JP2565392B2 - 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡の測定方法Info
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- JP2565392B2 JP2565392B2 JP1023314A JP2331489A JP2565392B2 JP 2565392 B2 JP2565392 B2 JP 2565392B2 JP 1023314 A JP1023314 A JP 1023314A JP 2331489 A JP2331489 A JP 2331489A JP 2565392 B2 JP2565392 B2 JP 2565392B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トンネル電流を用いて表面の凹凸や仕事関
数を測定する走査型トンネル顕微鏡（STM）の測定に関
し、特に大きな領域での測定や、凹凸の激しい表面のST
M測定方法に関する。
数を測定する走査型トンネル顕微鏡（STM）の測定に関
し、特に大きな領域での測定や、凹凸の激しい表面のST
M測定方法に関する。
本発明は、試料に対する探針の動作を微動素子ととも
にステージで行うことで、測定領域や高さ方向の追従領
域を拡大できるようにしたもので産業上非常に有益であ
る。
にステージで行うことで、測定領域や高さ方向の追従領
域を拡大できるようにしたもので産業上非常に有益であ
る。
第２図にSTMの原理を示す。探針１と試料２間にバイ
アス電圧３を印加し、両者を1mm程度まで近づけるとト
ンネル電流と呼ばれる電流が流れる。この電流は両者の
距離の変化に対し指数関数的に変化する。この値が一定
になるように３軸駆動できる３軸駆動用の電極が設けら
れた圧電材からなる微動素子４で探針１を上下動させな
がら、X,Yスキャナー５で面内方向に探針１を走査させ
る。これらの信号をコンピュータ６で処理することで試
料２表面の凹凸を表示することができる。
アス電圧３を印加し、両者を1mm程度まで近づけるとト
ンネル電流と呼ばれる電流が流れる。この電流は両者の
距離の変化に対し指数関数的に変化する。この値が一定
になるように３軸駆動できる３軸駆動用の電極が設けら
れた圧電材からなる微動素子４で探針１を上下動させな
がら、X,Yスキャナー５で面内方向に探針１を走査させ
る。これらの信号をコンピュータ６で処理することで試
料２表面の凹凸を表示することができる。
次に従来用いられていた走査方向を第３図に示す。探
針１は試料２表面上をトンネル電流が一定になるように
サーボが掛かった状態、即ち両者の距離が一定に保たれ
た状態で走査し、各測定位置７でＺ軸情報がサンプリン
グされる。Ｚ軸情報及び各測定位置７は微動素子４に印
加される電圧として取り込まれ、微動素子４の電圧−変
位特性から変位量に換算される。
針１は試料２表面上をトンネル電流が一定になるように
サーボが掛かった状態、即ち両者の距離が一定に保たれ
た状態で走査し、各測定位置７でＺ軸情報がサンプリン
グされる。Ｚ軸情報及び各測定位置７は微動素子４に印
加される電圧として取り込まれ、微動素子４の電圧−変
位特性から変位量に換算される。
第４図に他の従来例を示す。各測定位置でのみある定
められたトンネル電流値になるように探針１を上下動さ
せ、この点でのＺ軸情報（微動素子４の印加電圧）をサ
ンプリングする。それ以外の点、即ち、測定点間の移動
時は微動素子４で探針１を引き上げた状態にする。この
手法は測定領域が広くなると測定点間の移動を高速に行
える利点がある。
められたトンネル電流値になるように探針１を上下動さ
せ、この点でのＺ軸情報（微動素子４の印加電圧）をサ
ンプリングする。それ以外の点、即ち、測定点間の移動
時は微動素子４で探針１を引き上げた状態にする。この
手法は測定領域が広くなると測定点間の移動を高速に行
える利点がある。
以上従来例を示したが、探針の走査や試料表面への追
従に対して微動素子だけを用いているため微動素子の移
動領域より大きなものや段差の大きなものは測定するこ
とはできなかった。なお、Ｚ軸追従領域に対しては、第
５図に示す如く、この量をフルに活用することはできな
かった。例えば同図に示すように、微動素子４がＺ軸サ
