JPH03257310A

JPH03257310A - 探針顕微鏡

Info

Publication number: JPH03257310A
Application number: JP5745990A
Authority: JP
Inventors: Akira Inoue; 明井上
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1991-11-15
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: JP3023686B2

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、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡ある
いはイオン伝導度顕微鏡などのように、先端を鋭く尖ら
せた探針を試料表面に近づけて試料表面の微細構造を観
察する顕微鏡（以下「探針顕微鏡」と称す）に関するも
ので、特に探針が試料表面に接近した状況を観ることが
できる探針顕微鏡に関するものである。

［発明の概要］走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡あるいはイオン
伝導度顕微鏡などの探針顕微鏡は、その観察する原理は
異なるが、先端を鋭く尖らせた探針を試料表面に近づけ
て試料表面の微細構造を観察するという共通点をもち、
従って探針と試料との相対位置関係を保持するための構
造上の共通点がある。本発明は前記探針が試料表面上に
接近した状況を観るために、探針近傍に反射鏡を設け、
その反射鏡を通して観ることにより視点の仰角をなるべ
く大きくすることが出来るようにするためのものである
。

［従来の技術］走査型トンネル顕微鏡や原子間角頭１故鏡あるいはイオ
ン伝導度顕微鏡など、先端を鋭（尖らせた探針を試料表
面に近づけて試料表面の微細構造をミクロンから原子ス
ケールで観察する探１１顕微鏡の技術は近年大きな進展
をし、広い分野で成果をあげている。

これらに共通している技術は先端を鋭く尖らせた探針を
試料表面に近づけて、探針先端を試料表面に僅かな距離
を置いてなぞることにより、試料表面の微細構造を観察
するという事である。

例えば走査型トンネル顕微鏡の場合、第６図に基づき説
明すると次のようである。導電性の試料２の表面に金属
の探針１をｌｎｍ程度まで近づけて、から両者間に微小
電圧を印加すると、トンネル効果により電流が流れる。

この電流はトンネル電流と呼ばれ、両者間の距離に非常
に敏感で０．１ｎｍの距離変化に対してほぼ１桁変化す
る。そこで、）・ンネル電流を一定に保つように探針を
駆動制御すると、両者間の距離は高い精度で一定に保つ
ことができ、その状態で探針を試料表面上で走査すれば
、探針の駆動制御信号から探針の試料表面に垂直な方向
の駆動距離が判り、従って試料表面の形状を原子の尺度
で測ることができる。探針と試料間に印加する電圧はバ
イアス電圧発生器１４により発生され、トンネル電流は
増幅器１５により増幅され、フィードハック回路１６を
通して微動アクチユエータ１７によりトンネル電流を一
定に保つように探針を駆動制御する。探針の試料表面上
での走査は走査信号発生器１８からの走査信号を微動ア
クチュエータ１９．２０に印加して行う。

微動アクチュエータ１７．１９．２０は例えば圧電素子
を用いる。探針の駆動距離に相当する駆動制御信号２１
を探針の試料表面の走査信号２２と共にデータ処理装置
２３で画像化すれば、試料表面の形状が可視像として観
察できる。

原子間力顕微鏡の場合は、図７に示すように探針１と試
料２の表面との間に働く力（原子間力）を非常に敏感な
ハネ２４とハネのたわみのセンサ２５で検出して両者間
の距離を保つ。すなわち、走査形トンネル顕微鏡に於＆
Ｊるトンネル電流が原子間力になっているわけである。

ハネのたわみのセンソ′２５は例えばレーザダイオード
２６、フォトディテクタ２７．２８及び差動アンプ２９
により構成される。レーザダイオード２６から発生され
る光３０はハネに反射した後２個のフメトディテクタ２
７．２８で受光される。ハネのたわみによる光路の変化
によりフォトディテクタ２７に入側する光量は増加（減
少）し、逆にフォトディテクタ２８に入射する光量は減
少（増加）する。フメトディテクタ２７．２８の出力を
作動アンプ２９に入力すれば作動アンプ２９の出力は異
なり、すなわち探針と試料表面との間に作用する原子間
力に相当する信号が得られる。このように、走査形トン
ネル顕微鏡に於けるトンネル電流が原子間力になってい
るわけであり、付帯する制御回路やデータ処理回路等は
第６図と同様であり、第７図に於いては省略しである。

又、イオン伝導度顕微鏡の場合は、図８に示すように電
解液Ｅ中に於ける試料２の表面と、ガラス等の絶縁物で
出来たキャピラリの探針１ａの間に流れるイオン電流を
検出して両者間の距離を保つ。すなわち、走査形トンネ
ル顕微鏡に於けるトンネル電流がイオン電流になってい
るわけである。

