JPH0694409A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡の分解能を向上させる
こと。 【構成】 標本２からの光束を集光し標本の像を形成す
る対物レンズ３，４と、標本面２を走査しつつトンネル
電流を検出する探針１と、標本と標本の像との間に設け
られその探針１を支持する支持部材８とを備える。探針
１を支持する支持部材８をガラスより剛性の大きな材料
により構成すると共に、支持部材８に、前記平行光束を
通過させる円形の透光孔８ａを該支持部材と光軸との交
点を中心とした所定の半径を持つ円の円周上に対称に偶
数個穿設する。 【効果】 回折による悪影響を防止しつつ探針１の強固
な支持を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学顕微鏡により探針
の先端と標本の表面とを同時に観察することができる走
査型トンネル顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型トンネル顕微鏡としては、
例えば、特開平２−１６４０３号公報に開示された図４
または図５に示すようなものがあった。

【０００３】すなわち、図４に示すものは、対物レンズ
４３にトンネル電流検出用の探針４１を一体的に固設
し、この探針４１からの微弱電流を導電膜４３ａを通し
て検出するものである。

【０００４】また、図５に示すものは、対物レンズ５３
と標本５２との間に、光学像を変化させない平面ガラス
５８を配し、この平面ガラス５８に探針５１を取り付け
たものである。また、この平面ガラス５８は対物レンズ
５３を支える金物や顕微鏡本体に取り付けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来の走査型トンネル顕微鏡にあっては、前記のように
探針を支える部材がガラス（レンズ）により構成されて
いるため探針の支持強度が必ずしも十分ではなく、しか
も探針が顕微鏡本体側へ取り付けられているため、顕微
鏡本体の振動が探針に伝わり、この振動により顕微鏡の
分解能が低下するとの問題があった。

【０００６】ところで、前記探針の支持強度不足に伴う
問題を解消するために、探針の支持部材として金属板や
セラミック板などを用いたものが考えられる。このよう
な顕微鏡では、標本からの光軸の中心に探針を支持する
と共に標本からの光束を対物レンズに向け通過させるた
めに該支持板を図６（斜線部）に示すような形状を有す
るものが考えられる。

【０００７】しかし、このような顕微鏡では、標本を観
察した場合に、スパイダと称される突起や黒い十字模様
が映ってしまう等、前記支持部材６８での回折光により
標本像が著しく劣化してしまうとの問題があった。

【０００８】本発明は、堅牢な支持機能と回折による悪
影響を防止するとの双方の機能を併せ持つ探針の支持構
造を得ることにより従来のこの種の顕微鏡における前記
諸問題点を解決し、高い分解能を備えた走査型トンネル
顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明は、標本からの光束を集光して該標本の像を形成
する対物レンズと、標本面を走査しつつトンネル電流を
検出する探針と、前記標本と前記標本の像との間に設け
られ該探針を支持する支持部材とを備え、前記探針を支
持する支持部材をガラスより剛性の大きな材料により構
成すると共に、該支持部材に、前記光束を通過させる円
形の透光孔を該支持部材と光軸との交点を中心とした所
定の半径を持つ円の円周上に対称に偶数個穿設したこと
を特徴とする。

【００１０】さらに、上記の基本構成に基づいて、対物
レンズは、標本からの光束を平行光束に変換する第１対
物レンズと、その平行光束を集光して光源像を形成する
第２対物レンズとを有し、支持部材は、第１対物レンズ
と第２対物レンズとの間に配置されることが望ましい。

【００１１】

【作用】このように本発明においては、前記探針を支持
する支持部材が光学顕微鏡本体と分離独立して設けられ
ているため、光学顕微鏡本体からの振動の影響を何ら受
けない。しかもこの支持部材はガラスより剛性の大きな
材料により構成されているため、探針に伝わる顕微鏡本
体からの振動を従来より格段に小さく抑えることができ
る。したがって顕微鏡の分解能を従来より向上させるこ
とができる。前記支持部材は、本発明の目的を達成する
ために、例えば金属やセラミックにより構成することが
好ましい。

