JPH02181601A - 走査型トンネル顕微鏡装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） この発明は物質の表面形状等を非接触で高精度に観察す
る走査型トンネル顕微鏡装置の改良に関する。

（従来の技術） 近時、微小な観察対象物を観察する顕微鏡装置として米
国特許４３４３９９３号に示されているように例えば原
子を観察できる程度に分解能が高い走査型トンネル顕微
鏡（以下ＳＴＭと称する）装置が開発されている。これ
は、顕微鏡本体に設けられた探針の先端を探針先端の原
子の電子雲と観察対象物（試料）の原子の電子雲とが重
なり合うｌｎｍ程度まで観察対象物に近づけ、この状態
で探針と観察対象物との間に電圧をかけた場合に流れる
トンネル電流の大きさを測定し、この測定結果にもとづ
いて探針と観察対象物との間の距離を超精密に測定する
ようにしたものである。この場合、トンネル電流の大き
さは探針と観察対象物との間の距離に応じて指数関数的
に変化する。そのため、ＳＴＭではこのトンネル電流の
距離依存性を利用して探針の先端を観察対象物にｌｎｍ
程度まで近づけた状態でこの探針で観察対象物の表面を
２次元的に走査し、この観察対象物表面の各ｌＩｌ定点
でトンネル電流の大きさを測定して各測定点における探
針と観察対象物との間の距離を超精密に測定し、各測定
点で測定した距離をプロットすることにより、観察対象
物の表面の３次元像を得るものである。なお、実際の測
定では探針と観察対象物との間の距離を高精度に検出す
ることは難しいので、トンネル電流が一定になるように
探針を観察対象物の表面の凹凸に倣って上下動作させな
がら走査させ、この探針の上下動作にもとづいて観察対
象物の表面の３次元像を得るようになっている。

ところで、この種のＳＴＭにおける探針の保持部には従
来から例えばねじ式の探針取付は手段が設けられており
、探針はこの取付は手段によって観察対象物の上下方向
、すなわちＺ方向に向けた状態で固定されていた。この
場合、探針は直径０．２ｍｍのタングステン線をＫＯＨ
中で電解エツチングし、針の先端の直径を１０ｎｍ以下
、先端から５０ｎｍのところで直径を３０ｎｍ程度にな
るように略円錐形状に細く形成されている。そのため、
第６図に示すように例えば観察対象物である試料１側に
深さｈの溝２が形成され、この溝２の両側面に垂直面２
ａ、２ｂがそれぞれ形成されている場合にはこの試料１
の表面に沿って探針３を走査させた際に探針３が溝２の
内部に進入した状態で溝２の内底部両側の垂直面２ａ、
　　２ｂの近傍位置に探針３によるトンネル電流の検出
が不能になる領域Δｒが形成される聞届がある。この場
合、ＳＴＭによる解像度Δ「は例えば探針３の先端側の
円錐角を２０、この探針３先端の球状部３ａの直径を２
Ｒとした場合、 Δｒ−Ｒ＋　（ｈ−Ｒ）ｔａｎθ となる。なお、例えばＲ−１０ｎｍ％　θ−１４＠の探
針３によって例えば深さｈ−０，５μｍであるディスク
の溝２を測定する場合には従来のＳＴＭによる解像度Δ
「は１２３ｎｍとなり、この試料１の表面の３次元像は
第７図に示すように溝２の両側面２ａ”、２ｂ”にテー
パが付けられた状態で観察される問題があった。そのた
め、従来構成のものにあってはＳＴＭによる試料１の３
次元形状の測定時に探針３の形状に応じて試料１の測定
データが影響を受ける問題があったので、ＳＴＭによる
解像度Δｒを高めることが難しい問題があった。

また、ＳＴＭには試料１の保持テーブルに試料１と探針
３との直交度を調整するための調整ばねを設け、この調
整ばねによって保持テーブル上の試料１の傾きを調節し
て試料１と探針３との直交度を調整できるようにしたも
のが考えられている。

