JPH0483103A - 走査型トンネル顕微鏡における探針及び試料間の間隔調整方法及び装置 - 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、トンネル電流を利用して試料表面の凹凸を観
察する走査型トンネル顕微鏡に関するもので、特に、探
針と試料との間の間隔を所定のトンネル電流が流れる大
きさに調整するための間隔調整方法及びその装置に関す
るものである。

【従来の技術】

先端が１μｍ　（マイクロメートル）程度に細く研磨さ
れたタングステン等の多結晶体の金属探針を、洗浄され
たシリコン結晶等の試料表面に１　ｎｍ　（ナノメート
ル）程度にまで近付け、その探針と試料との間に数ミリ
ボルトから数ボルトのバイアス電圧を加えると、その間
にはトンネル電流が流れる。このトンネル電流の大きさ
は探針と試料との間の間隔に大きく依存し、その間隔の
大きさに対して指数関数的に変化する。したがって、探
針を試料表面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に２次元的
に走査させながら、その探針と試料との間に流れるトン
ネル電流が一定に保たれるように探針の２軸方向位置を
制御し、その制御信号を検出して画像処理するようにす
れば、その制御信号から試料表面の３次元画像を得るこ
とができる。 走査型トンネル顕微鏡はこのような原理に基づくもので
、上述のようにトンネル電流が一定に保たれるように探
針と試料との間の間隔を制御する定電流モードが使用さ
れることが多い。 このようなトンネル顕微鏡によれば、試料表面の凹凸を
、ｎｍオーダーの極めて高い分解能で、しかも非破壊的
に観察することができる。 ところで、このような走査型トンネル顕微鏡によって試
料を観察するためには、試料をセットした後、探針と試
料との間をｌｎｍ程度にまで近付け、その間に所定の大
きさのトンネル電流が流れるように調整することが必要
となる。その場合、探針先端と試料とが接触すると、探
針や試料に損傷が生じ、安定したトンネル電流が得られ
なくなってしまう。したがって、探針と試料との間の間
隔は、ｎｍオーダーで微調整されるようにしなければな
らない。しかしながら、試料をセットするためには探針
との間に少なくとも５ｍｍ程度のギャップが必要である
ので、そのように微小変位動作する間隔調整装置では、
探針と試料とをｌｎｍ程度にまで近付けるために多大な
時間がかかることになる。 そこで、特開昭６４−１５６０１号公報に示されている
ように、探針と試料との間の２軸方向の間隔を大きく変
化させる粗動機構と、探針の２軸方向位置をトンネル電
流が一定に保たれるように制御する２軸圧電素子とを直
列に設け、粗動機構により探針と試料との間にトンネル
電流が流れる程度にまで探針あるいは試料を移動させた
後、２軸圧電素子により探針と試料との間の間隔を微調
整するようにすることが提案されている。その間隔調整
方法ないし装置においては、探針と試料との間には、ト
ンネル顕微鏡に使用される設定バイアス電圧と等しい電
圧が加えられるようになっている。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、そのような間隔調整方法ないし装置では
、粗動機構により探針と試料とがある程度まで接近した
とき、−旦その粗動機構を停止させて、２軸圧電素子に
より探針を更に試料に近付け、そのＺ軸圧型素子のスト
ローク内ではトンネル電流が検出されないことを確認し
た後、再び粗動機構を少しだけ作動させ、同様の動作を
繰り返す、ということが必要となる。 そのために、その調整に時間がかかるという問題がある
。 また、そのように探針のＺ軸方向位置を制御する２軸圧
電素子によって探針と試料との間の間隔を調整するもの
では、例えばその２軸圧電素子が最大近くまで伸長した
ときに所定の太きさのトンネル電流が検出されたとする
と、トンネル顕微鏡として探針を試料側に移動させるこ
