JP3664261B2 - トンネルスペクトロスコピー - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、バイアス電圧を一定の値に固定してトンネル電流が一定になるように探針を試料表面との間でZ方向に制御しながら試料表面に沿ってXY方向に移動する走査トンネル顕微鏡において、探針を固定してバイアス電圧を掃引し、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出して試料の局所領域の分析を行うトンネルスペクトロスコピーに関する。
【0002】
【従来の技術】
トンネル顕微鏡(STM:Scaning Tunneling Microscope)は、探針にバイアス電圧をかけて試料の極表面に近づけたときに試料と探針との間に流れるトンネル電流を検出し、該トンネル電流が一定になるように探針のz方向(探針と試料との間の距離)をフィードバック制御しながらxy方向に試料表面を走査することによって、試料表面の凹凸像(トポグラフ)を観察するものである。
【0003】
これに対し、トンネルスペクトロスコピー(STS:Scaning TunnelingSpectroscopy )は、探針をXY方向に走査しながらZ方向を制御して試料表面の凹凸像(トポグラフ)を観察すると共に、指定されたある位置で探針を一時的に止めて固定し、バイアス電圧を掃引してトンネル電流を測定することにより、試料の局所領域における電子の状態を分析するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図5は分析点への探針移動法の従来例を説明するための図である。
ところで、トンネルスペクトロスコピーにより局所領域の分析を行う場合、通常は、まず探針又は試料を移動させてトポグラフを取り込んだ後にそのトポグラフ上から分析点を選択し、そして、図5(イ)に示すようにイニシャルポイントから分析点まで探針又は試料を移動してその位置での分析を行い、また、イニシャルポイントに戻る方法が採られる。また、別の方法としては、図5(ロ)の実線で示すように探針又は試料を移動させてトポグラフを取り込みながら分析点を探し、分析点を指定すると、トポグラフの取り込みを一旦中断して探針又は試料をその位置まで移動して分析を行い、そして、中断位置まで探針又は試料を戻して点線で示すようにトポグラフの取り込みを継続する方法である。
【0005】
しかし、上記のような従来の分析点への移動方式では位置ズレが生じるという問題があった。すなわち、トンネルスペクトロスコピーには、探針又は試料を走査するピエゾスキャナーのヒステリシスや熱ドリフトがあるため、一度取り込んだトポグラフ上で分析点を指定しても、実際に移動した位置がトポグラフ上の指定点とは異なった位置にズレてしまうという問題が生じる。
【0006】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、分析点への移動を高い位置精度で行い、その確認が容易に行えるトンネルスペクトロスコピーを提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明は、凹凸像観察モードによりバイアス電圧を一定の値に固定してトンネル電流が一定になるように探針と試料表面との間をZ方向に制御しながら試料表面に沿ってXY方向の走査を行う走査トンネル顕微鏡で、局所領域分析モードにより指定された分析点で探針と試料表面との間を固定してバイアス電圧を掃引し、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出して試料の局所領域の分析を行うトンネルスペクトロスコピーにおいて、分析点を指定する分析点指定手段を備え、凹凸像観察モードによりXY方向の走査を行い、分析点指定手段により指定された分析点毎にXY方向の走査を中断して局所領域分析モードによる分析を行うことを特徴とし、局所領域分析モードによる分析の終了後はその分析点から凹凸像観察モードによるXY方向の走査を再開させるようにしたことを特徴とするものである。
【0008】
【作用】
本発明のトンネルスペクトロスコピーでは、探針を指定された分析点に移動する場合に、通常のXY方向の走査を行って分析点まで移動させ、しかも分析終了後はその点から通常の走査を再開させるようにしたので、分析の直前までと直後のトポグラフを見られるため、ヒステリシスや熱ドリフトによるズレが少なくできるので(たとえあったとしても分析点を用意に推測できるので)、分析点の位置精度を高めることができる。
【0009】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図1は本発明のトンネルスペクトロスコピーの1実施例を示す図、図2は試料上における探針の動きの例を示す図である。
