JP4590574B2 - Phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope - Google Patents

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Description

本発明は、位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡に係わり、更に詳しくは導体もしくは半導体を始めとして絶縁体あるいはワイドバンドギャップの半導体表面の原子像を観察することが可能な位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a phase-locked-in high-frequency scanning tunneling microscope, and more particularly, a phase-locked-in high-frequency scanning tunnel capable of observing an atomic image of a conductor or semiconductor as well as an insulator or a wide bandgap semiconductor surface. It relates to a microscope.

走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy;STM)の開発以来、固体表面の原子構造を実空間で観察することが可能となっている。しかし、従来の直流バイアス電圧を用いたSTMはトンネル電流を利用するために、電流が流れる導体もしくは半導体の原子構造の観察はできるが、絶縁体では不可能である。ところが、表面の原子配列を問題とする機能を持つ表面たとえば、光学レンズ・ミラー等の光学素子の多くは絶縁体であり、また半導体デバイスには多くの絶縁材料が用いられているため、絶縁体表面の原子構造の観察が強く望まれている。   Since the development of the scanning tunneling microscope (STM), it has become possible to observe the atomic structure of the solid surface in real space. However, since the conventional STM using a DC bias voltage uses a tunnel current, the atomic structure of the conductor or semiconductor through which the current flows can be observed, but this is not possible with an insulator. However, a surface having a function that affects the atomic arrangement of the surface, for example, many optical elements such as optical lenses and mirrors are insulators, and many insulating materials are used for semiconductor devices. Observation of the atomic structure on the surface is strongly desired.

現在、半導体産業において用いられているSi実用表面は、通常、自然酸化膜で覆われているため、溶液処理を施さなければSTM測定が行えなかった。そこで、STMを用いてSiO2などの絶縁体表面の観察をするために、探針―試料間に交流電圧を印加する方法やSiの薄い自然酸化膜に十分な直流電圧を探針に印加する方法が試みられている。Currently, the practical Si surface used in the semiconductor industry is usually covered with a natural oxide film, so that STM measurement cannot be performed without solution treatment. Therefore, in order to observe the surface of an insulator such as SiO 2 using STM, a method of applying an AC voltage between the probe and the sample or applying a sufficient DC voltage to the thin natural oxide film of Si is applied to the probe. A method is being tried.

非特許文献1〜3には、探針−試料間にGHzオーダーの高周波電圧の短い一周期の間に、少量の電子を探針−試料間で行き来させ、トンネル電子が流れることにより発生する高調波をフィードバック信号に利用することで電気伝導性を持たない試料でのSTM動作を行うことを試みている。しかしながら、絶縁体材料においては、最高1nm程度の空間分解能を得ているにとどまっている。この原因の一つとして試料表面の帯電がある。トンネル電子が探針直下で帯電することで、探針からの電子のトンネルが妨げられるからである。二つ目は、印加した周波数f1を持つ交流のトンネル電流成分が、それよりもはるかに大きい探針−試料間その他からの静電容量による電流成分の中に埋もれてしまうためf1でなく高調波成分(3f1等)をフィードバック信号として利用しているためである。Non-Patent Documents 1 to 3 disclose that harmonics generated by flowing a small amount of electrons between the probe and the sample and flowing tunnel electrons between the probe and the sample during a short period of a high-frequency voltage in the order of GHz. An attempt is made to perform STM operation on a sample having no electrical conductivity by using a wave as a feedback signal. However, the insulator material has only obtained a spatial resolution of up to about 1 nm. One of the causes is charging of the sample surface. This is because tunnel electrons are charged directly under the probe, thereby preventing tunneling of electrons from the probe. Second, since the AC tunneling current component having the applied frequency f 1 is buried in the current component due to the capacitance from the probe-sample and the like that is much larger than that, it is not f 1 . This is because harmonic components (3f 1 etc.) are used as feedback signals.

本発明のターゲットの一つである酸化膜付きSi表面の観察、探針−試料間にDCバイアスを印加して通常のSTMとして動作にさせた報告例は幾つか存在する。そのなかで非特許文献4には、数nmの酸化膜をもつSi表面に、伝導帯に電子をトンネルさせるために5V程度の電圧を印加させて行ったSTM観察が報告されている。しかし、原子像サイズの分解能は得られておらず、酸化膜も数nm以下に限られる。これは、Si上の自然酸化膜がアモルファス状であるために、バンドギャップ中に様々な欠陥準位が存在しており、トンネルさせた電子の一部が欠陥準位に落ち、試料が帯電されてしまい、STM観察中のトンネルを妨げるからと考えられる。   There are several reports of observation of the Si surface with an oxide film, which is one of the targets of the present invention, and applying a DC bias between the probe and the sample to operate as a normal STM. Among them, Non-Patent Document 4 reports an STM observation performed by applying a voltage of about 5 V to tunnel electrons to the conduction band on a Si surface having an oxide film of several nm. However, the resolution of the atomic image size has not been obtained, and the oxide film is limited to a few nm or less. This is because the natural oxide film on Si is amorphous, so there are various defect levels in the band gap, and some of the tunneled electrons fall to the defect level and the sample is charged. This is thought to be because the tunnel during STM observation is hindered.

このように、いずれの場合にも原子像を観察する分解能には致っていない。そこで、本発明者らは、特許文献1にて、探針先端と試料の間隔を極めて接近させ、探針と試料間に印加したバイアス電圧によってトンネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定に維持する条件でフィードバック信号を駆動系に与えて探針と試料を相対的に走査し、試料表面の原子スケールの像を観察する走査トンネル顕微鏡であって、前記探針と試料間に、高周波矩形短パルスの交流バイアス電圧を印加するとともに、探針と試料間のトンネル抵抗と浮遊容量で決する時定数と、電流アンプの入力インピーダンスで決する時定数を略一致させて、トンネル電流成分だけを検出し整流してフィードバック信号とする高周波パルス走査トンネル顕微鏡を提案している。   Thus, the resolution for observing the atomic image is not suitable in any case. In view of this, the inventors of the present invention disclosed in Patent Document 1 that the distance between the tip of the probe and the sample was very close, a tunnel current was generated by the bias voltage applied between the probe and the sample, and this tunnel current was kept constant. A scanning tunneling microscope for observing an atomic scale image of the sample surface by applying a feedback signal to the drive system under the conditions of A pulse AC bias voltage is applied, and the time constant determined by the tunnel resistance and stray capacitance between the probe and the sample is substantially matched with the time constant determined by the input impedance of the current amplifier, and only the tunnel current component is detected and rectified. We have proposed a high-frequency pulsed scanning tunneling microscope that uses a feedback signal.

この特許文献1に記載の方法によって、数十kHzの周波数まではHOPGの原子像を比較的鮮明に観察することができるようになったが、100kHzの周波数では鮮明な原子像を観察することができなかった。この特許文献1に記載の方法では、図15に示すように、探針101と試料102間にパルスジェネレーター103より高周波矩形短パルスをバイアス電圧として印加するが、探針−試料間の静電容量等が原因で、パルスの立上がりと立下がりに過電流(スパイク電流)が発生し、トンネル電流が過電流に埋もれてしまうので、フィードバック信号として用いることができない。そこで、コンデンサーCと可変抵抗Rからなるインピーダンスマッチング回路104を設け、電流アンプ105と整流回路106を介してトンネル電流に比例した直流信号に変換して、それを制御系107に入力して探針101を駆動するフィードバック信号とする。しかし、マッチング回路104を用いると周波数特性が悪くなるといった問題と、探針の変位等によって浮遊容量が変化するので、インピーダンスマッチング回路を設けても完全にトンネル電流成分だけを検出することができないといった問題があり、特に周波数が高いバイアス電圧に対してはノイズが大きく、鮮明な原子像を得ることができなかった。   According to the method described in Patent Document 1, a HOPG atomic image can be observed relatively clearly up to a frequency of several tens of kHz. However, a clear atomic image can be observed at a frequency of 100 kHz. could not. In the method described in Patent Document 1, a high-frequency rectangular short pulse is applied as a bias voltage between the probe 101 and the sample 102 by the pulse generator 103 as shown in FIG. Because of this, overcurrent (spike current) occurs at the rise and fall of the pulse, and the tunnel current is buried in the overcurrent, so it cannot be used as a feedback signal. Therefore, an impedance matching circuit 104 composed of a capacitor C and a variable resistor R is provided, converted into a DC signal proportional to the tunnel current via the current amplifier 105 and the rectifier circuit 106, and input to the control system 107 to input the probe. Let 101 be a feedback signal for driving 101. However, when the matching circuit 104 is used, the frequency characteristics are deteriorated, and the stray capacitance changes due to the displacement of the probe. Therefore, it is impossible to completely detect only the tunnel current component even if the impedance matching circuit is provided. There was a problem, especially for a bias voltage having a high frequency, and the noise was large, and a clear atomic image could not be obtained.

