JPH03235005A

JPH03235005A - 走査型トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JPH03235005A
Application number: JP3121190A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kajimura; 梶村　宏
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1991-10-21

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、試料の微細表面形状を原子レベルの分解能
で観察可能な走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：　Ｓ　
Ｔ　Ｍ　）に係り、詳しくはシリコンウェハーなどの基
板上にＩＣプロセスにより形成される、マイクロ走査型
トンネル顕微鏡に関する。

Ｅ従来の技術］近年、ＩＢＭのピニッヒ等により導電体試料の微細表面
形状を、原子レベルの分解能で観察可能である走査型ト
ンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略称）が開発されている。

一般に、曲率半径が数１１００ｎ程の鋭い先端を持つ探
針を、導電性の試料の表面にｌｎｍ程度まで接近させ、
これら探針と試料との間に所定の電圧を印加すると、両
者の間にトンネル電流が流れることが知られている。こ
のトンネル電流は、試料と探針との間の間隔距離の変化
に敏感に反応し、例えば原子１コ分程の間隔距離の変化
に対して、トンネル電流は一桁以上変化する。トンネル
電流のこの性質を利用して試料の表面を観察するように
したのが、いわゆるＳＴＭである。すなわち、探針を３
次元方向に移動可能な３次元駆動体に取り付け、トンネ
ル電流が一定となるように、探針を試料表面（ＸＹ平面
）に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）にサーボ制御しなが
ら、この試料表面上をＸＹ力方向２次元走査すると、上
記探針は一定の間隔距離を保って試料表面の凹凸をトレ
ースすることになる。この時の探針のＺ軸方向のサーボ
制御量をＸＹ力方向走査信号と同期させて取り込み、探
針先端の位置を３次元画像として出力することにより、
試料の原子レベルでの微細表面形状を画像として観察す
ることができるものである。

なお、試料の観察表面が原子レベルでフラｙ）な場合に
は、特に前述したＺ方向のサーボ制御を行わずに、単に
探針をＸＹ力方向２次元走査した時に検出されたトンネ
ル電流を画像化する手段もある。

ところで、従来、ＳＴＭで試料表面上の微小領域を観察
する場合、まず試料を光学顕微鏡で観察して必要な観察
部位を特定し、次にその部分をＳＴＭで詳細に観察する
という方法が取られていた。

しかしながら、光学顕微鏡において一般的に使用頻度の
高い５０〜１００倍の対物光学系を用いた場合、作動距
離すなわち試料表面と対物レンズとの距離は数ｍｍ（最
大５ｍｍ程度）に設定されるのが普通であり、従来のト
ライボッド型やチューブスキャナー型の３次元駆動体を
用いたＳＴＭは、大型であるため、この作動距離内に挿
入することは不可能であり、その都度、光学顕微鏡の対
物レンズとＳＴＭの探針ユニットとを、差し替えて観察
することになり、観察位置にズレが生じたり、操作が繁
雑になるという問題があった。

一方、従来のＳＴＭにおけるもう１つの問題点として試
料−探針間の相対振動の問題があった。

一般に、近くに振動源がない様な場所でも１００Ｈｚ以
下の周波数成分を主体とする振幅１μｍ程度の床振動が
観測される。この床振動は、ＳＴＭの試料−探針間の相
対振動を引き起こし、得られるＳＴＭ像にノイズとなっ
て現われてしまう。

よく知られるように、防振系を柔らかく、装置の剛性を
高くすることが除振性能を高めることになるので、ＳＴ
Ｍにおいては、除振台の共振周波数をできるだけ低く　
Ｌ、ＳＴＭユニットのそれをできるだけ高く（通常数１
０ＫＨ２）することが必要となってくる。

しかし、従来のトライボッド型、またはチューブスキャ
ナー型などの３次元駆動体を用いたＳＴＭでは、探針を
走査する探針走査系と、試料を支持する試料支持系は、
一般に、それぞれほぼ独立したユニットとして構成され
ているため、装置の剛性を低下させることとなり、この
２つの系が数１００Ｈｚの共振振動系を構成することは
否めず、共振が起こり易い状態となってしまっていた。

すなわち、上述したようにＳＴＭ像にノイズが発生し、
原子レベルの高分解能な画像を得ることが困難になると
いう問題があった。

ところで、上述した２つの問題点を解決するものとして
、スタンフォード大学のＣ，Ｆ、　クェート等は、ＩＣ
プロセスと類似なマイクロッアプリケーション技術を用
い、１０００μｍＸ２００μｍＸ５μｍサイズのカンチ
レバータイプのＳＴＭ（以下マイクロＳＴＭという）を
シリコン基板上に構成することに成功している。

