JPH03194402A - 走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡装置およびそのデータ検出方式 - 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］ この発明は、たとえば半導体プロセスによって生成され
るパターンサイズから原子オーダにいたる試料の表面に
おける凹凸の状態を測定するとともに、導電性試料の表
面における局所的な電子状態および局所的な電位分布を
同時に測定することができる、いわゆる走査トンネル分
光顕微鏡と走査型トンネルポテンシオメトリイの機能を
併せもつ走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡装置お
よびそのデータ検出方式に関する。

［従来の技術］ 周知のように、走査型トンネル顕微鏡 （Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ：ＳＴＭ）は、電子のトンネル現象を利用し
て導電性試料の表面における形状を原子的な分解能をも
って測定することができるものである。

すなわち、ＳＴＭは、先の尖った探針と試料との間にバ
イアス電圧を印加することにより試料と探針との間に流
れるトンネル電流を一定に保ちなから探針を走査し、こ
のときに得られる探針と試料との相互間距離を制御する
ためのサーボ信号を求めるようになっている。この場合
、上記サーボ信号には３７Ｍ情報、つまり試料の表面に
おける凹凸情報が反映されている。このため、これを測
定点の座標と対応させてプロットすることにより、原子
的オーダである３次元のＳＴＭ像が得られる。

ところで、上記トンネル電流には、探針と試料との相互
間距離、試料の局所的な電子の状態、および試料の局所
的な電位が反映されている。このため、通常のＳＴＭ像
には、試料の表面における微視的な粗さに関する凹凸情
報と、局所的な電子の状態に関する情報と、試料の表面
における局所的な電位分布に関する情報とが含まれてい
る。

そこで、近年では、トンネル電流から試料の表面におけ
る凹凸情報と表面の電子物性情報とを分離し、表面の電
子の状態に関する情報を抽出する走査トンネル分光法（
ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇ　　５ｐｅｃｔｒ
ｏｓｃｏｐｙ：５ＴＳ）　、さらにはトンネル電流から
試料の表面における電位分布に関する情報を抽出する走
査型トンネルポテンシオメトリイ　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　ＰｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒＶ　
：　５ＴＰ）が開発されている。

上記ＳＴＳをデジタル的に行う代表的なものとして、Ｃ
ＩＴＳ　　（Ｃｕｒｒｅｎｔ　　　Ｉｍａｇｅｉｎｇ　
　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）
法がある。このＣＩＴＳ法は、トンネル電流（ＩＴ　）
のバイアス電圧（ＶＴ　）に対する依存性から、試料の
表面における電子の局所状態密度の分布を測定しようと
するものである。

ＣＩＴＳ法では、トンネルギャップ（試料と探針との相
互間距離）およびバリアハイドが場所によらず一定であ
る場合、微分コンダクタンス（ａｌＴ／ａＶＴ）が局所
状態密度に比例することを利用している。すなわち、こ
のＣＩＴＳ法は、探針を走査しながら局所的な電流電圧
値を求め、これを場所ごとに記憶しておき、後に数値計
算で微分コンダクタンスを求めるようになっている。

第７図は、ＣＩＴＳ法による電流電圧特性の測定を行う
走査型トンネル分光顕微鏡（ＳＴＳ）の構成を示すもの
である。

ここで、第８図を参照して、上記ＳＴＳの動作について
説明する。

まず、時間０〜ｔ１の間においては、ＤＡ変換器（ＤＡ
ＣＩ）１００から出力される、第８図（ｄ）に示すよう
なバイアス電圧ＶＴを直流に変換し、そして第８図（ａ
）に示す如く、ホールド信号発生器（Ｈｏｌｄ）１０１
のサーボ固定信号を切ってサーボ回路１０２をサーボ動
作させる。

これにより、ＩＶ変換器１０３の出力１．にもとづいて
、探針１０４と試料１０５との間に流れるトンネル電流
が一定になるように、Ｚ方向微動制御（Ｚ軸制御）が微
動機構１０６により行われる。

時間ｔ１になると、第８図（ｂ）に示すようなＳＴＭサ
ンプリング信号の供給により、ＡＤ変換器（ＡＤＣＩ）
１０７において、サーボ回路１０２の出力であるＳＴＭ
サーボ電圧に対するＡ／Ｄ変換が行われ、内部に記憶さ
れる。

時間ｔ、〜ｔ４の間は、第８図（ａ）に示すように、サ
ーボ固定信号をオンしてサーボ回路１０２の動作を止め
、探針１０４と試料１０５との相対位置を固定させる。

そして、この間に、第８図（ｄ）に示す如（、ＤＡ変換
器１００から出力されるバイアス電圧Ｖ工を変化させる
。さらに、時間ｔ２〜ｔ３の間において、第８図（Ｃ）
に示すタイミングでＡＤ変換器（ＡＤＣ２）１０８を動
作させることにより、第８図（ｅ）に示すように変化す
るトンネル電流がデジタル化されて、内部に記憶される
。

また、時間ｔ４までの間に、第８図（ｄ）に示すように
、バイアス電圧ＶＴを最初に設定した電圧値に戻し、時
間ｔ４に達した時点で上記Ｚ軸制御を再開するとともに
、図示しないＸ、Ｙ走査機構を制御して次の測定点に探
針１０４を移動させる。

こうして、Ｘ、Ｙ走査電圧の各点において、第８図に示
す時間０〜ｔ４の間の時系列にもとづく一連のシーケン
シャル動作を繰り返すことにより、通常の凹凸データと
局所電流電圧特性データとを同時に記憶する、つまり微
視的な粗さに関する凹凸情報と、局所的な電子状態に関
する情報との測定が同時に行えるようになっている。

