JPH0355752A - 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の原理は，試料表面と探針の間に数
ボルト以下の電圧を印加し，試料表面に探針を数ｎｍ以
下に接近させたときに流れるトンネル電流を利用するも
のである。トンネル障壁の高さが数ｅＶであれば，試料
表面と探針との間隔が０６０ｉｎｓ程変化してもトンネ
ル電流は大きく変化する。

従って．トンネル電流が一定になるように探針久端と試
料表面との間隔を制御しながら試料表面１ご沿って走査
させると．探針は原子的スケールで試料表面をなぞる様
に変位する。その探針の変位量と走査位置とを記録する
ことにより原子的分解能で試料の表面形状を立体的に描
きだすことかできる。

この走査トンネル顕微鏡を用いて半導体表面の原子配列
や電子状態を観察する試みが各所で行われている。分子
線エビタキシー広による半導体成長表面を走査トンネル
顕微鏡により観察することは分子線エビタキシー成長法
の成長機構の解明のために重要である。分子線エビタキ
シー法等により超高真空中で成長した半導体表面の構造
を走査トンネル顕微鏡により観測する場合，半導体を一
度大気中に取り出してしまうと，酸素や水といった種々
の空気中の分子がその半導体表面に付着し清浄な半導体
表面の観察ができない。そのため，成長を行なった後の
半導体試料を超高真空中に保ったままで走査トンネル顕
微鏡Ａｌｌ定を行うことが必要である。このような超高
真空中での走査トンネル顕微鏡測定を行うには，超高真
空中の成長室から走査トンネル顕微鏡の測定室へ超高真
空中に半導体を保持したまま試料交換が可能な走査トン
ネル顕微鏡の開発が必要不可欠である。

試料交換が可能な走査トンネル顕微鏡の例として２　レ
ビュー●オブ●サイエンティフィックｅインスツルメン
ツ（　Ｒｅｖｉｅｗ　　ｏｌ’　　Ｓｃｌｅｎｔｌｒｌ
ｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　）　，第５８巻，第２０１
０頁，１９８７年，に記載されているものがある。この
文献に示された試料交換機構は第６図に示すように，マ
ニピレー夕６１と試料ホルダー６２とを有する。試料ホ
ルダー６２は，その先端にそれぞれ爪６６を有する２つ
の突起６４と，その下部に位置する板バネ６３からなっ
ている。マニピレータ６１は試料を保持するためのクラ
ンプ６５を有し，上下及び前後に移動可能である。

試料の交換は以下の手順で行う。まず，第６図（ａ）に
示すようにマニピレータ６１に半導体基板試料７を装着
する。次に第６図（ｂ）に示すように．半導体基板試料
７を装着したマニピレー夕６１を下方に移動させること
により板バネ６３を上から押し変形させる。更に第６図
（ｃ）に示すように半導体基板試料７が突起６４にあた
るまでマニビレータ６１を前方に移動させ，試料が爪６
６に引っかかったならば、第６図（ｄ）のようにマニビ
レータ６１を上方に移動して半導体基仮試料７をマニビ
レータ６１からはずす。半導体基板試料７は板バネ６３
の反力により板バネ６３と爪６６とで固定される。

尚．半導体基板試料７を試料ホルダー６２から取り外す
ときは試料を固定する時とは逆の手順で試料を外す。

（発明が解決しようとする課題） 従来の試料交換機構では最低２軸方向に移動制御が可能
なマニピレー夕が必要であるため装置が複雑になるとい
う問題がある。

また．分子線エビタキシー法等の超高真空中で成長した
半導体基板は通常，成長時に，モリブデンブロックに張
り付けられているため，従来の方法では半導体基板を超
高真空中でモリブデンブロックカら剥してマニピレー夕
に装着する必要があり，手間がかかる。

更に，モリブデンブロックに半導体基板を張付けたまま
走査トンネル顕微鏡で観Ａ−１を行おうとすると．従来
の板バネと爪による固定方法ではモリブデンブロックが
大きすぎて十分な固定ができず．試料が振動し，走査ト
ンネル顕微鏡による観測は難しい。