とのできるストロークはその残りの長さのみとなるので
、凹凸の大きい試料の観察は不可能となってしまう。 更に、走査型トンネル顕微鏡の定電流モードにおける出
力は、探針や試料の取り付は方向や取り付は面の傾斜、
あるいは探針の２軸方向移動成分にＸ−Ｙ平面の走査信
号が重畳することにより生ずる傾斜成分を含んでいるの
で、上記公報に示されているようなものでは、画像表示
装置に表示するとき、その傾斜成分をコンピュータ処理
等によって補正し、一定出力が得られるようにすること
が必要となる。 本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、探針と試料とを衝突させることなく、
試料がセットされる位置から所定のトンネル電流が検出
される位置まで、その間の間隔を短時間で調整すること
のできる間隔調整方法及び装置を得ることである。 また、本発明の他の目的は、探針の２軸方向位置を制御
する走査型トンネル顕微鏡の２軸圧電素子を用いること
なく、探針と試料との間の間隔を粗調整から微調整まで
することのできる間隔調整方法及び装置を得ることであ
る。

【課題を解決するための手段】

この目的を達成するために、本発明による間隔調整方法
では、探針と試料との間の２軸方向の間隔を大きく変化
させる粗動機構に、その探針と試料との間の２軸方向の
間隔を微小変化させる微動機構を直結しておき、探針と
試料との間が大きく開いた状態にあるときには粗動機構
を作動させて探針を試料に相対的に近付け、所定の状態
に達したときにその粗動機構を停止させ、次いで、微動
機構を作動させて探針を更に試料に近付けるようにして
いる。 当初、探針と試料との間にはトンネル顕微鏡の設定バイ
アス電圧より大きいバイアス電圧が加えられる。そして
、探針と試料とが近付いて、トンネル顕微鏡の設定電流
値より小さく設定されたトンネル電流が検出されたとき
、粗動機構が停止されるとともに、探針と試料との間に
加えるバイアス電圧がトンネル顕微鏡の設定バイアス電
圧と等しい大きさに切り換えられる。続いて微動機構が
作動され、検出されるトンネル電流がトンネル顕微鏡の
設定電流値と等しい大きさに達した時点でその微動機構
が停止される。 また、その方法を実施する間隔調整装置は、探針と試料
との間の２軸方向の間隔を大きく変化させ得る粗動機構
と、その粗動機構に直結され、探針と試料との間の２軸
方向の間隔を微小変化させる微動機構と、それら粗動機
構及び微動機構の作動をそれぞれ制御する制御回路と、
探針と試料との間に印加されるバイアス電圧を切り換え
る電圧切換回路と、を備えていることを特徴としている
。 粗動機構の作動を制御する粗動機構制御回路は、スター
ト信号により粗動機構を起動させ、探針及び試料間に流
れるトンネル電流を検出する電流検出器により、あらか
じめ設定されたトンネル顕微鏡の設定電流値よりも小さ
い小電流が検出されたとき、その粗動機構を停止させる
ものである。また、微動機構制御回路は、その粗動機構
制御回路から出力される粗動機構駆動信号が停止したと
き微動機構を起動させ、前記電流検出器によりトンネル
顕微鏡の設定電流値に等しいトンネル電流が検出された
とき、その微動機構を停止させるものである。そして、
電圧切換回路により、粗動機構の作動時には、探針及び
試料間にバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御回路
に高い電圧が設定され、微動機構の作動時には、そのバ
イアス電圧制御回路に設定される電圧が所定の大きさの
バイアス電圧に切り換えられるようになっている。

【作用】

このように構成することにより、探針から遠く離れた位
置で試料をセットした後、粗動機構を起動させると、探
針と試料とはその粗動機構により速やかに近付けられる
。このとき、探針と試料との間には大きなバイアス電圧
が印加されているので、それらがある程度接近すると、
その間にトンネル電流が流れるようになる。そして、小
