JPH05264212A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 探針の試料に対する位置決めを光学顕微鏡を
用いて行う走査型トンネル顕微鏡において、手持ちの光
学顕微鏡を用いて高精度に位置決めする。 【構成】 探針７の後方に鏡６を配置し、光学顕微鏡２
１の対物レンズ２４を、鏡６により光路を曲げられる方
向に配置する。対物レンズ２４を鏡６に対して進退し
て、光学顕微鏡２１の焦点を探針７の先端に結び、かつ
視野の中心に位置させ、また、焦点を試料テーブル１６
に取り付けてある試料（図示省略）の表面に結び、かつ
視野の中心に位置させる。その後、例えば、焦点を再び
探針７の先端に結ぶ。次に、レボルバ２２を回して倍率
の高い対物レンズを鏡６に対向させ、上記と同様の動作
を行い、試料の測定部位の絞りこみを行う。光学顕微鏡
２１は探針７と分離しているので、手持ちの光学顕微鏡
を用いることができ、走査型トンネル顕微鏡を安価に構
成することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、探針の試料に対する
位置決めを光学顕微鏡を用いて行う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】走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと
もいう。ＳＴＭは、Scanning Tunneling Microscope の
略）は構造が簡単であり、また垂直方向の分解能が優れ
ており、また真空中，空気中，液体中，高温度または低
温度，等、種々の雰囲気中において測定可能である等の
利点を有しており、サブミクロン以下の微細構造の表面
凸凹等を精度よく測定する目的を満たすものとして、注
目されている。

【０００３】走査型トンネル顕微鏡の探針の試料に対す
る位置決めは、探針に光学顕微鏡を斜めから近づけ、測
定部位の位置決めを行っていた。しかし、この方法では
数十倍の実体顕微鏡しか使えないため、位置決めの精度
は数十ミクロンが限界であった。

【０００４】そこで、近年、光学顕微鏡によるミクロン
オーダーの高精度な位置決めが可能な走査型トンネル顕
微鏡が考えられている。

【０００５】例えば、通常の光学顕微鏡に使われている
レボルバの複数の対物レンズのうちの一つの対物レンズ
の位置に、対物レンズの代わりにＳＴＭの探針が取り付
けられた、光学顕微鏡一体型ＳＴＭが開発されている
（日経メカニカル，１９９０．１．８号，５２〜５３
頁，セイコー電子工業（株））。レボルバには他に、２
０，４０，１００倍の対物レンズが従来通り、取り付け
てあり（接眼レンズ１０倍）、倍率の低い対物レンズで
測定部位の粗位置決めを行い、レボルバを手で回して、
高倍率のレンズを用いて、倍率を１０００（１００×１
０）倍にして、測定部位を絞り込み、その後、同様にし
てレボルバを手で回して、探針を測定部位へ対向して、
観察測定を行う。なお、測定に先立って、レボルバを回
したときに生じる対物レンズの中心と探針の位置の誤差
を解消するために、例えば１０×１０μｍのます目が切
ってあり、各ます目に数字を刻んだ標準試料を用いる。
この標準試料の中心に対物レンズの中心を合わせて、そ
の後、レボルバを回して探針を標準試料へ対向して、ト
ンネル電流を流して、どの数字が観測されたかを調べ、
これにより対物レンズの中心と探針の位置のずれを計算
し、その値を補正値として、実際の測定試料の位置決め
の補正を行う。

【０００６】また、光学顕微鏡の対物レンズの下側に、
中央部に探針が接着された、対物レンズのカバーガラス
板を配置し、探針への導通をカバーガラス板の表面に設
けられたＩＴＯ等の透明導電膜により行う、光学顕微鏡
一体型ＳＴＭが開発されている（菱光技報，１９９１年
１２月１日，第２８巻，３３５号，光学顕微鏡完全一体
化走査型トンネル顕微鏡，オリンパス工業（株））。カ
バーガラス板を上昇させて探針の先端を対物レンズの焦
点位置より上げておき、この状態で対物レンズを下げて
その焦点を試料表面に結び、試料の測定部位の位置決め
を行い、次にカバーガラス板を下降させて、探針をトン
ネル電流が流れ始めるまで試料に近づけていきＳＴＭ測
定を行う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
も光学顕微鏡一体型ＳＴＭであるので、予め光学顕微鏡
がＳＴＭに組み込まれており、手持ちの顕微鏡等を利用
できず、ＳＴＭのシステムの自由度がなく、高価格にな
るという問題点があった。

