JPH036405A - 走査型トンネル顕微鏡 - 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、観察像を較正する手段を備えた走査型トンネ
ル顕微鏡に関するものである。

［従来の技術］ 近年、原子、分子オーダーの分解能を有する走査型トン
ネル顕微鏡が開発され、表面構造解析、表面粗さ計測な
どに応用されている。

この走査型トンネル顕微鏡は、導電性試料と導電性探針
との間に電圧を印加し、両者間をＩｎｍ程度の距離まで
接近させた場合に流れるトンネル電流が、その距離によ
り指数関数的に変化することを利用したものである。す
なわち例えば、その探針として先端を電解研摩等で非常
に先鋭に什」二げたものを用いて、導電性物質からなる
試料表面との距離を一定に保ちながら試料表面を２次元
的に走査した場合の試料表面の原子配列または凹凸形状
によるトンネル電流の変化として表面像を得ることがで
きる（「固体物理Ｊ　　Ｖｏｌ、２２　Ｎｏ、３１９８
７　ＰＰ１７６−１８８　）。

このような装置においては、試料を探針て数ｎｍ〜数百
μｍの範囲で走査する必要があり、その際の移動機構と
して圧電素子が用いられる。この例としては例えは、３
木の圧電素子をｘ、　ｙＺ力方向沿って互いに直交する
ように組み合わせ、その交点に探針を配置したトライポ
ット型や、円筒型の圧電素子の外周面の電極を分割して
端を固定し、他端に探針を取り付け、各々の分割電極に
対応させて円筒を撓ませて走査する円筒型などのタイプ
がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例の圧電素子は、第６図（Ａ）
のグラフに示すように、駆動電圧に対して実際の変位量
はヒステリシスをもつため、駆動電圧を三角波のように
比例的に変化させて探針をｘ、ｙ方向に走査した場合に
は、観察像は走査開始側が伸び、像が歪むという欠点が
あった。例えば、第６図（Ｂ）は等ピッチのグレーテイ
ング面の観察像の様子を示すが、圧電素子のヒステリシ
スにより歪んた像となっている。

そこでこれを較正する必要があるが、従来、観察像の寸
法の較正には、圧電素子の駆動電圧と変位量との関係を
事前に測定した値を用いており、この値は圧電素子の走
査範囲によって若干変化する傾向があるため、正確な寸
法較正は難しかった。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
走査型トンネル顕微鏡において、より正確な寸法較正が
行なえるようにすることにある。

ｃ　ｉ＊　Ｕを解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明ては、試料台と、観察用
探針と、試料台上に保持された試料に対し観察用探針を
試料表面に対向させてほぼ試料表面方向に相対移動させ
る探針または試料台のし助手段と、観察用探針と試料間
の相対移動に際して観察用探針と試料間にトンネル電流
を生しさせそのトンネル電流に基づき試料表面の状態に
対応した信号を得る手段とを備えた走査型トンネル顕微
鏡において、試料台または観察用探針の一方に設けられ
た少なくとも１つの導電性の基準物と、この基準物に対
向させ近接させて他方に設けられた少なくとも１つの移
動量検出用探針と、探針移動手段による観察用探針の移
動に際して基準物と移動量検出用探針間にトンネル電流
を生しさせ、そのトンネル電流に基づいて、相対移動量
を検出する手段とを具備している。

さらに、移動量検出用探針により検出した相対移動量に
より、前記観察用探針により試料表面の観察像の寸法較
正を行なう手段を有している。また、移動量検出用探針
により検出した相対移動量により前記観察用探針と試料
台の移動手段を制御する手段を有している。

［作用］ この構成において、探針または試料台の移動手段による
観察用探針と試料間の相対移動においては、探針または
試料台の移動手段が有するヒステリシスや温度変化、機
械的な緩和などによる観察領域のドリフトなどにより正
確な移動量を知ることができず、得られた試料表面状態
の信号は寸法的に誤差を含んでいる。一方、この相対移
動に際しては基準物と移動量検出用探針も同じたけ相対
移動するため、基準物と移動量検出用探針間に流れるト
ンネル電流はその相対移動量の正確な情報を含んている
。したがって、このトンネル電流に基づいて較正された
試料表面状態の信号は非常に正確な寸法を有することに
なる。すなわちこの信号により観察像を形成した場合、
ヒステリシスやドリフトなどによる歪みの無い正確な寸
法の像か得られる。特に、導電性基準物として規則的な
結晶格子を利用ずれは、人オーターの移動量の検出がで
き、微小な領域を観察するときにも寸法の較正か可能で
ある。