また、従来のSTMは、ノイズを極力低減し、検出感度を高めるために、探針と試料を電磁シールドを厳重に施した超高真空チャンバー内に配して観察を行う構造になっているため、装置が高価であり、また試料をセットして観察できるようになるまでに長時間を要することは避けられなかった。
G.P.Kochanski Physical Review Letters,Vol.62(1989)p2285 W.Seifert等 Ultramicroscopy,Vol.42-44(1992)p379 B.Micheal等 Rev.Sci.Instrum.,Vol.63,No.9(1992)p4080 渡部等Applied Physics Letters, Vol.72,No.16(1998)p1987 特開2002−365194号公報
In addition, the conventional STM has a structure in which observation is performed by placing the probe and sample in an ultra-high vacuum chamber with strict electromagnetic shielding in order to reduce noise as much as possible and increase detection sensitivity. It is inevitable that the apparatus is expensive and it takes a long time before the sample can be set and observed.
GPKochanski Physical Review Letters, Vol. 62 (1989) p2285 W. Seifert et al. Ultramicroscopy, Vol. 42-44 (1992) p379 B. Micheal et al. Rev. Sci. Instrum., Vol. 63, No. 9 (1992) p4080 Watanabe et al. Applied Physics Letters, Vol.72, No.16 (1998) p1987 JP 2002-365194 A

このように、現在のSTMを用いた絶縁体表面(例えばSiO2)の観察においては、高い空間分解能が得られていない。この原因は、トンネル電子が探針直下の試料表面で帯電することで、探針からの電子のトンネルが妨げられるためである。ここで、絶縁体若しくは半導体表面をSTMで観察するための条件は次のようにまとめられる。
(1)試料の帯電を防ぐために探針−試料間に高周波バイアス電圧を印加する。
(2)トンネル電流成分のみ検出して、それを探針と試料表面間の距離を一定に保つフィードバック信号とする。
(3)STM探針直下の試料が帯電しないようにするために、探針側から試料側へ送り込む電荷量をできるだけ小さくする必要がある。そのために高周波バイアス電圧の周波数をできるだけ高くする。
(4)絶縁体材料の伝導帯に電子をトンネルさせる。
Thus, in the observation of the insulator surface (for example, SiO 2 ) using the current STM, high spatial resolution has not been obtained. This is because tunnel electrons are charged on the surface of the sample directly under the probe, thereby preventing the tunneling of electrons from the probe. Here, the conditions for observing the insulator or semiconductor surface by STM are summarized as follows.
(1) A high frequency bias voltage is applied between the probe and the sample to prevent the sample from being charged.
(2) Only the tunnel current component is detected and used as a feedback signal that keeps the distance between the probe and the sample surface constant.
(3) In order to prevent the sample directly under the STM probe from being charged, it is necessary to reduce the amount of charge sent from the probe side to the sample side as much as possible. Therefore, the frequency of the high frequency bias voltage is made as high as possible.
(4) Tunnel electrons in the conduction band of the insulator material.

しかし、探針−試料間に高周波バイアス電圧を印加する場合は、トンネル電流成分がそれよりもはるかに大きい探針−試料間その他からの浮遊容量によって発生する電流成分の中に埋もれ、また電磁ノイズの影響によってトンネル電流を検出することが困難である。例えば、高周波STMにおける浮遊容量による電流値(i=2πfCV)は、浮遊容量Cとして小さ目の値0.1pFを選んでも、バイアス電圧の周波数fを100kHz、バイアス電圧Vを200mVとすれば、約12nAと見積もることができる。それに対して、一般にSTM観察におけるトンネル電流値は、0.1〜1nAであるので、浮遊容量由来の電流値はそれより1〜2桁大きい。但し、浮遊容量は装置構成によって異なるが、0.1pFは十分小さく見積もっているので、実際には浮遊容量由来の電流はトンネル電流よりも遥かに大きな値となる。   However, when a high-frequency bias voltage is applied between the probe and the sample, the tunnel current component is buried in the current component generated by the stray capacitance from the probe to the sample and others, and electromagnetic noise It is difficult to detect the tunnel current due to the influence of the above. For example, the current value (i = 2πfCV) due to the stray capacitance in the high frequency STM is about 12 nA if the bias voltage frequency f is 100 kHz and the bias voltage V is 200 mV, even if a smaller value of 0.1 pF is selected as the stray capacitance C. Can be estimated. On the other hand, since the tunnel current value in STM observation is generally 0.1 to 1 nA, the current value derived from the stray capacitance is 1 to 2 orders of magnitude larger than that. However, although the stray capacitance varies depending on the device configuration, 0.1 pF is estimated to be sufficiently small, so that the current derived from the stray capacitance is actually much larger than the tunnel current.

これらを解決する新しい測定方法である高周波STMを提案し、これを開発することでより高い空間分解能で絶縁体若しくは半導体表面の観察が可能になり、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)では行えなかった電子状態に関する情報を得ることが期待できる。勿論、一般のSTMと同様に、導体の原子像を観察し、電子状態に関する情報を得ることも可能である。   By proposing and developing a high-frequency STM, which is a new measurement method that solves these problems, it is possible to observe the surface of insulators or semiconductors with higher spatial resolution. Atomic Force Microscope (AFM) It can be expected to obtain information about electronic states that could not be performed. Of course, it is also possible to obtain information on the electronic state by observing the atomic image of the conductor, as in general STM.

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、SiO2などの絶縁体あるいはワイドバンドギャップの半導体、あるいは光学部品表面の原子像を観察することが可能な位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡を提供する点にある。Therefore, in view of the above-described situation, the present invention intends to solve the problem of a phase lock-in type high-frequency capable of observing an atomic image of an insulator such as SiO 2 or a wide band gap semiconductor or an optical component surface. The point is to provide a scanning tunneling microscope.

本発明は、前述の課題解決のために、探針先端と試料の間隔を極めて接近させ、探針と試料間に印加したバイアス電圧によってトンネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定に維持する条件でフィードバック信号を駆動系に与えて探針を試料表面に沿って相対的に走査し、試料表面の原子スケールの像を観察する走査トンネル顕微鏡であって、前記探針と試料間に矩形波若しくは正弦波の高周波バイアス電圧を印加するバイアス電源と、探針と試料間に流れるトンネル電流と浮遊容量由来の電流が混合した検出電流を増幅する電流アンプと、電流アンプで増幅した電流を入力し、サンプリング信号を高周波バイアス電圧の周波数に同期させ且つ高周波バイアス電圧の位相にロックさせて、浮遊容量由来の電流を除去してトンネル電流のみによるフィードバック信号を発生させる、位相ロックイン機能を有する信号処理手段とを備えたことを特徴とする位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡を構成した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a condition in which the distance between the tip of the probe and the sample is very close, a tunnel current is generated by a bias voltage applied between the probe and the sample, and this tunnel current is maintained constant. A scanning tunneling microscope that applies a feedback signal to the drive system and relatively scans the probe along the sample surface to observe an atomic scale image of the sample surface, and includes a rectangular wave or a gap between the probe and the sample. Input a bias power source that applies a sine wave high-frequency bias voltage, a current amplifier that amplifies a detection current that is a mixture of the tunnel current flowing between the probe and the sample and the current derived from the stray capacitance, and the current amplified by the current amplifier. The sampling signal is synchronized with the frequency of the high-frequency bias voltage and locked to the phase of the high-frequency bias voltage, and the current from the stray capacitance is removed to allow only the tunnel current. Generating a feedback signal by, to constitute a phase-lock-type high frequency scanning tunneling microscope, characterized in that a signal processing unit having a phase lock-in feature.

