JPH01169304A - 走査型トンネル顕微鏡の測定方法 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡の測定方法

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JPH01169304A JP62260612A JP26061287A JPH01169304A JP H01169304 A JPH01169304 A JP H01169304A JP 62260612 A JP62260612 A JP 62260612A JP 26061287 A JP26061287 A JP 26061287A JP H01169304 A JPH01169304 A JP H01169304A
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寛 阪東
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、検出探針と測定物質間に流れるトンネル電
流を利用した測定方法に関するもので、特に大面積表面
および激しい凹凸表面での走査型トンネルｗ４微鏡（以
下、ＳＴＭとする）の測定方法に関するものである。
〔発明の概要〕
この発明は、測定点以外の所で、検出探針と測定物質間
の距離を測定物質面の凹凸に比べ十分に長くすることに
より、検出探針移動時における測定物質間との衝突を防
ぎ、また衝突が防がれたことにより、高速に検出探針移
動を可能とし、さらに必要ならば移動中はトンネル電流
の制御用微動機構を停止させ、微動機構の内部発熱など
によるドリフトを小さくすることができ、特に大面積表
面、および激しい凹凸の表面のＳＴＭの測定を高速、高
安定に行うことができる産業上有益なＳＴＭの測定方法
である。
〔従来の技術〕
検出探針と測定物質を近づけ、その間に電圧を印加する
ことにより流れるトンネル電流を一定にたちつように検
出探針と測定物質間の距離を制御して、検出探針が測定
物質表面を走査することにより微細構造を観察するＳＴ
Ｍの測定は、数十入角の原子レベルの観察から数μｍ角
の形状観察にいたるまで、多種の物質測定に使用されて
いる。
これらの測定はすべてトンネル電流が流れる距離を維持
しながら、検出探針が測定物質表面を走査し、測定が行
われている。〔走査型トンネル顕微鏡による原子像と電
子状ａ：日本物理学会誌第４２巻３号（１９８７）梶村
晧二、ＳＴＭの応用■：第３４回応用物理学関連合講演
会予稿（１９８７）小塩高文〕従来のＳＴＭ測定方法に
ついて、第２図に基づいて説明する。′ｆｓ定物質２の
測定面走査方向をＸ、測定面に平行でＸに対し直角な方
向をＹ、測定面に垂直な方向を２とする。検出探針１と
測定物質２の電圧を印加した状態で、Ｚ方向より近づけ
ることにより、トンネル電流が流れ始める。このトンネ
ル電流を一定に保つように検出探針ｌと測定１７Ｊ質２
の距離を制御しながら、測定物質表面を走査し、その時
の各測定点における検出探針１のＺ方向の変位距離をも
とにして、３次元形状を測定する。この場合、検出探針
１は、Ｚ軸サーボアンプ及びＺ軸ＰＺＴが十分安定に応
答する速度以下で走査しなくてはならず、大きな面積の
測定や、凹凸の激しい面の測定には、長時間を要してし
まうという問題がある。また高速に動作させるほど、検
出探針と測定物質を衝突させてしまう危険が高くなり、
内部発熱などによるドリフトを増大させてしまい、安定
な測定が妨げられてしまう。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来のＳＴＭ測定には、以下のような問題点があった。
（１）検出探針は、原子の凹凸上にそって走査するため
、微動機構のＺ方向の追従性がＸおよびＹ方向の走査速
度を決めている。現在の微動機構の共振周波数は数ＫＨ
ｚ程度、数百オングストローム／秒程度が走査速度の限
界であり、数ミクロン・メーター以上の大面積走査に対
し、非現実的な時間を必要とする。
（２）激しい凹凸のある表面の場合上記（１１で示す速
度で走査すると検出探針と測定物質を衝突させてしまう
場合がある。また衝突させないためにはより遅い速度で
走査する必要があり、このような表面の大面積測定は（
１１以上に非現実的である。
（３＋　　？ｊ［数の測定点の値をもとにＳＴＭの測定
