JPH04184201A - バリアハイト測定装置 - Google Patents

バリアハイト測定装置

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JPH04184201A
JPH04184201A JP2313389A JP31338990A JPH04184201A JP H04184201 A JPH04184201 A JP H04184201A JP 2313389 A JP2313389 A JP 2313389A JP 31338990 A JP31338990 A JP 31338990A JP H04184201 A JPH04184201 A JP H04184201A
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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】 [産業との利用分野〕 この発明は、探針を試料に近接させて走査することによ
り、試料の微視的な表面情報を得る走査型プローブ顕微
鏡に係り、特に、同一の試料表面において2つの異なる
表面情報を同時に得ることができる多機能型の走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。
[従来の技術] 走査型プローブ顕微鏡としては、走査型トンネル顕微鏡
(Sc*aaial 丁+u+neliB Micro
scopc+ STM)、原子開力顕微鏡(Atomi
c Force Microscope:AFkl)な
どが知られている。
STMは、1982年にビニッヒ(Biuil)、ロー
ラー (Robrer)らによって米国特許第4.34
3.993号において提案された微細表面形状計測装置
であり、導電性試料の表面形状を原子レベルの分解能で
測定できる装置として知られている。
鋭く尖った導電性の探針を導電性試料の表面にlll1
1程度の距離まで近づけ、探針と試料との間にバイアス
電圧を印加すると、探針−試料間にトンネル電流が流れ
る。このトンネル電流は次の (1)式で示される。
I t ” (Vt / RT ) erp(Aφ”’
 S) ・(1)ここで、■□はトンネル電流、7丁は
バイアス電圧、R7はトンネル抵抗、Aは1.025人
(、V)I/2の数係数、φはバリアハイト、Sは探針
−試料間距離である。清浄な金属表面のバリアハイトφ
は約1〜5eVであるから、探針−試料間距離Sが0、
l++m変化するとトンネル電流Itは1桁程度変化す
ることが(1)式から分かる。STMにおける探針は圧
電体などの微動素子を用いて試料面、すなわちxy面に
沿って移動され、例えば試料表面をラスター走査する。
この走査の間、探針−試料間距離Sはトンネル電流を一
定に保つように0、In+e以下の精度で制御され、圧
電体などの微動素子により試料表面に垂直な方向、すな
わち2方向に探針または試料が相対移動される。この結
果、探針の先端は試料表面から一定の距離だけ離れて試
料の表面形状を反映した曲面上をトレースする。
したがって探針先端のxy面との位置と同時に、2方向
の位置を圧電体に印加した電圧から求め、記録すること
により、試料表面の微細な凹凸を示すSTM像が得られ
る。
ところで、上述したSTMによって検出されるトンネル
電流には、上記(1)式からも分かるように、試料−探
針間距離Sとともに、試料の局所的な電子の状態を示す
バリアハイトφが反映されている。ここでバリアハイト
φについて少し述べておく。 (1)式に用いられてい
るバリアハイトφは、次式によって規定される値を示し
ている。
φ=(φ1+φ2)/2 ここでφ、は探針構成原子のイオン化ポテンシャル、φ
2は試料構成原子のイオン化ポテンシャルである。イオ
ン化ポテンシャルは、物質によって固有の値を示すため
、探針を構成する物質が既知であれば、試料の構成物質
をバリアハイトφの値から推定することができる。
STMにより検出されるトンネル電流の値からバリアハ
イトφを求める方法には、例えばフィジカル・レビュー
・レターズ(Ph7sicgl Reマ1evLett
ers)、第60巻、第12号、 1988年、第11
66頁〜第1169頁に記載されているものがある。
この方法では、STMによる試料の表面凹凸の測定時に
探針に試料表面に対して垂直な方向の一定の微小振動を
与え、試料−探針間の距離情報とトンネル電流情報とを
同時検出する。このようにすればトンネル電流の距離微
分であるバリアハイトφを試料の凹凸情報と同時に得る
ことができる。
なお、この方法においては検出されるトンネル電流が振
動成分を持つ信号となるが、この微小振動の周波数は試
料−探針間距離のフィードバック制御系のカットオフ周
波数より高く設定されているため、フィードバック制御
系は、検出されるトンネル電流の平均値が一定となるよ
うに試料−探針間距離を制御する。したがって通常のS
TM同様、このフィードバック制御系の出力から試料の
凹凸情報が得られる。
[発明が解決しようとする課題] 上述したように探針−試料間距離の制御にトンネル電流
を利用した凹凸情報とバリアハイトの同時測定装置にお
いては、限られたバイアス電圧値でしか両者の同時測定
