JPH04198702A - 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、走査型トンネル顕微鏡に関する。

〈従来の技術〉 一般に、走査型トンネル顕微鏡は、試料とこれに対向配
置された探針との間に電圧を印加し、両者間に流れるト
ンネル電流か一定となるように探針を走査することによ
り試料表面の形状を原子レベルの高分解能で観察するも
のである。

このような従来の走査型トンネル顕微鏡Ｉ。は、第３図
に示すように、ＣＰＵ２ｏからＤ／Ａ変換器４ａ、４ｂ
および増幅器６ａ、６ｂを介してＹ軸、Ｙ軸の各変位手
段としてのピエゾ素子８ｘ、８ｙに所定の電圧を印加し
て探針ｌＯを試料１２の表面に沿うＹ軸、Ｙ軸の各方向
に変位させる一方、この走査とは独立して、探針ｌＯと
試料１２との間に流れるトンネル電流の大きさをＩ／Ｖ
変換器１４て電圧値に変換し、その値と基準電圧のと差
をさらにコンデンサ、抵抗および反転増幅器（いずれも
図示省略）等からなる積分器１６で積分する。

そして、その積分信号が増幅器６Ｃを介してＺ軸変位手
段としてのピエゾ素子８Ｚにフィードバックして与える
。これにより、探針１０が試料１２に対して接としすぎ
ると、トンネル電流が多くなり、これに応じて積分器１
６からはピエゾ素子８Ｚを縮める電圧か出力され、逆に
トンネル電流が少なくなると積分器Ｉ６からはピエゾ素
子８Ｚを伸ばす電圧が出力される。このよう、にして、
第４図に示すように、探針ｌＯは試料１２との距離が常
に一定となるようにリアルタイムで制御される。

そして、Ｚ軸方向の変位量を決める積分器１６の出力電
圧がＡ／Ｄ変換器１８で所定のサンプリング周期でもっ
てデジタル化され、ＣＰＵ２．に試料１２表面の画像デ
ータとして取り込まれるようになっている。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記のように、従来のものは、試料１２０表面に対して
探針１０を走査しながら、トンネル電流を検出し、その
検出した積分器１６の出力でもって探針ｌＯのＺ軸方向
の位置をフィードバック制御しているので、トンネル電
流を検出してから探針ｌＯが実際にＺ軸方向に移動する
まではタイムラグを生じる。そのため、試料１２の表面
に大きな段差などがあると、フィードバック制御が間に
合わず、探針ｌＯが試料１２表面に接触して破損するな
どの不都合を生じる。

探針１０のフィードバック制御に要する時間を短縮する
には、たとえば積分器１６のＣＲ時定数を小さく設定す
ることが考えられるが、このようにすると、応答か速く
なる分、探針１０のハンチングか大きくなり、正確な測
定結果が得られない。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、探針が試料表面に接触して探針か破損するなどの不
都合を確実に回避するとともに、試料表面の情報か正確
に得られるようにするものである。

そのため、本発明は、試料に対して対向配置される探針
を試料の表面に対して直交するＺ軸方向に変位させるＺ
軸変位手段と、探針を試料表面に沿うＹ軸、Ｙ軸の各方
向に変位させるＹ軸、Ｙ軸の各変位手段と、Ｚ軸変位手
段を駆動するＺ軸変位信号を発生するＺ軸変位信号発生
部と、Ｙ軸、Ｙ軸の両変位手段を駆動する走査信号を発
生する走査信号発生部と、Ｚ軸変位信号発生部から出力
されているＺ軸変位信号を記憶する記憶部とを備えた走
査型トンネル顕微鏡において、次の構成を採る。

すなわち、本発明では、探針と試料との間に流れるトン
ネル電流の大きさを予め設定されたしきい値とを比較す
る比較部と、 この比較部からトンネル電流の大きさがしき、い値を越
えた場合に出力される判別信号に応答して前記Ｚ軸変位
信号発生部から出力されているＺ軸変位信号を前記記憶
部に取り込むとともに、この判別信号の有無に応じて府
記ＺＭ変位信号発生部と走査信号発生部とを交互に選択
的に起動するタイミング制御部と、 を備えている。

〈作用〉 上記構成において、タイミング制御部は、比較部から判
別信号が入力されないときに走査信号発生部を起動し、
これに応じて走査信号発生部は走査信号を出力するので
、これによりＹ軸、Ｙ軸の各変位手段か駆動されて探針
が試料表面に沿ってＹ軸またはＹ軸方向に変位される。

探針がＹ軸あるいはＹ軸に沿って一定距離だけ変位する
と、タイミング制御部は走査信号発生部からの走査信号
出力を停止させる一方、Ｚ軸変位信号発生部を起動して
Ｚ軸変位信号を出力する。