ここで、前記高周波バイアス電圧が矩形波であり、前記探針と試料間のトンネル抵抗と浮遊容量で決する時定数と、電流アンプの入力インピーダンスで決する時定数を略一致させるインピーダンスマッチング回路を電流アンプの入力側に設けてなることが好ましい。   Here, the high-frequency bias voltage is a rectangular wave, and an impedance matching circuit that substantially matches the time constant determined by the tunnel resistance and stray capacitance between the probe and the sample and the time constant determined by the input impedance of the current amplifier is a current amplifier. Is preferably provided on the input side.

また、前記高周波バイアス電圧が正弦波であり、探針と試料間の間隔が離れたトンネル領域外において前記信号処理手段のサンプリング信号の位相を浮遊容量由来の電流の位相にロックした後、サンプリング信号の位相をずらすことにより浮遊容量由来の電流の出力を0にし、それから探針と試料間の間隔を狭めてトンネル電流が流れるトンネル領域内へとアプローチを開始することがより好ましい。   Further, after the high frequency bias voltage is a sine wave and the phase of the sampling signal of the signal processing means is locked to the phase of the current derived from the stray capacitance outside the tunnel region where the distance between the probe and the sample is separated, the sampling signal More preferably, the output of the electric current derived from the stray capacitance is set to 0 by shifting the phase of the current, and then the approach is started into the tunnel region where the tunnel current flows by narrowing the distance between the probe and the sample.

この場合、トンネル領域外において前記信号処理手段のサンプリング信号の位相を浮遊容量由来の電流の位相にロックした後、サンプリング信号の位相を-90°ずらすことにより浮遊容量由来の電流の出力を0にするのである。   In this case, after the phase of the sampling signal of the signal processing means is locked to the phase of the current derived from the stray capacitance outside the tunnel region, the output of the current derived from the stray capacitance is reduced to 0 by shifting the phase of the sampling signal by −90 °. To do.

そして、前記バイアス電圧の周波数が100kHz〜10GHzの範囲であり、フィードバック信号として使用するトンネル電流が1pA〜10nAの範囲である。   The frequency of the bias voltage is in the range of 100 kHz to 10 GHz, and the tunnel current used as the feedback signal is in the range of 1 pA to 10 nA.

また、探針−試料間距離を一定に保ち、前記バイアス電源より探針と試料間に正弦波の高周波バイアス電圧を印加するとともに、前記信号処理手段のサンプリング信号の位相をトンネル電流の位相にロックすることにより前記試料のdI/dVを測定してI−V特性を取得し、あるいは前記信号処理手段のサンプリング信号の位相を容量由来の電流の位相にロックすることにより前記試料のdC/dVを測定してC−V特性を取得することが好ましい。   The probe-sample distance is kept constant, a sinusoidal high-frequency bias voltage is applied between the probe and the sample from the bias power source, and the phase of the sampling signal of the signal processing means is locked to the phase of the tunnel current. By measuring the dI / dV of the sample to obtain an IV characteristic, or by locking the phase of the sampling signal of the signal processing means to the phase of the current derived from the capacitance, the dC / dV of the sample is obtained. It is preferable to obtain CV characteristics by measurement.

ここで、前記信号処理手段がロックインアンプであり、前記サンプリング信号がロックインアンプの参照信号であることが好ましい。また、前記信号処理手段がロックインアンプであり、前記サンプリング信号がロックインアンプの参照信号であり、トンネル領域外において前記ロックインアンプの参照信号の位相をオートセットすることで浮遊容量由来の電流の位相にロックするのである。   Here, it is preferable that the signal processing means is a lock-in amplifier, and the sampling signal is a reference signal of the lock-in amplifier. Further, the signal processing means is a lock-in amplifier, the sampling signal is a reference signal of the lock-in amplifier, and the current derived from the stray capacitance is obtained by automatically setting the phase of the reference signal of the lock-in amplifier outside the tunnel region. The phase is locked.

あるいは、前記信号処理手段がデジタル信号プロセッサ(DSP)であることも好ましい。   Alternatively, the signal processing means is preferably a digital signal processor (DSP).

以上にしてなる本発明の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡によれば、正弦波の高周波バイアス電圧を探針―試料間に印加することで試料の帯電を防ぎつつ、伝導帯に電子をトンネルさせることができ、STM像を得ることができる。ここで、バイアス電圧として正弦波あるいは周波数の高い矩形波を用いると、トンネル電流成分はバイアス電圧と同じ位相であるが浮遊容量由来の電流はバイアス電圧の位相より90度遅れた正弦波となるので、位相ロックイン機能を有する信号処理手段でトンネル電流成分にサンプリング信号の位相をロックすることで、位相が90度ずれた浮遊容量由来の電流を打ち消すことができる。それにより、正弦波の場合には、マッチング回路を必要とせず、電流アンプの性能をより良く引き出すことができ、信号処理手段の手前までの追従周波数を向上できる。ここで、前記信号処理手段がロックインアンプであり、前記サンプリング信号がロックインアンプの参照信号であると、位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡を簡単に構成できる。また、前記信号処理手段がデジタル信号プロセッサ(DSP)であると、機能を必要最小限に絞ることにより、安価に構成できるのである。   According to the phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope of the present invention configured as described above, a sine wave high-frequency bias voltage is applied between the probe and the sample to prevent charging of the sample and to tunnel electrons to the conduction band. And an STM image can be obtained. Here, when a sine wave or a rectangular wave having a high frequency is used as the bias voltage, the tunnel current component has the same phase as the bias voltage, but the current derived from the stray capacitance is a sine wave delayed 90 degrees from the phase of the bias voltage. By locking the phase of the sampling signal to the tunnel current component by the signal processing means having a phase lock-in function, the current derived from the stray capacitance whose phase is shifted by 90 degrees can be canceled. As a result, in the case of a sine wave, the matching circuit is not required, the performance of the current amplifier can be extracted better, and the tracking frequency up to the front of the signal processing means can be improved. Here, when the signal processing means is a lock-in amplifier and the sampling signal is a reference signal of the lock-in amplifier, a phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope can be easily configured. Further, if the signal processing means is a digital signal processor (DSP), it can be configured at low cost by limiting the functions to the minimum necessary.

従来のフィードバック制御系ではフィードバックループ全体での安定性を得るためには数十kHzが限界であったが、ロックインアンプ若しくはDSPを用いることによりロックインアンプ若しくはDSPでフィードバック信号が直流に変換されるため、フィードバックループの安定性はバイアス電圧の周波数に関係なくなり、高周波でも安定である。つまり、フィードバックループの安定性は、ロックインアンプ若しくはDSPの出力時定数に大きく影響するようになり、ロックインアンプ若しくはDSP直前の電流アンプの出力電流の位相が、バイアス電圧周波数の位相より180度以上遅れていたとしても、ロックインアンプ若しくはDSPの出力時定数が安定であるので、フィードバックループは安定である。よって、従来よりさらに高周波でパルスSTM観察を行うことが可能となる。   In the conventional feedback control system, several tens of kHz was the limit to obtain the stability of the entire feedback loop, but by using the lock-in amplifier or DSP, the feedback signal is converted to DC by the lock-in amplifier or DSP. Therefore, the stability of the feedback loop is not related to the frequency of the bias voltage, and is stable even at a high frequency. In other words, the stability of the feedback loop greatly affects the output time constant of the lock-in amplifier or DSP, and the phase of the output current of the current amplifier immediately before the lock-in amplifier or DSP is 180 degrees from the phase of the bias voltage frequency. Even if the delay is more than that, the feedback loop is stable because the output time constant of the lock-in amplifier or DSP is stable. Therefore, pulse STM observation can be performed at a higher frequency than in the past.

