JPH02297003A - 検出部位置決機構、圧電素子微動機構およびこれらを用いた走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光学機器、分析機器などの分野において、探針
などの微小検出部を試料等に対し比較的粗い精度で近接
させるための検出部位置決め機構、これと同様にして位
置決めした検出部で被験物面を微小走査する中空円筒状
圧電素子を用いた微動機構、およびこれら機構を用いた
走査型トンネル顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 近年、導体の表面原子の電子構造を直接観察できる走査
型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略す）が開発され［
Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ａｔ　ａｌ、、Ｈｅ１ｖｅｔｉｃａ
Ｐｈｙｓｉｃａ　Ａｃｔａ、　５５．７２６（１９８２
）］、最近は、ＳＴＭの実用化が進むとともに国内外数
社からＳＴＭの販売が開始されている。また、これを応
用した記録再生装置（特開昭６３−１６１５５２号公報
および特開昭６３−１６１５５３号公報参照）も提案さ
れている。ＳＴＭは、単結晶、非晶質を問わず実空間像
の高い分解能の測定が行なえ、しかも媒体に電流による
損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有し、さら
に真空中のみならず大気中や液体中でも動作する。した
がって、表面粗さ計測等にはじまり原子の構造や分析に
対する要望が高まっている半導体、各種素材、光学部品
、生体分子、化学反応、超微細加工など種々の対象に対
して用いることができるため広範囲な応用が期待されて
いる。

ＳＴＭは金属の探針（プローブ電極）と導電性物質の間
に電圧を加えてｉｎｎ程度の距離まで近づけるとトンネ
ル電流が流れることを利用している。この電流は両者の
距離変化に非常に敏感であり、電流もしくは両者の平均
的な距離を一定に保つように探針を走査することにより
実空間の表面情報を原子スケールの分解能で得ることが
できる。

ＳＴＭにおいては、取付は可能な試料の大きさが１ｃｍ
角程度であり、より大きな試料については、試料を小さ
く切断してから試料台に取付は観察をする。最近ディス
ク表面評価用として登場したスタンドアロン・ヘッド型
のトンネルユニットの場合はディスクに乗せるだけでよ
い。

観測にあたっては、自動もしくは手動の粗動機構により
微小検′出部を試料に接近させて位置決めし、試料表面
の走査は微動機構によって行なう。

この粗動機構としては、第１１図に示すような伸縮素子
と静電吸着素子を用いた機構［Ｇ、　Ｂｉｎｎｉｇｅｔ
　ａｌ、、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、、　
４０，１７８−１８０（１９８２）］　、第１２図に示
す磁気力を用いた機構［Ｄ、Ｐ、Ｅ、Ｓｍ１ｔｈ　ｅｔ
　ａｌ、、　　Ｒｅｖ、　　Ｓｃｉ、　　Ｉｎｓｔｒｕ
ｍ、、　　５６゜１９７０−１９７ｉ（１９８５）］　
、第１３図に示すようなてこを利用した機構［Ｊ、Ｅ、
ＤｅＩＩｌｕｔｈ　ａｔ　ａｌ、、　ＩＢＭ　Ｊ、Ｒｅ
ｓ。

Ｄｅｖｅｌｏｐ、、３０，３９６−４０２（１９８６）
］　、さらに［村上ら昭和６１年春季応用物理学関係連
合講演会予稿集２ｐ−ＺＢ−５］や［Ｄ、Ｐ、Ｅ、Ｓｍ
１ｔｈ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ。

Ｉｎｓｔｒｕｍ、、　５７．２６３０−２６３１（１９
＋１６）１などが知られている。

第１１図において、１はトンネル電流が流れる探針、１
０は探針１によって走査される試料、６０ａは探針１を
支持する支持台、６１は金属板、６２は絶縁板、６３は
支持台６０ａを支持する金属足、６４は圧電板、６５は
試料１０１ｉｆ＠動して探針１に試料１０を走査させる
走査用圧電素子である。

