JP2624008B2 - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡Info
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- JP2624008B2 JP2624008B2 JP8217491A JP8217491A JP2624008B2 JP 2624008 B2 JP2624008 B2 JP 2624008B2 JP 8217491 A JP8217491 A JP 8217491A JP 8217491 A JP8217491 A JP 8217491A JP 2624008 B2 JP2624008 B2 JP 2624008B2
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- JP
- Japan
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- probe
- piezoelectric element
- axis
- sample
- tunnel current
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡に
関するものである。
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ミクロンオーダー領域の表面形状
観察には、走査型電子顕微鏡が多く用いられている。最
近では、ビニッヒ他，フィジカルレビューレターズ
（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第４９巻，５７頁
（４９８２年）に開示された走査型トンネル顕微鏡が用
いられるようになってきた。従来の走査型トンネル顕微
鏡のブロック図を図２に示す。
観察には、走査型電子顕微鏡が多く用いられている。最
近では、ビニッヒ他，フィジカルレビューレターズ
（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第４９巻，５７頁
（４９８２年）に開示された走査型トンネル顕微鏡が用
いられるようになってきた。従来の走査型トンネル顕微
鏡のブロック図を図２に示す。
【０００３】圧電素子１２に固定された金属の探針１０
を試料１１の表面から１ｎｍ程度に近づけ、バイアス電
圧を印加することにより観測可能な大きさのトンネル電
流が流れる。従って圧電素子１２を用いて探針１０を試
料表面に沿って走査することにより、試料１１の表面形
状を画像化することができる。圧電素子１２の駆動には
圧電駆動回路１３を用い、探針１０と試料１１のあいだ
に流れるトンネル電流はトンネル電流検出回路１４によ
って検出する。圧電素子駆動回路１３とトンネル電流検
出回路１４の制御はコンピュータ１６によって制御す
る。
を試料１１の表面から１ｎｍ程度に近づけ、バイアス電
圧を印加することにより観測可能な大きさのトンネル電
流が流れる。従って圧電素子１２を用いて探針１０を試
料表面に沿って走査することにより、試料１１の表面形
状を画像化することができる。圧電素子１２の駆動には
圧電駆動回路１３を用い、探針１０と試料１１のあいだ
に流れるトンネル電流はトンネル電流検出回路１４によ
って検出する。圧電素子駆動回路１３とトンネル電流検
出回路１４の制御はコンピュータ１６によって制御す
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
走査型トンネル顕微鏡では、探針のフィードバック制御
がｚ軸方向のみであるために、垂直に切り立った段差や
表面粗さの大きい試料の表面形状を観察すると探針と試
料が接触して探針を破壊することや段差等の表面形状に
対して正確に追従することができないなどの重大な問題
点があった。
走査型トンネル顕微鏡では、探針のフィードバック制御
がｚ軸方向のみであるために、垂直に切り立った段差や
表面粗さの大きい試料の表面形状を観察すると探針と試
料が接触して探針を破壊することや段差等の表面形状に
対して正確に追従することができないなどの重大な問題
点があった。
【０００５】すなわち従来の走査型トンネル顕微鏡で
は、図４に示すように、圧電素子のｚ軸に印加した電圧
の信号線３０Ａは、試料３１の段差形状を忠実に反映し
ない場合があった。
は、図４に示すように、圧電素子のｚ軸に印加した電圧
の信号線３０Ａは、試料３１の段差形状を忠実に反映し
ない場合があった。
【０００６】本発明の目的は、上記問題点を解決するた
めに、探針をｘ軸，ｙ軸の２次元方向に走査する際に、
探針を３次元方向に微小変動させることによりトンネル
電流が流れている探針の部分を認識し、探針に３次元デ
