JPH0820246B2

JPH0820246B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH0820246B2
Application number: JP63506701A
Authority: JP
Inventors: 千秋佐藤; 喜代三越石; 貞夫重富; 周三三島; つぎ子高瀬
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH01502661A; EP0406413A4; EP0406413A1; EP0640829A2; EP0640829B1; EP0640829A3; WO1989001603A1; US6127681A; DE3856575D1; DE3854620T2; EP0406413B1; DE3854620D1; DE3856575T2

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、探触針を試料表面に限りなく、例えば5n
mに接近させ、探触針と試料表面間に生じる物理量（例
えば、トンネル電流や、原子間力、光子量等）の変化を
検出・測定して、画像化する走査型プローブ顕微鏡に関
するものである。

従来の技術上記走査型プローブ顕微鏡は、探触針を試料表面に限
りなく接近させて、探触針と試料表面間に生じる物理量
の変化を検出することにより、試料の表面形状をナノメ
ータレベルで観測することができる装置として、注目さ
れている。

この走査型プローブ顕微鏡の中で、探触針と試料表面
の間に流れるトンネル電流を検出・測定して、試料表面
を観察する装置は、走査型トンネル顕微鏡（STM）と呼
ばれ、このSTMは、従来の顕微鏡と異なり、試料内に束
縛されている電子を検出することが可能であり、原子配
列を実空間で観測できるきわめて特徴的な表面観察装置
である。

このようなSTMの動作原理を以下に説明する。

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、これらからしみ出している電子雲が僅かに重
なり合う程度に接近させ、さらに探触針と試料との間に
電圧（トンネル電圧）を印加して、探触針から試料へと
トンネル電流を流す。そして、このトンネル電流を一定
に保つように前記ｚ方向アクチュエータをサーボ動作し
ながら、xy方向アクチュエータにより、探触針と試料と
を相対的に面方向に移動して二次元的走査をする。この
とき、探触針をサーボ動作するｚ方向アクチュエータへ
のサーボ電圧を読取り、画像表示することにより試料の
表面観察をおこなう。即ち、探触針が試料表面上を走査
し、この表面の段差に到達するとトンネル電流が増加す
るので、トンネル電流が一定値（もとの値）になるま
で、ｚ方向アクチュエータにより探触針を試料より離
す。この探触針の移動が表面の段差に対応するので、こ
の走査を繰り返しながら、サーボ電圧を読取ることによ
り、試料の表面像が得られる。

上記トンネル電流J_Tは次式で表わされる。

J_T∞exp（−Ａ・Φ^1/2・Ｓ）ここで、A:定数、 Φ：探触針と試料の仕事関数の平均 S:探触針と試料との間の距離従って、トンネル電流J_tは距離Ｓに対して極めて敏感
に変化し、原子スケールの分解能が得られる。

上記のように、STMは極めて高分解能で物質の表面像
が得られる。また、これまでの電子線回析、イオン散乱
などの方法により得られた逆格子空間像とは異なり、原
子の配列を実空間で観測できるという特徴を有してい
る。さらに、探触針と試料との間に印加する電圧は、試
料の仕事関数以下の値であり、検出されるトンネル電流
はnAオーダーであるため使用電力が低く、試料を損傷す
る事も少ないという特徴もある。

発明が解決しようとする課題従来のSTMは、実空間で極めて高分解能の表面像が得
られるのにもかかわらず、試料表面上の観察部位を目視
で観察してから上記観察走査をおこなっているために、
観察部位があいまいになり、狭い範囲の特定の部位のみ
の観察には不向きであった。また、STM像と、他の顕微
鏡（光学顕微鏡、電子顕微鏡等）で得られる従来像との
比較ができずSTM観察領域（STM視野）と従来観察視野が
必ずしも一致しないという欠点があった。

つまり、STM像と、光学像のそれぞれの像を一台の装
置で、光学観察像の精度を低下することなく、観察しよ
うとする試みは行われてなかった。

したがって、この発明は上記従来技術の問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的は、探触針により観察
された像と、他の顕微鏡等で得られる光学観察像のそれ
ぞれの像を、光学観察像の精度を低下させることなく、
観察・測定することができる走査型プローブ顕微鏡を提
供することである。

課題を解決するための手段この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡は、試料を保
持する試料保持手段と、この試料に対して軸方向に保持
された探触針と、この試料と探触針とを相対的に駆動す
るアクチュエータ手段と、からなり、試料と探触針との
間に作用する物理量の変化に基づき試料の表面状態を検
出観察する走査型プローブ顕微鏡において、前記探触針
と試料の表面状態とを光学的に観察する試料観察光学系
と、この試料観察光学系と光軸と前記探触針の中心軸と
が、ほぼ一致するように探触針を支持する支持手段とを
有することを特徴とする。

上記構成の走査型プローブ顕微鏡においては、前記探
触針と試料とを光学的に観察する試料観察光学系の光軸
と、探触針の中心軸とが、ほぼ一致するように探触針を
支持する支持手段を有していることにより、探触針及び
試料表面の凹凸が試料観察の邪魔になることがない、実施例以下に、この発明実施例に係わる走査型プローブ顕微
鏡を走査型トンネル顕微鏡の場合について、添付図面を
参照して説明する。尚、以下に説明する各実施例におい
て実質的に同じ機能を有する部材は同じ参照番号を付し
て説明を省略する。

第１の実施例を示す図１並びに図２にて、符号１は基
板を示し、この基板１上にはｚ方向に移動可能に移動ス
テージ２が設けられている。この移動ステージ２上には
STM視野観察光学系（光学顕微鏡）３が、支柱2aによっ
て、固定されている。この系３は、互いに並ぶように配
置された筒状の光源側ハウジング４と観察側ハウジング
５とを有する。光源側ハウジング４内には、光源６が一
端に、第１のプリズム７が他端近くに、そして集光レン
ズ８が途中に、夫々設けられている。一方、観察側ハウ
ジング５内には、結像レンズ９が一端にそして第２のプ
リズム10が他端近くに、夫々設けられている。また、両
ハウジング4,5の他端には、共通に１個の収束レンズ11
（対物レンズ）が取着されている。この収束レンズ11の
中心には透孔11aが形成されている。

上記のような構成のSTM視野観察光学系においては、
光源６から射出された光は、集光レンズ８で集光され、
平行光束となって第１のプリズム７に入射する。入射光
束は、ここで直角に２度反射されて収束レンズ11の一部
を通過する。この結果、光束は、収束レンズ11の前面に
配置された試料12の観察面に収束する。試料12からの反
射光束は、前記収束レンズ11の他部の通って観察側ハウ
ジング５内に入り、第２のプリズム10で光路が変更さ
れ、結像レンズ９で結像される。従って、観察者は、こ
の結像レンズ９を介して、試料の観察面を見ることがで
きる。この系でピントを合せる場合には、移動ステージ
２をｚ方向に移動させて、試料に対して、収束レンズ11
を接離する。もちろん、試料12を収束レンズ11に対して
ｚ方向に移動させても良い。この試料12の移動装置は、
後述する。

図１中、符号20はSTM系を示す。この系20は、前記移
動ステージ２に固定されたアクチュエータ取付台21を有
する。この取次台21には、x,y,z方向に微動可能な３次
元アクチュエータ22が固定されている。このアクチュエ
ータの中心部には、探触針ホルダー23が突設されてお
り、このホルダーには探触針24が取外し可能に、その基
端部で保持されている。この探触針24の先端は、前記収
束レンズ11の中央に形成された透孔11aを貫通して試料1
2側に、その先端が延出している。この探触針24は、前
記透孔11a内を軸方向（ｚ方向）に移動可能なように、
その外径が設定されている。前記探触針ホルダー23に
は、図３に示すように、前端面にワリ23aが形成されて
おり、このワリ23aに探触針24の基端部を圧入すること
により、探触針24を取外し可能に保持する。前記試料12
は、粗動装置30の先端に設けられた試料台31に、前記収
束レンズ11と対面するようにして保持されている。この
粗動装置30は前記基板１に、ブロック1aによって、固定
され、試料台31をｘ方向に粗動可能な、例えば、差動マ
イクロメータにより構成されている。