なお、第７図に示す数値演算処理装置１０９は、電流デ
ータに数値演算処理を施して分光データを求め、局所状
態密度を構成するためのものである。

第９図は、時分割法を用いたＳＴＰ　（［ＰｈＶｓ、Ｒ
ｅｖ、Ｌｅｔｔ、、Ｖｏｌ、６０．ｐｐ１５４６〜１５
４９．（１９８８）］）について示すものである。

この図において、探針２００に対するフィードバックの
オン／オフは、電気信号によって行われる。すなわち、
探針２００の電位は０［Ｖ］であり、トンネル電流検出
器２０１につながれている。

一方、試料２０２は、Ｓｉ基板上にＡｕを６０％、Ｐｄ
を４０％の割り合いでスパッタにより付着させた金属フ
ィルムである。この試料２０２には、トンネルバイアス
電圧として方形波２０３が印加されている。また、試料
２０２の両端には、電源２０４により数［Ｖ］のサンプ
ルバイアス電圧が印加され、これにより電位勾配が形成
されている。この場合、トンネルバイアス電圧が０［Ｖ
、］のときに、探針２００の直下に対する試料２０２の
表面における局所電位が数［μＶ］程度の値となるよう
に、可変抵抗器２０５を用いて試料２０２側の接地レベ
ルが調整されるようになっている。

次に、上記方形波２０３の１周期ごとの動作について説
明する。

まず、試料２０２に所定のトンネルバイアス電圧が印加
されているときに、得られるトンネル電流を一定とする
フィードバックを行う。そして、このサーボ動作中にお
いて、試料２０２の凹凸データを測定する。続いて、サ
ーボ動作を止め、上記トンネルバイアス電圧を０［Ｖ］
にし、このときのトンネル電流を測定する。この後、再
び所定のトンネルバイアス電圧を印加し、トンネル電流
を一定とするフィードバックを行いながら、次の測定点
に探針２００を移動する。このようにして、この一連の
動作を繰り返す。

ここで、金属試料において、微少なトンネルバイアス電
圧の範囲ではトンネル電流電圧特性が線形となることか
ら、試料の局所ポテンシャル電位■８を以下の式にもと
づいて求めることができる。

二の場合、試料全体のトンネルバイアス電圧ｔｒｅが０
　［Ｖ］のときのトンネル電流をＩＯとし、上記バイア
ス電圧ＵＢがＶ　［Ｖ］のときのトンネル電流を■１と
すると、試料の局所ポテンシャル電位■ｓは、 Ｖｓｓ−−ＩｏＲ ＝−１０Ｖ／（Ｉｔ　　　Ｉｏ） となる。なお、Ｒはトンネル抵抗である。

このように、時分割法を用いたＳＴＰによれば、試料の
微視的な粗さに関する凹凸情報と、局所的な電位分布に
関する情報とを同時に測定することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記した従来の時分割法を用いたＳＴＰ
においては、トンネルバイアス電圧が０［ｖ］近傍での
トンネル電流電圧特性が線形であることを前提としてい
るため、半導体試料の電位分布の測定および分光データ
の測定には利用できないという欠点があった。

また、ＳＴＰの場合、試料の物性を反映する局所的な電
子状態に関する情報を得ることができないため、試料上
の局所的な物質の同定ができない、さらにはサンプルバ
イアス電圧を印加することにより変化される、試料の物
性エネルギー状態に関する情報が得られないなどの欠点
があった。

一方、ＣＩＴＳ法においては、トンネルバイアス電圧の
変化と同時にトンネル電流の検出を行っているため、試
料に電位勾配を加えたときには、トンネルバイアス電圧
と局所的なサンプルバイアス電圧とが加算されたバイア
ス電圧によってトンネル電流が流れることになる。した
がって、分光データの原点となる電位が各点でずれるこ
とになり、試料の電子状態の絶対的なエネルギー依存性
を測定できないという欠点があった。

そこで、この発明は、試料表面の二次元的データである
凹凸情報、局所的な電子状態に関する情報、および局所
的な電位分布に関する情報を得るための各々のデータを
、別々の探針走査では得られない半導体プロセスによっ
て生成されるパターンサイズから原子オーダにいたる試
料の表面形状や物性データと関連性をともなって測定す
ることができ、−度の探針走査によって、試料の表面に
おける凹凸情報、局所的な電子状態に関する情報、およ
び局所的な電位分布に関する情報を究極的には原子サイ
ズレベルの分解能で得ることが可能な走査型トンネルポ
テンシャル分光顕微鏡装置およびそのデータ検出方式を
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〕 上記の目的を達成するために、この発明の走査型トンネ
ルポテンシャル分光顕微鏡装置にあっては、３次元方向
に移動自在に保持された金属探針と、この探針と試料と
の間にトンネル電流を生じさせるためのトンネルバイア
ス電圧を発生するトンネルバイアス電圧発生手段と、前
記試料に電位勾配を持たせるためのサンプルバイアス電
圧を発生するサンプルバイアス電圧発生手段と、前記ト
ンネルバイアス電圧発生手段で発生されるトンネルバイ
アス電圧を前記試料に印加することにより、前記探針と
試料との間に流れるトンネル電流を検出するトンネル電
流検出手段と、このトンネル電流検出手段で検出された
トンネル電流を一定に保つように、前記探針と試料との
相互間距離をサーボ制御するサーボ制御手段と、このサ
ーボ制御手段の制御量から、前記試料の表面における凹
凸情報を得るためのサーボ信号を検出するサーボ信号検
出手段と、前記サーボ制御手段によるサボ制御をオフし
て前記探針と試料との相互間距離を固定した状態におい
て、前記試料に印加される前記トンネルバイアス電圧発
生手段で発生されるトンネルバイアス電圧を変化させた
際に、前記トンネル電流検出手段により検出されるトン
ネル電流を所定のサンプリング信号を用いて抽出するこ
とにより、前記試料に電位勾配が加えられていないとき
のトンネル電流データを検出する第１のトンネル電流デ
ータ検出手段と、さらに、前記サンプルバイアス電圧発
生手段で発生されるサンプルバイアス電圧を前記試料に
対して印加した状態において、前記試料に印加される前
記トンネルバイアス電圧発生手段で発生されるトンネル
バイアス電圧を変化させた際に、前記トンネル電流検出
手段により検出されるトンネル電流を所定のサンプリン
グ信号を用いて抽出することにより、前記試料に電位勾
配が存在するときのトンネル電流データを検出する第２
のトンネル電流データ検出手段と、前記サーボ信号検出
手段によって検出されたサーボ信号、前記第１のトンネ
ル電流データ検出手段によって検出された第１のトンネ
ル電流ブタ、および第２のトンネル電流データ検出手段
によって検出された第２のトンネル電流データを記憶す
る記憶手段と、この記憶手段に記憶された前記サーボ信
号および第１．第２のトンネル電流データを用いて、前
記試料の表面における凹凸情報、前記試料の局所的な電
子状態に関する情報、および前記試料の局所的な電位分
布に関する情報を得る演算手段とから構成されている。