ができないという問題がある。すなわち、STMにおい
ては、バイアス電圧に規定される限られた範囲の電子の
みが探針−試料間に流れるトンネル電流に寄与するため
、試料の表面部分の構成原子のみを有効に測定して試料
の表面凹凸情報を得ようとした場合、自ずとこの表面部
分の電子のみを励起するのに適したバイアス電圧値が規
定されてしまう。したがって、この規定されたバイアス
電圧値以外では、試料の表面部分の正確な情報が得られ
ないため、表面凹凸とバリアハイトとの同時測定が不可
能であるという問題がある。
また、STMを用いたバリアハイト測定では、探針先端
の変位が2方向の微動素子に印加した電圧に比例すると
してバリアハイトを算出しているが、この場合アクチュ
エータの非線形性、探針や探針保持部の弾性定数、ある
いは試料−探針間に働く原子間力など、探針先端部の変
位量に関する不確定要素が存在するため、微動素子に印
加した電圧が、正確に探針−試料間距離を反映するとは
いえず、精密なバリアハイト測定ができないという問題
がある。
さらに、上述したSTMを利用した表面凹凸とバリアハ
イトの同時測定装置では、トンネル電流を一定に保つよ
うに探針−試料間距離のサーボ制御を行っているために
、試料表面に不良導電体が存在すると、サーボ機構がト
ンネル電流の値を設定した一定の値へと上昇させるため
に両者を接近させてしまい、衝突の原因となるという問
題がある。
この発明は、これらの問題点を解決し、任意のバイアス
電圧を印加した状態で精密なパリアノ1イ  □ト測定
を行うことができ、同時に試料の凹凸像を得ることがで
きるバリアハイト測定装置の提供を目的とする。
[課題を解決するための手段] 上述した問題点を解決するため、この発明のバリアハイ
ト測定装置は、先端に設けた尖鋭な導電性の探針を試料
に近接して支持するとともに、この探針に作用する力を
受けて弾性変形するカンチレバーと、上記カンチレバー
を試料表面に垂直な方向に振動させる振動手段と、上記
カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検出手
段と、上記カンチレバーの振動振幅を一定に保持すべく
上記試料と探針との距離を制御するサーボ手段と、上記
試料と探針との間に電位差を与えるバイアス電圧印加手
段と、上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、前記トンネル電流検出
手段により検出されたトンネル電流およびカンチレバー
変位検出手段により検出されたカンチレバーの変位から
試料のバIJ 7ハイトを演算する演算手段と備える。
また、この発明の別のバリアハイト測定装置は、先端に
設けた尖鋭な導電性の探針を試料に近接して支持すると
ともに、この探針に作用する力を受けて弾性変形するカ
ンチレバーと、上記カンチレバーを試料表面と垂直な方
向に振動させる振動手段と、上記カンチレバーの変位を
検出するカンチレバー変位検出手段と、上記カンチレバ
ーの振動中心位置を試料表面に対して一定に保持するサ
ーボ手段と、上記試料と探針との間に電位差を与えるバ
イアス電圧印加手段と、上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、前記
トンネル電流検出手段により検出されたトンネル電流お
よびカンチレバー変位検出手段により検出されたカンチ
レバーの変位から試料のバリアハイトを演算する演算手
段とを備える。
[作用] このような構成により、カンチレバーは振動手段によっ
である特定周波数で2方向に振動されながら試料表面上
を走査する。この時カンチレバーの変位はカンチレバー
変位検出手段によって検出される。カンチレバーが、そ
の探針先端と試料表面の構成原子との間に働く原子間力
を受けると、この原子間力の強さに応じてカンチレバー
の振動中心位置や振動振幅が変化する。一方、探針−試
料間にはバイアス電圧が印加され、この間に流れるトン
ネル電流がトンネル電流検出手段により検出される。
この発明のバリアハイト測定装置においては、カンチレ
バー変位検出手段によって検出されるカンチレバー変位
信号の振動振幅が一定となるように試料−探針間距離が
サーボ制御される。したがってこのサーボ量が試料の表
面凹凸を示す情報となる。
またトンネル電流検出手段によって検出されたトンネル
電流信号は、カンチレバー変位検出手段によって検出さ
れた試料−探針間の距離情報を示す信号とともに演算手
段に入力され、バリアハイトが算出される。
さらに、この発明の別のバリアハイト測定装置において
は、カンチレバー変位検出手段によって検出されるカン
チレバー変位信号の振動中心位置が、試料表面に対して
常に一定となるように試料−探針間距離がサーボ制御さ
れる。したがってこのサーボ量が試料の表面凹凸を示す
情報となる。
また、トンネル電流検出手段によって検出されたトンネ
ル電流信号は、カンチレバー変位検出手段によって検出
された試料−探針間の距離情報を示す信号とともに演算
手段に入力され、バリアハイトが算出される。
[実施例] 以下、図面を参照しながらこの発明の実施例について説
明する。
第1図はこの発明の第1の実施例であるバリアハイト測
定装置の構成を示す図である。同図においてカンチレバ
ー1は薄板状の導電性材料からなり、その自由端部には