【０００８】また、いずれも、対物レンズの光路方向と
探針の方向とが一致しているので、光学顕微鏡の配置の
自由度が小さく、光学顕微鏡を所定の位置に配置しなけ
ればならず、ＳＴＭの各構成部分の自由な配置を行いに
くいという問題点があった。特に、探針と試料とを水平
方向に対向して測定する場合には、光学顕微鏡の配置が
極めて困難であった。

【０００９】また、レボルバの一つの位置に探針が取り
付けられた、光学顕微鏡一体型ＳＴＭの場合には、標準
試料を用いて補正しなければならず操作が煩雑であり、
また、レボルバは回転のたびに位置が変わりやすいの
で、上記の補正を行っても正しい位置へ位置決めするこ
とができないという問題点があった。更には、測定を行
っているときには、探針が試料に対向しているので、光
学顕微鏡による測定部位の観察ができないという問題点
があった。

【００１０】また、対物レンズの下側に探針が接着され
たカバーガラス板を配置した、光学顕微鏡一体型ＳＴＭ
の場合には、対物レンズが１種類に限定されており、低
倍率からの測定部位の絞り込みができないという問題点
があった。

【００１１】そこで本発明の目的は、上記問題点を解決
した走査型トンネル顕微鏡を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、探針の試料に対する位置決めを光学顕微
鏡を用いて行う走査型トンネル顕微鏡において、探針の
後方に、鏡を配置してあり、光学顕微鏡の対物レンズ
は、鏡により光路を曲げられて探針を観察するように、
鏡に対して配置してあり、かつ鏡に対して進退して試料
を観察可能にしてある。

【００１３】

【作用】対物レンズを鏡に対して進退して、焦点を探針
の先端および試料の表面に合わせて、それぞれを視野の
中心部に位置させる。その後、倍率の大きな対物レンズ
を用いて同様の動作を行えば、測定部位の絞り込みを行
うことができる。

【００１４】焦点を探針の先端に合わせて試料を探針に
近づけ、または焦点を試料の表面に合わせて探針を試料
に近づけて、トンネル電流を流し、測定部位の測定を行
えば、測定時のこれらの光学像を同時に光学顕微鏡で観
察することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１６】図１において、第１のＬ字状のベース１
は、軽量で耐久性の高いジュラルミンにより構成してあ
り、第１のベース１の垂直面上に、ＰＯＭアイソレーシ
ョン２を介して、絶縁材であるマコールプレート３がボ
ルト等により固定してある。そして、マコールプレート
３上に、探針のアクチュエータとなりＸＹ（試料１７の
表面方向をＸＹ方向とする）方向のスキャニングを行
う、第１のピエゾボビン４が配設してある。第１のピエ
ゾボビン４には、先端部に鏡６が取り付けてある。鏡６
はその面を鉛直上方へ向けて４５°傾けた方向に設定し
てあり、鉛直上方からの光を反射させて第１のピエゾボ
ビン４の軸線方向に進行させる。次に鏡６には、一体
に、第１のピエゾボビン４の軸線上に、探針７が取り付
けてある。第１のＬ字状のベース１は第１のＸＹＺステ
ージ８の上に載置してあり、従って探針７は３次元方向
へ粗動できる。