更にまた，板バネ等を用いた固定方法は，試料を固定す
る際．板バネと物体（試料，モリブデンブロック〉とが
擦れるため超高真空中ではその摩擦によりガスが発生し
，真空度を悪化させるという問題がある。

本発明は．モリブデンブロックに試料を張り付けたまま
真空中で試料交換できる走査トンネル顕微鏡の提供を目
的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は．超高真空下で試料の交換が可能な試料交換機
構を有する走査トンネル顕微鏡において，前記試料交換
機構はバイモルフ構造もしくはユニモルフ構造の圧電体
を用いた試料固定機構を自することを特徴とする。

（実施例） 以下に，図面を参照して本発明の実施例を説明する。

始めに８バイモルフ圧電体及びユニモルフ圧電体につい
て説明する。

バイモルフ圧電体とは電圧を印加することによって伸縮
する圧電板を２枚張り合わせた構造を有し，一方が伸び
たときに他方が縮み，全体として屈曲変化をする圧電体
である。通常２枚の圧電板の間にシムと呼ばれる弾性板
を挾み込むことが多い。ユニモルフ圧電体とは１枚の圧
電板をシムの片側のみに張り付け，屈曲変化するように
したものを言う。

以下にユニモルフ圧電体を例にとってその動作説明を行
う。なおバイモルフ圧電体の場合は電圧を印加する方向
とその大きさを適当に選んでやればユニモルフ圧電体と
まったく同じ動作が可能である。

ユニモルフ圧７桟体の断面を第２図に示す。このユニモ
ルフ圧竃体は，ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）から成
る圧電板１２の片側に銀電極１３を焼付け，もう一方の
面にシム１１を張り付けた構遣となっている。今，ユニ
モルフ圧電体の電極とシムの間に電圧がまったくかかつ
ていない時，ユニモルフ圧電体は第２図（ａ）に示す様
に平らである。次にこのユニモルフ圧電体に電圧をかけ
る。

すると．ユニモルフ圧電体は屈曲変位を起こし，第２図
（ｂ）に示す様に片側に膨れる。実際の例をあげると，
シム径３５＋ａｍ，　　シム厚０．１ｍｍ，電極径２３
．９ｖａｍ，　圧電板の厚さ０．１３ｍｍのユニモルフ
圧電体にＩＯＯＶの電圧をかけた場合．その変位量は０
．２８ｍｍであった。

次に，このユニモルフ圧電体を用いてモリブデンブロッ
クを固定する方法について説明する。この原理を第３図
に示す。前述のユニモルフ圧電体の変位量は１枚当り０
．２８ｍｍと小さいため複数枚のユニモルフ圧電体を交
互に変位方向を逆にして重ネル。この例では６枚のユニ
モルフ圧電体を重ねて６倍の変位量を得ている。となり
あうユニモルフ圧電体同士はその縁と縁又は中心と中心
を接しており．それらを互いに支点にしあって変位する
。

今，電圧がかかっていない時ユニモルフ圧電体の厚さは
１．３４關である。これに１００ｖの電圧を全てのユニ
モルフ圧電体にかけるとユニモルフ圧電体全体の厚さは
３　．　０　２　ｍｍとなり．　１．６８＋ｎの嚢位が
得られる。

このユニモルフ圧電体を用いた試料交換機構を第１図に
示す。この試料交換機構はステージ８上に，探針３を固
定したトライボッド２と，板バネ５に固定された試料ホ
ルダー１０とを相対して配置し．板バネ５を微動マイク
ロメータ６が押している構造となっている。試料ホルダ
ー１０は複数のユニモルフ圧電体１と板１４から成って
おり，このユニモルフ圧電体１に電源９より電圧をかけ
ることにより変位させ半導体基板試料７を張り付けたモ
リブデンブロック４を固定している。モリブデンブロッ
ク４は直径１インチ．厚さ９關のものを用いた。ユニモ
ルフ圧電体１は円形のモノで，直径３５ａ＋ｍ，厚さ０
、２２ｍｍ，１枚当りの変位量０．２８ｍｍのものを全
部で１５枚用いた。全体の変位澁は４　．　２　ｍｓで
あった。