ーボにより伸縮できる範囲ｌの中央で試料２の表面201
との間である定められたトンネル電流が流れている状態
にあったとする。即ち探針１はこの状態から上下へl/2
しか追従できないことになる。そのため202個へ走査す
る場合は、段差Ｌがl/2より大きいと追従できなくな
る。通常試料２と探針１とをトンネル電流の流れる領域
（トンネル領域）まで近づけた場合、まわりの凹凸状況
が不明なため、上述の通りＺ軸サーボによる伸縮範囲の
中央にもってきていた。つまり、Ｚ軸サーボ電圧に床上
げ用電圧（フローティング電圧）を加えフローティング
電圧をコントロールしていた。
従に対して微動素子だけを用いているため微動素子の移
動領域より大きなものや段差の大きなものは測定するこ
とはできなかった。なお、Ｚ軸追従領域に対しては、第
５図に示す如く、この量をフルに活用することはできな
かった。例えば同図に示すように、微動素子４がＺ軸サ
ーボにより伸縮できる範囲ｌの中央で試料２の表面201
との間である定められたトンネル電流が流れている状態
にあったとする。即ち探針１はこの状態から上下へl/2
しか追従できないことになる。そのため202個へ走査す
る場合は、段差Ｌがl/2より大きいと追従できなくな
る。通常試料２と探針１とをトンネル電流の流れる領域
（トンネル領域）まで近づけた場合、まわりの凹凸状況
が不明なため、上述の通りＺ軸サーボによる伸縮範囲の
中央にもってきていた。つまり、Ｚ軸サーボ電圧に床上
げ用電圧（フローティング電圧）を加えフローティング
電圧をコントロールしていた。
以上述べたように、従来の方式では走査領域（試料の
面方向領域）、追従領域（試料の高さ方向領域）を微動
素子の可動範囲以上にすることはできず、このため走査
領域は最大10μｍ程度、追従領域は数μｍ程度しかなか
った。このため、更に大きな領域（例えば数mm）からズ
ームアップによる位置決めや、表面粗さ等の大きな段差
は測定することができなかった。
面方向領域）、追従領域（試料の高さ方向領域）を微動
素子の可動範囲以上にすることはできず、このため走査
領域は最大10μｍ程度、追従領域は数μｍ程度しかなか
った。このため、更に大きな領域（例えば数mm）からズ
ームアップによる位置決めや、表面粗さ等の大きな段差
は測定することができなかった。
上記問題点を解決するため、本発明では試料の測定に
際し、微動素子による探針の移動と、試料ステージの移
動による試料の移動とを併用して試料の測定を行う測定
方法である。
際し、微動素子による探針の移動と、試料ステージの移
動による試料の移動とを併用して試料の測定を行う測定
方法である。
本発明の方法によれば、微動素子の移動可能範囲外で
も試料ステージの移動により、探針の追従領域および試
料の観察走査領域を拡大して測定が可能である。
も試料ステージの移動により、探針の追従領域および試
料の観察走査領域を拡大して測定が可能である。
第１図に本実施例としてフロー図を示す。ST1で位置
情報をコンピュータ等で取り込む。ST2ではその位置へ
試料をX,Yステージあるいは微動素子を用いて移動させ
る。ST3では定められたトンネル電流が流れるまでＺ軸
ステージあるいは微動素子を用いて探針、試料間を近づ
けていく（オートアプローチ）。ST4,ST5でＺ軸ステー
ジの変位量及び微動素子のＺ軸変位量を取り込む。ST6
で試料探針間を試料の凹凸に比べ十分に離し、ST7で測
定位置を更新する。ST8で全ての測定点で測定が終了す
るまで繰り返す。その後ST9でデータ処理を行う。これ
は、Ｚステージの変位量と微動素子による変位量を加え
てＺ軸の変位量とし、位置データとともに３次元データ
にすることである。なお、位置データはあらかじめ設定
されているため、測定ポイント毎に位置データを取り込
まない方法もある。
情報をコンピュータ等で取り込む。ST2ではその位置へ
試料をX,Yステージあるいは微動素子を用いて移動させ
る。ST3では定められたトンネル電流が流れるまでＺ軸
ステージあるいは微動素子を用いて探針、試料間を近づ
けていく（オートアプローチ）。ST4,ST5でＺ軸ステー
ジの変位量及び微動素子のＺ軸変位量を取り込む。ST6
で試料探針間を試料の凹凸に比べ十分に離し、ST7で測
定位置を更新する。ST8で全ての測定点で測定が終了す
るまで繰り返す。その後ST9でデータ処理を行う。これ
