JPH032503A - 探触針ユニット及び探触針ユニットの製造方法 - 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、電子のトンネル現象を利用して試料の表面構
造を分析する走査型トンネル顕微鏡（以下、ｒＳＴＭＪ
と称する）、原子開力顕微鏡（以下、［Ａ　Ｆ　Ｍｌと
称する）等のアトミックプロブ顕微鏡に適用し得る探触
針ユニットに関する。

〔従来の技術〕

最近、表面観察装置として分解能が極めて高く、原子レ
ベルでの凹凸が測定可能で、さらに観察表面の電子状態
までも測定できるＳＴＭ、ＡＦＭが開発されており、Ｕ
、Ｓ、ＰＡＴ　　４，３’４３゜９９３にこの種の顕微
鏡が提案されている。以下、ＳＴＭを例にして説明する
。

かかる装置は、試料の観察表面に導電体からなる探触針
を数ｎｍ以下に近接させた状態で試料および探触針にバ
イアス電圧を印加してトンネル電流を発生させる。そし
て、観察表面に対して探触針を走査したときに検出され
るトンネル電流を画像化して観察表面の分析を行なうも
のである。

このようなＳＴＭが原子レベルの分解能や観察表面の電
子状態までも測定可能であるのは、電子のトンネル現象
を利用しているからである。電子のトンネル現象とは、
二つの導電物質（例えば、金属の探触針と導電性試料）
を数十ｎ’ｍ程度以下に接近させた状態で両導電性物質
にバイアス電圧を印加したときに、両者間に電流が流れ
る（このような電流をトンネル電流という）現象のこと
をいう。一般に、固体中の電子は仕事関数と呼ばれる束
縛エネルギーにより固体に束縛されており、束縛エネル
ギー以上のエネルギーを与えない限り外部に取出すこと
はできない。ところが、固体の表面には電子雲がしみ出
しているので、例えば探触針と試料表面とを数ｎｍ以下
のトンネル領域（電子雲が重合する距離）まで近付ける
と、探触針と試料面とからしみ出している電子雲が重な
り合い、両゛者の電子が自由に移動できる状態になる。

このような状態でバイアス電圧を印加することによりト
ンネル電流が流れる。

上記トンネル電流Ｉは、 Ｉｏｃｅｘｐ（−に−φｌ／２．ｄ） と表わすことができる。なお、ｋは定数、φは探触針と
試料の仕事関数の平均値、ｄは探触針と試料との間の距
離（トンネル領域）を示している。

すなわち、上式に示すように、トンネル電流Ｉは距離ｄ
に大きく依存しており、試料の観察表面の原子−つの凹
凸でトンネル電流の値が一桁以上変化する。したがって
、トンネル効果を利用することにより試料の観察表面の
垂直方向の分解能を極めて高くすることができる。

以上のような、トンネル効果を利用したＳＴＭは極めて
高い分解能を有する他、次に示すような特徴を有する。

■　大気圧（空気）中、ガス中、液体中、真空中低温下
で測定可能である。

■　逆格子空間ではなく、実空間で原子を見ることがで
きる。

■　非接触、非破壊で測定可能である。

■　特殊な処理を施さなくともそのままの状態で測定可
能である。

■　表面物性が測定可能である。

このような特徴を利用して、種々の分野への応用が展開
されつつある。

次に、ＳＴＭの動作原理を説明する。

探触針と試料との間の距離を調整するＺ方向アクチュエ
ータと、このＺ方向アクチュエータによる調整方向（Ｚ
軸方向）に対し垂直方向（ＸＹ平面方向）に調整可能な
ＸＹ方向アクチュエータとを備え、Ｚ方向アクチュエー
タにより先端の鋭い探触針を試料表面に接近させ、両者
からしみ出している電子雲が僅かに重なり合う程度に近
接させる。このような状態で探触針と試料との間に電圧
（トンネル電圧）を印加して、探触針から試料へトンネ
ル電流を流す。そして、このトンネル電流を一定に保つ
ようにＺ方向アクチュエータをサーボ動作させながら、
ＸＹ方向アクチュエータにより試料をＸＹ力方向移動さ
せ、試料の観察表面に対し探触針を二次元走査する。こ
のとき、探触針をサーボ動作する２方向アクチユエータ
へのサーボ電圧を読取り、画像表示することにより試料
の表面観察を行なう。すなわち、探触針が試料表面を走
査し、試料表面の段差部に到達するとトンネル電流が増
加するので、２方向アクチユエータによりトンネル電流
が一定値になるまで探触針を試料から離間させる。探触
針のＺ方向アクチュエータによる移動量は試料表面の凹
凸に対応するので、上記走査を繰返しながらサーボ電圧
を読取ることにより観察表面の画像を得ることができる
。

