JPH02228504A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡Info
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- JPH02228504A JPH02228504A JP1048555A JP4855589A JPH02228504A JP H02228504 A JPH02228504 A JP H02228504A JP 1048555 A JP1048555 A JP 1048555A JP 4855589 A JP4855589 A JP 4855589A JP H02228504 A JPH02228504 A JP H02228504A
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- movement mechanism
- electrostatic capacitance
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Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
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。
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、走査型トンネル顕微鏡およびその応用装置に
関し、特にその走査用探針の位置穆勤制御手段の改良に
関するものである。
関し、特にその走査用探針の位置穆勤制御手段の改良に
関するものである。
［従来の技術］
最近物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察できる
走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略す）が開発され
、（Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ ｅｔａｌ、、Ｈｅ１ｖｅｔｉ
ｃａ ＰｈｙｓｉｃａＡｃｔａ、５５，７２６ （１
９８２））、単結晶、非晶買を問わず実空間像の高い分
解能の測定が出来るようになり、しかも媒体に電流によ
る損傷を与えずに低電力で観測出来る利点をも有し、さ
らには超高真空中のみならず大気中、溶液中でも動作し
種々の材料に対して用いることが出来るため広範囲な応
用が期待されている。
走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略す）が開発され
、（Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ ｅｔａｌ、、Ｈｅ１ｖｅｔｉ
ｃａ ＰｈｙｓｉｃａＡｃｔａ、５５，７２６ （１
９８２））、単結晶、非晶買を問わず実空間像の高い分
解能の測定が出来るようになり、しかも媒体に電流によ
る損傷を与えずに低電力で観測出来る利点をも有し、さ
らには超高真空中のみならず大気中、溶液中でも動作し
種々の材料に対して用いることが出来るため広範囲な応
用が期待されている。
ＳＴＭは金属の探針（プローブ電極）と導電性物質の間
に電圧を加えてｌｎｍ程度の距離まで近づけると両者の
間に電流が流れることを利用している。この電流は両者
の距離変化に非常に敏感であり、電流もしくは両者の平
均的な距離を一定に保つように探針を走査することによ
り実空間の表面情報を得ることが出来る。またこれを応
用した記録再生装置〔特開昭６３−１６１５５２号公報
、同６３−１６１５５３号公報参照〕も提案されている
。
に電圧を加えてｌｎｍ程度の距離まで近づけると両者の
間に電流が流れることを利用している。この電流は両者
の距離変化に非常に敏感であり、電流もしくは両者の平
均的な距離を一定に保つように探針を走査することによ
り実空間の表面情報を得ることが出来る。またこれを応
用した記録再生装置〔特開昭６３−１６１５５２号公報
、同６３−１６１５５３号公報参照〕も提案されている
。
これらの装置に於いては探針と試料を衝突させないこと
が必要であり、微動機構の制御範囲まで粗動機構で探針
を試料まで近づける方法が重要である。そのためにはス
キャニングキャパシタンスマイクロスコピー〔特開昭６
３−４７６０１号公報参照〕等の回路系と゛従来からの
ＳＴＭの装置系を組み合わせたＳＴＭ （特開昭６３−
２３６９０３号公報参照）等が提案されている。
が必要であり、微動機構の制御範囲まで粗動機構で探針
を試料まで近づける方法が重要である。そのためにはス
キャニングキャパシタンスマイクロスコピー〔特開昭６
３−４７６０１号公報参照〕等の回路系と゛従来からの
