JPH0625642B2 - 走査型トンネル顕微鏡装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は物質の表面形状等を非接触で高精度に観察す
る走査トンネル顕微鏡装置の改良に関する。

（従来の技術） 近時、微小な観察対象物を観察する顕微鏡装置として米
国特許４３４３９９３号に示されているように例えば原
子を観察できる程度に分解能が高い走査型トンネル顕微
鏡（以下ＳＴＭと称する）装置が開発されている。これ
は、顕微鏡本体に設けられた探針の先端を探針先端の原
子の電子雲と観察対象物（試料）の原子の電子雲とが重
なり合う１ｎｍ程度まで観察対象物に近づけ、この状態
で探針と観察対象物との間に電圧をかけた場合に流れる
トンネル電流の大きさを測定し、この測定結果にもとづ
いて探針と観察対象物との間の距離を超精密に測定する
ようにしたものである。この場合、トンネル電流の大き
さは探針と観察対象物との間の距離に応じて指数関数的
に変化する。そのため、ＳＴＭではこのトンネル電流の
距離依存性を利用して探針の先端を観察対象物に１ｎｍ
程度まで近づけた状態でこの探針で観察対象物の表面を
２次元的に走査し、この観察対象物表面の各測定点でト
ンネル電流の大きさを測定して各測定点における探針と
観察対象物との間の距離を超精密に測定し、各測定点で
測定した距離をプロットすることにより、観察対象物の
表面の３次元像を得るものである。なお、実際の測定で
は探針と観察対象物との間の距離を高精度に検出するこ
とは難しいので、トンネル電流が一定になるように探針
を観察対象物の表面の凹凸に倣って上下動作させながら
走査させ、この探針の上下動作にもとづいて観察対象物
の表面の３次元像を得るようになっている。

ところで、この種のＳＴＭにおける探針の走査手段とし
ては従来から第１３図に示すように圧電セラミックスの
ＰＺＴをＸＹＺ方向に直交させたトライッポッドａと呼
ばれる微動機構、或いは第１４図に示すように円筒状の
圧電セラミックスｂの内周面に電極Ｚ、外周面に電極
ｘ，ｙ，−ｘ，−ｙをそれぞれ貼着させたチューブスキ
ャナｃ等が広く用いられている。

また、例えば昭和６２年度精密工学会秋季大会学術講演
会論文集第２４９〜２５０頁の文献に示されるような重
畳型の平行ばねを用いた走査領域の拡大機構が考えられ
ている。

（発明が解決しようとする課題） 探針の走査手段としてトライッポッドａ型の微動機構や
チューブスキャナｃ等を使用した場合には駆動素子の変
位量によって走査範囲が制限されるので、この制限範囲
よりも大きな走査範囲を得ることができない問題があっ
た。そのため、トライッポッドａ型の微動機構やチュー
ブスキャナｃ等では走査領域が狭いので、観察対象物の
表面を広い範囲に亙って測定することができない問題が
あった。

また、重畳型の平行ばねを用いた走査領域の拡大機構の
場合には探針を水平方向に駆動させる構成になっている
ので、観察対象物を保持するテーブルの観察対象物保持
面を鉛直方向に沿って配置しなければならない問題があ
った。そのため、観察対象物をテーブルの観察対象物保
持面に強固に固定する必要があるので、観察対象物の取
付け位置を移動させる機構を設けることが難しく、観察
対象物の観察領域が限定される問題があった。さらに、
テーブルの観察対象物保持面に装着できる観察対象物の
大きさ、厚さ、重量等が制限される問題もあった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、試料表
面の観察領域を拡大させることができるとともに、試料
表面の微細構造を精度よく測定することができ、かつ試
料の大きさ等の制限を低減することができるうえ、試料
を保持するテーブルの支持剛性を高め、試料表面の測定
動作を安定に行なうことができる走査型トンネル顕微鏡
装置を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は試料を保持するテーブルを互いに直交する２
方向に２次元に走査するテーブル駆動機構および前記テ
ーブル上の試料に対向配置される微小電流検出用の探針
を前記テーブルの走査方向に対し垂直方向に駆動する探
針駆動機構を備え、前記テーブル上の試料に対して前記
探針を両者の電子雲が重なり合う程度まで接近させ、両
者間に電位差を加えた際に流れるトンネル電流を一定に
保持させる状態で前記テーブルの走査にともない前記探
針を前記テーブルの走査方向に対し垂直方向に駆動して
前記テーブル上の試料の表面形状を測定する走査型トン
ネル顕微鏡装置において、バイモルフ型圧電素子の変位
動作にともない前記テーブルを水平面に沿って互いに直
交する２方向に２次元に微小変位させるテーブル微動機
構と、このテーブル微動機構の駆動方向と同方向に前記
テーブル微動機構による変位量よりも大きな変位量で前
記テーブルを粗動させるテーブル粗動機構とを前記テー
ブル駆動機構に設けるとともに、前記テーブル微動機構
には前記バイモルフ型圧電素子の両端部に前記テーブル
粗動機構側との固定部、前記バイモルフ型圧電素子の略
中央部に前記テーブル側との連結部を設け、かつ前記バ
イモルフ型圧電素子の前記両端部間の複数箇所の所定部
位での分極方向を予め定めておき、更に前記所定部位に
対応して前記バイモルフ型圧電素子の電極を分割させて
前記電極に電圧を印加することによって前記バイモルフ
型圧電素子の前記両端部間の部分を略弓形に変形させて
前記バイモルフ型圧電素子の変位量を増幅する変位量増
幅手段を設けたものである。

