JPH0483104A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡

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JPH0483104A
JPH0483104A JP2198593A JP19859390A JPH0483104A JP H0483104 A JPH0483104 A JP H0483104A JP 2198593 A JP2198593 A JP 2198593A JP 19859390 A JP19859390 A JP 19859390A JP H0483104 A JPH0483104 A JP H0483104A
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JP
Japan
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electrode
probe
guard ring
voltage
tunnel current
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JP2198593A
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Yasushi Miyamoto
裕史 宮本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
    • G01Q60/16—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G01Q20/04—Self-detecting probes, i.e. wherein the probe itself generates a signal representative of its position, e.g. piezoelectric gauge
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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】 ［産業上の利用分野］ この発明は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓｃａｎｎ
ｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）
に関する。
［従来の技術］ ＳＴＭは、先鋭な導電性探針を導電性試料に数人程度ま
で近づけ１両者間にバイアス電圧を印加した際に流れる
トンネル電流を利用した表面形状計測装置である。一般
にＳＴＭでは、探針が試料の表面を走査する間、探針と
試料との間の距離を一定に保つように探針・試料間距離
がサーボ制御される。　この探針の走査およびサーボ制
御には高電圧で駆動される圧電素子が主に使用される。
［発明が解決しようとする課題〕 トンネル電流は、絶縁部材を介して圧電素子に取り付け
られた探針電極から検出される。圧電素子には、探針が
試料表面を一定の間隔を置いて走査するように、試料表
面の凹凸に対応したサーボ電圧が供給される。このサー
ボ電圧が供給される圧電素子の駆動電極と探針電極との
間には絶縁部材が介在し、駆動電極と探針電極との間に
コンデンサーを構成する。このため、圧電素子の駆動電
極に時間的に変化するサーボ電圧が印加された際に、　
コンデンサーの電極に交流電圧が供給されたときのよう
に、探針電極に電流が流れてしまう。
［課題を解決するための手段］ このような課題を解決するため、本発明者は、特願平２
−１３４８３７号の中で、探針電極と圧電素子との間に
絶縁部材を介して接地されたガードリング電極を設ける
方法や、圧電素子自体にガードリング電極を設は接地す
る方法を提案している。
このような方法は、探針に一定にバイアス電圧を印加す
る場合や、探針を仮想接地して試料に変調バイアス電圧
を印加し、試料の局所的な電気特性をトンネル電流を介
して測定するＳＴＳ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ
ｉｎｇ　５ｐｅｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定を行う場合など
には有効である。　しかしながら、液体中ＳＴＭ等のよ
うに、試料を接地または一定電位に保つ必要がある場合
、バイアス電圧は探針に印加される。このとき、探針に
印加しているバイアス電圧を変調させるＳＴＳ測定を行
おうとすると、ガードリング電極が接地されているため
に、探針電極とガードリング電極に挟まれた絶縁部材を
介して、探針電極に電流が流れ込んでしまい、　トンネ
ル電流として誤検出される。　二のため、　正確なＳＴ
Ｓ測定を行うことができない。
二の発明は、探針電極に変調バイアス電圧を印加してＳ
ＴＳ測定を行う際に、探針電極とガードリング電極との
間に流れる電流の交流成分をなくし、検出されるトンネ
ル電流のＳ／Ｎ比を向上させ、正確なＳＴＳ測定を可能
にすることを目的とす　る。