尖鋭な探針が試料9に対向するごとく支持されている。
また、カンチレバー1の基端部は圧電アクチュエーター
2に支持されており、圧電アクチュエーター2の入力端
は発信器3の出力端と接続されている。カンチレバー1
の背面には、光学式の変位検出器4が設けられ、この変
位検出器4の出力端は第1のロックインアンプ5の第1
の入力端と接続されている。ロックインアンプ5の第2
の入力端には、さらに発信器3の出力端が接続されてお
り、また、ロックインアンプ5の出力端はフィードバッ
ク回路10の入力端および演算回路12の入力端と接続
されている。一方、金属からなる試料9は、3次元方向
に微動可能なxyz圧電アクチュエータ6上に保持され
るとともに、バイアス電源7に接続されており、またx
yz圧電アクチュエータ6の入力端はフィードバック回
路10の出力端と接続されている。第2のロックインア
ンプ8の第1.第2の入力端にはトンネル電流検出回路
11および発信器3の出力端がそれぞれ接続され、また
ロックインアンプ8の出力端は演算回路12の入力端に
接続されている。
まず、このような構成により試料の表面凹凸情報を得る
動作について説明する。カンチレバー1を支持する圧電
アクチュエータ2には、発振器3より基本周波数ω。の
電気信号が印加され、これによってカンチレバー1は、
数人の振幅で振動する。カンチレバー1の先端の変位(
以下Z TIPと称する)は、カンチレバー1の背面に
設けられた光学式の変位検出器4によって検出されると
ともに、第一のロックインアンプ5に入力される。ロッ
クインアンプ5では、第2の入力信号である発信器3の
出力信号を参照信号として、変位信号ZTIFが周波数
ω。でロックイン検出され、カンチレバー1の振動振幅
(以下△Z7□と称する)が出力される。一方、試料6
側に設けたxyz圧電アクチュエータ6によって、カン
チレバー1の探針部を試料9に接近させてゆ(と、試料
−探針間には第2図に示すような原子間力が作用する。
したがって探針を試料表面に近接した状態で走査して行
くと、探針部には試料表面との距離に応じた原子間力が
作用する。このような力を受けると、カンチレバー1先
端の振動振幅ΔZT1Fが変化する。したがってこのΔ
ZTIFを一定の値に保つように探針−試料間距離Sを
サーボ制御すれば、探針部先端は試料表面と一定距離を
隔てた曲面上を移動することになる。この装置では上述
したΔZTIPがフィードバック回路10に入力され、
フィードバック回路10が、このΔZ TIPの値を一
定に保つ為の電圧を、試料9を保持している圧電アクチ
ュエータ6のZ方向に印加する。これによって試料−探
針間距離Sは一定に保たれ、探針は試料9の表面凹凸を
反映する曲面上を移動する。この時、フィードバック回
路10の出力信号(以下ZFBと称する)をxy定走査
位置と同期させて読み取れば、試料の凹凸像が表示され
る。
次に、この装置による試料表面のバリアハイト測定につ
いて説明する。(1)式によれば、トンネル電流の距離
微分であるバリアハイトは次に示す(3)式により導く
ことができる。
φ”2= a In< T t > / a S=(Δ
IT /< IT >) /ΔZ13.・・・(2)こ
こで、くI□〉はトンネル電流の振動中心値、ΔITは
トンネル電流の振動振幅、ΔZ18.は前述したカンチ
レバー1の振動振幅である。
上述した装置でこれらの値を検出するため、試料9には
バイアス電源7で発生したバイアス電圧■7が印加され
る。この時カンチレバー1は0電位のトンネル電流検出
器11に接続されているので、カンチレバー1と試料9
との電位差は■1になる。この電位差■、により、試料
−探針間には(1)式に示したトンネル電流1.が流れ
ることになる。前述したようにカンチレバー1は周波数
ω0で数人の振幅で振動しているので、ここで検出され
るトンネル電流■1も、中心値<1.>を中心に周波数
ω。で振動する信号となる。前述のように検出されたト
ンネル電流信号■。は、第2のロックインアンプ8に入
力される。ロックインアンプ8では、発振器3からの基
本周波数ω。の信号を参照信号として、トンネル電流■
7の振動振幅Δ1.を検出する。ここで、トンネル電流
の中心値く■。〉と、トンネル電流の振動振幅ΔI。
とカンチレバー1の振動振幅ΔZ TIFは、演算回路
12に入力され、上記(3)式の演算が行われ、バリア
ハイトφの平方根に当たる信号が得られる。
これからバリアハイトφを求め、xy走査信号と同期し
て読み出すことにより、試料表面のバリアハイト像が得
られる。
次に、第1図に示した実施例の装置を用いて実際に試料
の測定を行った測定例を第3図を用いて説明する。
同図において、試料14は半導体基板であり、上面に金
属部15が存在している。金属部15は、図中記号A点
からD点の間にあり、A点からB点には段差があり、0
点からD点の間では、表面に凹凸がなくく金属部15が
図中右側に向かって薄くなっている。
一方、図中(a)〜(e)は、探針が試料14をX方向
に走査したときのそれぞれの信号の変化を示すグラフで
あり、i)はトンネル電流■1およびその振動中心値く
■。〉、(b)はカンチレバー1の振動振幅ΔZtlp
 % (C)はトンネル電流の振動振幅Δit、(d)
は<I、>、ΔZTIF+およびΔITから求めたバリ