第１２図において、７０は試料１０を支持する支持台、
７１はガラスプレート、７２はボールベアリングを有し
ガラスプレート７１上で支持台７０を移動可能に支持す
る足、７３は支持台７０に固定された永久磁石、７４は
パルス状の電流を流し電磁的な撃力を永久磁石７３を介
して支持台７０に与えることにより支持台７０を図中の
矢印方向に移動させるコイルである。

第１３図において、１はトンネル電流が流れる探針、１
０は探針１によって走査される試料、８０は試料１０を
支持する腕、８１は腕８０が回動可能に取り付けられた
軸、８２は軸８１を図中矢印入方向に移動可能に支持す
る軸受、８３は腕８０がてことして働くための支点、８
４は試料１０の位置を制御するストッパである。この場
合、粗動は微小ピッチのねじで行なフており、市販ＳＴ
Ｍにおいては自動化のためステッピングモータを用いて
このねじを回転させている。

一方、試料表面の面内（ｘ、ｙ）方向及び凸凹（Ｚ方向
）に沿った動きをする三次元微動機構としては、棒状圧
電素子を３軸直交させた機構［Ｃｈ。

Ｇｅｒｂｅｒ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ、Ｉ
ｎｓｔｒｕｍ、、　５７．２２１−２２４　（１９８６
）　］、圧圧電子をやぐら状に組んだ機構［Ｇ、Ｆ、Ａ
、ｖａｎ　ｄａ　Ｗａｌｌｅ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｒｅｖ
、　Ｓｃｉ。

Ｉｎ５ｔｒｕｔｘ、　、　５８　、１５７３−１５７６
　（１９８５）　）、バイモルフを用いた機構［Ｐ、Ｍ
ｕｒａｌｔ　ａｔ　ａｌ、、　ＩＢＭ　Ｊ、　Ｒｅｓ。

Ｄｅｖｅｌｏｐ、、　３０，４４３−４５０（１９８６
）］　、中空円筒状圧電素子による機構［Ｇ、Ｂ１ｎｎ
１ｇ　ａｔ　ａｌ、、　Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ。

Ｉｎ５ｔｒｕｉ＋、、５７．１８８８−１６８９　（１
９８Ｂ）］　が知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例のＳＴＭにおいては試料の大
きさに制限があり、大きい試料に対しては切断を行なう
ため、試料に歪が生じ、また、ごみが発生して試料表面
を覆ってしまう。

また、スタンドアロン型のトンネルユニットに関しては
、ディスクなどに乗せるために探針と試料間の接近を手
動で行なうようにしたため、探針を試料に衝突させるこ
とがある。

一方、従来例の粗動機構について述べれば、伸縮素子と
静電吸着素子を用いた第１１図に示す粗動機構には次の
ような欠点がある。すなわち、静電吸着する部分（面）
を非常に高い精度で鏡面仕上げする必要があり、静電吸
着時及び伸縮素子の伸縮時の動きにスムーズさを欠くの
でいわゆる鳩歩きをするため探針を近づけるのが難しく
、重力方向への駆動には不向きであり、チャージアップ
のため静電吸着部が離れないことがあり、そして高電圧
が必要である。

また、磁気力を利用した第１２図に示すような粗動機構
の場合、コイルにパルス状の電流を流し電磁的な撃力で
支持台をＢ動させるため、ガラスプレートと足との摩擦
力が常に一定となるようにする必要があり、そうしない
と１パルスごとの進み量や方向が制御できず、重力方向
への駆動には不向きであり、そして、永久磁石からの磁
力が周囲に影響を与える可能性がある。

さらに第１３図に示すようなてこを使用した粗動機構で
は微調整をするためてこ比を大きくとると、構造が大・
型化してしまい、また、各支点部を精度良く作成しない
と不安定になる。

以上のように、従来の粗動機構は装置の姿勢や取扱いに
関する制約があり、また構造が大きくなるという問題点
がある。さらに、真空中で使用するものは高価であり、
また、探針の着脱は、操作者が実際に手を使って行なう
等操作性にも難がある。