また、この発明の走査型トンネルポテンシャル分光顕微
鏡装置のデータ検出方式にあっては、探針を試料に近付
け、前記試料に所定のトンネルバイアス電圧を印加する
ことにより前記試料と探針との間に流れるトンネル電流
が一定となるように、前記探針と試料との相互間距離を
サーボ制御した状態において、前記試料の所定位置にお
ける前記サーボ制御量に対応するサーボ信号を検出して
記憶する第１の工程と、その位置でサーボ動作を停止さ
せ、前記試料と探針との相対的位置を固定した状態にお
いて、前記試料に印加されるトンネルバイアス電圧を変
化させることにより得られるトンネル電流の変位を所定
のサンプリング信号を用いてデジタル化し、このデジタ
ル値を第１のトンネル電流データとして記憶する第２の
工程と、さらに、前記試料に電位勾配を生じさせるため
のサンプルバイアス電圧を印加した状態において、前記
試料に印加されるトンネルバイアス電圧を変化させるこ
とにより得られるトンネル電流の変位を所定のサンプリ
ング信号を用いてデジタル化し、このデジタル値を第２
のトンネル電流データとして記憶する第３の工程と、再
びサーボ動作を開始するとともに、前記第１．第２．第
３の工程によって得られたサーボ信号および第１．第２
のトンネル電流データから、前記試料の表面における凹
凸情報、前記試料の局所的な電子状態に関する情報、お
よび前記試料の局所的な電位分布に関する情報を求める
第４の工程とから構成されている。

［作用］ この発明は、上記した手段により、ある同一の測定点で
試料の表面における凹凸データと、電位勾配が加えられ
ていないときの試料の電流電圧特性データと、電位勾配
が存在するときの試料の電流電圧特性データとを検出し
て記憶することができるようになる。しかるに、このデ
ータにもとづいて、１度の探針走査により、必要とする
試料の表面における凹凸情報、試料の局所的な電子状態
に関する情報、および試料の局所的な電位分布に関する
情報を演算処理することによって求めることが可能とな
り、一般に行われているように、ＣＲＴ上に３つの情報
を各々、または組み合わせて種々の多次元像を出力する
などにより、物性分布解析に有効な装置を実現し得るも
のである。

すなわち、トンネル電流が一定になるように、探針と試
料との相互間距離をサーボ制御しなから探針を走査させ
ることにより、試料の表面における微視的な粗さを検出
することができ、これを各測定点の座標に対応させてプ
ロットすることによって試料のＳＴＭ像を得ることがで
きるものである。

一方、探針が０電位であり、その直下の試料の表面にお
ける局所電位がＵ８であれば、試料と探針との間のバイ
アス電圧はＵＳとなる。ここで、電位勾配が加えられて
いないときのトンネル電流特性（トンネル電流１．のト
ンネルバイアス電圧ＵＢに対する関数）をＦ（Ｕｓ）と
し、電位勾配が存在するときのトンネル電流特性をＧ（
Ｕａ）とすると、これらの間には近似的にＦ（ＵＳ十Ｕ
ｓ）さＧ（ＵＢ）の関係が成立つ。

このため、電位勾配がＵｇ＞Ｑのとき、つまり電位勾配
が加えられていないときのトンネル電流特性Ｆ（Ｕｓ）
のグラフは、電位勾配がＵ　ｓ　−０のとき、つまり電
位勾配が存在するときのトンネル電流特性Ｇ（Ｕｓ）の
グラフを、電圧の負方向に局所電位ＵＳ分だけ移動した
ものと同じ形となる。したがって、電位勾配が加えられ
ていないときのトンネル電流特性Ｆ（Ｕｅ）と、電位勾
配が存在するときのトンネル電流特性Ｇ（Ｕｓ）とを比
較し、電圧の方向に対するシフト量を、試料上の各測定
点について求めることにより、試料の局所的な電位分布
を検出することができ、これを各測定点の座標に対応さ
せてプロットすることによって試料のＳＴＰ像を得るこ
とができるものである。

また、サンプルバイアス電圧が０［ｖ］のときに測定さ
れた電流電圧特性のグラフは、通常のＣＩＴＳ法により
得られる電流電圧特性のグラフと同じものとなる。した
がって、前記した微分コンダクタンス分光法により、試
料上の各測定点におけるトンネル分光的なデータを検出
することができ、これを各測定点の座標に対応させてプ
ロットすることによって試料のＳＴＳ像を得ることがで
きるものである。

さらに、電位勾配が存在するときのトンネル電流特性Ｇ
（Ｕｓ）を、検出された局所的な電位分布に関する情報
によって校正し、電位勾配が加えられていないときのト
ンネル電流特性Ｆ（ＵＢ）との細かな形の違いを検出す
ることにより、電位勾配が加えられることによって変動
した試料の表面における電子状態に関する情報を測定す
ることができるものである。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。

第１図は、この発明にかかる走査型トンネルポテンシャ
ル分光顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇ　
　Ｐｏｔｅｎｔｉｏ−８ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：５Ｔ
ＰＳ）を示すものである。