（作用） テーブル粗動機構によって試料の保持テーブルを互いに
直交する２方向に大きな変位量で粗動させることによ
り、試料表面の観察領域を拡大させるとともに、微動機
構によってテーブルを水平面に沿って互いに直交する２
方向に２次元に微小変位させることにより、試料表面の
微細構造を精度よく測定させる。さらに、バイモルフ型
圧電素子を両端支持構造にすることにより、テーブルの
支持剛性を高め、かつバイモルフ型圧電素子の電極を分
割させた変位量増幅手段によってバイモルフ型圧電素子
の変位量を増幅するようにしたものである。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を第１図乃至第８図を参照し
て説明する。第１図は走査型トンネル顕微鏡装置の要部
の概略構成を示すもので、１は走査型トンネル顕微鏡装
置本体、２はこの顕微鏡装置本体１の基台である。この
基台２上には試料３の保持テーブル４を互いに直交する
２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に２次元に走査するテー
ブル駆動機構５および後述するＺ軸機構（探針駆動機
構）６を支持するカラム７がそれぞれ設けられている。

また、テーブル駆動機構５にはテーブル４を水平面に沿
って互いに直交する２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に２
次元に微小変位させるテーブル微動機構８と、このテー
ブル微動機構８の駆動方向と同方向にテーブル微動機構
８による変位量よりも大きな変位量でテーブル４を粗動
させるテーブル粗動機構２４とが設けられている。

さらに、テーブル微動機構８にはテーブル４を水平面に
沿ってＸ方向に微小変位させるＸ方向微動機構９とテー
ブル４を水平面に沿ってこのＸ方向微動機構９の変位方
向と直交するＹ方向に微小変位させるＹ方向微動機構１
０とが上下２段に重ねられた状態で設けられている。

第２図はＸ方向微動機構９の概略構成を示すものであ
る。第２図中で、１１はＸ方向微動機構の本体である。
この微動機構本体１１には平板状の固定板１５が設けら
れている。この固定板１５上の中央には試料３の保持テ
ーブル４がＸ方向に移動自在に配置されている。

また、テーブル４の両側面にはＸ方向に向けて突起部１
４ａ，１４ｂが突設されている。そして、一方の突起部
１４ａにはＹ方向に延設された薄板状の２組のバイモル
フ型圧電素子１２ａ，１２ｂの中央部位が連結され、他
方の突起部１４ｂにも同様にＹ方向に延設された薄板状
の２組のバイモルフ型圧電素子１３ａ，１３ｂの中央部
位が連結されている。

この場合、突起部１４ａ側の２組のバイモルフ型圧電素
子１２ａ，１２ｂはＸ方向に離間された状態で略平行に
対向配置され、突起部１４ｂ側の２組のバイモルフ型圧
電素子１３ａ，１３ｂも同様にＸ方向に離間された状態
で略平行に対向配置されている。

また、微動機構本体１１の固定板１５にはＸ方向の両端
部両側面に上方向に向けて支持突部１６ａ，１６ｂ、１
７ａ，１７ｂがそれぞれ略直角に突設されている。この
場合、固定板１５の一端側の一対の支持突部１６ａ，１
６ｂはテーブル４の一方の突起部１４ａに離間対向配置
されている。各支持突部１６ａ，１６ｂにはバイモルフ
型圧電素子１２ａ，１２ｂが差し込まれる一対のスリッ
トがそれぞれ形成されている。そして、２組のバイモル
フ型圧電素子１２ａ，１２ｂの両端部は支持突部１６
ａ，１６ｂのスリットに差し込まれた状態で固定されて
おり、各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂは両端支
持構造になっている。

同様に、固定板１５の他端側の一対の支持突部１７ａ，
１７ｂはテーブル４の他方の突起部１４ｂに離間対向配
置されている。各支持突部１７ａ，１７ｂにはバイモル
フ型圧電素子１３ａ，１３ｂが差し込まれる一対のスリ
ットがそれぞれ形成されている。そして、２組のバイモ
ルフ型圧電素子１３ａ，１３ｂの両端部は支持突部１７
ａ，１７ｂのスリットに差し込まれた状態で固定されて
おり、各バイモルフ型圧電素子１３ａ，１３ｂは両端支
持構造になっている。

また、第３図および第４図は各バイモルフ型圧電素子１
２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂの概略構成を示すもので
ある。すなわち、各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２
ｂ、１３ａ，１３ｂは第３図に示すように電圧を印加す
ると長さ方向に伸縮する２枚の圧電素子Ａ，Ｂを中央電
極２２を介して貼り合わせて形成されている。

さらに、各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３
ａ，１３ｂを構成する一方の圧電素子Ａの外面には第４
図に示すように複数の分割電極１８ａ，１９ａ，２０
ａ，２１ａがそれぞれ並設され、他方の圧電素子Ｂの外
面にはこれらの分割電極１８ａ，１９ａ，２０ａ，２１
ａと対応する位置に分割電極１８ｂ，１９ｂ，２０ｂ，
２１ｂがそれぞれ並設されている。