次に、前記３次元アクチュエータ22を図４並びに図５
を参照して説明する。

図中、符号40は、基板１に固定されたアクチュエータ
取付台21に、一面が取着された、電気絶縁性の板からな
る台座を示し、この他面には正方形の４隅に対応する位
置にそれぞれ配設された４個の共通電極41が固定されて
いる。これら共通電極41間には、それぞれｘ電極42並び
にｙ電極43が、これら電極と共通電極との間に圧電素子
44を介在させて、接続されている。また、中央には、ｘ
電極42並びにｙ電極43に、これらとの間に別の圧電素子
44を介在させるようにして、接続された中央電極45が設
けられている。この中央電極45にはｚ方向に伸縮可能な
圧電素子46が固定されており、この先端面には、絶縁板
47を介して、前記探触針ホルダー23が固定されている。
これら電極並びに圧電素子は、共に立方体をなし、図示
のように前者の方が少し大きなデイメンションを有す
る。また、圧電素子44,は、中央電極45を境として右側
のものと左側のものとでは分極方向が逆になるように配
設されている。例えば、一定の電圧を電極に印加した場
合には、中央電極45の右側に位置する圧電素子44は縮
み、一方左側に位置する圧電素子は伸びるように設定さ
れている。かくして、中央電極45を接地し、ｘ電極42に
Vx＞０の電圧を印加すると、中央電極45は右側に移動
し、逆にVx＜０の電圧を印加すると左側に移動する。こ
の結果、交流電圧をｘ電極に印加することにより、中央
電極45に取着された探触針をｘ方向に振動させることが
できる。同様にして、ｙ電極にVy交流電圧を印加するこ
とにより、探触針をｙ方向に振動させることができる。
なお、この場合、ｘ方向とｙ方向とに同時に振動させる
ためには、４隅に位置する電極にVx＋Vyの交流電圧を印
加する必要がある。上記のような交流電圧の使用によ
り、探触針はxy方向に移動されて、試料12の観察面を走
査することができる。また、トンネル電流を一定に保つ
サーボ動作は、ｚ方向に伸縮可能な圧電素子46に、コン
トロールユニットからのサーボ信号を入力して、試料の
観察面と探触針との間の距離を一定にすることによりお
こなえる。

上記のような構成のSTM系20においては、まず、移動
ステージ２をｚ方向に粗動させて、探触針24を試料12
に、前記光学系３のピント位置よりもさらに、接近させ
る。次に、前記粗動装置30を、トンネル電流が検出でき
るまで、即ち、探触針24と試料12とがトンネル領域に入
るように、微動調節する。そして、この状態で３次元ア
クチュエータ22に上述した信号を与て、探触針22をxy方
向（面方向）並びにｚ方向（軸方向）にトンネル電流を
一定に保ちながら、微動させることにより、試料12の観
察面を走査する。

次に、図６並びに第７図を参照して第２の実施例に係
わる走査型トンネル顕微鏡を説明する。

この実施例で、試料12を保持するための機構並びにST
M視野観察光学系３及び探触針24の粗動駆動機構は、前
記実施例と同じなので、その説明を省略する。

光学系３は光源50並びにこの光源からの光を収束する
ための集光レンズ51を有する。このレンズの前方には、
入射光束を透過光束と90度反射光束とに２分するための
分岐プリズム52が配設されている。このプリズム52の透
過光束側には、入射光束を拡散して反射する凸面鏡53並
びに凸面鏡からの反射光束を試料12の観測面上に集光す
る凹面鏡54が設けられている。この凸面鏡53は透明の支
持板55の後面の中央部に固定されている。尚、前記凹面
鏡54からの反射光束は、前記支持板55の周囲部を透過し
て試料12に入射する。この支持板55の前面には３次元ア
クチュエータ22が固定されており、このアクチュエータ
の先端には探触針24が絶縁板47並びに探触針ホルダー23
を介して支持されている。前記分岐プリズム52の反射側
には、結像レンズが設けられ、この結像レンズ56から、
観察者は、試料12からの凹面鏡54、凸面鏡53並びにプリ
ズム52を介する反射光による試料12の観察面からの顕微
鏡像を観察することができる。

第２の実施例の装置に使用する３次元アクチュエータ
22は第１の実施例と同構造のものでも良いが、ここで
は、別の構造のものを使用している。これを図７を参照
して説明する。

このアクチュエータ22は、３個の圧電素子60,61,62を
有する。第１の圧電素子60は電圧の印加方向と分極方向
とが一致したものであり、両端に設けられた電極63,64
により、矢印方向（ｚ方向）に伸縮する。第２並びに第
３の圧電素子61,62は分極方向に対して直交する方向に
電圧を印加すると、せん断力が働き、分極方向に滑りが
発生する。このような第２並びに第３の圧電素子61,62
を互いに分極方向が直交するように配設し、第２の圧電
素子61と第３の圧電素子62との間並びに第３の圧電素子
62と絶縁板47との間に、夫々電極65,66が設けられてい
る。かくして、第２の圧電素子61は電極64、65間に電圧
を印加することにより、ｙ方向に伸縮可能であり、また
第３の圧電素子62は電極65,66間に電圧を印加すること
により、ｘ方向に伸縮可能である。

上記第２の実施例の装置においても、第１の実施例の
ものと同様の走査をすることにより、試料12をSTM観察
ができると共にこのSTM視野を光学顕微鏡観察すること
ができる。尚、この実施例のように、光学的視野観察光
学系を反射対物レンズ系で構成した場合には、屈折型対
物レンズ系で構成した場合と比較して、W.Dを大きくと
れ、探触針と試料とが接触して、これらを損傷すること
がなく、光学的視野観察ができる。またこのような光学
系は、色収差がなく、焦点位置に波長依存性がないとい
う特徴があるので、不可視光に対する焦点調整が容易に
行なえるという効果もある。

次に、第２の実施例の装置の光学系に、光学的に試料
の観察面の表面形状を測定する機能を付加した例を図８
を参照して説明する。

図８中、符号70は、透明の支持板55と前面が対面する
ようにして固定された別の透明の支持板を示す。この支
持板70の後面には第１の分岐プリズム71が固定されてい
る。このプリズム71の側方には、集光レンズ72を介し
て、光源73が設けられている。この光源73から射出され
た光は、集光レンズ72により、集光されて第１の分岐プ
リノズム71に入射し、これにより90度反射されて、凸面
鏡53,凹面鏡54を順次介して試料12を照射する。この試
料12からの反射光束は凹面鏡54、凸面鏡53を介して、第
１の分岐プリズム71に入射する。この分岐プリズム71の
透過側には第２の分岐プリズム74が、また、このプリズ
ム74の反射側には接眼レンズ75が夫々設けられてい。か
くして、第１の分岐プリズム71に入射した前記反射光束
は第２の分岐プリズムにより、一部反射されて接眼レン
ズ75に導かれる。この結果、前記第２の実施例と同様に
観察者は、接眼レンズ75を通して、試料12の観察面を顕
微鏡観察することができる。

次に、第２の分岐プリズム74の透過側に設けられた、
表面形状測定装置を説明する。こ装置は、第２の分岐プ
リズム74の透過側に、λ/4板76を介して、設けられた第
３の分岐プリズム77を有する。この第３の分岐プリズム
77の側方には、集光レンズ78を介して、レーザダイオー
ド79が設けられている。また、この第３の分岐プリズム
77の透過側には、偏光ビームスプリッタを構成する第４
の分岐プリズム80が設けられている。この第４の分岐プ
リズム80の反射側には、第１の臨界角プリズム81を介し
て、第１のフォトダイオード82が、また透過側には第２
の臨界角プリズム83を介して、第２のフォトダイオード
84が、夫々設けられている。