更に、ロックインアンプは参照信号付近の周波数成分を持つ信号成分のみを検出するため、参照信号から周波数の離れた周波数ノイズなどには極端に強く、また高周波に周波数をロックして計測を行うので、商用周波数の60Hzなどの電磁ノイズに非常に強い回路系となり、それによりS/N比の向上が図れ、微小なトンネル電流でもフィードバック制御を行い、STM像を得ることが可能である。同様の効果は、DSPを用いる場合にも生じる。   Furthermore, since the lock-in amplifier detects only signal components having frequency components near the reference signal, it is extremely resistant to frequency noise away from the reference signal, and measurement is performed with the frequency locked to a high frequency. Thus, the circuit system is extremely resistant to electromagnetic noise such as a commercial frequency of 60 Hz, whereby the S / N ratio can be improved, and feedback control can be performed even with a minute tunnel current to obtain an STM image. Similar effects occur when using a DSP.

また、本発明によれば、従来のSTMで要求される電磁シールドと超高真空を用いず、探針と試料を大気開放下に置く条件でも、導体を従来のSTMと同等の感度で原子像を観察することができ、装置の大幅なコスト低減化を図ることができる。また、同じく本発明は、大気開放下でも吸着分子の影響を受けるが絶縁体あるいは半導体表面の原子像を観察することが可能である。   In addition, according to the present invention, an atomic image with a sensitivity equivalent to that of a conventional STM can be obtained even under the condition that the probe and the sample are left open to the atmosphere without using the electromagnetic shield and ultrahigh vacuum required by the conventional STM. Can be observed, and the cost of the apparatus can be greatly reduced. Similarly, the present invention is capable of observing an atomic image on the surface of an insulator or a semiconductor although it is affected by adsorbed molecules even in the atmosphere.

本発明に係る測定原理を示す探針−試料間の簡略説明図である。It is a simplified explanatory diagram between the probe and the sample showing the measurement principle according to the present invention. 矩形波バイアス電圧を用いた高周波トンネル顕微鏡の回路構成を示す簡略回路図である。It is a simplified circuit diagram which shows the circuit structure of the high frequency tunnel microscope using a rectangular wave bias voltage. 周波数4kHzの矩形波バイアス電圧を印加した際の図2の回路の各部における波形を示すオシログラフである。3 is an oscillograph showing waveforms in various parts of the circuit of FIG. 2 when a rectangular wave bias voltage having a frequency of 4 kHz is applied. 図2の回路構成の高周波トンネル顕微鏡で周波数4kHzの矩形波バイアス電圧を印加した場合のHOPG表面のSTM像である。FIG. 3 is an STM image of the HOPG surface when a rectangular wave bias voltage having a frequency of 4 kHz is applied with the high-frequency tunneling microscope having the circuit configuration of FIG. 2. 周波数100kHzの矩形波バイアス電圧を印加した際の図2の回路の各部における波形を示すオシログラフである。3 is an oscillograph showing waveforms in various parts of the circuit of FIG. 2 when a rectangular wave bias voltage having a frequency of 100 kHz is applied. 図2の回路構成の高周波トンネル顕微鏡で周波数100kHzの矩形波バイアス電圧を印加した場合のHOPG表面のSTM像である。3 is an STM image of the surface of a HOPG when a rectangular wave bias voltage having a frequency of 100 kHz is applied with the high-frequency tunneling microscope having the circuit configuration of FIG. 正弦波バイアス電圧を用いた高周波トンネル顕微鏡の回路構成を示す簡略回路図である。It is a simplified circuit diagram which shows the circuit structure of the high frequency tunnel microscope using a sine wave bias voltage. ロックインアンプの一般的な動作原理を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the general operating principle of lock-in amplifier. トンネル電流成分(測定信号)と容量成分が混合した入力電流から、ロックインアンプによりトンネル電流成分のみを抽出する測定原理を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the measurement principle which extracts only a tunnel current component with a lock-in amplifier from the input current which the tunnel current component (measurement signal) and the capacitive component mixed. 図7の高周波トンネル顕微鏡を用いて、実際に試料を観察する場合における調節手順を示し、(a)はトンネル領域外でロックインアンプの参照信号の位相を容量成分の位相にロックした状態の波形、(b)は参照信号の位相を−90°ずらせて容量成分の出力を0にした状態の波形、(c)トンネル電流成分のみを検出した状態の波形を示している。FIG. 7 shows an adjustment procedure in the case of actually observing a sample using the high-frequency tunneling microscope of FIG. 7, wherein (a) shows a waveform in a state where the phase of the reference signal of the lock-in amplifier is locked to the phase of the capacitive component outside the tunnel region. (B) shows the waveform when the phase of the reference signal is shifted by −90 ° and the output of the capacitance component is 0, and (c) shows the waveform when only the tunnel current component is detected. 図7の回路構成の高周波トンネル顕微鏡で周波数100kHzの正弦波バイアス電圧を印加した場合のHOPG表面のSTM像である。FIG. 8 is an STM image of the HOPG surface when a sinusoidal bias voltage having a frequency of 100 kHz is applied with the high-frequency tunneling microscope having the circuit configuration of FIG. 7. 図7の回路構成の高周波トンネル顕微鏡で周波数200kHzの正弦波バイアス電圧を印加した場合のHOPG表面のSTM像である。FIG. 8 is an STM image of the HOPG surface when a sinusoidal bias voltage having a frequency of 200 kHz is applied with the high-frequency tunneling microscope having the circuit configuration of FIG. 7. 図7に示した回路構成で、大気中において直流モードでSi(111)表面を観察したSTM像でである。FIG. 8 is an STM image obtained by observing the Si (111) surface in the direct current mode in the atmosphere with the circuit configuration shown in FIG. 7. 周波数100kHzの正弦波バイアス電圧を用いて、大気中においてSi(111)表面を観察したSTM像である。It is the STM image which observed the Si (111) surface in air | atmosphere using the sine wave bias voltage of frequency 100kHz. 従来の高周波パルス走査トンネル顕微鏡の回路構成を示す簡略回路図である。It is a simplified circuit diagram which shows the circuit structure of the conventional high frequency pulse scanning tunneling microscope.

符号の説明Explanation of symbols

1 探針
2 試料
3 パルスジェネレーター(バイアス電源)
4 インピーダンスマッチング回路
5 電流アンプ
6 ロックインアンプ(信号処理手段)
7 制御系
8 交流電源(バイアス電源)
101 探針
102 試料
103 パルスジェネレーター(バイアス電源)
104 インピーダンスマッチング回路
104 マッチング回路
105 電流アンプ
106 整流回路
107 制御系
1 Probe 2 Sample 3 Pulse generator (bias power supply)
4 Impedance matching circuit 5 Current amplifier 6 Lock-in amplifier (signal processing means)
7 Control system 8 AC power supply (bias power supply)
101 Probe 102 Sample 103 Pulse generator (bias power supply)
104 impedance matching circuit 104 matching circuit 105 current amplifier 106 rectifier circuit 107 control system

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。先ず、本発明の前提となる高周波走査トンネル顕微鏡の測定原理を図1に基づいて説明する。本発明は、絶縁体若しくは半導体の表面の原子像を得ることを目的としたものである。図1は、探針1と試料2との間での電子の授受を模式的に示したものである。前記探針1と試料2との間に、正弦波若しくは矩形波の正負に極性が変化する高周波バイアス電圧を印加する。本発明で、特に好ましいのは探針1と試料2間に正弦波の高周波バイアス電圧を印加することである。ここで、前記試料2としては、表面に酸化膜(SiO2)が形成されたSi(111)を想定している。前記バイアス電圧の周波数は100kHz〜10GHzの範囲であり、フィードバック信号として使用するトンネル電流が1pA〜10nAの範囲である。Next, the present invention will be described in more detail based on the embodiments shown in the accompanying drawings. First, the measurement principle of the high-frequency scanning tunneling microscope, which is the premise of the present invention, will be described with reference to FIG. The object of the present invention is to obtain an atomic image of the surface of an insulator or semiconductor. FIG. 1 schematically shows the exchange of electrons between the probe 1 and the sample 2. A high-frequency bias voltage whose polarity changes between positive and negative of a sine wave or a rectangular wave is applied between the probe 1 and the sample 2. In the present invention, it is particularly preferable to apply a sinusoidal high-frequency bias voltage between the probe 1 and the sample 2. Here, the sample 2 is assumed to be Si (111) having an oxide film (SiO 2 ) formed on the surface. The frequency of the bias voltage is in the range of 100 kHz to 10 GHz, and the tunnel current used as the feedback signal is in the range of 1 pA to 10 nA.

