JP3132567B2 - 走査型探針顕微装置 - Google Patents

走査型探針顕微装置

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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、探針と試料の相互作用を利用し、探針を走
査することによつて試料を観察する走査型顕微鏡に関
し、特に、動的その場観察に好適な高精度同一領域観察
方法に関する。
〔従来の技術〕
従来走査型トンネル顕微鏡を始めとする走査型顕微鏡
の探針の走査は、例えば、サーフエス・サイエンス,126
(1983年)第237頁(Surface Science,126(1983)PP23
7)に示されているように、トライポツド型に組んだ圧
電素子を用いて探針の位置制御を行うことによつてなさ
れてきた。そのときの走査領域、即ち、観察領域は、探
針走査用の圧電素子に印加する電圧で決まる。従つて、
理想的には同じ走査電圧で走査すれば、試料の同じ領域
が観察出来る筈である。しかし、実際には圧電素子を始
めとする装置の構成素子のわずかな熱膨張あるいは熱収
縮のために探針と試料の相対的な位置が時間とともに変
化してしまい、いわゆる観察視野の温度ドリフトが発生
する。試料加熱後などのように温度変化が著しい場合に
は、画像のゆがみが発生するなど高精度な観察が困難で
あつた。そのため、従来良好な観察を行うためには温度
変化がおさまるまで待つ必要であり、場合によつては、
フイジカル・レビユー・レターズ,55(1985年)第2032
頁から第2034頁(Physical Review Letters,55(1985)
PP2032−2034)に示されているように、温度ドリフトが
おさまるまで10時間も待たなければならなかつた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来の方法では、温度ドリフトが充分おさまるま
で観察が出来ない。またドリフトが充分おさまつて観察
が出来るようになつても、原子レベルでは視野がずれて
しまつていた。そのため従来方法では、同じ場所での経
時変化を継続的に観察することは出来なかつた。また、
わずかな温度ドリフトによつて画像のゆがみが発生し、
計算機等でゆがみを補正する必要があつた。一方、動的
その場観察をする場合にはMBEプロセスのように常に熱
処理が加わるため、温度ドリフトをおさえることは極め
て難しい。このため従来方法では、同一領域を常時観察
することが不可能であつた。
本発明の目的は、探針と試料の相対的な位置のずれを
常時補正し、ドリフトがあつてもゆがみのない画像を取
得出来るようにするとともに、同一視野を長時間観察出
来るようにすることにある。
〔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においては、従来の
走査型顕微鏡に探針と試料の相対的な位置のずれを打ち
消すように、探針、あるいは試料の位置を変化させる手
段を設けた。
具体的には、探針、または試料の位置を変化させるた
めに、走査用の圧電素子に印加する走査電圧をドリフト
に合わせて時間的にシフトさせ、探針と試料の相対的な
位置のずれを補正する方法を採用する。また、他の方法
として、従来の走査用および制御用の圧電素子以外に他
の圧電素子を用い、ドリフトを打ち消すようにそれらを
変位させていく方法がある。この場合、それらの圧電素
子は、探針側、試料側のいずれかに、あるいは双方に組
み込み、本発明を達成する。
〔作用〕
本発明は従来のSTM装置に探針と試料の相対変位を発
生させる手段を付加することにより、探針または試料の
位置を時間とともに変化させ、探針と試料の相対的な位
置のずれを無くすように動作する。それによつて走査型
顕微鏡は、温度ドリフトがあつてもそれを補正出来るの
で同一領域の長時間観察が可能となる。また、温度ドリ
フトのために発生していた画像のゆがみを防止すること
が出来る。
〔実施例〕
本発明の一実施例を第1図に示す。第1図は、探針ス
キヤナーを含む走査型顕微鏡の主要部を示す図である。
探針4は、トライポツド型に組まれた圧電素子1,2,3の
頂点に取り付けられ、試料5に相対している。圧電素子
1,2は、それぞれx方向およびy方向に探針4を走査す
るための圧電素子である。それぞれに周期的な電圧V
x(t)および、Vy(t)が印加され、圧電素子1,2は周
期的に伸縮し、探針4を走査する。圧電素子3は探針4
のZ方向を制御するためのもので、例えば、探針4と試
料5の間隔を一定に保つ。電圧Vz(t)7がその制御の
ために圧電素子3に印加される。
従来はVx(t),Vy(t)およびVz(t)の3つの電
圧によつて探針4の走査および制御を行つてきた。しか
し、Vx(t)およびVy(t)だけでは同じ場所を走査し
ているつもりでも、実際には、構成素子の熱膨張などの
