JP2571624B2 - 走査型トンネル顕微鏡の制御方式 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡の制御方式

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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、試料に探針を近づけて3次元に駆動してト
ンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡の制御方法
に関するものである。
〔従来の技術〕
探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重なり合う
nmオーダまで探針の先端を試料表面に近づけ、この状態
で探針と試料との間に電圧をかけるとトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は、特に、探針と試料との間の
距離(探針の高さ)に敏感であるため、トンネル電流の
大きさを測定することにより試料と探針との間の距離を
超精密測定することができる。
走査型トンネル顕微鏡(STM)は、上記トンネル電流
が一定になるように探針の高さを制御しながら、探針を
水平方向に走査した時の探針の高さ軌跡により試料表面
の凹凸形状を観察するものであり、表面原子配列を解析
する上で注目されている装置である。また、走査型トン
ネル顕微鏡は、表面分析の手段として定着しつつあり、
さらに、その応用分野も表面の原子位置を調べる顕微鏡
法のみならず、表面の電子状態を局所的に調べる分光法
の分野にも広がってきている。しかも、走査型トンネル
顕微鏡は、その原理、機構の簡便さ、更に装置サイズも
小さいことから短期間に各種の分野に普及してきてい
る。
走査型トンネル顕微鏡の応用としては、例えばデバイ
ス分野に於ける「表面粗さ計」や「超微細加工装置」へ
の応用などがある。近年、このデバイス分野では、表面
加工装置の発展が著しく、それに伴い測定精度もサブミ
クロンからオングストロームオーダの高い精度が必要と
なり、そのため高い精度の測定装置に対する要求が増加
している。その点、走査型トンネル顕微鏡は、「光学式
表面粗さ計」より更に高い精度の測定手段として非破壊
でしかも原子スケールまで測定できる装置賭して注目浴
びてきている。
〔発明が解決しようとする課題〕
これまでのように探針をトンネル電流が一定になるよ
うに制御しながら試料面を走査することによって試料の
表面凹凸像を観察するだけであれば、一定のシーケンス
にしたがって3次元スキャナーの各圧電素子を制御する
だけでよいが、走査型トンネル顕微鏡が「表面粗さの評
価」や「超微細加工」、「摩擦の研究」、「超微細パタ
ーン形状の3次元計測」を行うための手段として使われ
るためには、その機能面での改良、改善は勿論、さらに
は測定器としての原子スケールでのマニプレーション機
能なども要求されてくる。
本発明は、上記の課題を解決するものであって、試料
面上における測定機能の中で、STMの機能として要求さ
れる任意の点における測長(高さ・幅・長さなど)や、
分光機能として要求される任意の位置におけるスペクト
ロスコピーを簡便に行える技術が装備された走査型トン
ネル顕微鏡の制御方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] そのために本発明による走査型トンネル顕微鏡の制御
方法は、試料表面に先端を近付けた探針と試料との間に
一定のバイアス電圧を印加した状態で探針と試料との間
のトンネル電流を一定とするよう探針と試料との距離を
可変するZ軸方向駆動手段の駆動電圧を調整する制御を
しつつZ軸方向と直交するXY軸方向駆動手段により探針
を試料に対して走査して該制御の制御量から試料表面の
凹凸に関する画像情報を取得し、取得した画像情報に基
づいてモニタ手段に試料画像を表示し、該モニタ画面上
でポインティングデバイスにより試料画像中の特定点が
指定された時前記XY軸方向駆動手段を制御して該特定点
に対応する試料位置へ探針を移動停止させた後、Z軸方
向駆動手段の駆動電圧を調整する前記制御をせずに探針
と試料との距離を一定に維持しつつバイアス電圧を変化
させて前記試料表面の凹凸に関する画像情報を取得する
作業と異なる作業を行うことを特徴とするものである。
[作用] 本発明の走査型トンネル顕微鏡の制御方法では、ポイ
ンティングデバイスの操作により探針の駆動を制御でき
るようにしているので、走査像を観ながらポインティン
グデバイスで試料上の任意の位置を指定し、その位置に
探針を移動させることができ、探針を使って試料の加工
や測定の処理等を行うことができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
第1図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の制御方