上記構成の表面形状計測装置の作用を以下に説明す
る。

まず、レーザダイオード79から射出された光束は、集
光レンズ78により平行光束にされて第３の分岐プリズム
77に入射し、ここで90度反射される。この反射光束はλ
/4板76を透過し、第２の分岐プリズム74,第１の分岐プ
リズム71、凸面鏡53,凹面鏡54を介して試料12に入射
し、この観察面上に微小なスポットを形成する。この観
察面からの反射光束は、入射光束と逆の光路を通ってλ
/4板76に入射し、さらに第３の分岐プリズム77を透過す
る。この光束は第３の分岐プリズム77によりｐ偏光さ
れ、第４の分岐プリズム80に入射し、ここで２分され
る。一方の光束は第１の臨界角プリズム81を介して、第
１のフォトダイオード82に、また他方の光束は第２の臨
界角プリズム83を介して、第２のフォトダイオード84
に、夫々入射する。このような装置においては、第１並
びに第２の臨界角プリズム81,83に夫々入射する光束が
試料12の観察面の凹凸により、入射角が異なり、臨界角
を越えて入射する光束はプリズム81,83外に出るので、
フォトダイオード82,84での検出光量に変化が生じ、か
くして試料12の観察面上の凹凸情報を光学的に得ること
ができる。

上記光学的形状測定装置の原理を、図９を参照して簡
単に説明する。

試料の観察面（測定面）ａが対物レンズｂ（凸面鏡と
凹面鏡に対応する）の焦点位置にあるとき、対物レンズ
ｂを通過した反射光は平行光束となって臨界角プリズム
ｃに入射する。この時、プリズムｃの反射面と入射光と
のなす角が臨界角となるように光学系を設定しておく。
一方、観察面ａが対物レンズｂ側（点線Ａで示す位置）
に位置する場合には、観察面ａからの反射光は、対物レ
ンズｂにより発散光束となり、また逆に、焦点位置より
遠い位置（点線Ｃで示す位置）にある場合には収束光束
となる。これらの場合、中心光線のみが臨界角でプリズ
ムｃに入射し、中心から一方にずれている光束は、入射
角が臨界角よりも小さくなって光の一部が屈折し、プリ
ズムｃ外に射出し、残りの光が反射する。さらに他方に
ある光束は、入射角が臨界角よりも大きくなり、全反射
する。以上のような動作を行わせることにより、２分割
フォトダイオードｄに入射する光束の光量が左右のフォ
トダイオードの検出面で異なり、この結果これらに入力
側が接続された作動アンプｅを介して、出力端子ｆから
誤差信号が得られる。従って、光学的に対物レンズｂの
焦点位置を検出することにより、観察面の凹凸情報を得
ることができる。さらに、観察面をxy方向に所定の範囲
走査することにより、観察面の３次元像が得られる。

図８並びに図９に示した実施例では、試料表面の微小
変位の測定、即ち、変位測定光学系の一例として臨界角
法を説明したが、変位測定光学系は、特に、臨界角法に
かぎることなく焦点検出方式を応用した公知の光学系が
使用可能である（米国特許第4,726,685号公報、第4,73
2,485号公報参照）。例えば、非点収差法を利用した光
学系を使用することができる。

図10に示す走査型トンネル顕微鏡は、図２に示すもの
に、凹面鏡からなる監視装置100を設け、探触針24と試
料12との接近の程度を容易に観察できるようにしたもの
である。この凹面鏡は、３次元アクチュエータ22と粗動
装置30との中間に位置するようにして基板１に固定さ
れ、凹面鏡の焦点内に探触針24と試料12とが位置するよ
うに凹面を上に向けて配設され、拡大正立虚像を凹面鏡
を介して観察することにより、上記接近の程度を知るこ
とを可能にしている。

上記各実施例の装置において、光学顕微鏡観察の場
合、観察倍率の偏光は接眼レンズによっておこなえる
が、対物レンズ側をレボルバー方式にしてもよい。

図６並びに図８に示す、実施例のように、光学系視野
観察光学系を反射対物レンズ系で構成した場合には、探
触針24が試料12と接触すると、探触針24と一緒に移動す
る凸面鏡53と、固定されている凹面鏡54との間隔が狂っ
て光学顕微鏡像が劣化する恐れがある。このような場合
は、凸面鏡53と凹面鏡54とを一体的に形成すれば良く、
その例を以下に説明する。

図11に示すものは、図６に示す装置で、レンズ系だけ
を上記思想に沿って変形したものである。図11におい
て、符号55は前面並びに後面が共に所定の曲率を有する
透明の石英板を示し、この後面に高反射率を蒸着膜を中
央部を除いて蒸着することにより、凹面鏡54が形成され
ている。この石英板55の前面中央部には円形凹所が形成
されており、この凹所内に、後面に凸面鏡53が、凹面鏡
54と同方法により形成された透明の石英支持体57が挿
入、固定されている。この支持体の前面には、探触針24
を駆動する３次元アクチュエータ22が固定さている。こ
の結果、凸面鏡53並びに凹面鏡54は石英板55と一体的に
形成されているので、これらの間隔は、探触針24が試料
12に接触しても狂うことがない。このような構成におい
ては、凸面鏡53の曲率半径は凹面鏡54の曲率半径よりも
小さくなるように、また石英板55の前面の内、支持体57
が設けられていない面の曲率は凸面鏡53の曲率と同じに
なるように設定されている。

上記例においては、STM観察時に、照明光を遮光する
目的の遮光板を集光レンズ51と分岐プリズム52との間に
設けても良い。又、アクチュエータ22を探触針24をｚ軸
方向にのみ駆動する１次元アクチュエータで構成し、試
料台31をｘ方向並びにｙ方向に移動可能な２次元アクチ
ュエータで構成しても良い。

上記各実施例ではSTM視野観察光学系とSTM観察系とを
一体的に組合わせて構成しているので、本発明の技術を
汎用型の光学顕微鏡にそのまま適用するのには適してい
ない。このため、以下に、汎用の光学顕微鏡を、ほとど
そのままで利用することができる走査型トンネル顕微鏡
の例を説明する。

第３の実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図12にお
いて、符号110は、汎用型の顕微鏡の対物レンズa1に円
筒状の３次元アクチュエータ22を支承するための環状の
支持部材を示す。この支持部材110は対物レンズa1の外
周面に着脱可能に、これと同心的に設けられている。こ
の支持部材110と対物レンズa1との取着は、例えば螺合
ボルト留めのような手段によっておこなわれる。３次元
アクチュエータ22は、この上端が支持部材110に固定も
しくは着脱可能に装着されている。このアクチュエータ
22の下端には、透明の板、例えばカバーガラスからなる
探触針ホルダー23が同心的にに取着されている。このホ
ルダー23の中心には透孔が穿設され、この透孔内には探
触針24の基端が挿入され、接着剤等により、ここで探触
針24はホルダー23に固定されている。この探触針24とア
クチュエータ22とは高精度で同心的に接続されており、
またこれらの中心軸と前記対物レンズa1の光軸とは一致
するように設定されている。以上のようにして、支持部
材110と、アクチュエータ22と、探触針ホルダー23と、
探触針24とによりトンネル走査ユニット120が構成され
ている。このような構成の走査型トンネル顕微鏡におい
ては、トンネル走査ユニット120を、これの探触針24の
中心軸と対物レンズa1の光軸とが一致するようにして、
対物レンズa1に装着した状態で、透明のホルダー23を介
して試料12の観察面のSTM走査領域を顕微鏡観察する。
そして、前記実施例と同様に、アクチュエータ22により
探触針24を３次元的に移動させて前記STM領域をSTM観察
をする。このように、この実施例の装置においても、前
記実施例の装置と同様に、STM像と従来像とを重ねて観
察、測定することができる。

