JPH02275302A - 走査型トンネル顕微鏡 - 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］ 本発明は走査型トンネル顕微鏡に関し、特に、探針の位
置決めに際し探針が試料に接触するのを防止した走査型
トンネル顕微鏡に関する。

［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（以後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
解能の測定ができるようになり、しかも媒体に電流によ
る損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有し、さ
らには超高真空中のみならず大気中や溶液中でも動作し
種々の材料に対して用いることができるため広範囲な応
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ｉｎｎ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できる。また、これを
応用した記録再生装置も発明されている（特開昭６３−
１６１５５２号公報および特開昭６３−１６１５５３号
公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のようなＳＴＭに於いては、探針の
Ｘ−Ｙ走査及びトンネル電流を一定に保つためのＺ方向
移動を行う微動機構と、試料又は探針をずっと大きなマ
クロな距離で動かす粗動機構とが存在し、この粗動機構
を用いて、微動機構の制御範囲内まで探針と試料とを近
づけることが必要となる。この際、探針と試料との間に
トンネル電流が流れるまでは、両者間の距離を特定でき
ないため、近づける際に両者が衝突する危険性がある。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
走査型トンネル電子顕微鏡において、粗動機構による探
針と試料との近接動作における探針と試料との衝突の危
険性を排除することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明では、試料面を走査する
探針と、走査に先立ち探針を試料面に対し位置決めする
粗動機構とを備え、粗動機構による位置決めの後、探針
で試料面を走査し、この間に探針と試料面間に流れるト
ンネル電流に基づき試料面の情報を得る走査型トンネル
顕微鏡において、探針と試料間の距離を光学的手法によ
り非接触で計測する距離検出手段を具備するようにして
いる。

またさらに、前記トンネル電流に応じて探針を微動する
微動機構を備え、前記粗動機構は、前記距離検出手段に
よる計測結果に基づき、微動機構によって微動する探針
によってトンネル電流が検出される程度まで試料表面に
探針を近接させて位置決めするようにしている。

［作用］ この構成において、粗動機構により探針を試料表面に近
接させて位置決めしてから探針で試料表面を走査しつつ
探針と試料間にトンネル電流を流して試料表面状態を観
察するが、探針の位置決めに際しては、距離検出手段に
より探針と試料間の距離を計測し、その計測結果に基づ
いて粗動機構を駆動することにより、探針が試料に接触
することなく探針が位置決めされる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る走査型トンネル顕微
鏡の構成を示す概略図である。同図において、１は探針
、２は試料、３は探針１と試料２間の距離を変化させる
粗動機構、４は探針１の先端部と試料間の画像情報をモ
ニタするカメラ、５はこの画像情報を画像信号に変換す
る画像処理部、６はこの画像信号に基づき試料２と探針
１間の距離を求めて探針１と試料２間の距離が設定値に
なるように、粗動機構３を制御する制御部、７は探針１
と試料２間にバイアス電圧を印加するバイアス印加回路
、８は探針１と試料２間に流れるトンネル電流を検知す
るトンネル電流検出回路、９は設定位置までの粗動機構
３による探針１の引込み終了後に予め設定したトンネル
電流値とトンネル電流検出回路の出力とを比較してその
差に応じた信号を出力するコンパレータ、１０はコンパ
レータ９の出力に基づいて常にその出力値が一定となる
ように探針１を微動する微動機構である。

第２図（ａ）はカメラ４によって得られる画像情報の１
例を示す模式図、同図（ｂ）はこの画像情報から輝度信
号を取り出して２値化することにより得られる画像信号
の波形図である。また、第３図は、制御部６内において
この画像信号に基づき探針１と試料２間の最短距離を求
める回路を示す回路図である。

次に、これらの図を用いて探針１と試料２間の距離を計
測する動作を説明する。

まず、探針１の先端部と試料２間をカメラ４でモニタす
ることにより、探針１の実像１１と試料１面で反射した
探針１の反射像１２を含んだ、第２図（ａ）に示すよう
な画像情報を得る。ただし、その走査線の方向は線Ｓに
よって示されるように探針１の軸方向と同じである０次
に、画像処理部５において、この画像情報から輝度信号
を抽出して２値化することにより同図（ｂ）に示すよう
な、画像信号を得る。そして、この画像信号に基づき、
ＨＪ御部６では、次のようにして探針１と試料２間の距
離を得る。

すなわち、第３図に示すように、画像信号ｖ２が制御部
６に入力されると、そのパルス幅をより周波数の高いオ
シレータ出力Ｏ５Ｃを用いてカウンタ１４によってカウ
ントすることにより、ある走査線上の探針１と試料２間
の距離に対応したカウンタ値に変換する。次に、レジス
タ１５．１６およびコンパレータ１７を用いてこのカウ
ンタ値の最小値すなわち探針１と試料２間の最短距離を
得る。そして、得られた最短距離の情報は粗動機構３に
出力され、粗動機構３はその情報に基づき探針１を試料
２に接触させることなく近接させて位置決めする。

試料表面の観察は、このようにして粗動機構３により探
針１を設定位置に位置決めしてから、不図示の微動走査
機構によって探針１により試料面方向の走査を行ない、
その際のコンパレータ９の出力を計測することによって
行なう。この間、微動機構１０によってコンパレータ９
の出力値が一定となるように、すなわち探針１と試料２
間のトンネル電流値が一定となるように探針１の位置が
制御される。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、探針と試料との間
隔を非接触で測定する手段を設けたため、両者の距離が
離れていてもその測定値に基づき探針を試料に対して衝
突させることなく容易に接近させることができ、探針の
位置決めの自動化が容易となる。

：探針、２：試料、３：！ｆｌ動機構、：カメラ、５：
画像処理部、６：制御部、：バイアス印加回路、 二トンネル電流検知回路、 ：コンパレータ、１０：微動機構。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る走査型トンネル顕微
鏡の構成を示す概略図、 第２図（ａ）および（ｂ）は、第１図の装置において得
られる画像情報の一例を示す模式図、およびその画像情
報から得られる画像信号の波形図、 第３図は、第１図の装置において画像信号に基づき探針
と試料間の最短距離を求める回路の回路図、そして 第４図は、第３図の回路の各部における信号のタイミン
グチャートである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料面を走査する探針と、走査に先立ち探針を試
   料面に対し位置決めする粗動機構とを備え、粗動機構に
   よる位置決めの後、探針で試料面を走査し、この間に探
   針と試料面間に流れるトンネル電流に基づき試料面の情
   報を得る走査型トンネル顕微鏡において、探針と試料間
   の距離を光学的手法により非接触で計測する距離検出手
   段を具備することを特徴とする走査型トンネル電子顕微
   鏡。
2. （２）前記トンネル電流に応じて探針を微動する微動機
   構を備え、前記粗動機構は、前記距離検出手段による計
   測結果に基づき、微動機構によって微動する探針によっ
   てトンネル電流が検出される程度まで試料表面に探針を
   近接させて位置決めするものである請求項１記載の走査
   型トンネル顕微鏡。