図1(a)は、探針1に負のバイアス電圧がかかると電子がトンネルして、試料2の伝導帯に流れる様子を示している。図1(b)は、バイアス電圧が0になってもトンネルした電子の一部は、探針直下の試料表面に残り、試料表面が帯電する様子を示している。図1(c)は、探針1に正のバイアス電圧がかかると帯電した電子が探針1に移動して試料2の表面の帯電が緩和される様子を示している。図1(d)は、帯電した電子がほぼ無くなり、バイアス電圧も0に戻った状態を示し、次に探針1に負のバイアス電圧がかかったときに、電子のトンネルを妨げない状態に回復している様子を示している。   FIG. 1A shows a state where electrons are tunneled and flow into the conduction band of the sample 2 when a negative bias voltage is applied to the probe 1. FIG. 1B shows a state in which some of the tunneled electrons remain on the sample surface directly below the probe even when the bias voltage becomes 0, and the sample surface is charged. FIG. 1 (c) shows a state where charged electrons move to the probe 1 when the positive bias voltage is applied to the probe 1 and the charging of the surface of the sample 2 is relaxed. FIG. 1 (d) shows a state in which almost all charged electrons have disappeared and the bias voltage has returned to 0. Next, when a negative bias voltage is applied to the probe 1, the state is restored to a state in which the electron tunnel is not obstructed. It shows how they are doing.

しかし、図1のように高周波バイアス電圧を探針にかけると、理想的には電子がトンネルして電流が検出されるが、試料が絶縁体若しくは半導体である場合には、トンネル電流は非常に小さいので、浮遊容量による電流成分やノイズに隠れてしまうので、単純にはフィードバック信号が得られない。この浮遊容量によって探針と試料間に大きな電流が流れる現象は、従来の直流バイアス方式のSTMでは問題にならなかったものである。   However, when a high frequency bias voltage is applied to the probe as shown in FIG. 1, electrons are ideally tunneled and current is detected. However, when the sample is an insulator or semiconductor, the tunnel current is very high. Since it is small, it is hidden in the current component and noise due to the stray capacitance, and thus a feedback signal cannot be obtained simply. The phenomenon that a large current flows between the probe and the sample due to the stray capacitance is not a problem in the conventional DC bias STM.

図2に示した矩形波バイアス電圧による高周波走査トンネル顕微鏡は、探針1と試料2との間に、パルスジェネレーター3(バイアス電源)から矩形波バイアス電圧を印加する方法である。探針1と試料2との間に流れる電流を、コンデンサーCと可変抵抗Rからなるインピーダンスマッチング回路4を通して電流アンプ5で検出する。ここで、Cは100pF、Rは0〜2MΩとしているので、時定数(CR)は0〜200μs範囲で調節可能である。そして、電流アンプ5の出力は、ロックインアンプ6を通して探針1をフィードバック制御する制御系7に入力される。本発明では、従来のSTMが直流バイアス電圧方式であったので、使用されることがなかったロックインアンプ6を用いることにより、浮遊容量等によるノイズ除去を行い、大幅なS/Nの向上を図ったのである。本実施形態では、本発明における位相ロックイン機能を有する信号処理手段として、ロックインアンプ6を用いる場合について説明するが、デジタル信号プロセッサ(DSP)を用いる場合も同様である。つまり、一般的にロックインアンプはDSPを用いて構成されるが、本発明では一般のロックインアンプの機能のうち、電流アンプ5で増幅した電流を入力し、参照信号を高周波バイアス電圧の周波数に同期させ且つ高周波バイアス電圧の位相にロックさせて、浮遊容量由来の電流を除去してトンネル電流のみによるフィードバック信号を発生させる、位相ロックイン機能のみを使用するため、同等の機能をDSPで実現できるからである。   The high-frequency scanning tunneling microscope using the rectangular wave bias voltage shown in FIG. 2 is a method in which a rectangular wave bias voltage is applied between the probe 1 and the sample 2 from a pulse generator 3 (bias power supply). A current flowing between the probe 1 and the sample 2 is detected by a current amplifier 5 through an impedance matching circuit 4 including a capacitor C and a variable resistor R. Here, since C is 100 pF and R is 0 to 2 MΩ, the time constant (CR) can be adjusted in the range of 0 to 200 μs. The output of the current amplifier 5 is input to the control system 7 that performs feedback control of the probe 1 through the lock-in amplifier 6. In the present invention, since the conventional STM is a DC bias voltage system, the use of the lock-in amplifier 6 that has not been used eliminates noise due to a stray capacitance and greatly improves the S / N. It was planned. In the present embodiment, the case where the lock-in amplifier 6 is used as the signal processing means having the phase lock-in function in the present invention will be described, but the same applies to the case where a digital signal processor (DSP) is used. In other words, the lock-in amplifier is generally configured using a DSP, but in the present invention, the current amplified by the current amplifier 5 is input and the reference signal is used as the frequency of the high-frequency bias voltage. Since the phase lock-in function is used to generate a feedback signal based only on the tunnel current by removing the current derived from the stray capacitance by locking to the phase of the high frequency bias voltage and realizing the same function in the DSP Because it can.

図3は、図2に示した回路構成の装置での信号波形を示している。矩形波のバイアス電圧は4kHz、±200mVであり、その波形を図3の上段に示している。4kHzは周期に換算すると250μsであるので、これよりも早く変化する成分のみを除去することができるように、前記マッチング回路4を調節する。電流アンプ5のゲインを107とした場合のその出力波形を図3の中段に示し、ゲインを10、出力時定数を100μsとしたロックインアンプ6の出力波形を図3の下段に示している。ここで、ロックインアンプ6はバンドパスフィルターとして機能するので、バイアス電圧の周波数に同期させて、バイアス電圧の立上がりと立下がりの部分に遅れて現れる浮遊容量の影響を除いてサンプリングして出力する。図4は、試料としてHOPGの表面を観察したATM像であり、図4(a)は1nm×1nmの観察領域、図4(b)は2nm×2nmの観察領域、図4(c)は5nm×5nmの観察領域である。FIG. 3 shows signal waveforms in the apparatus having the circuit configuration shown in FIG. The rectangular wave bias voltage is 4 kHz, ± 200 mV, and its waveform is shown in the upper part of FIG. Since 4 kHz is 250 μs in terms of period, the matching circuit 4 is adjusted so that only components that change faster than this can be removed. The output waveform when the gain of the current amplifier 5 is 10 7 is shown in the middle part of FIG. 3, and the output waveform of the lock-in amplifier 6 with the gain of 10 and the output time constant of 100 μs is shown in the lower part of FIG. . Here, since the lock-in amplifier 6 functions as a band-pass filter, it is sampled and output in synchronization with the frequency of the bias voltage, excluding the influence of stray capacitance appearing behind the rising and falling portions of the bias voltage. . 4A and 4B are ATM images obtained by observing the surface of HOPG as a sample. FIG. 4A is an observation region of 1 nm × 1 nm, FIG. 4B is an observation region of 2 nm × 2 nm, and FIG. X 5 nm observation region.