試料が浸っている電解液Ｅには電極３２があり、前記電
解液と同様の電解液Ｅを内部にみたしたキャピラリの探
針内には電極３１がある。電極３１．３２の間にバイア
ス電圧発生器１４による電圧を印加すると電解液Ｅを通
してイオン電流が流れる。

このイオン電流は探針と試料間の距離により変化する。

例えば両者間の距離がゼロの場合はキャピラリの先端と
試料とは密着し、二つの電極３１．３２が浸っている電
解液Ｅは遮断され、イオン電流はゼロであるが、両者間
の距離が少しずつ開けばそれに応じてイオン電流は大き
くなる。このように、走査形トンネル顕微鏡に於けるト
ンネル電流がイオン電流になっているわけであり、付帯
する制御回路やデータ処理回路等は第６図と同様であり
、第８図に於いては省略しである。

これらに関する詳細は、例えば以下の資料に示されてい
る。

走査型トンネル顕微鏡についてはＧ、Ｂ１ｎｎ１ｇ、Ｈ，Ｒｏｈｒｅｒ　ｅｔ　ａｌ、：
５ｕｒｆａｃｅ　５ｔｕｄｉａｓｂｙ　Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、Ａｐ
ｐｌ、Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、４９．Ｎｏ、１．Ｉ）ｐ、１７８
−１８０（１９Ｂ２）あるいは、梶村皓二、小野雅敏　等：走査型トンネル顕微鏡、固体
物理、Ｖｏｌ、２２．Ｎｏ、３．ｐｐ、３２−４７　（
１９８７）。

１２０−１２３　（１９８３）　。

原子間力顕微鏡の詳細に付いてはＰ、に、Ｈａｎｓｍａ　ｅｔ　ａｌ、：Ａｎ　Ａｔｏｍ
ｉｃ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｏｍｉｃ−ｆｏｒｃｅ
　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｕ
ｓｉｎｇａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　１ｅｖｅｒ、Ｊ、Ａｐ
ｐｌ、Ｐｈｙｓ、　Ｖｏ１６５＋Ｎｏ、１ｐｐ、１６４
−１６７（１９８Ｂ）また、イオン伝導度顕微鏡の詳細に付いてはＩ’、に、
ｌｌａｎｓｍａ、ｅｔ　ａｌ、：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｉ
ｏｎ−ＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、
　５ｃｉｅｎｃｅ、　Ｖｏ　１．２４３．　ｐｐ、６４
１−６４３　（１９８９）に記載されている。

上述のような探針顕微鏡により試料表面観察をする際、
探針が試料表面上の何処の位置に対向しているかを知る
ことは試料を観察する上で重要なことである。この目的
のための手段として従来は試料表面とそれに対抗した徐
開との状況を第９図のようにハウジングｌＯの観察用窓
１０ａから目視あるいは、第１０図に示すごとく実体顕
微鏡等の光学顕微鏡３３を用いるなどしていた。

［発明が解決しようとしている課題１前述のように、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡
あるいはイオン伝導度顕微鏡は、探針と試料間の相互作
用として検出するものがそれぞれトンネル電流、原子間
力、イオン電流と異なってはいるが、先端を鋭く尖らせ
た探針を試料表面に近づけて試料表面の微細構造を観察
するという点で同しである。そして、本発明の主旨は探
針が試料表面に対抗して接近している状況を観察する手
段に関することであり、両者間の相互作用として検出す
るものがトンネル電流や原子間力あるいはイオン電流で
あるということには全く影響されないことである。それ
故、以降は車に探針顕微鏡として説明する。

探針顕微鏡に於いて、探針と試料とは一般的に第９図に
示すような配置をしている。即ち試料２は試料ホルダ５
にクランパ６により固定され、試料ホルダ５は試料を試
料表面の面内方向に移動するための試料ステージ９に取
り付けられる。探針ｌは試料２の表面上を走査できるよ
うに微動スキャナ７に取り付けられている。この微動ス
キャナは例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電
素子で実現される。さらに微動スキャナ７は粗動機Ｎ４
Ｂに取り付けられる。この粗動機構８は試料２を試料ス
テージ９に試料ホルダ５を介して取り付けた直後の探針
１と試料２との距創が数ミリメートル程度離れた状態か
ら、微動スキャナで制御できる程度の距離である１、、
クロンていど以下の距離にまで予め近づけるための機構
であり実用上きわめて重要な機構である。粗動機構８は
試ネ１側に設けてもよい。モして粗動機構８と試料ステ
ジ９とはハウジング（またはフレーム）１０を介して連
結される。またハウジング１０は除振機構１１のを介し
て設置され外部振動から絶縁されるようにしている。