第１図において、１１は試料であり、この試料１１には
トンネルバイアス電圧ＵＢとサンプルバイアス電圧ＵＤ
とを合成した合成電圧を印加するための電極１２．１３
が設けられている。

上記トンネルバイアス電圧ＵＢは、試料１１の全体に対
して印加されるものであり、ＤＡ変換器（ＤＡＣＩ）１
４により発生されるようになっている。

上記サンプルバイアス電圧ＵＤは、試料１１上の電極１
２．１３間の電位差として印加されるものであり、ＤＡ
変換器（ＤＡＣ２）１５により発生されるようになって
いる。このサンプルバイアス電圧ＵＤは、バイアス電圧
合成器１６によって適当な比率の電圧ＵＤＩ、ＵＤ２に
分配され、さらに上記トンネルバイアス電圧ＵＢと加算
されることによって電圧Ｕ、、Ｕ２となり、それぞれの
電極１２．１３に印加されるようになっている。

一方、試料１１の上部には探針１７が設けられている。

この探針１７は、Ｚ方向微動機構１８によってＺ軸方向
、つまり図面に対して上下の方向に移動自在に保持され
ている。また、探針１７は、図示しないＸＹ走査機構に
よりＸ軸（図面の左右）方向およびＹ軸（図面の前後）
方向にそれぞれ移動できるようになっている。

上記探針１７には、ＩＶ（電流電圧）変換器１９が接続
されている。このＩＶ変換器１９は、探針１７を試料１
１の表面に対して数ｎｍ程度まで近付けた際に、試料１
１と探針１７との電位差に応じて流れるトンネル電流を
電圧信号（トンネル電流信号）ＩＴに変換してサーボ回
路２０に出力するものである。

サーボ回路２０は、ホールド信号発生器（Ｈｏｌｄ）２
１からのホールドやオンまたはホールド・オフ信号に応
じて、サーボ動作のオン／オフを切り換えることができ
るものである。すなわち、ホールド信号発生器２１から
のホールド・オフ信号に応じて、サーボ回路２０はサー
ボ動作がオンとなる。そして、上記ＩＶ変換器１９から
のトンネル電流信号１．を一定に保つためのサーボ電圧
■２を発生し、これを上記Ｚ方向微動機構１８に印加す
るようになっている。これにより、上記探針１７と試料
１１との相互間距離が一定に保たれるようになっている
。

また、試料１１の全体に対してＤＡ変換器１４により発
生される所定のトンネルバイアス電圧Ｕ８を印加した状
態における、上記サーボ回路２０のサーボ電圧■ｚを、
Ｚサンプル信号の供給されるタイミングてＡＤ変換器（
ＡＤＣＩ）２２が取り込むようになっている。このＡＤ
変換器２２は、上記サーボ回路２０からのサーボ電圧Ｖ
２をデジタル化した後、数値演算処理装置２３に出力す
るものである。

このようにして、探針１７と試料１１との相互間距離が
一定に保たれている状態において、数値演算処理装置２
３内のメモリ（図示していない）にデジタルのサーボ信
号が記憶されることにより、試料１１の表面における凹
凸データを検出したことになる。

上記した探針１１の位置（測定点）における凹凸データ
の検出が終了すると、ホールド信号発生器２１からホー
ルド・オン信号を出力させてサーボ回路２０のサーボ動
作をオフさせることにより、探針１７と試料１１との間
の相対位置を固定させる。そして、試料１１の全体に対
して印加されるＤＡ変換器１４により発生されるトンネ
ルバイアス電圧ＵＢを変化させた状態における、上記Ｉ
■変換器１９からのトンネル電流信号１．を、ｌエサン
プル信号の供給されるタイミングでＡＤ変換器（ＡＤＣ
２）２４が取り込むようになっている。

このＡＤ変換器２４は、上記ＩＶ変換器１９からのトン
ネル電流信号ＩＴをデジタル化した後、数値演算処理装
置２３に出力するようになっている。

このようにして、探針１７と試料１１との間の相対位置
が固定されている状態において、数値演算処理装置２３
内のメモリ（図示していない）に、トンネルバイアス電
圧Ｕ８を変化させた際のデジタルのトンネル電流データ
が記憶されることにより、試料１１に電位勾配を加えて
いないときのトンネル電流電圧特性を検出したことにな
る。

続いて、ＡＤ変換器２４では、試料１１の電極１２．１
３に対して、ＤＡ変換器１５により発生される特定電圧
ΔＵのサンプルバイアス電圧ＵＤを印加させ、同じよう
にして得られるトンネル電流信号ＩＴをデジタル化した
後、数値演算処理装置２３に出力するようになっている
。

このようにして、試料１１にサンプルバイアス電圧ＵＤ
を印加したときのトンネル電流データがメモリ内に記憶
されることにより、電位勾配が存在するときのトンネル
電流電圧特性が検出されたことになる。

こうして、ある測定点に対する凹凸データと２種類のト
ンネル電流電圧特性とが求められると、探針１７の位置
を移動させて上記動作を繰り返えすことにより、試料１
１の各測定点における各々のデータがメモリの所定領域
にそれぞれ順に記憶されるようになっている。

数値演算処理装置２３は、メモリに記憶された凹凸デー
タを各測定点の座標に対応させてプロットすることによ
り、試料１１のＳＴＭ像、つまり試料１１の表面におけ
る微視的な粗さに関する凹凸情報を得るようになってい
る。

また、数値演算処理装置２３では、たとえば各測定点に
おいて求められる２種類のトンネル電流電圧特性の検出
の直後、あるいはすべての測定点に対する２種類のトン
ネル電流電圧特性の検出後に、２種類のトンネル電流電
圧特性を比較し、電位勾配を加えたことによる電圧シフ
ト量を求めることにより、局所的な電位分布に関する情
報を得るようになっている。