第１３図はこのマイクロＳＴＭの構成を概略的に示す斜
視図である。カンチレバー９０は、Ａｌ電極９１を挟ん
で設けた圧電体（ＺｎＯ）９２．９３と、この圧電体の
上下面に、カンチレバー９０の長手方向に対して並列に
設けられた短冊状のＡＩ電極９４．９５．９６．９７と
から構成されており、その基端部はシリコン基板に固定
されている。また、カンチレバー９０の先端中央部には
、探針９８が立設されており、図示されない配線を介し
て図示されないトンネル電流検出回路に接続されている
。

このような構成において、試料を観察する場合、まずマ
イクロＳＴＭのシリコン基板面を試料表面に圧着固定し
、次に上述したカンチレバー９０によって探針を走査し
、トンネル電流を検出することになる。

ここで、スタンフォード大学のマイクロＳＴＭノ、探針
の〜走査原理について述べておく。

今、圧電体９２は電極９４と電極９１に電圧を加えると
、電極９４から電極９１に向けて電界Ｅ４を生じ、圧電
体９２の電極９４と電極９１に挟まれた部分は、図に示
す座標系のＸ軸圧方向に伸びる性質を持っている。他の
電極についても同様なことが言えるので、図示する電界
ベクトルＥｌ。

Ｅ２．Ｅ３．Ｅ４の強さと、探針９８の走査方向の関係
は次のようになる。

Ｘ：正方向　　Ｅ１＝Ｅ２＝Ｅ３＝Ｅ４＞０負方向　　
Ｅｌ＝Ｅ２＝Ｅ３＝Ｅ４＜ＯＹ：正方向　　Ｅｌ＝Ｅ２
＜Ｅ３＝Ｅ４負方同　　Ｅｌ＝Ｅ２＞Ｅ３＝Ｅ４Ｚ・正方向　　Ｅ１＝Ｅ３＞Ｅ２＝Ｅ４負方向　　Ｅｌ
＝Ｅ３＜Ｅ２＝Ｅ４すなわち、Ｘ方向についてはカンチレバー９０全体を伸
縮させることにより、ＹおよびＺ方向については、一方
の圧電体を伸ばし他方の圧電体を縮め全体に反りを生ぜ
しめることによって、探針の３次元的な駆動が成されて
いることになる。なお、この結果、上記カンチレバー９
０は、Ｘ方向に２．２ｎｍ、／Ｖ、Ｙ方向に２２ｎｍｙ
′Ｖ、Ｚ方向に７７０ｎｍ／Ｖの変位を生じており、こ
のように電極に加える電圧を調整することによってカン
チレバー９０の先端にある探針９８を３次元走査するこ
とになる。

このようなカンチレバータイプのマイクロＳＴＭならば
、光学顕微鏡の作動距離内に挿入することが可能であり
、光学顕微鏡で試料表面の広範囲を観察して観察部位を
特定した後、対物レンズと探針ユニットとを差し替える
ことなく、そのままＳＴＭでその観察部位を詳細に観察
することができる。また、このマイクロＳＴＭではカン
チレバーを試料表面に圧着支持するため、実質上、探針
と試料とを一体化することができる。すなわちこの両者
間の共振周波数は、カンチレバー自体の共振周波数のみ
に依存することとなり、数１０〜１００ＫＨｚと高めら
れる。したがって、結果的に剛性の高いＳＴＭ装置が構
成されたことになり、振動の影響がなく、ノイズのない
ＳＴＭ像が得られるのである。

口発明が解決しようとする課題］しかしながら、上述したスタンフォード大学のマイクロ
ＳＴＭでは、例えば第１３図において、探針をＹ軸方向
に移動しようとした場合、探針のＹ変位が大きくなれば
なる程、探針は円弧状に湾曲して走査されることになる
。したがってこの゛円弧状の部分で得られた凹凸信号を
そのまま出力すると、得られる画像は、実際の試料表面
に比べ歪んだものとなってしまう。つまり、探針をほぼ
直線的に走査することが可能なのは、カンチレバーのＹ
変位およびＺ変位がゼロに近い部分だけとなり、有効走
査範囲が著しく狭いという問題があつさらに、上述した
ようにＸ、Ｙ、Ｚの３方向について、同じ駆動電圧に対
するカンチレバーの変位にばらつきがあるため、例えば
同じたけ変位させようとした場合でも、Ｘ方向に変位さ
せる場合には、Ｙ方向に変位させる時よりも大きな駆動
電圧が必要となり、回路構成が複雑になるという問題が
あった。また仮に同電圧で駆動したとすると、Ｙ軸方向
に比べ、Ｘ軸方向の変位！が少なく、探針の走査面が細
長くなってしまい、得られるＳＴＭ像も細長いものとな
り、観察しやすいほぼ正方形に近いＳＴＭ像を得るには
、複数回の走査が必要になるという問題も生じていた。