【００１７】次に、軽量で耐久性の高いジュラルミンに
より構成してある第２のＬ字状のベース１１が、第１の
Ｌ字状のベース１に対向して配置してあり、第２のベー
ス１１の垂直面上に、ＰＯＭアイソレーションを介し
て、絶縁材であるマコールプレートがボルト等により固
定されている（図示省略）。そして、マコールプレート
上に試料テーブルのアクチュエータとなる第２のピエゾ
ボビン１２が配設してある。第２のピエゾボビン１２の
先端には、ジュラルミンで形成された試料ベース１３が
接続してあり、試料ベース１３には、試料テーブルを案
内する２本のガイド棒１４，１４が平行に取り付けてあ
る。２本のガイド棒１４，１４上には試料テーブル１６
が載置してあり、試料テーブル１６の垂直面には、図２
に示すように、試料１７が取り付けてある。第２のピエ
ゾボビン１２に所定形状の鋸波電圧を加えることによ
り、第２のピエゾボビン１２およびガイド棒１４，１４
は急速な後退および徐々の前進を繰り返し、スティック
スリップにより、ガイド棒１４，１４上の試料テーブル
はガイド棒１４の急速な後退時には、スリップして後退
せず、徐々の前進時には摩擦力により同時に前進し、こ
れにより、試料テーブル１６が探針７に近づく。また他
の形状の鋸波電圧を加えることにより、第２のピエゾボ
ビン１２およびガイド棒１４，１４は急速な前進および
徐々の後退を繰り返し、これにより試料テーブル１６を
探針７から遠ざけることができる。第２のＬ字状のベー
ス１１は第２のＸＹＺステージ１８の上に載置してあ
り、従って試料１７は３次元方向へ粗動できる。

【００１８】鏡６の真上には、対物レンズを対向して光
学顕微鏡２１が配置してある。光学顕微鏡２１のレボル
バ２２には、１０倍の対物レンズ２３，２０倍の対物レ
ンズ２４および４０倍の対物レンズ２５が取り付けてあ
り、レボルバ２２を回すことにより、いずれの対物レン
ズも鏡６上に対向させることができる。対物レンズには
超長作動距離レンズを用いてある。次に鏡６の真上の対
物レンズは、光学顕微鏡２１の不図示の所定のレバーを
回すこと等により、鏡６に対して進退可能にしてある。
従って対物レンズからの光路は鏡６により４５°曲げら
れて、第１のピエゾボビン４の軸線上に焦点を結び、対
物レンズと鏡６との距離を調節することにより、探針７
の先端に焦点を結ぶことが可能であり、また対物レンズ
を鏡６に対して前進させて、探針７の前方に配置してあ
る試料１７の表面に焦点を結ぶことも可能である。

【００１９】次に、第１のＸＹＺステージ８、第２のＸ
ＹＺステージ１８および光学顕微鏡２１は、いずれも除
振台２６の上に設置してあり、外部からの振動の影響が
防止される。

【００２０】以上にように構成してあり、測定部位の位
置決めを行う場合には、まず、第１のＬ字状のベース１
を図１に示すように、第１のＸＹＺステージ８を介して
除振台２６の上に載置して、また、鏡６の真上に対物レ
ンズが位置するように、光学顕微鏡２１を除振台２６の
上に載置する。そして、第２のＬ字状のベース１１を第
２のＸＹＺステージ１８を介して除振台２６の上に載置
して、ガイド棒１４の上に、試料１７がセットされた試
料テーブル１６を載置し、試料１７の表面と探針７の先
端とを所定距離離れて対向させる。そして、例えば、第
２のＸＹＺステージ１８を駆動して、ガイド棒１４の方
向と第１のピエゾボビン４の軸線の方向とを平行にす
る。

【００２１】次に、図２（ａ）に示すように、先ず、倍
率の低い対物レンズ２３を鏡６の上に位置させて、対物
レンズ２３を上下動させて、焦点を探針７の先端上に結
ぶ。そして、光学顕微鏡２１で観察しながら、第１のＸ
ＹＺステージ８を動かして、かつ第１のピエゾボビン４
の軸線方向を平行に保ちながら、探針７の先端が視野の
中心となるようにする。

【００２２】次に、図２（ｂ）に示すように、対物レン
ズ２３を降下して、焦点を試料１７の表面上に結ぶ。そ
して、光学顕微鏡２１で観察しながら、第２のＸＹＺス
テージ１８を動かして、かつガイド棒１４の方向を平行
に保ちながら、試料１７の測定部位が視野の中心となる
ようにする。