は、Ｚステージの変位量と微動素子による変位量を加え
てＺ軸の変位量とし、位置データとともに３次元データ
にすることである。なお、位置データはあらかじめ設定
されているため、測定ポイント毎に位置データを取り込
まない方法もある。
第６図に第１図に示した本実施例で用いる移動手段の
一覧を示す。
一覧を示す。
No.1は走査領域，追従領域とも最大ステージ移動量ま
で拡大することができる。
で拡大することができる。
即ち、走査領域についてはX,Yステージにより試料を
移動させることで拡大ができる。
移動させることで拡大ができる。
追従領域について第７図を用いて説明する。第７図
（ａ）は試料２と探針１とが離れた状態である。この場
合、Ｚ軸サーボによりトンネル電流が流れるまで探針１
を試料２に近づけようと、供給可能な最大電圧が微動素
子４に加わっている。つまり微動素子４は伸び切った状
態である。なお、試料２はＺ軸ステージ７、Ｘステージ
８、Ｙステージ９で支持されている。同図（ｂ）は、Ｚ
ステージ７で試料２を探針１へ近接させ、規定のトンネ
ル電流が流れている状態を示す。この場合、Ｚ軸ステー
ジの移動量をLZ1,微動素子の縮み量をLP1とする。Ｚ軸
ステージ７、あるいは微動素子４で試料２、探針１間を
離し、試料２を次の測定点まで移動させ同様にアプロー
チさせる。この状態でＺ軸ステージの移動量をLZ2、微
動素子の縮み量をLP2とすると、試料の段差は （LZ2−LZ1）＋（LP2−LP1） …（１） で求めることができる。
（ａ）は試料２と探針１とが離れた状態である。この場
合、Ｚ軸サーボによりトンネル電流が流れるまで探針１
を試料２に近づけようと、供給可能な最大電圧が微動素
子４に加わっている。つまり微動素子４は伸び切った状
態である。なお、試料２はＺ軸ステージ７、Ｘステージ
８、Ｙステージ９で支持されている。同図（ｂ）は、Ｚ
ステージ７で試料２を探針１へ近接させ、規定のトンネ
ル電流が流れている状態を示す。この場合、Ｚ軸ステー
ジの移動量をLZ1,微動素子の縮み量をLP1とする。Ｚ軸
ステージ７、あるいは微動素子４で試料２、探針１間を
離し、試料２を次の測定点まで移動させ同様にアプロー
チさせる。この状態でＺ軸ステージの移動量をLZ2、微
動素子の縮み量をLP2とすると、試料の段差は （LZ2−LZ1）＋（LP2−LP1） …（１） で求めることができる。
このように試料表面の凹凸の差が、微動素子に装着さ
れた探針の移動範囲を越える場合でも、探針の移動可能
範囲内までステージにより試料を移動させることで、そ
の凹凸面を測定することができる。
れた探針の移動範囲を越える場合でも、探針の移動可能
範囲内までステージにより試料を移動させることで、そ
の凹凸面を測定することができる。
No.2は試料の凹凸が微動素子の追従領域に比べ十分小
さい場合、最初のアプローチはＺ軸ステージで行い、各
測定点への移動やアプローチは微動素子だけで行う場合
である。Ｚ軸移動が微動素子だけの変位で行えるため、
No.1より高速に測定することができる。この場合の試料
の凹凸は （微動素子Ｚ軸移動量−マージン）/2 以下であれば本発明を用いることができる。なおマージ
ンは、探針を試料最大凸部からどれだけ隔すかという量
であり、０以上の値である。
さい場合、最初のアプローチはＺ軸ステージで行い、各
測定点への移動やアプローチは微動素子だけで行う場合
である。Ｚ軸移動が微動素子だけの変位で行えるため、
No.1より高速に測定することができる。この場合の試料
の凹凸は （微動素子Ｚ軸移動量−マージン）/2 以下であれば本発明を用いることができる。なおマージ
ンは、探針を試料最大凸部からどれだけ隔すかという量
であり、０以上の値である。
No.3は試料をX,Yステージで移動するかわりに探針を
微動素子で走査し、追従手段にＺ軸ステージを併用した
ものである。走査領域は微動素子の走査領域程度で十分
であるが、段差の激しい試料を測定することができる。
走査を微動素子で行うためNo.1の方式に比べ高速に測定
することができる。
微動素子で走査し、追従手段にＺ軸ステージを併用した
ものである。走査領域は微動素子の走査領域程度で十分
であるが、段差の激しい試料を測定することができる。
走査を微動素子で行うためNo.1の方式に比べ高速に測定
することができる。