なお、試料の観察表面が原子レベルでフラットな場合に
は、特に２方向アクチユエータによる調整を行なわずに
、単に探触針を二次元走査したとき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、上記ＳＴ、Ｍで試料を観察する場合は、試料
を目視観察して必要な観察部位を特定し、その部分をＳ
ＴＭて詳細に観察するということを行なっていた。その
ため、目視観察が困難な微小な箇所の測定たとえばセラ
ミクスの同一グレイン上における複数部分の測定や、異
なるグレインの比較測定や、ＬＳＩパターン、グレーテ
ィング、コンパクトディスクのピット等の観察を行なう
ことができない。

そこで、このような微小部分の観察を行なう場合は、光
学顕微鏡とＳＴＭとを組合わせ、光学顕微鏡で試料表面
を広い範囲で観察して観察部位を特定し、その後、特定
した観察部位をＳＴＭて詳細に観察すれば微小部分の観
察が可能になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記したＳＴＭ観察を行なうためには、探触
針としての機能を有する探触針ユニットを光学顕微鏡の
対物レンズの先端または対物レンズと観察試料との間に
設置する必要がある。しかしながら、探触針ユニットは
光学的に不透明であるため、光学顕微鏡の視野を妨げて
しまい、光学顕微鏡とＳＴＭとを組合わせた観察を行な
うことができないという問題がある。

そこで本発明の目的は、光学顕微鏡の視野を妨げること
なく、光学顕微鏡とアトミックプローブ顕微鏡とを組合
わせて試料観察を行なうことのできる探触針ユニットを
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記課題を解決し目的を達成するために次の
ような手段を講じた。すなわち、透明な基板の表面に透
明な電極を設け、この電極に電気的に接続されると共に
前記基板表面に設けられた導電体からなる突起を備える
構成とした。

また、上記目的を達成するために、基板表面に真空蒸着
して形成された透明な電極を備えるようにした。

また、上記目的を達成するために、マスクした基板表面
に真空蒸着により金属を堆積させた後、前記マスクを除
去して形成した導電体の突起を備えるようにした。

また、上記目的を達成するために、基板表面に金属を真
空蒸着した後、上記基板の中心部にマスクを施した状態
でエツチングし、上記マスク以外の部分を溶解して除去
して形成した導電体の突起を備えるようにした。

また、上記目的を達成するために、透明な基板と、この
基板表面に支持された突起と、この突起の変位を検出す
る手段とを備える構成とした。

〔作用〕

上記手段を講じたことにより次のような作用を奏する。

すなわち、光学的に透明な基板の表面に透明な電極を設
け、この電極に導電体からなる突起を電気的に接続した
探触ユニットの構成としたので、例えば探触針ユニット
を光学顕微鏡の対物レンズ又は対物レンズと試料との間
に設置しても、光学顕微鏡の視野は妨げられない。した
かっで、探触針によるＳＴＭ観察と光学顕微鏡によるＳ
ＴＭ走査領域での観察とを同時に行なうことができるも
のとなる。

また、透明な基板と、この基板表面に支持された突起と
、この突起の変位を検出する手段とを備える構成とした
ので、光学顕微鏡の視野を妨げることな（−Ａ＝　Ｔ　
Ｍ観察に限らず原子間力による変位を検出することがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の第１実施例の構成を示す
図であり、同図（ａ）は探触針ユニットの断面図を、同
図（ｂ）は上から見た図をそれぞれ示している。この探
触針ユニット１は、透明な材料で形成され円板状をなす
基板２と、この基板２上に形成されている透明電極３と
、先鋭状先端部を基板２中心部より透明電極３から突出
させている金属ワイヤ４とから構成されている。

基板２の材料としては、感光性ガラスＰＥＧ３（ＨＯＹ
Ａ社製）を用いている。この感光性ガラスＰＥＧ３は、
金属イオンを増感剤と共に加えて溶解し作成した珪酸塩
ガラスであり、紫外線で感光した部分に加熱現像処理を
施すことにより結晶を成長させることができる。この結
晶は非常に微細で、かつ酸に溶は易いという特性を有し
ているため、微細な形状の再現性に優れ、−度に大量に
加工できる。また、この円板状をなす基板２は直径が１
０＋ａｍ、厚さ１ｍｌｌ１ｌこ設定されている。そして
、その中心部には直径１００μｍの植立穴が設けられて
いる。この植立穴を形成するためには、先ず、基板２上
面の中心部に直径１００μｍの円形領域が露出する如く
マスクして紫外線を露光する。露光後、その部分を加熱
現像処理して結晶を成長させ、その□部分を酸で溶かす
ことにより形成することができる。