ために探針4と試料5の相対的な位置がずれてしまい、
走査領域即ち、観察領域が変わつてしまう。そこで本発
明では、周期的なVx(t)およびVy(t)に加えて、こ
のずれを補正するように圧電素子1,2を変位させるため
に電圧Vx′(t)およびVy′(t)を印加することを特
徴としている。
第3図に、探針4をx軸方向に走査するための電圧Vx
(t)とずれを補正するための電圧Vx′(t)の例を示
す。探針4を走査するために、周期的な電圧Vx(t)が
圧電素子1に印加される。さらに、本発明の特徴である
電圧Vx′(t)が、探針4と試料5の温度ドリフトをち
ようど打ち消すように圧電素子1が変位するよう印加さ
れる。従つて、全体として圧電素子1には第4図に示し
たような電圧が印加される。
第3図,第4図は、時間tとともに単調に増加する
Vx′(t)によつて温度ドリフトが補正出来る場合の例
である。単調に減少させて補正出来る場合は、初期設定
電圧Vx′(o)を正のある電圧に設定すれば、圧電素子
に印加出来る電圧の範囲内でドリフト補正が出来る。初
期設定電圧と傾きを任意に設定出来るようにしておけ
ば、様々なドリフトの大きさと向きに対応出来る。また
例えば、観察の途中でドリフトの大きさが小さくなつて
きたら、傾きを小さく設定し直せば上記同様に補正出来
る。上記探針走査用の電圧Vx(t)およびVy(t)に加
えて、ドリフト補正用の電圧Vx′(t)およびVy
(t)を印加するという方法は、トライポツド型スキヤ
ナーに限らず、円筒型スキヤナーを始めとするすべての
タイプのスキヤナーに有効である。
本発明の別の実施例を第2図に示す。第2図は、ドリ
フト補正用の圧電素子を用いた実施例の走査型顕微鏡の
主要部を示す図である。探針4を走査するための圧電素
子1,2および制御するための圧電素子3にそれぞれ、ド
リフト補正用の圧電素子9,10,11が付いている。圧電素
子1,2には、探針4を走査するための電圧Vx(t)6aお
よびVy(t)8aがそれぞれに印加される。圧電素子3に
は、探針4のZ方向を制御するために電圧Vz(t)7aが
印加される。温度ドリフトをちようど打ち消す様に圧電
素子9,10が変位するようにそれぞれに、Vx′(t)6bお
よびVy′(t)8が印加される。圧電素子9,10,11は、
圧電素子1,2,3よりも変位量の大きい圧電素子で構成し
た方が望ましい。特に圧電素子10は、圧電素子3が伸び
きつたり、縮みきつて制御不能とならないように変位量
の大きい素子とすることが重要である。圧電素子3に印
加される電圧Vz(t)がある範囲内におさまるように圧
電素子11には、電圧Vz′(t)が印加される。第2図は
ドリフト補正用の圧電素子がすべて探針スキヤナー側に
とりつけられている具体例であるが、そのいずれかが、
あるいはすべてが試料側にとりつけられていても同様の
効果が得られる。
第5図は、x,y方向のドリフト補正を実現するために
圧電素子に印加する電圧を出力する回路の一実施例を示
す図である。回路61でVx′(t)の傾きに相当する電圧
vが任意に設定される。その信号は積分器62に送られ、
出力としてkvt(tは時間、kは積分器のC・Rで決ま
る比例定数)が回路64に送られる。回路64には、回路63
で設定された初期電圧Voも送られ、回路64でVoとkvtが
加算されて信号(Vo+kvt)が形成される。増幅器65は
該信号を増幅して圧電素子駆動信号Vx′(t)を出力す
る。傾きkvをドリフトの大きさに合わせて変化させるこ
とにより、ドリフト補正が行える。同様の回路をy方向
に対しても用いれば2次元でドリフト補正が行える。
第6図は、Z方向のドリフト補正をするために圧電素
子に印加する電圧を出力する回路の一実施例を示す図で
ある。回路71は従来の探針制御回路で、ここから探針制
御用の圧電素子に電圧Vz(t)が送られる。その信号Vz
(t)を回路73にも送る。回路72では、Vz(t)が所望
の範囲内の電圧に制御されるように、所望の基準電圧V
zoが設定出来る。比較器73では、その設定電圧VzoとVz
(t)とを比較し、Vz(t)>VzoならばVz(t)が小
さくなるように正の電圧を積分器74に出力し、Vz(t)
<Vzoならば負の電圧を積分器74に出力する。積分器74
では送られてきた電圧を時間積分し、回路76に出力す
る。回路75では、ドリフト補正開始位置を設定するため
の初期電圧Vz′(o)を設定することが出来る。回路76
ではその初期設定電圧Vz′(o)と積分器74から送られ
てきた電圧を加算してVz′(t)を出力する。この回路
の応答を探針制御回路71の応答速度より十分遅くするこ
とにより、探針制御用の圧電素子に印加する電圧V
z(t)がある範囲内におさまるようにすることが出来
る。
上記の制御方法は2重サーボ方法であり、別の効果と
して広領域走査の場合の有利さを特記することができ
る。これは、広領域走査の場合、従来方法では、走査速
度を高めることができないため、観察に長時間を費し、