図13に示す第４の実施例においては、３次元アクチュ
エータ22は対物レンズa1に取着されているのではなく、
この対物レンズa1とは所定間隔を有して離間した試料台
31を中に支持しているフレーム状の支持部材130に支持
されている。この支持部材130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のアクチュエー
タ22が、対物レンズa1の光軸と同心的に固定されてい
る。このアクチュエータ22の内周面には、この開口を閉
塞するようにして、透明ガラス板よりなる探触針ホルダ
ー23が取着されている。このホルダー23の中心には、対
物レンズa1の光軸上で試料12方向に突出するようにし
て、探触針24が取着されている。従って、探触針は、接
眼光学系と対物光学系とを構成している対物レンズ1aに
対して、ホルダー23により機械的に分離されており、探
触針に光学系から振動が伝達されるのを防止されてい
る。

この実施例では、図示のように、フレーム状の支持部
材130に形成された円形開口を閉塞するように探触針ホ
ルダー23が設けられているので、支持部材内は密閉可能
な空間となっており、この空間内に試料12と探触針24と
が配置されている。この結果、試料は外部雰囲気の影響
を受けることがなく、測定され、また既知のように、真
空雰囲気やガス雰囲気内での測定も可能となる。

図14に示す第５の実施例においては、支持部材130
は、対物レンズa1の光軸と平行に伸びた支持軸131に、
これを中心として水平面内で回転可能に支承されてい
る。この結果、支持部材130の自由端側に設けられた３
次元アクチュエータ22と、透明の探触針ホルダー（図示
せず）と、探触針24とからなるトンネル走査ユニット12
0は対物レンズa1と試料12との間からはずすことが可能
になっている。このような構成にすることにより、従来
像の観察時に、対物レンズa1を試料12に接近させること
ができる。図14に示す例では透明の探触針ホルダーを用
いたが、透明のホルダー以外でも光学視野をさまたげな
い範囲であり、探触針の位置を特定できるものであれ
ば、すべて使用可能である。例えば、ワイヤーで探触針
を支持した構造でも良い。

図15に示す第６の実施例において、符号140は、公知
の光学顕微鏡、例えば金属顕微鏡のレボルバーa2に着脱
可能に取付けられる対物レンズユニットを示す。このユ
ニット140は、レボルバーa2の対物レンズ螺着用の雌ね
じに螺合可能な雄ねじが周面に形成された突出部を上面
に有し、また下端が開口した円筒状の外枠141を具備す
る。この外枠141の上壁内面中央にはねじ穴が形成され
ており、このねじ穴に対物レンズa1が上端で螺合されて
いる。この対物レンズa1の外周面と外枠141の内周面と
の間には円筒状の内枠142が設けられている。この内枠1
42は上下に互いに所定間隔を有して位置する１対の支持
部142a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粗微動装置14
2bとから構成されている。これら支持部142aは、外枠14
1の周壁に上下方向に離間して設けられた１対の上下内
枠固定用粗微動装置141a並びに１対の下方内枠固定用素
微動装置141bによって、夫々選択的に固定され得る。こ
れら各対の２個の粗微動装置141a（141b）は互いに180
度離間して設けられ、内枠142方向に伸縮可能な圧電素
子により構成されている。上方の支持部142aには、内枠
142と対物レンズa1との間に対物レンズa1と同心的に位
置する円筒畳の３次元アクチュエータ22の上端が固定さ
れている。このアクチュエータ22は、前記上方内枠固定
用粗微動装置141aと下方内枠固定用粗微動装置141bとを
交互に働かせることにより、上方並びに下方の支持部14
2aの固定を交互に解除し、この解除に応じて探触針移動
用粗微動装置142b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、ｚ方向に移動される。このアクチ
ュエータ22の下端には、中央に円形開口を有する円形の
金属枠143が周縁で固定されている。この時の固定は、
金属枠143がアクチュエータ22から取外して、交換可能
なように、、例えば、ねじのような手段によりおこなう
のが好ましい。この金属枠143には、これの円形開口を
閉塞するようにしてカバーガラスからなる探触針ホルダ
ー23が取着され、、またこのホルダーの中心部には、探
触針24が対物レンズa1の光軸に沿って試料12方向に突設
されている。試料12はｘ並びにｙ方向に移動可能なステ
ージよりなる試料台31上に固定されている。

上記図15に示す走査型トンネル顕微鏡の操作を以下に
説明する。

光学顕微鏡のレボルバーa2に対物レンズユニット140
を装着して試料表面の顕微鏡観察をおこなう。この時の
光学顕微鏡像（従来像）のピント合せは、試料台を粗動
させておこなう。この場合、従来像上に存在する探触針
24による影の部分がSTMの走査範囲に対応するので、こ
れによってSTM走査範囲を光学顕微鏡で確認することが
できる。一方、STM表面像を観察するのには、対物レン
ズユニット140を光学顕微鏡のピント位置に設定した
後、このユニット140の素微動装置141aにより探触針24
を微動調整してトンネル電流を検出し、この後は前記実
施例と同様に３次元アクチュエータ22を働かせて試料12
を探触針24により走査する。

前記試料を移動できるように保持する試料台31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て構成しても良いし、又、
前記円筒状の３次元アクチュエータ22と同様のアクチュ
エータを試料の下に設けるようにして構成しても良い。

次に、上記実施例で使用されている円筒状の３次元ア
クチュエータ22を図16Aないし図16Dを参照して説明す
る。

図中、符号150は、圧電材料で形成され、両端が開口
した円筒状の本体を示す。この本体150の外周面下部に
は、周方向に所定間隔を有してＸ電極151a、−Ｙ電極15
1b、−Ｘ電極151c並びにＹ電極151dが夫々１個ずつ、計
４個配設されている。これら電極の内、Ｘ電極（Ｙ電
極）と−Ｘ電極（−Ｙ電極）とは互いに180度離間する
ように位置されている。また、この本体150の外周面上
部には、全周に渡って延出するようにして、１個のＺ電
極152が設けられている。本体150の内周面には前記電極
151a,151b,151c,151d,152と対向するようにして、グラ
ンド電極である裏側電極153が設けられている。このよ
うな構成の３次元アクチュエータ22の夫々の電極に、図
16Dに示すような極性の電圧を印加することにより、選
択的にｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に、探触針24を走査して
STM観察をおこなうことができる。

図17に示す第７の実施例においては、３次元アクチュ
エータ22の代わりに、ｚ方向にのみ伸縮可能なｚ方向ア
クチュエータ22zを使用している。このアクチュエータ2
2zは中央に円形開口を有する円板状のバイモルフ圧電体
によりに構成され、内枠142の下方の支持部142aに周縁
で固定されている。このアクチュエータ22zの中央開口
には、図15に示す実施例と同様に、探触針24を対物レン
ズa1の光軸と中心軸が一致するように固定し、カバーガ
ラスからなる探触針ホルダー23が設けられている。試料
12が上面に固定された支持台31を収容した枠状の支持部
材130内には、支持台を31をｘ方向並びにｙ方向に夫々
微動させるｘ方向アクチュエータ22x並びにｙ方向アク
チュエータ22yが設けられている。これらｘ方向アクチ
ュエータ22x並びにｙ方向アクチュエータ22yは、支持台
31と支持部材130との間に設けられた圧電素子により構
成されている。これらｘ方向並びにｙ方向アクチュエー
タ22x,22yにより、試料は面方向（ｘ−ｙ方向）に移動
され、前記ｚ方向のアクチュエータ22zにより探触針24
はｚ方向に移動されて、STM観察がおこなわれる。尚、
この実施例においては、内枠固定用粗微動装置141a,141
bは前記15図に示す実施例とは異なり上下に夫々１個し
か設けていないが、動作は前記実施例と同じである。