透明電極３としては上記植設穴の形成された基板２表面
に酸化スズを真空蒸着したものが形成されている。真空
蒸着としては、酸化スズとしてインジウムをドープした
タブレットを用い、電子ビムを蒸着源として基板２を３
００℃に加熱した状態で蒸着する。なお、このようにし
て得られた透明電極３の面内抵抗は１００Ω・ｃａｎ以
下であった。

金属ワイヤ３はＰｔ−１ｒ（プラチナ・イリジラム）で
形成されており、その先端部が試料表面に接触される。

なお、金属ワイヤ４の材料としては、Ｗ（タングステン
）、ｐｔ（プラチナ）等を用いてもよい。金属ワイヤ４
の先鋭先端部は電解研摩により尖らせており、この先鋭
先端部を基板２上面より１ｍｎ＋程度突出させた状態で
、その基端部を基板２の植立穴５に埋入させ接着剤によ
り固定させている。接着剤としては、導電性接着剤（例
えば、サイコロンＢ；商品名）を用いている。

なお、この導電性接着剤を用いることにより金属ワイヤ
４と透明電極３とを導通させ同電位としている。

このように構成された探触針ユニット１は、例えば光学
顕微鏡の対物レンズの先端または対物レンズと試料との
間に設置される。そして、探触針ユニット１または試料
を移動させて、試料に金属ワイヤ４の先鋭先端部を接近
させる。このような状態で外部より透明電極３を介して
金属ワイヤ４に電圧を印加し、先鋭先端部でトンネル電
流を検知する。この検知されたトンネル電流に基づいて
試料表面のＳＴＭ観察が行われる。

このように本実施例によれば、探触針ユニット１を金属
ワイヤ４およびその接着部分以外−は光学的に透明な材
料で構成したので、対物レンズの先に取付けたり、対物
レンズと試料の間に設置してＳＴＭ観察を行なう場合に
、金属ワイヤ４の先鋭先端部を光学顕微鏡の焦点位置か
ら光軸方向に移動させることにより、金属ワイヤの先鋭
先端部が焦点位置か−ら外れ、光学顕微鏡の視野を妨げ
ることなく探触針ユニット１を介して試料表面の観察を
行なうこができる。

なお、光学顕微鏡の視野を妨げる点で上記実施例より劣
るが、実用面、特に光学顕微鏡視野内で、探触針の根本
は合焦位置から大きくずれており結像状態とならないの
で、第１２図に示すように、光学的に不透明となるリー
ドパターン８を設けて構成しても視野の妨げとならない
。

第２図は本発明の第２実施例を示す図であり、探触針ユ
ニットの製造工程を示している。本実施例に゛示す探触
針ユニット１０は、透明基板１１と、この基板１１上に
形成されている透明電極１２と、この透明電極１２上に
真空蒸着で形成された金属性の突起１３とから構成され
ている。

次に、上記探触針ユニット１０の製造工程について説明
する。透明基板１１としては、単結晶サファイヤを用い
る。単結晶サファイアを直径１０１１１＋１１．厚さ１
■の円板状に加工し、さらにその両面を表面粗さλ程度
に研摩する。なお、基板１１の表面は０面を出した。以
下、この基板１１をサファイア基板と称する。

上記のようにして作成したサファイア基板１１表面に第
１実施例と同様にして酸化スズを真空蒸着して透明電極
１２を形成する。第２図（ａ）は基板１１上に透明電極
１２を形成した状態を示す図である。次に、同図（ｂ）
に示すように直径５０μｍの穴の設けられている厚さ５
肛のガラス板］４をザファイア基板］１上に重ね、ガラ
ス板１４に形成されている穴の中心をサファイア基板１
］の中心と一致させる。この結果、サファイア基板１コ
がガラス板１４によりマスクされたことになる。

次に、ガラス板１４でマスクされたサファイア基板］］
を、銅のブレートに取付けた状態てスノくツタリング装
置（例えば、５ＰＦ−４３０Ｈ，アネルバ社製）の真空
チェンバーに固定する。そして、チェンバーの真空度を
１．　Ｘ　１．０−６Ｔｏｒｒ以上にしてｐｔをターゲ
ットとしてスパッタリングを行なう。このとき、サファ
イア基板］−２は、ｐｔとサファイアとの密着を良くす
る目的で２５０℃以上に加熱しておく。

