１１１）の中に嵌め合いで固定されてい
る。継ぎ目材（１２３）の上に位置しない他の２本のネ
ジＭ１に対応する雌ネジはそれぞれ直接スキャン・ヘッ
ド本体（１１１）に形成されている。

圧電素子（１１３）の材料としては、例えば圧電歪定数
ｄ３１＝−２００Ｘ１０−１２ｍ／Ｖ、キューり温度的
２００°Ｃのチタン酸ジルコン酸鉛（ｐｂ（ｚｒ−Ｔｉ
＞ｏｆｆ＞を用いる。

電極（１１３１）は、円筒型の圧電素子（１１３）の外
周面に円筒軸と平行に四分割して設けた電極と内周面全
面に設けた電極からなり、銀の焼き付けあるいはニッケ
ルの無電解メツキにより例えば厚さ３μ箱程度に形成さ
れる。リード線（１１３２）は、圧電素子（１１３）の
外周面に四分割して設けられた各電極に二次元（ＸＹ）
走査するための三角波電圧Ｖｘ”Ｖ　ｘ−、Ｖ　ｙ”及
びＶｙ−を印加するリード線と、圧電素、子（１１３）
の内周面に設けられた電極にＺ軸方向の走査のための電
圧Ｖｚを印加するリード線からなり、各電極に例えば中
性のヤニ入りハンダで接続されている。圧電素子（１１
３）をスキャン・ヘッド本体（１１１）に固定するため
の固定材（１１４）としては、液たれを防止するために
稲麦性（ｔｂｉｘｏｔｒｏｐｉｃ性）を備えたエポキシ
樹脂と、芳香族アミン系の硬化剤とを用いる。

探針（１１５）は直径０２５１のタングステン（ｌＩｌ
）や白金・イリジウム（ＰＬ９０％−１ｒｌＯ％）合金
からなるワイヤの先端を機械加工あるいは電解研摩でと
がらせたもので、圧電素子（１１，３）の一端に取り付
けられている。

探針（１１５）が設けられた圧電素子（１１３）を固定
材（１１４）によりスキャン・ヘッド本体（１１１）に
固定する際の平面（ｘｙ）配置は、例えば３本のネジ（
１１２）をピッチ・サークル５０ｍｍφの正三角形上に
配置し、探針（１１５）の先端が２本のネジＭ１を結ぶ
三角形の底辺Ｐからその垂直二等分線上で３．５…ｍだ
け三角形の外側に離れるように配置する。この場合、第
１Ｃ図における三角形の高さＡ＝３７．５ｍｍ、探針（
１１５）と底辺Ｐとの距離Ｂ＝３．５ｍｍとなるのて、
第１丁図における縮小比ｈ／ＨはほぼＢ／Ａ＝０．０９
３となる。従って、ネジＭ２を１回転（３６０°）させ
るとｐＸ　（Ｂ　／Ａ　）−０，０３ｍｍだけ、また１
７７２回転（５°）させると０．４μｍ（４０００オン
グストローム）だけそれぞれ探針（１１５）が上下方向
に移動することとなる。

すなわち、圧電素子（１１３）として、外径１２ｍｍ、
内径１０ｍｍ、肉厚Ｗ＝１ｍｍ、長さＬ　＝　４０ｍｍ
の円筒を圧電歪定数ｄ：＋　１−２００　Ｘ　１．０−
　’　２ｍ／Ｖの圧電材料で作成すると、その外壁と内
壁に単位電圧を印加したときの変位感度はｄ３．ｘＬ／
Ｗ＝８０オングストローム／Ｖとなる。従って、±１０
０■の電圧Ｖｚを印加することにより探針（１１５）の
先端は±８０００オングストローム変位するので、十分
に探針（１１，５）に流れるトンネル電流を捕らえ、こ
れをフィート・バック回路で制御できる。

永久磁石（１２１）は、例えば異方性アルニコ８（ＡＩ
。

Ｎｉ　、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｆｅ）のような析出硬化磁石合金
を用いる。

その磁気特性は、保持力１１０　ＫΔ／ｍ、残留磁化０
．９Ｔ、最大エネルギ積４０ＫＪ／ｍ’である。ポール
・ピース（１２２）は、高透磁率の材質例えば電磁軟鉄
（Ｆｅ）や低珪素鋼（Ｓｉ１１〜１．５％、残りはＦｅ
）を用いる。継ぎ目材（１２３）は、例えば黄銅（Ｃｕ
ニア０％、Ｚｎ　：３０％）のような硬ろう材から形成
する。ハンドル（１２１１）は、永久磁石（１２１）を
回転させるため及び永久磁石（１２１）がポール・ピー
ス（１２２）から抜は出さないようにするためのもので
あり、例えばプラスチックから作成し、これを永久磁石
（１２１）の一端面に工ボキシ樹脂系の接着剤で固定す
る。潤滑材（１２１２）は、例えばグリースのような比
較的粘度の高いものを用い、永久磁石（１２１）とポー
ル・ピース（１，２２）との間に常に間隙を保持するよ
うにする。ユニット台（１３０）は、例えば強磁性体の
１８クロムステンレス鋼（Ｃｒ　：１８％、Ｆｅ：８２
％）から形成する。