これによりＺ軸変位手段が駆動されて探針が試料表面に
接近する。その際に、探針と試料との間に流れるトンネ
ル電流の大きさが比較部によって予め設定されたしきい
値と比較される。トンネル電流の大きさがしきい値を越
えた場合には、比較部から判別信号が出力され、この判
別信号に応答してタイミング制御部は、その際にＺ軸変
位信号発生部から出力されているＺ軸変位信号の大きさ
を記憶部に取り込む。さらに、上記の判別信号に応答し
て、Ｚ軸変位信号発生部２２の出力が反転し、Ｚ軸変位
手段が逆方向に駆動され、探針が試料表面から離間する
。

探針が試料表面から所定の距離だけ離れると、タイミン
グ制御部は、Ｚ軸変位信号発生部からのＺ軸変位信号出
力を停止させる一方、走査信号発生部を起動してＺ軸変
位信号を出力させるので、これによりＸ軸またはＹ軸変
位手段が駆動されて探針が試料表面に対して再度変位さ
れる。

このように、Ｘ軸、Ｙ軸方向に沿う探針の走査と、Ｚ軸
方向に沿う探針の変位とが時分割で交互に切り換えられ
て制御される。そのため、探針が試料表面に接触するこ
とか確実に回避される。また、探針が試料表面に対して
常に一定の距離に近接したときのＺ軸変位信号発生部か
ら出力されているＺ軸変位信号の大きざか記憶部に取り
込まれるので、従来と比較すると量子化された不連続の
データとなるけれども、Ｘ軸、Ｙ軸方向の１ピツチ当た
りの変位量を小さくすれば分解能も高くなるので、十分
な測定結果か得られる。

〈実施例〉 第１図は走査型トンネル顕微鏡の制御回路部分の構成図
であり、第３図に示した従来例に対応する部分には、同
一の符号を付す。

同図において、符号１は走査型トンネル顕微鏡の全体を
示し、２はＣＰＵ、４ａ−４ｃはＤ　／　、Ａ変換器、
６ａ〜６Ｃは増幅器、８Ｘは試料１２に対して対向配置
される探針１０を試料１２の表面に対して直交するＺ軸
方向に変位させるＺ軸変位手段としてのピエゾ素子、８
×、８ｙは探針１２を試料１０表面に沿うＸ軸、Ｙ軸の
各方向に変位させるＸ軸、Ｙ軸の各変位手段としてのピ
エゾ素子である。１３は探針ｌＯと試料１２との間に所
定の電圧を印加するためのバイアス電源、１４はトンネ
ル電流をその大きさに対応する電圧値に変換するＩ／Ｖ
変換器、１８はＡ／Ｄ変換器である。

上記のＣＰＬ１２は、本例では、走査信号発生部２０、
Ｚ軸変位信号発生部２２、比較部２４、記憶部２６およ
びタイミング制御部２８を備えて構成される。走査信号
発生部２０は、Ｘ軸、Ｙ軸の両変位手段をそれぞれ駆動
する走査信号を発生するものであり、Ｚ軸変位信号発生
部２２は、Ｚ軸変位手段８Ｚを駆動するＺ軸変位信号を
発生するものである。また、記憶部２６は、ＲＡＭ等の
メモリで構成され、Ｚ軸変位信号発生部２２から出力さ
れているＺ軸変位信号の大きさを記憶する。

比較部２４は、探針ｌＯと試料１２との間に流れるトン
ネル電流の大きさを予め設定されたしきい値と比較し、
トンネル電流の大きさがしきい値を越えた場合に判別信
号を出力するものである。タイミング制御部２８は、比
較部２４からの判別信号に応答してＺ軸変位信号発生部
２２から出力されているＺ軸変位信号を記憶部２６に取
り込むとともに、この判別信号の有無に応じてＺ軸変位
信号発生部２２と走査信号発生部２０とを交互に選択的
に起動するものである。

次に、上記構成の走査型トンネル顕微鏡１の動作につい
て説明する。

タイミング制御部２８は、まず、走査信号発生部２０を
起動し、これに応じて走査信号発生部２０からＤ／Ａ変
換器４ａ、４ｂ、増幅器６ａ、６ｂを介してＸ軸、Ｙ軸
のピエゾ素子８Ｘ、８ｙに対して走査信号をそれぞれ出
力するので、これによりＸ軸、Ｙ軸の各ピエゾ素子８ｘ
、８ｙが駆動されて探針１０が試料１２の表面に沿って
Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に変位される。

こうして、探針ｌＯがたとえば第２図に示すように、Ｘ
軸あるいはＹ軸に沿って一定距離ρだけ変位すると、次
に、タイミング制御部２８は走査信号発生部２０の動作
を停止さ仕る一方、Ｚ軸変位信号発生部２２を起動し、
これに応じてＺ軸変位信号発生部２２からＺ軸変位信号
がＤ／Ａ変換器４ｃ、増幅器６ｃを介してＺ軸のピエゾ
素子８Ｚに出力される。これによりＺ軸のピエゾ素子８
Ｚが駆動されて探針ｌＯが試料１２表面に接近する。