図5は、図2に示した回路構成の装置で、矩形波のバイアス電圧を100kHz、p−p200mVとした場合の波形を示している。この場合も前記同様に、図5の上段はバイアス電圧波形、中段は電流アンプ5の出力波形、下段はロックインアンプ6の出力波形をそれぞれ示している。図6(a)は矩形波のバイアス電圧を50kHz、p−p200mVとした場合のSTM像、図6(b)は矩形波のバイアス電圧を100kHz、p−p200mVとした場合のSTM像であり、両方とも5nm×5nmの観察領域である。先の特許文献1の図11(a)と比較すれば、本発明により格段に鮮明な原子像を観察できるようになったことが分かり、ロックインアンプを用いる効果が明らかとなった。   FIG. 5 shows a waveform when the rectangular-wave bias voltage is 100 kHz and p-p 200 mV in the apparatus having the circuit configuration shown in FIG. Also in this case, similarly to the above, the upper part of FIG. 5 shows the bias voltage waveform, the middle part shows the output waveform of the current amplifier 5, and the lower part shows the output waveform of the lock-in amplifier 6. 6A is an STM image when the rectangular wave bias voltage is 50 kHz and p-p 200 mV, and FIG. 6B is an STM image when the rectangular wave bias voltage is 100 kHz and p-p 200 mV. Both are observation areas of 5 nm × 5 nm. Compared to FIG. 11A of the above-mentioned Patent Document 1, it can be seen that an extremely clear atomic image can be observed by the present invention, and the effect of using a lock-in amplifier has been clarified.

ここで、図5を見れば、矩形波のバイアス電圧を印加したにも係わらず、周波数が100kHzと高くなると、電流アンプの出力波形は正弦波(サイン波)に近い波形となっていることが分かり、バイアス電圧を正弦波としても原子像を観察できることが推測される。一方、試料表面の帯電を防止するには、できるだけ高い周波数のバイアス電圧を印加することが望まれる。また、バイアス電圧を正弦波とすることにより、スパイク電流の問題が解消するので、図2におけるインピーダンスマッチング回路4は不要となる。その結果、図7に示すような簡単な回路構成の正弦波バイアス電圧による高周波走査トンネル顕微鏡に至ったのである。   Here, referring to FIG. 5, the output waveform of the current amplifier is a waveform close to a sine wave (sine wave) when the frequency becomes as high as 100 kHz in spite of the application of the rectangular wave bias voltage. It is understood that it is possible to observe the atomic image even when the bias voltage is a sine wave. On the other hand, in order to prevent charging of the sample surface, it is desirable to apply a bias voltage having a frequency as high as possible. Moreover, since the problem of spike current is solved by using a sine wave as the bias voltage, the impedance matching circuit 4 in FIG. 2 is not necessary. As a result, a high-frequency scanning tunneling microscope with a sine wave bias voltage having a simple circuit configuration as shown in FIG. 7 has been achieved.

図7に示した位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡は、探針1と試料2との間に、交流電源8(バイアス電源)から正弦波のバイアス電圧を印加し、探針1と試料2との間に流れる電流を電流アンプ5で増幅し、その出力をロックインアンプ6に入力して、ロックインアンプ6でトンネル電流のみによるフィードバック信号を発生させ、それを制御系7に入力して探針1をフィードバック制御するのである。この場合、インピーダンスマッチング回路4を設けてないので、このマッチング回路に起因した周波数特性の劣化を防止できる。   The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope shown in FIG. 7 applies a sinusoidal bias voltage from an AC power supply 8 (bias power supply) between the probe 1 and the sample 2, Is amplified by the current amplifier 5 and the output is input to the lock-in amplifier 6, and the lock-in amplifier 6 generates a feedback signal based only on the tunnel current, which is input to the control system 7 and searched. The needle 1 is feedback controlled. In this case, since the impedance matching circuit 4 is not provided, it is possible to prevent the frequency characteristics from being deteriorated due to the matching circuit.

次に、図8及び図9に基づいて、ロックインアンプ6を用いることにより、浮遊容量による電流成分を除去し、微弱なトンネル電流のみを抽出する測定原理を説明する。先ず、ロックインアンプの一般的な動作原理を図8に基づいて説明する。図8(a)に示すように、正弦波からなる測定信号をロックインアンプに入力し、該測定信号とロックインアンプの参照信号の位相差を0°とすると、測定信号に参照信号を掛け合わせたPSD出力は、測定信号の負の部分の半波が正に折り返された波形(正の全波整流)となり、これを平滑化したLPF出力は正の直流となる。一方、図8(b)に示すように、測定信号とロックインアンプの参照信号の位相差を90°とすると、PSD出力は上下対称波形となり、LPF出力は0となる。また、図8(c)に示すように、測定信号とロックインアンプの参照信号の位相差を180°とすると、PSD出力は位相差が0°の場合の上下反転した波形となり、LPF出力は負の直流となる。ロックインアンプでは参照信号の位相を測定信号の位相にロックすることで、測定信号を検出することができる。また、測定信号検出において、測定信号との位相差が90°の成分は出力されないという特徴がある。   Next, based on FIG. 8 and FIG. 9, the measurement principle of using the lock-in amplifier 6 to remove the current component due to the stray capacitance and extracting only a weak tunnel current will be described. First, a general operation principle of the lock-in amplifier will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8A, when a measurement signal composed of a sine wave is input to a lock-in amplifier and the phase difference between the measurement signal and the reference signal of the lock-in amplifier is 0 °, the measurement signal is multiplied by the reference signal. The combined PSD output is a waveform (positive full-wave rectification) in which the half wave of the negative portion of the measurement signal is folded back positively, and the LPF output obtained by smoothing this is a positive direct current. On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the phase difference between the measurement signal and the reference signal of the lock-in amplifier is 90 °, the PSD output has a vertically symmetric waveform and the LPF output becomes zero. Further, as shown in FIG. 8C, when the phase difference between the measurement signal and the reference signal of the lock-in amplifier is 180 °, the PSD output has a vertically inverted waveform when the phase difference is 0 °, and the LPF output is Negative direct current. In the lock-in amplifier, the measurement signal can be detected by locking the phase of the reference signal to the phase of the measurement signal. Further, in measurement signal detection, a component having a phase difference of 90 ° with respect to the measurement signal is not output.

次に、前記探針1と試料2とは、等価回路的にはトンネル電流を流す抵抗と浮遊容量とが並列接続された回路に置き換えられる。図9に示すように、探針−試料間を通過した電流は、トンネル電流成分(測定信号)と容量成分が混合したままロックインアンプに流れるが、容量成分はトンネル電流成分に対して位相が90°ずれている。従って、ロックインアンプによってトンネル電流成分の位相に参照信号の位相をロックした場合、そこから90°ずれた容量成分は出力されず、図9のようにトンネル電流成分のみが検出できる。これをフィードバック信号として用いることによりSTM観察を行うことが可能となる。   Next, the probe 1 and the sample 2 are replaced with a circuit in which a resistance for flowing a tunnel current and a stray capacitance are connected in parallel in an equivalent circuit. As shown in FIG. 9, the current passing between the probe and the sample flows to the lock-in amplifier while the tunnel current component (measurement signal) and the capacitance component are mixed, but the capacitance component is out of phase with the tunnel current component. It is 90 ° off. Therefore, when the phase of the reference signal is locked to the phase of the tunnel current component by the lock-in amplifier, the capacitance component shifted by 90 ° is not output, and only the tunnel current component can be detected as shown in FIG. By using this as a feedback signal, STM observation can be performed.