［実施例コ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す斜視図である。同
図に示すように、観察用の探針１は探針保持部４に取り
付けられ、探針保持部４には圧電素子３ａ、３ｂ、３ｃ
がそれぞれの一端か互いに直交するように固定され、こ
れらの他端は各々固定台５に固定されている。そして、
圧電素子３ａ、３ｂ、３ｃを駆動することにより、探針
１て図中Ｘ、ｙ、ｚの各方向に試料２の表面を走査して
表面像の観察を行なうようになっている。探針保持部４
の側面にはｘ、ｙ方向の移動量検出用の導電性基準目盛
７ａ、７ｂが固定され、それらに対向し近接して移動量
検出用探針６ａ、６ｂが各々配置されている。移動量検
出用探針６ａ６ｂは探針保持部８ａ、８ｂに各々固定さ
れ、図示せぬ試料台につらなる基準面に固定された圧電
素子９ａ、９ｂにより、探針の軸方向に移動することが
できる。

導電性基準目盛７ａ、７ｂの材質としては、グラファイ
ト、ＭｏＳ２などの規則的な結晶格子や、ガラス面に金
属被膜を蒸着したグレーティングなどの人工的基準目盛
を用いることかできる。

導電性基準目盛７ａは、観察用探針１の保持部４の図中
Ｘ方向の移動量を検出するためのもので、その目盛列は
Ｘ方向にそろえられており、移動量検出用探針６ａは、
トンネル電流が検知できる距離まで接近させられている
。

また、圧電素子３ａの伸縮により観察用の探針１で試料
２表面をＸ方向に走査しているとき、移動量検出用探針
６ａは、導電性基準目盛７ａとの間に流れるトンネル電
流が一定となるように、すなわち導電性基準目盛７ａと
の間隔が一定になるように圧電素子９ａがフィードパ・
ンク制御される。この間隔は、Ｘ方向と同時にｙ方向の
走査が行なわれているときも、圧電素子９ａの伸縮によ
りｙ方向の移動に追従して保持される。これにより、移
動量検出用探針６ａは導電性基準目盛７ａのＸ方向の移
動量を常に検知することができる。

ｙ方向の移動量を検知する移動量検出用探針６ｂについ
ても同様である。

第２図は、観察像の寸法を較正する手段を示すブロック
図である。次に、同図を用いて、この手段について説明
する。

同図に示すように、観察用探針１と試料２の間にはバイ
アス電圧が印加され、これにより探針１と試料２間に流
れるトンネル電流がＩ−Ｖアンプ２１により電圧に変換
され、さらに対数変換回路２２でリニアな電圧に変換さ
れる。そして、この信号について比較器２３により、設
定された基準電圧からのエラー分を検出し、増幅器２５
を通してＸ方向駆動用圧電素子３Ｃにフィードバックす
ることにより、観察用探針１と試料２の間隔が一定とな
るように保たれる。

方、比較器２３からの信号はまた、ＡＤ変換器２４によ
りデジタル信号に変化されＣＰＵ２６に入力される。そ
して、比較器２３からの信号は観察用探針１のＸ方向へ
の駆動信号てあってかつ試料２０表面の凹凸形状に対応
した信号であるから、ＣＰＵ２６からの走査信号３４に
基き観察用探針１によってｘ、ｙ方向に走査し、その走
査信号と比較器２３からの信号に基づいてＣＰＵ２６に
おいて画像処理することにより試料２表面の凹凸形状の
観察像が形成される。