【0010】
図1において、クロック発生回路1は、制御回路(コンピュータ)8で設定した周波数のクロックを発生するものである。カウンタ2は、そのクロックをカウントし、カウント値をX方向の走査信号として出力するものであり、Y方向の走査信号生成のためにオーバーフロー信号を出力する。ピエゾスキャナー5は、X方向に探針を走査するものであり、そのための信号としてカウンタ2のカウント値をDAコンバータ3で変換したアナログ信号が駆動アンプ4を通して供給される。カウンタ9は、カウンタ2のオーバーフロー信号をカウントするものであり、カウント値をY方向の走査信号として出力する。ピエゾスキャナー12は、Y方向に探針を走査するものであり、そのための信号としてカウンタ9のカウント値をDAコンバータ10で変換したアナログ信号が駆動アンプ11を通して供給される。
【0011】
分析点アドレスバッファ6は、指定された分析点のアドレスを格納するものであり、比較器7は、分析点アドレスバッファ6に格納されたアドレスとカウンタ2、9の値とを比較し、一致信号によりカウンタ2、9のカウントを停止させるものである。制御回路8は、凹凸像観察モード、局所領域分析モードに応じてクロック発生回路1、カウンタ2、9、分析点アドレスバッファ6、比較器7を制御するものである。
【0012】
次に、動作を説明する。まず、凹凸像観察モードの場合について説明すると、この場合には、制御回路8により、カウンタ2、9が全領域の走査信号を生成するように分析点アドレスバッファ6、比較器7の動作を制限し、クロック発生回路1、カウンタ2、9の動作を開始させる。これによって、カウンタ2、9は、通常の動作によりクロックをカウントするので、その出力によって動作するピエゾスキャナー5、12で探針がXY方向に走査され、トポグラフの取り込みが行われる。
【0013】
これに対して、局所領域分析モードの場合には、制御回路8により、分析点アドレスバッファ6に指定された分析点のアドレスをセットしてクロック発生回路1、カウンタ2、9、比較器7を動作させる。そうすると、カウンタ2、9は、分析点まで通常の動作を続けるが、分析点で比較器7の出力により動作が停止する。制御回路8は、この動作停止を検出して分析処理を実行し、分析処理が終了すると、比較器7をリセットすることによって、カウンタ2、9の停止状態を解除し、カウントを再開させる。つまり、本発明は、図2に示すように分析点を指示して分析点までは通常の走査を行い、分析点で一時的に停止させて分析を行うという動作を繰り返すようにしたものである。
【0014】
図3はトンネル電流の検出系を含めたトンネルスペクトロスコピーの1実施例を示す図、図4はトンネルスペクトロスコピーの動作を説明するための波形図である。
【0015】
図3において、走査回路21は、図1に示すクロック発生回路1、カウンタ2、9、DAコンバータ3、11、分析点アドレスバッファ6、比較器7からなる回路であり、X駆動アンプ41、Y駆動アンプ42、Xピエゾスキャナー51、Yピエゾスキャナー52がそれぞれ図1に示す駆動アンプ4、11、ピエゾスキャナー5、12に対応するものである。バイアス制御回路26は、試料25にバイアス電圧を印加するものであり、凹凸像観察モードでは一定のバイアス電圧に固定し、局所領域分析モードではバイアス電圧を掃引する。このバイアスによって、探針24と試料25との間隔が1nm程度まで近づいてくると、トンネル電流が流れる。プリアンプ28は、このトンネル電流を検出するものであり、帰還アンプ29は、プリアンプ28で検出したトンネル電流が一定になるようにZ駆動アンプ43を通してZピエゾスキャナー53にトンネル電流を帰還するものである。このZピエゾスキャナー53に対する帰還制御によって、Zピエゾスキャナー53が試料25の方向に伸縮し、探針24と試料25との間隔が一定に制御される。また、帰還アンプ29は、スイッチ91を有し、凹凸像観察モードではスイッチ91をクローズのままにし、局所領域分析モードではスイッチ91をオープンにする。前者がサンプル状態であり、後者がホールド状態である。
【0016】
マルチプレクサ30は、ADコンバータ31に入力する信号を、サンプル状態では帰還アンプ29からZピエゾスキャナー53に帰還する信号を選択し、ホールド状態ではプリアンプ28で検出したトンネル電流を選択するものであり、ADコンバータ31は、この選択された信号をデジタル信号に変換してコンピュータ32に出力するものである。コンピュータ32は、ADコンバータ31から入力したデジタル信号に必要な処理をした上で試料5の凹凸像や局所領域分析情報を表示装置33に表示する。クロック制御回路27は、走査回路21、バイアス制御回路26、帰還アンプ29、マルチプレクサ30等の動作タイミングをクロック制御するものであり、この制御によって凹凸像観察モードと局所領域分析モードの切り換えを行う。