このトンネル・ユニットのＳＴＭとしての動作方法は、
第１実施例と同様である。

この第２実施例によれば、ネジＭ２に対する雌ネジとし
て非磁性の雌ネジカラー（１１２１）を用いると共に各
ネジ（［２）の先端部（１１２ｂ）に金属球（１，１，
２２）が取り付けられているので、次のような効果があ
る。まず、３本のネジ（１１２）と試料台（１２０）の
試料載置面（１２０ａ）との接触が金属球（１１２２）
を介した点接触となり、各ネジ（１，１，２）を回した
ときのガタが極めて少なくなる。また、ネジＭ２につい
ては非磁性の雌ネジカラー（１１２１）に螺合されるの
で、第２Ｂ図に示すように、磁気回路の閉成時に永久磁
石（１２１）から流れ出す磁束φ２は、雌ネジカラー（
１１２１）内を通らずにポール・ピース（１２２）及び
ネジ間２先端の金属球（↑↑２２）のみを流れる。この
ため、ネジＭ２の雌雄間に磁気による吸着力が作用せず
、このネ９　Ｍ　２を手で回し易く、滑らかに探針（１
１５）の先端を試料（１，２４）に近接させることがで
きる。

第３実施例に係るトンネル・ユニットの試料台（１２０
）を第３Ａ図に示す。この実施例では、ポール・ピース
（１２２）が、円柱を樅に部分したような形状の第１及
び第２の部分と、平板形状の第３の部分とからなり、こ
れらが継ぎ目材（１２３）により接合されている。ボー
ル　ピース（１２２）の第１及び第２の部分は、それぞ
れ上部に互いに対向する一条の段差を有しており、これ
らの段差により形成される凹部内に第３の部分が配置さ
れる。このため、試料載置面（１２０ａ）には互いに平
行に継ぎ目材（１２３ａ）と（１２３ｂ）とが露出して
いる。そして、方の継ぎ目材（１２３ａ）上にネジ（１
１，２）のうち２本のネジＭ１を、他方の継ぎ目材（１
２３ｂ）上に残りのネジＭ２をそれぞれ位置させる。こ
れにより、永久磁石（１２１，）から流れ出す磁束は３
本のネジ（１１２）に対し、いずれも第２Ｂ図のネジＭ
２のように流れ、スキャン・ヘッド（１１０）を試料台
（１２０）へ強力に吸着させることができる。

また、第３Ｂ図のように試料載置面（１２０ａ）に露出
した一方の継ぎ目材（１２３ａ）に沿って７字溝（１２
３１）を形成し、第３Ｃ図のようにこの７字溝（１２３
１）にスキャン・ヘッド（１１０）の２本のネジＭの先
端あるいは金属球（１１２２）を入れるようにすること
もてきる。この場合、スキャン・ヘッド（１，１０）を
試料載置面（１２０ａ）上に載置する際に、第３Ｃ図に
おけるＹ方向の位置決めを行い易くなる。

さらに、第３Ｄ図に示すように、一方の継き目材（１２
３ａ）に沿ってその中央部にまで７字溝（１，２３１）
を形成すると共に７字溝を形成しない部分の継ぎ目材（
１２３ａ）に一つの円すい講（１２３２）を形成し、こ
れら７字溝（１２３１）と円すい？ｇ（１２３２）とに
それぞれ２本のネジＭ１の先端あるいは金属球（１，１
２２）を入れれば、スキャン　ヘラＩ＜（１１０）を試
料載置面（１２０ａ）上に載置する際にＹ方向のみなら
ずＸ方向の位置決めも容易となる。

この発明の第４実施例に係る１〜ンネル　ユニッＩ・の
試料台（１２０）を第３Ｅ図に示す。この実施例ては、
第１Ａ図に示したような二つのポール・ピース（１２２
）を有する試料台（１２０）の試料載置面（１２０ａ）
に、露出する継ぎ目材（１２３）を横切るように一条の
７字溝（１２３１）か形成されると共に継き目材（１２
３）に一つの円すい溝（１２３２）か形成されている。

そして、７字溝（１２３１）に２木のネジＭ１を、円す
い講（１２３２）に残りのネジＭ２をそれぞれその先端
あるいは金属球（１１２２）を入れて使用する。このよ
うにすれば、スキャン　ヘッド（１１０）の試料載置面
（］、２０ａ）への載置時にＸ方向及びＹ方向の位置決
めを行い易くなると共にネジＭ、を回ず際のネジＭ２の
先端部の転がりによるＸＹ平面上てのずれが防止てきる
。

また、第３Ｆ図のように、７字溝（１２３１，）を継ぎ
目材（１２３）の両側に形成して■字ｊ！（１２３１）
と継き目材（１２３）とを交わらせず、試料載置面（１
，２０ａ）の中央部に溝を作らないようにすれば、寸法
の小さい試料（１２４）を試料載置面（１２０ａ）上に
載置し易くなる。第３Ｇ図は、試料（１２４）を押さえ
るための試料押さえ（１２４１＞を示している。この試
料押さえ（１２４１）は、高透磁率の材質から形成され
、一対の脚部（１２４２）を有している。これらの脚部
（１２４２）に対応して、第３Ｆ図の試料台（１２０）
の各７字溝（１２３１）の継ぎ目材（１２３）側の端部
にそれぞれ孔（１２３３）を形成しておく。そして、試
料押さえ（１２４１）の下に試料（１２４）の一部を挟
み込み、一対の脚部（１２４２）を試料台（１２０）の
７字溝（１２３１）の孔（１２３３）に挿入した状態て
永久磁石（１２１）を回転して磁気回路を閉成すると、
試料押さえ（１，２４１，）は磁力で試料台（１２０）
に吸着され、これにより試料（１２４）の固定を行うこ
とができる。

