JPH04122805A - 走査型トンネル顕微鏡の探針及び、試料の清浄化方法 - 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、走査型トンネル顕微鏡にかかり、特に、探針
と試料の清浄表面化を、走査型トンネル顕微鏡と同一鏡
体内で実行できる手法に関する。

〔従来の技術〕

近年、材料研究を目的に、材料の極表面観察装置として
、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が大いに使われてき
ている。原子像の観察から表面凹凸の三次元計測まで可
能で、かつ、大気中、真空中、そして液中で観察するこ
とができる。従って。

その応用範囲は無限と考えられている８この走査型トン
ネル顕微鏡の原理については、アイ　ビエム　ジャーナ
ル　オブ　リサーチ　アンド　デブロブメント（ＩＢＭ
　Ｊ、ＲＥＳ、ＤＥＶＥＬＯＰ、ＶＯＬ、　３０　　＆
４　　Ｐ３５５〜Ｐ３６９　ＪＵＬＹ　１９８６）に記
述されている。また、探針の先鋭化の再形成処理として
、公開特許公報　昭６３−２６５１０２号がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、鋭い先端を有する探針と試料表面との
間を数ｎｍオーダで一定に制御して実施するものである
。この時、探針の表面が汚染されている場合は、安定な
トンネル電流が得られなくなり、探針の破損を生じる。

また、試料の表面が汚染されていると、正確な極表面の
情報が得られなくなる。このため、これら表面の清浄化
手段が必須技術となる。これら清浄化手段については前
記文献には、なんら具体的に記述されていない。

そして、公開特許公報　昭６３−２６５１０２号では、
探針の先鋭化について記述しているが、逆に探針の鈍化
手法および、試料の清浄化についてはなんら記載されて
いない。

本発明の目的は、この探針と試料の表面を同一鏡体内で
清浄化し、安定な走査型トンネル顕微鏡を提供するもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、真空中において、探針と試
料との間に、フィラメント電極を新設し、そのフィラメ
ントから発生した荷電粒子線を探針及び、試料表面に任
意のエネルギーで照射することにより、清浄表面を得る
ものである。

〔作用〕

探針及び試料表面に吸着した汚染分子は、その吸着エネ
ルギー以上の高エネルギーの荷電粒子線を照射すること
により、真空中に放出することができる。従って、この
放出した汚染分子を真空ポンプで排気すれば、清浄表面
が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

走査型トンネル顕微鏡は、第１図に示すように、試料面
に垂直方向を２軸とし、試料面に水平方向を各々Ｘ、Ｙ
軸とするのが一般的である。そして、試料５と探針２０
とのギャップは、２軸ピエゾ１によって、数ｎｍに接近
される。ここで、試料と探針間に任意の電圧を印加する
ことにより、試料と探針間に数ｎＡのトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は、試料と探針とのギャップの
関数になっているため、トンネル電流が一定となるよう
に、Ｚ軸ピエゾにフィードバック制御を実施すれば、２
軸ピエゾの変位から試料の凹凸情報を得ることができる
。従って、Ｘ軸ピエゾ２．Ｙ軸ピエゾ３を使って、探針
を二次元に走査すれば、試料表面の三次元情報を得るこ
とができる０以上の原理に基づいて、トンネル電流を、
トンネル電流検出回路７により検出し、サーボ制御回路
８に入力する。サーボ制御回路は、Ｐ（比例）、Ｉ（積
分）そして、Ｄ（微分）要素を含んだ制御回路であり、
トンネル電流が一定となるように、Ｚ軸ピエゾ制御回路
９に、任意の、出力信号を与える。その信号に対応して
、２軸ピ工ゾ制御回路により、Ｚ軸ピエゾの伸縮を実施
し、トンネル電流を一定にする。従って、サーボ制御回
路の出力信号電圧を信号表示回路１０に入力すれば、試
料表面の凹凸情報を観察することが可能となる。ここで
、Ｘ。

Ｙ走査回路１１は、探針を二次元に走査するための回路
である。また、これらの全ての回路は、エンジニアリン
グ　ワークステーション（ＥＷＳ）１２によりコントロ
ールしている。