ジタルフィードバック制御を行い、探針と試料との接触
を防止し、さらに表面形状を正確に追従しうる安定かつ
高精度の走査型トンネル顕微鏡を提供するものである。
めに、探針をｘ軸，ｙ軸の２次元方向に走査する際に、
探針を３次元方向に微小変動させることによりトンネル
電流が流れている探針の部分を認識し、探針に３次元デ
ジタルフィードバック制御を行い、探針と試料との接触
を防止し、さらに表面形状を正確に追従しうる安定かつ
高精度の走査型トンネル顕微鏡を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型トンネル
顕微鏡は、探針と、この探針を３次元方向に移動させる
圧電素子と、この圧電素子を駆動させる圧電素子駆動回
路と、前記探針と測定試料との間に電圧を加えた際に流
れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出回路と、
前記圧電素子駆動回路と前記トンネル電流検出回路とを
制御するコンピュータとを有する走査型トンネル顕微鏡
において、探針をｘ軸ｙ軸の２次元方向に走査する際に
探針が３次元方向に微小変動するように前記圧電素子駆
動回路から出力される信号に微小変調をかける微小変調
回路を設けたものである。
顕微鏡は、探針と、この探針を３次元方向に移動させる
圧電素子と、この圧電素子を駆動させる圧電素子駆動回
路と、前記探針と測定試料との間に電圧を加えた際に流
れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出回路と、
前記圧電素子駆動回路と前記トンネル電流検出回路とを
制御するコンピュータとを有する走査型トンネル顕微鏡
において、探針をｘ軸ｙ軸の２次元方向に走査する際に
探針が３次元方向に微小変動するように前記圧電素子駆
動回路から出力される信号に微小変調をかける微小変調
回路を設けたものである。
【０００８】
【作用】走査型トンネル顕微鏡において、探針と試料間
のバイアス電圧の値が１Ｖ、トンネル電流の値が１ｎＡ
のとき、探針と試料間の最近接距離はおおよそ１ｎｍで
ある。したがって、デジタルフィードバックをかけると
きの探針の走査移動距離を１ｎｍ以下にすれば１回の探
針移動によって探針を試料に接触させることはない。探
針を１回走査するごとに３次元方向に微小変動すなわち
ｘ軸，ｙ軸およびｚ軸方向に１ｎｍ以下の距離移動さ
せ、そのときのトンネル電流の変化率を測定すれば、探
針と試料との間でトンネル電流が流れている位置を知る
ことができる。ｘｙ平面に対してｘ軸方向に探針を走査
している場合、ｙ軸およびｚ軸方向の微小変動に対して
トンネル電流の変化がなく、ｘ軸方向の微小変動に対し
てトンネル電流の変化があった場合、走査方向に段差が
あり、探針の前面でトンネル電流が流れていることにな
る。このときは、次の走査をｘ軸方向に行わず、ｚ軸方
向に行うようにする。このように３次元デジタルフィー
ドバックを行うことにより探針を試料と接触させず表面
形状に対して正確に追従させることができる。
のバイアス電圧の値が１Ｖ、トンネル電流の値が１ｎＡ
のとき、探針と試料間の最近接距離はおおよそ１ｎｍで
ある。したがって、デジタルフィードバックをかけると
きの探針の走査移動距離を１ｎｍ以下にすれば１回の探
針移動によって探針を試料に接触させることはない。探
針を１回走査するごとに３次元方向に微小変動すなわち
ｘ軸，ｙ軸およびｚ軸方向に１ｎｍ以下の距離移動さ
せ、そのときのトンネル電流の変化率を測定すれば、探
針と試料との間でトンネル電流が流れている位置を知る
ことができる。ｘｙ平面に対してｘ軸方向に探針を走査
している場合、ｙ軸およびｚ軸方向の微小変動に対して
トンネル電流の変化がなく、ｘ軸方向の微小変動に対し
てトンネル電流の変化があった場合、走査方向に段差が
あり、探針の前面でトンネル電流が流れていることにな
る。このときは、次の走査をｘ軸方向に行わず、ｚ軸方
向に行うようにする。このように３次元デジタルフィー
ドバックを行うことにより探針を試料と接触させず表面
形状に対して正確に追従させることができる。
【０００９】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図であ
る。
て説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図であ
る。
【００１０】図１において、試料１１の表面を測定する
探針１０は、３次元方向に移動可能な圧電素子１２に固
定されている。この圧電素子１２は圧電素子駆動回路１
３により駆動されるが、この圧電素子駆動回路１３に
は、探針１０をｘ軸とｙ軸の２次元方向に走査する際に
探針１０が３次元方向に微小変動するよう圧電素子駆動