他方、上記従来例の三次元微動機構においては、棒状圧
電素子を３軸直交させた機構やバイモルフを用いた機構
などは、構造上固有振動数が比較的低く、検出探針と試
料表面間の制御を行なう際応答周波数に限りがある。ま
た、やぐら状に組んだ機構は、その構成上多くの圧電素
子が使用され、制御方式が複雑である。

更に、中空円筒状圧電素子をｘｙ方向の走査に用いる機
構の場合、探針先端の固定位置を精度良く管理しないと
、中空円筒状圧電素子の構造上、探針の交換ごとに操作
範囲が簡単に数％も狂ってしまう。

本発明の目的は、上述従来例の問題点に鑑み、簡便でコ
ンパクトな構成により検出部の正確な位置決めを自動的
に行なえる検出部位置決機構、圧電素子微動機構および
これらを用いた走査型トンネル顕微鏡を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記問題点を解決するため本発明では、中空円筒状の圧
電素子、およびこの両端部に対し検出部を固定して保持
する検出部保持手段を備え、中空円筒状圧電素子に電圧
を印加して検出部を微動させる圧電素子微動機構におい
て、検出部保持手段は検出部を中空円筒状圧電素子の一
端部に対し固定および開放する第１の固定手段、ならび
にこれとは独立に検出部を中空円筒状圧電素子の他端部
に対し固定および開放する第２の固定手段を備え、中空
円筒状圧電素子、第１の固定手段、および第２の固定手
段を所定の手順で駆動することにより検出部を順次繰り
出して位置決めするようにしている。

また、本発明の位置決め機構は、固定部、従動部、従動
部を固定部に対し変位させる変位手段、検出部を固定部
に対して固定および開放する第１の固定手段、ならびに
検出部を従動部に対して固定および開放する第２の固定
手段を備え、変位手段、第１の固定手段および第２の固
定手段を所定の手順で動作させることにより、検出部を
固定部に対して順次移動させ位置決めするようにしてい
る。

さらに、本発明の走査型トンネル電子顕微鏡は上記圧電
素子微動機構あるいは位置決め機構を備え、これによっ
て検出部を被検物に対して位置決めし、および被検物を
検出部で走査するようにしている。

［作用］ この構成において、検出部保持手段にセットされた探針
等の検出部は第１および第２の固定手段と、中空円筒状
圧電素子もしくは他の変位手段とを所定のシーケンスに
従って駆動することにより、いわゆる尺取り主力式の動
作を行なって検出部を被挟物方向へ繰り出し位置決めす
る。すなわち、第１への固定手段により検出部を固定し
および開放するステップをそれぞれステップＡ１および
ステップＡ２、第２の固定手段による同様のステップを
ステップＢ１およびステップＢ２．そして変位手段によ
る両固定手段間の距離を伸長および短縮するステップを
それぞれステップＣ１およびステップＣ２とすれば、Ｂ
１、Ａ２、Ｃ１、Ａ１、Ｂ２、Ｃ２、Ｂ１、Ａ２・・・
なるシーケンスで検出部は第２の固定手段の方向へ順次
繰り出される。また、Ａ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｂ１、Ａ２、
Ｃ２、Ａ１、Ｂ２・・・なるシーケンスで第１の固定手
段の方向へ移動する。被験物の測定に際しては中空円筒
状圧電素子のみを円筒形状が湾曲するように駆動させる
等により探針を微動させて被験物を走査する。あるいは
被験物を取り付けた圧電素子を駆動する等の方法もある
。被験物の面方向に対する検出部の位置決めは、微動機
構位置決手段などによって行なわれる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図で、１は探
針、２は探針を三次元に動かす中空円筒状圧電素子、３
は探針を固定する固定用圧電素子、６は中空円筒状圧電
素子２を本体７に固定する支持部材、８は探針と接続し
トンネル電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路、８
Ａは不図示の制御回路へ接続するためのコネクタ、９は
試料１０と接触する足である。この足９は本体７を３点
支持するように３つ設けられており、探針１の先端位置
が試料１０に対して一定の位置になる構成になっている
。また、試料１０にバイアス電圧を与える電極にもなっ
ている。