さなトンネル電流が検出されたときに粗動機構が停止さ
れるので、探針と試料とは、その間の間隔が比較的大き
い位置で停止することになる。したがって、探針と試料
とを急速に接近させるにもかかわらず、それらが衝突す
ることは防止される。 次いで、微動機構が起動されることにより、探針と試料
とが徐々に近付く。このときには、探針と試料との間に
印加されるバイアス電圧がトンネル顕微鏡の設定バイア
ス電圧と等しい大きさに切り換えられているので、探針
と試料とが更に近付いてその間の間隔がｎｍオーダーに
達したところでトンネル電流が流れ始める。そして、そ
のトンネル電流がトンネル顕微鏡の設定電流値と等しい
大きさに達したとき、微動機構が停止される。したがっ
て、探針と試料との間の間隔が所定の大きさとなる。 このように、この間隔調整方法及び装置によれば、粗動
機構と微動機構との連続的な動作によって探針及び試料
間の間隔が調整されるので、その調整が短時間で行われ
るようになる。 また、その調整の間、トンネル顕微鏡の２軸圧電素子は
中立状態で保持されるので、トンネル顕微鏡による観察
に影響が及ぼされることはない。

【実施例】

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。 図は本発明による探針及び試料間の間隔調整装置の一実
施例を示すもので、第１図はその間隔調整装置を備えた
走査型トンネル顕微鏡が組み込まれている走査型電子顕
微鏡の試料室を示す縦断面図であり、第２．３図はその
間隔調整装置に用いられている試料移動機構を示す切り
欠き側面図及び横断平面図である。また、第４図はその
間隔調整装置の制御装置を示すブロック図である。 第１図から明らかなように、走査型トンネル顕微鏡ｌは
、試料移動機構２と探針制御機構３とを備えている。そ
の試料移動機構２は、走査型電子顕微鏡の試料室内に設
けられた可動ベース４上に設置されている。この可動ベ
ース４は電子顕微鏡の試料位置調節装置をなすもので、
互いに直交する方向に設けられた一対の送りねじ５．６
によって、水平面、すなわちＸ−Ｙ平面内で移動される
ようになっている。 試料移動機構２は、円筒状の固定ガイド７とその内部に
収容される移動体８とによって構成されている。そのガ
イド７は超精密加工を施したもので、その軸線がＸ−Ｙ
平面に垂直なＺ軸方向、すなわち上下方向に向かうよう
にして、可動ベース４上に固定されている。移動体８は
、そのガイド７に沿って上下方向に移動するようにされ
ている。その移動体８の上端には試料台９が設けられ、
その試料台９上に観察試料１０が載置されるようになっ
ている。 また、ガイド７の上端には水平なフランジ７ａが設けら
れており、電子顕微鏡の機体の固定部に取り付けられた
ロック用圧電素子１１゜１１をそのフランジ７ａに圧着
させることによって、可動ベース４とともに移動するガ
イド７、したがって試料移動機構２が、Ｘ−Ｙ平面内の
任意の位置で固定されるようになっている。 探針制御機構３は、探針１２をＸ−Ｙ平面内で走査させ
る探針走査機構１３と２軸方向に微小移動させる２軸圧
電素子１４とを備えている。その探針走査機構１３は、
Ｘ軸方向に伸縮するＸ軸圧電素子とＹ軸方向に伸縮する
Ｙ軸圧型素子とからなるもので、試料移動機構２のガイ
ド７上に固定されている。また、２軸圧電素子１４は、
その探針走査機構１３の中心部に取り付けられ、Ｚ軸方
向に伸縮することによって探針１２の２軸方向位置を制
御するもので、探針１２はその２軸圧電素子１４の下端
に取り付けられている。 第２図から明らかなように、試料移動機構２の移動体８
には、粗動機構１５と微動機構１６とが設けられている
。その粗動機構１５は、第３図に示されているように円
板の外周部に半径方向に伸縮する３組のクランプ用圧電
素子１７を１２０°の間隔を置いて組み込んだ上部クラ
ンプ１８及び下部クランプ１つと、それらの間を連結す
る移動用圧電素子２０とによって構成されている。上部
