JP2713717B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
- Publication number
- JP2713717B2 JP2713717B2 JP63030740A JP3074088A JP2713717B2 JP 2713717 B2 JP2713717 B2 JP 2713717B2 JP 63030740 A JP63030740 A JP 63030740A JP 3074088 A JP3074088 A JP 3074088A JP 2713717 B2 JP2713717 B2 JP 2713717B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- sample
- scanning
- current
- error
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は探針と試料とを接近して発生するトンネル電
流及び電界放射電流を利用する装置に係り、特に高速に
探針（プローブ）を走査して表面形状の情報を得るのに
好適な走査型トンネル顕微鏡及びその類似装置走査型
（プローブ顕微鏡）に関する。
流及び電界放射電流を利用する装置に係り、特に高速に
探針（プローブ）を走査して表面形状の情報を得るのに
好適な走査型トンネル顕微鏡及びその類似装置走査型
（プローブ顕微鏡）に関する。
従来、探針と試料間に電圧を印加し、探針と試料とを
接近して得られるトンネル電流及び電界放射電流を利用
した走査型トンネル顕微鏡での高速走査における表面形
状の情報取得方法については、アプライド フイジツク
ス レター48,（1986年）第832頁から第834頁（Appl.Ph
ys.Lett.48（1986）PP832−834）において論じられてい
る。
接近して得られるトンネル電流及び電界放射電流を利用
した走査型トンネル顕微鏡での高速走査における表面形
状の情報取得方法については、アプライド フイジツク
ス レター48,（1986年）第832頁から第834頁（Appl.Ph
ys.Lett.48（1986）PP832−834）において論じられてい
る。
上記従来技術では高速走査する場合、探針・試料間隙
を任意の距離にホールドし、間隙制御を中止した後、探
針を試料面に走査して間隙の変化から得られるトンネル
電流あるいは電界放射電流の変化を表面形状の情報とし
ていた。このために、この方法では表面形状の構造情報
を正確に得ることができないこと、さらに、走査領域内
での凹凸や走査面と試料表面との傾きが10Å以上ある場
合や結晶成長のように試料面が成長していく場合、探針
が試料に衝突するという問題があった。
を任意の距離にホールドし、間隙制御を中止した後、探
針を試料面に走査して間隙の変化から得られるトンネル
電流あるいは電界放射電流の変化を表面形状の情報とし
ていた。このために、この方法では表面形状の構造情報
を正確に得ることができないこと、さらに、走査領域内
での凹凸や走査面と試料表面との傾きが10Å以上ある場
合や結晶成長のように試料面が成長していく場合、探針
が試料に衝突するという問題があった。
また、通常の走査型トンネル顕微鏡では、高速走査し
た場合、サーボ系あるいは圧電素子等が高周波数領域に
対して応答が出来ないために微細な構造が全く測定でき
ないという問題があつた。
た場合、サーボ系あるいは圧電素子等が高周波数領域に
対して応答が出来ないために微細な構造が全く測定でき
ないという問題があつた。
本発明の目的は高速走査においても試料表面形状が測
定できる走査型トンネル顕微鏡及び類似装置走査型（プ
ローブ顕微鏡）を提供することにある。
定できる走査型トンネル顕微鏡及び類似装置走査型（プ
ローブ顕微鏡）を提供することにある。
本発明では、従来技術と異なり、高速走査の場合でも
探針・試料間隙をサーボし、少なくとも探針が試料に衝
突しないようにする。また、高速走査の場合、制御系の
周波数応答が追いつかないので設定電流値に対して検出
電流が誤差をもつ。この電流に対して、電流誤差・高さ
誤差変換を行ない、この高さ誤差を用いて上記より得ら
れる構造情報を補正することにより正確な表面形状の情
報を得る。以上のようにして、上記目的は達成される。
探針・試料間隙をサーボし、少なくとも探針が試料に衝
突しないようにする。また、高速走査の場合、制御系の
周波数応答が追いつかないので設定電流値に対して検出
電流が誤差をもつ。この電流に対して、電流誤差・高さ
誤差変換を行ない、この高さ誤差を用いて上記より得ら
れる構造情報を補正することにより正確な表面形状の情
報を得る。以上のようにして、上記目的は達成される。
本発明の作用について、第１図の原理図を用いて説明
する。探針１と試料２との間に電位差を設ける（図示し
ていない）とトンネル現象により探針原子３と試料原子
４との間に電流が流れ、探針１を支持している移動手段
（図示していない）によりトンネル電流が一定になるよ
うにサーボする。この状態で、探針１を試料表面に沿つ
て高速走査するとサーボ系が高周波成分に対して追従で
きないため探針の軌跡５は２点鎖線のようにサーボされ
る。理想的には６の点線のようになるべきであり、軌跡
６と５の間に生じた高さ誤差が電流の変化（電流誤差成
分）として検出される。従つて、表面形状は、探針の軌
