JPH025340A - 走査型トンネル顕微鏡及びこれによる表面形状観察方法 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡及びこれによる表面形状観察方法

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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登接近して発生するトンネル電流
あるいは電界放射電流を利用する装置に係り、特に広い
走査領域を高速に走査して短時間に表面形状を得たり、
あるいは高抵抗物質の表面形状を得るのに好適な走査型
トンネル顕微鏡及びこれによる表面形状[6方法に関す
る。
〔従来の技術〕
従来の走査型トンネル顕微鏡については1例えば、フィ
ジカル、レビュー、レタース、49(1982年)第5
7頁から第61頁(PhysicalRsview L
etters、49(1982)P P 57〜61)
において論じられている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は走査領域が広い場合や試料表面の抵抗が
非常に高い場合の表面形状計測について配慮がされてお
らず、前者は走査時間に多大な時間を資すこと、また、
後者は電子電流が定常的に流れず測定ができないという
問題があった。特に、前者における原因として、探針及
び試料の原子同士が相互作用を及ぼすために走査型トン
ネル顕微鏡の制御系に原子オーダの空間分解能が必要と
なり、走査領域が広くなると制御系の応答性により走査
速度を減少せざるを得なくなるためである6従来技術で
は、約2.5 μm口でラスタ走査線数256本で約9
0分のデータ取得時間を要し、さらに、広い観察領域で
は走査線の長さに比例してデータ取得時間が増すという
問題点があった。
本発明の目的は上記の問題点を解決することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的は次のように達成する。前者においては、広
い観察領域になると原子オーダの空間分解能は必要なく
、nmあるいはμm程度の空間分解能があれば十分であ
る。即ち、観察領域を所望の画素に分割して、必要部分
の試料表面の情報を取得すれば良い、従って、上記の画
素に相当する位置に探針を次々と離散的に設定し、表面
情報を取得する。さらに、探針を空間的に移動する際。
試料との衝突を避けるために探針を試料から十分に遠ざ
けた状態で移動する方式により、達成される。
後者において、試料によっては高抵抗のため僅かの電荷
の移動しか許さない場合があり、探針が試料に近づいた
際、瞬間的に流れるトンネル電流を検出して、探針の接
近を中止し、即座に探針を遠ざけるとともにその時の表
面の高さ情報を取得する方式を採用することにより、達
成される。
〔作用〕
前者の方法は広い走査領域の場合、離散的に探針を走査
できるので短時間で表面形状を得ることができる。この
時、走査するさいには探針を試料より遠ざけているので
試料と探針とが激突することが避けられる。また、後者
では僅かな電荷の移動のみで試料表面位置を測定するこ
とができる。
これらにより、短時間で高抵抗な試料表面でも表面形状
を誤動作することなく測定できる。
〔実施例〕
以下1本発明の実施例を第1図〜第9図を用いて説明す
る。
第1図及び第2図は本発明の基本動作を示す模式図及び
タイムチャートである。第1図は探針2の動きを示した
ものであり、X方向に(i+1)個の測定点で表面の高
さ情報を取得する場合を示している。第2図のように、
始めはXoの位置でZ圧電素子1が縮んでおり、探針2
は試料表面から遠ざかっている。Ws定を開始すると、
2圧電素子1は印加電圧が徐々に大きくなるに従って伸
び、探針2が試料5に近づく(■)、さらに、探針が近
づき、トンネル領域内に入るとトンネル電流が流れる。
この時、トンネル電流を検出してZ圧電素子1の変位を
記憶するとともに該索子1に印加する電圧をOvとする
と、■のように探針は元の位置に戻る。この動作が完了
すると、Xz にすばやく探針は移動する(■)、Xl
に移動した探pIは■、■とZPE電索子1が伸び、ト
ンネル電流検出により上記の動作を行ない、x2に移動
する。
このように探針動作を繰返えし、試料表面の形状を測定
して行く。データとしてはXiに対するZiを記憶して
いくことになる。第1図はライン走査の場合を示したが
、Y方向にも探針2を移動して三次元情報を得ることが
できる。
第3図は本発明を走査型トンネル顕微鏡に適用したさい
の具体例を示す。第3図のように、探針2を3次元微動
するためのトライボッド型スキャナはZ圧電索子1.X
圧電素子6.Y圧電索子7により構成している。Z方向
の探針制御はトンネル電源3.目標電流設定回路9.電
流検出部8゜減算器10.トンネル領域検出部11.探
針制御部12.高電圧アンプ20から構成している。さ
らに、XY定走査ための2次元走査部142画像記憶部
15及び表示部、データ処理部から制御系は構成されて
いる0表示部、データ処理部はTVモニタ18.CRT
モニタ17.XYレコーダ16、計算機システム19か
ら構成している。従来技術との大きな違いは探針2のZ
方向の制御であり、トンネル領域検出部11.探針制御
部12が本発明の主要部である。第4図にその一具体例
を示し、第5図にそのタイムチャートを示す。
第4図はコンパレータ10′とフリップフロップ28か
らなるトンネル領域検出部11とパルス発生器22.ゲ
ート回路21.カウンタ23.マルチプレクサ24.D