そこで、この調整ばねを利用して保持テーブル上の試料
１の傾斜状態を調整することにより、ＳＴＭによる解像
度ΔｒをΔｒ−Ｒ程度まで高めることが考えられるが、
この場合には保持テーブル上の試料１を傾斜させている
ので、探針３を試料１の表面の凹凸に倣ってＺ方向に上
下動作させながら走査させる際の探針３のＺ方向の移動
量が大きくなる問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 従来構成のものにあってはＳＴＭにおける探針保持部の
例えばねじ式の探針取付は手段によって探針３が試料１
の上下方向、すなわちＺ方向に向けた状態で固定されて
いたので、ＳＴＭによる試料１の３次元形状の測定時に
探針３の形状に応じて試料１の測定データが影響を受け
る問題があり、ＳＴＭによる解像度Δｒを高めることが
難しい聞届があった。また、試料１の保持テーブルに設
けられた試料１と探針３との直交度調整用の調整ばねを
利用して保持テーブル上の試料１の傾斜状態を調整する
ことにより、ＳＴＭによる解像度Δ「をΔｒ＋ｗＲ程度
まで高めた場合には保持テーブル上の試料１を傾斜させ
ているので、探針３を試料ｌの表面の凹凸に倣ってＺ方
向に上下動作させながら走査させる際の探針３の２方向
の移動量が増大する問題があった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、試料の
３次元形状の測定時に試料の測定データが探針形状の影
響を受けるおそれを低減して解像度を高めることができ
る、しともに、探針を試料の表面の凹凸に倣ってＺ方向
に上下動作させながら走査させる際の探針の２方向の゛
移動量の増大を防止することができる走査型トンネル顕
微鏡装置を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は探針の保持部に探針の向きを傾斜させる角度
調整機構を設けるとともに、探針の向きを傾斜させた状
態で走査機構を走査させる１回目の走査時の検出データ
と探針の向きを１回目の探針走査時とは逆方向に傾斜さ
せた状態で探針を走査させる２回目の探針走査時の検出
データとを合成してテーブル上の試料の表面形状を測定
する制御部を設けたものである。

（作用） 角度Ｍ整機構によって探針の向きを傾斜させた状態で走
査機構を走査させる１回目の走査を行なったのち、１回
目の探針走査時とは逆方向に傾斜させた状態で探針を走
査させる２回目の探針走査を行ない１回目の探針走査時
の検出データと２回目の探針走査時の検出データとを合
成してテーブル上の試料の表面形状を測定することによ
り、試料の測定データが探針形状の影響を受けるおそれ
を低減して解像度を高めるとともに、探針を試料の表面
の凹凸に倣ってＺ方向に上下動作させながら走査させる
際の探針のＺ方向の移動量の増大を防止するようにした
ものである。

（実施例） 以下、この発明の第１の実施例を第１図および第２図を
参照して説明する。第１図は走査型トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）装置の要部の概略構成を示すもので、１１はＳＴ
Ｍ装置本体、１２はこのＳＴＭ装置本体１１の基台であ
る。この基台１２上には試料１３の保持テーブル１４を
互いに直交するＸ方向およびＹ方向の２方向に２次元に
走査する図示しないテーブル駆動機構（走査機構）が設
けられている。このテーブル駆動機構にはテーブル１４
を水平面に沿ってＸ方向に微小変位させるＸ方向微動機
構とテーブル４を水平面に沿ってこのＸ方向微動機構の
変位方向と直交するＹ方向に微小変位させるＹ方向微動
機構とがそれぞれ設けられている。

一方、テーブル１４上の試料１３の上方には微小電流検
出用の探針１５が対向配置されている。

この探針１５は例えば長さ数ｍｍ−数１０ｍｍ。

直径数ｍｍ以下のタングステンや白金等のチップの先端
を電解研磨や機械加工（グラインディング）等の手段に
よって直径０．１μｍ以下程度まで鋭利に加工したもの
で、針の先端の直径を１０ｎｍ以下、先端から５０ｎｍ
のところで直径を３０ｎｍ程度になるように略円錐形状
に細く形成されている。また、ＳＴＭ装置本体１１には
この探針１５をテーブル１４の走査方向に対し垂直なＺ
方向に微動するＺ方向駆動機構１６が設けられている。