跡５の変化ΔZ1を電流誤差成分より変換される高さ誤差
ΔZ2で補正することにより求めることができる。
する。探針１と試料２との間に電位差を設ける（図示し
ていない）とトンネル現象により探針原子３と試料原子
４との間に電流が流れ、探針１を支持している移動手段
（図示していない）によりトンネル電流が一定になるよ
うにサーボする。この状態で、探針１を試料表面に沿つ
て高速走査するとサーボ系が高周波成分に対して追従で
きないため探針の軌跡５は２点鎖線のようにサーボされ
る。理想的には６の点線のようになるべきであり、軌跡
６と５の間に生じた高さ誤差が電流の変化（電流誤差成
分）として検出される。従つて、表面形状は、探針の軌
跡５の変化ΔZ1を電流誤差成分より変換される高さ誤差
ΔZ2で補正することにより求めることができる。
尚、電流誤差成分より高さ誤差ΔZ2を求めるには次の
様な式を用いることにより可能となる。例えば、トンネ
ル電流Itと間隙Ｓとの間には理論的に次式の関係があ
る。
様な式を用いることにより可能となる。例えば、トンネ
ル電流Itと間隙Ｓとの間には理論的に次式の関係があ
る。
これにより、電流変化ΔItは間隙変化ΔＳを用いる
と、（２）式となる。
と、（２）式となる。
（２）式はＳ５Åの領域で であり、（３）式のようになる。
ΔIt＝−K2ItΔＳ …（３） 従つて、誤差電流ΔItから高さ誤差ΔZ2は次の様に算
出される。
出される。
〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第２図，第３図を用いて説
明する。
明する。
第２図は本発明の基本構成を示す。図に示すように、
本発明は移動手段として探針１を支持する圧電素子7,サ
ーボ手段としてのサーボ回路10,電圧印加手段としての
電流8,電流検出器9,電流誤差・高さ誤差変換回路11,補
正回路12より構成される。この様な状態で探針１を試料
２に接近すると、トンネル電流あるいは電界放射電流が
流れ、電流検出器９で該電流が検出される。この信号を
サーボ回路10に入力すると、サーボ回路10は該電流が一
定の目標値になるように圧電素子７を駆動する。その結
果、探針１は試料２との間隙が一定に保たれるようにサ
ーボされる。しかしこの時、探針１あるいは試料２の走
査時に間隙が急に変化すると、サーボ系が追従できず、
探針１と試料２との間隙が変化するので電流誤差が発生
し、電流検出器９の出力信号は変動する。この変動は上
記のようにサーボ回路10に入力するとともに、電流誤差
・高さ誤差変換回路11にも入力する。上記変換回路11で
は目標値からの誤差電流を検出し、（４）式に従つて間
隙誤差値を検出する。この検出信号ΔZ2とサーボ回路10
より出力される高さ情報ΔZ1とを加算回路で構成した補
正回路12で補正し、正確な表面形状情報13を得ることが
できる。尚、サーボ回路10から出力される高さ情報ΔZ1
はΔZ2より時間的に早く出力されるので、ΔZ1が補正回
路12に入力する前に遅延回路を通してΔZ1とΔZ2との時
間的一致を行なうことが望しい。
本発明は移動手段として探針１を支持する圧電素子7,サ
ーボ手段としてのサーボ回路10,電圧印加手段としての
電流8,電流検出器9,電流誤差・高さ誤差変換回路11,補
正回路12より構成される。この様な状態で探針１を試料
２に接近すると、トンネル電流あるいは電界放射電流が
流れ、電流検出器９で該電流が検出される。この信号を
サーボ回路10に入力すると、サーボ回路10は該電流が一
定の目標値になるように圧電素子７を駆動する。その結
果、探針１は試料２との間隙が一定に保たれるようにサ
ーボされる。しかしこの時、探針１あるいは試料２の走
査時に間隙が急に変化すると、サーボ系が追従できず、
探針１と試料２との間隙が変化するので電流誤差が発生
し、電流検出器９の出力信号は変動する。この変動は上
記のようにサーボ回路10に入力するとともに、電流誤差
・高さ誤差変換回路11にも入力する。上記変換回路11で
は目標値からの誤差電流を検出し、（４）式に従つて間
隙誤差値を検出する。この検出信号ΔZ2とサーボ回路10
より出力される高さ情報ΔZ1とを加算回路で構成した補
正回路12で補正し、正確な表面形状情報13を得ることが
できる。尚、サーボ回路10から出力される高さ情報ΔZ1
はΔZ2より時間的に早く出力されるので、ΔZ1が補正回
路12に入力する前に遅延回路を通してΔZ1とΔZ2との時
間的一致を行なうことが望しい。
第３図は本発明を走査型トンネル顕微鏡に適用した具
体例である。第２図に比較して電流誤差・高さ誤差変換
回路11がサーボ系の中に入つている。これによりサーボ
系が非常に安定となる。また、探針１を試料２面上をラ
スタ走査する機能として、２次元走査回路23,X軸圧電素
子15,Y軸圧電素子16が付加され、３次元形状表示のため
に画像記憶部24,TVモニタ25,CRTモニタ26,XYレコーダ2
7,コンピユータシステム28が付加されている。図におい
て、サーボ系は電流検出器９で電流検出し、目標電流設
定回路17からの目標値と減算回路18で誤差電流を検出し
て、該変換回路11で高さ誤差信号に変換する。その後、
PID制御回路19,高電圧アンプ20,Z軸圧電素子７により、
上記の高さ誤差信号が零になるように制御される。一
方、表面形状の情報はPID制御回路19の出力信号と該変