その際に、探針１０と試料１２との間に流れるトンネル
電流の大きさがＩ／Ｖ変換器１４で電圧値に変換された
後、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル化されて比較部２４に
入力されるので、比較部２４はこのトンネル電流の大き
さを予め設定されたしきい値と比較する。トンネル電流
の大きさがしきい値を越えた場合には、比較部２４から
判別信号が出力され、この判別信号がタイミング制御部
２８とＺ軸変位信号発生部２２とに与えられる。この判
別信号に応答してタイミング制御部２８は、その際にＺ
軸変位信号発生部２２から出力されているＺ軸変位信号
の大きさを画像データとして記憶部２６に取り込む。さ
らに、上記の判別信号に応答して、Ｚ軸変位信号発生部
２２の出力が反転するので、Ｚ軸のピエゾ素子１０が逆
方向に駆動され、探針ｌＯが試料１２の表面から離間す
る。

探針１０が試料１２の表面から予め設定された一定の距
離ｍだけ離れると、タイミング制御部２８は、Ｚ軸変位
信号発生部２２の動作を停止する一方、走査信号発生部
２０を再び起動してＺ軸変位信号を出力させるので、こ
れによりＺ軸またはＹ軸のピエゾ素子８ｘ、８ｙが駆動
されて探針ｌＯが試料１２表面に対して再度変位される
。

このように、Ｚ軸、Ｙ軸方向に沿う探針１０の走査と、
Ｚ軸方向に沿う探針ＩＯの変位とが時分割で交互に切り
換えられて制御されるので、探針ｌＯが試料１２表面に
接触することか確実に回避される。また、探針１０が試
料１２表面に対して常に一定の距離に近接したときにＺ
軸変位信号発生部２２から出力されているＺ軸変位信号
の大きさが記憶部２６に取り込まれるので、従来と比較
すると量子化された不連続のデータとなるけれども、Ｘ
Ｍ、Ｙ軸方向の１ピツチ当たりの変位量を小さくすれば
分解能も高くなるため、十分な分解能をもつ測定結果が
得られる。

なお、この実施例では、探針１０をＺ軸方向に退避させ
る量を一定角としているが、たとえば、前回のデータの
微分値などから次のデータを有る程度予測させて、その
予測値から退避量を求めるようにしてもよい。

〈発明の効果〉 本発明によれば、探針は試料表面からＺ軸方向に向けて
十分な距離だけ一旦退避した上で次にＺ軸あるいはＹ軸
方向に変位されるので、探針が試料表面に接触して破損
するなどの不都合か確実に回避される。しかも、Ｚ軸、
Ｙ軸方向の１ピツチ当たりの変位量を小さくすれば十分
に高い分解能となるので、従来と同様に試料表面の情報
が正確に得られる等の優れた効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の実施例に係り、第１図は
走査型トンネル顕微鏡の制御回路部分の構成図、第２図
は探針の試料表面に対する動作の説明図である。 第３図および第４図は従来例に係り、第３図は走査型ト
ンネル顕微鏡の制御回路部分の構成図、第４図は探針の
試料表面に対する動作の説明図である。 １・・・走査型トンネル顕微鏡、２・・・ＣＰＵ、８ｘ
・・Ｘ軸変位手段、８ｙ・・・Ｙ軸変位手段、８Ｚ・・
・Ｚ軸変位手段、１０・・・探針、１２・・・試料、２
０・・・走査信号発生部、２２・・Ｚ軸変位信号発生部
、２４・・・比較部、２６・・記憶部、２８・・・タイ
ミング制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料に対して対向配置される探針を前記試料の表
   面に対して直交するＺ軸方向に変位させるＺ軸変位手段
   （８ｚ）と、 前記探針を試料表面に沿うＸ軸、Ｙ軸の各方向に変位さ
   せるＸ軸、Ｙ軸の各変位手段（８ｘ）、（８ｙ）と、 前記Ｚ軸変位手段（８ｚ）を駆動するＺ軸変位信号を発
   生するＺ軸変位信号発生部（２２）と、前記Ｘ軸、Ｙ軸
   の両変位手段を駆動する走査信号を発生する走査信号発
   生部（２０）と、 前記Ｚ軸変位信号発生部（２２）から出力されているＺ
   軸変位信号を記憶する記憶部（２６）と、を備えた走査
   型トンネル顕微鏡において、 前記探針と試料との間に流れるトンネル電流の大きさを
   予め設定されたしきい値とを比較する比較部（２４）と
   、 この比較部（２４）からトンネル電流の大きさがしきい
   値を越えた場合に出力される判別信号に応答して前記Ｚ
   軸変位信号発生部（２２）から出力されているＺ軸変位
   信号を前記記憶部（２６）に取り込むとともに、この判
   別信号の有無に応じて前記Ｚ軸変位信号発生部（２２）
   と走査信号発生部（２０）とを交互に選択的に起動する
   タイミング制御部（２８）と、 を備えることを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。