したがってこの発明は、試料の実際の微細表面形状に忠
実であり、かつ、走査面積が広く、はぼ正方形な広範囲
のＳＴＭ像が得られるマイクロ走査型トンネル顕微鏡を
提供することを目的とする。

二課題を解決するための手段および作用コ上述した目的
を達成するためこの発明は、試料と探針の間に流れるト
ンネル電流を利用して、試料の微細表面形状を観察する
走査型トンネル顕微鏡において、試料表面上に直接的に
載置される第１基板と、多数の所定の間隔で２次元に配
列され、先端が同一平面内に揃えられた探針群が立設さ
れている第２基板と、前記第１基板より延在して他端上
で第２基板を保持し、かつ複数の圧電体を備え、前記探
針群を前記同一平面に沿って平行移動すると共に、前記
同一平面を試料表面と所定の距離に維持するように構成
された、少なくとも２本の等しい長さで、平行に配置さ
れた平行カンチレバーとを有する走査型トンネル顕微鏡
を構成した。

すなわち、シリコンウニバーを基板とする数ｍｍ角の枠
体の中に、圧電駆動体を組み込んだ２本の平行カンチレ
バーを構成し、さらにこの平行カンチレバーの先端部に
、複数の探針を所定のピッチで二次元に配置し、上記圧
電駆動体の制御により複数の探針を走査するマイクロＳ
ＴＭを構成した。

このような構成によれば、スタンフォード大学のマイク
ロＳＴＭ同様、光学顕微鏡の作動距離内に挿入可能であ
り、また探針−試料間の相対振動の問題も生じない。

加えて、この発明のマイクロＳＴＭでは、複数の探針を
平行カンチレバーで走査するようにしたので、前述した
第１３図のＳＴＭの様に、探針が円弧状に走査されるこ
となく、直線的に走査される。

また、このカンチレバーにより、探針のＸＳＹ。

Ｚの３方同への有効走査範囲が拡大され、しかも、同じ
駆動電圧に対するｘ、ｙ、ｚの変位にかたよりが生じな
い。

［実施例コ以下、この発明の第１の実施例を第１図〜第９図を参照
して説明する。

第１図は、模式的に示されたこの実施例のマイクＯＳ　
Ｔ　Ｍの上面図、また第２図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ
）　、（ｄ）は、第１図の破線Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ
における断面図である。

図中１は、鏡面処理されたシリコン基板によって構成さ
れた１１ｍｍｘ６ｍｍ角の枠状のＳＴＭチップ基体であ
る。このＳＴＭチップ基体１の内部には、ＰＺＴなどか
らなる圧電体基板に、エツチングなどの加工により、第
１のコ字状の切抜き７ａと、この第１の切抜きより小さ
い第２のコ字状の切抜き７ｂと、この第２の切抜きより
小さい第３の略コ字状の切抜き７ｃとが、それぞれの開
放端が向かい合う同きに、順次重ね合わせて形成された
ものが配置されている。すなわち、これらの切抜きによ
って、第１の平行カンチレバー２ａ・２ｂ、第２の平行
カンチレバー３ａ・３ｂ、探針カンチレバー４、第１の
中間基板５、および第２の中間基板６が形成されている
のである。

まず、第１の平行カンチレバー２ａおよび２ｂについて
第１図、第２図（Ａ）、および第３図（Ａ）、（Ｂ）を
用いて説明する。

カンチレバー２ａおよび２ｂは、ＳＴＭチップ基体１の
枠内の一辺より延在し、先端部にヒンジ部８　ａ　ｓ　
８　ｂを介して中間基板５を支持している。

第２図（ａ）に示すように、カンチレバー２ａの、ＳＴ
Ｍチップ基体１に近い部分では、圧電体２０の中央部に
電極２７ａが挟持されており、さらに圧電体２０の前記
電極２７ａと対向する上下面には、カンチレバー２ａの
長手方向に対して直列に、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２
６ａの４つの電極が上下２コづつ配置されている。この
４つの電極は、図示されない配線で制御回路１００に接
続され、電極２７ａを共通電極として、圧電体２０に選
択的に電圧を印加できるよう構成されており、電極２３
ａ、２５ａ、２７ａで圧電バイモルフｌｌａを、電極２
４ａ、２６ａ、２７ａで圧電バイモルフ１２ａを構成し
ている。

