JPH04361110A - 原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡およびその制御方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋭く尖らせた探針を試
料表面に接近させ、探針先端と試料表面との距離に依存
する物理量を検出することにより、表面形状の測定や材
料分析などを高い空間分解能で行う走査型プローブ顕微
鏡に関するもののうち、探針先端と試料表面に働く原子
間力等の力を検出して表面形状を測定する原子間力顕微
鏡と、探針先端と試料表面の間に流れるトンネル電流を
検出して表面形状や電子的特性を測定する走査型トンネ
ル顕微鏡とを複合した原子間力顕微鏡／走査型トンネル
顕微鏡およびその制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略
記する）は導電性物質の表面を原子オーダーの高分解能
で観察や分析ができ、また原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭ
と略記する）は導電性とは無関係に表面を原子オーダー
の高分解能で観察できるということで注目されている。 これらの複合装置である原子間力顕微鏡／走査型トンネ
ル顕微鏡（以下ＡＦＭ／ＳＴＭと略記する）は導電性物
質と非導電性物質が混在する表面について表面形状の観
察と電子的特性の分析が高い空間分解能で同時にできる
ということで注目されており、例えば日本金属学会会報
第２９巻第５号（１９９０）３４９頁から３５７頁に解
説されている。

【０００３】従来のＡＦＭ／ＳＴＭの構成および動作は
以下の通りである。すなわち、先端が鋭く尖った探針を
取り付けた柔らかい板バネを試料表面に接近させると、
探針先端と試料表面の間に原子間力により斥力又は引力
が働き、板バネがたわむ。このたわみの量は板バネ背面
の別の探針と板バネ背面間に流れるトンネル電流量や光
てこの原理による光検出器の検出量により、非常に高い
感度で検出することが可能である。また、導電性の探針
・板バネを用い、試料と探針の間にバイアス電圧を印加
することにより、試料が導電性である場合、トンネル現
象によるトンネル電流が試料・探針間に流れる。この原
子間力やトンネル電流は試料・探針間距離に大きく依存
するので、試料をＸＹ方向（面内方向）にラスタースキ
ャンさせながらこの物理量を検出し、これが一定になる
ように試料をＺ方向（試料表面に垂直な方向）にフィー
ドバック制御することにより、原子オーダーで試料の表
面形状が観察できる。例えば、導電性物質と非導電性物
質が混在する表面で、原子間力が一定になるようにフィ
ードバック制御してトンネル電流をラスタースキャンに
対応させながらマッピングすることにより、表面形状と
導電性物質の分布が高い空間分解能で観察できる。また
、トンネル電流が一定になるようにフィードバック制御
しながら原子間力を検出することにより、ＳＴＭ観察中
に試料・探針間に働く力を測定することができる。

【０００４】ところで、ＳＴＭの方法に分光機能を付加
した走査型トンネル分光法（以下ＳＴＳと略記する）と
いう技術がある。これは、各ＸＹ走査点で試料・探針間
の相対位置を一旦固定した状態で、バイアス電圧を掃引
しながらトンネル電流信号を入力し、Ｉ（トンネル電流
）−Ｖ（バイアス電圧）特性を測定することにより、各
ＸＹ走査点での電子的特性を高い分解能で分析できる方
法として注目されている。例えば日本物理学会誌ｖｏｌ
．４６，Ｎｏ．４（１９９１）２９３頁から２９５頁に
解説されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術によるＡＦＭ／ＳＴＭでは、原子間力を一定の
条件で、ある値に設定したバイアス電圧を試料・探針間
に印加した際に流れるトンネル電流値の空間分布、つま
り特定のバイアス電圧での導電性の空間分布の像および
試料表面の凹凸像が得られるのみで、分光機構がない。 従って、特定のバイアス電圧での導電性が同じであって
も試料・探針間のＩ−Ｖ特性等の電気的特性の異なる複
数の物質が混在する試料表面を観察したい場合や、表面
状態密度等の詳しい電子的特性を得たい場合には、これ
ができないという問題があった。

【０００６】また、非導電性物質を含む表面を観察する
場合には、トンネル電流が一定になるようにフィードバ
ック制御する方法は使えず、原子間力が一定になるよう
にフィードバック制御することになるが、この場合、原
子間力よりトンネル電流の方が垂直方向の分解能が高い
（距離依存性が大きい）ので、フィードバック制御の誤
差によるトンネル電流の変動が大きく、異なる導電性物
質を区別することが難しいという問題があった。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その第１の目的は電気的特性は異な
るが特定のバイアス電圧での導電性が同じである複数の
物質が混在する試料表面の観察や、表面状態密度等の詳
しい電子的特性の測定が可能なＡＦＭ／ＳＴＭを提供す
ることにある。

【０００８】また、本発明の第２の目的は非導電性物質
を含む表面を観察する場合に、フィードバック制御の誤
差によるトンネル電流の変動を小さくし、異なる導電性
物質を区別しそれらの分質分布を観察することが可能な
ＡＦＭ／ＳＴＭを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するために、本発明の原子間力顕微鏡／走査型トンネル
顕微鏡およびその制御方法においては、試料と、探針と
、該試料・探針間の該試料表面の面内方向の相対的位置
を走査制御する走査制御部と、該試料・探針間の該試料
表面に垂直な方向の相対的位置をフィードバック制御す
るフィードバック制御部と、該試料又は該探針にバイア
ス電圧を印加するバイアス電圧制御部と、該試料・探針
間に働く力を検出する原子間力検出部と、該試料・探針
間に流れる電流を検出するトンネル電流検出部から構成
されている原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡にお
いて、前記フィードバック制御部から前記原子間力検出
部から出力される原子間力の信号の値をパラメータとし
た関数を帰還信号としてフィードバック制御を行い、か
つ走査型トンネル分光法の方法による分光機能を付加す
ること、つまり前記バイアス電圧制御部が所定の電圧波
形でバイアス電圧を変化させると同時に、走査制御にお
ける走査点で電気的特性などの異なるバイアス電圧のト
ンネル電流信号を前記トンネル電流検出部が入力するこ
とを特徴としている。

【００１０】また、同じく上記の第２の目的を達成する
ため、本発明の原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡
およびその制御方法においては、試料と、探針と、該試
料・探針間の該試料表面の面内方向の相対的位置を走査
制御する走査制御部と、該試料・探針間の該試料表面に
垂直な方向の相対的位置をフィードバック制御するフィ
ードバック制御部と、該試料又は該探針にバイアス電圧
を印加するバイアス電圧制御部と、該試料・探針間に働
く力を検出する原子間力検出部と、該試料・探針間に流
れる電流を検出するトンネル電流検出部から構成されて
いる原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡において、
前記フィードバック制御部が、前記原子間力検出部から
出力される原子間力の信号およびトンネル電流検出部か
ら出力されるトンネル電流の信号の双方を同時に入力し
、これらをパラメータとする関数を帰還信号として該試
料表面の導電性／非導電性の性質に応じてフィードバッ
ク制御することを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明の原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微
鏡（ＡＦＭ／ＳＴＭ）では、従来のＡＦＭ／ＳＴＭに走
査型トンネル分光法（ＳＴＳ）の方法による分光機能を
付加することにより、つまり試料・探針間の相対的位置
の走査制御における各走査点で、バイアス電圧を所定波
形の高周波で変化させると同時に、複数のトンネル電流
信号を測定し、バイアス電圧と時間対応させることによ
り、各走査点でのＩ−Ｖ特性が得られるようにする。こ
れにより、電気的特性は異なるが特定のバイアス電圧で
の導電性が同じである複数の物質が混在する試料表面の
物質分布観察や、表面状態密度等の詳しい電子的特定の
測定を高い空間分解能で可能にしている。

【００１２】また、本発明の原子間力顕微鏡／走査型ト
ンネル顕微鏡（ＡＦＭ／ＳＴＭ）においては、フィード
バック制御部が、トンネル電流の信号と試料・探針間に
働く原子間力の信号の双方を同時に入力し、これらをパ
ラメータとする関数を帰還信号としてフィードバック制
御する。例えば、トンネル電流が流れる部分は導電性で
あると判断し、トンネル電流を一定にすることを優先し
たフィードバック制御を行い、トンネル電流が流れない
部分は非導電性であると判断し、原子間力を一定にして
フィードバック制御を行う。このようにフィードバック
制御部がトンネル電流と原子間力の複数信号を入力して
フィードバック制御を行うことにより、非導電性物質を
含む表面を観察する場合に、フィードバック制御の誤差
によるトンネル電流の変動を小さくし、異なる導電性物
質を区別することを可能としている。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１４】図１は本発明の第１の実施例を示すＡＦＭ
／ＳＴＭの構成図である。本実施例におけるＡＦＭ／Ｓ
ＴＭを構成する部分として、図中の１は試料、２ａは探
針、２ｂは板バネ、２ｃはレーザー発信器、２ｄは光検
出器、２ｅはＸＹＺ軸圧電素子、２ｆはトンネル電流検
出器、３はフィードバック制御回路、４は走査波形発生
回路、５は所定の波形でバイアス電圧を発生するバイア
ス電圧制御回路、６ａ，６ｂはストレージオシロスコー
プである。板バネ２ｂ，レーザー発信器２ｃ，光検出器
２ｄは試料１・探針２ａ間に働く力（原子間力）を検出
する原子間力検出部に相当する試料１はＸＹＺ軸圧電素
子２ｅ上に載置され、試料１表面に平行な平面上（面内
方向）の直交軸をＸＹ軸として、また試料１表面に垂直
な方向をＺ軸として探針２ａとの相対的位置が制御され
る。

【００１５】上記各部の接続構成と各部の機能は次の通
りである。探針２ａは板バネ２ｂの先端に固着され、試
料１表面に近接して配置される。ここで、試料１の表面
と探針２ａの先端の間に原子間力が働くと、探針２ａと
一体となっている板バネ２ｂがたわむ。このたわみ量は
、レーザー発信器２ｃから発信されたレーザー光の進路
を変え、これが光検出器２ｄにより検出されて原子間力
信号として出力される。つまり、光検出器２ｄを構成す
る左右２つの光検出部分の各光検出量の差信号が、板バ
ネ２ｂのたわみを高感度で検出する。フィードバック制
御回路３は、光検出器２ｄから原子間力信号を入力し、
この信号が一定になるようにフィードバック制御し、そ
の結果をＺ印加電圧信号として出力する。例えば、原子
間力信号から一定の設定基準値を差し引いた帰還信号に
ついて、この帰還信号が常にゼロに近づくように、帰還
信号を予め設定した時定数で積分し、これに帰還信号に
比例する信号を加えるなどした信号を増幅し、Ｚ印加電
圧信号として出力する。Ｚ印加電圧信号はＸＹＺ軸圧電
素子２ｅのＺ印加端子に入力され、試料１のＺ軸方向の
位置を変化させることにより、試料１・探針２ａ間距離
が常に一定に制御される。走査波形発生回路４は、試料
１をＸ，Ｙ方向にラスタースキャンの方法で走査制御す
るためのＸ，Ｙ掃引信号をＸＹＺ軸圧電素子２ｂのＸ，
Ｙ印加端子に出力する。ストレージオシロスコープ６ａ
はフィードバック制御回路３からＺ印加電圧信号を入力
し、走査波形発生回路４からＸ，Ｙ掃引信号を入力して
、これらを関連付け、試料１の凹凸を示すＡＦＭ像を３
次元図形や濃淡図として表示する。バイアス電圧制御回
路５は高周波の三角波を試料１に出力する。試料１・探
針２ａ間に流れており、バイアス電圧や試料１の電気的
特性に従って変化するトンネル電流は、板バネ２ｂに接
続されたトンネル電流検出器２ｆによって検出され、ス
トレージオシロスコープ６ｂに出力される。ストレージ
オシロスコープ６ｂはトンネル電流検出器２ｆからトン
ネル電流の信号を入力し、バイアス電圧制御回路５から
バイアス電圧信号を入力し、さらに走査波発生回路４か
らＸ，Ｙ掃引信号を入力して、これらを関連付け、試料
１の電気的特性の分布や表面状態密度等の電子的特性を
示すＳＴＳ像を３次元図形や濃淡図として表示する。

【００１６】以上のように構成した第１の実施例の作用
を述べる本実施例では、バイアス電圧制御回路５が所定
の電圧波形でバイアス電圧を掃引することにより、従来
のＡＦＭ／ＳＴＭにＳＴＳ（走査型トンネル分光法）に
よる分光機能を付加したものである。本実施例でのＸ掃
引信号と試料表面の物質分布、各物質の電気的特性、バ
イアス電圧、トンネル電流の関係の例を図２（ａ），（
ｂ−１），（ｂ−２），（ｃ），（ｄ）に示す。試料が
図２（ａ）に示すようにＸ掃引信号の値に対応する部分
で物質Ａ，物質Ｂと物質Ｃからなっており、物質Ｃは非
導電性物質であり、物質Ａと物質Ｂの電気的特性が順に
図２（ｂ−１），（ｂ−２）に示したトンネル電流のバ
イアス電圧依存性を持つものとする。例えば、順にｐ型
半導体およびｎ型半導体である場合にはこのような電気
的特性を持つものがある。所定の電圧波形のバイアス電
圧としては図２（ｃ）に示すような高周波の三角波とす
るのが適当であり、この場合、トンネル電流は図２（ｄ
）に示したようになる。このトンネル電流の波形とＸ，
Ｙ掃引信号を関連付けることにより、試料表面の各物質
の分布を観察することができる。また、導電性の各部分
について、ＳＴＳの方法に従って表面状態密度等の電子
的特性の情報を得ることも可能である。これに対して従
来例の様にバイアス電圧が直流である場合、正バイアス
電圧では物質Ｂと物質Ｃの各部分で共にトンネル電流が
流れないので区別ができず、負バイアス電圧では同様に
物質Ａと物質Ｃの区別ができない。

【００１７】このように従来のＡＦＭ／ＳＴＭにＳＴＳ
の方法による分光機能を付加することにより、導電性物
質と非導電性物質が混在する表面で、例えば、上記物質
Ａ，物質Ｂ，物質Ｃの試料・探針間のＩ−Ｖ特性が示す
ような電気的特性は異なるが特性のバイアス電圧での導
電性が同じである複数の導電性物質の分布観察や、表面
状態密度等の詳しい電子的特性の測定が高い空間分解能
で可能となる。

【００１８】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００１９】図３はその第２の実施例を示すディジタル
制御のＡＦＭ／ＳＴＭの構成図であって、１は試料、２
ａは探針、２ｂは板バネ、２ｃはレーザー発信器、２ｄ
は光検出器、２ｅはＸＹＺ軸圧電素子、１２ａ，１２ｂ
はＡ／Ｄ変換器、１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆはＤ
／Ａ変換器、１３はＤＳＰ部（ディジタルシグナルプロ
セッサ部）、１４は制御用コンピュータである。

【００２０】試料１，探針２ａ，板バネ２ｂ，レーザー
発信器２ｃ，光検出器２ｄ，ＸＹＺ軸圧電素子２ｅの構
成は第１の実施例と同様である。Ａ／Ｄ変換器１２ａは
、試料１・探針２ａ間に流れるトンネル電流を検出し、
これをディジタル信号に変換し、ＤＳＰ部１３に出力す
る。Ａ／Ｄ変換器１２ｂは、光検出器２ｄから原子間力
信号を入力し、これをディジタル信号に変換し、ＤＳＰ
部１３に出力する。Ｄ／Ａ変換器１２ｃはＤＳＰ部１３
から入力したディジタルのバイアス電圧信号をアナログ
信号に変換し、試料１に出力する。Ｄ／Ａ変換器１２ｄ
，１２ｅはＤＳＰ部１３から入力したディジタルのＸ，
Ｙ掃引信号をアナログ信号に変換し、ＸＹＺ軸圧電素子
２ｅのＸ，Ｙ印加端子に出力する。Ｄ／Ａ変換器１２ｆ
はＤＳＰ部１３から入力したディジタルのＺ印加電圧信
号をアナログ信号に変換し、ＸＹＺ軸圧電素子２ｅのＺ
印加端子に出力する。ＤＳＰ部１３は予め制御用コンピ
ュータ１４から指示された方法に従って、Ａ／Ｄ変換器
１２ａ，１２ｂから順にトンネル電流信号と原子間力信
号を入力し、Ｄ／Ａ変換器１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１
２ｆに順にバイアス電圧信号，Ｘ掃引信号，Ｙ掃引信号
，Ｚ印加電圧信号を出力することにより、試料１・探針
２ａ間距離を一定にするためのフードバック制御および
ＸＹ方向に試料１を走査するための走査制御、バイアス
電圧制御を行う。制御用コンピュータ１４は、ＤＳＰ部
１３にフードバック制御，走査制御，バイアス電圧制御
の方法を指示し、ＤＳＰ部１３から得られたデータを入
力し、これを表示，記憶，処理する。具体的には、Ｘ，
Ｙ掃引信号に対するＺ印加電圧信号による凹凸を示す像
またはトンネル電流信号による導電性などの電気的特性
を示す像などが得られる。

【００２１】以上のように構成した第２の実施例の動作
および作用を述べる。

【００２２】まず、ＤＳＰ部１３が行うフィードバック
制御、走査制御およびバイアス電圧制御の動作について
説明する。図４はその制御方法を示すフローチャートで
あって、Ｖはバイアス電圧値、Ｉはトンネル電流信号値
、Ｆは原子間力信号値、Ｚは印加電圧信号値である。 ＩＢはトンネル電流の絶対値がこの値以下の場合は原子
間力のみをフィードバック制御の対象とする境界値、Ｆ
Ｂは原子間力がこの値以下かつトンネル電流の絶対値が
ＩＢ以上の場合はトンネル電流のみをフィードバック制
御の対象とする境界値で、ＦＳは原子間力がこの値とな
る様に探針をＺ方向にフィードバック制御する設定基準
値、ＩＳはトンネル電流の絶対値がこの値に一定となる
様に探針をＺ方向にフィードバック制御する設定基準値
で、（Ｆ−ＦＳ）または（│Ｉ│−ＩＳ）はフィードバ
ック制御の帰還信号となる。ＺＦ，ＺＩ，ＺＦＩは各々
の場合に、帰還信号からＺ印加電圧信号値を求めるフィ
ードバック制御関数である。

【００２３】ＤＳＰ部１３は、まずバイアス電圧Ｖを出
力し、次にトンネル電流信号Ｉと原子間力信号Ｆを入力
する。トンネル電流信号の絶対値│Ｉ│が境界値ＩＢよ
り小さい場合には、そこは非導電性物質である可能性が
高いと判断して原子間力のみをフィードバック制御の対
象とし、（Ｆ−ＦＳ）を帰還信号とするＺＦのフィード
バック制御関数を計算する。トンネル電流信号の絶対値
│Ｉ│が境界値ＩＢ以上でかつ原子間力信号Ｆが境界値
ＦＢより小さい場合には、そこは導電性の高い物質であ
ると判断してＺ方向分解能の高いトンネル電流のみをフ
ィードバック制御の対象とし、（│Ｉ│ーＩＳ）を帰還
信号とするＺＩのフィードバック制御関数を計算する。 それ以外の場合は、そこは導電性はあるものの十分では
ない可能性が高いと判断して原子間力とトンネル電流の
双方をフィードバック制御の対象としたり、あるいは導
電性が十分ではない理由や測定の目的によっては、後で
述べるようにＺＦＩの制御関数中の係数の値を選ぶこと
により、事実上トンネル電流のみあるいは原子間力のみ
をフィードバック制御の対象として、ＺＦＩのフィード
バック制御関数を計算する。次に、このようにしてフィ
ードバック関数から求めたＺ印加電圧信号Ｚを出力し、
最後に、ＸＹ走査点を次の走査点に進めて以上の制御を
繰り返す。

【００２４】次に各フィードバック制御関数について具
体的に説明する。１変数のフィードバック制御関数ＺＦ
，ＺＩはディジタルＰＩＤフィードバックの方法を用い
る場合、次の様になる。つまり、帰還信号の時間列をＸ
ｎとするとフィードバック制御関数Ｚｎは、Ｚｎ＝−ｐ
Ｘｎ−ｉＸ′ｎ−ｄ（Ｘｎ−Ｘｎ−１）Ｘ′ｎ＝Ｘ′ｎ
−１＋Ｘｎ（Ｘ′ｏの値は状況による）ｐ：比例利得係
数 ｉ：積分利得係数 ｄ：微分利得係数 （ｎ−１とは１回前のフィードバック制御の際の値を示
す。Ｘｏはゼロとしてもよい。）となる。

【００２５】２変数のフィードバック制御関数ＺＦＩに
ついては、２つの帰還信号の時間列（│Ｉｎ│−ＩＳ）
，（Ｆｎ−ＦＳ）の一次結合の時間列Ｘｎを用いて、上
記の１変数のフィードバック制御関数に代入すればよい
。つまり、時間列 　　Ｘｎ＝ａ（Ｆｎ−ＦＳ−ＦＣ）＋ｂ（│Ｉｎ│−Ｉ
Ｓ−ＩＣ）＋ｃについて上記の１変数のフィードバック
制御関数を計算すればよい。ここでａ／ｂ〜０とすれば
、ほとんど原子間力のみを対象としたフィードバック制
御となり、ｂ／ａ〜０とすれば、ほとんどトンネル電流
のみを対象としてフィードバック制御となる。フィード
バック制御関数ＺＦ，ＺＩ，ＺＦＩの各利得係数ｐ，ｉ
，ｄについて、順にＦ，Ｉ，ＦＩのサフィックスを付け
、ｐＦ，ｉＦ，…，ｄＦＩと表記すると、トンネル電流
Ｉと原子間力Ｆの２変数について、フィードバック制御
関数ＺＦ，ＺＩ，ＺＦＩが連続になるように、 １：ａ：ｂ＝ｐＦＩ：ｐＦ：ｐＩ＝ｉＦＩ：ｉＦ：ｉＩ
＝ｄＦＩ：ｄＦ：ｄＩ＝１：ＩＣ：ＦＣ、ＩＣ＝ＩＢ−
ＩＳ、ＦＣ＝ＦＢ−ＦＳ、ｃ＝ｂＩＣ（＝ａＦＣ） と各係数を設定するのが適当である。

【００２６】このように、トンネル電流信号と原子間力
信号の双方を同時に入力し、非導電性物質と導電性物質
が混在する試料表面について、非導電性物質の部分は原
子間力の関数をフィードバック制御の帰還信号とし、導
電性の高い物質の部分はＺ方向分解能の高い（試料・探
針間距離依存性が大きい）トンネル電流の関数をフィー
ドバック制御の帰還信号とし、非常に薄い非導電性酸化
膜に覆われている導電性物質の様な、導電性はあるもの
の十分ではない部分は原子間力とトンネル電流の双方を
パラメータとする関数を帰還信号としてフィードバック
制御するという、フィードバック制御の対象とする帰還
信号の自動調節が可能となる。

【００２７】原子間力信号とトンネル電流に対して、フ
ィードバック制御の対象とする帰還信号の自動調節が可
能となることの効果としては、導電性物質と非導電性物
質が混在する表面を観察する場合に、フィードバック制
御の誤差によるトンネル電流の変動を小さくし、安定化
することができる。これにより、異なる導電性物質を区
別し、それらの物質分布観察が可能となる。また、第１
の実施例の様なアナログ制御でなくディジタル制御の構
成とすることにより、信号の後処理が容易になり、また
各種の付加機構を加える際にハードウエアの変更の必要
がないという効果がある。

【００２８】次に、本発明の第３の実施例を説明する。 本実施例は、前述の第２の実施例がバイアス電圧を常に
一定とした動作の実施例であったのに対し、第１の実施
例のようにＳＴＳによる分光機能を付加したものである
。

【００２９】図５は、その第３の実施例を示すディジタ
ル制御のＡＦＭ／ＳＴＭのフィードバック制御、走査制
御およびバイアス電圧制御の方法を示すフローチャート
であって、図３に示したディジタル制御のＡＦＭ／ＳＴ
Ｍの構成で実現可能である。この場合、フィードバック
制御、走査制御、バイアス電圧制御の計算はＤＳＰ部１
３が行う。

【００３０】図５で、Ｖ，Ｉ，Ｆ，Ｚ，ＩＢ，ＦＢ，Ｆ
Ｓ，ＩＳ，ＺＦ，ＺＩ，ＺＦＩの各記号は第２の実施例
の図４での説明で示した通りであり、Ｘは第２の実施例
でも説明した原子間力とトンネル電流の一次結合である
帰還信号で、Ｘ＝ａ（Ｆ−ＦＳ−ＦＣ）＋ｂ（│Ｉ│−
ＩＳ−ＩＣ）＋ｃと表される。△ＸはＸの許容誤差、△
Ｆ，△Ｉは各々帰還信号（Ｆ−ＦＳ），（│Ｉ│−ＩＳ
）の許容誤差である。ｍは帰還信号が連続して許容誤差
以上であった回数、ｎは同一走査点でフィードバック制
御を繰り返す最大回数である。

【００３１】ＤＳＰ部１３は、まずバイアス電圧Ｖを出
力し、次にトンネル電流信号Ｉと原子間力信号Ｆを入力
する。トンネル電流信号の絶対値│Ｉ│が境界値ＩＢよ
り小さい場合には、そこは非導電性物質である可能性が
高いと判断して原子間力のみをフィードバック制御の対
象とし、（Ｆ−ＦＳ）を帰還信号とするＺＦのフィード
バック制御関数を計算する。トンネル電流信号の絶対値
│Ｉ│が境界値ＩＢ以上でかつ原子間力信号Ｆが境界値
ＦＢより大きい場合には、そこは導電性の高い物質であ
ると判断してＺ方向分解能の高いトンネル電流のみをフ
ィードバック制御の対象とし、（│Ｉ│−ＩＳ）を帰還
信号とするＺＩのフィードバック制御関数を計算する。 それ以外の場合は、そこは導電性はあるものの十分でな
い可能性が高いと判断して原子間力とトンネル電流の双
方をフィードバック制御の対象としたり、あるいは導電
性が十分ではない理由や測定の目的によっては、後で述
べるようにＺＦＩの制御関数中の係数の値を選ぶことに
より、事実上トンネル電流のみあるいは原子間力のみを
フィードバック制御の対象として、ＺＦＩのフィードバ
ック制御関数を計算する。このようにしてフィードバッ
ク関数から求めたＺ印加電圧信号Ｚを出力した後、各場
合の帰還信号の絶対値│Ｆ−ＦＳ│，││Ｉ│−ＩＳ│
，│Ｘ│が各許容誤差△Ｆ，△Ｉ，△Ｘ以上であった場
合は、フィードバック制御が十分に目標の値まで制御で
きていないと判断し、フィードバック制御を繰り返す。 もし、同一の走査点で、帰還信号の絶対値が許容誤差以
上であることがｎ回以上続いた場合は、試料表面のその
部分は観察に適さない状態にあると判断し、その走査点
での観察をあきらめ、ＸＹ走査点を次の走査点に進める
。帰還信号の絶対値が許容誤差未満であった場合には、
試料・探針間のＺ方向相対位置が十分に制御されている
と判断し、ＳＴＳの方法に従って、バイアス電圧を特定
の範囲内で高速に掃引させながら、トンネル電流信号を
何度か入力する。最後に、ＸＹ走査点を次の走査点に進
めて以上の制御を繰り返す。

【００３２】以上述べたように本実施例は、第２の実施
例に第１の実施例に示したＳＴＳによる分光機能を付加
することにより、第１および第２の実施例の効果が同時
に現れる。具体的には、従来のＡＦＭ／ＳＴＭの方法に
よる分光機能を付加することにより、導電性物質と非導
電性物質が混在する表面で、電気的特性は異なるが特定
のバイアス電圧での導電性が同じである複数の導電性物
質の分布観察や、表面状態密度等の詳しい電子的特性の
測定が高い空間分解能で可能となる。また、トンネル電
流信号と原子間力信号の双方を同時に入力し、非導電性
物質と導電性物質が混在する試料表面について、フィー
ドバック制御の対象とする帰還信号を自動調節すること
により、フィードバック制御の誤差によるトンネル電流
の変動を小さくし、安定化することができる。これによ
り、導電性物質の分布観察や電子的特性の測定が、高精
度で実現できる。

【００３３】さらに上記に加えて、帰還信号の絶対値が
ある値以上の場合は、フィードバック制御を繰り返すと
いうことにより、各データは帰還信号の絶対値がある値
未満である際に収集されることが保証される。これは得
られたデータの正確度が高いことを意味する。

【００３４】なお、以上に挙げた本発明の実施例は、本
発明により考え得る実施例の極一部であり、ＡＦＭ，Ｓ
ＴＭ，ＳＴＳに関する既存の方法や上に挙げた実施例中
に述べた方法の組み合わせにより本発明は多数の実施態
様を取り得るものである。例えば、 ［ａ］ＡＦＭの原子間力の検出方法として（１）実施例
で示した光てこの方法、（２）板バネ背面の別の探針と
板バネ背面間に流れるトンネル電流量による方法、（３
）板バネ背面に照射したレーザー光の干渉による方法、 ［ｂ］試料と探針の相対位置を制御するために（１）試
料の位置を動かすもの、（２）探針の位置を動かすもの
、 ［ｃ］測定環境として（１）大気の不活性ガスなど気体
中のもの、（２）電解溶液，純水，オイルなど液体中の
もの、（３）超高真空など真空中のもの、［ｄ］測定温
度として（１）室温などの常温のもの、（２）数百度か
ら千度℃程度の高温のもの、（３）液体ヘリウムから液
体窒素温度程度の低温のもの、［ｅ］フィードバック制
御の帰還信号がトンネル電流などの信号と（１）設定基
準値との差であるもの、（２）設定基準値との商の対数
であるもの、 ［ｆ］フィードバック制御の帰還信号が原子間力と（１
）特定のバイアス電圧でのトンネル電流との２変数関数
であるもの、（２）２つ以上のバイアス電圧での２つ以
上のトンネル電流を変数とする３変数以上の関数である
もの ［ｇ］複数の変数から帰還信号を導く関数が（１）一次
結合で表されるもの、（２）２以上の非線形関数である
もの、 ［ｈ］フィードバック制御の方法が（１）ＰＩＤ制御で
あるもの、（２）ファジー制御であるもの、［ｉ］バイ
アス電圧を（１）試料に印加するもの、（２）探針に印
加するもの、等の組み合わせにより種々の実施形態を取
り得るものである。具体的な組み合わせの方法は観察す
る試料や目的に応じて、最適なものを選択するべきであ
るが、適切な組み合わせにより同様の効果が得られるも
のである。

【００３５】このように本発明はその主旨に沿って種々
に応用され、種々の実施態様を取り得るものである。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
ＡＦＭ／ＳＴＭによれば、従来のＡＦＭ／ＳＴＭにＳＴ
Ｓの方法による分光機能を付加することにより、導電性
物質と非導電性物質が混在する表面で、電気的特性は異
なるが特定のバイアス電圧での導電性が同じである複数
の導電性物質の分布観察や、表面状態密度等の詳しい電
子的特性の測定が高い空間分解能で可能となる。

【００３７】また、ＡＦＭ／ＳＴＭにおいて、フィード
バック制御部が、トンネル電流の信号と試料・探針に働
く力の信号の双方を同時に入力し、これらをパラメータ
とする関数を帰還信号としてフィードバック制御するこ
とにより、導電性物質と非導電性物質が混在する表面を
観察する場合に、フィードバック制御の誤差によるトン
ネル電流の変動を小さくして、安定化することができる
。これにより、導電性物質の分布観察や電子的特性の測
定が、高精度で実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す原子間力顕微鏡／
走査型トンネル顕微鏡の構成図

【図２】（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（ｃ），（
ｄ）は上記第１の実施例の動作を示すＸ掃引信号と試料
表面の物質分布、各物質の電気的特性、バイアス電圧、
トンネル電流の関係例を示す図

【図３】本発明の第２の実施例を示すディジタル制御原
子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡の構成図

【図４】
上記第２の実施例の原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕
微鏡の制御方法のフローチャート

【図５】本発明の第３
の実施例を示す原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡
の制御方法のフローチャート

【符号の説明】

１…試料、２ａ…探針、２ｂ…板バネ、２ｃ…レーザー
発信器、２ｄ…光検出器、２ｅ…ＸＹＺ軸圧電素子、２
ｆ…トンネル電流検出器、３…フィードバック制御回路
、４…走査波形発生回路、５…バイアス電圧制御回路、
６ａ，６ｂ…ストレージオシロスコープ、１２ａ，１２
ｂ…Ａ／Ｄ変換器、１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ…
Ｄ／Ａ変換器、１３…ディジタルシグナルプロセッサ部
（ＤＳＰ部）、１４…制御用コンピュータ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料と、探針と、該試料・探針間の該
   試料表面の面内方向の相対的位置を走査制御する走査制
   御部と、該試料・探針間の該試料表面に垂直な方向の相
   対的位置をフィードバック制御するフィードバック制御
   部と、該試料又は該探針にバイアス電圧を印加するバイ
   アス電圧制御部と、該試料・探針間に働く力を検出する
   原子間力検出部と、該試料・探針間に流れる電流を検出
   するトンネル電流検出部から構成されている原子間力顕
   微鏡／走査型トンネル顕微鏡であって、前記フィードバ
   ック制御部が前記原子間力検出部から出力される原子間
   力の信号の値をパラメータとした関数をフィードバック
   制御の帰還信号とし、前記バイアス電圧制御部が所定の
   電圧波形でバイアス電圧を変化させることができる電圧
   発生器から成ることを特徴とする原子間力顕微鏡／走査
   型トンネル顕微鏡。
2. 【請求項２】　　試料・探針間の該試料表面の面内方向
   の相対的位置を走査制御する過程において、試料・探針
   間に働く原子間力の値をパラメータとした関数を帰還信
   号として該試料・探針間の該試料表面に垂直な方向の相
   対的位置をフィードバック制御する際に、前記試料・探
   針間に所定の電圧波形のバイアス電圧を印加すると同時
   に該試料・探針間に流れるトンネル電流を測定すること
   を特徴とする原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡の
   制御方法。
3. 【請求項３】　　試料と、探針と、該試料・探針間の該
   試料表面の面内方向の相対的位置を走査制御する走査制
   御部と、該試料・探針間の該試料表面に垂直な方向の相
   対的位置をフィードバック制御するフィードバック制御
   部と、該試料又は該探針にバイアス電圧を印加するバイ
   アス電圧制御部と、該試料・探針間に働く力を検出する
   原子間力検出部と、該試料・探針間に流れる電流を検出
   するトンネル電流検出部から構成されている原子間力顕
   微鏡／走査型トンネル顕微鏡であって、前記フィードバ
   ック制御部が、前記原子間力検出部から出力される原子
   間力の信号およびトンネル電流検出部から出力されるト
   ンネル電流の信号の双方をパラメータとする関数を帰還
   信号としてフィードバック制御することを特徴とする原
   子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡。
4. 【請求項４】　　試料・探針間の該試料表面の面内方向
   の相対的位置を走査制御する過程において、前記試料・
   探針間に働く原子間力の値および該試料・探針間に流れ
   るトンネル電流の値の双方をパラメータとした関数を帰
   還信号として該思料表面の導電性／非導電性の性質に応
   じて該試料・探針間の該試料表面に垂直な方向の相対的
   位置をフィードバック制御することを特徴とする原子間
   力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡の制御方法。