【００１２】また、この支持部材は、前述のように該支
持部材と光軸との交点を中心とした円の円周上に対称に
偶数個の円形の透光孔を有しているので、回折光の発生
を抑えつつ前記標本からの光束を通過させることができ
る。

【００１３】上記の対物レンズを、標本からの光束を平
行光束に変換する第１対物レンズとその平行光束を集光
して光源像を形成する第２対物レンズとを有する構成に
し、この２つの対物レンズとの間に支持部材を配置した
場合には、対物レンズのワーキングディスタンス（作動
距離）を大きく取れる利点がある。さらに、第１対物レ
ンズのみを光軸方向へ移動可能に設ければ、光学顕微鏡
の焦点深度内に探針の先端を位置させるための調整が極
めて容易にできる。

【００１４】然も、この場合において落射照明した場合
にはその光路特性は図３に示すように、標本２からの反
射光１３が照明光１２とは光軸を中心として対称に反射
されるものとなるが、本発明では第１対物レンズ３の上
方に設けられた前記透光孔８ａが支持部材と光軸との交
点を中心とした円の円周上に対称に偶数個配設されてい
るため、標本２からの反射光を効果的に捉えることがで
きる。さらに、フレアも少なく抑えることが可能であ
る。尚、第１対物レンズと第２対物レンズとの間に支持
部材を設けた場合、この第１対物レンズの中心部には、
探針を介すために、光軸方向へ貫通する貫通孔を穿設す
ることが望ましい。

【００１５】以上のように本発明では、前記探針の支持
部材が堅牢な支持機能と回折による悪影響を防止すると
の双方の機能を併せ持つ。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例を図面に基き説明する。図１
乃至図２は本発明の一実施例の構成を示す説明図である
が、図１は該実施例に係る走査型トンネル顕微鏡の全体
構成を概略的に示した説明図であり、図２は該実施例の
要部である探針の支持部材の構成を示した平面図であ
る。

【００１７】図１に示すように、本実施例に係る走査型
トンネル顕微鏡は、探針１を走査して標本表面２の凹凸
を観察することができるもので、補助的に光学顕微鏡が
設けられ、この光学顕微鏡により探針１の先端と標本面
２とを同時に観察することができるものである。

【００１８】光学顕微鏡は、標本２からの光束を平行光
束に変換する第１対物レンズ３と、該平行光束を集光す
る第２対物レンズ４とを備えている。また、この光学顕
微鏡には、像面５と第２対物レンズ４との間の光軸上に
設けられたハーフミラー６と照明装置７とからなる落射
光学系が設けられている。

【００１９】一方、標本表面を走査する探針１は、第１
対物レンズ３の中心を接触することなく貫通すると共
に、顕微鏡本体とは別体の支持台９に固定された支持部
材８により支持されている。この支持部材８は、ガラス
より剛性の大きな金属により構成されている。

【００２０】尚、第１対物レンズ３は、光学顕微鏡の焦
点深度内に探針の先端を位置させるための調整ができる
ように、光軸方向へ移動可能に設けられている。ここ
で、探針１は、先端には探針部、この探針以外はチュー
ブスキャナー部を有しており、このチューブスキャナー
部は、標本表面２と探針部とを相対的に微小変位（走
査）させるために、これの内周面及び外周面にはピエゾ
素子が設けられている。そして、このピエゾ素子の電極
に不図示の駆動装置により電圧が印加されると、探針１
は標本表面２を２次元的に微小走査する。

【００２１】また、支持部材８には、照明装置７からの
照明光及び標本面２からの反射光を通過させるために、
図２に示すように、６個の透光孔８ａが穿設されてい
る。これらの透光孔８ａは、光軸との交点を中心とした
所定の半径を持つ仮想円Ｃの円周上に沿って６０°の角
度を隔て等間隔、かつ同図に破線で示す対物レンズの有
効径８ｂに接するか又はやや内側に納まるように配設さ
れている。