法の1実施例を示す図であり、1x、1y、1zは圧電素子、
2はバイアス電源、3は探針、4は試料、5はI/Vコン
バータ、6は対数増幅回路、7はコンパレータ、8はイ
ンテグレータ、9はZ軸駆動増幅回路、10x、10yは走査
駆動増幅回路、11はCPUモニタ、12はマウスを示す。
第1図において、圧電素子1xがX軸走査用、圧電素子
1yがY軸走査用、圧電素子1zがZ軸の制御用として3次
元PZTスキャナーを構成するものであり、そのため、例
えば圧電素子1x、1yには剪断変形(シェアー)モード、
圧電素子1zには伸縮モードが使用される。そして、この
3次元PZTスキャナーの先端には探針3が取り付けら
れ、探針3と試料4との間にはバイアス電源2が接続さ
れる。走査駆動増幅回路10x、10yは、CPUモニタ11の駆
動信号にしたがって圧電素子1x、1yを駆動するものであ
る。I/Vコンバータ5は、トンネル電流Itを電圧に変換
しさらに増幅するものであり、その次の段に接続された
対数増幅回路6は、I/Vコンバータ5の出力信号が探針
の高さと線形に対応するように信号変換(線形化)を行
なうものである。コンパレータ7は、対数増幅回路6の
出力値をトンネル電流の設定値に対応する基準値と比較
するものであり、インテグレータ8はコンパレータ7の
出力を積分し、この出力が圧電素子1zに対するZ軸と制
御値となり、試料の表面凹凸像の表示データとなる。す
なわち、この信号は、Z軸駆動増幅回路9で圧電素子1z
の制御信号として用いられ、CPUモニタ11にビデオ信号
として取り込まれる。CPUモニタ11は、ポインティング
デバイスとしてマウス12を有し、このマウス12の操作に
よって試料上の位置を指定し、或いは任意のラインプロ
ファイルを描画し入力すると、その位置へ探針3を駆動
する信号や、描画されたラインプロファイルで探針3を
駆動する信号を走査駆動増幅回路10x、10yに与えること
ができるように構成されたものである。
マウスを利用して画像上で距離の測定や画像からライ
ンプロファイル等を得る方法は、よく知られた技術であ
るが、本発明は、上記のような構成によりマウス12を利
用して走査型トンネル顕微鏡の走査用の電圧素子1x、1y
を直接制御できるようにするものである。走査型トンネ
ル顕微鏡の探針をマイクロマニュプレータ的に使用でき
るようにすることは重要であり、特に、CPUからのマウ
ス12を使ってこのような操作を行えるようにすること
は、操作性を向上させる面からも有効である。
次に、走査型トンネル顕微鏡の応用技術の1つである
STS(Scanning Tunnelling Spectroscopy)への応用に
ついて説明する。
第2図はマウスを使って行う処理の例を説明するため
の図、第3図は試料側にも駆動機構を備えた構成例を示
す図である。
走査型トンネル顕微鏡が現在最も威力を発揮している
のは、表面構造の研究である。それは、固体表面の原子
配列を直接実像として捕えることができ、表面構造の空
間的ゆらぎ、不均一性を知ることができるからである。
このことは、従来の表面構造の観察法である、例えばLE
ED法やRHEED法では得られなかったことであり、この方
面の研究に走査型トンネル顕微鏡は不可欠な手段であ
る。STSは、簡単にいうと探針−試料間のバイアスを変
化させてデータを取る方法であり、試料表面の電子状態
を理解する方法として大いに期待される技術である。
3次元でのトンネル電流密度ITは、印加電圧が小さい
と仮定すると、 IT∝VT・ρTip(ε)・ρSample(ε) と表すことができる。ただし、ρは状態密度であり、ε
はフェルミ準位である。
走査型トンネル顕微鏡は、トンネル電流がITが一定に
なるようにして探針を走査させるので、探針は、フェル
ミ準位ε近傍のエネルギー領域にある電子が形成する
等電荷密度面に沿って動くことになる。そこで、いま探
針をある位置に固定して、探針と試料との間にかける電
圧VTを掃引すると、探針は、試料から探針(または探針
から試料)へ流れるトンネル電流ITに寄与する電子のエ
ネルギーの下限が走査されることになる。したがって、
電圧VTを単位量だけ変化させたときのトンネル電流IT
変化dIT/dVTは、エネルギーの下限を単位量だけ変化さ
せたときのトンネル電子数の変化、すなわちそのエネル
ギーでの試料と探針の状態密度との積(これを結合状態
密度と呼ぶ)であり、これは、上式にほかならない。そ
れゆえ、VTをステップ状に変化させて行った際のITの値
を求め、この求められた値を用いてVTの各値についてdI
T/dVTを算出し、VTの関数としてdIT/dVTの値をプロット
すると、試料の電子状態密度の情報を知ることができ
る。探針のフェルミ準位が試料のフェルミ準位の充分下
から上まで走査するように電圧VTをプラス、マイナスで
大幅に変化させると、電子によって占有されたエネルギ
ー領域の状態密度の情報、及び電子が空きのエネルギー
領域の状態密度の情報が共に得られる。
試料表面の電子状態密度を測定するためには、予め試
料表面の画像を採取し、その後画像の任意の位置を選択