アハイトφ1/2 、(e)はフィードバック回路10
の出力信号ZFllをそれぞれ示している。
今、カンチレバー1が試料14表面をX方向に移動する
と、まずA点において試料表面が盛り上がっているため
、カンチレバー1が上方に押し上げられる。そこで試料
側に設けられたxyz圧電アクチュエータ6の2方向の
長さを縮めるようにフィードバック回路10の出力信号
zFeが変化する。B点からD点を過ぎていく間は試料
表面が平坦であり、z、llは変化せず、(C)に見ら
れるようにZFII信号は試料の凹凸を反映した動きを
する。
また、検出されるトンネル電流の値に着目すると、A点
からの盛り上がりは金属によるものであるため、この部
分では試料の導電性が増しており、(a)に示したよう
にトンネル電流の振動中心値〈11〉が増加する。この
とき、はぼ同等の比率で(C)のようにトンネル電流の
振動振幅ΔITも増加する。(a)によれば、B点から
0点の間の金属表面をトレースしている間は、大体同じ
様な電流の流れ方をしているが、金属部15が薄くなり
半導体基盤14が見えかけてくる0点からD点にかけて
は、トンネル電流の振動中心値〈■1〉も落ちてきて振
幅ΔItも減少する。(b)のカンチレバー振動振幅Δ
Z TIPはフィードバック動作によってほぼ一定に保
たれており、前述した(2)式の演算によって得られる
fd)に示したバリアハイトの平方根は試料の電気物性
を反映したものになっている。
この様に、i)のトンネル電流の振動中心値〈I7〉の
グラフは試料の導電性の分布を反映し、また(+1)は
試料表面のバリアハイトφ1″を反映しており、これら
が試料の凹凸を反映した(e)のグラフと同時に測定さ
れる様子が理解できる。
このような測定例からも分かるように、この実施例の装
置によれば、探針部と試料表面との間に働く原子間力を
試料−探針間距離のサーボ信号に利用しているため、従
来のトンネル電流を用いてサーボ制御を行う場合のよう
な問題がなく、任意のバイアス電圧を印加した状態での
バリアハイト測定が可能となる。また、試料表面に不良
導電体部が存在しても探針と試料とが接触することはな
い。さらに原子間力は実際の試料−探針間距離を正確に
反映するので、圧電体の非線形性や探針および探針保持
部の弾性定数などの不確定要素を考慮する必要もない。
次に、この発明の第2の実施例であるフィードバック動
作方式の異なるバリアハイト測定装置の説明をする。第
4図は、この実施例のバリアハイト測定装置の構成を示
す図であり、第5図はこの装置で実際に試料を測定した
ときの各信号の様子を示す図である。
第4図の装置が第1図に示した第1実施例の装置と異な
る点は、フィードバック回路10の入力端とカンチレバ
ー変位検出回路4の出力端が直接接続されている点であ
る。また、その他の部材は前述した第1の実施例と同様
であるため、同等の部材には同等の符号を付し、詳細な
説明は省略する。
まず、このような構成において、試料の表面凹凸情報を
得る動作について説明する。前述の実施例と同様にカン
チレバー1は圧電アクチュエータ2によって一定の振動
数ω。で励振されている。
カンチレバー1の先端の変位Z。1Fは、カンチレバー
1の背面に設けられた光学式の変位検出器4によって検
出されるとともに、フィードバック回路10に入力され
る。フィードバック回路10では、フィードバック時定
数を調節することにより、変位検出器4の出力信号の振
動中心値を検出し、この中心値が一定になるように、試
料51を保持するxyz圧電アクチュエータ6のZ方向
の印加電圧を制御する。したがって探針は、試料51の
凹凸を反映する曲面上を移動する。この時のフィードバ
ック回路10の出力信号ZFIIをxy定走査位置と同
期させて読み取れば、試料の凹凸像が表示される。
次に、この装置による試料表面のバリアハイト測定につ
いてであるが、この実施例の装置によるバリアハイト測
定は、第1図に示した実施例の装置によるバリアハイト
測定と同様であるため、ここでは説明を省略する。
また、次に、第4図に示した実施例の装置を用いて、実
際に試料の測定を行った測定例を第5図を用いて説明す
る。
第5図において、金属からなる試料51上には、E点と
F点の間に不良導体部52が存在する。また、図中(り
〜(1)は、探針が試料51をX方向に走査したときの
それぞれの信号の変化を示すグラフであり、(1)はト
ンネル電流■7およびその振動中心値〈I□〉、(b)
はトンネル電流の振動振幅ΔIT%(C)はカンチレバ
ー1先端の変位ZTI1、(d)はカンチレバー1の振
動振幅ΔZ TIF、(e)は<IT>、ΔZTIF+
およびΔ1.から求めたバリアハイトφl/2 、(1
)はフィードバック回路10の出力信号ZFIlをそれ
ぞれ示している。
今、カンチレバー1が試料51の表面をX方向に移動し
た場合、(8)のトンネル電流ITは、試料表面の導電
性に比例する強度の電流〈11〉を中心として、振幅Δ
I□で振動する。一方、カンチレバー変位検出器4の出
力信号はフィードバック回路10に入力され、これによ
りカンチレバー1の振動中心<2.、、>が、(C)で
示されるように一定に保たれ、試料表面と探針先端との
間に働く原子間力が一定になる。
カンチレバー1の変位が一定であっても試料51表面と