及び下部クランプ１８．１９は、ガイド７に対して移動
可能となるように、その外径がガイド７の内周面との間
に１〜２μｍの間隙を形成する大きさとされている。そ
して、圧電素子１７を伸長させたときには、その圧電素
子１７がガイド７の内周面に圧着することによって上部
あるいは下部クランプ１８゜１９がその位置で固定され
るようになっている。 また、移動用圧電素子２０はＺ軸方向に伸縮するもので
、その伸縮によって上部クランプ１８と下部クランプ１
９との間の距離を変化させるものとされている。そして
、そのように上部クランプ１８と下部クランプ１９とが
相対移動するときにもそれらの軸線がずれることのない
ようにするために、移動用圧電素子２０の外周位置には
、上部及び下部クランプ１８．１９から突出して互いに
スライド自在に嵌合するガイド２１ａが設けられている
。 このような粗動機構１５によれば、下部クランプ１９の
クランプ用圧電素子１７を伸長させた状態で上部クラン
プ１８のクランプ用圧電素子１７を収縮させ、移動用圧
電素子２０を伸長させると、下部クランプ１９はその位
置で保持されるので、上部クランプ１８が上昇する。次
いで、上部クランプ１８の圧電素子１７を伸長させると
ともに下部クランプ１９の圧電素子１７を収縮させ、移
動用圧電素子２０を収縮させると、今度は上部クランプ
１８がその位置で固定されるので、下部クランプ１９が
上昇する。そこで、再び下部クランプ１９の圧電素子１
７を伸長させて下部クランプ１９を固定する。そして、
同様の操作を繰り返す。それによって、移動体８は尺取
り虫のような動作で上昇する。すなわち、その粗動機構
１５は、ガイド７内を２軸方向に移動する尺取り虫成運
動機構となっている。 そして、このような構成により、この粗動機構１５は、
１ステツプ当たり５ｎｍ〜５μｍの範囲で作動させるこ
とができ、しかも、作動速度も１０　ｎｍ／ｓｅｃ　〜
０　、５　ｍｍ／ｓｅｃの範囲で制御することができる
ものとなっている。すなわち、高速動作から超微小動作
までが可能とされている。 微動機構１６はＺ軸方向に伸縮する微調用圧電素子２２
からなるもので、その圧電素子２２は粗動機構１５の上
面に直接取り付けられている。そして、その微調用圧電
素子２２の上端に試料台９が取り付けられている。した
がって、その圧電素子２２を伸長させると試料台９が上
昇し、その試料台９上に載置された試料１０が探針１２
に近付けられるようになっている。このとき試料１０の
位置がずれることのないようにするために、試料台９と
粗動機構１５の上部クランプ１８との間にも、微調用圧
電素子２２の外周位置に、互いにスライド自在に嵌合す
るガイド２１ｂが設けられている。 このようにして、試料１０は粗動機構１５によって急速
に探針１２に近付けられ、次いで微動機構１６を作動さ
せることによって更に探針１２に近付けられるようにな
っている。したがって、この実施例においては、この試
料移動機構２が探針１２と試料１０との間の間隔を調整
する間隔調整装置の動作部となっている。 次に、この間隔調整装置の制御装置について説明する。 第４図に示されているように、走査型トンネル顕微鏡は
、探針走査機構１３を制御するＸ−Ｙ走査回路２３と、
２軸圧電素子１４を制御する２軸圧型素子駆動回路２４
と、探針１２と試料１０との間に設定されたバイアス電
圧を印加するバイアス電圧制御回路２５と、その間に流
れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出器２６と
を備えている。 トンネル電流検出器２６によって検出されたトンネル電
流は、Ｉ／Ｖ変換器２７によって電圧信号に変換された
後、サーボ回路２８に導かれ、そのサーボ回路２８にお
いてトンネル電流設定器２９からの出力信号と比較され
る。そして、その偏差信号により２軸圧型素子駆動回路
２４が制御され、２軸圧電素子１４が駆動される。した
がって、探針１２は、トンネル電流検出器２６によって
検出される電流値がトンネル電流設定器２９に設定され
