JPH01206202A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

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〕 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に関する。

〔従来の技術〕

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Ｎ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　フィジックス
　レター４８　、　（１９８６年）第８３２頁から第８
３４頁（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ。

４８（１９８６）ＰＰ８３２−８３４）　ニおいて論じ
られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

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１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１０λ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１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
いという問題があった。

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を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

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。

〔作用〕

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を試料表面に沿って高速走査すると
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。従って、表面形状は、探針の軌跡５の変化ΔＺｌ
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１こ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。

１ｔ＝Ｋｔ−ｅｘｐ（ＫＺＳ）（Ｋｌ、Ｋｚ：定数）＝
−（１）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。

ΔＩ　ｔ　＝　＝（＋　Ｋ　ｘ）　Ｉ　ｔΔＳ　　　　
　・・・（２）（２）式はＳン５人の領域で（＜Ｋｌ）
であり、（３）式のようになる。

ΔＩ　ｔ＝　　Ｋｚ　Ｉ　ｔΔＳ　　　　　　　　・・
・（３）従って、誤差電流ΔＩｔから高さ誤差ΔＺ２は
次の様に算出される。

〔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。

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
の電源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１
０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）式に従っ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ΔＺ
１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ΔＺｌ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どの時間的一
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っている。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
スク走査する機能として、２次元走査回路２３．ｘ軸圧
型素子１５゜Ｙ軸圧型素子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２７．コンピュータシステム
２８が付加されている０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１
１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軸圧型素子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１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っ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１間隙を一定
に保った状態で探針１を試料面上にラスク走査して、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
コンピュータシステム２８に出力表示あるいは転送して
３次元像を表示する。コンピュータシステムでは輝度変
調や烏緻図表示の他に、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がコンピュ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
ナログ処理系は想定して第３図に記述しているが、ディ
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１
１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ゅうである
。

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
量ファ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軸圧型素子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。

〔発明の効果〕

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、従来できなかった結晶成長等に
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。

【図面の簡単な説明】

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ック図である。 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。 冨　１　　図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、探針と試料を接近させる手段と、上記探針と試料と
   の間に電位差を設けて電流を流す手段と、該電流を測定
   する手段と、上記試料表面上で上記探針を走査する手段
   とを有し、上記測定電流に基づいて上記試料の構造情報
   を得る走査型トンネル顕微鏡及びその類似装置において
   、上記測定電流値が一定の設定電流値になるように上記
   探針と試料の間隙をサーボするサーボ手段と、上記探針
   の走査に伴つて生じる上記測定電流値の上記設定電流値
   からの電流誤差を用いて上記試料の構造情報を補正する
   手段を有することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡及
   びその類似装置。 ２、上記電流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記載の走査型トンネル顕微
   鏡及び類似装置。