また、第３図（Ａ）は、このカンチレバー２ａの、中間
基板５に近い部分を拡大した斜視図であり、第３図（Ｂ
）は、第３図（Ａ）の破線Ｓｅにおける断面図である。

図中２１ａおよび２２ａは、それぞれ圧電体２０の上下
面に、カンチレバーの長手方向に対して並列に配置され
た短冊状の電極で、図示されない配線によりシリコン基
板上に設けられた制御回路１００に接続され、圧電体２
０に選択的に電圧を印加できるよう構成されており、第
３図（Ｂ）に示すように圧電駆動体１３ａｓ１４ａを構
成している。また、カンチレバー２ａと中間基板５をつ
なぐヒンジ部８ａには、半円状の切欠きが設けられてお
り、カンチレバー２ａの第１図に示した座標系のＸ方向
の変位を、拡大するよう構成されている。

なお、カンチレバー２ｂについては、カンチレバー２ａ
と同様な電極配置であるので詳しい説明は省略する。

次に、第２の平行カンチレバー３ａおよび３ｂについて
第１図および第２図（Ｂ）を用いて説明する。

カンチレバー３ａおよび３ｂは、前述した第１の中間基
板５より延在し、先端部に第２の中間基板６を支持して
いる。第２図（！３）において、３１ａ、３２ａは、平
行カンチレバー３ａの圧電体２０の上下面に設けられた
電極であり、図示されない配線により制御回路１００に
接続され、圧電体２０に選択的に電圧を印加できるよう
構成されており、圧電駆動体１５ａを構成している。一
方、カンチレバー３ｂの方には、カンチレバー３ａと同
様に圧電体２０を挟んで電極３１ｂ、３２ｂが配置され
、圧電駆動体１５ｂが構成されている。

次に探針カンチレバー４について第１図および第２図（
Ｃ）を用いて説明する。

探針カンチレバー４は、第２の中間基板６より延在し、
先端中央部には９ミクロンオーダー、サブミクロンオー
ダーの寸法で２次元格子状に配列された導電性の探針１
００−Ｘ　（１００−１，１００−２，１００−３゜−
１００−ａ、１００−ｂ、１００−ｃ、１００−ｄ　）
　（Ｘ−１，２，３，・−・以下探針群１０００という
）が形成されている。また、第２図（Ｃ）において、４
１．４２は、探針カンチレバー４の圧電体２０の上下面
に設けられた電極であり、図示されない配線により制御
回路１００に接続され、圧電体２０に選択的に電圧を印
加できるよう構成されており、圧電駆動体１６を形成し
ている。

上述した探針群１０００には、スタンフォード大で開発
された半導体プロセスによる探針群の形成方法を用いて
、探針カンチレバー４の先端部の０゜１ｍｍＸｏ、１ｍ
ｍの領域内に、２μｍピッチで５０Ｘ５０＝２５Ｘ１０
２本の探針が配置されている。

探針群１０００の各々の探針は、図示されない導体配線
で、あるいは必要に応じて後述する信号処理のためグル
ープ化され、探針カンチレバー４の近傍に設けられた増
幅回路３００と接続されている。

さらに増幅回路３００は、ＳＴＭチップ基体１の基板上
に設けられた入出力回路５００と多層配線で接続される
か、または光等により、入出力回路２００．４００と交
信するように構成されており、探針からの信号を伝達す
る。また、３７Ｍチップ１の上表面には、複数個の凹部
を盛った接点ランド４５が形成され９図示されない配線
で上記の各回路１００，２００，３００，４００，５０
０等の入出力端子と接続されており、外部との信号の入
出力に用いられる。

なお、以上説明した電極、圧電体、探針、配線、各回路
等は、マスクワークを用いた蒸着、エツチングなどの半
導体プロセスにより、適宜のステップに分けて形成され
ている。

次に、上述した圧電駆動体１１〜１６の駆動回路につい
て説明する。

まず、探針のＸ方向の圧電駆動体である圧電駆動体１３
．１４の駆動回路１０１について第４図を用いて説明す
る。

制御回路１００内で発生した駆動信号ＶＯＩは、２コの
電圧増幅器１０２．１０３に入力される。

電圧増幅器１０２．１０３には、２〜３０Ｖの正負の電
圧＋ＶＢ、−Ｖが給電されており、出力端子１０４．お
よび１０５からは逆相出力となる電圧ＶｌｌとＶ１２が
出力されるよう構成されている。