た設定電流値と等しくなるように、そのＺ軸方向位置が
制御される。 また、この状態で、探針１２は探針走査機構１３によっ
てＸ−Ｙ平面内で走査される。 そして、このように２軸圧電素子１４を制御する制御信
号と探針走査機構１３を制御する制御信号とが画像処理
装置３０に導かれて画像処理され、モニタテレビ３１に
その画像が表示される。 このように、定電流モードで使用される走査型トンネル
顕微鏡においては、その観察目的などに応じて、探針１
２と試料１ｏとの間に印加するバイアス電圧と検出する
トンネル電流値とが設定されるようになっている。この
実施例の場合には、そのバイアス電圧が、バイアス電圧
制御回路２５を制御する電圧切換回路３２により、トン
ネル顕微鏡に使用される１ミリボルト〜ｌ○ボルトの設
定バイアス電圧と、それより数ボルト高い電圧とに切り
換えられるようになっている。また、トンネル電流設定
器２９に設定されるトンネル電流値は、トンネル顕微鏡
において検出されるＩＱ−１０〜１０−７アンペアの設
定電流値と、それより低いＩＱ−１１アンペア以下の小
電流値との、大きさの異なる二つの電流値とされている
。 粗動機構１５は、粗動機構制御回路３３から出力される
粗動機構駆動信号によって制御されるようになっている
。その粗動機構制御回路３３は、スタート信号により粗
動機構１５を起動させ、設定小電流値のトンネル電流が
検出されたときその粗動機構１５を停止させるもので、
その制御回路３３には、Ｉ／Ｖ変換器２７からの出力信
号、トンネル電流設定器２つからの出力信号、及びスタ
ートスイッチ３４からのスタート信号が入力されるよう
になっている。 また、その粗動機構制御回路３３内には、スタート信号
の入力後、所定時間経過したときに信号を出力するタイ
マ３５と、そのタイマ３５からの信号を受けて粗動機構
１５の作動速度を遅らせる速度制御回路３６とが設けら
れている。 一方、微動機構１６は微動機構制御回路３７によって制
御されるようになっている。その微動機構制御回路３７
は、粗動機構制御回路３３によって粗動機構１５が停止
されたとき微動機構１６を起動させ、トンネル顕微鏡の
設定電流値に等しい大きさのトンネル電流が検出された
ときその微動機構１６を停止させるもので、微動機構１
６の停止位置はサーボ制御されるようになっている。そ
のために、その微動機構制御回路３７内にはサーボ回路
３８が設けられ、そのサーボ回路３８にＩ／Ｖ変換器２
７からの出力信号とトンネル電流設定器からの出力信号
とが導かれて、それらの信号の偏差に応じた微動機構駆
動信号が出力されるようになっている。 すなわち、微動機構１６は、検出されるトンネル電流に
よってフィードバック制御されるようになっている。ま
た、粗動機構１５の停止時に微動機構１６を起動させる
ために、その制御回路３７には、粗動機構制御回路３３
からの出力信号が入力されるようになっている。 更に、これら粗動機構制御回路３３及び微動機構制御回
路３７からの出力信号は電圧切換回路３２に入力され、
粗動機構制御回路３３から粗動機構駆動信号が出力され
ているときにはバイアス電圧制御回路２５に高い方の電
圧を設定し、微動機構制御回路３７から信号が出力され
ているときには、そのバイアス電圧制御回路２５にトン
ネル顕微鏡の設定バイアス電圧と等しい大きさの電圧を
設定するようにされている。 次に、このように構成された間隔調整装置の作用を、本
発明による間隔調整方法とともに説明する。 トンネル顕微鏡によって試料１０を観察するときには、
粗動機構１５によって試料移動機構２の移動体８を下降
させ、探針１２と試料台９との間を５ｍｍ程度にまで大
きく開く。そして、その状態で試料台９上に試料１０を
セットする。 また、送りねじ５，６によって可動ベース４をＸ−Ｙ平
面内で移動させ、試料１０のＸ−Ｙ方向位置を調整する
。そして、ロック用圧電素子１１によって試料移動機構
２のガイド７を固定する。 このようにして準備が完了したところでスタートスイッ