図18に示す第８の実施例においては、対物レンズa1側
にはSTM走査機構を設けず、試料12を保持する試料支持
機構側にSTM走査機構を設けている。この例において、
枠状の支持部材130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22xyが取着されている。このア
クチュエータ22xyには探触針24が試料側に突設されたカ
バーガラスからなる探触針ホルダー23が取着されてい
る。この探触針ホルダー23の下側には、試料12を上面に
保持したｚ方向アクチュエータ22z並びにこのアクチュ
エータ22zを保持する試料台31が設けられている。ｚ方
向アクチュエータ22zは、試料12を、これと探触針24と
の間隔を所定の範囲にするようにｚ方向に移動させる。
尚、このｚ方向アクチュエータ22zに代えて、前述した
ような３次元アクチュエータを使用しても良い。この実
施例においても、図13に示す実施例と同様に、光学系で
生じる機械的振動が探触針に伝わるのが防止されてい
る。

図19Aないし図19Dを参照して第９の実施例を説明す
る。

図19A,19Bにおいて、符号160は台座を示し、これには
試料台を兼ねた棒状圧電素子31並びにこの圧電素子31を
ｘ方向並びにｙ方向に粗動させるための粗動装置30を支
持した支持アーム161が前面に突設されている。また、
この台座160には、支持アーム161を、台座160に対して
ｚ方向に移動させるための移動装置165が設けられてい
る。そして、台座160の前面角部には、垂直方向に述べ
た回転軸162が、上端並びに下端で回転可能に軸支され
ている。この回転軸162にはトンネル走査ユニット120
が、これと共に回転可能に設けられている。このトンネ
ル走査ユニット120は、回転軸に突設された支持体163を
具備し、この支持体163に３次元アクチュエータ22が固
定されている。このアクチュエータ22は３本の棒状の圧
電素子が互いに直角をなして、延出し、その基端で互い
に接続されたトライポットアクチュエータにより構成さ
れている。これら圧電素子の基端部には、探触針24が下
方に突設されている。また前記支持体163には、図19Aに
示すSTM非測定位置から、図19Bに示すSTM測定位置に、
トンネル走査ユニット120が回動された時に、この位置
でトンネル走査ユニット120を台座160にロックするロッ
ク手段164が設けられている。このロック手段164は、支
持体163に螺合されたロックねじよりなり、この先端が
台座160の側面に圧接されることにより、上記ロックが
果たされる。前記粗動装置30は試料台31を上に支持する
ｘテーブル並びにｙテーブルと、これらの作動つまみ30
a,30bとを有する。

図19Cは、上記台座160を公知の金属顕微鏡に組み入れ
た状態を示す。この時には、前述したように顕微鏡の対
物レンズa1の光軸と探触針24の軸とが一致するように、
設定され、光学的観察並びにSTM観察がなされる。

最初にトンネル走査ユニット120を試料12からはずれ
た位置（図19Aに示す位置）にし、金属顕微鏡で試料12
を見ながら作動つまみ30a,30bを回転させて、水平面内
でのSTM観察位置を決定する。作動つまみ165を回転させ
ることにより、高さを調整しピントを合せる（ピントの
合った位置は、ほぼ探触針24の走査位置である）。対物
レンズa1上には、トンネル走査ユニット120を走査状態
にセットしときの探触針24と同じ位置にマーカー（例え
ば、＋など）がほどこされ、さらにSTM走査範囲も確認
できるようになっているため、オペレータは金属顕微鏡
をのぞいて走査したい試料位置のセット及び走査範囲を
試料を正確に確認することができる。

走査する位置を決めた後に、トンネル走査ユニット12
0を台座160に固定し、STM像の測定操作を行う。

図19Cは、STM測定システムの構成を示すブロック図で
ある。

図中、符号85はコントローラーを示す。このコントロ
ーラー85は入力インターフェイス91および出力インター
フェイスを内臓している。またコントローラー85には、
CPUグラフィックデイスプレイ、フレームメモリー、記
憶装置としてのプロッター、プリンターなどが接続され
ている。またコントローラー85の入力端には、計測領域
選択ボタン、制御ボックスとしてのマウス等の入力機器
が接続されており、出力端には、X,Y,Z位置コントロー
ラー86、およびxy方向試料位置決め用粗動装置87、オー
トアクセス装置88が接続されている。

光学顕微鏡一体化トンネルユニットにおいて、探触針
24から得られたトンネル電流は、プリアンプ89,アンプ9
0によって増幅され、前記入力用インターフェイス91を
介して、コントローラー85に供給される。また、トンネ
ル電流信号は、プリアンプ89,アンプ90により増幅され
た後、波形モニター92を介してコントローラー85に入力
される。

STMトンネルユニットと光学的に結合し、一体化され
ている光学顕微鏡（対物レンズ部分にトンネルユニット
を組込んだところの光学顕微鏡）で得られた観測像は、
ビデオカメラ93で撮像され、その撮像信号はビデオモニ
ター96に供給される。また、入力用インターフェイス91
を介してコントローラー85に供給される。

次に、上記制御系の動作を中心とした本実施例装置全
体の操作法および動作について説明する。

まず、装置の使用に際しては電源を投入した後、以下
の操作を順次おこなう。

I.試料12を試料台に固定し、トンネルバイアス電圧印加
用電極をつける。

II.STM像観察部位の位置決めのために、試料を光学顕微
鏡94で観察する。この時、光学顕微鏡のピントを自動フ
ォーカス機構により合せる。ピント合せの方法として
は、ナイフエッチ法を用い、ピントのずれによる光学像
の変化を接眼レンズ部に取り付けられたビデオカメラ93
で撮像し、コントローラー85に入力し、コントローラー
85からの自動フォーカス機構制御信号を自動フォーカス
装置に入力することにより、試料と対物レンズ部との相
対的位置が制御でき、光学顕微鏡像のピントを合せるこ
とができる。

また、自動フォーカス機構を用いて対物レンズと試料
との相対位置をフォーカス位置に合せることによって、
対物レンズの先端に取り付けられているSTM探触針と試
料との距離を一定の値（50μｍ程度）まで、近付けるこ
とができる。

このように、光学的なピント合せが終了したところ
で、STM観察部位の位置決めを行う。

光学顕微鏡像の中心に存在するマーカー（この位置に
STM探触針が存在している）に、STMによって観察を行な
いたい試料表面の部位を合せる。この時、試料位置の調
整は、コントローラー上のスイッチを操作して行う。こ
の時、コントローラーから出力される、X,Y方向位置決
め信号は、試料位置決め用粗動装置87に入力され、試料
のxy位置およびθ（xy平面内），ψ（（xz平面内），γ
（yz平面内）方向の角度を決めることができる。

III.前記のような、STM観察位置決めを行った後、STM探
触針をオートアクセス装置88を用いてトンネル電流が観
測される距離まで近付ける。

光学的ピント合せによって、STM探触針と試料との相
対位置を一定の値の位置まで近付けた後、試料にバイア
ス電圧を印加し、試料−探触針間に流れるトンネル電流
をプリアンプ、アンプ等で増幅した後、コントローラー
に入力し、コントローラーからのオートアクセス装置制
御信号をオートアクセス装置に入力し、トンネル電流が
所定の値になるように、試料−探触針間距離を調整す
る。

トンネル電流が非常に大きくなった場合にも、このオ
ートアクセス機構を用いて、探触針を試料から離すこと
ができ、探触針を試料に接触させる危険性がなくなる。

光学的なオートアクセスと、トンネル電流をセンサー
とするオートアクセスの２段階オートアクセス機構を用
いることで、探触針をアプローチするのに要する時間を
短縮することができる。

IV.次に、試料表面（試料表面全体として）が対物レン
ズのレンズ面に対して平行になるように、試料の傾きを
試料位置決め用粗動装置上の、例えば、ゴニオメーター
等で調整する（探触針が試料表面に対して垂直になるよ
うに調整する）。