この発明の第５実施例を第４Ａ図に示す。例えば第３Ｂ
図に示した試料台（１，２０）とユニット台（１３０）
との間に、補助台（１，２０Ｂ）が配置されている。

この補助台（１，２０Ｂ　）は、第１Ａ図に示した試料
台（１２０）と同様にして、第２の継ぎ目材（１２３Ｂ
）を介して接合された一対の第２のポール・ピース（１
２２Ｂ）と、これらポール・ピース（１２２１１）の接
合部に回転自在に埋設された第２の永久磁石（１２１１
３）とを有しており、円柱形状を呈している。この円柱
の」二端面は試料台載置面（１２０Δ）を形成している
。

そして、ユニ７１〜台（１３０）の上にこの補助台（１
２０Ｂ）が載置され、補助台（１２０Ｂ）の試料台載置
面（１２０八）の」二に試料台（１２０）が載置されて
いる。尚、試料台（１２０）は、その永久磁石（１２１
）が補助台（］−２０１３）の永久磁石（１２１Ｂ）に
垂直になるような向きに載置されている。また、第４Ａ
図では示していないが、試料台（１２０）の上にスキャ
ン・ヘッド（＋、１．Ｏ）が載置される。

このような構造とすることにより、次の［Ａ］〜［Ｃ］
のごとき吸着状態を実現することができる。

［Ａ］試料台（１２０）及び補助台（１２０Ｂ）を共に
磁気回路開成の状態にすれば、スキャン　ヘット（Ｌｌ
、Ｏ）、試料台（１，２０）　、補助台（１２０１１）
及びユニット台（１３０）はいずれも互いに吸着しない
。

［Ｂ］補助台（１２０Ｂ）のみを磁気回路閉成の状態に
すれば、試料台（１，２０）と補助台（１２０１１）と
ユニッ１へ台（１３０）が互いに吸着し、スキャン　ヘ
ッド（１１０）は試料台（１２０）に吸着しない。

［Ｃ］試料台（１２０）及び補助台（１，２０Ｂ　）を
共に磁気回路閉成の状態にすれば、スキャン　ヘッド（
１１０）、試料台（１２０）、補助台（１２０Ｂ）及び
ユニッｌへ台（１３０）は全て互いに吸着する。

従って、まず［Ａ］から［Ｂ］に操作することにより、
試料台（１２０）を補助台（１，２０Ｂ）と共にユニッ
１へ台（１３０）の上に強固に固定し、その後［Ｃ］の
操作でスキャン・ヘッド（］、　１．０　）を試料台（
１２０）に固定しりことかできる。すなわち、スキャン
・ヘラ１〜（１１，０）のみの着脱が可能となるので、
探針（］　１５）の取り替え作業等が容易となる。

また、補助台（１２０Ｂ）と試料台（１，２０）との間
に、例えば体積抵抗の高いエポキシ樹脂のように電気絶
縁性と接着性とを備えた材質からなる電気絶縁部（１２
０Ｃ）を設けることができる。この場合、試料（１２４
）が載置される試料台（１２０）とユニッ１−台（１，
３０）とが電気絶縁されているので、探針（１１５）と
試料（１２４）との間に印加するバイアス電圧を容易に
正負のいずれにも設定し易い電圧回路を作ることかでき
るようになる。

また、第４Ｃ図のように、補助台（１２０Ｂ）の下端面
において双方のポール・ピース（１２２Ｂ）の接合部に
沿って切欠（］、　２０　Ｂ　ｂ　）を形成すれば、二
つのポール　ピース（１２２Ｂ＞かユニッＩ−台（１３
０＞と接する部分が互いに離れるので、補助台（１２０
Ｂ）はユニット台（１３０）に機械的に安定且つ強固に
吸着する。さらに、第４Ｄ図のように、二つのポール・
ピース（１２２Ｉ３）がユニット台（１，３０）と接す
る部分に、例えば電気的絶縁物のエポキシ樹脂に高透磁
性物質の微粉末を分散させたような、透磁性を有し且つ
電気的絶縁性の電気絶縁部（１，２（ＩＣ）を設けるこ
ともできる。

この発明の第６実施例を第５Ａ図に示す。スキャン・ヘ
ッド（１１０）の３本のネジ（１１２）がそれぞれマイ
クロメータ（１１２Δ）から構成されている。この実施
例によれば、マイクロメータ（１，１２八）の目盛りを
読み取りながらスキャン・ヘッド（ＬＩＯ）を上下動さ
せることがてきる。従って、探針（１，１，５）と試料
（１，２４）との近接距離を予め予測てきると共に探針
（１１，５）を試料（１２４）に衝突させる恐れが少な
くなる。

さらに、第５Ｂ図のように、クリック発生つまみ（１１
，２Ｂ）の付いたマイクロメータ（１１２Ａ）を用いれ
ば、一定の微小回転角度毎に回す指先にクリックを感じ
るので、探針（１１，５）を試料（１２４）に近接させ
ている実感が伴い、またクリック回数を数えることによ
り近接距離の予測が容易となる。このクリック発生つま
み（１１２Ｂ）は、例えばマイクロメータ（］、１２Ａ
）の軸の回りに複数の小さい鋼球を配し、これらの＃４
球の間に短冊状バネを配置して一種のミニチュア・ポー
ル・ベアリングとすることにより実現できる。