探針部先端との間に働く力の微分値が試料表面によって
異なる場合、例えば試料上に不良導体部があるE点から
F点の間においては、(C)に示されるように、振動振
幅ΔZTIFが大きくなる。
このように、カンチレバーの振動中心を一定に保つ定斥
力モードと呼ばれる原子間力を用いたサーボ制御を行っ
た場合、バリアハイトを求めるために用いられるカンチ
レバー先端の振幅ΔZTIPsトンネル電流の平均値く
■。〉、およびトンネル電流の振動振幅Δ■7は、試料
表面の電気物性と力学物性を反映して変動する。しかし
ながらこれまでの実施例同様にカンチレバー変位とトン
ネル電流の振動振幅を2つのロックインアンプで検出し
、かつトンネル電流の振動中心値を求めて、X7面との
走査各点で記憶し、(2)式の演算を行えば、試料表面
の電気物性を反映するバリアハイトφI/2が算出され
る。この場合のバリアハイトφl/2のデータは、(e
)に示す通りであり、試料の電気物性を反映したものに
なる。
この様に本実施例においても、上述した第1の実施例と
同様な効果を得ることができる。
なお、上述した実施例において使用されたロックインア
ンプは、信号に含まれる特定周波数の振動振幅を測定す
るために用いているものであり、この目的が達成される
ものであれば、バンドパスフィルタ、検波器等、種々の
選択性増幅器と変更可能である。
次に、前述した実施例において用いたロックインアンプ
を使わずに、アナログ演算器を用いてバリアハイト測定
を行なう実施例について、第6図と第7図を参照しなが
ら説明する。
第6図はこの発明の第3の実施例であるバリアハイト測
定装置の構成を示す図である。この装置が第1図に示し
た第1実施例の装置と異なる点は、第1のロックイアン
ブ5と第2のロックイアンプ8に代わってアナログ演算
回路22が設けられている点と、カンチレバー変位検出
手段4の出力が、直接フィードバック回路10に接続さ
れている点である。なお、その他の部材は、前述した第
1の実施例と同様であるため、同等の部材には同等の符
号を付し、詳細な説明は省略する。
まず、このような構成において、試料の表面凹凸を測定
する動作について説明する。第6図において、カンチレ
バー1先端の変位は、カンチレバー変位検出器4によっ
て検出され、その変位信号ZTIFは、直接フィードバ
ック回路10に入力されている。フィードバック回路工
0では、第1図の装置で用いたZ TIFの振動振幅△
ZTIPを一定にするフィードバックと、第3図の装置
で用いたZTIPの振動中心値を一定に保つフィードバ
ックの2つのフィードバック方式を選択的に行うことが
できるものとする。したがって、前述した実施例同様、
このフィードバック電圧を記録することによって試料の
凹凸が測定されることになる。
次に、この装置による試料表面のバリアハイト測定につ
いて説明する。変位検出器4の出力Z□。
、と電流検出器11の出力であるトンネル電流■1は、
アナログ演算器22に入力されている。第7図はアナロ
グ演算器22の内部を示す図である。
第7図に示したように、変位検出出力Z7..は微分演
算器25を介して、またトンネル電流■□は対数演算器
26と微分演算器27を介して割り算器28に入力され
、以下の式に示す演算が行なわれる。
(alog  IT 1at) / (c?Zt+p 
/ at)=c?Iog  It /+9ZTIPO:
φI/2 、、、 (3)したがって、上記(3)式か
らも明らかなように、ロックインアンプを用いずに、ア
ナログ演算器を用いた場合でも、試料の表面凹凸、およ
びバリアハイトの同時測定が可能である。
この実施例のバリアハイト測定装置によれば、第1図に
示した装置の効果に加えて、装置構成が簡単になるとい
う効果が得られる。
ところで、試料のバリアハイト測定を行なうにあたって
は、試料の性慣によって、表面の状態密度のバイアス電
圧依存性が強い場合がある。一般にこの様な場合、トン
ネルバリアの構造を明らかにするために、バリアハイト
測定時に、バイアス電圧を変化させる必要があり、時に
は電界放出領域になるような電圧まで印加し、流れるト
ンネル電流の距離依存性を測定する事も考えられる。こ
の発明のバリアハイト測定装置は、印加するバイアス電
圧にかかわらず、試料の表面情報を得られるため、この
ように試料の電子やフォノンの状態密度分布を測定する
場合にも有効である。この場合、第1実施例におけるバ
イアス電圧印加手段を直流基準電源ではな(任意電圧発
生源として、この任意電圧発生源によって印加するバイ
アス電圧を走査し、設定した特定電圧時のバリアハイト
測定を行なえば良い。
第8図は、このような測定が可能なこの発明の第4の実
施例であり、試料表面の状態密度のバイアス電圧依存性
が強い場合のバリアハイト測定に有効なバリアハイト測
定装置の構成を示す図である。
この実施例が前述した第1図に示された実施例と異なる
点は、第1図装置のバイアス電圧源7を任意波形電圧発
生器20に変更した点と、第1のロックインアンプ5.
第2のロックインアンプ8゜トンネル電流検出回路11
.およびフィードバック回路10のそれぞれの出力端が
、演算回路21の入力端と接続されている点である。な
お、その他の部材は第1図で説明した実施例と同様であ
るため、同等の部材には同等の符号を付し、詳細な説明
は省略する。