回路から出力される信号に微小変調をかけるための微小
変調回路１５が接続されている。試料１１と探針１０と
の間に流れるトンネル電流は、トンネル電流検出回路１
４により検出され、各回路ともコンピュータ１６により
制御される。
探針１０は、３次元方向に移動可能な圧電素子１２に固
定されている。この圧電素子１２は圧電素子駆動回路１
３により駆動されるが、この圧電素子駆動回路１３に
は、探針１０をｘ軸とｙ軸の２次元方向に走査する際に
探針１０が３次元方向に微小変動するよう圧電素子駆動
回路から出力される信号に微小変調をかけるための微小
変調回路１５が接続されている。試料１１と探針１０と
の間に流れるトンネル電流は、トンネル電流検出回路１
４により検出され、各回路ともコンピュータ１６により
制御される。
【００１１】以下、この実施例を用いた試料の測定を具
体的に説明する。探針１０は直径０．３ｍｍのタングス
テン針を電解研磨したものを用いた。先端の曲率半径は
０．１μｍであった。探針１０を３次元的に移動させる
圧電素子１２にはチタン酸バリウムのチューブ型のもの
を用い、加える電圧と伸びの関係は、ｘ軸方向５１．３
ｎｍ／Ｖ、ｙ軸方向５４．２ｎｍ／Ｖ、Ｚ軸方向３．８
ｎｍ／Ｖであった。圧電素子駆動回路１３は、コンピュ
ータにデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータを接続
し、そのＤ／Ａコンバータの出力±１０Ｖをブースター
回路により±２００Ｖに増幅し、プログラマブル電源と
した。トンネル電流検出回路１４は、探針１０と試料１
１間のトンネル電流を１０-5Ａ／Ｖの比率で電流／電圧
変換し、±１０Ｖでリミッターをかけ、アナログ／デジ
タル（Ａ／Ｄ）変換をしてパーソナルコンピュータに入
力した。また、バイアス電圧は±１０Ｖ出力の安定化電
源を用いた。微小変調回路１５は、コンピュータにＤ／
ＡコンバータとＡ／Ｄコンバータを接続したものを用い
た。
体的に説明する。探針１０は直径０．３ｍｍのタングス
テン針を電解研磨したものを用いた。先端の曲率半径は
０．１μｍであった。探針１０を３次元的に移動させる
圧電素子１２にはチタン酸バリウムのチューブ型のもの
を用い、加える電圧と伸びの関係は、ｘ軸方向５１．３
ｎｍ／Ｖ、ｙ軸方向５４．２ｎｍ／Ｖ、Ｚ軸方向３．８
ｎｍ／Ｖであった。圧電素子駆動回路１３は、コンピュ
ータにデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータを接続
し、そのＤ／Ａコンバータの出力±１０Ｖをブースター
回路により±２００Ｖに増幅し、プログラマブル電源と
した。トンネル電流検出回路１４は、探針１０と試料１
１間のトンネル電流を１０-5Ａ／Ｖの比率で電流／電圧
変換し、±１０Ｖでリミッターをかけ、アナログ／デジ
タル（Ａ／Ｄ）変換をしてパーソナルコンピュータに入
力した。また、バイアス電圧は±１０Ｖ出力の安定化電
源を用いた。微小変調回路１５は、コンピュータにＤ／
ＡコンバータとＡ／Ｄコンバータを接続したものを用い
た。
【００１２】探針１０の３次元デジタルフィードバック
は次のようにして行った。ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸微小変調に
よるトンネル電流の変化率ｘt ，ｙt ，ｚt をそれぞれ
測定する。
は次のようにして行った。ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸微小変調に
よるトンネル電流の変化率ｘt ，ｙt ，ｚt をそれぞれ
測定する。
【００１３】（１）ｘ軸走査の場合 ｘt ＜（Ｚt ／１０）のときは、圧電素子のｚ軸方向に
フィードバックをかけ、（Ｚt ／１０）≦ｘt ＜１０ｚ
t のときは、ｘ軸およびｚ軸方向にフィードバックをか
ける。
フィードバックをかけ、（Ｚt ／１０）≦ｘt ＜１０ｚ
t のときは、ｘ軸およびｚ軸方向にフィードバックをか
ける。
【００１４】１０Ｚt ≦ｘt のときはｘ軸方向にフィー
ドバックをかける。
ドバックをかける。
【００１５】（２）ｙ軸走査の場合 ｙt ＜（ｚt ／１０）のときは、圧電素子のｚ軸方向に
フィードバックをかける。
フィードバックをかける。
【００１６】（Ｚt ／１０）≦ｙt ＜１０ｚt のとき
は、ｙ軸およびｚ軸方向にフィードバックをかける。
は、ｙ軸およびｚ軸方向にフィードバックをかける。
【００１７】１０ｚt ≦ｙt のときはｙ軸方向にフィー
ドバックをかける。
ドバックをかける。
【００１８】本実施例を用いた試料表面の観察方法によ
り測定した結果を図３に示す。測定試料は、幅１μｍ，
高さ２μｍのラインアンドスペースパターンを用いた。
図３における３０は本実施例による走査型トンネル顕微