No.4は走査手段に微動素子とX,Yステージを併用した
もので、追従方式はNo.1と同じである。併用した走査手
段とは第８図に示す如く微動素子で移動できる範囲は微
動素子を用い（破線）、ステージの移動ステップ量を大
きくしてステージ移動回数を減らしたもの（一点鎖線）
である。同図は１ライン50μｍ、微動素子の面内最大変
位量10μｍ、測定点100/ラインとした場合の例を示した
ものであり、ステージ10.5μｍステップで移動する例で
ある。本手段を用いるとステージ移動回数が減らせるの
で高速に測定することができる。なお、X,Yに本方式を
用いた場合、第９図に示す如く微動素子を用いて走査し
たブロック毎に、微動素子の非直線性を補正することも
できる。非直線性とは第10図に示す如く、微動素子に加
える電圧−変位特性が直線にならないことであり、この
特性を測定しておき補正することを非直線性の補正と呼
んでいる。
もので、追従方式はNo.1と同じである。併用した走査手
段とは第８図に示す如く微動素子で移動できる範囲は微
動素子を用い（破線）、ステージの移動ステップ量を大
きくしてステージ移動回数を減らしたもの（一点鎖線）
である。同図は１ライン50μｍ、微動素子の面内最大変
位量10μｍ、測定点100/ラインとした場合の例を示した
ものであり、ステージ10.5μｍステップで移動する例で
ある。本手段を用いるとステージ移動回数が減らせるの
で高速に測定することができる。なお、X,Yに本方式を
用いた場合、第９図に示す如く微動素子を用いて走査し
たブロック毎に、微動素子の非直線性を補正することも
できる。非直線性とは第10図に示す如く、微動素子に加
える電圧−変位特性が直線にならないことであり、この
特性を測定しておき補正することを非直線性の補正と呼
んでいる。
No.5はNo.4で示した走査方法を用い、No.2で説明した
追従方式を用いた方法である。
追従方式を用いた方法である。
以上説明したように、本方式によれば測定領域や追従
領域をステージ移動範囲内で自由に選ぶことができる。
このため、大領域を走査して測定したい場所をさがし、
ズームアップしていくことができる。この場合、微動素
子だけで走査、追従して行うSTM測定と併用すると効果
的である。
領域をステージ移動範囲内で自由に選ぶことができる。
このため、大領域を走査して測定したい場所をさがし、
ズームアップしていくことができる。この場合、微動素
子だけで走査、追従して行うSTM測定と併用すると効果
的である。
又、本方式によれば段差の大きな試料も測定すること
ができる。
ができる。
第１図は本実施例を示すフロー図、第２図はSTMの原理
を示す説明図、第３図は従来技術による走査方法を示す
説明図、第４図は従来技術による他の走査方法を示す説
明図、第５図はＺ軸追従領域を示す説明図、第６図は本
実施例の移動手段を示す図、第７図は追従領域の説明
図、第８図は併用した走査手段の説明図、第９図は非直
線性補正ブロックを示す説明図、第10図は非直線性を示
す説明図である。 １……探針 ２……試料 ４……微動素子 ７……Ｚ軸ステージ
を示す説明図、第３図は従来技術による走査方法を示す
説明図、第４図は従来技術による他の走査方法を示す説
明図、第５図はＺ軸追従領域を示す説明図、第６図は本
実施例の移動手段を示す図、第７図は追従領域の説明
図、第８図は併用した走査手段の説明図、第９図は非直
線性補正ブロックを示す説明図、第10図は非直線性を示
す説明図である。 １……探針 ２……試料 ４……微動素子 ７……Ｚ軸ステージ
Claims (5)
- 【請求項１】探針を試料表面に対して３軸方向に駆動す
る微動素子と、前記試料を３軸方向に移動する試料ステ
ージとから成る走査型トンネル顕微鏡の測定方法であっ
て、各測定点において、前記探針と前記試料間に所定の
トンネル電流が流れる位置に前記探針と前記試料を近づ
けるのに、前記微動素子による前記探針の移動と、前記
試料ステージの移動による前記試料の移動とを併用して
行い、前記微動素子の移動量と前記試料ステージの移動
量とから試料表面の段差形状の測定を行うことを特徴と
する走査型トンネル顕微鏡の測定方法。 - 【請求項２】前記試料ステージの最大移動量は前記微動
素子の最大移動量より大きい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の測定方法。 - 【請求項３】前記探針と前記試料間に所定のトンネル電