このような構成により試料の凹凸を測定する動作は、先
に述べた第1図の実施例と同様であるため、ここでは説
明を省略する。
また、この実施例の装置による試料表面のバリアハイト
の測定は、以下のようにして行われる。
すなわち、データ処理装置21では、探針による試料走
査時に、試料のxy面との各点において、任意波形電圧
発生器20の電圧値V。とともに、トンネル電流の振動
中心値〈11〉、トンネル電流の振動振幅ΔTT、およ
びカンチレバーの振動振幅ΔZTIFの各データが入力
され、記憶される。
よって、これらのデータを前述した(2)式に代入して
演算することによって、各点におけるバリアハイトφが
算出される。
こうして求められたバリアハイトφの値は、バイアス電
圧■7と比較され、試料の局所的なバリア構造を明らか
にすることが可能となる。さらに、各点におけるバリア
構造の違いを見る事によって、試料物質の違いを判定す
ることも可能となる。
[発明の効果] 以上説明したように、この発明のバリアハイト測定装置
によれば、試料−探針間に任意のバイアス電圧を印加し
た状態で精密なバリアハイト測定を行うことができ、同
時に試料の凹凸像を得るこ第1図はこの発明の第1の実
施例の構成を示す図、第2図は試料探針間にはたらく原
子間力と両者の間隔距離との関係を示す図、第3図は第
1の実施例で得られる各信号の様子を示す図、第4図は
この発明の第2の実施例の構成を示す図、第5図は第2
の実施例で得られる各信号の様子を示す図、第6図はこ
の発明の第3の実施例の構成を示す図、第7図は第6図
のアナログ演算器を説明するためのブロック図、第8図
はこの発明の第4の実施例の構成を示す図である。
1・・・カンチレバー 2.6・・・圧電アクチュエー
タ3・・・発信器 4・・・変位量検出器5.8・・・
ロックインアンプ 7・・・バイアス電源9・・・試料
 10・・・フィードバック回路11・・・トンネル電
流検出回路 12・・・演算回路。
第2図 第3図 第4図 第5図 手続補正書 平成3年11月21日 1、事件の表示 平成2年特許願第313389号 2、発明の名称 バリアハイト測定装置 3、補正をする者 7、補正の内容 (1)明細書第4ページ第8〜12行の「11=・・・
距離である。」を次のように補正する。
r IT =B (VT ) exp(Aφ1/23)
・・・(1)ここでITはトンネル電流、V7はバイア
ス電圧、B(VT)はバイアス電圧に依存する係数、A
は約10.25nm−” (eV)−”’の数係数、φ
ハバリアハイト、Sは探針−試料間距離である。」 (2)明細書第14ページ第1行、及び同明細書第16
ページ第8行の「数人」を「約0.lnm程度」と補正
する。
(3)明細書第19ページ第20行の「原子間力は・・
・距離を」を「変位検出器の出力は実際の試料−探針間
距離の変化分を」と補正する。
(4)明細書第20ページ第12行の「変位検出回路」
を「変位検出器」と補正する。
(5)明細書第24ページ第20行の「変位検出手段」
を「変位検出器」と補正する。
(6)明細書第29ページ第7行の「可能となる。」の
後に、「例えば、トンネル電流OAの時のバイアス電圧
■、は、試料9と探針1との接触電位差となるので、試
料の仕事関数の情報を得ることができる。Jを加入する
(7)図面の第8図を別紙のように補正する。
以上

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)先端に設けた尖鋭な導電性の探針を試料に近接し
    て支持するとともに、この探針に作用する力を受けて弾
    性変形するカンチレバーと、 上記カンチレバーを試料表面に垂直な方向に振動させる
    振動手段と、 上記カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検
    出手段と、 上記カンチレバーの振動振幅を一定に保持すべく上記試
    料と探針との距離を制御するサーボ手段と、 上記試料と探針との間に電位差を与えるバイアス電圧印
    加手段と、 上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、 前記トンネル電流検出手段により検出されたトンネル電
    流およびカンチレバー変位検出手段により検出されたカ
    ンチレバーの変位から試料のバリアハイトを演算する演
    算手段とを具備したことを特徴とするバリアハイト測定
    装置。
  2. (2)先端に設けた尖鋭な導電性の探針を試料に近接し
    て支持するとともに、この探針に作用する力を受けて弾
    性変形するカンチレバーと、 上記カンチレバーを試料表面と垂直な方向に振動させる
    振動手段と、 上記カンチレバーの変位を検出するカンチレバー変位検
    出手段と、 上記カンチレバーの振動中心位置を試料表面に対して一
    定に保持するサーボ手段と、 上記試料と探針との間に電位差を与えるバイアス電圧印
    加手段と、 上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、 前記トンネル電流検出手段により検出されたトンネル電
    流およびカンチレバー変位検出手段により検出されたカ
    ンチレバーの変位から試料のバリアハイトを演算する演