試料ホルダー１０の厚さは１６ｍｍであり，板１４の厚
さはそれぞれ０．５ｍｍ，モリブデンブロック４の厚さ
はり關であるので，電圧をかけないときの隙間は２６７
鳳鵬である。

試料ホルダー１０は第４図に示すように側方に開口４１
を何し，また板バネ５の一方は基板試料７が接触するこ
とのないようにその一部が除去それている。

挿入はモリブデンブロック４を一軸方向に移動可能なマ
グネットフィードスル−４２を用いて行うことができる
。このため構造を単純にできる。

次に分子線エビタキシー法により成長したＧａＡｓの成
長表面を本実施例の走査トンネル顕微鏡により観察した
例について示す。第５図に本実施例の走査トンネル顕微
鏡を含む成長表面観察装置の全体の構成図を示す。成長
室５２において分子線エビタキシー法によりＧａＡｓを
約１．０μ屠成長した後．マグネットフィードスル−５
４１を用い．モリブデンブロック４を交換室５３に移す
。

次にこのモリブデンブロック４をマグネットフィードス
ル−５４ｂを用いて走査トンネル顕微鏡観察室５１に移
し，試料ホルダー１０に挿入する。

この時，ユニモルフ圧電体１には電圧が電源９よりかか
っていないためユニモルフ圧電体１はすべて平らである
。

モリブデンブロック４が完全に神人されたら電ｔ７．９
よりユニモルフ圧電体１にＩＯＯＶの電圧を印加する。

すると．ユニモルフ圧電体１は変位し，板１４を押し，
モリブデンブロック４を固定する。

このようにしてモリブデンブロック４は板１４に擦れる
ことなく試料ホルダー１０に挿入され．超高真空中でも
ガスの発生はなく，また安定に原子像の蜆察も可能であ
った。この走査トンネル顕微鏡観察室５１のは真空度は
常に５　Ｘ　１　０　””ＯＴｏｒｒ以下であった。

尚，本実施例ではユニモルフ圧電体を用いたものについ
て述べたが，バイモルフ圧電体を用いたものであっても
いっこうにさしつがえない。また，走査トンネル顕微鏡
の試料交換機構以外の部分は他のものに置き換えてもま
ったく差し支えない。

例えば，トライボッド２をチューブスキャナに置き換え
てもよいし，微動マイクロメータ６をステッピングモー
夕に置き換えてもいっこうに購わない。

（発明の効果） 本発明によれば，走査トンネル顕微鏡の試料交換機構に
バイモルフ構造もしくはユニモルフ構造の圧電体を用い
た試料固定機構を備えたことで真空ψでモリブデンブロ
ックから試料を取りはずす手間が省けしかも確実に半導
体成長基板を固定することができる。

また．本発明によれば，摩樟によるガスも発生しない。

以下余白

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる走査トンネル顕微鏡の断面図．
第２図はユニモルフ圧電体の断面図，第３図はユニモル
フ圧電体を用いた試料固定法の原理図，第４図は第１図
の試料ホルダーの斜視図第５図は本実施例で用いた成長
表面観察装置の構成図，第６図は従来の試料交換機構の
例を示した図である １・・・ユニモルフ圧電体，２・・・トライボッド，３
・・・探針，４・・・モリブデンブロック，５・・・板
バネ６・・・微動マイクロメータ，７・・・半導体基板
試料，８・・・ステージ，９・・・電源，１０・・・試
料ホルダー１１・・・シム．１２・・・圧電板．１３・
・・電極，１４・・・板，　　　４１・・・開口．４２
・・・マグネットフィードスルー，５１・・・走査トン
ネル顕＠ａ観察室，５２・・・成長室，５３・・・交換
室，５４ａ，５４ｂ・・・マグネットフィードスルー，
６１・・・マニビレー夕，６２・・・試料ホルダー，６
３・・・板バネ，６４・・・突起，６５・・・クランプ
，６６・・・爪。 （ｂ）電圧印加時 始３図 電圧印ｙｉＪ時 １ 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、試料の交換を行う試料交換機構を有する走査トンネ
   ル顕微鏡において、前記試料交換機構はバイモルフ構造
   もしくはユニモルフ構造の圧電体を用いた試料固定機構
   を有することを特徴とする走査トンネル顕微鏡。