スパッタリングが終了したならば、サファイア基板１１
を真空チェンバー内で除冷し、室温に達したら取出して
マスク１４を除去する。

このようにして、同図（Ｃ）に示すようにサファイア基
板１２表面に形成し透明電極１３上に、直径５０μｍ、
高さ１０μｍの大きさを有するｐｔの突起１３を形成す
ることができる。なお、スパッタリングの際に、サファ
イア基板１１を傾けることにより突起先端部を鋭角にす
ることができる。

また、突起先端を鋭角にするために、第２図（ｃ）の工
程に続いて、所定のスペーサをともない、開口約３μｍ
のマスク１５を、開口が突起１３の上位に位置するよう
に配し、同図矢印に示すように、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｗ等の金
属をスパッタリングする（第２図（ｄ））。この場合、
マスクの開口が十分に小さいので、マスク１５に堆積す
る金属は、徐々に前記開口を締め、突起１３上に堆積す
る金属は鋭角化し、マスク１５の開口が閉じたときには
、蒸着粒子１個を先端とする金属針が突起１３上に形成
される（第２図（ｅ））。

また、この工程は第２図（ｂ）の工程において採用して
も良い。

このようにして作成された探触針ユニ・ノド１０を用い
ることにより、ＳＴＭと光学顕微鏡とを組合わせた観察
を行なうようにしても、光学顕微鏡の視野を妨げること
なくＳＴＭ観察を行なうことができる。

第３図は本発明の第３実施例を示す図であり、探触針ユ
ニットの他の製造工程を示す図である。

先ず、基板２１として、第１図または第２図に示す基板
を用いる。この基板２１表面に酸化スズを真空蒸着し、
透明電極２２を形成する。第３図（ａ）は基板２１上に
透明電極２２を形成した状態を示す図である。次に、同
図（ｂ）に示すように、この透明電極２２表面にＡｕを
真空蒸着し、膜厚５μｍ以下のＡｕ膜２３を形成する。

そして、同図（ｃ）に示すように、基板２１の中心部に
直径１０μｍの円形をしたフォＩ・レジスト２４でマス
クし、王水でエツチングする。そして、マスクを除去す
ることにより、直径１０μｍ、高さ５μｍのＡｕの突起
２５の形成された探触針ユニット２０が得られる。

ところで、第２図および第３図に示す探触針ユニット１
０．２０の突起１３．２５は、その突起先端部から基板
１１．２１までの距離が第１図に示す探触針ユニツｌ−
１に比して極めて短い。

そのため、探触針ユニット１０．２０を試料表面にアプ
ローチするときに、試料表面に突起１４゜２３の高さよ
りも大きな凹凸がある場合や、基板１１２１が試料表面
に対し平行でない場合等には突起１３．２５でトンネル
電流を検出できない可能性がある。そのため、基板１１
．．２１の形状に工夫を凝らす必要がある。

第４図（ａ）〜（ｄ）は上記不都合を防止するための基
板の形状を示す図である。同図（ａ）および（ｂ）は、
基板表面の中心部に突起部３１を設けて、基板表面と突
起先端部との間の距離を稼いだ形状となっている。なお
、突起部３１が光学顕微鏡視野を妨げないようにするた
めには、例えば光学顕微鏡視野か４００倍のときには、
直径２００μｍ以下に設定することが望ましい。また、
第４図（Ｃ）に示す基板は、光学顕微鏡の対物レンズで
集光した光束を透過させることのできる最少の形状を示
している。例えば、対物レンズの倍］　８ 率が４０倍であれば、基板の上底面の直径を２ｍｍ程度
に設定する。このようにすることにより、試料表面が約
２■四方の範囲内においてその平面性が突起部の高さ以
下の凹凸であれば、突起の先端部でトンネル電流を検出
することができる。また、第４図（ｄ）に示すように、
その基板表面を球面形状にする。このような基板として
例えば球面を有するレンズを用い、このレンズに透明電
極および突起を設けて探触針ユニットを構成してもよい
。

次に、第４図（ａ）に示す基板を用いて作成した探触針
ユニットの製造工程について説明する。

基板としては、単結晶サファイアを直径１０１ｍの円板
状に加工し、基板表面が０面となるように結晶軸を出し
たものを用いる。先ず、レンズの斉田式芯取り機（斉田
精機社製）を用いて基板中心部に突出部を形成する。こ
の突出部は円錐台状をなし、その寸法は、先端部の直径
８０μｍ、基端部の直径１５０μｍ、高さ５００μｍで
ある。次に、突出部を除く基板表面を表面粗さλ程度に
研摩する。そして、突出部を含む基板表面に真空蒸着に
より透明電極を形成する。透明電極が形成されたならば
、突出部を除く領域にフォトレジストを塗布してマスク
し、突出部にはスパッタリングによりｐｔをコートする
。なお、スパッタリングの条件は第２実施例と同様であ
る。ただし、レジストは熱に弱いので基板の加熱は行な
わない。そして、真空チェンバーから取出した後、フォ
トレジストを除去する。このようにして、上記形状をな
す基板を用いた探触針ユニットが作成される。

