JPH03140805A - 広域走査トンネル顕微鏡 - 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］ 本発明は走査トンネル顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、導電性の試料表面に
先端の鋭い金属探針をＩＯＡ程度の距離にまで近接させ
、探針と試料との間に電圧を印加したときに生じるトン
ネル電流が、探針先端と試料表面との距離に指数函数的
に依存することを利用して試料表面の状態を測定する装
置である。ＳＴＭでは、探針を試料表面上でその面内の
２方向に走査し、その際、各走査点で生じるトンネル電
流の変化から試料表面の凹凸像等を原子的分解能で得る
ことができる。

従来のＳＴＭの測定部（３７Ｍユニット）を第８図を参
照して説明する。従来の３７Ｍユニットは試料ホルダー
８１．探針８２．探針走査機構８３および探針８２を試
料８４に近接させる探針近接機構８５からなっている。

探針走査機構８３としては、角柱型ピエゾ素子を３本組
み合わせたトライボッドや１円筒形ピエゾ素子を利用し
たチューブスキャナー等が使用され、探針近接機構８５
としては、マイクロメータヘッド、ステッピングモータ
、インチワーム等を利用したものが良く使われている。

第８図では探針走査機構８３としてチューブスキャナー
を、探針近接機構８５としてインチワームを使った例を
示した。

この８７Ｍユニットを使用しての測定の手順は。

まず探針８２と試料８４との間に所定の電圧を印加し１
インチワーム８５を利用して、探針８２と試料８４とを
徐々に接近させ、所望のトンネル電流が流れたところで
停止する。次に、探針８２をチューブスキャナー８３に
より試料８４の面内方向に走査させ、トンネル電流が一
定になるように探針８２と試料８４の距離を制御すべく
チューブスキャナー８３にかけるフィードバック電圧の
値を、またはフィードバックをかけずにトンネル電流の
値そのものを、走査に対応させて画像表示すれば、試料
８４表面の凹凸像等が得られる。このようなＳＴＭの倍
率は１０８倍にも達する。

ところで、上記探針走査横８３を用いた８７Ｍユニット
では、その走査領域が比較的大きく取れるチューブスキ
ャナでも２μ１ｌＸ２μＩｌ〜１０μｍ×１０μ■程度
と狭い。従って、ＳＴＭで、試料表面の特定の場所を観
察する場合、その場所を探すことが非常に困難であった
。また、ＳＴＭで低倍率、例えば１００倍での観察を行
うと、その走査範囲が限界から１　ｍｍ　Ｘ　１　ｍｍ
程度の像しか得られず、走査電子顕微鏡のように数十倍
の低倍率から１０５倍の高倍率まで連続的に観察するこ
とは実際は出来なかった。

そこで、従来は、ＳＴＭと走査電子顕微鏡、又は光学顕
微鏡を組み合わせて、低倍率から高倍率の観測を可能に
したり、試料ホルダーもしくは。

探針に別に２次元方向への移動機構を設けて、広範囲に
渡る観測を可能にしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のＳＴＭと走査電子顕微鏡。

又は光学顕微鏡を組み合わせたものでは、ＳＴＭが観察
している領域と、走査電子顕微鏡又は光学顕微鏡が観察
している領域とを高精度で一致させることは困難である
という問題点がある。

また、試料ホルダー、もしくは探針に移動機構を設ける
と８７Ｍユニットが大型化し、その結果、分解能が低下
するという問題点がある。また、この構成では、狭い頻
回を順次観察していかなければならず、広範囲を観察す
るのには時間がかかるという問題点がある。

本発明は、８７Ｍユニットを大型化すること無く、観察
領域が広く、低倍率から高倍率まで変化させての観察が
できるＳＴＭを提供することを目的とする。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明の一実施例の８７Ｍユニットに使用され
る探針モジュールの部分概略図を示す。

第１図に示すようにこの８７Ｍユニットは、複数の探針
１１と、複数の探針１１のそれぞれをＺ軸方向に微動さ
せることができるピエゾ素子１２とが探針走査機構であ
るスキャナー１３上に設けられている。

探針１１同士の間隔Ｐ　、Ｐ　は　、第２図に示ｙ すように各探針の走査領域がわずかに重なり合うように
する。即ちスキャナー１３のＸ方向への可動距離をａ　
　、Ｘ方向への可動距離をａ　としてｙ ａ＞Ｐ、ａ＞Ｐ　　となるようにする。このｘ　　　　
　　　ｘ　　　　　　　ｙ　　　　　　　ｙようにして
ｎＸｍ個の探針１１を設けた場合、全ての探針１１で観
察できる範囲は。

（（ｎ−１）Ｐ　　＋ａ　　ｌ　　Ｘ　（（ｍ−１）Ｐ
　　＋ａｙｌｘ　　　　　　ｘ　　　　　　　　　　　
　　　　　　ｙとなる。即ち、探針が１本の場合に比べ
約ｎ”ｍ倍の面積が観察できる。

以下、探針が４本の場合について第３図乃至第７図を参
照して具体的に説明する。

この場合の８７Ｍユニットは、第３図に示すように、従
来と同じ大きさのチューブスキャナー３１（外形９．０
ｍｍ、内径８．０ｍｍ、長さ１５＋＋ｎ＋）と。

チューブスキャナー３１の先端に取り付けられ。

探針１１を有する探針モジュー・ル３２．探針近傍機構
としてインチワーム３３．及び試料ホルダー３４、を有
している。　上記チューブスキャナー３１はＰＺＴ　（
ジルコン酸チタン酸塩）の焼結体で、ｘ−ｙ平面内での
可動距離は±１５０Ｖの電圧を印加した場合でＸ方向、
Ｘ方向共に８．５μｍであり、２方向の変位量は最大２
μｌである。

４本の探針３５は、３．２μｍの間隔をおいて２Ｘ２の
形に配置されている。従って、このＳＴＭユニットでは
チューブスキャナー３１の可動範囲とこの探針１１の間
隔とを合せて６．７μｓ　Ｘ　　８．７μｍの領域が観
察可能となる。

探針モジュール３２の拡大図を第４図（ａ）及び（ｂ）
に示す。この探針モジュール３２は、アルミ基板（６＋
ａｍ８６ｍ＋＊Ｘ　１＋＋ｎ）　４１上にＳｉＯ２薄膜
（厚さ　０．５μｍ）４２．　Ｐ　Ｚ　Ｔ薄膜（１０μ
ｍ厚）４３．アルミ薄膜（０，８μ−厚）４４，５Ｌ０
２薄膜（０，５μ■厚）４５．及びアルミ薄膜（０，３
μ■厚）４６を積層した後、エツチングによって探針微
動手段であるピエゾ素子１２を形成している。なお、ア
ルミ薄膜４６は探針にトンネル電流を流すための電極で
あり、アルミ薄膜４６はピエゾ素子を変化させるための
電圧印加用電極である。このピエゾ素子１２は０．６ｎ
ｓ／Ｖで変位し。

±１０ｖの電圧によって最大１２ｍｍの変位が可能であ
る。

ピエゾ素子１２上に設けられた探針１１は、走査電子顕
微鏡を利用し、　Ｅ　Ｂ　Ｄ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂ
ｅａｍＤｅｐｏｓｌｔｉｏｎ）法により作製した。詳述
すれば、３Ｘ　１０−５ｔｏｒｒの真空中で３０　Ｋｅ
Ｖの電子線（エミッション電流１００μＡ）を集束させ
て、ピエゾ素子１２の先端の中心に５分間照射すること
により長さ２μ■、直径１００　ｍｍの探針１１を得る
ことができる。これを４回繰り返して４本の探針１１を
形成した。

各ピエゾ素子にそれぞれ電圧を印加するために。

アルミ薄膜を蒸着し、パターニングを施して、配線用ア
ルミ薄膜４７を形成した。

基板４１の探針が設けられた面と反対側の面には、第５
図に示すようにチューブピエゾ（長さ３龍、外形２鰭、
内径１＋ａｍ）５１が３本取り付けられており、探針モ
ジュール３２と試料表面との平行度を制御できるように
しである。

各ピエゾ素子１２の電極４４．４６間には第６図に示す
ように増幅器６１とサーボ回路６２とが接続されている
。この増幅器６１とサーボ回路６２は探針１１に流れる
トンネル電流１ｔｎ＊を検出し。