さらに、数値演算処理装置２３では、電位勾配を加えて
いないときのトンネル電流電圧特性を用いて従来のトン
ネル分光データを求めたり、電位勾配を加えたときのト
ンネル電流電圧特性を局所的な電位分布に関する情報を
用いて校正することにより、電位勾配を加えることによ
って変動した試料１１の表面における電子の状態に関す
る情報などを求めるようになっている。

なお、第１図中に示すシーケンス制御装置２５は、上記
ＤＡ変換器１４，１５、ＡＤ変換器２２゜２３、および
ホールド信号発生器２１などを制御するものである。

第２図は、数値演算処理装置２３内に設けられているメ
モリの、各データの記憶形態を概略的に示すものである
。

すなわち、メモリには、上記した試料１１の表面におけ
る凹凸データが記憶される凹凸データ記憶エリア２３ａ
と、試料１１に電位勾配を加えていないときのトンネル
電流電圧特性がトンネル電流とバイアス電圧とによる試
料１１のＩ−Ｖ特性関数Ｆ（ＵＢ）として記憶されるＦ
（Ｕｓ）データ記憶エリア２３ｂと、電位勾配が存在す
るときのトンネル電流電圧特性がトンネル電流とバイア
ス電圧とによる試料１１のＩ−Ｖ特性関数Ｇ（Ｕｓ）と
して記憶されるＧ（ＵＢ）データ記憶エリア２３Ｃとが
設けられている。

第３図は、バイアス電圧合成器１６の構成を示すもので
ある。

このバイアス電圧合成器１６は、ＤＡ変換器１５により
発生されるサンプルバイアス電圧Ｕ。

を同符号の信号に分配する連動式の可変抵抗１６ａ、１
６ｂ、この可変抵抗１６ａ、１６ｂで分配された信号の
絶対値の和が上記サンプルバイアス電圧ＵＤと等しくな
るような２つの信号Ｕ　Ｄ　Ｉ　＋ＵＤ２を生成するバ
ッファ１６ｃおよびインバータ１６ｄ１上記２つの信号
ＵＤＩ＋　　ＵＤ、２にそれぞれ上記ＤＡ変換器１４か
らのトンネルバイアス電圧ＵＢを加算して電極１２．１
３への加算信号Ｕ、。

Ｕ２を生成するための加算器１６ｅ、１６ｆにより構成
されている。

次に、第４図を参照して、試料１１をＰ型半導体とした
場合の動作について説明する。

まず、時間Ｔ。−Ｔ１の間は、たとえば第４図（ａ）に
示すような電圧ＵＢｏのトンネルバイアス電圧Ｕ、がＤ
Ａ変換器１４により発生される。また、ＤＡ変換器１５
からのサンプルバイアス電圧Ｕ、は、第４図（ｂ）ｌ：
示すように、０［ｖ］とされている。これにより、第４
図（ｈ）および（ｉ）に示すような印加電圧Ｕ１．Ｕ２
がバイアス電圧合成器１６によって生成され、それぞれ
の電極１２．１３から試料１１の全体に対して印加され
る。

この状態において、０電位の探針１７を試料１１の表面
に数ｎｍ程度まで近付けると、探針１７と試料１１との
間には電位差ＵＳに応じたトンネル電流が流れる。この
トンネル電流は、ＩＶ変換器１９によって電圧信号（ト
ンネル電流信号）ＩＴに変換された後、サーボ回路２０
に供給される。この場合、サーボ回路２０には、第４図
（Ｃ）に示すように、ホールド信号発生器２１からホー
ルト・オフ信号が供給されるようになっている。

このため、サーボ回路２０のサーボ動作により、トンネ
ル電流信号ＩＴか一定となるように探針１７と試料１１
との相互間距離が制御される。すなわち、トンネルバイ
アス電圧ＵＢをトンネル電流か安定して流れるような電
圧ＵＢＯとし、サンプルバイアス電圧ＵＤをＯとして、
トンネル電流信号工Ｔを一定に保つためのサーボ電圧ｖ
ｚをＺ方向微動機構１８に印加することにより、試料］
１と探針１７との距離がサーボ制御される。

そして、試料１１と探針１７との距離かサーボ制御され
ている状態において、たとえば時間Ｔ１の直前において
、第４図（ｄ）に示すＺサンプル信号にしたがって、上
記サーボ電圧Ｖ７がＡＤ変換器２２により取り込まれる
。このＡＤ変換器２２に取り込まれたサーボ電圧ｖＺは
デジタルに変換された後、数値演算処理装置２３に送ら
れて内部に設けられたメモリの凹凸データ記憶エリア２
３ａに記憶される。

こうして、ある測定点についての凹凸データの検出が終
了すると、第４図（ｃ）に示すように、ホールド信号発
生器２１からのホールド信号がオンされる。すると、サ
ーボ回路２０のサーボ動作がオフされる。これにより、
試料１１と探針１７との相対位置が固定される。

この状態において、時間Ｔ１〜Ｔ２の間に、サンプルバ
イアス電圧ＵＤをＯ［Ｖ］　としたままで、トンネルバ
イアス電圧ＵＢが第４図（ａ）に示すように変化される
。そして、トンネルバイアス電圧Ｕ８の値を変化させた
ときの、たとえばＵ　ＢＳＯ〜ＵＢＳ３１の３２点につ
いての各トンネルバイアス電圧ＵＢに対するトンネル電
流信号ＩＴか、第４図（ｅ）に示す■Ｔサンプル信号に
したがってＡＤ変換器２４により取り込まれる。このＡ
Ｄ変換器２４に取り込まれたトンネル電流信号ＩＴはそ
れぞれにデジタルに変換された後、数値演算処理装置２
３に送られて内部に設けられたメモリのＦ（ＵＢ）デー
タ記憶エリア２３ｂに順に記憶される。すなわち、トン
ネルバイアス電圧Ｕ８の値をＵ　８５０−　Ｕ　Ｂ５３
１の範囲で変化させたときの、各電圧Ｕ　Ｂｓｏ　−Ｕ
　Ｂ５３１に対する３２個のトンネル電流信号エエか、
サンプルバイアス電圧ＵＤをＯ［Ｖ］　としたときのト
ンネル電流信号ＩＴのトンネルバイアス電圧ＵＢに対す
る関数Ｆとして検出される。