試料の傾きの調整は次の２段階でおこなう。

a.ビデオカメラによって撮像された光学顕微鏡像が視野
全体に渡ってピントがあうように、コントローラーから
制御信号を試料位置決め用粗動装置87へ供給し、試料の
傾きを補正する。

b.3次元スキャナー95を広範囲（10μｍ程度）で走査さ
せた時のトンネル電流信号を、増幅した後、波形モニタ
ー92に入力する。波形モニター92からの出力が一定値に
なるように（ｘ軸、ｙ軸走査信号と同一周波数成分が０
になるように）、コントローラー85から、試料位置決め
用粗動装置87に、制御信号を入力し、試料の傾きを補正
を行う光学方法と、トンネル電流をセンサーとする２つ
の手法を用いて、試料傾きを補正することによって、ト
ンネル電流だけをセンサーとする場合と比較して、短時
間で試料傾きを補正することができる。

V.3次元スキャナー95をx,y方向に走査し、トンネル電流
が一定になるようにｚ方向の位置制御をとおこないなが
ら、STM像の測定を行う。

なお、広範囲のSTM像（光学顕微鏡像と同程度の広
さ）を得るためには、試料位置決め用粗動装置87を用い
てSTM像のつなぎ合せ（狭い範囲のSTM像を、試料表面の
走査位置を変えながら順次測定し、これをソフトウェア
ー的につなぎ合せる）を行う。

次に、図６に示す実施例の装置と類似した装置を図20
を参照して説明する。

この実施例にて、図６に示す部材と実質的に同じ機能
を示す部材は、同符号を付して詳しい説明は省略する。

この例では、試料12の測定面と探触針24の先端との間
に微小間隔を観測するための観察手段が、以下に説明す
るように設けられている。

図中、符号200は、試料支持機構と、対物レンズユニ
ット120とをユニット枠201内に組み込んで構成された計
測ユニットを示す。このユニット枠201の一側には、光
を試料12に導くための光フアイバー（コールドフアィバ
ー）202の一端側が設けられている。また、ユニット枠2
01の他側には、光フアイバー202による試料12からの反
射光を受光するようにして、補助対物レンズ203が設け
られている。前記光フアイバー202の一端並びに補助対
物レンズ203は、ユニット枠201に、試料12の表面中心を
中心として、試料12の観測面よりほぼ20度の角度の範囲
（α）で、垂直面内を傾動可能となっている。前記光フ
アイバー202の他端202aは、光学顕微鏡の光源50近くに
延出されている。この結果、光源50からの光は光学顕微
鏡の照明系を介して、試料12に導かれると共に、光フア
イバー202を介しても試料12にも導かれる。前記補助対
物レンズの203の後段光軸上には、回動可能な反射鏡204
を介して、補助接眼レンズ205が設けられており、補助
対物レンズ203からの反射光を反射鏡204を介して、受光
することにより、この補助接眼レンズ205を介して、試
料12の観測面と探触針24の先端との間隔を目視すること
ができる。この結果、この測定を行ないながら、探触針
24と試料12とを接近させることが可能となり、試料12に
探触針24が接触することによる、両者の損傷を防ぐこと
ができる。

尚、図中、符号206は計測ユニット200が載置される防
振台を示す。

前記計測ユニット200の構成を図21Aないし図21Dを参
照して説明する。

ユニット枠201は、上枠201aと、下枠201bと、１対の
対向した側枠201cとを有する。上枠201a中央には、光源
50からの光をユニット枠201内に通すと共にユニット枠2
01内の光を接眼レンズ51方向に通す円形開口201dが形成
されている。また、この上枠201aの内面には、円板形の
対物レボルバー211が回転軸211aによって、回転可能に
装着されている。この対物レボルバー211には、夫々倍
率の異なる２個の対物レンズa1と１個の対物レンズユニ
ット140とが前記回転軸211aから等距離の所に配設され
ている。この離間距離は、対物レンズa1並びにユニット
140が選択的に前記開口201dの所に移動された時に、こ
の中心軸線がこの開口201dの中心軸線と一致するように
設定されている。このユニット枠201の下枠201bの中心
には、一端がユニット枠201内に突設するようにして粗
動ねじ213が外側より螺着されている。この粗動ねじの
突出端には、粗動ボール214を介して、粗動テーブル215
が粗動ねじ213の回転によって、両端角部に設けられた
２対のガイドレール215aに案内されて、上下方向（ｚ方
向）に移動するように、支持されている。この粗動テー
ブル215の上面には、外から走査されるｘ方向調整つま
み216a並びにｙ方向調整つまみ216b（図21Dを参照）を
備えたxy方向テーブル216が、粗動テーブルに対して、
面方向（ｘ並びにｙ方向）移動可能に載置されている。
この粗動テーブル215とxy方向テーブル216とは、面方向
に遊びのある凹凸係合しており、またこれら係合側面間
には、一方向に、粗動テーブル215に対してxy方向テー
ブル216を付勢する１個のばね216cが設けられているこ
とにより、xy方向テーブル216の移動量が規定されてい
る。また、このxy方向テーブル216の幅方向中央部の上
面には両端が開口した矩形溝216dが形成され、この矩形
溝216d内には中微動板217が挿入されている。XYテーブ
ル216の長手方向の一端にはｚ方向に伸縮可能な第１の
アクチュエータ218が固定されている。このアクチュエ
ータ218の上端には、前記中微動板217の長手方向の一端
の下面に形成された凹所と係合した第１の微動ピン219
が当接されている。また、前記xy方向テーブル216と中
微動板217の他端間には第１の固定ピン220が介在されて
いる。かくして、第１のアクチュエータ218を伸縮され
ることにより、中微動板217は第１の固定ピン220を支点
としてxy方向テーブル216に対して垂直面内を回動可能
になっている。前記中微動板217上には高微動板221設け
られている。この中微動板217の長手方向の他端にはｚ
方向に伸縮可能な第２のアクチュエータ222が突設され
ている。このアクチュエータ222の上端には、前記高微
動板221の長手方向の他端の下面に形成された凹所と係
合した第２の微動ピン223が当接されている。また、前
記中微動板217の中心の一端寄りの箇所と、高微動板221
の一端との間には、矩形溝216dの内壁により支承された
第２の固定ピン224が介在されている。かくして、第２
のアクチュエータ222を伸縮させることにより、高微動
板221は第２の固定ピン224を支点として中微動板217に
対して垂直面内で回動可能になっている。この高微動板
221の一端近くの上面には、xy方向アクチュエータ22xy
が支持され、このアクチュエータ22xyの上には試料12が
載置されている。このxy方向アクチュエータ22xyは、試
料12をｘ方向並びにｙ方向に微動させ、後述するｚ方向
アクチュエータ22zと共同してSTM観測を果たす。この実
施例では、試料12と第２の微動ピン223との間の距離
は、第２の固定ピン224と試料12との間の距離の10倍に
なっている。即ち、高微動板221のレバー比は10:1に設
定されている。また第１の微動ピン219と第１の固定ピ
ン220との間の距離は、試料12と第２の微動ピン223との
間の距離の２倍に設定されている。このため、第２のア
クチュエータ222を１μｍ上方に移動させると、試料12
の表面は１μｍ×1/10＝0.1μｍだけ探触針24に接近す
る。また、第２のアクチュエータ222を作動させず、第
１のアクチュエータ218のみを１μｍ上方に作動させる
と、試料12の表面は１μｍ×1/20×1/10＝0.0005μｍだ
け探触針24に接近する。即ち、第２のアクチュエータ22
2により中微動、第１のアクチュエータ218により小微動
を試料12に与えることができる。前記ユニット枠201の
１対の側枠201cの両端間には、夫々ばね受け230、231が
固定されている。一方のばね受け230と中微動板217の一
端上面間には、常時この一端を下方に付勢する圧縮ばね
232が介在されている。同様に、他方のばね受け231と高
微動板221の他端上面間には、常時この他端を下方に付
勢する圧縮ばね233が介在されている。上記構成の計測
ユニット200はユニット枠201により各部品が強固に組付
けられ、この結果、耐震性に優れている。また、これら
ユニット枠201等の部材は熱膨脹係数の小さいアンバー
等によりコンパクトに形成され、熱による影響が少なく
なるように設定されている。