次に、観察例を説明する。まず、本体７に探針１を挿入
する。この際、足９と接する試料１０の面よりも探針１
の先端が上方に位置するように注意する。この状態で、
本体７を試料１０上の観察場所へ探針１の先端が来るよ
うに載せる。そして、不図示の従来と同様の回路により
足９を介して探針１と試料１０間にバイアス電圧を印加
し、中空円筒状圧電素子２と両端の固定用圧電素子３に
尺取り虫方式の動きをさせることにより探針１を試料１
０の表面に接近させ、そして設定されたトンネル電流が
探針１と試料１０間に流れるようになったら接近を止め
る。この状態で、中空円筒状圧電素子２で探針１を走査
してＳＴＭ像を得る。観察が終わったら、探針１を上方
に引き込ませ、本体７を持ち上げる。

第２図および第３図は、探針１を三次元に走査する部分
の詳細断面図及び探針先端から見た側面図である。これ
らの図において、１は探針、２は中空円筒状圧電素子、
２１は内部電極、２２はＺ用電極、２３および２４はＸ
（＋）およびＸ（−）用電極、２５および２６はｙ（＋
）およびｙ（−）用電極である。内部電極２１はｘ、ｙ
。

および２用電極２２〜２６の共通電極となっている。ま
た、内部電極２１をグランドとしてこれらｘ、ｙおよび
Ｚ周電極２２〜２６に正の電圧を印加すると中空円筒状
圧電素子２がその円筒軸方向に伸びるように分極処理さ
れている。３は固定用圧電素子であり、ハウジング５に
対し、探針接触部３１が探針１を押さえるように取り付
けられている。同様に探針接触部４１を有する移動保持
用圧電素子４がハウジング５に取り付けられている。こ
れらの圧電素子３および４は積層型圧電素子であり、正
の電圧印加で伸びるようになフており、伸びた状態で探
針１をしっかり押さえ込み、縮んだ状態で離れるように
探針１との位置関係を調整しである。

探針１の先端側から見ると、第３図に示すようにｘ、ｙ
方向へ探針１を動作させるための電極２３〜２６は、中
空円筒状圧電素子２の外側円周上を四等分して配置しで
ある。ハウジング５には、Ｖ型溝５０が加工されており
、固定用圧電素子３とともに３点で探針１を固定するよ
うになっている。第４図は、中空円筒状圧電素子２にハ
ウジング５を組み付けた状態を示す図である。軸方向に
対して対称形となフている。

次に、探針１の動きを第２図によって説明する。

探針１は中空円筒状圧電素子２の中に挿入し、任意の位
置に位置させた固定用圧電素子３、移動保持用圧電素子
４、そして内部電極２１とＺ周電極２２間に所定のシー
ケンス（尺取り虫方式）に゛従って電圧を印加すること
により探針１を軸方向へ移動させ、これによりて探針１
の位置を制御する。探針１の位置が決まったら、第２図
のように固定用圧電素子３は電圧を印加したままにして
、ハウジング５に探針１を固定した状態を保持する。こ
こで、内部電極２１とｘ、ｙ、ｚ電極２２〜２６に印加
する電圧を制御することで探針１先端の三次元における
位置を自由に決めることができる。

なお、試料１０と本体７との位置関係は、図示の状態に
対し上下逆にしてもよく、この点、本実施例に限定され
るものではない、また、探針接触部３１は探針の電極を
重ねてもよい。また、足９の部分を電磁キツカーなどの
移動機構に変えてやれば、大面積の試料１０上を探針１
で走査することができ、より広範囲の任意の場所を観察
することができる。