をする方法の場合、測定点以外の所でも微動機構は高速
に可動しているため、微動機構自体の発熱量が多く、微
動機構の熱膨張や、圧電係数の変化により、安定に測定
ができなくなってしまう。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決するために本発明は、測定時板外では
、検出探針と測定物質間の距離を測定物質表面の凹凸に
比べ十分長くし、さらに測定物質方向への微動機構の動
作を停止させることを可能とすることにより、測定点間
の移動を高速に行うことを可能とし、高速、高安定なＳ
ＴＭ／Ｍ定を実現した。
〔作用〕
！ｌ＋　　測定点以外の所では、検出探針と測定物質間
の距離が測定物質表面の凹凸に比べ十分長くとられてい
るため、Ｚ方向の追従性の問題がなくなり、検出探針と
測定物質を衝突させることな（大面積を高速に測定する
ことを可能とした。
（２）激しい凹凸があるような測定物質に対しても、検
出探針と測定物質間を凹凸に比べ十分長くとづているた
め、衝突させることなく高速に測定することを可能とし
た。
（３）測定点以外では、微動機構の２軸動作を停止させ
ることも可能となり、微動機構の動作が測定点での、１
回の上下動作ですむため、微動機構の発熱などによりド
リフトを小さくすることができた。
〔実施例〕
本実施例は３７Ｍ測定に関するもので、以下に図面に基
づいて説明する。
第１図は、本発明一実施例を示す検出探針動作図である
。
第３図は、本発明一実施例を示すＳＴＭ装置構成図であ
る。
第４図は、本発明一実施例を示すＳＴＭの測定方法流れ
の説明図である。
本発明によるＳＴＭの測定方法の一実施例について、第
１図に基づいて説明する。測定物’Ｊｔ２の測定面走査
方向をｘＳ測定面に平行でＸに対し直角な方向をＹ、測
定面に垂直な方向をＺとする。
（１１測定物質２と検出探針１の間の距離を測定物質表
面の凹凸に比べ十分長くとった状態で、測定点上方Ａ１
まで高速に動作させる。
（２）Ｚ方向に検出探針ｌを測定物質２の近くへ移動さ
せ、一定のトンネル電流が流れる位置Ａ８まで動作させ
る。
（３）　　測定点Ａ、における検出探針１の２方向の移
動量を測定する。
（４）Ｚ方向に検出探針１を測定物質上方Ａ、まで移動
し、測定物質表面の凹凸に比べ十分長くとった状態で、
次の測定点上方Ｂ、まで高速に移動させる。
以上を繰り返し、各測定点における値をもとに測定物質
表面の３次元形状を測定し、ＳＴＭ像を構成する。
本発明による３７Ｍ装置構成およびその動作の一実施例
について、第３図に基づいて説明する。
測定点上方においてバイアス電源１１により、検出探針
１と測定物質２０間に電圧が印加され、探針離脱信号１
６が出力した状態において、検出探針１と測定物質２の
間に流れるトンネル電流値に応じた電圧値をＩ／Ｖ変換
器１２は、Ｚ軸サーボアンプ１０とＡ／Ｄコンバータ１
３へ出力する。探針離脱信号１６が停止することにより
Ｚ軸サーボアンプ１０は、　１検出探針１と測定物質２
の間に流れるトンネル電流値を一定に保つように、Ｚ軸
用微動アンプ９へ制御信号を出力し、Ｚ軸用微動アンプ
９は入力された制御信号により、３次元微動機構６をＺ
方向に動作させ、検出探針ｌを移動することにより、ト
ンネル電流値は一定に保たれる。この時の検出探針１の
Ｚ方向の位置は、Ｚ軸サーボアンプ１０よりＡ／Ｄコン
バータ１３へ出力され、デジタル値に変換した値を制御
回路１５に入力することにより、一測定点における測定
が終了する。測定終了後、制御回路１５より探針離脱信
号１６が、Ｚ軸サーボアンプ１０へ出力され、３次元微
動機構６をＺ方向に動作させ、検出探針を測定物質表面
の凹凸に比べ十分長い距離だけ測定物質２より遠ざける
。
このように検出探針を遠ざけた状態において、制御回路
１５より、ＸおよびＹ方向への移動信号が２チヤンネル
Ｄ／Ａコンバータ１４に入力され、２チヤンネルＤ／Ａ
コンバータ１４よりアナログ値に変換した値をＸおよび
Ｙ微動用アンプ７．８へ出力する。ＸおよびＹ微動用ア
ンプ７．８は、アナログ値に変換された移動信号により
、３次元微動機構６を動作させ、検出探針１を次の測定
点上方まで移動させる。以上を繰り返し、各測定点にお
ける値を測定し、制御回路１５へ入力し、制御回路１５
は、それらの値を基に表示装置１７上にＳＴＭ像を構成
表示を行う。
本発明によるＳＴＭの測定方法の一実施例について第４
図に基づいて説明する。