他方、上述のように移動量検出用探針６（６ａ、６ｂ）
と導電性基準目盛７（７ａ７ｂ）との間隔が一定となる
ように、Ｉ−Ｖアンプ２７、対数変換回路２８、比較器
２９、ローパスフィルター３０および増幅器３０により
フィードバックがかけられる。ただし、ローバスフィル
ター３０により、高い周波数をカットして移動量検出用
探針６が観察用探針１のｘ、ｙ走査にのみ追従するよう
になっている。そして、その際の比較器２９からの信号
をバイパスフィルタ３３によりＸＹ定走査よる低い周波
数をカットし、ＡＤ変換器３２を通してＣＰＵ２６に出
力する。この比較器２９からの信号には導電性基準目盛
７の走査時に横切った目盛列の凹凸の情報が含まれてい
るので、これに基づき移動量検出用探針６と導電性基準
目盛７間の相対移動量が検知される。

次に第７図において、この相対移動量の検知信号を説明
する。

第７図Ａは観察用捜針１のＸ方向の走査信号波形、Ｂは
Ｘ方向の走査信号波形である。Ｘ方向の移動量検出用捜
針（第１図の６ｂ）からの信号を比較器２９を通した信
号は第７図Ｃのように観察用捜針１のＸ方向の走査信号
Ａに対応した波形の他に、導電性基準目盛７の目盛列の
凹凸に対応した高い周波数の成分が重畳している。この
とき導電性基準目盛７の目盛列はＸ方向の操作信号に対
して目盛列の凹凸に対応した信号の周波数が高くなるよ
うに充分細かく形成する。このＹ方向移動量検出信号Ｃ
をバイパスフィルター３３により目盛列の凹凸に対応す
る信号のみを取り出せばＸ方向の移動量が検知できる。

またＸ方向の移動量検知も同様にＸ方向の移動量検出用
捜針（第１図の６ａ）からの信号を比較器２ａを通した
信号は第７図りのようになる。この信号にはＸ方向の走
査信号Ｂに対応した波形に目盛列の凹凸に対応した信号
が載っており、同様にバイパスフィルターにより目盛列
の凹凸に対応した信号のみを取り出し、Ｘ方向の移動量
が検知できる。

これらの各方向の移動量検知信号はＣＰＵ２６に人力さ
れ２値化されて第３図（ａ）に示すような移動量信号と
なり、同図（ｂ）に示すような同時に人力された観察用
探針１からの試料２の凹凸信号と対照され、そして移動
量信号が空間的に等ピッチとなるように試料２の凹凸信
号が較正されて同図（ｃ）に示すような較正信号が得ら
れる。

この較正信号（Ｃ）に基ぎ、画像処理を行えば、１ 試料２の表面の較正された凹凸像を得ることかできる。

この実施例では、ｘ、Ｘ方向についての移動量検出用探
針を設けており、２次元的に較正された観察像を得るこ
とができる。

また移動量検出用探針６　（６ａ、６ｂ）による導電性
基準目盛７（７ａ、７ｂ）との相対移動量に基づき観察
用探針１のＸＸ方向への駆動用の圧電素子３ａ、３ｂの
図示せぬ駆動回路を通して直接フィードバック制御を行
ない、ヒステリシス、ドリフト等による移動を補正する
ことにより、観察像の歪みを少なくすることができる。

次に、第４図により第２の実施例を説明する。

観察用探針１は、圧電素子３ＣによりＸ方向に駆動され
、試料２の表面の凹凸に追従するようになっている。探
針１を保持する探針保持部４の側面には、導電性基準目
盛７Ｃが、目盛列の方向かＸ方向にそろうように固定さ
れ、これに対向して前記実施例と同様に移動量検出用探
針６０か配置されている。これにより、観察用探針１の
Ｘ方向の　２ 移動量も検知でき、試料表面の凹凸の高さを前記実施例
と同様に較正で封る。

次に、第５図により第３の実施例を説明する。

前記実施例ではいずれも観察用探針の移動量をモニター
していたが、本実施例では試料側の移動量をモニターす
る構成となっている。

探針１はＸ方向駆動用圧電素子３Ｃの一端に固定され、
圧電素子３Ｃの他端は基準面１０に固定されている。ま
たｘ、Ｘ方向移動量検出用探針６ａ、６ｂはＸ方向駆動
用圧電素子９ｄ、９ｅの端に固定され、圧電素子９ｄ、
９ｅの他端は基準面１０に固定されている。移動ステー
ジ５２は４木の弾性支持棒５３により支持され、かつ圧
電ｉ子５１　ａ、　５．１　ｂによりｘ＋　Ｘ方向に移
動されるようになっている。移動ステージ５２上には試
料２が観察用探針１に対向して固定され、その近傍にｘ
、Ｘ方向の導電性基準目盛７ａ、７ｂが各々移動量検出
用探針６ａ、６ｂに対向して固定されている。