なお、上記探触針ユニットの基板の材質は、光学顕微鏡
の測定波長領域に応じて変える必要がある。通常の光学
顕微鏡の場合、すなわち、可視光領域では可視光領域に
おいて透過率の高いガラス（例えば、ソーダ石灰ガラス
、硼珪酸ガラス、珪酸ガラス、石英ガラス、感光性ガラ
ス等）、アクリル（例えば、エポキシ変性アクリル、ス
チレン変性アクリル、高ポリマーアクリル等）、単結晶
サファイア、ポリカーボネイト等がよい。また、蛍光顕
微鏡等の紫外線領域の波長の光を用いる場合には、紫外
線を通すアルミノ珪酸ガラス、石英ガラス、単結晶サフ
ァイア等が適している。

赤外線顕微鏡のように赤外線領域の波長を用いる場合に
は、赤外線領域で透過率の高い、ＫＢｒや岩塩を用いる
必要がある。また、近赤外線領域（波長領域が１〜３μ
ｍ程度）の場合には、珪酸ガラスや単結晶ガラスを用（
゛）ることか好ましい。

また、Ｘ線顕微鏡の場合には、ベリリウムを基板として
用いることが好ましい。

次に、前記ＳＴＭ観察用の探触針ユニッ！・を光学顕微
鏡に適用した実施例について説明する。

第５図は本発明の第４実施例の構成を示す図であり、光
学顕微鏡の対物レンズにＳＴＭ観察用の探触針ユニット
が設けられた状態が示されている。

同図に示す４１は光学顕微鏡の対物レンズ本体であり、
この対物レンズ本体４１の外周面に対し着脱可能に、し
かも同心的に環状の支持部材４２が設けられている。対
物レンズ本体４１と支持部材４２との取付は手段は、例
えば螺合やボルト止めのような手段にて行われる。支持
部材４２には対物レンズ本体４１の先端部外周を囲う筒
状の三次元アクチュエータ４３の一端が固定もしくは着
脱可能に装着されており、他端には探触針ユニットＭが
三次元アクチュエータ４３に対して高精度で同心的に稜
続されている。この探触針ユニットＭは、透明基板４４
．透明電極４５．探触針として働く導電体の突起４６か
らなり、上記第１〜第３実施例で説明した中のいずれか
一つが用いられている。この探触針ユニットＭと三次元
アクチュエータ４３とから試料Ｓの観察表面に対し垂直
方向の調整を行なうトンネル走査ユニット４７を構成し
ている。

こ′のような走査ユニット４７を備えたＳＴＭにおいて
は、探触針ユニッ）Ｍの突起４６の中心軸と対物レンズ
４１の光軸とを一致させた状態で、透明基板４１を介し
て試料Ｓの観察表面のＳＴＭ走査領域を光学顕微鏡にて
観察する。そして、光学顕微鏡でＳＴＭ走査領域を観察
しながら、突起４６を観察表面にアプローチする。次に
、三次元アクチュエータ４３で三次元的に移動して、観
察表面をＳＴＭ観察する。

このような本実施例によれば、探触針ユニットＭは突起
４６を除き透明な材質で構成しているので、探触針ユニ
ッｈ　Ｍを対物レンズ４１の先端部に取付けても光学顕
微鏡の観察視野の妨げとならない。従って、対物レンズ
４１の試料Ｓの観察は探触針ユニットＭを介して行なう
ことができ、ＳＴＭ観察像と光学顕微鏡による観察像と
を重ねて観察、測定できる。

なお、本実施例の第５図の透明基板４４、透明電極４５
、突起４６を備えるユニットは、別の実施例として第１
３図（ａ）（ｂ）に示すように、上表面にリードパター
ン８と植設された金属針４を導電接続して設けた第１の
透明基板２ａと、透明電極７を備えた第２の透明基板２
ｂを、透明電極７を挟み込むように合わせたユニットに
置き換えてもよい。