また、第５Ｃ図及び第５Ｄ図に示すように、試料台（１
２０）の試料載置面（１２０ａ）に露出した継ぎ目材（
１２３）の上に位置するネジＭ２の先端部（１１２ｂ）
に金属半球（１１２３）を収り付け、この金属半球（１
１２３）の側部にネジＭ２の軸と平行に等間隔の凹溝あ
るいは■溝等の溝（１１２４）を形成する。このような
ネジＭ２を第５Ｅ〜５Ｇ図のように平坦な継ぎ目材（１
２３）の上、継ぎ目材け２３）に形成された■溝（１２
３１）内あるいは継ぎ目材（１，２３）に形成された円
すい溝（１２３２）内で回転させる。すると金属半球（
１］２３　）の渭（］−３，２４）の位置に応じて、第
５Ｈ図及び第５■図のように二つのポール・ピース（１
２２）と金属半球（１１２３）を流れる磁束が磁束φ４
がら磁束φ５へと変化する。その結果、ネジＭ２を回す
指先にクリックを感じる。従って、探６（（１１５）を
試料（１，２４）に近接させている実感が伴い、またク
リック回数を数えることにより近接距離の予測が容易と
なる。尚、金属球（１１２２）や金属半球け１２３）を
設けずに、ネジＭ２の先端を直接継ぎ目材（１２３）の
」二に接触させる場合には、第５Ｊ図及び第５に図のよ
うに、ネジＭ２の先端外周部に凹溝（１１２５）や■溝
（’１１２６）を形成すればよい。

この発明の第７実施例を第６Ａ図及び第６Ｂ図に示す。

この実施例ては、スキャン　ヘッド（１１０）がスキャ
ン・ヘッド本体（１１，１）とヘッド・アダプタ（］、
　１０　八）とからなり、３本のネジ（１１２）がへ・
ｙ　ｌ’アダプタ（ＩＩＯＡ＞のフランジ（ｉｌＯＢ）
に取り付けられている。スキャン　ヘット本体（１，１
１）は、ヘット　アダプタけ１０Δ）の中央部に形成さ
れた貫通孔内に第６Ｂ図のように挿入され、止めネジ（
１１０ａ）によって固定されている。この実施例によれ
ば、スキャン　ヘッド本体（１１１）とへラド　アダプ
タ（ＩＩＯＡ＞との着脱が容易であるので、スキャン　
ヘッド本体（１１１）を取り替えることにより長さＬの
異なる円筒型圧電素子（１１３）を使用することが可能
となる。すなわち、円筒型圧電素子（１１，３）の変位
感度は上述したようにｄ３．ＸＬ／Ｗて表されるから、
長さしの異なる圧電素子（１１，３）を備えたスキャン
・ヘッド本体（１１１）を適宜取り替えて、試料（１２
４）に対する観察領域範囲を選択することができる。

また、第６Ｃ図のように、スキャン　ヘッド本体（１１
１）をネジ込みソケット（１１０１＋）によりヘッド・
アダプタ（ＩＩＯＡ）に取り付ければ、強固な固定が得
られる。さらに、第６Ｄ図のように、ヘッド・アダプタ
（ＩＩＯＡ）とスキャン・ヘラ１〜本体（１１１）との
間にコレット・ヂャック（１，１，Ｏｃ　）を設け、こ
のコレラｌ−ヂャック（１１，Ｏｃ　）によってスキャ
ン・ヘッド本体（１１１）を固定することもてきる。こ
の場合、コレラ１−　ヂャック・レバー（１１０ｃｌ）
の開閉によりスキャン・ヘッド本体（１１１）の着脱か
極めて簡単になるばかりてなく、強固な固定が得られる
。

この発明の第８実施例を第７Ａ図に示す。この実施例で
は、スキャン・ヘッド（１１，０）のスキャンヘッド本
体（１１，１）内に、探針（１１，５）からのトンネル
電流を増幅するための前置増幅器（１１，０Ｄ　）か組
み込まれている。従って、この実施例では外部雑音に影
響されることなく　１−ンネル電流に比例した電気信号
を得ることができる。また、第７Ｂ図に示すように、ス
キャン・ヘッド本体（１１１）の上部に電気的遮へい用
のシールド蓋（１］、　ＯＥ　）を設け、このシールド
蓋（ＩＩＯＥ）に、探針（１１５）に流れるｌ・ンネル
電流が設定値となったときに消灯する、例えばＬＥＤラ
ンプのような表示ランプ（ＩＩＯＦ）を取り付けてもよ
い。尚、表示ランフ責１１０Ｆ）は、１〜ンネル電流が
設定値となったときに消灯するように構成されているの
で、トンネル・ユニットの動作中に表示ランプ（１１０
Ｆ）から電気雑音が入る恐れはない。

また、探針（１，１５）と試料（］、２４）の間に印加
するバイアス電圧の正負とは無関係に表示ランプ（ＩＩ
ＯＦ）を点滅させるので、前置増幅器（１１００）の出
力を入力信号とした絶対増幅器を前置増幅器（ＩＩＯＤ
）と共にスキャン・ヘッド本体（１１，１）内に収納し
てもよい。

前置増幅器（ＩＩＯＤ）と表示ランプ（ＩＩＯＦ）から
なる電気回路の一例を第７Ｃ図に、前置増幅器（ＩＩＯ
Ｄ＞と絶対増幅器及び表示ランプ（ＩＩＯＦ）からなる
電気回路の一例を第７Ｄ図にそれぞれ示す。