このＺ方向駆動機構１６は例えば圧電素子単体によって
形成されている。そして、このＺ方向駆動機構１６の上
端部はＳＴＭ装置本体１１の上部に配置された固定部１
７に固定されている。さらに、この２方向駆動機構１６
の下端部には探針ホルダ（保持部）１８が取付けられて
いる。この探針ホルダ１８には探針１５の向きを傾斜さ
せる角度調整機構１９が設けられている。

この角度調整機構１９には探針ホルダ１８のホルダ本体
１８ａに略水平方向に沿って配置された取付けねじ２０
を中心に回動可能に取付けられた円板２１が設けられて
おり、この円板２１に探針１５の基端部が取付けられて
いる。さらに、探針ホルダ１８のホルダ本体１８ａには
円板２１を適宜の回動位置で固定する固定ねじ２２が設
けられている。そして、円板２１の回動にともない探針
１５の向きを傾斜させた状態に調整可能になっている。

また、探針１５はリード線２３を介して駆動制御部２４
に接続されている。さらに、この駆動制御部２４にはリ
ード線２５を介してＺ方向駆動機構１６が接続され、さ
らにリード線２６を介してコンピュータ（制御部）２７
が接続されている。

このコンピュータ２７には例えばキーボード等の操作部
および例えばｘｙプロッターや濃度表示のための画像メ
モリ等を有するＣＲＴ等によって形成された表示部がそ
れぞれ接続されている。また、試料１３には図示しない
電源回路から所定のバイアス電圧が印加されている。そ
して、ＳＴＭ装置本体１１による試料１３の表面形状の
測定時には探針１５の先端をこの探針１５の先端の原子
の電子雲と試料１３の原子の電子雲とが重なり合うｌｎ
ｍ程度まで試料１３に近づけ、この状態で探針１５と試
料１３との間に流れるトンネル電流の大きさが一定にな
るように駆動制御部２４によってＺ方向駆動機構１６が
制御されるようになっている。さらに、コンピュータ２
７ではこの駆動制御部２４によるＺ方向駆動機構１６の
制御信号にもとづいて探針１５の向きを傾斜させた状態
で走査機構を走査させる１回目の走査時の検出データと
探針１５の向きを１回目の探針走査時とは逆方向に傾斜
させた状態で探針１５を走査させる２回目の探針走査時
の検出データとを合成してテーブル」−の試料１３の表
面形状を検出し、表示部に試料１３の表面形状の像を表
示するようになっている。

次に、上記構成の作用について説明する。

まず、ＳＴＭ装置本体１１のセット時にはテーブル１４
上に試料１３を装着する。次に、角度調整機構１９の円
板２１を回動させて探針１５の向きを傾斜させた状態に
調整する。なお、探針１５の先端側の円錐角を２θ、こ
の探針３先端の球状部３ａの直径を２Ｒとした場合に、
Ｒ−１０ｎｍ。

０−１４°となる探針１５を使用した場合には第２図中
に示すように探針１５の中心線Ｏの傾斜角φが探針１５
の円錐角の半角θよりも大きくなる状態にセットする。

そして、この探針１５の向きを所定の傾斜角φに傾斜さ
せた状態に調整したのち、固定ねじ２２によって円板２
１をこの調整位置で固定する。

続いて、テーブル１４上の試料１３に電源回路を接続し
て所定のバイアス電圧を印加させる。この状態で、次に
探針１５を下降させ、この探針１５の先端をテーブル１
４上の試料１３に接近させる。この場合、探針１５の先
端とテーブル１４−Ｌの試料１３との間隔が２Ｒｍ以下
でトンネル電流が流れるトンネル領域まで探針１５の先
端をテーブル１４上の試料１３に接近させる。そして、
この状態でＳＴＭ装置本体１１を駆動させ、探針１５の
向きを傾斜させた状態で走査機構を走査させる１回目の
走査が行なわれる。このＳＴＭ装置本体１１の駆動時に
はＸ方向微動機構およびＹ方向微動機構によってテーブ
ル１４上の試料１３をＸ方向およびＹ方向に走査させる
。