また、各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３
ａ，１３ｂの一方の圧電素子Ａには各分割電極１８ａ，
１９ａ，２０ａ，２１ａと中央電極２２との間に、さら
に他方の圧電素子Ｂには各分割電極１８ｂ，１９ｂ，２
０ｂ，２１ｂと中央電極２２との間に第３図中の矢印で
示す分極方向で予めバイアス電圧が印加されている。

すなわち、圧電素子Ａには各分割電極１８ａ，１９ａ，
２０ａ，２１ａと中央電極２２との間の各区間にそれぞ
れ異なる分極方向で予めバイアス電圧が印加されてい
る。ここで、分割電極１８ａと中央電極２２との間の区
間では分極方向は分割電極１８ａが−、中央電極２２が
＋で電圧が印加され、分割電極１９ａと中央電極２２と
の間の区間では分極方向は分割電極１９ａが＋、中央電
極２２が−で電圧が印加される。さらに、分割電極２０
ａと中央電極２２との間の区間では分極方向は分割電極
２０ａが＋、中央電極２２が−で電圧が印加され、分割
電極２１ａと中央電極２２との間の区間では分極方向は
分割電極２１ａが−、中央電極２２が＋で電圧が印加さ
れる。

また、圧電素子Ｂには各分割電極１８ｂ，１９ｂ，２０
ｂ，２１ｂと中央電極２２との間の各区間にそれぞれ異
なる分極方向で予めバイアス電圧が印加され、分割電極
１８ｂと中央電極２２との間の区間では分極方向は分割
電極１８ｂが＋、中央電極２２が−で電圧が印加され、
分割電極１９ｂと中央電極２２との間の区間では分極方
向は分割電極１９ｂが−、中央電極２２が＋で電圧が印
加される。さらに、分割電極２０ｂと中央電極２２との
間の区間では分極方向は分割電極２０ｂが−、中央電極
２２が＋で電圧が印加され、分割電極２１ｂと中央電極
２２との間の区間では分極方向は分割電極２１ｂが＋、
中央電極２２が−で電圧が印加される。

さらに、第５図は各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２
ｂ、１３ａ，１３ｂの各分割電極１８ａ，１９ａ，２０
ａ，２１ａ、１８ｂ，１９ｂ，２０ｂ，２１ｂおよび電
極２２と駆動電源との間の配線状態を示すものである。

そして、この微動機構本体１１は各バイモルフ型圧電素
子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂに駆動電圧が印加さ
れない不動作状態では第３図中に実線で示すように各バ
イモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂが
それぞれ略直線状の通常状態で保持されるようになって
いる。この状態ではテーブル４は保持テーブル４の中央
の中立位置で保持されている。

また、各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３
ａ，１３ｂに駆動電圧が印加された場合には各バイモル
フ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂを形成し
ている２枚の圧電素子Ａ，Ｂは次のように変形する。す
なわち、分割電極１８ａと中央電極２２との間の区間の
圧電素子Ａに予め第３図の分極方向（分割電極１８ａを
−、中央電極２２を＋）でバイアス電圧を印加し、第５
図のように駆動電圧をかけた場合、圧電素子Ａはこの区
間では伸びる。このとき、対向側の分割電極１８ｂと中
央電極２２との区間の圧電素子Ｂでは分極方向（分割電
極１８ｂを＋、中央電極２２を−）が圧電素子Ａとは反
対であるために第５図のように同じ駆動電圧を印加した
場合、圧電素子Ｂはこの区間では縮むことになる。

なお、分割電極２１ａと中央電極２２との間の区間の圧
電素子Ａおよび分割電極２１ｂと中央電極２２との区間
の圧電素子Ｂでも同様である。そのため、各バイモルフ
型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂの両端部の
部分（分割電極１８ａ，１８ｂ間の区間および分割電極
２１ａ，２１ｂ間の区間）は内部側が第３図中で下向き
湾曲されることになる。

さらに、分割電極１９ａと電極２２との間の区間の圧電
素子Ａに予め第３図の分極方向（分割電極１９ａを＋、
中央電極２２を−）でバイアス電圧を印加し、第５図の
ように駆動電圧をかけた場合には圧電素子Ａはこの区間
では縮む。このとき、対向側の分割電極１９ｂと電極２
２との間の区間の圧電素子Ｂでは分極方向（分割電極１
９ｂを−、中央電極２２を＋）が圧電素子Ａとは反対で
あるために第５図のように同じ駆動電圧を印加した場
合、圧電素子Ｂはこの区間では伸びることとなる。

なお、分割電極２０ａと中央電極２２との間の区間の圧
電素子Ａおよび分割電極２０ｂと中央電極２２との区間
の圧電素子Ｂでも同様である。そのため、バイモルフ型
圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂは中央側の部
分（分割電極１９ａ，１９ｂ間の区間および分割電極２
０ａ，２０ｂ間の区間）は全体として第３図に仮想線で
示すように下向きに突出された湾曲形状に湾曲されるこ
とになる。

したがって、駆動電圧の印加時には各バイモルフ型圧電
素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂはその両端側（分
割電極１８ａ，１８ｂ間の区間および分割電極２１ａ，
２１ｂ間の区間）では圧電素子Ａが長さ方向に伸びると
同時に圧電素子Ｂが長さ方向に縮む方向に変形するとと
もに、この両端変形部の内側（分割電極１９ａ，１９ｂ
間の区間および分割電極２０ａ，２０ｂ間の区間）では
圧電素子Ｂが長さ方向に伸びると同時に圧電素子Ａが長
さ方向に縮む方向に変形し、各バイモルフ型圧電素子１
２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂ全体は第３図中に仮想線
で示すように下向きに略弓なり状に変形するようになっ
ている。これにより、バイモルフ型圧電素子１２ａ，１
２ｂ、１３ａ，１３ｂの電極を分割させてバイモルフ型
圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂの変位量を増
幅する変位量増幅手段が構成されている。