この様な探針顕微鏡を実用に供するには観察を安定に行
える様にすることが必要である。即ち、除振機構９を通
り抜けて来るわずかな振動や装置が設置されている部屋
の温度の変化に対して影響が無視し得る程度にしなけれ
ばならない。そのためには探針１と試料２とを取り付け
ている構造体の剛性を高くすることが重要であり、従っ
て形状を小型にしなければならない。

この結果、探針１が対向している試料２０表面を観よう
としする場合、その視線の仰角は第１１図に示すように
非常に小さな角度にならざるを得なかった。微動スキャ
ナとして高電圧駆動の圧電素子を用いるような場合は、
感電防止と微動スキャナの保護のためにカバー１２を取
り付ける場合もあり、この様な場合には視線の仰角はよ
り一層小さくなる。

前述のごとく、探針顕微鏡は試料表面をミクロンから原
子スケールで観察する手段であり、観察しようとする試
料の表面は可視光学的には平坦である。そのため視線の
仰角が大きければ探針が対抗している試料表面の観察部
所を可視出来るが、視線の仰角が小さくなるため試料２
の表面は鏡のように作用して、探針１が対向している所
の試料表面臼１の状況を観るのは非常に困難であるとい
う問題点があった。

［問題点を解決するための手段及び作用］本発明は探針
近傍に反射鏡を設＋Ｊ、探１１が対向している試料の表
面をその反射鏡の反射像を観ることにより、その視線の
仰角を実質的に大きくすることができ、試料の表面が鏡
のように作用させることなく探針が対向している所の試
料表面自身の状況を鮮明に観ることができるのである。

［実施例］以下、第１図〜第５図に基づいて本発明の実施例につい
て説明する。

第１図（Ｂ）は、走査型トンネル顕微鏡に反射鏡を設置
した実施例の図である。

探針１は、微動スキャナー７の一端に取り付けられ、微
動スキャナー７の他端は、粗動機構８により移動する移
動台８ａに取り付ｌＪられている。

粗動機構８には、ｘ、ｙ、ｚ方向の移動機構が内蔵され
、移動台８ａは、ｘ、ｙ、ｚ方向に粗動移動が可能とな
っている。

移動台８ａには、反射鏡取付用のアーム３ａが取り付け
られ、探針１の先端近傍にあるアーム３ａの先端部に傾
斜角度可変に反射鏡３が傾斜して設けられている。

従って、探針１の先端近傍と、探針１と対向する試料面
を反射鏡３を介して、ハウジング１０の観察用窓１０ａ
より仰角を大きくした状態で観察することができる。

第１図（ｂ）は探針１、試料２、反射鏡３の部分の拡大
図であり、この図で明らかなように、反射鏡３による視
線４の実効的な仰角Ａが大きくとれることとなる。

第２図は、目視ではなく、光学顕微鏡３３によ１２り反射鏡３の反射像を観察するようにした例を示すもの
で、ハウジング１０に光学顕微鏡３３を設置したもので
ある。ここに用いる光学顕微鏡は、ワーキングデイスタ
ンス（対物レンズと試料との距＃）の長いものがよい。

この例では、反射鏡３は、微動スキャナー７の保護カバ
ー１２に取り付けられたアーム３ａの先端部に傾斜して
設けられている。

反射像の観察手段としては、光学顕微鏡の他、拡大レン
ズ、ＴＶカメラ等先光学的観察手段用いることもできる
。

第３図は反射鏡３の取り付けの別の実施例を示す図であ
る。この例では、反射鏡３には、第４図のように探針１
が通る穴１３が形成されており、この穴１３に探針１を
通した状態で反射鏡３が傾斜して反射鏡取付アーム３ａ
の先端部に設置されている。反射鏡取付アーム３ａは前
の実施例と同様、移動台８ａや保護カバー１２などに取
り付けられる。そして、反射鏡３からの反射像は、第１
図、第２図の如く目視又は光学顕ｉ戚鏡により観察され
る。

この例の場合では、視線４の仰角はさらに大きくできる
。

次に第５図により原子間力顕微鏡に反射鏡を設置した例
について説明する。

原子間力を検知する非常に敏感な板バネ２４は支柱２４
ａに固定され、他端部には探針１が固定されている。測
定原理は、第７図で前述した通り、板バネ２４の原子間
力による変位をレーザダイオド２６、フォトディテクタ
２７．２８等からなるセンサ部２５で検出し、試料２の
微細構造を観察する。