鏡により測定したものであり、圧電素子のｚ軸に印加し
た電圧の信号線である。３１は走査型電子顕微鏡により
測定したラインアンドスペースパターンを有する試料の
断面である。段差の形状が正確に測定できていることが
わかる。また、探針と試料との接触もまったく発生しな
かった。
り測定した結果を図３に示す。測定試料は、幅１μｍ，
高さ２μｍのラインアンドスペースパターンを用いた。
図３における３０は本実施例による走査型トンネル顕微
鏡により測定したものであり、圧電素子のｚ軸に印加し
た電圧の信号線である。３１は走査型電子顕微鏡により
測定したラインアンドスペースパターンを有する試料の
断面である。段差の形状が正確に測定できていることが
わかる。また、探針と試料との接触もまったく発生しな
かった。
【００１９】図４に示した従来の走査型トンネル顕微鏡
では段差形状を忠実に反映しておらず、凹部の両方の角
の角度が鈍角で測定されていることがわかる。また、探
針と試料の接触による探針の変形は、走査回数２００回
に１回の割合で発生した。
では段差形状を忠実に反映しておらず、凹部の両方の角
の角度が鈍角で測定されていることがわかる。また、探
針と試料の接触による探針の変形は、走査回数２００回
に１回の割合で発生した。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、走査型ト
ンネル顕微鏡に微小変調回路を設けることにより、３次
元デジタルフィードバックを用いることができるため、
安定かつ高精度で表面形状の観察を行うことができると
いう効果がある。
ンネル顕微鏡に微小変調回路を設けることにより、３次
元デジタルフィードバックを用いることができるため、
安定かつ高精度で表面形状の観察を行うことができると
いう効果がある。
【図１】本発明の一実施例のブロック図。
【図２】従来の走査型トンネル顕微鏡のブロック図。
【図３】実施例により測定した試料の断面図。
【図４】従来の走査型トンネル顕微鏡により測定した試
料の断面図。
料の断面図。
１０ 探針 １１ 試料 １２ 圧電素子 １３ 圧電素子駆動回路 １４ トンネル電流検出回路 １５ 微小変調回路 １６ コンピュータ ３０，３Ａ 信号線 ３１ 試料
Claims (1)
- 【請求項１】 探針と、この探針を３次元方向に移動さ
せる圧電素子と、この圧電素子を駆動させる圧電素子駆
動回路と、前記探針と測定試料との間に電圧を加えた際
に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出回路
と、前記圧電素子駆動回路と前記トンネル電流検出回路
とを制御するコンピュータとを有する走査型トンネル顕
微鏡において、探針をｘ軸ｙ軸の２次元方向に走査する
際に探針が３次元方向に微小変動するように前記圧電素
子駆動回路から出力される信号に微小変調をかける微小
変調回路を設けたことを特徴とする走査型トンネル顕微
鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8217491A JP2624008B2 (ja) | 1991-04-15 | 1991-04-15 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8217491A JP2624008B2 (ja) | 1991-04-15 | 1991-04-15 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04315903A JPH04315903A (ja) | 1992-11-06 |
| JP2624008B2 true JP2624008B2 (ja) | 1997-06-25 |
Family
ID=13767071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8217491A Expired - Fee Related JP2624008B2 (ja) | 1991-04-15 | 1991-04-15 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2624008B2 (ja) |
-
1991
- 1991-04-15 JP JP8217491A patent/JP2624008B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04315903A (ja) | 1992-11-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19970204 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |