JPH04307307A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、観察すべき試料の表面
とその表面に相対向する探針との間に流れるトンネル電
流を測定することにより、試料表面の状態を測定する走
査型トンネル顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、試料表面の状態を観察する手段と
しては、実空間での状態をそのまま観察できる走査型ト
ンネル顕微鏡が注目されている。これは、ジー・ビニッ
ヒ（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ）とエッチ・ローラ（Ｈ．Ｒｏｈ
ｒｅｒ）の考案になるもので、探針と試料の間に流れる
トンネル電流を用いて試料の表面形状の測定を行なうも
のである（フィジカル・レビュー・レター・第４９号・
５７頁・１９８２年＝Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ　　ｅｔ．ａ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９．Ｐ５７．１９
８２およびＵ．Ｓ．Ｐ４３４３９９３参照）。

【０００３】以下、従来の走査型トンネル顕微鏡につい
て図４を参照して説明する。図４において、１は基台で
あり、その上に架設台２が設けられている。架設台２の
上部水平部の先端部下側には、試料台３が設けられ、こ
の試料台３に試料４が取り付けられている。５は探針で
あり、探針台６の上部に垂直に保持されている。７，８
，９は探針台６の側部および下部に一端が互いに直角に
交差するように接合された微動機構を構成する圧電素子
である。Ｘ，Ｙ方向の圧電素子７，８の他端は、それぞ
れ基台１に垂直に立設された架設台１０，１１に接合さ
れ、Ｚ方向の圧電素子９の他端は、基台１に接合されて
いる。これらの部材は、真空容器１２内に収容され、図
示されない除振機構に支持されている。

【０００４】次に、以上のように構成された走査型トン
ネル型顕微鏡の動作について説明する。まず、図示され
ない粗動機構により試料４と探針５との間の距離を近づ
ける。次に、駆動回路１３でＸ，Ｙ方向の圧電素子７，
８を駆動することにより、探針５で試料４の表面を試料
４に平行なＸ，Ｙ方向に走査させる。この時、検出手段
１５により検出される探針５と試料４の間に流れるトン
ネル電流が一定の値になるように、制御回路１４が駆動
回路１３を介してＺ方向の圧電素子９の駆動を制御する
。このトンネル電流の値は、探針５と試料４の間の距離
の変化に対して敏感に変化するため、試料４の表面の微
細な凹凸の変化を電流の大きな変化として観測すること
ができ、これをコンピュータにより画像化処理して、試
料４の表面構造を得る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
構成では、最終的に得られる試料４の表面に関するデー
タが、必然的に探針５の先端の形状に依ってしまうため
に、例えば探針５の先端に複数の原子の突起があれば、
そのそれぞれと試料４の間に電流が流れて、探針５の先
端に生じた原子の突起の数だけ重なった像が得られる等
、得られたデータの信頼性に問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、試料表面に関して得られたデータの探針
先端の形状への依存性を確認する手段を備えた走査型ト
ンネル顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、探針をその軸を中心に試料に対して相対
的に回転させる手段を備えたものである。

【０００８】

【作用】本発明は、上記構成によって、探針をその軸を
中心に試料に対して相対的に回転させることにより、回
転させる前の位置で得た試料表面のデータと回転後の位
置で得た試料表面のデータとを比較することにより、探
針先端の形状への試料表面のデータの依存性を調べるこ
とができ、得られたデータの信頼性を確認することがで
きる。

【０００９】すなわち、回転前の試料表面のデータと回
転後の試料表面のデータとが同じであれば、探針の先端
形状への依存性が小さく、回転前後で得られたデータが
異なっていれば、先端形状への依存性が大きいので、そ
のような探針は不適合とする。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図１は本発明の第１の実施例における
走査型トンネル顕微鏡の概略構成を示しており、図４に
示した従来例と同様な部分には同様な符号を付してある
。

【００１１】図１において、１は基台であり、その上に
架設台２が設けられている。架設台２の上部水平部の先
端部下側には、ステップモータ１６およびその回転軸１
７に固定された試料台３が設けられ、この試料台３に試
料４が取り付けられている。５は探針であり、探針台６
の上部に垂直に保持されている。７，８，９は探針台６
の側部および下部に一端が互いに直角に交差するように
接合された微動機構を構成する圧電素子である。Ｘ，Ｙ
方向の圧電素子７，８の他端は、それぞれ基台１に垂直
に立設された架設台１０，１１に接合され、Ｚ方向の圧
電素子９の他端は、基台１に接合されている。これらの
部材は、真空容器１２内に収容され、図示されない除振
機構に支持されている。

【００１２】図２は、上記実施例における試料台近傍の
詳細を示している。図２において、２は架設台であり、
架設台２の水平部の先端部下側にモータ支持台１８が設
けられ、その下側にステップモータ１６が下向きに取り
付けられている。ステップモータ１６の下向きに伸びる
モータ回転軸１７には、回転台１９が固定され、この回
転台１９の下側に試料台３が取り付けられており、この
試料台３に試料４が設けられている。したがって、ステ
ップモータ１６が回転すると、モータ回転軸１７、回転
台１９および試料台３を介して、試料４がモータ回転軸
１７を中心に回転が可能になる。

【００１３】次に上記第１の実施例の動作について、図
１および図２を参照しながら説明する。まず、モータ回
転軸１７は、探針５の直上に位置して、両者のアライン
メントは正確にでているものとする。そして、試料台３
には、表面のデータが既知の試料４が、予め定めた基準
点をモータ回転軸１７の中心に一致させて取り付けられ
ている。

【００１４】次に図示されない粗動機構により試料４と
探針５との間の距離を近づけ、Ｘ方向の圧電素子７に圧
電素子駆動回路１３から電圧を印加して、探針５を試料
４の予め定めた基準点から試料４の表面に対し水平なＸ
方向に移動させ、一定距離移動させた後、探針５を元の
基準点に戻し、次いでＹ方向の圧電素子８により、探針
５をＸ方向に対し直角なＹ方向に僅かに移動させた後、
再び圧電素子７により探針５をＸ方向に移動させて走査
を行なう。この間、試料４の表面と探針５との間には定
電圧が印加されており、その間に流れるトンネル電流を
電流検出手段１５により検出し、その電流が一定の値に
なるように、制御回路１４が圧電素子駆動回路１３を通
じてＺ方向の圧電素子９の印加電圧を制御する。

【００１５】このようにして、試料４と探針５との間に
流れるトンネル電流値の変化を測定することにより、試
料４の表面に関するデータが得られ、これをコンピュー
タで処理することにより画像を得る。

【００１６】次に、試料４をステップモータ１６により
所定角度だけ回転させて、２回目の測定を行なう。この
２回目の測定に際しては、モータ駆動回路２０から制御
回路１４に試料４を何度回転させたかの情報が入力され
ており、制御回路１４は、この情報をもとに、探針５が
試料４の基準点からこの試料表面上での前回測定と同じ
方向に走査できるように、圧電素子７，８に印加する電
圧を組み合わせ、電圧素子駆動回路１３を通じて駆動す
る。

【００１７】このようにして得た１回目のデータと２回
目のデータとを比較することにより探針５の良否を検査
する。すなわち、比較した結果が同じであれば、探針５
の先端形状に対するデータの依存性は充分小さいと判断
でき、その探針５は適合品となり、比較した結果が同じ
でない場合は不適合品となる。

【００１８】結果が同じということは、探針５の先端部
に１個の原子が存在するということであり、したがって
試料４を探針５を中心に回転させても同じデータが得ら
れる。逆に、比較したデータが異なっている場合は、探
針５の先端部に複数個の原子が存在する場合であり、走
査方向が同一であっても探針５の先端部の原子の配列方
向が異なってくるので、得られるデータも異なったもの
となる。したがって、このような探針５は、探針５の先
端形状に対するデータの依存性が大きいと判断し、不適
合品とする。

【００１９】図３は本発明の第２の実施例における走査
型トンネル顕微鏡の概略構成を示しており、図１に示し
た第１の実施例と同様な要素には同様な符号を付してあ
る。

【００２０】図３に示す第２の実施例が上記第１の実施
例と異なるのは、試料４を取り付けるための試料台３が
、架設台２の先端部下側に直接取り付けられていること
と、探針台６の上面に、ステップモータ１６がその回転
軸１７を上方に垂直に向けて固定され、そのモータ回転
軸１７に探針５が、モータ回転軸１７とのアラインメン
トを正しく調整されて継手２１により結合されているこ
とである。他の構造は概ね同じである。

【００２１】次に上記第２の実施例の動作について説明
する。まず試料台３には、良好な先端形状の探針のもと
に既に正確な測定データが得られた試料４を取り付け、
ステップモータ１６の軸継手２１には、これから検査し
ようとする探針５を取り付ける。軸継手２１に探針５を
取り付けた時には、探針５とモータ回転軸１７とのアラ
インメントが正確にでるようになっている。次に図示さ
れない粗動機構により試料４と探針５との間の距離を近
づけ、Ｘ方向の圧電素子７に圧電素子駆動回路１３から
電圧を印加して、探針５を試料４の予め定めた基準点か
ら試料４の表面に対し水平なＸ方向に移動させ、一定距
離移動させた後、探針５を元の基準点に戻し、次いでＹ
方向の圧電素子８により、探針５をＸ方向に対し直角な
Ｙ方向に僅かに移動させた後、再び圧電素子７により探
針５をＸ方向に移動させて走査を行なう。この間、試料
４の表面と探針５との間には定電圧が印加されており、
その間に流れるトンネル電流を電流検出手段１５により
検出し、その電流が一定の値になるように、制御回路１
４が圧電素子駆動回路１３を通じてＺ方向の圧電素子９
の印加電圧を制御する。

【００２２】このようにして、試料４と探針５との間に
流れるトンネル電流値の変化を測定することにより、試
料４の表面に関するデータが得られ、これをコンピュー
タで処理することにより画像を得る。

【００２３】既知の試料４に対する１回目のデータが得
られた後は、探針５を試料４の基準点に戻すとともに、
モータ駆動回路２０によりステップモータ１６を介して
探針５を所定の角度だけ回転させて、２回目の測定を１
回目と全く同様にして行なう。そして１回目の測定デー
タと２回目の測定データとを比較し、結果が同じであれ
ば、探針５の先端形状に対するデータの依存性は充分小
さいと判断する。

【００２４】このように、上記各実施例によれば、探針
５の先端部の走査トンネル顕微鏡像への影響を実際に把
握することが可能になり、結果的に探針５の先端部の形
状の走査トンネル顕微鏡像への影響を排除することが可
能となる。

【００２５】なお、上記各実施例において、探針５の先
端形状の検査をより正確に行なうためには、ステップモ
ータ１６による回転角の割り出しを２以上に分けて、異
なる角度での検査を２回以上行なう必要がある。

【００２６】また、上記各実施例における探針５とモー
タ回転軸１７とのアラインメントを正確に行なうために
は、探針５を微動させる圧電素子７，８，９を利用した
微動機構と同様な機構により、ステップモータ１６の位
置決めを行なうようにしてもよい。

【００２７】また、探針５または試料４を回転させるた
めには、ステップモータ１６の代わりに他の駆動手段を
用いてもよい。

【００２８】さらに、上記各実施例は、本発明を探針５
を試料４の表面に対して移動させるタイプの走査型トン
ネル顕微鏡として例示したが、本発明は、探針を固定し
て試料を移動させて走査するタイプの走査型トンネル顕
微鏡に対しても適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、探針を
その軸を中心に試料表面に対して相対的に回転させる手
段を設けることにより、試料表面の走査型トンネル顕微
鏡像に及ぼす探針先端部の形状の影響を調べることがで
き、最終的にはその影響を取り除いて、信頼性の高いデ
ータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す走査型トンネル顕
微鏡の概略斜視図

【図２】上記第１の実施例における試料台近傍の概略斜
視図

【図３】本発明の第２の実施例を示す走査型トンネル顕
微鏡の概略斜視図

【図４】従来例を示す走査型トンネル顕微鏡の概略斜視
図

【符号の説明】

１　　基台 ２　　架設台 ３　　試料台 ４　　試料 ５　　探針 ６　　探針台 ７　　Ｘ方向の圧電素子 ８　　Ｙ方向の圧電素子 ９　　Ｚ方向の圧電素子 １０　　架設台 １１　　架設台 １２　　真空容器 １３　　圧電素子駆動回路 １４　　制御回路 １５　　電流検出手段 １６　　ステップモータ １７　　モータ回転軸 １８　　モータ支持台 １９　　回転台 ２０　　モータ駆動回路 ２１　　軸継手

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　探針または試料を試料の表面に沿う方
   向とそれに垂直な方向へ相対的に移動させる微動機構と
   、前記探針と試料の間に流れるトンネル電流を計測して
   前記微動機構の駆動を制御する手段と、前記探針をその
   軸を中心に試料表面に対して相対的に回転させる手段と
   を備えた走査型トンネル顕微鏡。