本実施例によれば、試料１０に対向する部分にトンネル
ユニットをまとめて置くことができ、また探針１の試料
１０に対する接近を自動化できるので、操作性の良い小
型のＳＴＭを提供できる。

さらに、３つの足によって探針１の先端の位置を決める
ことができるため、すなわち、中空円筒状圧電素子２の
設計上の位置に探針１先端を位置決めできるので、走査
範囲の正確なＳＴＭを提供できる。

第５図は本発明の第２の実施例を示す断面図である。第
１図と同一の符号は同一の要素を示し、探針１を走査す
る機構は第２図および第３図示したものと同様である。

第５図において、１１は試料１０をｘ、ｙ方向に動かす
ステージ、１２はステージ１１が固定されている台であ
り、本体７と台１２は嵌合するようになっている。不図
示であるが、試料１０にバイアス電圧を与える電極がス
テージ１１に取り付けられており、試料１０と接続され
ている。中空円筒状圧電素子２の動作は、前記実施例と
同様である。

観察にあたってはまず、本体７と台１２を分割し、本体
７の試料側から電解研磨で先端を鋭くした探針１を中空
圧電素子２中に挿入する。ただし、後で本体７と台１２
を合体させる際に探針１先端が試料１０表面に接触しな
いように挿入皿を調整する。次に、試料１０をステージ
１１に固定し、バイアス用電極を接続する。次に本体７
と台１２を合体し、コネクタ８Ａを介して不図示の従来
と同様の制御回路系と接続し、そして、探針−試料間の
バイアス電圧やトンネル電流の負帰還値などの初期設定
を行なう。観察する試料１０の位置は、ステージ１１を
動かして決める。その後、前述と同様に、中空円筒状圧
電素子２部分に尺取り上方式の動きをさせて探針１を試
料１０の表面に接近させ、設定したトンネル電流値にな
ったら接近を停止する。この状態で中空円筒状圧電素子
２によって探針１を走査しＳＴＭ像を得る。観察を終え
たら、接近時と逆の論理で探針１を試料１０から離す。

なお、探針１の交換を容易にするため、試料１０と反対
の側から抜差して装着する構成も可能であり、これによ
れば、本体７と台１２を分割せずに探針１を交換するこ
とができる。

第６図は本発明の第３の実施例に係る微動機構を示す断
面図であり、第７図はその探針先端側から見た側面図で
ある。図中、１は探針、２は中空円筒状圧電素子、２１
は内部電極、２３はＸ（＋）用電極、２４はＸ（−）用
電極である。また、第３図および第４図に示したと同様
に、ｙ（＋）およびｙ（−）用電極がＸ用電極２３゜２
４と直交する形で、中空円筒状圧電素子２の外円周面上
に４分割で設けられており、内部電極２１は、これらｘ
、ｙ用電極の共通電極となっている。また、内部電極２
１をグランドとしてＸ。

ｙ用電極に正の電圧を印加すると中空円筒状素子２はそ
の円筒軸方向へ伸びるように分極処理されている。３′
は固定用の中空円筒状の圧電素子、４′は移動保持用の
中空円筒状の圧電素子、３２は圧電素子３′の外周に設
けられた固定用電極、４２は圧電素子４′の外周に設け
られた移動用電極、５２はこれらの内側において探針１
を挟むためのチャックである。圧電素子３′は電圧印加
により円筒が拡がるように、また圧電素子４′は電圧印
加により円筒が縮むように分極処理がされている。これ
ら圧電素子３’、４’に電圧印加しない状態で探針接触
部３１が探針１を固定できるように、また探針接触部４
１が探針１から離れ電圧印加により固定できるようにチ
ャック５２は調整されている。

この機構において、探針１のＺ方向の粗動および三次元
の微動は、前記実施例と同様の方法で行なうことができ
るが、Ｚ方向の駆動信号はすべてのｘ、ｙ電極に加え、
これにより２方向の移動を行なう。