この場合、］・ンネル電流は、リードパターン８に接続
されている板バネ９より取出す。一方、透明電極７を図
示されない配線で接地することで、トンネル電流検出系
と、圧電アクチュエータ駆動系とを分離でき、リークな
どを防止できる。また、リードパターン８は、透明電極
とするが、光学系に影響を与えない範囲で、不透明な電
極とすることもできる。

第６図は本発明の第５実施例を示す図であり、対物レン
ズと試料との間に探触針ユニットを設けた状態を示して
いる。本実施例は、対物レンズ４１に対向配置されその
内部に試料Ｓが載置されているフレーム状をなす支持部
材５１に三次元アクチエエータ５２を介して探触針ユニ
ットＭを設けた例である。フレーム状をなす支持部材５
］は上壁中央部に円形開口を有し、この開口の周面に円
形リング状をなす三次元アクチュエータ５２が、対物レ
ンズ４１の光軸と同心的に固定されている。

このアクチュエータ５２の内周面には、上記開口を閉塞
する如く探触針ユニットＭが取着されている。なお、探
触針ユニッｌ−Ｍの突起４６は試料載置台５３上に載置
された試料Ｓ側に突出されており、この突起４６の中心
と対物レンズ４１の光軸とが一致している。

二のように構成された本実施例によれば、探触針ユニッ
）Ｍを介して光学顕微鏡による観察を行なうことができ
ると共に、三次元アクチュエータ５２により探触針ユニ
ットＭを三次元走査させることにより、試料Ｓ表面のＳ
ＴＭ観察を行なうことができる。

第７図は本発明の第６実施例の構成を示す図である。同
図に示す６］は光学顕微鏡のレボルバ−であり、このレ
ボルバ−６１には対物レンズユニット６２が着脱可能に
取付けられている。この対物レンズユニット６２は、そ
の一端面に開口を有する円筒状の外枠体６３を備えてい
る。この外枠体６３の他端面にはレボルバ−６１の対物
レンズ螺着用雌ねじに螺合可能な雄ねじが周面に形成さ
れた突出部６４が設けられている。また、外枠体６３に
は、対物レンズ６５が収納されており、この対物レンズ
６５は外枠体６３の上壁内面中央に形成されたねじ穴に
その上端が螺合されている。

対物レンズ６５の外周面と外枠体６３の内周面との間に
は、円筒状の内枠６６が設けられている。

この内枠６６は上下に互いに所定間隔を有して位置する
一対の支持部６６ａと、この支持部間に支持され、上下
方向に伸縮可能な圧電素子からなる筒状の探触針移動用
素微動装置６６ｂとから構成されている。支持部材６６
ａは、外枠体６３の周壁に上下方向に離間して設けられ
た一対の上方内枠固定用素微動装置６７ａならびに下方
内枠固定用素微動装置６７ｂにより各々選択的に固定さ
れる。これら一対の各素微動装置６７ａ、６７ｂは互い
に１８０度離間口て設けられ、内枠方向に伸縮可能な圧
電素子により構成されている。上側に位置する支持部６
６ａには、内枠６６と対物レンズ６５との間に、対物レ
ンズ６５と同心的に位置する円筒状の３次元アクチュエ
ータ６７の上端が固定されている。このアクチュエータ
６７は、上記上方内枠固定用素微動装置６７ａと下方内
枠固定用素微動装置６７ｂとを交互に駆動させることに
より、上方および下方支持部６６ａの固定を交互に解除
する。この解除に応して探触針移動用素微動装置６６ｂ
を断続的に伸縮させるいわゆるインチワーム方式により
、支持部６６ａがＺ軸方向に移動される。このアクチュ
エータ６７の下端には、中央に円形開口を有する円形の
金属枠６８が周縁で固定されている。なお、固定手段と
しては、金属枠６８がアクチュエータ６７から取外して
交換可能なように、例えばねじによる固定が好ましい。

金属枠６８には、これの円形開口を閉塞するようにして
探触針ユニットＭが取着されている。

なお、探触針ユニットＭとしては前記第１〜第３実施例
で説明した中のいずれがである。この探触針ユニットＭ
はその突起４６を、試料Ｓ側に向けて金属枠６８に固定
されている。試料ＳはＸＹ力方向移動可能なＸＹステー
ジよりなる試料台７゜上に載置されている。なお、試料
台７ｏとしは、Ｘ方向に移動させるアクチュエータとＹ
方向に移動させるアクチュエータとを組合わせた構成と
してもよいし、筒状の３次元アクチュエータを試料Ｓの
下に設ける構成としてもよい。