また、Ｙ方向微動機構１０はＸ方向微動機構９と略同一
機構になっている。この場合、Ｙ方向微動機構１０のテ
ーブル４はＸ方向微動機構９の固定板１５の下面に固定
されている。

さらに、Ｙ方向微動機構１０のテーブル４の両側面には
Ｙ方向に向けて突起部１４ａ，１４ｂが突設されてい
る。そして、一方の突起部１４ａにはＸ方向に延設され
た薄板状の２組のバイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ
の中央部位が連結され、他方の突起部１４ｂにも同様に
Ｘ方向に延設された薄板状の２組のバイモルフ型圧電素
子１３ａ，１３ｂの中央部位が連結されており、各バイ
モルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂの変
形によってテーブル４がＹ方向に変位するようになって
いる。なお、このＹ方向微動機構１０の各バイモルフ型
圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂもＸ方向微動
機構９と同様に両端支持構造になっている。

また、顕微鏡装置本体１には微動機構８の駆動方向と同
方向にテーブル４を微動機構８による変位量よりも大き
な変位量で粗動させる粗動機構２４が設けられている。
この粗動機構２４にはテーブル４を水平面に沿ってＸ方
向に粗動させるＸ方向粗動機構２５とテーブル４を水平
面に沿ってＹ方向に粗動させるＹ方向粗動機構２６とが
上下２段に重ねられた状態で設けられている。この場
合、Ｘ方向粗動機構２５およびＹ方向粗動機構２６は例
えばマイクロメータによって形成されている。

さらに、顕微鏡装置本体１の基台２上にはテーブル４上
の試料３の傾きを補正するチルトステージ２７が設けら
れている。

このチルトステージ２７には略水平方向に沿う切欠部２
８が形成されている。この場合、切欠部２８は第７図に
示すように上下に２段設けられている。そして、第７図
中で上方の第１の切欠部２８ａの末端部にはチルトステ
ージ２７における第１の切欠部２８ａの上側部分２７ａ
を揺動自在に支持するヒンジ部１１１ａが形成されてい
る。

さらに、下方の第２の切欠部２８ｂの末端部にはチルト
ステージ２７における第２の切欠部２８ｂの上側部分２
７ａを揺動自在に支持するヒンジ部１１１ｂが形成され
ている。なお、上下のヒンジ部１１１ａ，１１１ｂの揺
動軸の軸心方向は直交状態で配置されている。

また、チルトステージ２７の上面にはチルトステージ２
７における第１の切欠部２８ａの上側部分２７ａを揺動
操作する引張りねじ部１０１および押圧ねじ部１０２
と、チルトステージ２７における第２の切欠部２８ｂの
上側部分２７ａを揺動操作する引張りねじ部１０１′お
よび押圧ねじ部１０２′とが設けられている。

ここで、引張りねじ部１０１には第８図に示すようにチ
ルトステージ２７における第１の切欠部２８ａの上側部
分２７ａに形成された挿通孔１０３内に挿通される固定
ねじ１０４が設けられている。この固定ねじ１０４の下
端部はチルトステージ２７における第１の切欠部２８ａ
の下側部分２７ｂに固定されている。

さらに、この固定ねじ１０４の上端部は挿通孔１０３の
上側に突出されており、この突出部にチルト調節ナット
１０５が螺着されている。

また、押圧ねじ部１０２にはチルトステージ２７におけ
る第１の切欠部２８ａの上側部分２７ａに形成されたね
じ穴１０６内に螺挿される押圧ねじ１０７が設けられて
いる。

そして、チルト調節ナット１０５または押圧ねじ１０７
のねじ込み量の調整にともないヒンジ部１１１ａを弾性
変形させ、チルトステージ２７の第１の切欠部２８ａの
上側部分２７ａをこのヒンジ部１１１ａを中心に揺動さ
せることにより、テーブル４上の試料３の傾きを補正す
るようになっている。

また、テーブル４上の試料３の上方には微小電流検出用
の探針２９が対向配置されている。この探針２９は例え
ば長さ数mm〜数１０mm、直径数mm以下のダングステンや
白金等のチップの先端を電解研磨や機械加工（グライン
ディング）等の手段によって直径０．１μｍ以下程度ま
で鋭利に加工してものである。そして、探針２９をテー
ブル４の走査方向に対し垂直方向に駆動するＺ軸機構６
の微動機構３０にこの探針２９の基端部が固定されてい
る。

また、Ｚ軸機構６にはカラム７の上端部に装着されたね
じ送り式の第１の粗動機構３１、この第１の粗動機構３
１に取付けられた平行ばねによる第２の粗動機構３２お
よびこの第２の粗動機構３２に取付けられた微動機構３
０がそれぞれ設けられている。この微動機構３０は圧電
素子単体によって形成されている。