このようにして、ある測定点についてのＦ（Ｕ　ＥＳＯ
）　〜Ｆ　（Ｕ　Ｂ５３１）の３２個のデータサンプリ
ングか行われ、これにより時間Ｔ２が経過されると、第
４図（ｂ）に示すように、サンプルノくイアスミ圧ＵＤ
が特定電圧ΔＵに設定される。このサンプルバイアス電
圧ＵＤは、第４図（ｆ）および（ｇ）に示すように、バ
イアス電圧合成器１６によって、探針１７の直下におけ
る試料１１の電位差ＵＳが０　［Ｖ］近傍となるような
電圧Ｕ　Ｄｌ＋　Ｕ　Ｄ２に分配される。そして、さら
にトンネルバイアス電圧ＵＢと加算されることにより、
第４図（ｈ）および（ｉ）に示すような印加電圧Ｕ、、
Ｕ２が生成され、それぞれの電極１２゜１３に印加され
る。

この状態において、時間Ｔ３〜Ｔ、１の間に、サンプル
バイアス電圧ＵＤを特定電圧ΔＵとしたときの電圧勾配
下にて、トンネルバイアス電圧ＵＢを第４図（ａ）に示
すように変化させたときの、たとえばＵＢＰ。〜Ｕ　Ｂ
Ｐ３□の３２点についての各トンネルバイアス電圧ＵＢ
に対するトンネル電流信号ＩＴが、第４図（ｅ）に示す
■Ｔサンプル信号にしたがってＡＤ変換器２４により取
り込まれる。

このＡＤ変換器２４に取り込まれたトンネル電流信号Ｉ
Ｔはそれぞれにデジタルに変換された後、数値演算処理
装置２３に送られて内部に設けられたメモリのＧ（Ｕｓ
）データ記憶エリア２３ｃに順に記憶される。すなわち
、トンネルバイアス電圧ＵＢの値をＵ　Ｂｐｏ　’＝　
Ｕ　Ｂｐ３　、の範囲で変化させたときの、各電圧Ｕ　
ＢＰＯ＝　Ｕ　ＢＰ３□に対する３２個のトンネル電流
信号１．が、サンプルバイアス電圧ＵＤを特定電圧ΔＵ
としたときのトンネル電流信号ＩＴのトンネルバイアス
電圧Ｕ、に対する関数Ｇとして検出される。

こうして、ある測定点についてのＧ　（ＵＢＰＯ）〜Ｇ
（ＵＢＰ３１）の３２個のデータサンプリングが行われ
、これにより時間Ｔ４が経過されると、第４図（ａ）に
示すように、トンネルバイアス電圧ＵＢが最初の電圧Ｕ
Ｂｏに設定され、第４図（ｂに示すように、サンプルバ
イアス電圧ＵＤが０［Ｖコに設定し直される。

そして、時間Ｔ５に達した時点で、第４図（Ｃ：に示す
ように、ホールド信号発生器２１からのホールド信号が
再びオフされる。すると、サーボ回路２０のサーボ動作
が復活され、この状態にてＸ−Ｙ方向の位置が変更され
ることにより、探針１７はサーボ制御されたまま次の測
定点へ移動される。

以上のようにして、上記した時間Ｔｏ”Ｔｓにおけるシ
ーケンシャル動作を、各測定点において繰り返すことに
より、各測定点についての試料１１に対する凹凸データ
と、試料１１に電位勾配があるときとないときの局所的
なトンネル電流電圧特性、つまりＦ（Ｕｓ）の実測デー
タとＧ（Ｕａ　）の実測データとが得られることになる
。

ここで、試料１１にトンネルバイアス電圧Ｕ８が印加さ
れているときの、Ｏ電位の探針１７に対して試料１１の
とる表面電位範囲は、サンプルバイアス電圧ＵＤが０　
［Ｖ］の場合、第５図（ａ）に示す斜線部のようになる
。一方、サンプルバイアス電圧ＵＤが特定電圧ΔＵの場
合には、第５図（ｂ）に示す斜線部のようになる。した
がって、サンプルバイアス電圧ＵＤがＯ［Ｖ］のとき、
測定によりメモリの記憶エリア２３ｂに記憶されたＦ（
Ｕｓ）データは、第５図（ｄ）に示すように、通常のＣ
ＩＴＳ法により得られるトンネル電流電圧特性と同じも
のとなる。すなわち、探針１７が０電位であれば、その
直下の試料１１の局所電位ＵＳによって試料１１と探針
１７との間のバイアス電圧は上記局所電位ＵＳと等しく
なる。

また、電位勾配が加えられていないときのＦ（Ｕｓ）デ
ータと、試料１１に電位勾配が存在するときのＧ（Ｕ８
）データとを比較すると、Ｆ（Ｕｓ　＋　Ｕｓ　）　＝
Ｇ　（Ｕｓ　）となる。このため、局所電位ＵＳが０よ
りも大きいとき（Ｕｓ＞０）、つまり第５図（ｃ）に示
すｘ１点におけるトンネル電流電圧特性は、第５図（ｅ
）に示すように、第５図（ｄ）に示したＦ（Ｕｓ）デー
タを負側に局所電位Ｕｓ分だけ移動したものとなる。

逆に、局所電位ＵＳが０よりも小さいとき（Ｕｓ＜０）
、つまり第５図（Ｃ）に示すｘ２点におけるトンネル電
流電圧特性は、第５図（ｆ）に示すように、第５図（ｄ
）に示したＦ（ＵＢ）データを正側に局所電位Ｕｓ分だ
け移動したものとなる。