この発明の第９実施例を第８Ａ図に示す。この実施例で
は、スキャン・ヘッド本体（１１１）の一部に切欠（ｌ
ｌｌａ）が形成されており、この切欠け１１ａ）を通し
て探針（１１５）と試料（１２４）とを目視することが
てきるように構成されている。従って、ネジ（１１２）
を回すことにより近接した探針（１１５）と試料（１２
４）とを直接観察することができる。また、第８Ｂ図に
示すように、３本のネジ（１１２）のうち２本のネジＭ
１の間を完全に分離するようにスキャン　ヘラ１へ本体
（１，１，１）に切欠（ｌｌｌａ）を形成してもよい。

このようにすれは、より楽に探針（１１，５）の先端を
観察することができる。さらに、２木のネジＭ、と残り
のネジＭ２との間にそれぞれ重量分布調節用の切欠（ｌ
ｌｌｂ）を適切な切り込み深さと幅で形成すれば、３本
のネジ（１１，２）に加わるスキャン・ヘッドけ１０）
の重量をバランスよく分布されることがてきる。

また、第８Ｃ図に示すように、探針観察用の切欠（ｌｌ
ｌａ）の近傍に照明ランプ（１，］、ＯＧ）を取りイ」
けることもできる。この場合、探針（１１５）を観察し
易くなるばかりでなく、特定の波長域の光を放射する照
明ランプ（ＩＩＯＧ）を用いることにより、例えばキャ
リア濃度の少ない半導体の試料（１２４）表面に向（プ
てその光を照射し、光励起のキャリアを作り出してＳＴ
Ｍとして動作させ易くすることが可能となる。

この発明の第１０実施例を第９Ａ図及び第９Ｂ図に示す
。この実施例では、スキャン・ヘッド本体（１１１，）
の切欠（１１１，ａ）にこの切欠（１］、１ａ）を閉じ
るように観察窓体（１１，６）が設けられている。切欠
（］１−１　ａ　）は、スキャン・ヘッド本体（１１１
）の側部て且つ探針（＋、　１．５　）の前方に位置し
、例えは半径６ｍｍの半円弧とこれに連結する長さ２ｍ
ｍの直線部とを有する馬蹄形で且つ奥行き７ｍｍの形状
を有している。また、上述した第２実施例と同様に外径
１２ｍｍの圧電素子（１，１３）を用いると共にこの圧
電素子（１１３）が挿入されるスキャン・ヘッド本体（
１１１）の貫通孔（ｌｌｌｂ）の直径を１８ｍｍとする
と、切欠（１１，１ａ）の最外部端から探針（１１５）
までの距離はほぼ１０ｍｍとなる。

観察窓体（１１，６）は、光学的に透明且つ遮音性を有
する、例えば硼硅酸クラウン・ガラス、溶融石英ガラス
、合成石英ガラス等から形成される。外部騒音の比較的
少ない環境でスキャン・ヘッド＜１１０）を使用すると
きは、アクリルジグリコールカーボネイト等のプラスチ
ック材料を用いることもできる。この観察窓体（１１，
６）は切欠（ｌｌｌａ）と同じ形状に形成され、しょっ
ばめ又は接着剤により切欠け１１ａ）内に固定される。

また、切欠（ｌｌｌａ）の形状によっては、観察窓体（
１１６）の外周部及び切欠（ｌｌｌａ）の内周部にそれ
ぞれネジを形成してこれらを螺合させることもできる。

このような観察窓体（１１６）を切欠（ｌｌｌａ）に設
けることにより、外部から切欠（１１，１ａ）を通して
スキャン・ヘッド本体（１１１）内に音波が侵入し、探
針（１１５）及びその周辺の雰囲気を擾乱することが防
止される。すなわち、電気的雑音の小さいスキャン・ヘ
ッド（１，１０）が得られる。また、スキャン・ヘッド
（１１，０）を音波遮断用の箱て覆う必要がなくなるの
で、観察の作業性が向上する。

この発明の第１１実施例を第１０Ａ図及び第１０　Ｂ図
に示す。この実施例では、観察窓体（１，１６）が窓本
体（１１６０）と窓本体（１，１６０）の中心部に設け
られた拡大レンズ（１１６１）とから形成されている。

拡大レンズ（１１６１）としては、例えば焦点距離が拡
大レンズ（１１６１）の主面と探針（１１５）の先端部
との間の距離にほぼ等しく且つその外径が切欠（１，１
１ａ）内に収まる最大径の球面単レンズを用いることが
できる。拡大レンズ（１１，６１）は、その光軸が圧電
素子（１１３）のＺ軸方向と垂直になるように配置して
もよく、あるいは探針（１１５）の先端部や試料（１２
４）が見易くなるように斜めに配置してもよい。さらに
、拡大レンズ（１１６１）の外周部及び窓本体（１１６
０）に設りられた拡大レンズ嵌合用の貫通孔の内周部に
それぞれネジを形成してこれらを螺合するようにすれば
、窓本体（１１６０）への拡大レンズ（１１６１）の取
り付は深さを容易に変えることがてき、これにより拡大
レンズ（１１６１）の焦点合わぜを行うことが可能とな
る。この実施例のように、観察窓体（１１６）が拡大レ
ンズ（１，１６１）を有することにより、探針（１１５
）の先端部や試料（１２４）が見易くなると共にスキャ
ン・ヘッド（１１０）と別にルーペを用意する必要がな
くなる。尚、窓本体（１１６０）を用いず、拡大レンズ
（１１６１）のみを観察窓体としてスキャン・ヘッド本
体（１１１）に取り付けてもよい。