また、第６図は走査型トンネル顕微鏡装置本体１の制御
回路を示すものである。第６図中で、３３は例えばマイ
クロコンピュータおよびその周辺回路によって形成され
た制御部である。この制御部３３にはＡ／Ｄ変換器３４
およびＤ／Ａ変換器３５がそれぞれ接続されているとと
もに、例えばキーボード等の操作部３６および例えばｘ
ｙブロッターや濃度表示のための画像メモリ等を有する
ＣＲＴ等によって形成された表示部３７がそれぞれ接続
されている。さらに、Ａ／Ｄ変換器３４には制御回路３
８が接続されている。この制御回路３８は比較増幅器３
９を介して基準電源４０に接続されている。また、比較
増幅器３９には増幅器４１を介して探針２９が接続され
ている。さらに制御回路３８には駆動回路４２を介して
Ｚ軸微動機構３０が接続されている。

また、Ｄ／Ａ変換器３５には増幅器４３を介してＸ方向
微動機構９が接続されているとともに、増幅器４４を介
してＹ方向微動機構１０が接続されている。なお、テー
ブル４上の試料３には電源回路４５から所定のバイアス
電圧が印加されている。

次に、上記構成の作用について説明する。

まず、テーブル４上に試料３を装着する。そして、この
状態で、マイクロメータによって形成されるＸ方向粗動
機構２５およびＹ方向粗動機構２６を手動操作して試料
３をテーブル４を水平面に沿ってＸ方向およびＹ方向に
粗動させ、試料３の表面上の所望の測定部分を探針２９
と対向配置する。

続いて、テーブル４上の試料３に電源回路４５を接続し
て所定のバイアス電圧を印加させる。この状態で、次に
Ｚ軸機構６の第１の粗動機構３１および第２の粗動機構
３２を手動操作して探針２９を下降させ、この探針２９
の先端をテーブル４上の試料３に接近させる。この場
合、探針２９の先端とテーブル４上の試料３との間隔が
２ｎｍ以下でトンネル電流が流れるトンネル領域まで探
針２９の先端をテーブル４上の試料３に接近させる。そ
して、この状態で制御部３３からの制御信号をＤ／Ａ変
換器３５、増幅器４３を介してＸ方向微動機構９に供給
するとともに、同様に制御部３３からの制御信号をＤ／
Ａ変換器３５、増幅器４４を介してＹ方向微動機構１０
に供給し、これらのＸ方向微動機構９およびＹ方向微動
機構１０によってテーブル４上の試料３をＸ方向および
Ｙ方向に走査させる。

さらに、テーブル４上の試料３をＸ方向およびＹ方向に
走査させる際に探針２９によって検出されるトンネル電
流は増幅器４１によって増幅されたのち、比較増幅器３
９に入力される。そして、この比較増幅器３９によって
基準電源から出力される基準電流と検出トンネル電流と
が比較されその誤差分がこの比較増幅器３９によって増
幅されたのち、制御回路３８に入力される。また、この
制御回路３８からは基準電流と検出トンネル電流との誤
差分を０にする方向に探針２９を駆動するための制御信
号が出力される。そして、この制御信号は駆動回路４２
によって電圧増幅された状態でＺ軸微動機構３０に供給
され、このＺ軸微動機構３０によって探針２９の先端と
テーブル４上の試料３との間に流れるトンネル電流を一
定に保持させる状態で探針２９がテーブル４の走査方向
と垂直方向に駆動される。この場合、制御回路３８から
駆動回路４２に供給される制御信号はＡ／Ｄ変換器３４
でディジタル信号に変換されたのち、テーブル４上の試
料３をＸ，Ｙ方向に走査させるＸ方向微動機構９および
Ｙ方向微動機構１０の制御信号と同期させた状態で制御
部３３に入力される。そして、この入力信号にもとづい
て制御部３３によって試料３の表面形状（凹凸状態）に
関する情報が処理され、検出された試料３の表面形状が
表示部３７のＣＲＴ等に表示される。

そこで、上記構成のものにあってはテーブル駆動機構５
にテーブル４を互いに直交するＸ方向およびＹ方向に２
次元に微小変位させるテーブル微動機構８と、このテー
ブル微動機構８の駆動方向と同方向にテーブル微動機構
８による変位量よりも大きな変位量でテーブル４を粗動
させるテーブル粗動機構２４とを設けたので、試料３の
保持テーブル４を互いに直交する２方向に比較的大きな
変位量で変位させることができる。そのため、従来に比
べて試料３の表面の観察領域を大幅に拡大させることが
できる。

さらに、Ｘ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１０の
各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３
ｂを両端支持構造にしたので、テーブル４の支持剛性を
高めることができる。そのため、テーブル４の固有振動
数を高め、試料表面の測定動作を安定に行なうことがで
きる。

また、Ｘ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１０の各
バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂ
を構成する２枚の圧電素子Ａ，Ｂを中央電極２２を介し
て貼り合わせるとともに、各圧電素子Ａ，Ｂの外面に分
割電極１８ａ，１９ａ，２０ａ，２１ａ、１８ｂ，１９
ｂ，２０ｂ，２１ｂをそれぞれ並設し、各バイモルフ型
圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂの電極を分割
させてバイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，
１３ｂの変位量を増幅する変位量増幅手段を構成するこ
とにより、各バイモルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１
３ａ，１３ｂに電圧が印加された場合に各バイモルフ型
圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂを形成してい
る２枚の圧電素子Ａ，Ｂの両端側では一方の圧電素子Ａ
が長さ方向に伸びると同時に他方の圧電素子Ｂが長さ方
向に縮む方向に変形させるとともに、この両端側変形部
の内側部分では圧電素子Ｂが長さ方向に伸びると同時に
圧電素子Ａが長さ方向に縮む方向に変形させて、各バイ
モルフ型圧電素子１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂ全体
を略弓なり状に変形させることができる。そのため、テ
ーブル４のＸ方向およびＹ方向の変位量（ストローク）
を比較的大きくすることができるので、試料３の表面形
状の測定時における保持テーブル４の走査領域の拡大を
図ることができる。