【0017】
次に、トンネル顕微鏡としての凹凸像観察モードによる動作とトンネルスペクトロスコピーとしての局所領域分析モードによる動作のそれぞれの動作を説明する。
【0018】
凹凸像観察モードによる動作では、走査回路21によりX駆動アンプ41、Y駆動アンプ42を通してXピエゾスキャナー51、Yピエゾスキャナー52を制御して探針24をXY方向に走査すると共に、バイアス制御回路26より試料25に一定のバイアス電圧を印加し、帰還アンプ29のスイッチ91をクローズ(サンプル)にしてトンネル電流が一定になるようにZ駆動アンプ43を通してZピエゾスキャナー53を伸縮させることにより探針24と試料25との間隔が一定になるように制御している。そして、マルチプレクサ30で帰還アンプ29側を選択し、帰還信号をADコンバータ31で変換してコンピュータ32に送ることによって、コンピュータ32より表示装置33に試料25の表面をXY方向に走査して得られる凹凸像を表示している。
【0019】
上記凹凸像観察モードから指定された分析点の局所領域分析モードに移行する場合には、まず、図4に示すように探針24が試料25上の分析すべき点にきたt1でクロック制御回路27がこれを検出し帰還アンプ29内のスイッチ91を一時的にオープン(ホールド)にする。このホールドによりZ駆動アンプ43を通してZピエゾスキャナー53に送られる帰還信号がホールドされ、探針24と試料25との間隔が固定される。同時にマルチプレクサ30も入力を帰還アンプ29側からプリアンプ28側に切り換える。続いて、クロック制御回路27により作られたタイミングにしたがってバイアス制御回路26から試料25に印加しているバイアス電圧を掃引する。これにより、マルチプレクサ30からADコンバータ31を通してトンネル電流の変化がコンピュータ32で測定され、分析点での電子の状態が分析される。
【0020】
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、1つの分析点で説明したが、分析点アドレスバッファに複数のアドレスをセットしたり、分析が終了する毎に新たなアドレスに書き換える等により同様の動作の繰り返しによって複数の分析点に順次探針を止めるようにしてもよい。また、探針を移動するもので説明したが、試料を移動するようにしてもよいことはいうまでもない。さらには、同一分析点でのバイアス電圧走査、トンネル電流検出を必要回数繰り返して平均をとり、測定精度を上げることもできる。
【0021】
【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、探針を指定された分析点に移動する場合に、通常のXY方向の走査のまま分析点まで移動させるようにしたので、その前後のトポグラフを観察することができ、ヒステリシスや熱ドリフトによる分析点のズレが少なく容易にその位置確認を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のトンネルスペクトロスコピーの1実施例を示す図である。
【図2】 試料上における探針の動きの例を示す図である。
【図3】 トンネル電流の検出系を含めたトンネルスペクトロスコピーの1実施例を示す図である。
【図4】 トンネルスペクトロスコピーの動作を説明するための波形図である。
【図5】 分析点への探針移動法の従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
1…クロック発生回路、2、9…カウンタ、3、10…DAコンバータ、4、11…駆動アンプ、5、12…ピエゾスキャナー、6…分析点アドレスバッファ、7…比較器、8…制御回路
Claims (2)
- 凹凸像観察モードによりバイアス電圧を一定の値に固定してトンネル電流が一定になるように探針と試料表面との間をZ方向に制御しながら試料表面に沿ってXY方向の走査を行う走査トンネル顕微鏡で、局所領域分析モードにより指定された分析点で探針と試料表面との間を固定してバイアス電圧を掃引し、探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出して試料の局所領域の分析を行うトンネルスペクトロスコピーにおいて、分析点を指定する分析点指定手段を備え、凹凸像観察モードによりXY方向の走査を行い、分析点指定手段により指定された分析点毎にXY方向の走査を中断して局所領域分析モードによる分析を行うことを特徴とするトンネルスペクトロスコピー。
- 局所領域分析モードによる分析の終了後はその分析点から凹凸像観察モードによるXY方向の走査を再開させるようにしたことを特徴とする請求項1記載のトンネルスペクトロスコピー。
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