さらに、テーブル１４上の試料１３をＸ方向およびＹ方
向に走査させる際に探針１５によって検出されるトンネ
ル電流は駆動制御部２４によって基準電源から出力され
る基準電流と比較され、その誤差分を０にする方向に探
針１５を駆動するための制御信号が出力される。そして
、この制御信号はＺ方向駆動機構１６に供給され、この
Ｚ方向駆動機構１６によって探針１５の先端とテーブル
１４上の試料１３との間に流れるトンネル電流を一定に
保持させる状態で探針１５がテーブル１４の走査方向と
垂直方向に駆動される。この場合、駆動制御部２４から
出力されるＺ方向駆動機構１６の制御信号はテーブル１
４上の試料１３をＸ、Ｙ方向に走査させるＸ方向微動機
構およびＹ方向微動機構の制御信号と同期させた状態で
コンピュータ２７に入力される。そして、この入力信号
にもとづいてコンピュータ２７によって探針１５の向き
を傾斜状態で走査機構を走査させる１回目の走査時の試
料１３の表面形状（凹凸状態）に関する検出データが処
理され、１回目の走査終了時には第２図中に一点鎖線で
示す波形Ａが得られる。

ここで、例えば第２図に示すように試料１３の表面側に
深さｈの溝２８が形成され、この溝２８の両側面に垂直
面２８ａ、２８ｂがそれぞれ形成されている場合には１
回目の探針走査時に探針１５が溝２８の内部に進入した
状態で溝２８の内底部の一方の垂直面２８ａ（探針１５
の傾斜方向に対して後方側に配置される垂直面２８ａ）
の近傍位置に探針１５によるトンネル電流の検出が不能
になる領域βが形成される。この場合、探針１５の中心
線０の傾斜角φが探針１５の円錐角の半角θよりも大き
くなる状態にセットされているので、溝２８の内底部の
他方の垂直面２８ｂ側は探針１５によるトンネル電流の
検出ができるようになっている。

次に、角度調整機構１９の円板２１を回動させて探針１
５の向きを１回目の探針走査時とは逆方向に傾斜させた
状態に調整し、セットする。そして、この状態で２回目
の走査を行ない、この２回目の走査によって第２図中に
点線で示す波形Ｂが得られる。この２回目の探針走査時
にも１回目と同様に探針１５が溝２８の内部に進入した
状態で満２８の内底部の一方の垂直面２８ｂ（探針１５
の傾斜方向に対して後方側に配置される垂直面２８ｂ）
の近傍位置に探針１５によるトンネル電流の検出が不能
になる領域δが形成される。この場合、溝２８の内底部
の他方の垂直面２８ａ側は探針１５によるトンネル電流
の検出ができるようになっている。

さらに、２回目の走査終了時にはコンピュータ２７によ
って１回目の探針走査時の検出データと２回目の探針走
査時の検出データとが合成される。

この１回目の探針走査時の検出データと２回目の探針走
査時の検出データとの合成時には第２図中にα、γ、ε
で示す領域のように１回目の探針走査時の検出データと
２回目の探針走査時の検出データとが等しい部分はどち
らの検出データが採用されてもよいが、領域β、δのよ
うに１回目の検出データと２回目の検出データとが異な
る部分では探針１５が溝２８内の深い位置まで進入した
側の検出データが採用される。すなわち、領域βでは２
回目の検出データ、領域δでは１回目の検出データがそ
れぞれ採用される。したがって、コンピュータ２７によ
る１回目と２回目の各検出データとの合成時には１回目
の検出データを基準にした状態で両方の検出データが比
較され、２回目の探針走査時に１回目よりも探針１５が
溝２８内の深い位置まで進入した場合のみその部分の１
回目の検出データが２回目の検出データに置換えらで合
成データが得られるようになっており、この合成データ
にもとづいて検出された試料１３の表面形状が表示部の
ＣＲＴ等に表示されるようになっている。