また、微動機構９，１０によってテーブル４を水平面に
沿って互いに直交する２方向に２次元に微小変位させる
ことができるので、試料３の表面の微細構造を精度よく
測定させることができる。

さらに、探針２９を鉛直方向に沿って駆動させるように
したので、テーブル４の試料保持面を水平面に沿って配
置することができる。そのため、探針２９を水平方向に
駆動させる場合のようにテーブル４の試料保持面に試料
３を格別に強固に固定する必要がないので、テーブル４
の試料保持面に装着される試料３の取扱いを容易化する
ことができ、テーブル４の試料保持面に装着できる試料
３の大きさ、厚さ、重量等が制限されることを防止する
ことができる。

また、チルトステージ２７により試料の傾きの補正を行
なうことができるので、大きな範囲の観察領域で測定を
行なう場合に試料の傾きにより、試料が測定中にＺ方向
の微動機構の測定範囲から外れてしまうことを防止する
ことができる。そのため、傾きのある試料に対しても大
きな範囲の測定を行なうことができる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば、Ｘ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１
０は第９図乃至第１１図に示す構成にしてもよい。

第９図中で、５１は微動機構の本体である。この微動機
構本体５１の中央には試料３の保持テーブル４、このテ
ーブル４の周囲には互いに所定間隔離間させた状態で３
層に積層された略矩形枠状の枠体５２，５３，５４がそ
れぞれ配置されている。また、外側の第１の枠体５２に
はテーブル４のＸ方向（またはＹ方向）に沿う一対の対
向壁面に圧電素子取付け用開口部５５ａ，５５ｂがそれ
ぞれ形成されている。これらの開口部５５ａ，５５ｂに
はテーブル４のＸ方向（またはＹ方向）両側に平行に離
間対向配置させた一対のバイモルフ型圧電素子５６ａ，
５６ｂがそれぞれ配設されている。この場合、バイモル
フ型圧電素子５６ａ，５６ｂはその両端部が開口部５５
ａ，５５ｂの両端部間に架設状態で装着され、両端支持
構造になっている。そして、この第１の枠体５２によっ
て一対のバイモルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂの両端部
間を連結させる第１の支持フレームが形成されている。

また、バイモルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂは第１０図
に示すように電圧を印加すると長さ方向に伸縮する２枚
の圧電素子Ａ，Ｂを貼り合わせて形成されており、一方
を伸ばすと同時に他方を縮めることにより、屈曲変位を
発生させるものである。なお、第１１図はバイモルフ型
圧電素子５６ａ，５６ｂの電極構造を示すもので、第１
１図中の各圧電素子Ａ，Ｂの矢印は分極方向を示す。

さらに、第１の枠体５２の内側の第２の枠体５３にはテ
ーブル４のＸ方向（またはＹ方向）に沿う一対の対向壁
面の略中央部位にバイモルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂ
側に向けて突設された突起部５７ａ，５７ｂが形成され
ている。これらの突起部５７ａ，５７ｂにはバイモルフ
型圧電素子５６ａ，５６ｂにおける長手方向略中央部位
が固定され、両端支持構造になっている。

また、第２の枠体５３にはバイモルフ型圧電素子５６
ａ，５６ｂと同一構成のバイモルフ型圧電素子５８ａ，
５８ｂがテーブル４のＸ方向（またはＹ方向）両側に平
行に離間対向状態で配設されている。この場合、バイモ
ルフ型圧電素子５８ａ，５８ｂはその両端部が第２の枠
体５３の支持突起５９ａ，５９ａ間に架設状態で装着さ
れ、両端支持構造になっている。そして、この第２の枠
体５２によって一対のバイモルフ型圧電素子５８ａ，５
８ｂの両端部間を連結させる第２の支持フレームが形成
されている。

さらに、第２の枠体５３の内側の第３の枠体５４にはテ
ーブル４のＸ方向（またはＹ方向）に沿う一対の対向壁
面の略中央部位にバイモルフ型圧電素子５８ａ，５８ｂ
側に向けて突設された突起部６０ａ，６０ｂが形成され
ている。これらの突起部６０ａ，６０ｂにはバイモルフ
型圧電素子５８ａ，５８ｂにおける長手方向略中央部位
が固定されている。

また、第３の枠体５４にはバイモルフ型圧電素子５８
ａ，５８ｂと同一構成のバイモルフ型圧電素子６１ａ，
６１ｂがテーブル４のＸ方向（またはＹ方向）両側に平
行に離間対向状態で配設されている。この場合、バイモ
ルフ型圧電素子６１ａ，６１ｂはその両端部が第３の枠
体５４の支持突起６２ａ，６２ｂ間に架設状態で装着さ
れ、両端支持構造になっている。そして、この第３の枠
体５３によって一対のバイモルフ型圧電素子６１ａ，６
１ｂの両端部間を連結させる第３の支持フレームが形成
されている。

