JPH01314905A

JPH01314905A - 走査型トンネル顕微鏡用探針

Info

Publication number: JPH01314905A
Application number: JP14896988A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Murakami; 寛村上; Yoshiyuki Kobayashi; 小林　好行; Akira Inoue; 明井上; Kenji Omura; 大村　研二; Shigeru Wakiyama; 茂脇山
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Seiko Instruments Inc; Kosaka Laboratory Ltd
Current assignee: Seiko Instruments Inc; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Kosaka Laboratory Ltd
Priority date: 1988-06-16
Filing date: 1988-06-16
Publication date: 1989-12-20

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、走査型トンネルｗ４微鏡（以下、ＳＴＭとい
う、）に用いられる探針に関する。

〔発明の概要〕

本発明は走査型トンネル顕微鏡用探針において、針を座
のかしめにより固定するものである。

これにより、針の先端が汚染されず、ＳＴＭはより安定
した出力像を得ることができ、また、安価に製作できる
という効果がある。

〔従来の技術〕

従来のＳＴＭ用探針について、第１０図、第１１図及び
第１２図を用いて説明する。

第１θ図において、針２０１は座２０２にろう付２０６
により固定されている。

針を座に固定する他の方法は、スポット溶接による方法
がある。第１１図はスポット溶接の一つの方法による探
針を示し、第１１図（ａｌは断面図であり、第１１図（
ｂｌは斜視図である。座２０２に溶接用の突起２０８を
設けて溶接する。

第１２図はスポラｌ接の他の方法による探針を示し、第
１２図ｔａ）は断面図であり、第１２図（ｂｌは斜視図
である。計２０１に直交して線材２０９を溶接し、その
線材２０９を座２０２にスポット溶接する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のＳＴＭ用探針のうち、ろう付によるもの
は、ろう付する金属が飛散したり、ろう付する隔月いる
フラフクスが蒸散したりして、針の先端に付着するため
、針の先端が汚染しやすく、ＳＴＭの測定に直接悪影響
を及ぼすという欠点がある。

また、スポット溶接によるものは、座の形状が複雑にな
ったり、部品数が多くスポット溶接の工程が多くなった
りするため、コストが高くなるという欠点がある。

〔課題を解決するための手段〕

上記従来の課題を解決する本発明は、針を座の穴に挿入
し、前記座の開口部のかしめにより固定する構成として
いる。

〔実施例〕

まず、ＳＴＭについて説明する。

被測定物である試料表面に先端が鋭い探針を近づけて、
その間隔が数人（オングストローム）程度になると、探
針と試料表面との間に適当なバイアス電圧（通常１ｖ程
度以下）を印加すればトンネル効果によるトンネル電流
が流れる。この現象を利用して試料表面の微細構造を調
べるＳＴＭの技術は全く新しい表面評価手段として近年
注目されている。

このＳＴＭの動作を第２図のブロック図に従って説明す
る。探針１０２は微動駆動素子１０３により試料１０１
の表面を３次元に駆動される。探針１０２と微動駆動素
子１０３は粗動機構１０４により、あらかじめ探針１０
２と試料１０１との間隔が微動駆動素子の作動領域内に
入る様に、粗位置決めされる。

尚、この粗動機構１０４は駆動回路１１９により制御さ
れる。この粗位置決めは試料１０１と探針１０２との間
にトンネル電流が検知される様な位置に自動的に位置決
めする様になっていると一層良い。

試料１０１と探針１０２と微動駆動素子１０３は支持体
１０５により保持され、これら全体は除振機構１０６に
より床振動などの外部振動に対して遮断される様になっ
ている。

試料１０１と探針１０２との間にはバイアス電圧発生器
１１０によりバイアス電圧１１１が印加される。

このバイアス電圧は通常数＋ｍＶから数Ｖである。

このバイアス電圧を印加した状態で試料１０１と探針１
０２とが数人程度までに近づくと、試料１０１と探針１
０２との間にはトンネル電流が流れるが、こ　　。

のトンネル電流は通常数ｎＡ程度であり、増幅器１１３
によりトンネル電流信号１１４として増幅される。この
トンネル電流信号１１４は、トンネル電流設定器１１５
のトンネル電流設定値１１６と比較器１１７により比較
され、差分信号１１８に変換される。

微動駆動素子１０３のＺ方向の駆動を行うＺ方向制御回
路１２０は差分信号１１８を入力し２方向制御体号１２
１を出力し、差分信号１１８が常にゼロとなる様に制御
する。