次に、上記構成のＳＴＭの操作について説明する。

光学顕微鏡のレボルバ−６１に対物レンズ６２を装着し
、試料Ｓ表面の観察を行なう。このときの光学顕微鏡の
ピント合わせは、ＸＹステージ７０を粗動させて行なう
。そして、対物レンズユニット６２を光学顕微鏡のピン
ト位置に設定した後、粗微動装置６７ａにより探触針ユ
ニットＭを微動調整して突起４６でトンネル電流を検出
する。

次に、３次元アクチュエータ６８を駆動して、試料Ｓ表
面を探触針ユニッ）Ｍの突起４６で走査する。このよう
にして、光学顕微鏡による位置合わせ、およびＳＴＭに
よる試料Ｓ表面のＳＴＭ観察が行われる。

次に、第７図に示す第６実施例において用いられる３次
元アクチュエータについて第８図（ａ）〜（ｃ）および
第９図を参照して具体的に説明する。第８図（ａ）〜（
Ｃ）は３次元アクチュエータの構成を示す図であり、同
図（ａ）は一方の端部より見た図、同図（ｂ）は側面図
、同図（ｃ）は断面図である。図に示す符号７１はアク
チュエータ本体であり円筒状をなしている。このアクチ
ュエータ本体７１の外周面下部には、周方向に所定間隔
でＸ電極７２．−Ｘ電極７３．−Ｘ電極７４、Ｘ電極７
４が配設されている。なお、Ｘ電極７２と−Ｘ電極７４
、Ｘ電極７３と−Ｙ電極７４は互いに１８０度離間型る
ように位置している。

また、アクチュエータ本体７１の外周面上部には、その
全周にわたり延出する如くＺ電極′７６が設けられてい
る。

このように構成されている３次元アクチュエータ６８の
各電極７２〜７６に第９図に示すような極性の電圧を印
加して、探触針ユニットＭをＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に
選択的に走査することができるものとなる。

第１０図は本発明の第７実施例の構成を示す図である。

本実施例は、探触針ユニットＭを移動させるアクチュエ
ータとして、Ｚ方向にのみ伸縮可能なＺ方向アクチュエ
ータ８１を用いた例である。

なお、第７図に示す第７実施例と同一部分には同一の符
号を付している。本実施例で用いられるアクチュエータ
８１は、中央に円形開口を有する円板状をなすバイモル
フ圧電体で構成されている。

このアクチュエータ８１は内枠６６の下方に位置する支
持部６６ａに周縁で固定されている。そして、このアク
チュエータ８１の中央開口部には、前記第１〜第３実施
例で説明した探触針ユニットＭのいずれかが取付けられ
ている。なお、探触針ユニットＭはその突起４６の中心
軸と対物レンズ６５の光軸とが一致するように配置され
ている。

また、対物レンズユニット６２の下方側対向位置には枠
状をなす支持部材８２が配置されている。

この支持部材８２には、試料Ｓの載置された支持台８３
が収納されている。この支持台８３は、支持台８３側面
と支持部材８２の内壁側面との間に設けられたＸ方向ア
クチュエータ８４．Ｙ方向アクチュエータ８５により、
Ｘ方向およびＹ方向に微動させるためのＸ方向アクチュ
エータ８４．Ｙ方向アクチュエータ８５が設けられてい
る。

このように構成された本実施例では、Ｘ方向アクチュエ
ータ８４およびＹ方向アクチュエータ８５を駆動させて
試料ＳをＸＹ力方向移動させる。

それと同時に、Ｚ方向アクチュエータ８コを用いて探触
針ユニットＭをＺ方向に移動させる。その結果、前記第
６実施例と同様に探触針ユニソｌ−Ｍは３次元方向に移
動されＳＴＭ観察が行われるものとなる。

第１１図は本発明の第８実施例の構成を示す図である。

本実施例は、対物レンズ側にはＳＴＭ走査機構は設けす
に、試料支持機１１１１１側にＳＴＭ走査機構を設けた
例である。枠状をなす支持部材９１の上面中央には、中
央に開口を有するＸＹ方向アクチュエータ９２が取着さ
れている。このアクチュエータ９２の開口を閉塞するよ
うにして探触針ユニットＭが設けられている。この探触
針ユニッ１−　Ｍの下側には、試料Ｓを上面に保持した
Ｚ方向アクチュエータ９３か配置されており、さらにこ
のＺ方向アクチュエータ９３を保持するように試料台９
４が設けられている。

このような構成において、Ｚ方向アクチュエタ９３は試
料Ｓと探触針ユニットＭとの間隔を所定の距離にするよ
うに試料ＳをＺ方向に移動さぜ３］ る。なお、Ｚ方向アクチュエータ９４に換えて前述した
３次元アクチュエータを用いてもよい。