さらに、第３の枠体５３の内側のテーブル４にはＸ方向
（またはＹ方向）に沿う一対の対向壁面の略中央部位に
バイモルフ型圧電素子６１ａ，６１ｂ側に向けて突設さ
れた突起部６３ａ，６３ｂが形成されている。これらの
突起部６３ａ，６３ｂにはバイモルフ型圧電素子６１
ａ，６１ｂにおける長手方向略中央部位が固定されてい
る。

そして、この微動機構本体５１は各バイモルフ型圧電素
子５６ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂに
電圧が印加されない不動作状態では第１０図および第１
１図中に実線で示すように各バイモルフ型圧電素子５６
ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂがそれぞ
れ略直線状の通常状態で保持されるようになっており、
この状態ではテーブル４は中央の中立位置で保持される
ようになっている。

また、微動機構本体１１は各バイモルフ型圧電素子５６
ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂに電圧が
印加された場合には各バイモルフ型圧電素子５６ａ，５
６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂ全体が第１の実
施例と同様に第１０図中に仮想線で示すように略弓なり
状に変形する。この場合、Ｘ方向微動機構９は各バイモ
ルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１
ａ，６１ｂがそれぞれテーブル４のＸ方向に沿って並設
されているので、外側のバイモルフ型圧電素子５６ａ，
５６ｂの変形によって第１の枠体５１に対して第２の枠
体５２がテーブル４のＸ方向にｘ_１だけ変位し、同様に
バイモルフ型圧電素子５８ａ，５８ｂの変形によって第
２の枠体５２に対して第３の枠体５３がテーブル４のＸ
方向にｘ_２だけ変位し、バイモルフ型圧電素子６１ａ，
６１ｂの変形によって第３の枠体５２に対してテーブル
４がＸ方向にｘ_３だけ変位する。したがって、テーブル
４は第１の枠体５１に対してテーブル４のＸ方向にｘ_１
＋ｘ_２＋ｘ_３だけ変位するようになっている。

また、Ｙ方向微動機構１０は各バイモルフ型圧電素子５
６ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂがそれ
ぞれテーブル４のＹ方向に沿って並設されているので、
外側のバイモルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂの変形によ
って第１の枠体５１に対して第２の枠体５２がテーブル
４のＹ方向にｙ_１だけ変位し、同様にバイモルフ型圧電
素子５８ａ，５８ｂの変形によって第２の枠体５２に対
して第３の枠体５３がテーブル４のＹ方向にｙ_２でけ変
位し、バイモルフ型圧電素子６１ａ，６１ｂの変形によ
って第３の枠体５２に対してテーブル４がＹ方向にｙ_３
だけ変位する。したがって、テーブル４は第１の枠体５
１に対してテーブル４のＹ方向にｙ_１＋ｙ_２＋ｙ_３だけ
変位するようになっている。

そこで、上記構成のものにあってはＸ方向微動機構９お
よびＹ方向微動機構１０の各バイモルフ型圧電素子５６
ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂをテーブ
ル４のＸ方向およびＹ方向に沿ってそれぞれ３段に並設
させ、バイモルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂ、５８ａ，
５８ｂ、６１ａ，６１ｂの変形時には各段のバイモルフ
型圧電素子５６ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，
６１ｂの変形によるテーブル４のＸ方向およびＹ方向の
変位量を順次積層させた状態でテーブル４を変位させる
ようにしたので、試料３の表面形状の測定時における保
持テーブル４の走査領域の拡大を図ることができる。

さらに、第９図乃至第１１図に示す実施例ではＸ方向微
動機構９およびＹ方向微動機構１０の各バイモルフ型圧
電素子５６ａ，５６ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１
ｂをテーブル４のＸ方向およびＹ方向に沿ってそれぞれ
３段に並設させ、バイモルフ型圧電素子５６ａ，５６
ｂ、５８ａ，５８ｂ、６１ａ，６１ｂの変形時には各段
のバイモルフ型圧電素子５６ａ，５６ｂ、５８ａ，５８
ｂ、６１ａ，６１ｂの変形によるテーブル４のＸ方向お
よびＹ方向の変位量を順次積層させた状態でテーブル４
を変位させる構成のものを示したが、バイモルフ型圧電
素子の積層段数をさらに増加させてもよく、この場合に
はテーブル４のＸ方向およびＹ方向の走査領域をさらに
拡大させることができる。

また、上記実施例ではＸ方向微動機構９およびＹ方向微
動機構１０をそれぞれ別個に設け、これらを上下２段に
積み重ねた構成のものを示したが、第１２図に示すよう
にＸ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１０を単一の
微動機構本体７１内に組込み、この微動機構本体７１に
よってテーブル４を互いに直交する２方向（Ｘ方向とＹ
方向）に２次元に走査する構成にしてもよい。この場
合、Ｘ方向微動機構９を形成する各段のバイモルフ型圧
電素子７２ａ，７２ｂ、７３ａ，７３ｂ、７４ａ，７４
ｂはテーブル４のＸ方向に沿って並設されているととも
に、Ｙ方向微動機構１０を形成する各段のバイモルフ型
圧電素子７５ａ，７５ｂ、７６ａ，７６ｂ、７７ａ，７
７ｂはテーブル４のＹ方向に沿って並設されている。そ
して、微動機構本体７１の動作時にはＸ方向微動機構９
を形成する各段のバイモルフ型圧電素子７２ａ，７２
ｂ、７３ａ，７３ｂ、７４ａ，７４ｂの変形にともなう
Ｘ方向の変位量ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３が操作アーム７８，７
９，８０を介して順次積層されてテーブル４に伝達され
るとともに、Ｙ方向微動機構１０を形成する各段のバイ
モルフ型圧電素子７５ａ，７５ｂ、７６ａ，７６ｂ、７
７ａ，７７ｂの変形にともなうＹ方向の変位量ｙ_１，ｙ
_２，ｙ_３が操作アーム８１，８２，８３を介して順次積
層されてテーブル４に伝達されるようになっている。