微動素子１０３はＸＹ走査制御回路１２４から出力され
るＸ方向走査制御信号１２５及びＹ方向走査制御信号１
２６により、探針１０２が試料１０１の表面の所望の位
置に於いて第３図の如くＸ及びＹ方向に走査される。こ
の走査に同期した走査同期信号１２７はデータ処理部１
２８に送られる。

Ｚ方向制御信号１２１は切換スイッチ１２２を経由して
データ処理部１２８へ、Ｚ方向信号として入力される。

データ処理部１２８はＺ方向信号１２３を走査同期信号
１２７に同期させて、出力装置１３０により人間が理解
しやすい出力像１３１となる様にデータ処理を行う。

Ｚ方向信号１２３はＺ方向制御信号１２１と等しく、こ
れはトンネル電流信号１１４が一定となる様に微動駆動
素子１０３を制御した信号であるので、Ｚ方向信号１２
３には、試料１０１の等トンネル電流面の２方向位置情
報が含まれている。即ち、Ｚ方向制御信号１２１に対し
て微動駆動素子１０３がＺ方向に動く長さの割合が知れ
ていれば、出力像１３１は試料１０１のトンネル電流面
と均等な像を示すこととなる。例えば微動駆動素子１０
３が圧電素子の場合、２方向制御体号１２１に対して動
くＺ方向長さの割合は、圧動定数を用いて算出すること
ができ、この変換はデータ処理部１２８により容易に可
能である。この様にして得られた等トンネル電流面の出
力像１３１は、原子程度の大きさで観る場合には表面電
子状態を調べるのに有力な情報であり、又原子よりかな
り大きい尺度（例えば数＋ｎｍ〜数μｍ）で観る場合に
は表面微細形状を示すために従来の方法では観察困難な
微小域を観ることができるので任用である。

上述の様に、トンネル電流が一定となる様な測定モード
を定電流モードという。この場合の探針１０２の試料１
０１の表面での動きを模式化すると第４図（ａｌの様に
動く。

さて、Ｚ方向制御回路１２０に於いてトンネル電流を一
定に制御する際に、非常に低周波成分に対してのみフィ
ードバックすると、探針１０２は試料１０１の表面と平
均的には一定の距離を保ち第４図（ｂｌの如き動きをさ
せることができる。この様にして切換スイッチ１２２を
切換えてＺ方向信号１２３としてトンネル電流信号を入
力させると、出力像１３１は試料表面からの平均値な距
離がある（！！（）ンネル電流設定値１１６で決まる）
のときに於けるトンネル電流分布を示すこととなる。こ
の様にすると、探針１０２の走査を第４図（ａｌの如く
試料１０１表面に忠実に追従させる必要がなく、従って
Ｚ方向制御回路１２０の制御応答時定数に制約されるこ
となく高速で走査させることができる。この場合、試料
１０１の表面と探針１０２との距離は不明であるので、
定電流モードで得られる様な出力像は得られないが高速
走査を利用して観察したい場所を探し出す場合などに有
効である。この様な測定モードを電流像モードと呼ぶ、
尚、説明に於いてはＺ方向信号１２３としてトンネル電
流信号１１４を用いるとしたが、差分信号１１８を用い
ても全く同様である。電流像モードによる高速走査は特
に原子程度の大きさの観察の場合によく用いられる。

以上がＳＴＭ装置の概要説明である。説明では省略した
が、第２図の各ブロックをコンピュータなどのコントロ
ーラで制御すれば、−層の自動化が計られ使用が容易と
なる。

次に、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明探針の一実施例を示す断面図である。

第１図において、探針は計２０１　と座２０２とからな
る。上記針２０１は円柱状である。上記圧２０２は、中
心部に計２０１の直径より大きい直径の穴がおいており
、周囲に雄ねじ２０３が切っである。

針２０１を座２０２の穴に挿入し、座２０２の開口部の
かしめにより計２０１　と座２０２とを固定し一体とす
る。

次に、かしめの工程について図面を参照して説明する。

第５図Ｔａｌ及び第５図（ｈ）は、かしめの工程を示す
断面図である。

第５図［ａｌにおいて、中央に丘陵部２１０を有する座
２０２は受は治具２１２の穴に納まっており、座２０２
の穴には針２０１が入っている。押し治具２１１は、そ
の中心が針２０１や座２０２と同心になっており、中心
線の方向にｅ＜様になっている。