次に、対物レンズユニット140を、図22を参照して説
明する。

図中、符号300は、上下端が開口し、外周に着脱用の
ローレット部300aが形成された筒状の上部ハウジングを
示す。この上部ハウジング300の下部外周には、雄ねじ
が形成されており、この雄ねじには、ローレット部301a
を外周面に有し、上端が開口した筒状の下部ハウジング
301の上部内周面に形成された雌ねじが螺合している。
かくして、上部ハウジング300と下部ハウジング301とは
ねじ結合により、着脱可能に取着されている。また、上
部ハウジング300の内周面には雌ねじが形成されてお
り、この雌ねじには、互いに上下方向に所定間隔を有し
て、上部支持筒体302並びに下部支持筒体303が、これら
の外周に形成された雄ねじにより螺合している。そし
て、この上部ハウジング300の上端筒状突出部に形成さ
れた雌ねじには、留めねじ304が、その外周に形成され
た雄ねじにより螺合している。この留めねじ304は、上
下端が開口し、また上端に内方フランジ部と外方フラン
ジ部とを有し、円筒状をなし、内周面には雌ねじが形成
されている。この留めねじ304の雌ねじには、上下端が
開口した円筒状の光案内部材305の上部外周に形成され
た雄ねじが螺合している。留めねじ304の内方フランジ
部と光案内部材305の上端との間には、第１のレンズ306
が締付け固定されている。前記上部支持筒体302の下面
と下部支持筒体303の内周面に形成された段部との間に
は、中央部に透孔を有する、第２のレンズ307が締付け
固定されている。この下部支持筒体303の下部には、レ
ンズ装着筒308の上部が挿入され、締付けリング309によ
り、固定されている。このレンズ装着筒308の小径とな
った下端部には第３のレンズ310が取着されている。
尚、前記第２のレンズの下面には凹面鏡54が、また第３
のレンズの上面中央部には凸面鏡53が、夫々形成されて
いる。前記下部ハウジング301の下端中央部には開口が
形成され、この開口には、透明な部材、例えば石英ガラ
ス、で形成された支持板311が取着されている。この支
持板311の中央部にはｚ方向アクチュエータ22zが下方に
突出するようにして装着されており、また、このアクチ
ュエータ22zの先端には、探触針24が下方に突設されて
いる。尚、前記第１ないし第３のレンズ306,307,310
と、凹面鏡54と、凸面鏡53と、探触針24と、ｚ方向アク
チュエータ22zとは同軸的に配置されている。このよう
な構成のユニット140を組み込んだ計測ユニット200を図
20に示す光学顕微鏡に装着しておこなう、従来像の観察
並びにSTM像の観察は他の実施例とほぼ同様なので、こ
こでは省略する。

前記、光フアイバー202並びに補助対物レンズ203から
なる探触針−試料間隔観測装置を図26を参照して説明す
る。

図中、符号401はユニット枠201（図21A参照）に、垂
直面に沿うように固定された案内板を示す。この案内板
401には、これの周面に沿って、左右対象に円弧状に延
びた第１並びに第２の案内溝401a,401bが形成されてい
る。この案内板401の前方には第１並びに第２の回動ア
ーム402a,402bの一端が位置している。第１のアーム部4
02aの他端には、このアーム部402aと平行になるように
して、光フアイバー202の一端部が、このアーム部402a
の回動と共に回動するように固定されている。第２のア
ーム部402bの他端には、このアーム部402bと平行になる
ようにして、補助対物レンズ203が、このアーム部402b
の回動と共に回動するように装着されている。この補助
対物レンズ203は、ピニオンにより、光軸に沿って直線
状に移動可能に、アーム部402bに対してラック−ピニオ
ン結合されている。第１並びに第２のアーム部402a,402
bの一端部には、互いに歯合した歯車403a,403bが、夫々
固定されている。この第２の歯車403bには第３の歯車40
3cに歯合されている。これら第１ないし第３の歯車403
a,403b,403cは、夫々ユニット枠201（図21A参照）に回
転可能に支承されている。この結果第１並びに第２のア
ーム部402a,402bは、歯車403a,403bの回動によって、垂
直面内をこれら歯車の中心軸を中心として回動される。
前記第３の歯車403cには第１のプーリ404aが、この歯車
403cと共に回動するように、同軸的に固定されている。
一方、補助対物レンズ203の光射出側に設けられた反射
鏡204には、これと同軸的に第２のプーリ404bが反射鏡2
04と共に回転可能に設けられている。そして、第１のプ
ーリ404aと第２のプーリ404bとの間にはエンドレスベル
ト405が掛渡されている。また、前記第１並びに第２の
アーム部402a,402bには、先端が前記案内溝401a,401b内
に位置し、この案内溝に沿って案内される係合ピン406
a,406bが突設されている。

上記のような構成の間隔測定装置においては、補助対
物レンズ203を回動させることにより、歯車403a,403b並
びにアーム部402a,402bを介して、光フアイバー202も同
じ回動量だけ回動し、この結果、光フアイバー202から
試料に入射した光の反射光は常時、効率良く補助対物レ
ンズ203に導かれる。また、補助対物レンズ203の回動に
応じて、歯車403b,403c、プーリ404a,404b並びにエンド
レスベルト405を介して、反射鏡204も回動し、この結
果、補助対物レンズ203のどの回動位置においても、こ
の補助対物レンズ203からの射出光は、反射鏡204によっ
て補助接眼レンズ205（図20）に導かれる。従って、補
助対物レンズ203を回動して、探触針と試料との間隔を
測定し易い位置にもたらして、測定することができる。

図24Aないし図24Dは、図21Aに示す計測ユニット200並
びに図23に示す間隔測定装置の変形例を示し、この例で
は、ユニット140は顕微鏡（図示せず）に固定された支
持アーム501により、支持されており、またユニット140
には、アクチュエータ並びに探触針24は装着されていな
い点が前記実施例とは異なる。図中、符号502は固定部
材を示し、これにはピボット軸503を介して回動板504
が、ユニット140の下側に来る位置と、ここからはずれ
る位置との間で、水平面内を回動可能に一端で、支承さ
れている。この回動板504の中央部には透孔が形成され
ており、この透孔の上面には、透明の板、例えばカバー
ガラスからなる探触針ホルダー23が透孔をおおうように
して、設けられている。そして、この探触針ホルダー23
には下方に、即ち、試料12方向に突出するようにしてｚ
方向アクチュエータ22zを介して、探触針24が固定され
ている。また試料は、この探触針24の下方に、xy方向ア
クチュエータ22xyによって支持されている。尚、この図
にて、符号505は、回動板504を図示のSTM観察位置に保
持するためのクリック機構を示す。また、この例では、
光フアイバー202並びに補助対物レンズ203を同期して回
動させるための第１並びに第２の歯車403a,403b、およ
び反射鏡204を回動させるための第３の歯車403cは、夫
々支持アーム501に回動可能に支承されている。

本発明においては、STM走査域観察用の光学顕微鏡と
しては、実施例で説明した金属顕微鏡以外の光学顕微鏡
を使用しても良く、例えば、偏光顕微鏡、ノマルスキー
微分干渉顕微鏡、蛍光顕微鏡、赤外線顕微鏡、実体顕微
鏡、表面形状測定装置、顕微測光システムなどが使用可
能である。