    算手段とを具備したことを特徴とするバリアハイト測定
    装置。
  3. (3)上記サーボ手段およびトンネル電流検出手段は、
    選択性増幅器を有することを特徴とする請求項1または
    2に記載のバリアハイト測定装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002365194A (ja) * 2001-06-12 2002-12-18 Yuzo Mori 高周波パルス走査トンネル顕微鏡

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5266801A (en) * 1989-06-05 1993-11-30 Digital Instruments, Inc. Jumping probe microscope
JPH041949A (ja) * 1990-04-18 1992-01-07 Canon Inc 情報入力及び/または取出し装置
US5155361A (en) * 1991-07-26 1992-10-13 The Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Acting For And On Behalf Of Arizona State University Potentiostatic preparation of molecular adsorbates for scanning probe microscopy
US5336887A (en) * 1991-11-15 1994-08-09 Olympus Optical Co., Ltd. Scanning probe microscope
JP3074579B2 (ja) * 1992-01-31 2000-08-07 キヤノン株式会社 位置ずれ補正方法
JP3081979B2 (ja) * 1992-05-08 2000-08-28 セイコーインスツルメンツ株式会社 顕微鏡
US5406832A (en) * 1993-07-02 1995-04-18 Topometrix Corporation Synchronous sampling scanning force microscope
US5440121A (en) * 1993-12-28 1995-08-08 Seiko Instruments Inc. Scanning probe microscope
US5440920A (en) * 1994-02-03 1995-08-15 Molecular Imaging Systems Scanning force microscope with beam tracking lens
US5513518A (en) * 1994-05-19 1996-05-07 Molecular Imaging Corporation Magnetic modulation of force sensor for AC detection in an atomic force microscope
US5515719A (en) * 1994-05-19 1996-05-14 Molecular Imaging Corporation Controlled force microscope for operation in liquids
US5753814A (en) * 1994-05-19 1998-05-19 Molecular Imaging Corporation Magnetically-oscillated probe microscope for operation in liquids
US5866805A (en) * 1994-05-19 1999-02-02 Molecular Imaging Corporation Arizona Board Of Regents Cantilevers for a magnetically driven atomic force microscope
US5493231A (en) * 1994-10-07 1996-02-20 University Of North Carolina Method and apparatus for measuring the barrier height distribution in an insulated gate field effect transistor
JPH08122341A (ja) * 1994-10-24 1996-05-17 Olympus Optical Co Ltd 走査型プローブ顕微鏡
US5621210A (en) * 1995-02-10 1997-04-15 Molecular Imaging Corporation Microscope for force and tunneling microscopy in liquids
DE19513529A1 (de) * 1995-04-10 1996-10-17 Zeiss Carl Jena Gmbh Anordnung zur Erfassung der Topographie einer Oberfläche