圧電駆動体１３の電極２１には出力端子１０４が、電極
２２には出力端子１０５が接続され、それぞれＶｌｌ　
、Ｖ１２が印加されるよう構成されている。

また、圧電駆動体１４の電極２１には出力端子１０５が
、電極２２には出力端子１０４が接続され、それぞれＶ
１２　、Ｖｌｌが印加されるよう構成されている。

圧電駆動体１３．１４の駆動信号ＶＯＩを第５図（Ａ）
に示す。図示したように、この信号は、一定周期を毎に
＋Ｖ、−Ｖ、÷■と、連続的に電圧が変化する信号であ
る。この駆動信号ＶＯＩが上記した駆動回路１０１に入
力されると、電圧増幅器１０２．１０３からは、互いに
逆相であり、一定周期を毎に連続的に電圧が変化する信
号ＶｌｌおよびＶ１２が出力され、それぞれ圧電駆動体
１３．１４に入力される。これによって圧電駆動体１３
．１４は交互に伸縮を繰り返す動作を行う。この動作に
よってカンチレバー２ａ１２ｂが左右（Ｘ軸方向）に移
動されることとなり、探針のＸ方向の走査が行なわれる
のである。

次に、Ｘ方向の圧電駆動体である圧電駆動体１５ａ、１
５ｂおよび１６の電圧増幅器と電極との結線関係を説明
する。

圧電駆動体１５ａ、１５ｂおよび１６の電圧増幅器と電
極との結線関係は、第４図の圧電駆動体１３を圧電駆動
体１５ａ、１５ｂで置き換え、圧電駆動体１４を圧電駆
動体１６で置き換えたものに等しい。すなわち、圧電駆
動体１５ａおよび１５ｂにはまったく同じ駆動信号が与
えられ、また圧電駆動体１６には、これと逆相の駆動信
号が与えられることになる。ただし、この場合の駆動信
号は、前記ＶＯＩではなく、第５図（Ｂ）に示す駆動信
号ＶＯ２である。

圧電駆動体１５ａ、１５ｂおよび１６の駆動信号ＶＯ２
について説明する。第５図（Ｂ）に示したようにこの信
号は、周期を毎に一定値だけ電圧を増す信号である。こ
の駆動信号ＶＯ２が前述した駆動回路１０１に入力され
ると、電圧増幅器１０２．１０３からは、今度は、互い
に逆相であり、一定周期を毎に一定値たけ電圧を増す信
号Ｖ２１およびＶ２２が出力され、それぞれ圧電駆動体
１５ａ、１５ｂおよび１６に入力される。これによって
圧電駆動体１５ａ、１５ｂおよび１６は、一方が一定周
期を毎に一定量だけ伸び、もう一方が一定周期を毎に一
定量だけ縮むという動作を行う。この動作は、カンチレ
バー３ａ、３ｂおよび探針カンチレバー４の基端と先端
が、互い違いに配置されているために行なわれるもので
あり、この動作によってカンチレバー３ａ、３ｂおよび
探針カンチレバー４は、探針をＸ方向に沿って、互いに
同方向に走査することになる。

次に、探針のＺ方向の圧電駆動体である圧電バイモルフ
１１．１２の駆動回路について第６図および第７図を用
いて説明する。

第６図は探針カンチレバー４の探針群１０００を含む先
端部分の拡大図である。第６図に示した探針群１０００
の四隅の探針１００−ａ、１００−ｂ、１００−ｃ、１
００−ｄの内、探針１００−ａ　（または探針１ｏｏ−
ａ　）は、圧電バイモルフ１１を駆動するためのトンネ
ル電流探針である。第７図（Ａ）に圧電バイモルフ１１
の駆動回路を示す。同図において、探針１００−ａ　（
または探針１００−ｄ　）で拾われたトンネル電流は、
トンネル電流検出回路１１１を介してサーボ回路１１２
に入力される。サーボ回路１１２の出力電圧ｖ０３は、
電極２３．２５に、それぞれ正負逆の電圧＋Ｖ１ｇ　、
−Ｖ１３が印加されるように、電極２３には増幅器１１
０を介して、電極２５にはインバータ１０９および別の
増幅器１１０を介して印加されるよう構成されている。