換回路11からの出力信号を増幅器21を通して得られる高
さ誤差とを補正回路22で加算して形成される。尚、高さ
誤差の符号によつては補正回路が減算となる。また、図
ではサーボ系からの高さ情報をPID制御回路19の出力と
したが、高電圧アンプ20の周波数特性が低い場合には高
電圧アンプ20の出力を減衰して用いることが望しい。
体例である。第２図に比較して電流誤差・高さ誤差変換
回路11がサーボ系の中に入つている。これによりサーボ
系が非常に安定となる。また、探針１を試料２面上をラ
スタ走査する機能として、２次元走査回路23,X軸圧電素
子15,Y軸圧電素子16が付加され、３次元形状表示のため
に画像記憶部24,TVモニタ25,CRTモニタ26,XYレコーダ2
7,コンピユータシステム28が付加されている。図におい
て、サーボ系は電流検出器９で電流検出し、目標電流設
定回路17からの目標値と減算回路18で誤差電流を検出し
て、該変換回路11で高さ誤差信号に変換する。その後、
PID制御回路19,高電圧アンプ20,Z軸圧電素子７により、
上記の高さ誤差信号が零になるように制御される。一
方、表面形状の情報はPID制御回路19の出力信号と該変
換回路11からの出力信号を増幅器21を通して得られる高
さ誤差とを補正回路22で加算して形成される。尚、高さ
誤差の符号によつては補正回路が減算となる。また、図
ではサーボ系からの高さ情報をPID制御回路19の出力と
したが、高電圧アンプ20の周波数特性が低い場合には高
電圧アンプ20の出力を減衰して用いることが望しい。
走査型トンネル顕微鏡はサーボ系を駆動し、間隙を一
定に保つた状態で探針１を試料面上にラスタ走査して、
画像記憶部24に試料２の表面形状の３次元情報X,Y,Zを
記憶する。その後、画像記録部24よりTVモニタ25,CRTモ
ニタ26,XYレコーダ27、あるいはコンピユータシステム2
8に出力表示あるいは転送して３次元像を表示する。コ
ンピユータシステムでは輝度変調や鳥瞰図表示の他に、
等高線処理や任意角度からの３次元表示あるいは陰線処
理や傾斜補正など可能となる。また、画像記憶部24がコ
ンピユータシステムの中に含まれることも考えられる。
尚、サーボ系の回路は主にアナログ処理系を想定して第
３図に記述しているが、デイジタル処理系あるいはこれ
を含んでも本発明を逸脱するものではない。さらに、電
流誤差・高さ誤差変換回路11は（４）式を基礎とした
が、実験データに基づいたものや他の関係が考えられ、
割算器以外にテーブル方式や他の関数の変換回路を用い
ても本発明の範ちゆうである。
定に保つた状態で探針１を試料面上にラスタ走査して、
画像記憶部24に試料２の表面形状の３次元情報X,Y,Zを
記憶する。その後、画像記録部24よりTVモニタ25,CRTモ
ニタ26,XYレコーダ27、あるいはコンピユータシステム2
8に出力表示あるいは転送して３次元像を表示する。コ
ンピユータシステムでは輝度変調や鳥瞰図表示の他に、
等高線処理や任意角度からの３次元表示あるいは陰線処
理や傾斜補正など可能となる。また、画像記憶部24がコ
ンピユータシステムの中に含まれることも考えられる。
尚、サーボ系の回路は主にアナログ処理系を想定して第
３図に記述しているが、デイジタル処理系あるいはこれ
を含んでも本発明を逸脱するものではない。さらに、電
流誤差・高さ誤差変換回路11は（４）式を基礎とした
が、実験データに基づいたものや他の関係が考えられ、
割算器以外にテーブル方式や他の関数の変換回路を用い
ても本発明の範ちゆうである。
以上の様に、高速走査に対して本発明を用いた走査型
トンネル顕微鏡は探針１を試料２に衝突することなく、
試料２の表面形状あるいは表面原子像を得ることができ
る。即ち、試料２の結晶成長や吸着等の過程がビデオレ
イトで観察でき、ビデオ映像でその場観察を可能にす
る。また、本発明は探針１が試料２に衝突しないため、
大容量フアイルメモリの読み出しに応用しても、高速な
読み出しが可能となる等、効果は大きい。
トンネル顕微鏡は探針１を試料２に衝突することなく、
試料２の表面形状あるいは表面原子像を得ることができ
る。即ち、試料２の結晶成長や吸着等の過程がビデオレ
イトで観察でき、ビデオ映像でその場観察を可能にす
る。また、本発明は探針１が試料２に衝突しないため、
大容量フアイルメモリの読み出しに応用しても、高速な
読み出しが可能となる等、効果は大きい。
一方、サーボ系の構成要素からみると、本発明は周波
数特性を向上するのが最も難しいPID制御回路19,高電圧
アンプ20,Z軸圧電素子７を従来の構成要素を使用して
も、電流検出器9,減算回路18,電流誤差・高さ誤差変換
回路11,増幅器21,補正回路22の周波数特性を向上するだ
けで良く、容易に実現できる。
数特性を向上するのが最も難しいPID制御回路19,高電圧
アンプ20,Z軸圧電素子７を従来の構成要素を使用して
も、電流検出器9,減算回路18,電流誤差・高さ誤差変換
回路11,増幅器21,補正回路22の周波数特性を向上するだ
けで良く、容易に実現できる。
以上の具体例は固体プローブの場合を示したが、液体
金属を使用し、電子あるいはイオンを使用したものも本
発明と同一である。
金属を使用し、電子あるいはイオンを使用したものも本
発明と同一である。
本発明によれば、探針を試料表面上を高速に走査して