なお、本実施例では、中空円筒状圧電素子２゜３’、４
’が別々の部品となっているが、一体構造となっていて
も良い。また、検出部である探針１の形状は円柱状であ
る必要はなく、四角柱、六角柱なども可能であり、実施
例に限定されるものではない。

第８図（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施例を示す側
面図および斜視図であり１、同図において１は探針、１
０は試料、１３は粗動用圧電素子、１６および１７は粗
動用圧電素子１３の伸縮方向の両端に取り付けられた固
定部と従動部である。

粗動用圧電素子１３は電圧印加時に伸びる謳うに分極さ
れている。１４は固定部１６に固定された固定用圧電素
子、１５は従動部１７に固定された固定用圧電素子であ
る。これら固定用圧電素子１４．１５は電圧を印加する
と縮み、電圧印加をやめると伸びるように分極処理され
ている。また、探針１は固定用圧電素子１４．１５の伸
びた状態で押さえ付けられ、縮んだ状態で開放されて軸
方向に動くように調整する。１９は固定部１６が取り付
けられた基台、１８は基台１９に取り付けられるととも
に試料２を保持して走査方向に微動させる試料走査用圧
電素子、５０は探針１が直進性よく移動できるように固
定用圧電素子４の対向側の固定部１６および従動部１７
部分に加工された■型溝である。

次にこの装置の動作を説明する。

まず、探針１の挿入および固定を行なう。すなわち、固
定用圧電素子１４．１５に電圧を印加してこれらを短縮
させ、これらと■型溝５０との空間に探針１を固定用圧
電素子１４．１５の両方にかかるように挿入する。この
状態で固定用圧電素子１４．１５の電圧印加を停止して
探針１を押さえ付ける。

次に探針の粗動を行なう。すなわち、まず固定用圧電素
子１５に電圧を印加し、次いで粗動用圧電素子１３に電
圧を印加することにより、固定用圧電素子１４を固定点
とし粗動用圧電素子１３の伸びに応じて従動部１７を図
中入方向へ移動させる。ここで固定用圧電素子１５の電
圧印加を停止して探針１を押さえ付ける。そして固定用
圧電素子１４に電圧を印加して探針の固定を解除し、粗
動用圧電素子１３の電圧印加を止める。これにより粗動
用圧電素子１３が短縮したら、固定用圧電素子１４の電
圧を止めて探針１を固定する。この一連の動作で移動す
る探針１の量は、粗動用圧電素子１３の伸びの長さ分で
あり、例えば市販の積層型圧電素子を用いた場合、５０
Ｖの印加電圧で３μｍの伸長量である。この伸長量は電
圧印加値を調整することにより変えることができる。そ
してこの一連の動作を繰り返すことによって任意の距離
だけ探針１を試料１０方向へ粗動することができる。ま
た逆の動作により逆方向へ移動することができる。この
ようにして所定位置に探針１を試料２に対して位置決め
した後、試料用圧電素子１８により試料１０を微動させ
て探針１で試料１０を走査することにより観察が行なわ
れる。

観察が終了したら、上述の逆方向の粗動により探針１を
試料１０から少し離してから固定用圧電素子１４．１５
に電圧を印加し、探針１の固定を解除する。モして探針
１を取りはずす。

第９図および第１０図は本発明の第５の実施例を示す斜
視図および断面図であり、自動探針交換機構を備えた場
合の例を示している。同図において、５１ａは探針ホル
ダ、１ａ〜１ｄは探針であり、探針１ａ〜１ｄはばね力
を利用した探針押え５２ａで探針ホルダ５１ａに軽く保
持され装着される。探針ホルダ５１ａは回転駆動人力部
５９および軸受６０を介して基台１９に取り付けられ回
転駆動入力部５９に不図示の回転機構により回転力を付
与することにより回転するようになっている。探針ホル
ダ５１ａ下部の基台１９側には前述の粗動機構が組み込
まれている。図では探針１ａが試料１０に対して接近し
ている状態を示している。