また、スキャン・ヘッド本体（１１１）の材質として、
インパールあるいはスーパー　インパール等の磁性体を
用いる場合には第１．　ＯＣ図及び第１゜Ｄ図のように
、窓本体（ｉｉ６ｏ）の外周部に永久磁石（１１６２）
を埋め込み、この永久磁石（１１６２）の磁力によって
観察窓体（１１，６）を切欠（ｌｌｌａ）内に固定する
ことができる。永久磁石（１１，６２）としては、保磁
力の大きい、例えば希土類磁石を用いることが望ましい
。このような構成とすれば、観察窓体（１１６）のスキ
ャン・ヘッド本体（１１１）への着脱が極めて容易にな
るばかりでなく、観察窓体（１，１６）を切欠（ｌｌｌ
ａ）内に押し込む深さにより容易に拡大レンズ（１１６
１）の焦点位置を変えることができる。従って、探針（
１１５）や試料（１２４）を交換した際にそれらの位置
が多少ずれても、観察窓体（１１６）の切欠（１１，ｌ
ａ）内への押し込み深さを調整することにより、探針（
１１５）の先端部や試料（１，２４）を明確に観察する
ことがてきる。

さらに、第１０Ｅ図及び第１０Ｆ図に示すように、拡大
レンズ（１１６１）の周辺部の窓本体（＋１６０）に集
光レンズ（１１６３）を形成してもよい。集光レンズ（
１１６３）としては、例えばフレネル・レンズを用い、
このフレネル・レンズの中心部に拡大レンズ（１１６１
）を設ける。この場合、スキャン・ヘッド（１１０）外
部からの光が集光レンズ（１１６３）を通して集められ
、探針（１１５）の先端部や試料（１２４）を明るく照
らずので、観察し易くなる。

また、第］、ＯＧ図及び第１０Ｈ図のように、球面単レ
ンズ（１１６］−）の代わりに円筒面レンズ（１１，６
４）を切欠（ｌｌｌａ）内に取り付けてもよい。この場
合、球面単レンズに比べて視野が広くなるので、さらに
探針（］、１５）の先端部等が見易くなる。

この発明の第１２実施例を第］、　Ｌ　Ａ図及び第１１
Ｂ図に示す。この実施例では、観察窓体（１，１６＞が
窓本体（１１６０）と窓本体（１１６０）の表面上に形
成された電磁波シールド（１１６５）とを備えている。

電磁波シールド（１１，６５）は、例えばインジウムと
錫との酸化物からなる、いわゆるＩＴＯ膜等の導電性膜
が用いられ、窓本体（］、　１．６０　）の表面上に被
覆形成されている。この電磁波シールド（１１６５）は
、その外周部において金属製のスキャン・ヘッｌ’本体
（１１１）に電気的に接続されており、これにより外部
からの電磁波の侵入を遮断する。電磁波シールド（１１
６５）とスキャン　ヘッド本体（１１１）との電気的な
接続法としては、これら両者の境界部に導電性接着剤を
塗布する方法がある。あるいは、観察窓体（］、　１．
６　）の側部に電磁波シール１〜（１１，６５）と接触
する金属枠を機械的に固定しておき、この金属枠が切欠
（１１，１，ａ　）の内周部に接触することにより電磁
波シールド（１１６５）とスキャン　ヘッド本体（１１
１）とを電気的に接続させることもできる。この実施例
においては、音波のみならず、電磁波も遮断されるのて
、さらに電気的雑音の小さいスキャン　ヘッド（１１０
）が得られる。

また、電磁波シールド（＋、１．６５）を窓木体（１１
６０）の表面に被覆する代わりに、第１．］、Ｃ図及び
第１１Ｄ図に示すように、導電体のメツシュからなる電
磁波シールド（１１６６）を窓木体（１１６０）の表面
上に接着してもよい。さらに、第１．　Ｉ　Ｅ図及び第
１．１．　Ｆ図のように、窓本体（１１６０）を例えば
ポリカーボネイトあるいはアクリル等のプラスチック材
から形成すると共にこの窓本体（１１６０）内に電磁波
シールド（］、］、６６）を埋設することもてきる。

この発明の第１３実施例を第１２Ａ図及び第１２Ｂ図に
示す。この実施例では、窓本体（１１６０）内に照明ラ
ンプ（１１，６７）が埋設されている。照明うンプ（１
１，６７）は、探針（］、　１．５　＞と試料（１２４
）との観察を妨げない位置に配置されている。この照明
ランプ（１１６７）からの光放射により明るくなるのて
、探針（１１５）及び試料（１，２４）の観察がし易く
なる。尚、照明ランプ（１１６７）は、第１．２　Ｂ図
に示すように窓本体（１，１６０）内に埋め込む他、窓
本体（１１６０）の表面に取り付けても、あるいはその
一部が窓本体（１１６０）内に埋め込まれ且つ残部が窓
本体（１１６０）外に出ているものでもよい。さらに、
第１．２Ｃ図及び第１２Ｄ図に示すように、照明ランプ
（１，１６７）の近傍にミラー（１１６８）を設け、こ
のミラー（１１６８）により照明ランプ（１１６７）か
らの光を反射させて探針（１１５）及び試料（１２４）
に照射させれば、被観察部の照度を上げることがてきる
。尚、ミラー（１１６８）としては、凹面鏡のような集
光特性を有するものが望ましい。