しかるに、このトンネル電流電圧特性についての関数デ
ータＧ（ＵＢ）とＦ（Ｕｓ）との、トンネルバイアス電
圧Ｕｓ方向に対するシフト量を各測定点について求める
ことにより、試料１１の局所的な電位分布の状態を求め
ることができる。すなわち、サンプルバイアス電圧ＵＤ
が０　［Ｖ］のときの、各測定点における３２個のＦ（
Ｕｓ）データをＦ（Ｕｓ）データ記憶エリア２３ｂより
取り出し、数値演算処理装置２３を用いて適当な関数に
当てはめるとともに、さらにその関数をトンネルバイア
ス電圧ＵＢ方向ヘシフトしてその測定点における３２個
のＧ（Ｕｓ）データに当てはめる、そのときのトンネル
バイアス電圧ＵＢ方向のシフト量がその測定点における
局所電位となる。

したがって、このシフト量を各測定点の座標と対応をと
るようにして表示することにより、電位分布像、つまり
ＳＴＰ像が得られる。

なお、上記数値演算処理装置２３にて行う、Ｆ（Ｕｓ）
とＧ（Ｕｅ）との実測データから局所電位を求める作業
を、データ検出のためのシーケンシャル動作と並列に行
うようにして、各測定点におけるデータ検出動作の最中
に１つ手前の測定点でのデータを用いて局所電位の算出
を行うようにすれば、データの検出と同時に局所的な電
位分布に関する情報を入手することが可能である。

また、サンプルバイアス電圧ＵＤが０　［Ｖ］のときの
Ｆ（Ｕｓ）データを数値微分したりすることにより、各
測定点における微分コンダクタンスなどのトンネル分光
的なデータ（ＳＴＳ像）を入手することもできる。

さらには、電位勾配が存在しているときのＧ（ＵＢ）デ
ータを、局所的な電位に関する情報により構成し、Ｆ（
Ｕｓ）データとの細かな違いを検出することにより、電
位勾配が加えられることによって変動する試料１１の表
面における電子状態に関する情報を得ることもできる。

第６図は、試料１１を金属とした場合を例に示すもので
ある。

試料１１が金属の場合、トンネル電流信号Ｉ工のトンネ
ルバイアス電圧Ｕ８に対する依存性、つまりサンプルバ
イアス電圧ＵＤがＯ［Ｖ’ｌのときのＦ（ＵＢ）データ
は、第６図（ａ）に示すように、半導体試料の場合とは
異なり、トンネル電流信号Ｉ工がＯ［Ａ］　となるトン
ネルバイアス電圧ＵＢの値が判定し易くなる。

また、サンプルバイアス電圧ＵＤが特定電圧ΔＵのとき
のＧ（ＵＢ）は、局所電位ＵＳが正の場合（Ｕ５＞０）
には第６図（ｂ）に示すようになり、負の場合（Ｕｓ＜
０）には第６図（ｃ　、’Ｉに示すようになる。

このように、比較的に単純なトンネル電流電圧特性を示
す試料１１の場合、試料１１に電位勾配が加えられてい
ない状態、つまりサンプルバイアス電圧ＵＤが０［■］
のときにトンネル電流信号ＩＴが０［Ａ］となるトンネ
ルバイアス電圧ＵＢと、試料１１に電位勾配が存在する
ときの状態、つまりサンプルバイアス電圧ＵＤが特定電
圧ΔＵのときにトンネル電流信号１．が０［Ａ］となる
トンネルバイアス電圧ＵＢとの差を求めることにより、
試料１１の局所的な電位分布に関する情報（ＳＴＰ像）
を得ることができる。

また、トンネル電流電圧特性の全体からは、表面酸化膜
や吸着物の有無による表面の電子状態の変化を検出でき
る。

なお、第１０図に示すように、アナログ演算回路２６を
設け、このアナログ演算回路２６でのアナログ演算によ
ってトンネルバイアス電圧とトンネル電流の変動から微
分コンダクタンスを求め、トンネル分光的なデータを直
接出力するようにしても良い。

上記したように、ＳＴＭの探針と試料との相対的な位置
を固定した上で、試料に電位勾配がある場合とない場合
との２つの状態におけるトンネル電流のトンネルバイア
ス電圧に対する依存性を、広い電圧範囲について検出で
きるようにしている。

これにより、試料の表面における微視的な粗さに関する
凹凸情報と一緒に、２つの状態におけるトンネル電流電
圧特性を得ることが可能となる。したかって、試料の表
面における凹凸情報の測定とともに、上記２種類のトン
ネル電流電圧特性を解析することにより、試料の局所的
な電位分布に関する情報の測定、さらにはＺ方向に対す
る電子の物性のバイアス依存性、つまり電位勾配による
試料表面の局所的な電子状態に関する情報をも測定でき
るようになるものである。

なお、この発明は上記した実施例に限定されるものでは
なく、発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実
施可能なことは勿論である。