ＳＴＭの装置系を組み合わせたＳＴＭ （特開昭６３−
２３６９０３号公報参照）等が提案されている。
従来、探針と試料との間の静電容量に基づいて探針の位
置移動制御を行う制御機構が提案されている。このよう
な従来の構成を第６図に示す。１１は試料、１２は探針
、１３．１４はスイッチ、１５は電源、２１，２２．２
３は圧電素子、３１は計算機、３２はＸＹ駆動回路、３
３はＺ駆動回路、３４はメモリ、３５は表示器、４０は
静電容量検出部、４１は発振器、４２は自動周波数制御
回路である。
置移動制御を行う制御機構が提案されている。このよう
な従来の構成を第６図に示す。１１は試料、１２は探針
、１３．１４はスイッチ、１５は電源、２１，２２．２
３は圧電素子、３１は計算機、３２はＸＹ駆動回路、３
３はＺ駆動回路、３４はメモリ、３５は表示器、４０は
静電容量検出部、４１は発振器、４２は自動周波数制御
回路である。
［発明が解決しようとする課題］
第６図に示すような従来の単にＳＴＭの探針と試料の間
の静電容量を計る方式では以下の問題がある。探針は一
般に第５図の様な形状をしている。そのため計測時の静
電容量は電気学会論文誌［Ａ、１０８巻 １１号 昭６
３．二安遠洋、加藤達幸、鈴木和部］でも述べられてい
るように、試料と探針の先端のみでなくその回りのギャ
ップ部分５０との静電容量であり誤差が大きいものであ
フた。また試料によってその誘電率が異なるため半導体
を観察する場合や絶縁性の試料を用いるＡＦＭ（＾ｔｏ
ｍｉｃｆｏｒｃｅ １ｃｒｏｓｃｏｐｅ： Ｐ、Ｊ
、Ｂｒｙａｎｔ、Ｒ，Ｇ、ｍ１ｌＩｅｒａｎｄ Ｒ，
Ｙａｎｇ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、５２（２８
） ２７ Ｊｕｎｅ１９８８）等に適用しにくいと
いう問題があった。
の静電容量を計る方式では以下の問題がある。探針は一
般に第５図の様な形状をしている。そのため計測時の静
電容量は電気学会論文誌［Ａ、１０８巻 １１号 昭６
３．二安遠洋、加藤達幸、鈴木和部］でも述べられてい
るように、試料と探針の先端のみでなくその回りのギャ
ップ部分５０との静電容量であり誤差が大きいものであ
フた。また試料によってその誘電率が異なるため半導体
を観察する場合や絶縁性の試料を用いるＡＦＭ（＾ｔｏ
ｍｉｃｆｏｒｃｅ １ｃｒｏｓｃｏｐｅ： Ｐ、Ｊ
、Ｂｒｙａｎｔ、Ｒ，Ｇ、ｍ１ｌＩｅｒａｎｄ Ｒ，
Ｙａｎｇ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、５２（２８
） ２７ Ｊｕｎｅ１９８８）等に適用しにくいと
いう問題があった。
本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであっ
て、試料の材料にかかわらず精度良く静電容量を検出し
高精度で探針を自動駆動制御できる走査型トンネル顕微
鏡の提供を目的とする。
て、試料の材料にかかわらず精度良く静電容量を検出し
高精度で探針を自動駆動制御できる走査型トンネル顕微
鏡の提供を目的とする。
［課題を解決するための手段］
前記目的を達成するため、本発明に係る走査型トンネル
顕微鏡は試料を走査するための探針と、該探針を試料に
対し接近離隔動作させる探針８動手段と、前記探針の側
面外周を囲んで設けた電極と、該電極と探針間の静電容
量検出手段と、該静電容量検出手段の出力に基づいて前
記探針穆動手・段を駆動制御する制御手段とを具備して
いる。
顕微鏡は試料を走査するための探針と、該探針を試料に
対し接近離隔動作させる探針８動手段と、前記探針の側
面外周を囲んで設けた電極と、該電極と探針間の静電容
量検出手段と、該静電容量検出手段の出力に基づいて前
記探針穆動手・段を駆動制御する制御手段とを具備して
いる。
第１図は本発明の特徴を表わす模式図である。
図中１は先端を尖らせた探針、２は引き込み用電極、３
は試料、４は探針１と試料３の距離を制御するための微
動機構である。
は試料、４は探針１と試料３の距離を制御するための微
動機構である。
本発明では探針１と試料３の間に図に示すような引き込
み用電極２を設ける。そしてその電極２と探針１の間の
静電容量を計測し探針と試料の距離の制御に用いる。
み用電極２を設ける。そしてその電極２と探針１の間の
静電容量を計測し探針と試料の距離の制御に用いる。
［作用］
引き込み用電極と探針の間の静電容量を探針と試料の距
離の制御に用いるにはまず引き込み用電極と試料が物理
的に一定の距離となるようにした状態を初期状態とする
。その状態からは探針と試料の距離の変化に従って引き
込み用電極と探針との対極面積が変化し静電容量が変化
する。あらかじめ探針と試料との間に流れるトンネル電
流値、探針と引き込み用電極の間の静電容量の値及び駆
動機構の駆動電圧を更生しておくことで微動機構の動作