次に、図7に示した回路構成の装置を用いて実際にSTM観察を行う手順を簡単に説明する。バイアス電圧に交流を用いるとき、探針がトンネル領域に入っている場合は、探針−試料間は抵抗と容量が並列した形とみなすことができるが、探針がトンネル領域に入っていない場合(図10(a)参照)、探針−試料間は容量のみの回路となる。即ち、アプローチするに当たり、始めは探針−試料間に容量成分のみ流れているが、探針がトンネル領域に入ることで容量成分とトンネル電流成分が混合した電流が流れる。まず、図10(a)に示すように、トンネル領域外でロックインアンプの参照信号の位相をオートセットすることで参照信号の位相を容量成分の位相にロックすることができる。ここで、参照信号と容量成分の電流は同位相である。そこから参照信号の位相を−90°ずらすことにより容量成分の出力を0にしてアプローチを開始する(図10(b)参照)。こうすることで、図10(c)に示すように、トンネル電流成分が流れたときにはじめて出力が現れ、トンネル電流のみを検出することができる。尚、図10(c)において、トンネルギャップを流れる電流は、トンネル電流成分と容量成分の和になるが、周波数が高くなると容量成分はトンネル電流成分の信号レベルより遥かに大きくなるので、容量成分の波形が支配的となる。このように、ロックインアンプを用いて、アプローチ前に流れている容量成分の出力が0になるように調整することで、トンネル電流成分のみを検出することができるのである。   Next, a procedure for actually performing STM observation using the apparatus having the circuit configuration shown in FIG. 7 will be briefly described. When AC is used as the bias voltage, if the probe is in the tunnel region, it can be considered that the resistance and capacitance are parallel between the probe and the sample, but the probe is not in the tunnel region. (See FIG. 10 (a)), the circuit between the probe and the sample is a circuit having only a capacitance. That is, when approaching, only the capacitive component flows between the probe and the sample at first, but when the probe enters the tunnel region, a current in which the capacitive component and the tunnel current component are mixed flows. First, as shown in FIG. 10A, by automatically setting the phase of the reference signal of the lock-in amplifier outside the tunnel region, the phase of the reference signal can be locked to the phase of the capacitive component. Here, the reference signal and the current of the capacitive component have the same phase. From there, the phase of the reference signal is shifted by −90 ° to set the output of the capacitive component to 0 and the approach is started (see FIG. 10B). By doing so, as shown in FIG. 10C, the output appears only when the tunnel current component flows, and only the tunnel current can be detected. In FIG. 10C, the current flowing through the tunnel gap is the sum of the tunnel current component and the capacitance component. However, as the frequency increases, the capacitance component becomes much larger than the signal level of the tunnel current component. The waveform becomes dominant. As described above, by adjusting the output of the capacitive component flowing before the approach to 0 using the lock-in amplifier, only the tunnel current component can be detected.

図11及び図12は、図7に示した回路構成の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡によって、実際にHOPGの表面を観察したSTM像を示している。図11は、周波数100kHz、p−p200mVの正弦波バイアス電圧を用い、ロックインアンプの時定数100μsでHOPG表面の観察を行った結果を示し、(a)は観察領域が2nm×2nm、(b)は観察領域が5nm×5nmであり、原子像が得られている。また、図12は、周波数200kHz、p−p200mVの正弦波バイアス電圧を用い、ロックインアンプの時定数100μsでHOPG表面の観察を行った結果を示し、(a)は観察領域が2.5nm×2.5nm、(b)は観察領域が5nm×5nmであり、不鮮明ではあるが原子像が得られている。   11 and 12 show STM images obtained by actually observing the surface of the HOPG with the phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope having the circuit configuration shown in FIG. FIG. 11 shows the result of observation of the HOPG surface using a sinusoidal bias voltage with a frequency of 100 kHz and p-p 200 mV, with a time constant of 100 μs of the lock-in amplifier, and (a) shows an observation region of 2 nm × 2 nm, (b ) Has an observation area of 5 nm × 5 nm, and an atomic image is obtained. FIG. 12 shows the result of observation of the HOPG surface using a sinusoidal bias voltage with a frequency of 200 kHz and p-p 200 mV and a time constant of 100 μs of the lock-in amplifier, and (a) shows the observation region of 2.5 nm × In 2.5 nm and (b), the observation region is 5 nm × 5 nm, and although it is unclear, an atomic image is obtained.

尚、周波数200kHzの正弦波バイアス電圧を用いた観察では、使用したロックインアンプの最高使用周波数が100kHzであったので、ロックインアンプの前に周波数エクステンダを挿入して測定を行った。電流アンプ及びロックインアンプを広帯域のものを使用することにより、更に鮮明な原子像が得られることは容易に予測できる。   In the observation using a sine wave bias voltage with a frequency of 200 kHz, the maximum use frequency of the used lock-in amplifier was 100 kHz, and therefore measurement was performed by inserting a frequency extender in front of the lock-in amplifier. It can be easily predicted that a clearer atomic image can be obtained by using wide-band current amplifiers and lock-in amplifiers.

最後に、図13及び図14に、Si(111)表面のステップ−テラス構造の観察を行った結果を示す。先ず、図13は、図7に示した回路構成で、大気中において直流モードでSi(111)表面を観察したSTM像であり、(a)は150nm×150nmの観察領域、(b)は500nm×500nmの観察領域である。大気中でも、直流モードでSi(111)表面のステップ−テラス構造のSTM像が得られた。   Finally, FIGS. 13 and 14 show the results of observation of the step-terrace structure on the Si (111) surface. First, FIG. 13 is an STM image obtained by observing the Si (111) surface in the direct current mode in the atmosphere with the circuit configuration shown in FIG. 7, where (a) is an observation region of 150 nm × 150 nm, and (b) is 500 nm. X Observation region of 500 nm. Even in the atmosphere, an STM image of a step-terrace structure on the Si (111) surface was obtained in the direct current mode.

図14は、周波数100kHzの正弦波バイアス電圧を用いて、大気中においてSi(111)表面を観察したSTM像であり、(a)は200nm×200nmの観察領域、(b)は500nm×500nmの観察領域である。このように、高周波STMにおける観察においてもSi(111)表面の変化が観察された。この変化は直流モードでのバイアス電圧が負の場合よりも大きく、正の場合よりも小さく見える。これはバイアス電圧の極性が正負交互に変化しながら計測をおこなうため、正負交互の影響により表面が変化したためだと考えられる。しかし、高周波STM像にはステップ−テラス構造が観察されていることがわかる。これにより、バンドギャップを持つ試料に対しても高周波STM観察を行うことが可能であることが確認された。   FIG. 14 is an STM image obtained by observing the Si (111) surface in the atmosphere using a sinusoidal bias voltage having a frequency of 100 kHz. This is the observation area. Thus, the change of the Si (111) surface was also observed in the observation in the high frequency STM. This change appears to be greater than when the bias voltage in the DC mode is negative and smaller than when it is positive. This is thought to be because the surface changes due to the influence of alternating positive and negative because measurements are performed while the polarity of the bias voltage changes alternately. However, it can be seen that a step-terrace structure is observed in the high-frequency STM image. As a result, it was confirmed that high-frequency STM observation can be performed even on a sample having a band gap.

このように、高周波バイアス電圧と同位相の成分をロックインアンプで選別することによって、浮遊容量による影響を最小限に抑制してトンネル電流成分のみで探針−試料間距離を制御することができ、より高い周波数の正弦波バイアス電圧を印加することで絶縁体若しくは半導体試料の観察を行うことが可能である。   In this way, by selecting components with the same phase as the high-frequency bias voltage using a lock-in amplifier, the effect of stray capacitance can be minimized, and the probe-sample distance can be controlled using only the tunnel current component. It is possible to observe an insulator or a semiconductor sample by applying a sinusoidal bias voltage having a higher frequency.