この場合、移動ステージ５２をｘ、Ｘ方向に穆動させる
ことにより、観察用探針１て試料２表面を２次元的に走
査することができ、これにより、第１の実施例と同様に
して表面の凹凸像を得ることができる。そのとき、移動
量検出用探針６ａ６ｂは駆動ステージ５２のｘ、ｙ方向
の移動量を検出し、第１の実施例と同様に、第２図に示
すような手段による信号処理により、歪を補正し、寸法
の較正された観察像を得ることができる。

また、移動量検出用探針６ａ、６ｂによる駆動ステージ
５２のＸＹ方向の検出し動量に基づき、移動ステージの
圧電素子５１ａ、５１ｂに図示せぬ駆動回路を通して直
接フィードバック制御を行ない、ヒステリシス、ドリフ
ト等による牙多動を補正することにより、観察像の歪み
を少なくすることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれは、試料台または観察
用探針の一方に設けられた基準物とこれに対向させて他
方に設けた移動量検出用探針との間にトンネル電流を生
じさせ、そのトンネル電流に基づいて、試料表面の状態
に対応した信号を較正するようにしたため、圧電素子の
ヒステリシスやドリフトによる歪みを補正して正確な寸
法較正を行なうことがてきる。特に、基準物と移動量検
出用探針間の相対駆動を走査型トンネル顕微鏡の原理を
利用して検出しているので、入オーダーの分解能が得ら
れ、微小範囲の観察像の較正も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す斜視図、 第２図は、第１図の装置の信号処理部の構成図、 第３図（ａ）〜（ｃ）は、第１図の装置による較正法の
説明図、 第４図は、本発明の第２の実施例を示す斜視図、 第５図は、本発明の第３の実施例を示す斜視５ 図、そして 第６図（Ａ）および（Ｂ）は、従来例による較正法の説
明図、そして 第７図は、第２図の回路における信号の波■ヨ図である
。 ６ １：観察用探針、２・試料、 ３ａ〜３ｃ、　５１ａ、５１ｂ　　圧電素子、４：探針
保持部、 ５：固定台、６ａ〜６Ｃ移動量検出用探針、７ａ〜７Ｃ
：導電性基準目盛、 ９ｅ　　９ｄ：圧電素子、 ２１．２７　：　Ｉ−Ｖアンプ、 ２２　　：２８：対数変換回路、 ２３．２９＋比較器、 ２４．３２：ＡＤ変換器 ２５　３１：増幅器、２６：ＣＰＵ。 ３０、ローパスフィルタ、 ５２：移動ステージ。 （Ａ） 位 印加電圧 （Ｖ） （Ｂ） 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料台と、観察用探針と、試料台上に保持された
   試料に対し観察用探針を試料表面に対向させてほぼ試料
   表面方向に相対移動させる探針または試料台の移動手段
   と、前記移動手段による観察用探針と試料間の相対移動
   に際して観察用探針と試料間にトンネル電流を生じさせ
   そのトンネル電流に基づき試料表面の状態に対応した信
   号を得る手段とを備えた走査型トンネル顕微鏡において
   、試料台または観察用探針の一方に設けられた少なくと
   も１つの導電性の基準物と、この基準物に対向させ近接
   させて他方に設けられた少なくとも１つの移動量検出用
   探針と、探針移動手段による観察用探針の移動に際して
   基準物と移動量検出用探針間にトンネル電流を生じさせ
   、そのトンネル電流に基づいて相対移動量を検出する手
   段とを具備することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡
   。
2. （２）前記移動量検出用探針により検出した相対移動量
   により、前記観察用探針による試料表面状態に対応した
   信号を較正する手段を具備した請求項１記載の走査型ト
   ンネル顕微鏡。
3. （３）前記移動量検出用探針により検出した相対移動量
   により、前記観察用探針と試料台の移動手段を制御する
   手段を具備した請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。