高速化しようとすると探針が試料に衝突してしまうとい
う問題があつた。
第2図と第6図の手段を組合せると、試料の原子オー
ダの変化に対して圧電素子3が追随でき、さらに、大き
な変化に対しては圧電素子10が追従することができるの
で、試料との衝突なしに広領域が走査できる。データと
しては、原子オーダの情報を得る場合には圧電素子3の
動きを、また、mmオーダの変化を得たい場合には圧電素
子10の動きを計測すれば良い。
上記ドリフト補正を行う際の補正量の大きさは、前後
して得られる顕微鏡像の補野が同じになるようにマニユ
アルで設定することが出来る。また従来からある画像認
識の技術を用いることも出来る。その場合には、画像に
ある特徴的なパターンを計算機等に認識させ、そのパタ
ーンが前後する画像間でずれない様に補正量を該計算機
等に算出・設定させることが出来る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、探針と試料の相対的な位置のずれを
補正出来るので、試料加熱後すぐに観察することが可能
となる。従来、観察を行うためには、温度ドリフトがお
さまるまで長時間待つたが、この必要がなくなつたり、
温度ドリフトがある場合に発生する観察像のゆがみを防
止することが出来る。また、探針と試料の相対的な位置
が時間的に変化しないことから、同一領域の長時間観察
が可能となり、従来不可能であつたプロセス中の動的そ
の場観察を可能にすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の走査型顕微鏡の主要部を示
す斜視図、第2図は本発明の別の実施例の走査型顕微鏡
の主要部を示す斜視図、第3図は本発明の実施例におけ
る探針走査電圧とドリフト補正電圧の時間変化を示す波
形図、第4図は、実施例において実際に圧電素子に印加
される電圧を示す波形図、第5図は、x,y方向のドリフ
ト補正を行うための電圧を出力する回路図、第6図は、
z方向のドリフト補正を行うための電圧を出力する回路
図である。 1,2,3,9,10,11……圧電素子、4……探針、5……試
料、6,7,8……印加電圧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01J 37/28 H01J 37/28 Z (56)参考文献 特開 平2−216749(JP,A) 特開 平1−96972(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 B01J 37/20 B01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】探針と、前記探針を試料に対して相対的に
    走査する走査手段と、補正値を設定するための補正値設
    定手段とを備え、前記走査手段は設定された前記補正値
    に基づいて前記探針を試料に対して相対的に走査するこ
    とを特徴とする走査型探針顕微装置。
  2. 【請求項2】探針と、前記探針を試料に対して相対的に
    走査する第1の駆動手段と、前記探針と前記試料との相
    対的変動を補償する補償値を設定する設定手段と、前記
    設定手段からの信号により前記探針と前記試料との相対
    的変動を補償する第2の駆動手段を有することを特徴と
    する走査型探針顕微装置。
  3. 【請求項3】探針と、前記探針を試料に対して相対的に
    走査する駆動手段と、前記探針からの信号を表示する表
    示手段と、を有する走査型探針顕微装置において、ドリ
    フトにより前記探針と試料とが相対的に変動し、前記表
    示手段に表示された画像の前記ドリフトによる変動を補
    償する如く前記駆動手段に補償信号を入力する設定手段
    を有することを特徴とする走査型探針顕微装置。
  4. 【請求項4】探針と前記探針を試料に対して相対的に走
    査する第1の駆動手段と、前記ドリフトにより相対的に
    変動した前記探針からの信号を表示する表示手段と、前
    記表示手段に表示された画像の前記ドリフトを補償する
    如く前記探針を駆動する第2の駆動手段に入力する設定
    手段を有することを特徴とする走査型探針顕微装置。
  5. 【請求項5】前記駆動手段は前記駆動手段へ供給する制
    御信号を発生する回路手段を含むことを特徴とする請求
    項1又は3のいずれか記載の走査型探針顕微装置。
  6. 【請求項6】前記第1の駆動手段と前記第2の駆動手段
    は第1の圧電素子と第2の圧電素子から成り、前記第2
    の圧電素子の可動範囲は前記第1の圧電素子の可動範囲
    より広いことを特徴とする請求項2または4のいずれか
    記載の走査型探針顕微装置。
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