また、探針−試料間距離を一定に保ち、前記バイアス電源より探針と試料間に正弦波の高周波バイアス電圧を印加するとともに、前記ロックインアンプの参照信号の位相をトンネル電流の位相にロックすることにより前記試料のdI/dVを測定してI−V特性を取得し、あるいは前記ロックインアンプの参照信号の位相を容量由来の電流の位相にロックすることにより前記試料のdC/dVを測定してC−V特性を取得することにより、半導体表面のnmオーダーの微小領域での電気的特性を調べることができる。ここで、探針−試料間距離を一定に保ち、前記バイアス電源より探針と試料間に正弦波の高周波バイアス電圧を印加し、前記ロックインアンプの参照信号の位相を容量由来の電流の位相にロックすることで、浮遊容量由来の電流変動を無くし、従って試料の物性に基づく容量成分による電流の変化のみを検出することができるのである。前記試料のdI/dVあるいはdC/dVを測定するときの周波数は、探針−試料間距離の制御に使った周波数とは異なっても可能である。   In addition, the distance between the probe and the sample is kept constant, a sine wave high-frequency bias voltage is applied between the probe and the sample from the bias power source, and the phase of the reference signal of the lock-in amplifier is locked to the phase of the tunnel current By measuring the dI / dV of the sample to obtain the IV characteristic, or by locking the phase of the reference signal of the lock-in amplifier to the phase of the current derived from the capacitance, the dC / dV of the sample is obtained. By measuring and obtaining the CV characteristics, the electrical characteristics in a minute region on the order of nm on the semiconductor surface can be examined. Here, the distance between the probe and the sample is kept constant, a sinusoidal high frequency bias voltage is applied between the probe and the sample from the bias power source, and the phase of the reference signal of the lock-in amplifier is changed to the phase of the current derived from the capacitance. By locking, the current fluctuation due to stray capacitance is eliminated, and therefore only the change in current due to the capacitive component based on the physical properties of the sample can be detected. The frequency at which the dI / dV or dC / dV of the sample is measured may be different from the frequency used for controlling the probe-sample distance.

Claims (9)

探針先端と試料の間隔を極めて接近させ、探針と試料間に印加したバイアス電圧によってトンネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定に維持する条件でフィードバック信号を駆動系に与えて探針を試料表面に沿って相対的に走査し、試料表面の原子スケールの像を観察する走査トンネル顕微鏡であって、前記探針と試料間に矩形波若しくは正弦波の高周波バイアス電圧を印加するバイアス電源と、探針と試料間に流れるトンネル電流と浮遊容量由来の電流が混合した検出電流を増幅する電流アンプと、電流アンプで増幅した電流を入力し、サンプリング信号を高周波バイアス電圧の周波数に同期させ且つ高周波バイアス電圧の位相にロックさせて、浮遊容量由来の電流を除去してトンネル電流のみによるフィードバック信号を発生させる、位相ロックイン機能を有する信号処理手段とを備えたことを特徴とする位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  The distance between the tip of the probe and the sample is very close, a tunnel current is generated by the bias voltage applied between the probe and the sample, and a feedback signal is applied to the drive system under the condition that this tunnel current is kept constant. A scanning tunneling microscope that scans relatively along a sample surface and observes an atomic scale image of the sample surface, and a bias power source that applies a high-frequency bias voltage of a rectangular wave or a sine wave between the probe and the sample; A current amplifier that amplifies a detection current in which a tunnel current flowing between the probe and the sample and a current derived from stray capacitance are mixed, and a current amplified by the current amplifier are input, and the sampling signal is synchronized with the frequency of the high-frequency bias voltage, and Locks to the phase of the high-frequency bias voltage to remove the stray capacitance-derived current and generate a feedback signal using only the tunnel current , Phase lock-in high-frequency scanning tunneling microscope, characterized in that a signal processing unit having a phase lock-in feature. 前記高周波バイアス電圧が矩形波であり、前記探針と試料間のトンネル抵抗と浮遊容量で決する時定数と、電流アンプの入力インピーダンスで決する時定数を略一致させるインピーダンスマッチング回路を電流アンプの入力側に設けてなる請求項1記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  The high-frequency bias voltage is a rectangular wave, and an impedance matching circuit that substantially matches the time constant determined by the tunnel resistance and stray capacitance between the probe and the sample and the time constant determined by the input impedance of the current amplifier is provided on the input side of the current amplifier. The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the phase-locked-in high-frequency scanning tunneling microscope is provided. 前記高周波バイアス電圧が正弦波であり、探針と試料間の間隔が離れたトンネル領域外において前記信号処理手段のサンプリング信号の位相を浮遊容量由来の電流の位相にロックした後、サンプリング信号の位相をずらすことにより浮遊容量由来の電流の出力を0にし、それから探針と試料間の間隔を狭めてトンネル電流が流れるトンネル領域内へとアプローチを開始する請求項1記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  The high-frequency bias voltage is a sine wave, and after the phase of the sampling signal of the signal processing means is locked to the phase of the current derived from the stray capacitance outside the tunnel region where the distance between the probe and the sample is separated, the phase of the sampling signal The phase lock-in type high-frequency scanning according to claim 1, wherein the output of the electric current derived from the stray capacitance is set to zero by shifting and the approach is started by narrowing the distance between the probe and the sample and into the tunnel region where the tunnel current flows. Tunnel microscope. トンネル領域外において前記信号処理手段のサンプリング信号の位相を浮遊容量由来の電流の位相にロックした後、サンプリング信号の位相を-90°ずらすことにより浮遊容量由来の電流の出力を0にする請求項3記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  The output of the current derived from the stray capacitance is made zero by shifting the phase of the sampling signal by -90 ° after the phase of the sampling signal of the signal processing means is locked to the phase of the current derived from the stray capacitance outside the tunnel region. 3. The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to 3. 前記バイアス電圧の周波数が100kHz〜10GHzの範囲であり、フィードバック信号として使用するトンネル電流が1pA〜10nAの範囲である請求項1〜4何れかに記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  5. The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein a frequency of the bias voltage is in a range of 100 kHz to 10 GHz, and a tunnel current used as a feedback signal is in a range of 1 pA to 10 nA. 探針−試料間距離を一定に保ち、前記バイアス電源より探針と試料間に正弦波の高周波バイアス電圧を印加するとともに、前記信号処理手段のサンプリング信号の位相をトンネル電流の位相にロックすることにより前記試料のdI/dVを測定してI−V特性を取得し、あるいは前記信号処理手段のサンプリング信号の位相を容量由来の電流の位相にロックすることにより前記試料のdC/dVを測定してC−V特性を取得する請求項1記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  Maintaining a constant probe-sample distance, applying a sinusoidal high-frequency bias voltage between the probe and the sample from the bias power source, and locking the phase of the sampling signal of the signal processing means to the phase of the tunnel current The dI / dV of the sample is measured to obtain the IV characteristic, or the dC / dV of the sample is measured by locking the phase of the sampling signal of the signal processing means to the phase of the current derived from the capacitance. The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the CV characteristics are acquired. 前記信号処理手段がロックインアンプであり、前記サンプリング信号がロックインアンプの参照信号である請求項1〜6何れかに記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the signal processing means is a lock-in amplifier, and the sampling signal is a reference signal of the lock-in amplifier. 前記信号処理手段がロックインアンプであり、前記サンプリング信号がロックインアンプの参照信号であり、トンネル領域外において前記ロックインアンプの参照信号の位相をオートセットすることで浮遊容量由来の電流の位相にロックする請求項3又は4記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  The signal processing means is a lock-in amplifier, the sampling signal is a reference signal for the lock-in amplifier, and the phase of the current derived from the stray capacitance is obtained by automatically setting the phase of the reference signal for the lock-in amplifier outside the tunnel region. The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to claim 3 or 4, wherein the phase-locked-in high-frequency scanning tunneling microscope is locked. 前記信号処理手段がデジタル信号プロセッサ(DSP)である請求項1〜6何れかに記載の位相ロックイン型高周波走査トンネル顕微鏡。  7. The phase lock-in type high-frequency scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the signal processing means is a digital signal processor (DSP).
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