流が流れる位置に前記探針と前記試料を近づけるにあた
って、始めに前記微動素子を伸びきった状態にしてお
き、しかるのちに前記試料ステージをＺ方向に動かし近
づけることを特徴とする請求項１から２のいずれかひと
つに記載の走査型トンネル顕微鏡の測定方法。 - 【請求項４】探針を試料表面に対して３軸方向に駆動す
る微動素子と、前記試料を３軸方向に移動する試料ステ
ージとから成る走査型トンネル顕微鏡の測定方法であっ
て、走査領域を前記微動素子の可動範囲以上にするため
に、１ラインを走査する時、最大変位量まで前記微動素
子を走査させたあと、前記試料ステージを隣接する領域
にまで移動させ、再度前記微動素子を最大変位量まで走
査させることを繰り返して測定を行うことを特徴とする
走査型トンネル顕微鏡の測定方法。 - 【請求項５】３軸方向に移動する試料ステージ上の試料
表面に対して探針を３軸方向に微動素子により駆動し前
記探針を試料表面に追従させながら試料の表面形状を測
定する方法において、各測定点において、前記探針と前
記試料を所定の間隔まで近づけるのに、前記微動素子に
よる前記探針の移動と、前記試料ステージの移動による
前記試料の移動とを併用して行い、前記微動素子の移動
量と前記試料ステージの移動量とから試料表面の段差形
状の測定を行うことを特徴とする試料表面形状の測定方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1023314A JP2565392B2 (ja) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1023314A JP2565392B2 (ja) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02203204A JPH02203204A (ja) | 1990-08-13 |
| JP2565392B2 true JP2565392B2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=12107130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1023314A Expired - Fee Related JP2565392B2 (ja) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2565392B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006019130A1 (ja) * | 2004-08-18 | 2008-05-08 | 日立建機ファインテック株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡の探針走査制御方法および探針走査制御装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07119567B2 (ja) * | 1986-07-14 | 1995-12-20 | オリンパス光学工業株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JPH0833405B2 (ja) * | 1987-05-28 | 1996-03-29 | 株式会社島津製作所 | 走査顕微鏡 |
| JPH01127903A (ja) * | 1987-11-12 | 1989-05-19 | Jeol Ltd | 試料移動機構を備えた走査トンネル顕微鏡 |
-
1989
- 1989-02-01 JP JP1023314A patent/JP2565392B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02203204A (ja) | 1990-08-13 |
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|---|---|---|---|
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