以上説明した走査型トンネル顕微鏡の構成に、本発明は
、第１図に示すように、フィラメント４と電子線照射制
御回路１３を新しく付加した。前述したように、探針及
び、試料は、大気中に放置しておくだけで汚染されたり
、コンタミネーションが付着する。特に、探針は電解溶
液中でのエツチングで作成するために、その電解溶液が
探針に強固に付着している。また、探針は真空中におい
ても、長時間使用していると徐々に汚染してしまう、こ
れらの汚染は、トンネル電流の不安定を引き起こし、清
浄なトンネル顕微鏡像が得られなくなる。このため電子
線照射による探針及び試料のクリーニングが、走査型ト
ンネル顕微鏡と同一鏡体において必要となる。

第２図（ａ）、（ｂ）は、第１図より電子線照射するた
めの構成だけを注目して図示したものである。第２図（
ａ）は、探針を清浄化する構成であり、（ｂ）は、試料
表面を清浄化する構成である。

まず（ａ）から説明すると、探針と試料の間に、ループ
状のフィラメント４を設け、任意の電流をフィラメント
電源１４より供給し、フィラメントから熱電子を発生さ
せる。この熱電子は、加速電圧電源１５により加速され
、探針を照射する。特に、探針の先端は鋭い曲率半径（
０，１μｍ）を有しているため、加速電界はその先端に
集中している。従って、熱電子はその先端だけに照射さ
れ効率良くクリーニングすることができる。

さらに、上記動作を継続することにより、探針先端の曲
率半径を任意の大きさに鈍化制御することが可能となる
。なぜなら、先端を照射した熱電子エネルギーにより、
先端は局部的に温度上昇を引、１し、サーマルマイグレ
ーションあるいは、エバポレーションにより、曲率半径
が大きくなる。

この大きさは、熱電子の加速エネルギー、照射電流そし
て、照射時間を制御することにより、任意に可能である
。これらの制御はすべてＥＷＳ　１２で実行している。

こうしてできた先端表面は清浄表面であることは明らか
である。

次に、（ｂ）に示すように、フィラメントと試料との間
に、加速高圧電源１５を接続することにより、熱電子を
試料に照射させることができる。

この熱電子の照射エネルギーにより、試料表面に吸着あ
るいは付着していた汚染分子は排除され、清浄表面が表
れる。

上述した実施例は、ループ状のフィラメントを採用した
がこれにこだわることは必要としない。

さらに、探針と試料を同時に清浄化することも容品に実
現できることは明白である。

〔発明の効果〕

本発明によれば走査型トンネル顕微鏡と同−鏡体内で、
探針と試料をクリーニングすることができるため、高い
信頼性の走査型トンネル顕微鏡を提供することができ、
かつ、真の試料表面情報を得ることができる。同時に、
探針先端を任意の大きさに加工できるため、丈夫な探針
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本的な構成図、第２図は
本発明の詳細な説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、探針と試料をｎｍオーダに接近させ、トンネル電流
   を生じせしめ、かつ、探針で試料面上を二次元に走査し
   、試料の三次元情報を観察する所謂、走査型トンネル顕
   微鏡において、探針と試料の表面を走査型トンネル顕微
   鏡と同一鏡体内で、清浄化する手段を備えたことを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡の探針及び、試料の清浄化
   方法。 ２、請求項第１項記載の走査型トンネル顕微鏡の探針及
   び、試料の清浄化を真空中において実施することを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡の探針及び、試料の清浄化
   方法。 ３、請求項第２項記載の探針及び、試料の清浄化の方法
   として、任意エネルギーに加速された荷電粒子線照射に
   より実行することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の
   探針及び、試料の清浄化方法。 ４、請求項第３項記載の荷電粒子線照射の発生源を探針
   と試料の両方に前記発生源を動かすこと無く照射できる
   ように取り付けたことを特徴とする走査型トンネル顕微
   鏡の探針及び、試料の清浄化方法。 ５、請求項第３項又は第４項記載の荷電粒子線照射の手
   段として、熱電子を発生する手段と、その熱電子を任意
   のエネルギーに加速する手段を備えたことを特徴とする
   走査型トンネル顕微鏡の探針及び、試料の清浄化方法。