JPH0312504A - 走査型トンネル顕微鏡の制御方式 - 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、試料に探針を近づけて３次元に駆動してトン
ネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡の制御方式に
関する。

〔従来の技術〕

探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重なり合うｎ
ｍオーダまで探針の先端を試料表面に近づけごこの状態
で探針と試料との間に電圧をかけるとトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は、特に、探針と試料との間の
距離（探針の高さ）に敏感であるため、トンネル電流の
大きさを測定することにより試料と探針との間の距離を
超精密測定することができる。

走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、上記トンネル電流
が一定になるように探針の貰さを制御しながら、探針を
水平方向に走査した時の探針の高さ軌跡により試料表面
の凹凸形状を観察するものであり、表面原子配列を解析
する上で注目されている装置である。また、走査型トン
ネル顕微鏡は、表面分析の手段として定着しつつあり、
さらに、その応用分野も表面の原子位置を調べる顕微鏡
法のみならず、表面の電子状態を局所的に調べる分光法
の分野にも広がってきている。しかも、走査型トンネル
顕微鏡は、その原理、機構の廟便さ、更に装置サイズも
小さいことから短期間に各種の分野に普及してきている
。

走査型トンネル顕微鏡の応用としては、例えばデバイス
分野に於ける「表面粗さ計」や「超微細加工装置」への
応用などがある。近年、このデバイス分野では、表面加
工装置の発展が著しく、それに伴い測定精度もサブミク
ロンからオングストロームオーダの高い精度が必要とな
り、そのため高い精度の測定装置に対する要求が増加し
ている。

その点、走査型トンネル顕微鏡は、「光学式表面粗さ計
」より更に高い精度の測定手段として非破壊でしかも原
子スケールまで測定できる装置として注目を浴びてきて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

これまでのように探針をトンネル電流が一定になるよう
に制御しながら試料面を走査することによって試料の表
面凹凸像を観察するだけであれば、一定のシーケンスに
したがって３次元スキャナーの各圧電素子を制御するだ
けでよいが、走査型トンネル顕微鏡が「表面粗さの評価
」や「超微細加工」、「摩擦の研究」、「超微細パター
ン形状の３次元計測」を行うための手段として使われる
たｔには、その機能面での改良、改善は勿論、さらには
測定器としての原子スケールでのマニプレーション機能
なども要求されてくる。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、試料面
上における測定機能の中で、ＳＴＭの機能として要求さ
れる任意の点における測長く高さ・幅・長さなど）や、
分光機能として要求される任意の位置にあけるスペクト
ロスコピーを簡便に行える技術が装備された走査型トン
ネル顕微鏡の制御方式を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、試料に探針を近づけて３次元に駆
動してトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡に
おいて、人力指示手段としてポインティングデバイスを
備えると共にポインティングデバイスの人力信号に基づ
き探針の駆動信号を発生する手段を備え、ポインティン
グデバイスの操作により探針の駆動を制御できるように
したことを特徴とするものである。

〔イ乍用〕

本発明の走査型トンネル顕微鏡の制御方式では、ポイン
ティングデバイスの操作により探針の駆動を制御できる
ようにしているので、走査像を観ながらポインティング
デバイスで試料上の任意の位置を指定し、その位置に探
針を移動させることができ、探針を使って試料の加工や
測定の処理等を行うことができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の制御方式
の１実施例を示す図であり、ｌｘ、ｌｙ。

１ｚは圧電素子、２はバイアス電源、３は探針、４は試
料、５はＩ／Ｖコンバータ、６は対数増幅回路、７はコ
ンパレータ、８はインテグレータ、９はＺ軸駆動増幅回
路、１ｆ）ｘ、１０ｙは走査駆動増幅回路、１１はＣＰ
Ｕモニタ、１２はマウスを示す。

第１図において、圧電素子１ｘがＸ軸走査用、圧電素子
１ｙがＹ軸走査用、圧電素子１ｚがＺ軸の制御用として
３次元ＰＺＴスキャナーを構成するものであり、そのた
め、例えば圧電素子ｌｘ。