ｓ＋＋　！ｌ１２＋　Ｓｓ、　Ｓｓ、　ｓ、、　Ｓ！’
　はＳＴＭの測定方法を動作別に分けたものである。
Ｓ、は、３７Ｍ装置の検出探針と測定物質の距離を測定
物質表面の凹凸に比べ十分長くなるように変化させる動
作である。
Ｓｔは、検出探針が次の測定物質上方にくるように検出
探針、測定物質の少なくとも片方を移動させる動作であ
る。
Ｓ、は、検出探針と測定物質間に一定のトンネル電流が
流れるように、検出探針と測定物質の距離を変化させる
動作である。
Ｓａは、検出探針と測定物質間に一定のトンネル電流が
流れている状態の測定点における測定をする動作である
。
Ｓ、は、測定が終了したか判断をする動作である。
Ｓｔ’　は、検出探針が始めの測定点上方にくるように
検出探針、測定物質の少なくとも片方を移動させる動作
である。
各動作は以下のような順で実行される。始めにＳ、およ
びＳｔが実行され、次に５３．　Ｓａが実行され、Ｓ、
の実行後の判断の結果が終了とならない限り、ｓ、、　
ｓ、、　ｓ、、　ｓ、、　ｓ、を繰り返し、終了となっ
たら８１を実行後終わりとなる。
〔発明の効果〕
本発明によるＳＴＭ測定方法は、以下のような効果があ
る。
＋１１　　測定点以外の所では、検出探針と測定物質の
距離が測定物質表面の凹凸に比べ十分長く離しているた
め、検出探針と測定物質を衝突させることなく大面積を
高速に測定することを可能とした。
（２）激しい凹凸のある測定物質に対しても、走査速度
を低下させることなく、また測定物質と検出探針を衝突
させずに測定することを可能とした。
（３）測定点以外では、微動機構を停止させることも可
能となり、１ｖＪｉ構の動作により発熱を小さくするこ
とによりドリフトを低下させることを可能とした。
本発明は、大面積や激しい凹凸の表面の測定を、高速、
高安定に行うことを可能とする産業上有益なＳＴＭの測
定方法である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による検出探針動作図、第２図は従来の
技術による検出探針動作図、第３図は本発明を実施した
ＳＴＭ装置構成図、第４図は本発明によるＳＴＭの測定
方法流れの説明図である。 １・・・検出探針 ２・・・測定物質 ３・・・検出探針軌跡 ４・・・測定点 ５・・・３７Ｍユニット ６・・・３次元微動機構 ７・・・Ｘ軸微動用アンプ ８・・・Ｙ軸微動用アンプ ９・・・Ｚ軸微動用アンプ １０・・・Ｚ軸微動サーボアンプ １１・・・バイアス電源 １２・・・Ｔ／Ｖ変換器 １３・・・Ａ／Ｄコンバータ １４・・・２チヤンネルＤ／Ａコンバータ１５・・・制
御回路 １６・・・探針離脱信号 １７・・・表示装置 Ａ＋、Ｂ＋・・・測定点上方 八〇、Ｂ！・・・測定点 以上 出　願　人　工業技術院長 株式会社　小板研究所 セイコー電子工業株式会社 指定代理人　工業技術院電子技術総合研究所長杉油　賢 ＜Ｌ＆ｔ＞ｔｔｔｔｌｎ：ｘ６１ｋＥＮダナｈ６ｏ説σ
月図本発明によるＳＴＭ測定方法流れの説明図第４図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）検出探計と測定物質問の距離を変化させることに
    より、検出探針と測定物質間に流れるトンネル電流を制
    御することが可能な走査型トンネル顕微鏡において、一
    測定点で検出探針と測定物質問をトンネル電流が流れる
    状態で測定してから、測定物質表面の凹凸に比べ十分長
    い距離まで一旦離し、他の測定点において、再び検出探
    針と測定物質を近づけ、トンネル電流が流れる状態で測
    定することを繰り返し、複数の測定点の測定値を得るこ
    とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の測定方法。
  2. （２）特許請求の範囲第１項記載の走査型トンネル顕微
    鏡の測定方法において、複数の測定点を基に走査型トン
    ネル顕微鏡像を構成することを特徴とする走査型トンネ
    ル顕微鏡の測定方法。
  3. （３）特許請求の範囲第１項記載の走査型トンネル顕微
    鏡の測定方法を用いて測定を行った値を基に、測定物質
    表面の状態を示すことを特徴とした走査型トンネル顕微
    鏡の測定方法。
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