【００２２】なお、支持部材８での光束の非透過域（斜
線領域）には、不図示であるが、探針１の先端の探針部
からのトンネル電流をチューブスキャナー部を介して取
り出すためのケーブル等が設けられている。

【００２３】ここで、好ましくは、前記各透光孔８ａの
直径ｄを、対物レンズの有効径をＤとした場合に、次式
を満たすものとする。

【００２４】０．３１≦ｄ／Ｄ≦０．３２…（式１）

【００２５】例えば、対物レンズの有効径が３０ｍｍの
場合には、透光孔８ａの直径を９．５ｍｍ程度とするこ
とが良い。

【００２６】透光孔８ａを前記式１を満たすような寸法
に設計することにより、支持部材８を通過する有効光束
を十分に確保すると同時に支持部材中央に支持される探
針１に対し十分な支持強度を与えることが可能となる。

【００２７】本実施例の走査型トンネル顕微鏡では、前
述のように構成された支持部材８により探針１が支持さ
れているため、回折光による影響を小さくすることがで
きると共に、反射照明による標本からの反射光を効率よ
く通過させることが可能となる。

【００２８】また、支持部材８に透光性を有する材料を
用いる必要がなくなるので、前記のように剛性の高い金
属や各種合金等により該支持部材を構成することにより
探針１に伝わる顕微鏡本体からの振動を小さく抑え、顕
微鏡の分解能を従来より向上させることが可能となる。

【００２９】さらに、本発明は、ガラス板により探針を
支持していた前記従来の顕微鏡と異なり、支持部材８を
通過する光束は該部材に穿設された透光孔８ａを通過
し、この光路部分は空気であるため、光学設計上の制限
が少なくなり、設計の自由度が増大する。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
堅牢な支持機能と回折による悪影響を防止するとの双方
の機能を実現した探針の支持構造を得ることができるの
で、高い分解能を有する走査型トンネル顕微鏡を得るこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成を示す説明図であ
る。

【図２】本発明の一実施例の要部の構成を示す説明図で
ある。

【図３】落射照明を備えた走査型トンネル顕微鏡の光路
特性を示す説明図である。

【図４】従来の走査型トンネル顕微鏡の構成を示す説明
図である。

【図５】同じく、従来の走査型トンネル顕微鏡の構成を
示す説明図である。

【図６】従来の走査型トンネル顕微鏡の要部の構成を示
す説明図である。

【符号の説明】

１，４１，５１ 探針 ２，４２，５２ 標本 ３ 第１対物レンズ ４ 第２対物レンズ ５ 像面 ６ ハーフミラー ７ 照明装置 ８，６８ 探針の支持部材 ８ａ 透光孔 ８ｂ 対物レンズの有効径 ９ 支持台 １２ 照明光 １３ 反射光 ４３，５３ 対物レンズ ４３ａ 導電膜 ５８ 平面ガラス 尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 標本からの光束を集光して該標本の像を
   形成する対物レンズと、標本面を走査しつつトンネル電
   流を検出する探針と、前記標本と前記標本の像との間に
   設けられ該探針を支持する支持部材とを備え、 前記探針を支持する支持部材をガラスより剛性の大きな
   材料により構成すると共に、 該支持部材に、前記光束を通過させる円形の透光孔を該
   支持部材と光軸との交点を中心とした所定の半径を持つ
   円の円周上に対称に偶数個穿設したことを特徴とする走
   査型トンネル顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記対物レンズは、前記標本からの光束
   を平行光束に変換する第１対物レンズと、該平行光束を
   集光して前記光源像を形成する第２対物レンンズとを有
   し、 前記支持部材は、前記第１対物レンズと前記第２対物レ
   ンズとの間に配置されたことを特徴とする請求項１記載
   の走査型トンネル顕微鏡。