ｌｙには剪断変形（シェアー）モード、圧電素子ＩＺに
は伸縮モードが使用される。そ（−で、この３次元ＰＺ
Ｔスキャナーの先端には探針３が取り付けられ、探針３
と試料４との間にはバイアス電源２が接続される。走査
駆動増幅回路１０ｘ、１０ｙは、ＣＰＵモニタ１１の駆
動信号にしたがって圧電素子１ｘ、ｌｙを駆動するもの
である。Ｉ／Ｖコンバータ５は、トンネル電流■、を電
圧に変換しさらに増幅するものであり、その次の段に接
続された対数増幅回路６は、Ｉ／Ｖコンバータ５の出力
信号が探針の高さと線形に対応するように信号変換（線
形化）を行うものである。コンパレータ７は、対数増幅
回路６の出力値をトンネル電流の設定値に対応する基準
値と比較するものであり、インテグレータ８は、コンパ
レータ７の出力を積分し、この出力が圧電素子１ｚに対
するＺ軸の制御値となり、試料の表面凹凸イ象の表示デ
ー夕となる。すなわち、この信号は、２軸駆動増幅回路
９で圧電素子１ｚの制御信号として用いられ、ＣＰＵモ
ニタ１１にビデオ信号として取り込まれる。ＣＰＵモニ
タ１１は、ポインティングデバイスとしてマウス１２を
有し、このマウス１２の操作によって試料上の位置を指
定し、或いは任意のラインプロファイルを描画し人力す
ると、その位置へ探針３を駆動する信号や、描画された
ラインプロファイルで探針３を駆動する信号を走査駆動
増幅回路１０ｘ、１０ｙに与えることができるように構
成されたものである。

マウスを利用して画像上で距離の測定や画像からライン
プロファイル等を得る方法は、よく知られた技術である
が、本発明は、上記のような構成によりマウス１２を利
用して走査型トンネルｉ！！＠鏡の走査用の圧電素子１
ｘＳ１！／を直接制御できるようにするものである。走
査型トンネル顕微鏡の探針をマイクロマニコブレータ的
に使用できるようにすることは重要であり、特に、ＣＰ
Ｕからのマウス１２を使ってこのような操作を行えるよ
うにすることは、操作性を向上させる面からも有効であ
る。

次に、走査型トンネル１！微鏡の応用技術の１つである
Ｓ　ＴＳ　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ
　５ｐｅｃｔｒａｓｃｏｐｙ）への応用について説明す
る。

第２図はマウスを使って行う処理の例を説明するための
図、第３図は試料側にも駆動機構を備えた構成例を示す
図である。

走査型トンネル顕微鏡が現在最も威力を発揮しているの
は、表面構造の研究である。それは、固体表面の原子配
列を直接実像として捕えることができ、表面構造の空間
的ゆらぎ、不均一性を知ることができるからである。こ
のことは、従来の表面構造の観察法である、例えばＬＥ
ＥＤ法やＲＨＥＥＤ法では得られなかったことであり、
この方面の研究に走査型トンネル顕微鏡は不可欠な手段
である。ＳＴＳは、簡単にいうと探針・−試料間のバイ
アスを変化させてデータを取る方法であり、試料表面の
電子状態を理解する方法として大いに期待される技術で
ある。

３次元でのトンネル電流密度工、は、印加電圧が小さい
と仮定すると、 １、−ｅＶ、−ρＴｉｐ（εＦ）°ρＳａｍｐＬ＊（ε
Ｆ）と表すことができる。ただし、ρは状態密度であり
、ε、はフェルミ準位である。

走査型トンネル顕微鏡は、トンネル電流ＩＴが一定にな
るようにして探針を走査させるので、探針は、フェルミ
準位ε、近傍のエネルギー領域にある電子が形成する等
電荷密度面に沿って動くことになる。そこで、いま探針
をある位置に固定して、探針と試料との間にかける電圧
ｖ７を掃引すると、探針は、試料から探針（または探針
から試料）へ流れるトンネル電流Ｉ、に寄与する電子の
エネルギーの下限が走査されることになる。したがって
、電圧Ｖアを単位量だけ変化させたときのトンネル電流
Ｉ７の変化ｄｌｔ／ｄＶｔｌま、エネルギーの下限を単
位量だけ変化させたときのトンネル電子数の変化、すな
わちそのエネルギーでの試料と探針の状態密度との積（
これを結合状態密度と呼ぶ）であり、これは、上式にほ
かならない。