試料２は、試料ホルダー５に載置され、試料ホルダー５
は微動スキャナー７上に取り付けられている。微動アク
チュエータ１７．１９．２０が形成された微動スキャナ
ー７は、粗動機構８の移動台８ａ上に設置されている。

この例でも、反射鏡３は、ハウジング１０に取り付けら
れたアーム３ａの先端部に傾斜して設けられ、探針１の
先端近傍又は第４図に示す反射鏡の穴に探針ｌを通して
設置される。

そして、この反射鏡３からの反射像は、第１図。

第２図の如く目視又は光学顕微鏡により観察される。

第５図（ｂ）はイオン伝導度顕微鏡に反射鏡３を設置し
た例を示す図である。電解液Ｅを内部にみたしたガラス
等の絶縁物でできたキャピラリの探針１ａの近傍あるい
は探針１ａを通して、反射鏡３が設置され、その反射像
は目視又は光学８Ｊｉｉ鏡で観察される。イオン伝導度
顕微鏡の観察原理は、第８図を用いて前述した如くであ
る。

このように種々の探針顕微鏡に反射鏡を設置することに
より、実効的な仰角を大きくでき、探針と試料の接近し
た状況を容易かつ確実に観察することができる。

［発明の効果］探針顕微鏡で微細な観察をしようとしている試料に対し
て、試料表面で探針が対向している所の状況、いいかえ
ればを探針顕微鏡で観察しようとしている試料表面の状
況を確認することが容易になり、また誤認による無駄な
観察を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例で走査型トンネル顕微鏡
に反射鏡を設置した図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の
部分拡大図、第２図は反射鏡の反射像を観察する光学顕
微鏡を設置した例の図、第３図は探針を通して反射鏡を
設置した例の図、第４図は第３図に於ける反射鏡の実施
例、第５図（ａ）は原子間力ＤＩ鏡に反射を設置した図
、第５図（ｂ）はイオン伝導度顕微鏡に反射鏡を設置し
た図、第６図は走査型トンネル顕微鏡の概念図、第７図
　原子間力顕微鏡の概念図、第８図はイオン伝導度顕微
鏡の概念図、第９図は従来の探針顕微鏡の構造図、第１
Ｏ図は従来の光学顕微鏡付き探針顕微鏡の構造図、第１
１図は従来の視線の仰角を示す図である。１・・・探針１ａ・・・キャピラリの探針５６２・・・試料３・・・反射鏡３ａ・・アーム４・・・視線５・・・試料ホルダ６・・・クランパ７・・・微動スキャナ８・・・粗動機構８ａ・・移動台９・・・試料ステージｌＯ・・・ハウジング１０ａ・・観察用窓１１・・・除振機構１２・・・カバー１３・・・穴１４・・・バイアス電圧発生器１５・・・増幅器１６・・・フィードバンク回路１７・・・微動アクチュエータ１８・・・走査信号発生器１９　・　・２０　・　・２１　・　・２２　・　・２３　・　・２４　・　・２４ａ　　・２５　・　・２６　・　・２７　・　・２８　・　・２９　・　・３０　・　・３１　・　・３２　・　・３３　・　・Ｅ　・　・　・・微動アクチュエータ・微動アクチュエータ・駆動制御信号・走査信号・データ処理装置・バネ・支柱・センサ・レーザダイオード・フォトディテクタ・フォトディテクタ・差動アンプ・光・電極・電極・光学顕微鏡（光学的観察手段）・電解液以上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料と、前記試料表面に対向して設けられた探針
と、前記探針の先端と前記試料表面の相対位置を制御す
る機構とからなり、前記探針先端を前記試料表面に僅か
な距離を置いて走査することにより試料表面の微細構造
を観察する探針顕微鏡に於て、前記試料に前記探針が対
向した状況を観ることが出来るように反射鏡を設けたこ
とを特徴とする探針顕微鏡。
（２）反射鏡の反射像を観る観察手段として光学的観察
手段を設けた請求項１記載の探針顕微鏡。
（３）探針顕微鏡が走査型トンネル顕微鏡である請求項
１又は２記載の探針顕微鏡。
（４）探針顕微鏡が原子間力顕微鏡である請求項１又は
２記載の探針顕微鏡。
（５）探針顕微鏡がイオン伝導度顕微鏡である請求項１
又は２記載の探針顕微鏡。