領域までの駆動機構の初期状態からの動作量を知ること
が出来る。この値を駆動機構にそれに応じた電圧を加え
ることで微動機構の動作領域への引き込みが可能となる
。
離の制御に用いるにはまず引き込み用電極と試料が物理
的に一定の距離となるようにした状態を初期状態とする
。その状態からは探針と試料の距離の変化に従って引き
込み用電極と探針との対極面積が変化し静電容量が変化
する。あらかじめ探針と試料との間に流れるトンネル電
流値、探針と引き込み用電極の間の静電容量の値及び駆
動機構の駆動電圧を更生しておくことで微動機構の動作
領域までの駆動機構の初期状態からの動作量を知ること
が出来る。この値を駆動機構にそれに応じた電圧を加え
ることで微動機構の動作領域への引き込みが可能となる
。
［実施例］
第２図は本発明の実施例の特徴を表わす該略図である。
第２図中、１は電解研摩法によって先端を尖らせたタン
グステンの探針、２は引き込み用電極、３は試料、４は
円筒型の圧電素子からなる三次元微動機構、５はステッ
ピングモーターとて二機構を用いた粗動機構、６は試料
支持台、７はガード電極である。
グステンの探針、２は引き込み用電極、３は試料、４は
円筒型の圧電素子からなる三次元微動機構、５はステッ
ピングモーターとて二機構を用いた粗動機構、６は試料
支持台、７はガード電極である。
引き込み用電極２は試料支持台６に固定されている。第
３図は制御系ブロック図である。図中の高周波印加回路
５１によって探針１と引き込み用電極２の間にバイアス
電圧が印加され静電容量電圧変換回路５８によって両極
間の静電容量が電圧値として検知される。その値は第１
比較器５９によって探針１と試料３との距離が微動機構
４の制御範囲に入る時の静電容量に対応する電圧値と比
較される。そしてその差分が粗動機構５へと加えられ引
き込みが終わる。引き込み後引き込み用電極２はグラウ
ンド電位に落とされる。つぎにスイッチ５６が切り替え
られトンネル電流検出回路５７の出力が第２比較器５５
によって設定値（通常１ ｎＡ）と比較され常にその値
が一定の値となるようにその差分が微動機構４へおくら
れる。この状態で試料面内方向の操作をして第２比較器
５５の出力を計測することで試料面の表面の観察が行え
る。ガード電極７は粗動機構５や微動機構４の駆動電圧
等が、検知する静電容量に及ぼす影響を少なくするため
のものである。
３図は制御系ブロック図である。図中の高周波印加回路
５１によって探針１と引き込み用電極２の間にバイアス
電圧が印加され静電容量電圧変換回路５８によって両極
間の静電容量が電圧値として検知される。その値は第１
比較器５９によって探針１と試料３との距離が微動機構
４の制御範囲に入る時の静電容量に対応する電圧値と比
較される。そしてその差分が粗動機構５へと加えられ引
き込みが終わる。引き込み後引き込み用電極２はグラウ
ンド電位に落とされる。つぎにスイッチ５６が切り替え
られトンネル電流検出回路５７の出力が第２比較器５５
によって設定値（通常１ ｎＡ）と比較され常にその値
が一定の値となるようにその差分が微動機構４へおくら
れる。この状態で試料面内方向の操作をして第２比較器
５５の出力を計測することで試料面の表面の観察が行え
る。ガード電極７は粗動機構５や微動機構４の駆動電圧
等が、検知する静電容量に及ぼす影響を少なくするため
のものである。
第４図は本発明の他の実施例の特徴を表わす略図である
。図中１は探針、２は引き込み用電極、３は試料、４は
距離を制御するための円筒型の圧電素子からなる三次元
微動機構である。５は粗動機構、６は試料支持台、８は
駆動機構４と引き込み用電極２との弾性的接合部であり
シリコンゴムをベローズ状に加工したものである。引き
込み用電極２は微動機構４に弾性的接合部８を介して固
定されている。
。図中１は探針、２は引き込み用電極、３は試料、４は
距離を制御するための円筒型の圧電素子からなる三次元
微動機構である。５は粗動機構、６は試料支持台、８は
駆動機構４と引き込み用電極２との弾性的接合部であり
シリコンゴムをベローズ状に加工したものである。引き
込み用電極２は微動機構４に弾性的接合部８を介して固
定されている。
粗動機構５及び微動機構４によって探針１と弓き込み用
電極２の距離が制御される。
電極２の距離が制御される。
粗動機構５によって引き込み用電極２は試料面に向かっ
て近づけられ試料支持台６に当接した時点で探針１と引
き込み用電極２の間の静電容量の変化が始まるのでそれ
を検知して粗動機構５の動きを止める。この後は前述の
実施例と同様の制御を行なう。また弾性的接合部８は必
ずしも弾性的である必要はなく試料観察時の微動機構４
の動きを妨げないものならヒンジ等の機構を組み合わせ
たものでもよい。弾性的接合部８を用いれば探針が水平
方向に向くように設計したＳＴＭに用いることが出来る
。