して電子状態密度を測定するという手順を踏む必要があ
る。このような場合には、走査用の圧電素子1x、1yとマ
ウス12の組み合わせにより、例えば第2図(a)の左側
に示すような試料表面の画像を予め採取してCPUモニタ1
1上に表示し、この画像を見ながらマウス12により圧電
素子1x、1yを制御して希望の位置Aを指定することによ
って、探針3をその位置Aに移動させることができ、さ
らにその位置にてバイアス電圧、トンネル電流等を自由
に変換させて同図(a)の右側に示すようなデータを得
ることができる。
また、通常行われているラインプロファイル等では、
一旦取り入れた画像について処理するが、本発明では、
マウス12と走査用の圧電素子1x、1yを1対1で駆動する
ことができるため、マウス12の操作にしたがってリアル
タイムで測定、測長を行うことが可能になる。さらに、
これらの技術は、走査型トンネル顕微鏡の超微細加工へ
の適用時にも有効な手段であり、ソフトウェアとの組み
合わせで任意の形状に加工することも可能である。この
方法としては、パターンを直接描画するか、マウスなど
を使用して描画すべきパターンを描き、このパターンを
表す信号を一旦コンピュータのメモリに書き込んでお
き、この信号を読み出してこの信号に基づいて探針を駆
動する方法も取り得る。または、この読み出された信号
に基づいて描画しようとするパターンを表示し、このパ
ターンと対比しながらポインティングデバイスを操作し
て第2図(b)に示すようなパターンを描画し、原子・
分子レベルでのマイクロマニュプレーションをリアルタ
イムで行うこともできる。
さらにまた、第3図に示すように試料4側に探針3側
と同様に圧電素子13x、1y、13zを取り付け、探針3の代
わりに試料4を走査してもよい。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものでは
なく、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例で
は、操作手段としてマウスを組み合わてせて用いたが、
ジョイスティックやキーその他のポインティングデバイ
スを用いてもよいこというまでもない。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、圧
電走査素子を直接マウスやジョイスティック等のポイン
ティングデバイスにて制御するので、 試料上を直接リアルタイムで測定・測長することが
できる、 直接リアルタイムで超微細加工、原子分子レベルで
のマイクロマニプレーションが可能となる、 CPUによりマウス等を使用して書き込んだパターン
をバッファメモリに一旦書き込んでPZTを駆動すること
ができ、パターンを容易に修正可能なばかりでなく、ほ
ぼリアルタイムに近い感覚で描画できる、 等の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の制御方法
の1実施例を示す図、第2図はマウスを使って行う処理
の例を説明するための図、第3図は試料側にも駆動機構
を備えた構成例を示す図である。 1x、1y、1z……圧電素子、2……バイアス電源、3……
探針、4……試料、5……I/Vコンバータ、6……対数
増幅回路、7……コンパレータ、8……インテグレー
タ、9……Z軸駆動増幅回路、10x、10y……走査駆動増
幅回路、11……CPUモニタ、12……マウス。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料表面に先端を近付けた探針と試料との
    間に一定のバイアス電圧を印加した状態で探針と試料と
    の間のトンネル電流を一定とするよう探針と試料との距
    離を可変するZ軸方向駆動手段の駆動電圧を調整する制
    御をしつつZ軸方向と直交するXY軸方向駆動手段により
    探針を試料に対して走査して該制御の制御量から試料表
    面の凹凸に関する画像情報を取得し、取得した画像情報
    に基づいてモニタ手段に試料画像を表示し、該モニタ画
    面上でポインティングデバイスにより試料画像中の特定
    点が指定された時前記XY軸方向駆動手段を制御して該特
    定点に対応する試料位置へ探針を移動停止させた後、Z
    軸方向駆動手段の駆動電圧を調整する前記制御をせずに
    探針と試料との距離を一定に維持しつつバイアス電圧を
    変化させて前記試料表面の凹凸に関する画像情報を取得
    する作業と異なる作業を行うことを特徴とする走査型ト
    ンネル顕微鏡の制御方法。
  2. 【請求項2】探針のXY軸方向駆動装置信号をバッファメ
    モリに保持し、保持したXY軸方向駆動信号をXY軸方向駆
    動手段に供給して探針を所定位置に移動させることを特
    徴とする請求項1記載の走行型トンネル顕微鏡の制御方
    法。
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