粗動用圧電素子１３、固定用圧電素子１４゜１５、固定
部１６、従動部１７の動作は前記実施例と同様である。

ただし、圧電素子１４．１５に対し探針を挟んだ反対側
の探針ホルダ５１ａには可動片５５．５８を有し、この
可動片は探針軸方向へ自由に動くようになっており、中
立位置に弾性力で戻るようになっている。５７は固定部
１６が取り付けられている上下移動板、５８は上下移動
板５７を図中矢印Ｃで示す上下方向へ駆動して高精度に
位置決めを行なう上下移動板駆動装置である。探針ホル
ダ５１ａの静止位置においては、開口部５３．５４に固
定用圧電素子１４．１５が入り込む位置関係にあり、探
針ホルダ５１ａのこのような位置決めは不図示の位置決
めセンサにより制御される。

次に、探針交換の手順を説明する。まず、試料１０に接
近している探針１ａを粗動用および固定用圧電素子１３
，１４．１５を駆動することにより引込める。次に上下
移動板５７を下げることにより圧電素子を下げ（この時
、探針は可動片５５．５６と探針押え５２により３ケ所
で探針ホルダ５１ａに保持されている）開口部５３．５
４から圧電素子１４．１５を逃し、そして探針ホルダ５
１ａを回転させて探針１ｂが開口部５３゜５４の位置に
来たら止める。そして上下移動板５７を上げることによ
り圧電素子１４．１５で探針１ｂを押さえ込む。その後
、圧電素子１３〜１５を駆動して探針１ｂを試料１０に
接近させ、これにより探針の交換が終了する。各探針は
探針ホルダ５１ａに弾性力で押さえられているので簡単
に抜き差しができる。なお、探針ホルダ５１ａに取付け
られる本数は４本に限られるものではなく、構成上可能
ならば何本でも良い。また探針ホルダ５１ａを交換可能
としても良い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば探針などの微小検
出部を素子等を用いた尺取虫の動きをさせる機構により
、探針などの微小検出部をそれのみの移動によりて被験
物に対し位置決めするようにしたため、姿勢差が無くな
り、探針光の位置制御精度が向上する。しかも、小型で
、探針の自動交換機能なども備えた操作性の良いＳＴＭ
を提供することができる。