て近づけられ試料支持台６に当接した時点で探針１と引
き込み用電極２の間の静電容量の変化が始まるのでそれ
を検知して粗動機構５の動きを止める。この後は前述の
実施例と同様の制御を行なう。また弾性的接合部８は必
ずしも弾性的である必要はなく試料観察時の微動機構４
の動きを妨げないものならヒンジ等の機構を組み合わせ
たものでもよい。弾性的接合部８を用いれば探針が水平
方向に向くように設計したＳＴＭに用いることが出来る
。
［発明の効果］
静電容量の検知出来る範囲は引き込み用電極の大きさ、
形状等を変化させることで制御できるので探針と試料と
の距離がｍｍオーダーで離れていても容易に引き込むこ
とが出来る。そのため試料、探針のセット時の両者の距
離に精度が要求されないので自動化が容易になる。また
探針と試料ではなく探針と引き込み用電極の間の静電容
量を制御に用いることから試料の誘電率の違いによらな
い制御量が得られるため半導体、絶縁体等種々の試料を
用いることが出来る。
形状等を変化させることで制御できるので探針と試料と
の距離がｍｍオーダーで離れていても容易に引き込むこ
とが出来る。そのため試料、探針のセット時の両者の距
離に精度が要求されないので自動化が容易になる。また
探針と試料ではなく探針と引き込み用電極の間の静電容
量を制御に用いることから試料の誘電率の違いによらな
い制御量が得られるため半導体、絶縁体等種々の試料を
用いることが出来る。
第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の実施例
の構成図、第３図は本発明の制御回路のブロック図、第
４図は本発明の別の実施例の構成図、第５図はＳＴＭに
用いられる探針の形状図、第６図は従来の静電容量検出
機構を備えたＳＴＭの構成図である。 １；探針、 ２：引き込み用電極、３；試料、
４；微動機構、 ５；粗動機構、 ６；試料支持台、７；ガード電極
、 ８；弾性的接合部、ＳＷ；切り替えスイッチ。
の構成図、第３図は本発明の制御回路のブロック図、第
４図は本発明の別の実施例の構成図、第５図はＳＴＭに
用いられる探針の形状図、第６図は従来の静電容量検出
機構を備えたＳＴＭの構成図である。 １；探針、 ２：引き込み用電極、３；試料、
４；微動機構、 ５；粗動機構、 ６；試料支持台、７；ガード電極
、 ８；弾性的接合部、ＳＷ；切り替えスイッチ。
Claims (4)
- （１）試料を走査するための探針と、該探針を試料に対
し接近離隔動作させる探針移動手段と、前記探針の側面
外周を囲んで設けた電極と、該電極と探針間の静電容量
検出手段と、該静電容量検出手段の出力に基づいて前記
探針移動手段を駆動制御する制御手段とを具備したこと
を特徴とする走査型トンネル顕微鏡。 - （２）前記探針移動手段は粗動機構および微動機構から
なり、前記探針を試料に対し接近動作させるとき、前記
静電容量検出手段の出力が所定の値に達すると粗動機構
から微動機構に切り換わるように前記制御手段を構成し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型
トンネル顕微鏡。 - （３）前記電極は試料を搭載する試料台に固定されたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査型トン
ネル顕微鏡。 - （４）前記電極は、前記探針とともに移動する探針移動
手段に弾性接合部を介して連結されたことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の走査型トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1048555A JPH02228504A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1048555A JPH02228504A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02228504A true JPH02228504A (ja) | 1990-09-11 |
Family
ID=12806625
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1048555A Pending JPH02228504A (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02228504A (ja) |
-
1989
- 1989-03-02 JP JP1048555A patent/JPH02228504A/ja active Pending
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