チ３４を入れる。すると、スタート信号が粗動機構制御
回路３３に入力され、その制御回路３３から粗動機構駆
動信号が出力される。したがって、粗動機構１５が起動
され、試料移動機構２の移動体８が上昇を始める。この
ときには、粗動機構１５は１ステツプ当たり５μｍで０
　、５　ｍｍ／ｓｅａという高速動作をするようにされ
ている。したがって、試料１０は高速で探針１２に近付
く。 この状態で１０秒近く経過すると、タイマ３５から信号
が出力され、速度制御回路３６により粗動機構１５の動
作速度が低速に切り換えられる。その速度は、１ステツ
プ当たり５ｎｍで１０　ｎｍ／ｓｅｃという超低速とさ
れている。したがって、その後は試料１０は極めてゆっ
くりと探針１２に近付くことになる。 このように粗動機構１５が作動しているときには、電圧
切換回路３２によりバイアス電圧制御回路２５に高い電
圧が設定されている。したがって、探針１２と試料１０
との間には、トンネル顕微鏡の設定バイアス電圧よりも
高いバイアス電圧が印加されている。その結果、試料１
０がある程度まで探針１２に近付くと、その間にトンネ
ル電流が流れ始める。そして、その電流がトンネル電流
検出器２６により検出される。その検出電流がトンネル
電流設定器２９に設定された低い方の値に達すると、粗
動機構制御回路３３からの出力信号が停止される。こう
して、試料１０と探針１２との間の間隔がトンネル顕微
鏡に求められる間隔よりもやや大きい数ｎｍの大きさと
なったところで粗動機構１５が停止する。 そして、このように粗動機構制御回路３３からの出力信
号が停止すると、直ちに微動機構制御回路３７が作動し
、微動機構１６が起動される。また、電圧切換回路３２
により、探針１２と試料１０との間に印加されるバイア
ス電圧がトンネル顕微鏡の設定バイアス電圧と等しい大
きさに切り換えられる。 微動機構１６が作動すると、試料１０は徐々に探針１２
に近付く。そして、試料１０と探針１２との間の間隔が
ｌｎｍ近くに達すると、その間にトンネル電流が流れ始
める。そのトンネル電流はトンネル電流検出器２６によ
って検出され、トンネル電流設定器２９に設定された高
い方の電流値と比較される。そして、トンネル顕微鏡の
設定電流値と等しい大きさのトンネル電流が流れるよう
になったところで、微動機構１６が停止される。その場
合、微動機構１６はサーボ制御されるので、その停止位
置は正確に決定される。 このようにして、探針１２と試料１０との間の間隔がト
ンネル顕微鏡として使用される大きさとなる。したがっ
て、その後は探針走査機構１３及びＺ軸圧電素子１４に
よって探針１２の位置を制御するだけで、試料１０の表
面を観察することができる。 このように、この間隔調整方法あるいは装置によれば、
粗動機構１５と微動機構１６との連続した一連の動作に
よって、探針１２と試料１０との間の間隔が調整される
。しかも、粗動機構１５によって試料１０がある程度ま
で探針１２に近付けられたとき、その粗動機構１５が自
動的に停止されるので、試料１０が探針１２に衝突する
ことは確実に防止される。そして、その後、微動機構１
６によってその間隔が微調整されるので、その間隔は正
確に制御することができる。したがって、その間隔調整
が短時間で行われるようになる。 また、探針１２と試料１０との間の間隔が大きいときに
は粗動機構１５を高速作動させ、その間隔が小さくなっ
たとき粗動機構１５を低速作動させるようにすることに
より、探針１２と試料１０との衝突が更に確実に防止さ
れるようになる。 そして、試料移動機構２のガイド７を円筒形のものとす
ることにより、そのガイド７を超精密加工することが容
易となる。したがって、移動体８を正確に移動させるこ
とができる。 なお、上記実施例においては、試料１０を移動させて探
針１２に近付けるものとしているが、探針制御機構３側
に移動機構を設けることにより、試料１ｏを固定してお
いて探針１２を移動させるようにすることもできる。 また、粗動機構１５の動作速度を２段階に切り換えるよ