そこで、上記構成のものにあっては角度調整機構１９に
よって探針１５の向きを傾斜させた状態で走査機構を走
査させる１回目の走査を行なったのち、１回目の探針走
査時とは逆方向に傾斜させた状態で探針１５を走査させ
る２回目の探針走査を行ない１回目の探針走査時の検出
データと２回目の探針走査時の検出データとを合成して
テーブル１４上の試料１３の表面形状を測定するように
したので、ＳＴＭ装置本体１１による解像度Δ「をＲに
することができる。なお、ＲｓｍｌＯｎｍｓθ−１４″
の探針１５によって例えば深さｈ−０，５μｍであるデ
ィスクの溝２８を測定する場合にはＳＴＭ装置本体１１
による解像度Δ「を１０ｎｍまで高める（従来のＳＴＭ
による解像度Δ「は１２３ｎｍ）ことができるので、従
来のように試料１３の測定データが探針１３の形状の影
響を受け、この試料１５の表面の３次元像に溝２８の両
側面２８ａ、２８ｂにテーバが付けられた状態で観察さ
れることを防止することができる。

さらに、保持テーブル１４上の試料１３の傾斜状態を調
整することにより、ＳＴＭによる解像度Δ「をΔｒ−Ｒ
程度まで高める場合のように保持テーブル１４上の試料
１３を傾斜させる必要がないので、探針１５を試料１３
の表面の凹凸に倣ってＺ方向に上下動作させながら走査
させる際の探針１５の２方向の移動量の増大を防止する
ことができる。また、角度調整機構１９の構成が簡単な
ので、探針ホルダ１８の剛性の低下を防止することがで
きる。さらに、ＳＴＭ装置本体１１がら円板２１を取外
した状態で円板２１に探針１５を付は変えることができ
るので、探針１５の交換作業を容易化することもできる
。なお、従来と同様に使用できることは勿論である。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、第３図に示す第２の実施例のよう′に探針ホ
ルダ１８に離間対向配置された上下一対の分離板３１．
３２を設けるとともに、これらの分離板３１．３２間に
左右一対の圧電素子３３．３４を配設し、これらの圧電
素子３３゜３４に異なる電圧を加えることにより、探針
１５の角度を調整する角度調整機構３５を設けてもよい
。この場合、上側の分離板３１はＺ方向駆動機構１６の
下端部に取付けられているとともに、下側の分離板３２
には探針１５が固定されている。

したがって、この場合でも第１の実施例と同様の効果を
得ることができる。さらに、この場合には圧電素子３３
．３４の変形にともない探針１５の角度を調整する構成
になっているので、電圧に対する角度の校正を行なうこ
とにより、簡単に探針１５の角度を調整することができ
る。

また、第４図はこの発明の第３の実施例を示すものであ
る。これは、切り欠きばねによって略台形状の一体型切
り欠きリンク機構４１を形成し、この一体型切り欠きリ
ンク機構４１によって探針１５の角度を調整する角度調
整機構４２を設けたものである。この場合、一体型切り
欠きリンク機構４１の上部の基台４３はＺ方向駆動機構
１６の下端部に取付けられているとともに、下側の探針
支持部４４に探針１５が固定されている。さらに、基台
４３と両側部４５．４６との間には切り欠き支点４７．
４８が形成されているとともに、探針支持部４４と両側
部４５．４６との間のも同様に切り欠き支点４９．５０
が形成されている。また、基台４３にはＰＺＴ　（ピエ
ゾ素子）５１の一端部が固定されているとともに、この
ＰＺＴ５１の他端部は一方の側部４５内面に当接されて
いる。そして、このＰＺＴ５１に電圧を加えてＰＺＴ５
１を変形させることにより、探針１５の角度を調整する
ようになっている。したがって、この場合でも第２の実
施例と同様の効果を得ることができる。