一方、第６図に示す探針１００−ｂ　（または探針１０
０−Ｃ）は、圧電バイモルフ１２を駆動するためのトン
ネル電流探針である。第７図（Ｂ）に圧電バイモルフ１
２の駆動回路を示す。同図において、探針１００−ｂ　
（または探針１０ｏ−ｃ　）で拾われたトンネル電流は
、トンネル電流検出回路１１３を介してサーボ回路１１
４に入力される。サーボ回路１１４の出力電圧ＶＯ４は
、電極２４．２６に、それぞれ正負逆の電圧−Ｖ１４　
、；Ｖ１４が印加されるように、電極２６には増幅器１
１０を介して、電極２４にはインバータ１０９および別
の増幅器１１０を介して印加されるよう構成されている
。

次に、以上のような構成のマイクロＳＴＭにおける探針
群１０００と試料５０との接近動作について第７図を用
いて説明する。

この発明のマイクロＳＴＭ装置では、電源が投入される
前は、探針群１０００と試料５０は、所定の間隔で離間
しており、どの探針にもトンネル電流は流れていない。

電源投入後、制御回路１００は圧電バイモルフ１２の電
極２４．２６の各々と共通電極２７の間に所定の電位差
が生じるように電圧を加えていく。第７図（Ｃ）に示す
ように、この時の圧電体２０の上層の伸縮量ＸＳ２およ
び下層の伸縮量ＸＢ２は、ＸＳ２＞ＸＢ２となり下層が
上層に比べ短くなるので、カンチレバー２は下方へ湾曲
する。これにともなって探針群１０００の先端部は下降
し、先端に近い探針１００−ａ　（または１ｏｏ−ａ　
）が最初にトンネル領域に近ず（。

探針１００−ａ　（または１００−ｄ　）にトンネル電
流が検出されるようになると、第７図（Ａ）において検
出回路１１１は、サーボ回路１１２を作動させ、コノ探
針１００−ａ　（または１００−ｄ　）　ノミ流がｌ０
Ｉ（一定値）に維持されるように、増幅器１１０がら圧
電駆動体１１に対してＶ１３または−Ｖ１３を適宜出力
する。

一方、圧電駆動体１２の電極２４．２６には、正負の電
圧−Ｖ１４　、＋Ｖ１４が印加され、圧電駆動体１１に
作用したのとは逆に上層の伸縮Ｘｓ１と下層の伸縮ＸＢ
Ｉは、第７図（Ｃ）に示すようにＸｓｌ＜ＸＢＩとなり
、下層が上層に比べ長（なるのでカンチレバー２は上方
へ湾曲する。これにともなって探針群１０００の後端部
も下降し、後端に近い探針１００−ｂ　（または１００
−ｃ　”）もトンネル領域に近ずく。

探針１００−ｂ　（または１００−ｃ　）にトンネル電
流が検出されるようになると、第７図（Ｂ）において検
出回路１１３は、サーボ回路１１４を作動させ、この探
針１００−ｂ　（、または１００−Ｃ）の電流がｌ０２
（一定値）に維持されるように、増幅器１１０から圧電
駆動体１２に対してｖ１４または−Ｖ１４を適宜出力す
る。

探針１００−ａ　（または１００−ｄ　）のトンネル電
流工０１および探針１００−ｂ　（または１ａｎ−ｃ　
）のトンネル電流Ｉ０２を維持しながら、上述のように
圧電駆動体１１．１２を駆動して行くと、圧電駆動体１
１は、第７図（Ｃ）の矢印ｐＨの方向に、また圧電駆動
体１２は矢印Ｐ１２の方向に変形し、探針１００−ａ〜
１［］０罰のトンネル電流が一定となるような距離にな
ると、サーボ回路１１２．１１４が解除されその状態に
保持される。

すなわち、この状態において、探針１００−ａ　−１０
０−ｄはトンネル電流領域内で、かつ試料表面と所定の
間隔を保ちつつ対向することとなり、探針群１０００の
走査面が試料表面と完全に平行になったことになる。し
たがって、他の各探針１００−ｘ（ｘ”１．２゜３、、
、、、、）は、対向する試料の凹凸の状態に従って、検
出回路３００によりトンネル電流を検出することが可能
になる。

なお、この場合、探針の数が多く、時分割にて各探針よ
りの信号を処理するには、第９図に示すように探針を適
宜グループ化し、制御回路１００によってゲート選択、
デイマルチプレックス選択しながらトンネル電流値を読
み取ってもよい。

また、前述したように、サーボ回路１１２．１１４によ
って探針１０１）−ａ−１００−ｄのサーボ動作を行う
場合、サーボ回路にローパスフィルターを付加し、探針
群が試料表面に対して平行になった後も、サーボ回路１
１２．１１４のサーボ動作を解除せず、このローパスフ
ィルターを介してサーボ動作を行ないながら探針を走査
するようにすれば、観察中に外乱が生じた場合などに、
探針と試料の接触を防ぎ、再び試料表面と探針群とを平
行にすることができる。