また、中空円筒状圧電素子の両端に第１および第２の固
定手段を設けるようにしたため、小型で簡単な構成によ
り、検出部の２軸方向の比較的粗い精度での移送及び固
定ならびにｘ、ｙ、ｚ軸方向の三次元微細位置出しを容
易に行なうことができる。しかも、従来の制御系を利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例に係る走査型トンネル
顕微鏡の断面図、 第２図および第３図は、第１図の装置で用いられる圧電
素子＠動機構の断面図及び探針先端側から見た側面図、 第４図は、第２図の圧電素子微動機構を組み立てた状態
を示す斜視図、 第５図は、本発明の第２の実施例に係る走査型トンネル
電子顕微鏡の断面図、 第６図および第７図は、本発明の第３の実施例に係る圧
電素子微動機構の断面図および探針先端から見た側面図
、 第８図（ａ）および（ｂ）は、本発明の第４の実施例に
係る探針位置決機構の側面図および斜視図、 第９図および第１０図は、本発明の第５の実施例に係る
探針交換位置決機構の斜視図および断面図、そして 第１１〜１３図は、それぞれ従来例に係る探針位置決（
粗動）機構の断面図、斜視図および側面図である。 １：探針、 ２：中空円筒状圧電素子、 ３：固定用圧電素子、 ４：移動保持用圧電素子、 ６：支持部材、 ７：本体、 ９：足、 １０：試料、 １１：ステージ ２１：内部電極、 ２２二Ｚ用電極、 ２３：Ｘ（＋）用電極、 ２４：ｘＣ−）用電極、 ２５：ｙ（＋）用電極、 ２６：ｙ（−）用電極、 ３２：固定用電極、 ４２：移動用電極、 ３１．４１：探針接触部、 ５：ハウジング、 ５０：Ｖ型溝、 １３：粗動用圧電素子、 １４．１５＋固定用圧電素子、 １６；固定部、 １７：従動部、 １９：基台、 ５０：Ｖ型溝、 ５１ａ：探針ホルダ、 ５２ａ：探針押え、 ５３．５４：開口部、 ５５．５６：可動片、 ５７：上下移動板。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）中空円筒状の圧電素子、およびこの両端部に対し
   検出部を固定して保持する検出部保持手段を備え、中空
   円筒状圧電素子に電圧を印加して検出部を微動させる圧
   電素子微動機構において、検出部保持手段は検出部を中
   空円筒状圧電素子の一端部に対し固定および開放する第
   １の固定手段、ならびにこれとは独立に検出部を中空円
   筒状圧電素子の他端部に対し固定および開放する第２の
   固定手段を備え、中空円筒状圧電素子、第１の固定手段
   、および第２の固定手段を所定の手順で駆動することに
   より検出部を順次繰り出して位置決めすることを特徴と
   する圧電素子微動機構。
2. （２）前記第１および第２の固定手段は固定用の圧電素
   子を有する請求項１記載の圧電素子微動機構。
3. （３）前記固定用の圧電素子は積層型である請求項２記
   載の圧電素子微動機構。
4. （４）前記固定用の圧電素子は前記中空円筒状圧電素子
   の一部である請求項２記載の圧電素子微動機構。
5. （５）固定部、従動部、従動部を固定部に対し変位させ
   る変位手段、検出部を固定部に対して固定および開放す
   る第１の固定手段、ならびに検出部を従動部に対して固
   定および開放する第２の固定手段を備え、変位手段、第
   １の固定手段および第２の固定手段を所定の手順で動作
   させることにより、検出部を固定部に対して順次移動さ
   せ位置決めすることを特徴とする位置決め機構。
6. （６）前記検出部は走査型トンネル顕微鏡またはこれを
   応用した装置の探針である請求項５記載の位置決め機構
   。
7. （７）前記変位手段は伸縮により電気エネルギーを機械
   的エネルギーに変換する素子を利用したものである請求
   項６記載の位置決め機構。
8. （８）前記素子は圧電素子である請求項７記載の位置決
   め機構。
9. （９）前記圧電素子は積層型である請求項８記載の位置
   決め機構。
10. （１０）前記検出部が直進移動するように案内する手段
    を備えた請求項６記載の位置決め機構。
11. （１１）前記探針を複数保持するとともに前記第１およ
    び第２の固定手段との間で探針を授受する手段を備えた
    請求項６記載の位置決め装置。
12. （１２）請求項１記載の圧電素子微動機構を備え、これ
    によって検出部を被検物に対して位置決めし、および被
    検物を検出部で走査することを特徴とする走査型トンネ
    ル電子顕微鏡。
13. （１３）前記圧電素子微動機構を被検物上で保持しつつ
    走行することにより前記圧電素子微動機構を被験物に対
    して位置決めする微動機構位置決手段を備えた請求項１
    ２記載の走査型トンネル電子顕微鏡。
14. （１４）前記微動機構位置決手段の被検物に対する接触
    部が被検物に対しバイアス電圧を印加するための電極を
    兼ねている請求項１３記載の走査型トンネル電子顕微鏡
    。
15. （１５）前記微動機構位置決手段の被検物に対する接触
    部は３ヶ所である請求項１３記載の走査型トンネル電子
    顕微鏡。
16. （１６）被験物を保持もしくは載置して移動させること
    により前記圧電素子微動機構に対して被験物を位置決め
    する微動機構位置決手段を備えた請求項１２記載の走査
    型トンネル電子顕微鏡。
17. （１７）請求項１２記載の走査型トンネル電子顕微鏡を
    応用した装置。