この発明の第１４実施例を第１３図に示す。この実施例
では、試料台（１，２０）の試料載置面（１２０ａ）に
凹部（１２０ｂ）が形成されており、この凹部（１２０
ｂ）内にスキャン・ヘッド（１１０）が載置されている
。

尚、スキャン・ヘッド本体（＋、　１．１．　）の底面
は四部（１２０ｂ）内に収まっているものとする。この
ような構成とすることにより、外部からの音波及び電磁
波がスキャン　ヘッド本体（１１，１）の底面と試料台
（１２０）の試料載置面（１２０ａ）との隙間を通って
探針（１１５）へと直進するのを防止することがてき、
さらに遮音及び電磁シールドの効果が高められる。

〔発明の効果〕

以上説明したように第１の発明に係るＳＴＭのトンネル
・ユニツＩ・は、非磁性体の継き目材を介して互いに接
合された複数のポール・ピースを有し且つこれら複数の
ポール・ピース及び継ぎ目材が共に露出する試料載置面
を有する試料台と、この試料台内で且つ複数のポール・
ピースの接合部に回転自在に埋設された永久磁石と、試
料台の試料載置面の上方で且つ露出された継ぎ目材をま
たぐように配置されたスキャン・ヘッド本体と、このス
キャン・ヘッド本体に固定された圧電素子と、この圧電
素子に取り付けられた探針と、スキャンヘッド本体に回
転自在に取り付けられると共にその先端部が試料台の試
料載置面上に接触することによりスキャン　ヘット本体
を試料台の試料載置面の上方に支持する３木の磁性体か
らなるネジとを備えているのて、機械的剛性が高く、探
針や試料を安全且つ容易に交換することができるように
なる。

また、第２の発明に係るＳＴＭのトンネル　ユニットは
、非磁性体の第１の継ぎ目材を介して互いに接合された
複数の第１のポール・ピースを有し且つこれら複数の第
１のポール・ピース及び第１の継ぎ目材が共に露出する
試料台載置面を有する補助台と、この補助台内て且つ複
数の第１のポール・ピースの接合部に回転自在に埋設さ
れた第１の永久磁石と、補助台の試料台載置面上に載置
されると共に非磁性体の第２の継ぎ目材を介して互いに
接合された複数の第２のポール・ピースを有し且つこれ
ら複数の第２のポール・ピース及び第２の継ぎ目材が共
に露出する試料載置面を有する試料台と、この試料台内
で且つ複数の第２のポール・ピースの接合部に回転自在
に埋設された第２の永久磁石と、試料台の試料載置面の
上方て且つ露出された第２の継ぎ目材をまたぐように配
置されたスキャン・ヘラ１〜本体と、このスキャンヘッ
ド本体に固定された圧電素子と、この圧電素子に取り付
けられた探針と、スキャン・ヘラ１へ本体に回転自在に
取り付けられると共にその先端部が試料台の試料載置面
上に接触することによりスキャン　ヘット本体を試料台
の試料載置面の」１方に支持する３本の磁性体からなる
ネジとを備えているので、さらに取り扱い易く操作性に
優れたものである。