も探針を試料に衝突することなく、試料表面を３次元で
形状計測することができ、従来できなかつた結果成長等
におけるその場観察を可能にする。また、本発明は電気
回路のアンプ類を高速化することで実現でき、経済的負
担を軽減できる等の経済的効果も大きい。即ち、従来技
術の要素を向上しただけで、走査速度は２桁以上の向上
が図れる。
も探針を試料に衝突することなく、試料表面を３次元で
形状計測することができ、従来できなかつた結果成長等
におけるその場観察を可能にする。また、本発明は電気
回路のアンプ類を高速化することで実現でき、経済的負
担を軽減できる等の経済的効果も大きい。即ち、従来技
術の要素を向上しただけで、走査速度は２桁以上の向上
が図れる。
第１図は本発明を説明するための原理図、第２図は本発
明の一実施例の基本構成図、第３図は本発明を走査型ト
ンネル顕微鏡に応用した場合のブロツク図である。 １…探針、２…試料、３…探針原子、４…試料原子、５
…探針の軌跡、６…理想的な軌跡、７…圧電素子、８…
電源、９…電流検出器、10…サーボ回路、11…電流誤差
・高さ誤差変換回路、12…補正回路。
明の一実施例の基本構成図、第３図は本発明を走査型ト
ンネル顕微鏡に応用した場合のブロツク図である。 １…探針、２…試料、３…探針原子、４…試料原子、５
…探針の軌跡、６…理想的な軌跡、７…圧電素子、８…
電源、９…電流検出器、10…サーボ回路、11…電流誤差
・高さ誤差変換回路、12…補正回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 仁 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−169338（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】探針と試料を接近させる手段と、上記試料
表面上で上記探針を走査させる手段と、上記探針の走査
により得られる測定信号に基づいて上記試料の表面形状
情報を得る手段とを有する走査型プローブ顕微鏡におい
て、上記測定信号を所定の設定値に制御することにより
上記探針と試料との間隙を所定の間隔にサーボするサー
ボ手段と、上記測定信号と上記設定値とに基づいて検出
した誤差信号を用いて上記試料の表面形状情報を補正す
る手段とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。 - 【請求項２】上記測定信号はトンネル電流あるいは電界
放射電流であることを特徴とする請求項１記載の走査型
プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】上記サーボ手段は上記測定信号と上記設定
値とに基づいて検出した誤差信号を入力して上記探針と
試料との間隙をサーボすることを特徴とする請求項１記
載の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63030740A JP2713717B2 (ja) | 1988-02-15 | 1988-02-15 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| PCT/JP1988/000967 WO1989003510A1 (en) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Analyzer |
| EP88908358A EP0338083B1 (en) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Scanning tunneling microscope with means for correcting surface data |
| DE3853155T DE3853155T2 (de) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Rastertunnelmikroskop mit einer Vorrichtung zum Berichtigen von Oberflächendaten. |
| US07/368,304 US5001409A (en) | 1987-10-09 | 1988-09-22 | Surface metrological apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63030740A JP2713717B2 (ja) | 1988-02-15 | 1988-02-15 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01206202A JPH01206202A (ja) | 1989-08-18 |