発明の効果この発明の走査型プローブ顕微鏡においては、探触針
と試料の表面状態とを光学的に観察する試料観察光学系
とが、この試料観察光学系の光軸と前記探触針の中心軸
とが、ほぼ一致するように、支持手段により探触針を支
持させているので、試料観察光学系での観察時に探触針
及び試料表面の凹凸が邪魔にならず、精度の良い測定が
可能となる。

図面の簡単な説明図１は、この発明の一実施例に係わる走査型トンネル
顕微鏡の全体を示す平面図である。

図２は同走査型トンネル顕微鏡の側面図である。

図３は同走査型トンネル顕微鏡の探触針と、そのホル
ダーを示す斜視図である。

図４は同走査型トンネル顕微鏡の３次元アクチュエー
タの斜視図である。

図５は同３次元アクチュエータの平面図である。

図６は第２の実施例の走査型トンネル顕微鏡を概略的
に示す図である。

図７は第２の実施例に使用されている３次元アクチュ
エータを示す側面図である。図８は第２の実施例の装
置に表面形状測定機能を付加させた変形例を概略的に示
す図である。

図９は表面形状測定の原理を説明するための図であ
る。

図10は第１の実施例の装置に監視装置を付加した変形
例を示す側面図である。

図11は図６に示す実施例の変形例を示す図である。

図12は第３の実施例を示す対物レンズユニットの断面
図である。

図13は第４の実施例を示すトンネル走査ユニットの断
面図である。

図14は第５の実施例を示す断面図である。、図15は第６の実施例を示す対物レンズユニットの断面
図である。

図16Aないし図16Dは、実施例で使用されている３次元
アクチュエータを説明するための図であり図16Aはアク
チュエータの平面図、図16Bはアクチュエータの側面
図、図16Cはアクチュエータの断面図、そして図16Dは３
次元アクチュエータを駆動するための印加電圧とアクチ
ュエータの駆動方向との関係を示す図である。

図17は第７の実施例に係わる走査型トンネル顕微鏡を
示す断面図である。

図18は第８の実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図
である。

図19Aないし図19Cは第９の実施例の走査型トンネル顕
微鏡を示す図で、19Aはトンネル走査ユニットが被STM走
査位置にない状態を示し、図19Bはトンネル走査ユニッ
トが被STM走査位置にある状態を示し、そして19C図はト
ンネル走査ユニットと光学顕微鏡とを組み合せた状態を
示す図である。

図19DはSTM測定システムの構成を示すブロック図であ
る。

図20は第10の実施例の走査型トンネル顕微鏡の光学系
を示す図である。

図21Aないし図21Dは第10の実施例にて示されている計
測ユニットを示し、図21Aは横断面図、図21Bは縦断面図
は対物レボルバーと、対物レンズと、対物レンズユニッ
トとの位置関係を示す図、そして図21Dは水平に切断し
て示す断面図である。

図22は計測ユニットに使用されている対物レンズユニ
ットを示す一部切欠側面図である。

図23第10の実施例に使用されている間隔測定装置を示
す一部切欠側面図である。

図24Aないし図24C計測ユニットの変形例を示し、図24
は一部切欠上面図、図24Bは断面図、そして図24Cは側面
図である。

符号の説明 a1……顕微鏡の対物レンズ、12……試料、22……３次元
アクチュエータ、23……探触針ホルダー、24……探触
針、110、130……支持部材、120……トンネル走査ユニ
ット、140……対物レンズユニット、200……計測ユニッ
ト、211……対物レボルバー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献実開昭59−155508（ＪＰ，Ｕ) 第34回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，第２分冊，Ｐ．334，項目28Ｐ−Ｌ −８、応用物理学会、昭和62年３月28日発行

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を保持する試料保持手段と、この試料に対して軸方向に保持された探触針と、この試料と探触針とを相対的に駆動するアクチュエータ
手段と、からなり、試料と探触針との間に作用する物理量の変化
に基づき試料の表面状態を検出観察する走査型プローブ
顕微鏡において、前記探触針と試料の表面状態とを光学的に観察する試料
観察光学系と、この試料観察光学系と光軸と前記探触針の中心軸とが、
ほぼ一致するように探触針を支持する支持手段と、を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記試料観察光学系が、試料に対向して配
置される対物光学系と、この対物光学系を介して試料表
面からの反射光を観察者に供給する接眼光学系とからな
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型
プローブ顕微鏡。
【請求項３】前記対物光学系が、中心部に貫通した透孔
を有する透過屈折系の対物レンズであり、前記支持手段が、前記探触針を前記対物レンズの透孔内
を移動可能に支持することを特徴とする特許請求の範囲
第２項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記対物光学系が、ほぼ中心に光軸を有す
る凸レンズからなる対物レンズであり、前記支持手段が、前記対物レンズと試料との間に前記探
触針が位置するように探触針を支持することを特徴とす
る特許請求の範囲第２項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】前記対物光学系が、試料からの反射光を受
ける凹面鏡と、この凹面鏡からの反射光を前記接眼光学
系に導く凸面鏡とからなり、これら凹面鏡及び凸面鏡の
光軸が前記探触針の中心軸とほぼ同軸となるように設け
られた反射型対物レンズであり、前記支持手段は、試料表面と前記凸面鏡との間に前記探
触針が位置するように、探触針を支持することを特徴と
する特許請求の範囲第２項記載の走査型プローブ顕微
鏡。
【請求項６】前記試料観察光学系は、試料表面からの反
射光を撮像するカメラを含むことを特徴とする特許請求
の範囲第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】前記支持手段が、前記観察光学系側から前
記探触針に伝わる振動による試料測定への影響を除去す
るように、前記探触針を少なくとも前記接眼光学系に対
して、機械的に分離して支持することを特徴とする特許
請求の範囲第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】前記支持手段が、前記観察光学系側から前
記探触針に伝わる振動による試料測定への影響を除去す
るように、前記探触針を前記接眼光学系と対物光学系と
の両者に対して、機械的に分離して支持することを特徴
とする特許請求の範囲第２項に記載の走査型プローブ顕
微鏡。
【請求項９】さらに、前記対物光学系を介する試料から
の反射光の光路中に、試料の表面形状を光学的に測定す
る表面形状測定光学系を備えたことを特徴とする特許請
求の範囲第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】前記表面形状測定光学系と接眼光学系と
を共に、前記対物光学系を介する試料からの反射光の光
軸上に配し、前記表面形状測定光学系と観察光学系とに共通する前記
対物光学系を凹面鏡及び凸面鏡からなる反射型対物レン
ズとしたことを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載
の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】前記アクチュエータ手段は、前記支持手
段と前記探触針との間に設けられ、圧電素子からなる３
次元アクチュエータであることを特徴とする特許請求の
範囲第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】前記アクチュエータ手段は、前記対物光
学系の外枠に固定され、前記支持手段は、前記アクチュ
エータ手段の先端に配置して設けられ、前記試料観察光
学系の視野を妨げない光学的に透明な部材からなること
を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項１３】さらに、前記探触針を前記試料観察光学
系の光軸上から外すための探触針移動手段を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項１４】前記探触針移動手段は、さらに前記探触
針の試料に対する位置を固定する固定手段を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第13項に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。
【請求項１５】前記アクチュエータ手段が、前記試料保
持手段に固定されていることを特徴とする特許請求の範
囲第２項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】前記アクチュエータ手段が、Ｘ及びＹ方
向に駆動する第１のアクチュエータと、Ｚ方向に駆動する第２のアクチュエータとからなり、一方のアクチュエータが、前記対物光学系の外枠に固定
され、他方のアクチュエータが前記試料保持手段に固定
されていることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１７】前記アクチュエータ手段が、X,Y,Z方向
の３次元方向に微小駆動する３次元アクチュエータと、Ｚ方向に粗動駆動する粗動アクチュエータとを有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。
【請求項１８】密閉可能な一空間内に、少なくとも前記
試料と前記探触針とを対向して配置することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の走査型プローブ顕微
鏡。