AC(ディジタル・アナログ変換器)25から成る探針
制御部12から構成したブロック図を示す8本具体例で
は探針をディジタル信号でほぼ一定速度で試料に接近す
る方式%式% 第5図に第4図の各部における出力信号とそれらのタイ
ミングを示す、パルス発生器22から出力されたクロッ
クパルスはゲート回路21を経てカウンタ23に入力す
る。これは探針2が試料5に接近する場合に許され、カ
ウンタの内容がマルチプレクサ24を経てDAC25に
入力して、アナログ信号が高電圧アンプ20に出力され
る。探針2がトンネル領域に突入するとトンネル電流が
急激に流れ(a)、トンネル電流検出信号が(b)のよ
うに作くられ、探針2制御信号が(Q)のようにLow
となる。この信号により、カウンタ23に入力するグロ
ックパルスは遮断され、 DAC25出力信号は保持さ
れる。しかし、前段のマルチプレクサ24がall“O
IIを選択するので、DAC25出力は急激にOvとな
る。これにより探針2は試料5から遠ざかり、これと同
時にカウンタ23の内容を画像記憶部15に書き込む、
また、探針2の退避が完了すると同時に2次元走査部1
4よりX方向あるいはY方向の走査信号を発生し、探針
はディジタル的に次の測定点に移動する。その後、2次
元走査部14よりリセット信号を発生し、フリップフロ
ップ28の出力レベルをHighにするとともにカウン
タ23の内容をall“0”にする、これによりカウン
タ23の出力値がall″O”から徐々に増加する。ま
た、マルチプレクサ24はカウンタ23の出力を選び、
DAC25の出力をOvより徐々に増し、探針2を試料
5に近づけて行く0以上のようにして第1図の基本動作
を実呪することができる。
第6図は探針2をトンネル領域内に保持し、電圧電流特
性を計測する場合のタイムチャートを示す、第6図にお
いて、トンネル電流検出後、DAC25出力を(b)に
ように一定に保持し、トンネル電圧を(c)のように走
査してその時の電流値を電圧に対応して記憶する。終了
後、探針2を(d)のように走査して次の測定点に移動
する。その後、第5図と同様に、探針2を試料に近づけ
、トンネル領域に到達すると探針2を保持して上記の動
作を繰返す、このようにして、表面形状とその表面にお
ける電圧・電流特性を得ることができる。
第7図は表面形状と電流像を得る場合のタイムチャート
を示す、第6図と同様にトンネル領域内に探針2保持(
(a))後、(b)のようにトンネル電圧を所望の電圧
に設定し、その時の電流値を記憶する。完了後、DAC
25の出力をOvに、また、トンネル電圧を元の電圧に
戻して探針2をXあるいはY方向の次の測定点まで高速
に移動して表面の高さ位置及び上記のように電流値を測
定する。この動作を走査領域全てにわたって行なうこと
により、表面形状や電流像を得ることができる。
以上は探針2の試料5への接近をディジタル信号でかつ
一定速度で行なってきたが、アナログ信号で行なうこと
も可能である。第8図と第9図はアナログ信号での探針
制御回路とそのタイムチャートを示す、探針制御回路は
、一定速度で探針2を試料5に接近するためにコンパレ
ータ10′の出力を積分器30に入力し、その出力信号
を高電圧アンプ28に入力する。この回路はコンパレー
タ10’の出力がOvとなるようにZ圧電素子1を制御
する。探針2が試料から遠ざかっている時にはコンパレ
ータ10′の出力が一定電圧となり、積分器30の出力
は一定な勾配で第9図(c)のように増加する。この時
5積分器26の回路状態を制御するリレー27はオーブ
ン状態であり、30は積分器として作用する。その後、
探針2が1−ンネル領域内に入ると、トンネル電流が流
れ。
トンネル電流を一定とするようにサーボされる(第9図
(a))。1ヘンネル電流が流れ始めて、T1時間経過
後、Z圧電索子1の変位を記憶して積分器30制御信号
をLowとすると、27のリレーが閉じてコンザンサC
に蓄積された電荷を放電する。これにより、第9図(Q
)のように積分器30の出力はOvとなり、Z圧電素子
は完全に縮んだ状態になる。その後、探針2をX方向あ
るいはY方向にディジタル的に移動して、上述の動作を
繰返し所望の走査領域の表面形状を測定する。
尚、積分器制御信号、探針走査信号は第3図の2次元走
査部より制御される。また、第9図(a)のTIの時間
を小さくすれば、第5図と同じ動作となり、トンネル電
流を一定とするような従来のサーボ機構を使用しない方
式となる。さらに、第8図の積分器30の出力段にサン
プルホールド回路を用いて、探針2をトンネル領域に保
持する機能をもつことができる。これにより、第6図、
第7図に説明した電子分光機能や電流像の取得など同時
に可能となる。
以上述べた具体例はトンネル電流を検出した例であるが
、この外に、原子間力(圧力)、温度。
光、静電容量、電気抵抗などの物理量を検出対象として
も本発明と同一である。また、具体例では探針を3次元
移動する機構を示したが、3次元移動を試料側に設けた
り、探針側及び試料側に分散させ複合的に実現しても本
発明を逸脱するものでない、さらに、電子4の外にイオ
ンを使用したり。
本発明を情報記録あるいは再生に使用しても本発明の範
囲である。
尚、本具体例では探針2を試料5に接近する手段や視野
選択する手段は無視したが、実際にはこれらの手段と組
み合わせて使用することが望ましい。
〔発明の効果〕
本発明によれば、広い計2!l(走査)領域での三次元
形状計測が極めて短時間で実現でき、また、導電性の極
めて小さいものの表面を計測できるので、高速化及び対
象試料の拡大の効果がある0例えば、従来技術では2.