| JP2713717B2 true JP2713717B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=12312071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63030740A Expired - Fee Related JP2713717B2 (ja) | 1987-10-09 | 1988-02-15 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2713717B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5144148A (en) * | 1989-11-07 | 1992-09-01 | International Business Machines Corporation | Process for repositioning atoms on a surface using a scanning tunneling microscope |
| US5148026A (en) * | 1990-11-20 | 1992-09-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Scanning probe microscopy |
| JPH10142240A (ja) * | 1996-11-14 | 1998-05-29 | Hitachi Constr Mach Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡とこの走査型プローブ顕微鏡を備えた加工装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01169338A (ja) * | 1987-09-18 | 1989-07-04 | Agency Of Ind Science & Technol | トンネル電流検出光音響分光装置 |
-
1988
- 1988-02-15 JP JP63030740A patent/JP2713717B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01206202A (ja) | 1989-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2966189B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| CA1315898C (en) | Scanning tunneling microscope and surface topographic observation method | |
| JP2566794B2 (ja) | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 | |
| US5323003A (en) | Scanning probe microscope and method of observing sample by using such a microscope | |
| US5001409A (en) | Surface metrological apparatus | |
| JP2880182B2 (ja) | 表面顕微鏡 | |
| JP2713717B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| JP3103217B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いて試料を観察する方法 | |
| JP3118108B2 (ja) | 走査型探針顕微鏡およびその測定方法 | |
| JP3015978B2 (ja) | 情報処理装置 | |
| JPS63281002A (ja) | 物体表面状態アクセスシステム | |
| JPH03180702A (ja) | 走査制御方法 | |
| JP3210187B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡の走査方式 | |
| JP3121619B2 (ja) | 走査型トンネル顕微鏡の画像処理方法 | |
| JPH10111300A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| JPH05296712A (ja) | 走査型トンネル顕微鏡 | |
| JPH06258014A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡、およびそれを用いた記録装置および／または再生装置 | |
| JP2565392B2 (ja) | 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 | |
| JP3065444B2 (ja) | 走査探針を用いた顕微鏡等の探針位置制御装置 | |
| JPH05325275A (ja) | 記録再生装置 | |
| JPH10282117A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
| JPH04318404A (ja) | 走査型顕微鏡及びその探針制御方法 | |
| JP3270750B2 (ja) | 走査トンネル顕微鏡 | |
| JP2624008B2 (ja) | 走査型トンネル顕微鏡 | |
| JPH04221703A (ja) | 走査トンネル顕微鏡 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |