JPH0318703A - 走査形トンネル顕微鏡 - 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、試料に探針を近付けてトンネル電流を検出し
て試料表面の凹凸像を画像表示装置に表示する走査形ト
ンネル顕微鏡に関する。

［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オーダーまで探針の先端と試料の先端を試料表面に近
付け、この状態で探針と試料との間にバイアス電圧をか
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に敏感であるため、トンネ
ル電流の大きさをｉｌｌ１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。

走査形トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、上記トンネル電流
が一定になるように探針の高さを圧電素子などによる精
密駆動機構により制御しながら、該探針を水平方向に走
査したときの探針の高さの軌跡により試料表面の凹凸形
状を観察するものであり、表面原子配列を観察する上で
注目されている顕微鏡装置である。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような構成による走査形トンネル顕微鏡では、
試料表面の原子レベルの凹凸形状を捕らえているため、
わずかな試料のドリフト等によっても像の歪みが発生す
ることがある。そのため、試料表面上を高速で走査して
短時間で試料表面の凹凸情報を得ることが要求されてい
る。

しかし、圧電素子によって構或された３次元スキャナー
によって、高さ方向及び水平方向に探針を駆動する機械
的な走査機構には応答周波数の限界がある。そのため、
探針を水平方向に高速走査した場合には、探針の高さ方
向の動きが試料の凹凸に追随せずに、該探針と試料が衝
突して探針先端又は試料表面を破損することが問題とな
っている。特に、高倍率で高分解能の像を得る場合は、
微小領域が高速走査にて走査されているが、該観測に続
いて低倍率で像観察を行なう場合は走査領域（走査幅）
が拡大されて走査が行なわれる。そのため、走査スピー
ドが前記高倍率観察時の高速走査状態にあると、探針の
高さ方向の動きが試料の凹凸に追随せずに、探針と試料
とが衝突する問題が発生する。

本発明は、上述した問題点を考慮し、観察倍率に応じた
最適な走査スピードで、探針を走査することのできる走
査形トンネル顕微鏡を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、試料面に沿ってＸＹ方向に探針を駆動するＸ
Ｙ軸方向駆動手段、試料面との高さを変えるＺ方向に探
針を駆動するＺ軸方向駆動手段、探針と試料との間のト
ンネル電流検出手段、探針の駆動信号を発生し試料表面
の凹凸像を出力する信号処理手段を備え、試料に探針を
近付けてトンネル電流を検出して試料表面の凹凸像を画
像表示装置に表示する走査形トンネル顕微鏡において、
前記ＸＹ軸方向駆動手段に走査信号を供給する手段と、
該走査信号の走査幅の変える走査幅制御手段と、該走査
幅の変更に連動して走査スピードを変える走査スピード
制御手段とを設けたことを特徴とする． ［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明の一実施例による走査形トンネル顕微鏡の構
或を示す図である。第１図において、１は試料、２は探
針、３はバイアス電源、４ｘ，４ｙ，４ｚは圧電素子、
５はスキャンジエネレー夕、６ｘ，６ｙ，６ｚは圧電素
子駆動高圧回路、７はＩ／Ｖ増幅器、８はログアンプ、
９はコンパレー夕、１０はインテグレー夕、１１はイメ
ージ増幅器、１２は画像表示装置、１３は倍率設定回路
、１４ｘ，１４ｙは走査スピード制御回路、１５ｘ，１
５ｙは走査幅制御回路である。

圧電素子４ｘ，４ｙ，４ｚは夫々Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆
動する３次元スキャナーを構成するものであり、スキャ
ンジェネレータ５は探針２及び画像表示装置１２の走査
信号を発生するものである。

圧電素子駆動高圧発生回路６ｘ，６ｙは、スキャンジェ
ネレータ５で発生した走査信号にしたがって３次元スキ
ャナーの圧電素子４ｘ，４ｙを駆動するものであり、圧
電素子駆動高圧発生回路６ｚは、インテグレータ１２の
出力により３次元スキャナーの圧電素子４ｚを駆動する
ものである。試料に接続された初段のＩ／Ｖ増幅器７は
、トンネル電流１１を電圧に変換し更に増幅するもので
あり、その次の段に接続されたログアンプ８はｌ／Ｖ増
幅器７の出力信号が探針の高さに対して線形に対応する
ように信号変換（線形化）を行うものである。コンバレ
ータ９は、ログアンブ８の出力値をトンネル電流の設定
値に対応する基準値（ＤＣＳｏｕｒｃｅ）と比較するも
のであり、インテグレータ１０は、コンバレータ７の出
力を積分し、この出力を３次元スキャナーの２軸圧電素
子４ｚに対する制御値とするものである。このようにＩ
／Ｖ増幅器７、ログアンプ８、コンバレータ９、インテ
グレータ１０を通してトンネル電流Ｉｔを２軸圧電素子
駆動高圧発生回路６ｚヘフィードバックし、３次元スキ
ャナーのＺ軸圧電素子４ｚを制御することによって、探
針２の高さを制御しトンネル電流Ｉｔを一定にしている
。

上述のような構成において、操作者により倍率設定回路
１３に観察倍率が設定されると、該倍率設定回路１３か
ら観察倍率に対応した制御信号が、走査スピード制御回
路１４ｘ，１４ｙ及び走査幅制御回路１５ｘ，１５ｙに
供給される。この走査スピード制御回路１４ｘ及び１　
４．　Ｙは該観察倍率に対応した制御信号に基づいて、
スキャンジェネレータ５より供給された走査信号の走査
周期を変えるものである。また、走査幅制御回路１５ｘ
，１５ｙは前記観察倍率に対応した制御信号に基づいて
、圧電素子駆動高圧発生回路６ｘ、６ｙの増幅利得を変
え、圧電素子４ｘ．４ｙに供給する駆動電圧を増減して
走査領域（走査幅）を数μｍから数大の間で変化させる
ものである。

例えば、高倍率で高分解能の像を得る場合は、数大の微
小領域が高速走査にて走査されているが、該観測に続い
て数百λ程度の低倍率で像観察を行なう場合には、倍率
設定回路１３に設定された観察倍率に応じた信号（低倍
率状態を示す信号）が、走査幅制御回路１５ｘ，１５ｙ
及び走査スピード制御回路１４ｘ及び１４ｙに供給され
る。そして、該低倍率状態を示す信号に基づいて、走査
幅制御回路１５ｘ及び１５）／が走査領域（走査幅）を
拡大して走査を行なう共に、走査スピード制御回路］，
４ｘ及び１４ｙによって走査スピード（走査周期）が伸
長される。このように、走査幅が拡大された場合に、圧
電素子４ｚの動きが試料の凹凸に追随する最適な走査ス
ピードまで低下される。これにより、探針と試料の衝突
を防止することができる。

〔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、試料
面に沿ってＸＹ方向に探針を駆動するＸＹ軸方向駆動手
段、試料面との高さを変える２方向に探針を駆動するＺ
軸方向駆動手段、探針と試料との間のトンネル電流検出
手段、探針の駆動信号を発生し試料表面の凹凸像を出力
する信号処理手段を備え、試料に探針を近付けてトンネ
ル電流を検出して試料表面の凹凸像を画像表示装置に表
示する走査形トンネル顕微鏡において、前記ＸＹ軸方向
駆動手段に走査信号を供給する手段と、該走査信号の走
査幅を変える走査幅制御手段と、該走査幅の変更に連動
して走査スピードを変える走査スピード制御手段とを設
けたことにより、観察倍率に応じた最適な走査スピード
で、探針を走査することのできる走査形トンネル顕微鏡
が実現される。そのため、探針は確実に試料と一定の距
離を保ちながら試料表面の凹凸形状の追随して動くため
、探針が試料と衝突して破損する問題が防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による走査形トンネル顕微鏡
の構成を示す図である。 １：試料　　　　　　　２：探針 ３：バイアス電源 ４ｘ，　４ｙ，　４ｚ　：圧電素子 ５：スキャンジエネレータ ６ｘ，６ｙ，６ｚ　：圧電素子駆動高圧回路７：Ｉ／Ｖ
増幅器　　　８ニログアンプ９：コンパレータ　　１０
：インテグレータ１１：イメージ増幅器　１２：画像表
示装置１３：倍率制御回路 １４ｘ，１４ｙ：走査スピード制御回路１５ｘ，１５ｙ
：走査幅制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料面に沿ってＸＹ方向に探針を駆動するＸＹ軸方向駆
   動手段、試料面との高さを変えるＺ方向に探針を駆動す
   るＺ軸方向駆動手段、探針と試料との間のトンネル電流
   検出手段、探針の駆動信号を発生し試料表面の凹凸像を
   出力する信号処理手段を備え、試料に探針を近付けてト
   ンネル電流を検出して試料表面の凹凸像を画像表示装置
   に表示する走査形トンネル顕微鏡において、前記ＸＹ軸
   方向駆動手段に走査信号を供給する手段と、該走査信号
   の走査幅を変える走査幅制御手段と、該走査幅の変更に
   連動して走査スピードを変える走査スピード制御手段と
   を設けたことを特徴とする走査形トンネル顕微鏡。