【００２３】次に、探針７と試料１７との位置関係を図
２（ｂ）の状態に保って、対物レンズ２３を上昇して焦
点を再び探針７の先端に結ぶ（図２（ｃ）参照）。

【００２４】次に、レボルバ２２を回して、倍率が２０
倍の対物レンズ２４を鏡６に対向して、上述と同様の動
作を再び繰り返す。このときには、焦点を試料１７の表
面に移動したときに、試料１７の真の測定部位の部分
が、前回の位置決めによりすでに、視野の内に入ってい
るので、容易に真の測定部位を更に正確に視野の中心に
位置させることができ、測定部位の絞り込みを行うこと
ができる。

【００２５】更に、レボルバ２２を回して、倍率が４０
倍の対物レンズ２５を鏡６に対向して、上述と同様に動
作を繰り返し、更に高精度な絞り込みを行う。

【００２６】そして、図２（ｃ）に示すように、第２の
ピエゾボビン１２を駆動して、スティックスリップによ
り、試料テーブル１６を前進させて、トンネル電流が流
れたときに、第２のピエゾボビン１２の駆動を停止して
試料テーブル１６の前進を停止する。次に、第１のピエ
ゾボビン４に緩やかに電圧をかけ、再びトンネル電流が
流れたところで、第１のピエゾボビン４への印加電圧を
保持する。この状態でスタンバイとなり、測定する部分
を第１のピエゾボビン４を使って、ＸＹ走査し、第１の
ピエゾボビン４の駆動電圧を増幅して試料１７の表面の
電子雲等の形状を画像化する。

【００２７】この際、対物レンズの焦点位置には探針７
の先端および試料１７の表面の双方が位置しているの
で、トンネル電流による測定を行っているときの探針７
の先端の光学像および試料１７の表面の光学像を、同時
に、光学顕微鏡２１により観察することができる。

【００２８】光学顕微鏡２１は探針７とは分離されてい
るので、手持ちの顕微鏡を除振台２６の上に載置して用
いることができ、従って走査型トンネル顕微鏡のシステ
ム構成が柔軟になり、安価に構成することが可能にな
る。

【００２９】また、鏡６により光路を屈折させて光学顕
微鏡により観察するので、探針，試料および光学顕微鏡
の配置システムをより自由に設計することができる。特
に、上記実施例のように、探針７と試料１７とを水平方
向に対向したときには、鏡６により、光路を曲げて上方
より光学顕微鏡２１で観察することが可能になる。

【００３０】上記実施例は第１のピエゾボビン４と第２
のピエゾボビン１２とを分離したが、第１のピエゾボビ
ン４を第２のピエゾボビン１２内に配置した、２重ボビ
ン型ピエゾを使った走査型トンネル顕微鏡（１９８８年
のアメリカン・インスティチュート・オブ・フィズィッ
クス（ American Institute of Physic ）の１８９７頁
〜１９０２頁，イリノイ大学）等にも本発明を用いるこ
とは可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上にように構成したので、
手持ちの光学顕微鏡を用いることができ、また、鏡を用
いて光路を曲げて光学顕微鏡により観察するので、探
針，試料および光学顕微鏡の配置がより自由になり、走
査型トンネル顕微鏡のシステムをより簡素化することが
でき、これらにより、走査型トンネル顕微鏡を安価に構
成することが可能になる。

【００３２】また、標準試料を用いて補正する必要がな
いので操作が容易であり、また、複数個の対物レンズを
用いて観察することができるので測定部位の絞り込みが
可能であり、更に、トンネル電流による測定の際に、探
針および試料の同時観察が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査型トンネル顕微鏡の全体斜視図で
ある。

【図２】同図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の走査型トン
ネル顕微鏡の測定部位の位置決めの手順を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

６ 鏡 ７ 探針 １７ 試料 ２１ 光学顕微鏡 ２３，２４，２５ 対物レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針の試料に対する位置決めを光学顕微
   鏡を用いて行う走査型トンネル顕微鏡において、 上記探針の後方に、鏡を配置してあり、 上記光学顕微鏡の対物レンズは、上記鏡により光路を曲
   げられて上記探針を観察するように、上記鏡に対して配
   置してあり、かつ上記鏡に対して進退して上記試料を観
   察可能であることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。