うにしているが、タイマ３５として多数の設定を行うこ
とのできるものを用いることにより、その動作速度を多
段階で切り換え、粗動機構１５の移動に伴って徐々に速
度を低下させるようにすることもできる。

【発明の効果】

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高い
バイアス電圧を印加した状態で粗動機構を作動させ、小
さなトンネル電流が検出された時点でその粗動機構を停
止させるようにしているので、探針と試料とがトンネル
顕微鏡に求められる間隔よりやや大きい間隔となるまで
接近したところで停止されることになり、それらの衝突
が確実に防止されるようになる。そして、続いてバイア
ス電圧を設定電圧に切り換えて微動機構を作動させ、設
定トンネル電流値が検出されたとき微動機構を停止させ
るようにしているので、探針と試料との間の間隔が微調
整され、正確な大きさとなる。したがって、試料セット
位置から所定のトンネル電流が検出される位置まで高速
で調整することができ、その調整に要する時間を短縮す
ることができる。 また、微動機構を探針位置制御用の２軸圧電素子とは別
個に設けるようにしているので、走査型トンネル顕微鏡
の機能を最大限発揮させることができる。更に、微動機
構をサーボ制御するようにすることにより、定電流モー
ドにおけるトンネル電流出力を常に一定レベルに保持す
ることができる。したがって、探針あるいは試料の取り
付は方向や取り付は面の傾斜、及び探針の２軸方向の運
動成分にＸ−Ｙ走査信号が重畳することによって生ずる
傾斜出力、更には温度ドリフト等によって生ずる探針と
試料との間の間隔の変化に伴うトンネル電流の変化等を
別途コンピュータ処理等によって補正する必要がなくな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による探針及び試料間の間隔調整装置
の一実施例を示すもので、 その間隔調整装置を備え、走査型電子 顕微鏡に組み込まれている走査型トン ネル顕微鏡を示す縦断側面図、 第２図は、その間隔調整装置に用いられている試料移動
機構を示す切り欠き側面 図、 第３図は、第２図のｍ−■線に沿う横断面図、 第４図は、その間隔調整装置の制御装置を示すブロック
図である。 １・・・走査型トンネル顕微鏡 ２・・・試料移動機構　　　３・・・探針制御機構７・
・・ガイド　　　　　　８・・・移動体９・・・試料台
　　　　　１０・・・試料１２・・・探針　　　　　　
１３・・・探針走査機構１４・・・２軸圧電素子　　１
５・・・粗動機構６・・・微動機構 ７・・・クランプ用圧電素子 ８・・・上部クランプ　　　１９・・・下部クランプ０
・・・移動用圧電素子 ２・・・微調用圧電素子 ３・・・Ｘ−Ｙ走査回路 ４・・・２軸圧電素子駆動回路 ５・・・バイアス電圧制御回路 ６・・・トンネル電流検出器 ９・・・トンネル電流設定器 ０・・・画像処理装置 ３・・・粗動機構制御回路 ４・・・スタートスイッチ ６・・・速度制御回路 ７・・・微動機構制御回路 ８・・・サーボ回路 ３５・・・タイマ ３２・・・電圧切換回路 特許出願人　　株式会社明石製作所 代理人　　弁理士　森　下　端　侑 第１ 図 第２ 図 算３図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）探針と試料との間に設定バイアス電圧を加えてそ
   の間に流れるトンネル電流を検出し、そのトンネル電流
   が設定電流値で保持されるように前記探針と試料との間
   のＺ軸方向の間隔を制御しながら前記探針をＺ軸に直交
   するＸ−Ｙ平面内で走査させて、その制御信号を画像処
   理することにより、前記試料の表面を観察するようにし
   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のＺ軸方向の間隔を大きく変化さ
   せる粗動機構に、その探針と試料との間のＺ軸方向の間