5μm口の領域のSTM像(256本のラスタ線)を取
得する場合、約90分の所要時間を必要としたが、本発
明では数分で取得することができる。これは、更に広い
領域においても、はぼ同程度の所要時間でSTM像がと
れる。これに対して、従来技術では走査領域の広さに比
例して取得時間が増加する。
このような高速化の効果として、温度ドリフト等の外乱
の影響を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的動作を示す模式図、第2図は第
1図の動作を示すタイムチャート、第3図は一具体例が
ある走査型トンネル顕微鏡のブロック図、第4図は本発
明でのディジタル探針制御部のブロック図、第5図は第
4図の動作を説明するタイムチャート、第6図は本発明
を電圧電流特性分布測定に応用した際のタイムチャート
、第7図は本発明を電流像測定に応用した際のタイムチ
ャート、第8図は第4図の機能のアナログ回路で構成し
たブロック図、第9図は第8図の動作を説明するタイム
チャートである。 1・・・Z圧電素子、2・・・探針、3・・・トンネル
電圧源、4・・・電子、5・・・試料、6・・・X圧電
素子、7・・・Y圧電索子、8・・・電流検出部、9・
・・目標電流設定回路、10・・・減算器、10′・・
・コンパレータ、11・・・トンネル領域検出部、12
・・・探針制御部、高電圧アンプ20.14・・・2次
元走査部、15・・・画像記憶部、21・・・ゲイト回
路、22・・・パルス発生回路、23・・・カウンタ、
24・・・マルチプレクサ、25・・・図 不 乙 図 箒 図 ア 不 図 図 3θ ■ 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、走査型トンネル顕微鏡による表面形状観察方法にお
    いて、試料の高さ情報を取り込むべき試料表面上の測定
    点に探針を次々に移動する際に、探針を試料表面から遠
    ざけるように退避させた後、平面移動することを特徴と
    する表面形状観察方法。 2、請求項1記載の表面形状観察方法において、探針を
    試料に近づけて行き、探針、試料間に流れるトンネル電
    流が所望の電流値に到達した時の探針の伸びから試料の
    高さ情報を取得することを特徴とする表面形状観察方法
    。 3、請求項2記載の表面形状観察方法において、一定速
    度で探針を試料に近づけて行くことを特徴とする表面形
    状観察方法。 4、請求項2記載の表面形状観察方法において、トンネ
    ル電流を一定にするためのサーボ機構により探針を試料
    に近づけていくことを特徴とする表面形状観察方法。 5、試料と探針間に流れる電流を測定する手段と、上記
    試料表面上に上記探針を二次元に走査する手段と、上記
    試料表面と上記探針先端の垂直方向の距離を変化させる
    手段と、上記電流の値が一定値になるように上記試料表
    面と上記探針の間隔を調整するサーボ手段と、上記各測
    定点における上記探針の垂直方向の変位から上記試料表
    面の情報を取得する手段とを有する走査型トンネル顕微
    鏡において、上記走査手段は上記各測定点間の走査にお
    いて上記探針を上記試料表面から遠ざけるように退避さ
    せた状態で走査し、上記サーボ手段は上記各測定点での
    み機能することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。 6、トンネル電流である上記電流が設定値となつた後、
    上記探針を上記試料表面から遠ざけるように退避させる
    手段と、上記設定値検出時の上記探針の垂直方向の変位
    から上記試料表面の高さ情報を取得する手段を有するこ
    とを特徴とする請求項5記載の走査型トンネル顕微鏡。 7、請求項6記載の走査型トンネル顕微鏡において、ト
    ンネル電流を検出した後、探針移動を停止した状態で、
    トンネル電圧に対応した電流、コンダクタンスあるいは
    微分コンダクタンス等の物理量を計測する手段と、上記
    物理量計測後探針を試料から遠ざけるように退避して次
    の測定位置に移動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。
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