次に、探針群１０００のＳＴＭ走査について説明する。

上述のように探針群１０００と試料５０とが平行になっ
た状態で、トンネル電流探針、圧電駆動体、制御回路、
トンネル電流検出回路など、各電子回路に電源電圧が投
入されると、制御回路１００より出力される駆動信号Ｖ
ＯＩ　（第５図（Ａ）参照）により、平行カンチレバー
２ａ、２ｂの圧電駆動体の電極２１．２２に極性の異な
る電圧Ｖ１１．Ｖ１２が交互に印加される。すると、一
対の圧電駆動体１３．１４は交互に伸縮し、第１０図（
Ａ）に示すようにカンチレバー２ａ、２ｂ（２ｂ不図示
）全体を左右に湾曲させ、探針群１０００をＸ方向に変
位（△Ｘ）させる。すなわち、カンチレバー２ａ。

２ｂは、カンチレバー３ａ、３ｂより探針に近い部分全
体を、カンチレバー２ａ、２ｂの先端の振幅分だけ左右
に平行移動することになるのである。

また、第１０図（Ｂ）に示すように、カンチレバー３ａ
、３ｂを伸縮する圧電駆動体１５ａ、１５ｂ（１５ｂ不
図示）および探針カンチレバー４の圧電駆動体１６は、
制御回路１００より出力される駆動信号ｖ０２（第５図
（Ｂ）参照）により、平行カンチレバー３ａ、３ｂおよ
び探針カンチレバー４を、カンチレバー２ａ、　２ｂに
よる左右の一走査毎に一定量伸長（または収縮）して、
探針群１０００をＸ方向に変位させる。この変位は、第
４図の回路のように伸縮の位相が逆相であるので、探針
群１０００のＸ方向移動長は両者の伸縮量の和（△ｙ＝
△ｙ１↑△ｙ２）となり、大きな移動長が得られること
になる。

このようにして、探針カンチレバー４上に２次元に配列
された探針群１０００の探針１００−ｘの各々は、試料
の観察面を２次元走査することになる。

なお、探針群１０００内の探針１００−ｘ　（１００−
１，１００−２，１００−３，、、、）は、それぞれ決
められた位置のトンネル電流を取り込み、これを増幅回
路２００に伝達するよう構成されている。

ここで増幅回路２００について簡単に説明する。

第８図に増幅回路２００を示す。抵抗を介して電圧Ｖが
印加された探針１００−ｘ　（１００−１，１００−２
，１００−３゜９１．）を、試料５０に接近させると、
増幅器２００−Ｘ（２００−１，２００−２，２００−
３，、、、）には、トンネル電流が検出される。図中、
Ｒｅｆ入力は、探針、回路の構造上のバラツキや、選択
制御のために必要に応じて用いられる端子である。

以上説明したように、この実施例のマイクロＳＴＭにお
いては、複数の探針群１０００を平行カンチレバー２ａ
、２ｂで走査するようにしたので、第１３図に示したマ
イクロＳＴＭの様に、探針が円弧状に走査されることも
なく、直線的な走査が可能であり、歪みのないＳＴＭ像
が得られる。

また、この平行カンチレバーにより、探針のＸ１Ｙ、Ｚ
の３方同への有効走査範囲が拡大でき、しかも、同じ駆
動電圧に対するｘ、ｙ、ｚの変位にかたよりがないため
、駆動電圧を増幅するなどの必要も無く、探針の走査制
御系が簡略化でき、かつ観察しやすいほぼ正方形なＳＴ
Ｍ像が得られる。

さらに各探針は、各々探針カンチレバー４の走査振幅で
決まる自己の走査領域を持ち、個々の振幅は２μｍであ
っても、全体ではほぼ探針群１０００の面積に等しい走
査領域を広範囲に観察することができる。

次に、この発明のマイクロＳＴＭの他の実施例について
述べる。

第１１図はこの発明の他の実施例を示す上面図である。

この実施例が第１図の実施例と異なる点は、第、１図の
平行カンチレバー２ａ、２ｂに相当するカンチレバー１
７ａ、１７ｂを、探針群１０００の直前に配置した点と
、第１図の平行カンチレバー３ａ、３ｂに相当するカン
チレバー１８ａ、１８ｂを、第１図のＳＴＭチップ基体
１とカンチレバー３ａ、３ｂとの間に、新たにもう一組
、追加した点であり、その他の部分は、前述した第１の
実施例と同様であるので詳しい説明は省略する。