［発明の効果］ 以上、詳述したようにこの発明によれば、試料表面の二
次元的データである凹凸情報、局所的な電子状態に関す
る情報、および局所的な電位分布に関する情報を得るた
めの各々のデータを、別々の探針走査では得られない半
導体プロセスによって生成されるパターンサイズから原
子オーダにいたる試料の表面形状や物性データと関連性
をともなって測定することができ、−度の探針走査によ
って、試料の表面における凹凸情報、局所的な電子状態
に関する情報、および局所的な電位分布に関する情報を
究極的には原子サイズレベルの分解能で得ることが可能
な走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡装置およびそ
のデータ検出方式を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す走査型トンネルポテ
ンシャル分光顕微鏡装置のブロック図、第２図はメモリ
におけるデータの記憶エリアの形態を概略的に示す図、
第３図はバイアス電圧合成器の一例を示す構成図、第４
図は動作を説明するために示すタイミングチャート、第
５図はＰ型半導体試料を例に動作を説明するために示す
図、第６図は金属試料を例に動作を説明するために示す
図、第７図ないし第９図は従来技術とその問題点を説明
するために示すもので、第７図はＣＩＴＳ法によるＳＴ
Ｓの構成を示すブロック図、第８図は同じ＜　ＳＴＳの
動作を説明するために示すタイミングチャート、第９図
は時分割法によるＳＴＰの基本構成を示す図、第１０図
はアナログ演算手段を備えた走査型トンネルポテンシャ
ル分光顕微鏡装置のブロック図である。 １１・・・試料、１２．１３・・・電極、１４・・・Ｄ
Ａ変換器（トンネルバイアス電圧発生手段）、１５・・
・ＤＡ変換器（サンプルバイアス電圧発生手段）、１６
・・・バイアス電圧合成器、１７・・・探針、１８・・
・Ｚ方向微動機構、１９・・・ＩＶ変換器（トンネル電
流検出手段）、２０・・・サーボ回路（サーボ制御手段
）、２１・・・ホールド信号発生器、２２・・・ＡＤ変
換器（サーボ信号検出手段）、２３・・・数値演算処理
装Ｗ（演算手段）、２４・・・ＡＤ変換器（第１゜第２
のトンネル電流検出手段）、２５・・・シーケンス制御
装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）３次元方向に移動自在に保持された金属探針と、 この探針と試料との間にトンネル電流を生じさせるため
   のトンネルバイアス電圧を発生するトンネルバイアス電
   圧発生手段と、 前記試料に電位勾配を持たせるためのサンプルバイアス
   電圧を発生するサンプルバイアス電圧発生手段と、 前記トンネルバイアス電圧発生手段で発生されるトンネ
   ルバイアス電圧を前記試料に印加することにより、前記
   探針と試料との間に流れるトンネル電流を検出するトン
   ネル電流検出手段と、このトンネル電流検出手段で検出
   されたトンネル電流を一定に保つように、前記探針と試
   料との相互間距離をサーボ制御するサーボ制御手段と、
   このサーボ制御手段の制御量から、前記試料の表面にお
   ける凹凸情報を得るためのサーボ信号を検出するサーボ
   信号検出手段と、 前記サーボ制御手段によるサーボ制御をオフして前記探
   針と試料との相互間距離を固定した状態において、前記
   試料に印加される前記トンネルバイアス電圧発生手段で
   発生されるトンネルバイアス電圧を変化させた際に、前
   記トンネル電流検出手段により検出されるトンネル電流
   を所定のサンプリング信号を用いて抽出することにより
   、前記試料に電位勾配が加えられていないときのトンネ
   ル電流データを検出する第１のトンネル電流データ検出
   手段と、 さらに、前記サンプルバイアス電圧発生手段で発生され
   るサンプルバイアス電圧を前記試料に対して印加した状
   態において、前記試料に印加される前記トンネルバイア
   ス電圧発生手段で発生されるトンネルバイアス電圧を変
   化させた際に、前記トンネル電流検出手段により検出さ
   れるトンネル電流を所定のサンプリング信号を用いて抽
   出することにより、前記試料に電位勾配が存在するとき
   のトンネル電流データを検出する第２のトンネル電流デ
   ータ検出手段と、 前記サーボ信号検出手段によって検出されたサーボ信号
   、前記第１のトンネル電流データ検出手段によって検出
   された第１のトンネル電流データ、および第２のトンネ
   ル電流データ検出手段によって検出された第２のトンネ
   ル電流データを記憶する記憶手段と、 この記憶手段に記憶された前記サーボ信号および第１、
   第２のトンネル電流データを用いて、前記試料の表面に
   おける凹凸情報、前記試料の局所的な電子状態に関する
   情報、および前記試料の局所的な電位分布に関する情報
   を得る演算手段とを具備したことを特徴とする走査型ト
   ンネルポテンシャル分光顕微鏡装置。
2. （２）前記演算手段は、前記トンネルバイアス電圧と第
   １、第２のトンネル電流データとをアナログ的に処理し
   て、微分コンダクタンスなどの分光的なデータを実時間
   で出力するアナログ演算手段を備えることを特徴とする
   請求項（１）記載の走査型トンネルポテンシャル分光顕
   微鏡装置。
3. （３）前記サーボ制御手段は、数値演算処理装置を用い
   た制御機構によって構成されることを特徴とする請求項
   （１）記載の走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡装
   置。
4. （４）探針を試料に近付け、前記試料に所定のトンネル
   バイアス電圧を印加することにより前記試料と探針との
   間に流れるトンネル電流が一定となるように、前記探針
   と試料との相互間距離をサーボ制御した状態において、
   前記試料の所定位置における前記サーボ制御量に対応す
   るサーボ信号を検出して記憶する第１の工程と、 その位置でサーボ動作を停止させ、前記試料と探針との
   相対的位置を固定した状態において、前記試料に印加さ
   れるトンネルバイアス電圧を変化させることにより得ら
   れるトンネル電流の変位を所定のサンプリング信号を用
   いてデジタル化し、このデジタル値を第１のトンネル電
   流データとして記憶する第２の工程と、 さらに、前記試料に電位勾配を生じさせるためのサンプ
   ルバイアス電圧を印加した状態において、前記試料に印
   加されるトンネルバイアス電圧を変化させることにより
   得られるトンネル電流の変位を所定のサンプリング信号
   を用いてデジタル化し、このデジタル値を第２のトンネ
   ル電流データとして記憶する第３の工程と、 再びサーボ動作を開始するとともに、前記第１、第２、
   第３の工程によって得られたサーボ信号および第１、第
   ２のトンネル電流データから、前記試料の表面における
   凹凸情報、前記試料の局所的な電子状態に関する情報、
   および前記試料の局所的な電位分布に関する情報を求め
   る第４の工程とを具備したことを特徴とする走査型トン
   ネルポテンシャル分光顕微鏡装置のデータ検出方式。