また、第３の発明に係るＳＴＭのスキャン・ヘッドは、
観察用の切欠が形成されたスキャン・ヘッド本体と、こ
のスキャン・ヘッド本体に固定されると共にスキャン・
ヘッド本体内に配置された圧電素子と、圧電素子に取り
付けられると共にスキャン・ヘッド本体の切欠の近傍に
配置された探側と、スキャン・ヘラ１へ本体の切欠にこ
れを閉じるように設けられると共に光学的に透明で且つ
スキャンヘッド本体内への外部からの擾乱を防止する観
察窓体とを備えているので、電気的雑音が低減されると
共に観察の作業性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はこの発明の第１実施例に係るＳＴＭのトンネ
ル・ユニツ１〜を示す斜視図、第１Ｂ図は第１Ａ図のＩ
−１線断面図、第１Ｃ図は３木のネジと探針の平面配置
図、第１Ｄ図は第１Ａ図の■■線断面図、第１Ｅ図は第
１Ａ図のＩ［ｌ−１線断面図、第１Ｆ図は第１実施例の
動作状態を示す斜視図、第１Ｇ図は第１Ｆ図のＩＶ−Ｉ
Ｖ線断面図、第１Ｈ図は第１Ｆ図のＶ−Ｖ線断面図、第
１■図は第１実施例の作用を示すための説明図、第２Ａ
図はこの発明の第２実施例を示す一部破断斜視図、第２
Ｂ図は第２Ａ図のＶＩ−Ｗ線断面図、第３Ａ図は第３実
施例の試料台を示す斜視図、第３Ｂ図〜第３Ｄ図はそれ
ぞれ第３実施例の変形例を示す斜視図、第３Ｅ図〜第３
Ｇ図はそれぞれ第４実施例を示す斜視図、第４Ａ図は第
５実施例を示す斜視図、第４Ｂ図〜第４Ｄ図はそれぞれ
第５実施例の変形例を示す斜視図、第５Ａ図は第６実施
例を示ず斜視図、第５Ｂ図は第６実施例の変形例を示す
斜視図、第５Ｃ図〜第５に図はそれぞれ第６実施例のさ
らに他の変形例を説明するための図、第６Ａ図及び第６
Ｂ図はそれぞれ第７実施例を示す斜視図、第６Ｃ図及び
第６Ｄ図はそれぞれ第７実施例の変形例を示す斜視図、
第７Ａ図は第８実施例のスキャン　ヘッドを示す一部破
断斜視図、第７Ｂ図は第８実施例の変形例を示す一部破
断斜視図、第７Ｃ図及び第７Ｄ図はそれぞれ第７Ｂ図の
変形例に用いられる電気回路の回路図、第８Ａ図は第９
実施例を示す斜視図、第８Ｂ図及び第８Ｃ図はそれぞれ
第９実施例の変形例を示す斜視図、第９Ａ図は第１０実
施例を示す斜視図、第９Ｂ図は第９Ａ図の■−■線断面
図、第１０Ａ図は第１１実施例の要部を示す斜視図、第
１．　ＯＢ図は第１０Ａ図の■−■線断面図、第１０Ｃ
図〜第１０ＩＪ図は第１１実施例の変形例を示す図であ
り第１．　ＯＤ図、第１０Ｆ図及び第１０Ｈ図はそれぞ
れ第１０Ｃ図、第１．　ＯＥ図及びｍ　１．　ＯＧ図ｔ
ニア）　ＩＸ　−ＩＸ線、ｘ−Ｘ線及びＸＴ−ＸＩ線の
各断面図、第１１．　Ａ図は第１２実雄側の要部を示す
斜視図、第１１Ｂ図は第１１Ａ図の双−■線断面図、第
１１Ｃ図〜第１１Ｆ図は第１２実施例の変形例を示す図
であり第１１Ｄ図及び第１１Ｆ図はそれぞれ第１１Ｃ図
及び第１１Ｅ図の■−■線、Ｗ−項線の各断面図、第１
．２Ａ図は第１３実施例の要部を示す斜視図、第１２Ｂ
図は第１２Ａ図のＸＶ−ＸＶ線断面図、第１２Ｃ図は第
１３実施例の変形例を示す斜視図、第１２Ｄ図は第１２
Ｃ図のＷ−回線断面図、第１３図は第１４実施例を示す
斜視図、第１４．　Ａ図及び第１４Ｂ図はそれぞれ従来
のトンネル・ユニットを示す斜視図である。 図において、（１１０）はスキャン　ヘッド、（１１１
）はスキャン・ヘッド本体、（１１，２）はネジ、（１
１３）は円筒型圧電素子、（１１，４）は固定材、（１
１５）は探針、（１１６）は観察窓体、（１２０）は試
料台、（１２１）は永久磁石、（１２２）はポール・ピ
ース、（１２３）は継ぎ目材、（１３０）はユニット台
、（ｌｌｌａ）は切欠、（１２０ａ）は試料載置面、（
１３０ａ）は試料台載置面である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非磁性体の継ぎ目材を介して互いに接合された複
   数のポール・ピースを有し且つ前記複数のポール・ピー
   ス及び前記継ぎ目材が共に露出する試料載置面を有する
   試料台と、 前記試料台内で且つ前記複数のポール・ピースの接合部
   に回転自在に埋設された永久磁石と、前記試料台の試料
   載置面の上方で且つ露出された前記継ぎ目材をまたぐよ
   うに配置されたスキャン・ヘッド本体と、 前記スキャン・ヘッド本体に固定された圧電素子と、 前記圧電素子に取り付けられた探針と、 前記スキャン・ヘッド本体に回転自在に取り付けられる
   と共にその先端部が前記試料台の試料載置面上に接触す
   ることにより前記スキャン・ヘッド本体を前記試料台の
   試料載置面の上方に支持する３本の磁性体からなるネジ
   と を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡のトン
   ネル・ユニット。
2. （２）非磁性体の第１の継ぎ目材を介して互いに接合さ
   れた複数の第１のポール・ピースを有し且つ前記複数の
   第１のポール・ピース及び前記第１の継ぎ目材が共に露
   出する試料台載置面を有する補助台と、 前記補助台内で且つ前記複数の第１のポール・ピースの
   接合部に回転自在に埋設された第１の永久磁石と、 前記補助台の試料台載置面上に載置されると共に非磁性
   体の第２の継ぎ目材を介して互いに接合された複数の第
   ２のポール・ピースを有し且つ前記複数の第２のポール
   ・ピース及び前記第２の継ぎ目材が共に露出する試料載
   置面を有する試料台と、 前記試料台内で且つ前記複数の第２のポール・ピースの
   接合部に回転自在に埋設された第２の永久磁石と、 前記試料台の試料載置面の上方で且つ露出された前記第
   ２の継ぎ目材をまたぐように配置されたスキャン・ヘッ
   ド本体と、 前記スキャン・ヘッド本体に固定された圧電素子と、 前記圧電素子に取り付けられた探針と、 前記スキャン・ヘッド本体に回転自在に取り付けられる
   と共にその先端部が前記試料台の試料載置面上に接触す
   ることにより前記スキャン・ヘッド本体を前記試料台の
   試料載置面の上方に支持する３本の磁性体からなるネジ
   と を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡のトン
   ネル・ユニット。
3. （３）観察用の切欠が形成されたスキャン・ヘッド本体
   と、 前記スキャン・ヘッド本体に固定されると共に前記スキ
   ャン・ヘッド本体内に配置された圧電素子と、 前記圧電素子に取り付けられると共に前記スキャン・ヘ
   ッド本体の切欠の近傍に配置された探針と、前記スキャ
   ン・ヘッド本体の切欠にこれを閉じるように設けられる
   と共に光学的に透明で且つ前記スキャン・ヘッド本体内
   への外部からの擾乱を防止する観察窓体と を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡のスキ
   ャン・ヘッド。