トンネル電流１ｔｎｍが一定になるように、電圧Ｖｚｒ
＋ｇ＋を調整して探針１１と試料との距離を調整するよ
うになっている。

以下、この広域走査トンネル顕微鏡の使用法について説
明する。

まず、探針１１の全てにそれぞれ、約５０ｍＶのトンネ
ル電流用のトンネル電圧を印加する。次に。

各探針１１に流れる電流をモニターしながらインチワー
ム３３を用いて探針モジュール３２を試料に接近させる
。いずれかの探針１１に流れるトンネル電流が所定値１
例えば１ｎＡになったところでインチワーム３２を停止
させる。

できるだけ全ての探針１１に流れるトンネル電流が等し
く、即ち、１ｎＡになるように、平行度調節用の３本の
ピエゾ素子５１を調節する。

調節後、全ての探針１１それぞれにフィードバックをか
けてそれぞれの探針１１に流れるトンネル電流が一定の
値を保つようにする。

次にチューブスキャナー３１を操作してｘｙ平面を走査
する。これによって、全ての探針１１を同時に同方向へ
走査することができる。

走査しながら、第７図に示すようにトンネル電流値１ｔ
ｒｖと、トンネル電流を一定に保つためのフィードバッ
ク電圧Ｖｚｎｍを副ＣＰＵ７１に入力し。

その電流、電圧の変化から試料の凹凸を示す凹凸信号を
得る。それぞれの副ＣＰＵ７１で得た凹凸信号は、主Ｃ
ＰＵ７２に入力され＋ＸＹスキャニング信号と合せて画
像信号に変換された上で合成されて９画面７３に表示さ
れる。これで例えば。

インチワームが３．５μｍ×３．５μ腸の領域を走査す
るならば、４本の探針で８．７μｌＸ　８．７μ−の領
域のＳＴＭ画像が得られる。

このように本実施例のＳＴＭユニットを用いれば、従来
と同じ大きさで、探針が１本の場合に比べ約４倍の範囲
を走査できる。これによってその最低倍率を約１／４に
することができる。即ち。

探針の数を増すことによって更に広範囲にわたって走査
することができ、その最低倍率も下げることができる。

なお、複数の探針のうちいずれか１本からの信号を画像
表示すれば従来と全く同じ最高倍率の造が得られる。

［発明の効果］ 本発明によれば、複数の探針とこれら探針を独立してＺ
軸方向に微動させることが可能な探針微動手段と、これ
ら複数の探針を探針微動手段と共にｘｙ平面内で同時に
同方向へ走査させる探針走査機構を有することで８７Ｍ
ユニットを大型化すること無く、観察領域が広く、低倍
率から高倍率まで変化させて観察することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例の探針モジ
ュールの部分概略図で（ａ）は平面図。 （ｂ）はＡＡ’線断面図、第２図は隣接する探針の走査
範囲を説明するための図、第３図は本発明の８７Ｍユニ
ットの概略図、第４図（ａ）及び（ｂ）は４本の探針を
有する探針モジュールを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）
はＢＢ’線断面図。 第５図は基板を支持するチューブピエゾを説明するため
の図で（ａ）は側面図、（ｂ）はＣＣ′線断面図、第６
図は探針をＺ方向に微動させる回路を示す回路図、第７
図は画像表示を行うデータ処理システムのブロック図、
第８図は従来の８７Ｍユニットの側面図である。 １１・・・探針、１２・・・ピエゾ素子、１３・・・ス
キャナー、３１・・・チューブスキャナー、３２・・・
探針モジュール、３・・・インチワーム、３３・・・試
料台。 ４１・・・基板、４２．４５・・・ＳｉＯ２薄膜、４３
・・・ＰＺＴ薄膜、４４．４６・・・アルミ薄膜、５１
・・・チューブピエゾ、６１・・・増幅器、６２・・・
サーボ回路。 ７１・・・副ＣＰＵ、７２・・・主ＣＰＵ、７３・・・
画面。 ８１・・・試料台、８２・・・探針、８３・・・チュー
ブスキャナー、８４・・・試料、８５・・・インチワー
ム。 １ ２ Ｕ（す 第８図 ３０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の探針と、該複数の探針のそれぞれを独立して
   Ｚ軸方向に微動させることが可能な複数の探針微動手段
   と、これら複数の探針を探針微動手段と共にｘｙ平面内
   で同時に同一方向へ走査させる探針走査機構とを有する
   ことを特徴とする広域走査トンネル顕微鏡。