   隔を微小変化させる微動機構を直結し、 前記探針と試料との間が大きく開いた状態にあるとき、
   その探針と試料との間に前記トンネル顕微鏡の設定バイ
   アス電圧より大きいバイアス電圧を加えておき、 その状態で前記粗動機構を作動させて前記探針を前記試
   料に相対的に近付け、前記トンネル顕微鏡の設定電流値
   より小さく設定されたトンネル電流が検出されたとき、
   その粗動機構を停止させ、 次いで、前記探針と試料との間に加えるバイアス電圧を
   前記トンネル顕微鏡の設定バイアス電圧と等しい大きさ
   に切り換え、 その状態で前記微動機構を作動させて前記探針を更に前
   記試料に近付け、検出されるトンネル電流が前記トンネ
   ル顕微鏡の設定電流値と等しい大きさに達した時点でそ
   の微動機構を停止させることからなる、 走査型トンネル顕微鏡における探針及び試料間の間隔調
   整方法。
2. （２）前記粗動機構を、前記探針と試料との間が大きく
   開いているときには高速作動させ、その探針と試料との
   間の間隔が小さくなったときには低速作動させることを
   特徴とする、 請求項１記載の探針及び試料間の間隔調整方法。
3. （３）前記微動機構をサーボ制御することを特徴とする
   、 請求項１記載の探針及び試料間の間隔調整方法。
4. （４）試料に対向させて配置される探針と、その探針と
   試料との間に、設定されたバイアス電圧を印加するバイ
   アス電圧制御回路と、前記探針と試料との間に流れるト
   ンネル電流を検出する電流検出器と、 そのトンネル電流が設定電流値に保持されるように前記
   探針のＺ軸方向位置を制御するＺ軸圧電素子と、 その探針をＺ軸に直交するＸ−Ｙ平面内で走査させる探
   針走査機構と、 それらＺ軸圧電素子及び探針走査機構を制御する制御信
   号を画像処理して出力する画像処理装置と、 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のＺ軸方向の間隔を大きく変化さ
   せ得る粗動機構と、 その粗動機構に直結され、前記探針と試料との間のＺ軸
   方向の間隔を微小変化させる微動機構と、 スタート信号により前記粗動機構を起動さ せ、前記電流検出器により、あらかじめ前記トンネル顕
   微鏡の設定電流値よりも小さく設定された小電流が検出
   されたとき、その粗動機構を停止させる粗動機構制御回
   路と、 その粗動機構制御回路から出力される粗動機構駆動信号
   が停止したとき前記微動機構を起動させ、前記電流検出
   器により前記トンネル顕微鏡の設定電流値に等しいトン
   ネル電流が検出されたとき、その微動機構を停止させる
   微動機構制御回路と、 前記粗動機構の作動時には前記バイアス電圧制御回路に
   前記トンネル顕微鏡の設定バイアス電圧よりも高い電圧
   を設定し、前記微動機構の作動時にはそのバイアス電圧
   制御回路に設定される電圧を前記トンネル顕微鏡の設定
   バイアス電圧と等しい大きさに切り換える電圧切換回路
   と、 を備えてなる、走査型トンネル顕微鏡における探針及び
   試料間の間隔調整装置。
5. （５）前記粗動機構制御回路に、前記粗動機構の作動速
   度を変化させる速度制御回路と、前記スタート信号が入
   力されてから所定の時間が経過したときその速度制御回
   路により前記粗動機構の作動速度を低速に切り換えるタ
   イマとが設けられている、 請求項４記載の探針及び試料間の間隔調整装置。
6. （６）前記微動機構制御回路に、前記電流検出器により
   検出されるトンネル電流をフィードバックして前記微動
   機構を制御するサーボ回路が設けられている、 請求項４記載の探針及び試料間の間隔調整装置。
7. （７）前記粗動機構が、円筒状のガイド内をＺ軸方向に
   移動する尺取り虫成運動機構によって構成されている、 請求項４記載の探針及び試料間の間隔調整装置。