さらに、Ｚ軸機構６の微動機構３０として上記実施例の
Ｘ方向微動機構９およびＹ方向微動機構１０と同様の構
成にしてもよい。この場合には探針２９の上下方向の移
動量を増大させることができる。

さらに、その他この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形実施できることは勿論である。

［発明の効果］ この発明によればバイモルフ型圧電素子の変位動作にと
もないテーブルを水平面に沿って互いに直交する２方向
に２次元に微小変位させるテーブル微動機構と、このテ
ーブル微動機構の駆動方向と同方向にテーブル微動機構
による変位量よりも大きな変位量でテーブルを粗動させ
るテーブル粗動機構とをテーブル駆動機構に設けたの
で、試料表面の観察領域を拡大させることができるとと
もに、試料表面の微細構造を精度よく測定することがで
き、かつ試料の大きさ等の制限を低減することができ
る。

さらに、バイモルフ型圧電素子の両端部に固定部側との
固定部、バイモルフ型圧電素子の中央部位にテーブル側
との連結部を設け、バイモルフ型圧電素子を両端支持構
造にしたので、試料を保持するテーブルの支持剛性を高
め、試料表面の測定動作を安定に行なうことができる。

また、バイモルフ型圧電素子の電極を分割させてバイモ
ルフ型圧電素子の変位量を増幅する変位量増幅手段を設
けたので、テーブル微動機構による変位量を拡大して試
料表面の観察領域を拡大させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第８図はこの発明の一実施例を示すもので、
第１図は走査型トンネル顕微鏡装置全体の概略構成を示
す側面図、第２図は微動機構を示す斜視図、第３図はバ
イモルフ圧電素子の変形動作を説明するための側面図、
第４図は圧電素子外面の電極の並設状態を示す平面図、
第５図はバイモルフ圧電素子の各電極の配線状態を示す
概略構成図、第６図は制御回路を示す概略構成図、第７
図はチルトステージの斜視図、第８図はチルトステージ
の一部を破断して示す側面図、第９図乃至第１１図はこ
の発明の別の実施例を示すもので、第９図は微動機構を
示す平面図、第１０図はバイモルフ圧電素子の変形動作
を説明するための概略構成図、第１１図は第１０図の一
部を拡大した状態を示す要部の概略構成図、第１２図は
この発明のさらに別の実施例を示す要部の平面図、第１
３図はトライポッドを示す斜視図、第１４図はチューブ
スキャナを示す斜視図である。 ３……試料、４……テーブル、５……テーブル駆動機
構、６……Ｚ軸機構、８……微動機構、９……Ｘ方向微
動機構、１０……Ｙ方向微動機構、１２ａ，１２ｂ，１
３ａ，１３ｂ……バイモルフ型圧電素子、１８ａ，１８
ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ
……分割電極、２４……粗動機構、２５……Ｘ方向粗動
機構、２６……Ｙ方向微動機構、２９……探針。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 文彦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 林 正和 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 安永 民好 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 内田 順三 静岡県富士市蓼原336番地 株式会社東芝 富士工場内 審査官 新井 重雄 (56)参考文献 特開 昭63−281002（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−266882（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−285776（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−174362（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を保持するテーブルを互いに直交する
   ２方向に２次元に走査するテーブル駆動機構および前記
   テーブル上の試料に対向配置される微小電流検出用の探
   針を前記テーブルの走査方向に対し垂直方向に駆動する
   探針駆動機構を備え、前記テーブル上の試料に対して前
   記探針を両者の電子雲が重なり合う程度まで接近させ、
   両者間に電位差を加えた際に流れるトンネル電流を一定
   に保持させる状態で前記テーブルの走査にともない前記
   探針を前記テーブルの走査方向に対し垂直方向に駆動し
   て前記テーブル上の試料の表面形状を測定する走査型ト
   ンネル顕微鏡装置において、 バイモルフ型圧電素子の変位動作にともない前記テーブ
   ルを水平面に沿って互いに直交する２方向に２次元に微
   小変位させるテーブル微動機構と、このテーブル微動機
   構の駆動方向と同方向に前記テーブル微動機構による変
   位量よりも大きな変位量で前記テーブルを粗動させるテ
   ーブル粗動機構とを前記テーブル駆動機構に設けるとと
   もに、前記テーブル微動機構には前記バイモルフ型圧電
   素子の両端部に前記テーブル粗動機構側との固定部、前
   記バイモルフ型圧電素子の略中央部に前記テーブル側と
   の連結部を設け、かつ前記バイモルフ型圧電素子の前記
   両端部間の複数箇所の所定部位での分極方向を予め定め
   ておき、更に前記所定部位に対応して前記バイモルフ型
   圧電素子の電極を分割させて前記電極に電圧を印加する
   ことによって前記バイモルフ型圧電素子の前記両端部間
   の部分を略弓形に変形させて前記バイモルフ型圧電素子
   の変位量を増幅する変位量増幅手段を設けたことを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡装置。