JP3608009B2 (ja) * 1995-07-05 2005-01-05 株式会社ニコン 原子間力顕微鏡
US5700953A (en) * 1996-04-03 1997-12-23 University Of Utah Research Foundation Method for mapping mechanical property of a material using a scanning force microscope
DE19728357C2 (de) * 1997-07-03 2001-09-27 Martin Munz Vorrichtung und Verfahren in der kontaktierenden Rasterkraftmikroskopie mit periodischer Modulation der Auflagekraft zur Messung der lokalen elastischen und anelastischen Eigenschaften von Oberflächen unter Konstanthaltung der Deformation im Kontaktbereich von Meßsonde und Probenoberfläche
JP3925991B2 (ja) * 1997-07-08 2007-06-06 日本電子株式会社 走査プローブ顕微鏡
JPH1130619A (ja) * 1997-07-11 1999-02-02 Jeol Ltd 走査プローブ顕微鏡
US6518570B1 (en) * 1998-04-03 2003-02-11 Brookhaven Science Associates Sensing mode atomic force microscope
US6189374B1 (en) 1999-03-29 2001-02-20 Nanodevices, Inc. Active probe for an atomic force microscope and method of use thereof
US6881954B1 (en) * 1999-07-27 2005-04-19 Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Scanning probe microscope and method of measurement
US20100295560A1 (en) * 2008-09-30 2010-11-25 Quan Tran Scanning Impedance Microscopy (SIM) To Map Local Impedance In A Dielectric Film
CN101776434B (zh) * 2010-03-10 2011-12-14 南开大学 基于隧道电流反馈瞄准的小盲孔测量方法及测量装置
US10495665B2 (en) * 2016-09-19 2019-12-03 Zyvex Labs, Llc Methods, devices and systems for scanning tunneling microscopy control system design

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH643397A5 (de) * 1979-09-20 1984-05-30 Ibm Raster-tunnelmikroskop.
USRE33387E (en) * 1985-11-26 1990-10-16 International Business Machines Corporation Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution
GB8910566D0 (en) * 1989-05-08 1989-06-21 Amersham Int Plc Imaging apparatus and method
JP2916167B2 (ja) * 1989-07-11 1999-07-05 オリンパス光学工業株式会社 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法
US5066858A (en) * 1990-04-18 1991-11-19 Digital Instruments, Inc. Scanning tunneling microscopes with correction for coupling effects

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002365194A (ja) * 2001-06-12 2002-12-18 Yuzo Mori 高周波パルス走査トンネル顕微鏡

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Publication number Publication date
US5168159A (en) 1992-12-01
JP2915554B2 (ja) 1999-07-05

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