以上、本発明の実施例としてＳＴＭ動作を例に説明した
が、ＡＦＭなどの他のアトミックプローブ顕微鏡にも本
発明は適用できる。この様な例を第５図を例にとって説
明する。

この場合の探触針ユニットは、透明基板４４の表面に突
起４６を設け、アクチュエータ４３で突起４６の変位を
検出する如く構成する。なお、この場合には、 参妻透明電極４５４．不要となる。

この様に構成される探触針ユニットにおいて、観察を行
う場合は、突起４６を試料表面に原子レベルまで近づけ
る。これによって突起４６に原子間力が作用して突起４
６が変位する。この変位は直接アクチュエータ４３で検
出され、電気信号に変換される。そして、突起４６の変
位をアクチュエータ４３から電気信号として取出し、こ
れを計測系に導くことにより、原子レベルでの観察が行
えるものとなる。

従って、この様な探触針ユニットによれば、トンネル電
流の検出は不要となり、透明電極４５も不用となり、第
１〜第６図の実施例に於て透明電極３，１．２．４５を
省略できる。

また、第１４図において透明電極２を光学的に透明な圧
電体ＬｉＮｂ２Ｏ３で構成し、別に設けた透明電極６と
、透明電極３の間に突起４で受けた原子間力を検出する
と、ＡＦＭ観察において本発明を適用できる。この場合
、透明電極２は、十分薄くし、円盤の径は大きくとり、
圧電ダイヤフラムを構成するか、透明基板２を両持ち梁
として構成することもできる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であ
るのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微小な突起とその接着部を除いて光学
的に透明な材料で探触針ユニットが構成されているので
、光学顕微鏡の対物レンズの先に取付けたり、または試
料と対物レンズとの間に設置して使用でき、突起を光学
顕微鏡の焦点位置かられずかにずらすだけで、光学顕微
鏡の視野を妨げることなくＳＴＭ観察を行なうことがで
きる。

また、透明な基板と、この基板表面に支持された突起と
、この突起の変位を検出する手段とから探触針ユニット
を構成したので、各種のアトミックプローブに適用して
光学顕微鏡の視野を妨げることなく、原子レベルでの観
察を良好に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の第コー実施例に係る探触
針ユニットの断面図および上面図、第２図（ａ）〜（ｅ
）および第３図（ａ）〜（ｄ）は探触針ユニットの製造
工程を示す図、第４図（ａ）〜（ｄ）は透明基板の形状
を示す図、第５図〜第７図は第４実施例〜第６実施例の
構成を示す図、第８図（ａ）〜（Ｃ）は３次元アクチュ
エータの構成を示す図であり、同図（ａ）は一方の側か
ら見た状態を示す図、同図（ｂ）は側面図、同図（Ｃ）
は断面図、第９図は３次元アクチュエータの具体的な駆
動を説明するための図、第１０図および第１１図は第７
実施例および第８実施例の構成を示す図、第１２図は金
属ワイヤから金属線を引出した探触針ユニットの断面図
、第１３図（ａ）（ｂ）は透明基板を二重構造とした探
触針ユニットの上面図および断面図、第１４図は透明基
板の上面および背面に電極を形成した探、触針ユニット
の断面図である。 丁、１０，２０．Ｍ・・・探触針ユニット、２゜１１．
２１・・・透明基板、３，１２．２２・・・透明電極、
４，１３．２５・・・突起。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 第 図 第 図 第 図 ２６一

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明な基板と、この基板表面に位置する透明な電
   極と、この電極に電気的に接続されると共に前記基板表
   面に設けられた導電体からなる突起とを具備したことを
   特徴とする探触針ユニット。
2. （２）前記導電体の突起は鋭角の先端を有する金属ワイ
   ヤであることを特徴とする請求項１に記載の探触針ユニ
   ット。
3. （３）前記透明な電極は基板表面に真空蒸着して形成す
   ることを特徴とする請求項１に記載の探触針ユニット。
4. （４）前記導電体の突起はマスクした基板表面に真空蒸
   着により金属を堆積させた後、前記マスクを除去して形
   成したことを特徴とする請求項１に記載の探触針ユニッ
   ト。
5. （５）前記導電体の突起は基板表面に金属を真空蒸着し
   た後、上記基板の中心部にマスクを施した状態でエッチ
   ングし、上記マスク以外の部分を溶解して除去して形成
   したことを特徴とする請求項１に記載の探触針ユニット
   。
6. （６）透明な基板と、この基板表面に支持された突起と
   、この突起の変位を検出する手段とを具備したことを特
   徴とする探触針ユニット。