さらに、この場合には探針１５の角度を変化させた場合
であっても探針１５の先端の位置が変化しないので、測
定中に局部的に探針１５の角度を変化させることができ
る。そのため、例えば溝２８の端縁部等のように試料１
３の一部を部分的に精密に測定することができる。

また、第５図はこの発明の第４の実施例を示すものであ
る。これは、第３の実施例の一体型切り欠きリンク機゛
構４１を２重に積層させた２平行ばね型ゴニオメータ−
５１によって探針１５の角度を調整する角度調整機構５
２を形成させたものである。この場合も第３の実施例と
同様にＰＺＴ５３に電圧を加えてＰＺＴ５３を変形させ
ることにより、探針１５の角度を調整するようになって
おり、この場合も第３の実施例と同様の効果を得ること
ができる。

なお、この発明は上記各実施例に限定されるものではな
く、さらにその他この発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々変形実施できることは勿論である。

［発明の効果］ この発明によれば探針の保持部に探針の向きを傾斜させ
る角度調整機構を設けるとともに、探針の向きを傾斜さ
せた状態で走査機構を走査させる１回目の走査時の検出
データと探針の向きを１回目の探針走査時とは逆方向に
傾斜させた状態で探針を走査させる２回目の探針走査時
の検出データとを合成してテーブル上の試料の表面形状
を測定する制御部を設けたので、試料の３次元形状の測
定時に試料の測定データが探針形状の影響を受けるおそ
れを低減して解像度を高めることができるとともに、探
針を試料の表面の凹凸に倣って２方向に上下動作させな
がら走査させる際の探針の２方向の移動量の増大を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の第１の実施例を示すも
ので、第１図はＳＴＭ装置全体の概略構成図、第２図は
作用を説明するための要部の縦断面図、第３図はこの発
明の第２の実施例を示す要部の側面図、第４図はこの発
明の第３の実施例を示す要部の側面図、第５図はこの発
明の第４の実施例を示す要部の側面図、第６図および第
７図は従来例を示すもので、第６図は探針の動作状態を
示す要部の縦断面図、第７図は第６図の探針動作によっ
て測定された試料表面の像を示す要部の概略構成図であ
る。 １３・・・試料、１４・・・テーブル、１６・・・２方
向駆動機構、１８・；・探針ホルダ（保持部）、１５・
・・探針、１９・・・角度調整機構、２７・・・コンピ
ュータ（制御部）。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. テーブル上の試料とこの試料に対して離間対向配置され
   る微小電流検出用の探針との間を互いに直交するＸ方向
   およびＹ方向の２方向に２次元に走査させる走査機構お
   よび前記探針を前記走査方向に対し垂直なＺ方向に駆動
   するＺ方向駆動機構を備え、前記テーブル上の試料に対
   して前記探針を両者の電子雲が重なり合う程度まで接近
   させ、両者間に電位差を加えた際に流れるトンネル電流
   を一定に保持させる状態で前記走査機構の走査にともな
   い前記探針をＺ方向に駆動して前記テーブル上の試料の
   表面形状を測定する走査型トンネル顕微鏡装置において
   、前記探針の保持部に前記探針の向きを傾斜させる角度
   調整機構を設けるとともに、前記探針の向きを傾斜させ
   た状態で前記走査機構を走査させる１回目の走査時の検
   出データと前記探針の向きを１回目の探針走査時とは逆
   方向に傾斜させた状態で前記探針を走査させる２回目の
   探針走査時の検出データとを合成して前記テーブル上の
   試料の表面形状を測定する制御部を設けたことを特徴と
   する走査型トンネル顕微鏡装置。