第５図山）において、押し治具２１１を受は治具２１２
の方向へ動かすと、押し治具２１１は座２０２の丘陵部
２１０へ当たり、さらに押し治具２１１を移動すると、
丘陵部２１０は変形し座２０２の穴の内壁は針２０１に
くい込み、かしめ部２１４で固定される。

尚、押し治具２１１の先端は第６図（ａｌの様に複数個
の放射状の突部２１３により出来ていることが好ましい
。この場合圧２０２の丘陵部２１０は第６図（ｂｌの如
く局部的に変形されて固定が確実である。

第７図ｉａ）は他の押し治具２１１の斜視図である。

押し治具先端には複数個の錐状の突起２１４が付いてい
て、座２０２の開口部を第７図中）の如（変形させて針
２０１　と座２０２とを固定する。この場合圧２０２に
丘陵部２１０が不要となるなど、座の加工がより容易に
なるという長所を有する。

又、受は治具２１２の穴の底部にも押し治具２１１と同
じように、放射状の突部２１３又は錐状の突起２１４を
設けておくと、第８図に示す様に計２０１は座２０２の
２個所のかしめ部２１５で固定され、固定がより確実な
ものとなる。

次に、探針１０２の微動駆動素子１０３への固定につい
て図面を参照して説明する。

第９図は、探針の微動駆動素子への固定を示す断面図で
ある。

第９図ｔａｌにおいて、微動駆動素子１０３には受け２
０４が取り付けてあり、受け２０４に雌ねじ２０５が切
っである。探針１０２を受け２０４にねじ込むと、第９
図Ｔｂｌのように固定される。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、ろう付を不要にしたこと
により、針の先端を汚染せず、探針に対する信顛性を高
め、これを用いたＳＴＭは、より安定した出力像を得る
ことができる効果がある。

又、座の形状が複雑になったり、部品数が多くなつたり
することがないため、安価に製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の探針の断面図、第２図は走
査型トンネル顕微鏡のブロック図、第３図は試料表面で
の探針の走査を示す模式図、第４図ｆａ）及び第４図（
ｂｌは探針の走査モードの模式図、第５図（ａ）及び第
５図（ｂ）はかしめの工程を示す断面図、第６図（ａｌ
は押し治具の斜視図、第６図（ｂｌは押し治具によるか
しめの斜視図、第７図（ａｌは他の押し治具の斜視図、
第７図（ｂｌは他の押し治具によるかしめの斜視図、第
８図は本発明の他の一実施例の探針の断面図、第９図は
探針の微動駆動素子への固定を示す断面図、第１０図は
ろう付による探針の断面図、第１１図１８１はスポット
溶接による探針の断面図、第１１図伽）はスポット溶接
による探針の斜視図、第１２図（ａｌは他のスポット溶
接による探針の断面図、第１２図（ｂｌは他のスポット
溶接による探針の斜視図である。１０１・・・試料１０２・・・探針１０３・・・微動駆動素子１０４・・・粗動機構１０５・・・支持体１０６・・・除振機構１１０・・・バイアス電圧発生器１１１・・・バイアス電圧１１２・・・トンネル電流１１３・・・増幅器１１４・・・トンネル電流信号１１５・・・トンネル電流設定器１１６・・・トンネル電流設定値１１７・・・比較器１１８・・・差分信号１１９・・・粗動駆動回路１２０・・・Ｚ方向制御回路１２１・・・Ｚ方向側ｍ信号１２２・・・切換スイッチ１２３・・・Ｚ方向信号１２４・・・ＸＹ走査制御回路１２５・・・Ｘ方向走査制御信号１２６・・・Ｙ方向走査制御信号１２７・・・走査同期信号１２Ｂ・・・データ処理部１２９・・・処理済データ信号１３０・・・出力装置１３１・・・出力像２０１・・・針２０２・・・座２０３・・・雄ねじ２０４・・・受け２０５・・・雌ねじ２０６・・・ろう付２０７・・・スポット溶接部２０８・・・突起２０９・・・線材２１０・・・丘陵部２１１・・・押し治具２１２・・・受は治具２１３・・・放射状の突部２１４・・・錐状の突起２１５・・・かしめ部以上

Claims

【特許請求の範囲】

針を座の穴に挿入し、前記座の開口部のかしめにより固
定することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡用探計。