それゆえ、ｄｒ↑／ａＶｔの関数としてトンネル電流Ｉ
、と電圧ＶＴを測定すると、試料の電子状態密度の情報
が得られる。探針のフェルミ準位が試料のフェルミ準位
の充分下から上まで走査するように電圧Ｖ、をプラス、
マイナスで大幅に変化させると、電子によって占有され
たエネルギー領域の状態密度の情報、及び電子が空きの
エネルギー領域の状態密度の情報が共に得られる。

試料表面の電子状態密度を測定するためには、予め試料
表面の画像を採取し、その後画像の任意の位置を選択し
て電子状態密度を測定するという手順を踏む必要がある
。このような場合には、走査用の圧電素子１ｘ、１ｙと
マウス１２の組み合わせにより、例えば第２図（ａ）の
左側に示すような試料表面の画像を予め採取してＣＰ　
Ｕモニタ１１上に表示し、この画像を見ながらマウス１
２により圧電素子１ｘ、ｌｙを制御して希望の位置へを
指定することによって、探針３をその位置へに移動させ
ることができ、さらにその位置にてバイアス電圧、トン
ネル電流等を自由に変換させて同図（ａ）の右側に示す
ようなデータを得ることができる。

また、通常行われているラインプロファイル等では、−
旦取り入れた画像について処理するが、本発明では、マ
ウス１２と走査用の圧電素子ＩＸ％１ｙを１対１で駆動
することができるため、マウス１２の操イ乍にしたがっ
てリアルタイムで測定、測長を行うことが可能になる。

さらに、これらの技術は、走査型トンネル顕微鏡の超微
細加工への適用時にも有効な手段であり、ソフトウェア
との組み合わせで任意の形状に加工することも可能であ
る。この方法としては、パターンを直接描画するか、ま
た、予め第２図（ｂ）に示すように描画したパターンを
コンピューターのバッファメモリに取り込んだ画像と対
比しながら原子・分子レベルでのマイクロマニブレーシ
ョンやイオンソースによるマニブレーションをリアルタ
イムで行うこともできる。

さらにまた、第３図に示すように試料４側に探針３側と
同様に圧電素子１３ｘ、１３ｙ、１３ｚを取り付け、探
針３の代わりに試料４を走査してもよい。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば上記のｎ例では、
操作手段としてマウスを組み合わせて用いたが、ジョイ
スティックやキーその他のポインティングデバイスを用
いてもよいこというまでもない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、圧電
走査素子を直接マウスやジョイスティック等のポインテ
ィングデバイスにて制御するので、■　試料上を直接リ
アルタイムで測定・測長することができる、 ■　直接リアルタイムで超微細加工、原子分子レベルで
のマイクロマニブレーションが可能となる、■　ＣＰＵ
によりマウス等を使用して書き込んだパターンをバッフ
ァメモリに一旦書き込んでＰＺＴを駆動することができ
、パターンを容易に修正可能なばかりでなく、はぼリア
ルタイムに近い感覚で描画できる、 等の効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の制御方式
の１実施例を示す図、第２図はマウスを使って行う処理
の例を説明するための図、第３図は試料側にも駆動機構
を備えた構成例を示す図である。 １ｘ−１ｙｘｌｚ・・・圧電素子、２・・・バイアス電
源、３・・・探針、４・・・試料、５・・弓／Ｖコンバ
ータ、６・・・対数増幅回路、７・・・コンパレータ、
８・・・インテグレータ、９・・・Ｚ＠駆動増幅回路、
１０ｘ、１０ｙ・・・走査駆動増幅回路、１１・・・Ｃ
ＰＵモニタ、１２・・・マウス。 出　願　人　　日本電子株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料に探針を近づけて３次元に駆動してトンネル
   電流を検出する走査型トンネル顕微鏡において、入力指
   示手段としてポインティングデバイスを備えると共にポ
   インティングデバイスの入力信号に基づき探針の駆動信
   号を発生する手段を備え、ポインティングデバイスの操
   作により探針の駆動を制御できるようにしたことを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡の制御方式。
2. （２）探針の駆動信号を保持するバッファメモリを有す
   ることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル顕微
   鏡の制御方式。