この実施例のマイクロＳＴＭの圧電駆動体は、ＰＺＴな
どピエゾ係数の大きい基板から構成されており、ＳＴＭ
チップ基体１と、この実施例の平行カンチレバー１８ａ
、１８ｂとは、直接接合や、陽極接合、あるいは接着剤
などにより一体化されている。この様に構成することに
より、Ｙ方向の伸縮長をさらに伸ばし、かつ安定な駆動
体を構成することができる。

また、第１２図は、この発明のマイクロＳＴＭを、光学
顕微鏡の作動距離内に挿入するためのＳＴＭ挿入装置５
１の中央断面図である。光学顕微鏡において、ステージ
５６に置かれた試料５０は、予め対物レンズ５１で、Ｓ
ＴＭでの観察位置が特定される。アーム５４は、先端に
、ＳＴＭチ・ツブ１を挟持し、回転軸５７を軸として、
鏡筒支持部材５８に対し、紙面垂直方向に回動可能に構
成されている。

この様な構成において、アーム５４を回動させ、ＳＴＭ
チップ１が対物レンズ５１と試料５０の間に来たところ
で、図示されない機構でＳＴＭチップ１を開放する。こ
の状態で、鏡筒支持部材５８内に設けろれたプローバー
５３は、鏡筒支持部材５８より下降し、ＳＴＭチップ基
体１の表面に設けられた接点４５にコイルバネ式接触子
５２を当接し、所定の圧力でＳＴＭチップ基体１を試料
５０に圧着固定する。接触子５２は、図示されない接地
系、電源系または信号系に接続されており、ＳＴＭ装置
の信号処理や表示に用いられる。

「発明の効果コ以上説明したように、この発明によれば、試料の実際の
微細表面形状に忠実であり、かつ、走査面積が広く、広
範囲の画像領域が得られ、観察しやすいほぼ正方形なＳ
ＴＭ像が得られる走査型トンネル顕微鏡を構成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の実施例を示すマイク００　Ｓ　Ｔ　Ｍの上面図、第２図（Ａ）　、（Ｂ）　、
　（ｅ）　、（＋）は、第１図破線Ｓｌ、Ｓ２．Ｓ３．
Ｓ４、Ｓ５における断面図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は、
平行カンチレバーの斜視図、および断面図、第４図は、
平行カンチレバーの圧電駆動体の駆動回路図、第５図は
、探針群を走査する駆動信号を示すタイムチャート図、
第６図は、探針群１０００の拡大図、第７図チレバーの
走査変位を示す図、第８図は、トンネル電流の増幅回路
図、第９図は、探針群のグループ化処理を示す図、第１
１図は、この発明のマイクロＳＴＭの他の実施例を示す
図、第１２図は、マイクロＳＴＭを対物レンズと試料の
間に挿入する装置の図、第１３図は、スタンフォード大
学のカンチレバータイプのマイクロＳＴＭの斜視図であ
る。１・・・ＳＴＭチップ基体２ａ１２ｂ、３ａ、３　ｂ−・・平行カンチレバー４・
・・探針カンチレバー１０００・・・探針群５．６・・・中間基板

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料と探針の間に流れるトンネル電流を利用して
、試料の微細表面形状を観察する走査型トンネル顕微鏡
において、試料表面上に直接的に載置される第１基板と、多数の所
定の間隔で２次元に配列され、先端が同一平面内に揃え
られた探針群が立設されている第２基板と、前記第１基板より延在して他端上で第２基板を保持し、
かつ複数の圧電体を備え、前記探針群を前記同一平面に
沿って平行移動すると共に、前記同一平面を試料表面と
所定の距離に維持するように構成された、少なくとも２
本の等しい長さで、平行に配置された平行カンチレバー
とを有する走査型トンネル顕微鏡。
（２）前記平行カンチレバーは、複数組みのカンチレバ
ーからなり、前記同一平面内で平行カンチレバーと平行する方向に探
針群を移動する第１の圧電駆動体と、前記第１の平行カ
ンチレバーと独立に設けられ、前記同一平面内で平行カ
ンチレバーと直交する方向に探針群を移動する第２の圧
電駆動体と、前記第１、第２の平行カンチレバーと独立
に設けられ、前記同一平面に垂直方向に探針群を移動す
る第３の圧電駆動体とを具備したことを特徴とする請求
項１に記載の走査型トンネル顕微鏡。
（３）前記第１の圧電駆動体は、さらに複数の平行カン
チレバー上に各々設けられていることを特徴とする請求
項２に記載の走査型トンネル顕微鏡。