この発明の走査型トンネル顕微鏡は、試料を走査する探
針と、探針に接続されたトンネル電流を取り出すための
探針電極と、探針を移動させる圧電素子と、圧電素子の
駆動電極と探針電極との間に設けられ、　これらの電極
から絶縁されたガードリング電極と、探針に印加される
電圧に等しい電圧をガードリング電極に印加する手段と
を備える。
［作用］ この発明の走査型トンネル顕微鏡では、　ガードリング
電極には常に探針電極に印加される電圧と同じ電圧が印
加され、ガードリング電極と探針電極とが等電位に保た
れる。従って、探針電極とガードリング電極との間に電
流は流れない、　また、圧電素子の駆動電極に時間的に
変化する電圧が印加さ゛れたときに発生する電流は、　
ガードリング電極と駆動電極との間で流れ、探針電極に
は流れ込まない、従って、検出されるトンネル電流のＳ
／Ｎ比が向上する。
［実施例］ 以下、図面を参照しながら、　この発明による走査型ト
ンネル顕微鏡の実施例について説明する。
第１図に示されるように、試料１０を走査する探針１２
は探針電極１４に取り付けられ、探針電極１４は円筒型
圧電アクチュエーター１６によって支持される６　円筒
型圧電アクチュエーター１６は周壁に４つの駆動電極１
８を備え、各駆動電極１８に印加される電圧の組合せに
応じて３軸方向に変形可能で、これにより探針１２を３
軸方向に移動する０円筒型圧電アクチュエーター１６と
探針電極１４との間にはガードリング電極２０が設けら
れ、ガードリング電極２０はその上下に設けられた絶縁
部材２２によって、探針電極１４及び円筒型圧電アクチ
ュエーター１６の駆動電極１８から絶縁される。
バイアス電圧信号Ｓｌを入力とするオペアンプ２６は、
その出力がガードリング電極２０に接続され、　ガード
リング電極２０をバイアス電圧信号Ｓ１と同電位に保つ
電圧フォロワである。オペアンプ２８は、非反転入力に
バイアス電圧信号Ｓ１が入力され、反転入力は探針電極
１４に接続されて、探針電極１４をバイアス入力電圧と
同電位に保ちながら、探針１２と試料１０との間に流れ
るトンネル電流を電圧信号に変換する。オペアンプ３０
は、オペアンプ２８から出力されるバイアス加算トンネ
ル電流信号Ｓ２から、バイアス電圧分を引算し、電圧増
幅する差動増幅器で、　トンネル電流信号Ｓ３を出力す
る。
ＳＴＳ測定の際、交流成分を有するバイアス電圧信号Ｓ
ｌを入力すると、探針１２及びガードリング電極１４の
電位は、バイアス電圧信号Ｓ１と同電位に保たれながら
推移する。　このため、絶縁部材２４の容量成分を介し
て探針電極１４とガードリング電極２０との間に漏れ電
流が流れなくなり、探針１２と試料１０との間に流れる
トンネル電流だけが検出される。
ＳＴＭ測定の際、走査のための電圧が駆動電極１８に印
加されると５　駆動電極１８から絶縁部材２２２４の容
量成分を介して探針電極１４に向かう電流は途中に設け
られたガードリング電極２０に流れ込み、探針電極１４
には流入しない、従って、探針１２と試料１０との間に
流れるトンネル電流だけが検出される。
このように、　ＳＴＳ測定特定時ＳＴＭ測定のための走
査時を問わず、探針電極１４からは純粋に探針１２と試
料１０との間に流れるトンネル電流だけが検出されるよ
うになり、高精度でのＳＴＳ測定及びＳＴＭ測定が可能
になる。なお、　ＳＴＳ測定を行わない時、バイアス電
圧信号Ｓｌは一定電位に保たれるが、　この場合にもＳ
ＴＭ測定特定時様に、駆動電極１８からの漏れ電流をカ
ットできる効果は損なわれない、すなわち、　この漏れ
電流はガードリングによってカットされる。
次に第２図を参照しながら、別の実施例について説明す
る０図において、上述の実施例と同等な部材には同一符
号を付し、その詳細な説明は省略する。
探針１２が取り付けられた探針電極１４は、絶縁部材２
４を介して、円筒型圧電アクチュエーター１６に取り付
けられる０円筒型圧電アクチュエーター１６は円筒状の
圧電体３２を有し、圧電体３２の外壁に４つの駆動電極
１８、　これらの駆動電極１８に対向して圧電体３２の
内壁に共通電極３４を備える。
これらの電極１８．３４で挟まれた部分の圧電体３２の
伸縮によって、探針１２が３次元方向に移動される。　
さらに、圧電体３２は、内外壁に対向して帯状に設けら
れた１対のガードリング電極２０を下端部に備える。
この実施例では、上述の実施例と同様、第１図に示した
回路が使用され、　ガードリング電極２０はオペアンプ
２６の出力に、探針電極１４はオペアンプ２８の反転入
力に接続される。その作用及び効果については、上述の
実施例と同様であるため、　ここでは省略する。
この発明は、上述の実施例に限定されることなく、発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や変形が可能であ
る０例えば、探針を移動させる圧電素子は円筒型圧電ア
クチュエーターに限らず、トライボッド型、平板型や積
層型圧電素子を適用することもできる。　また、探針を
移動する代わりに試料を移動するなど、試料の近くに圧
電素子等の高圧電源を配置する場合、試料側に上述のガ
ードリング機構を設けて適用してもよい。
［発明の効果コ この発明によれば、ガードリング電極と探針電極は常に
等電位に保たれるので、探針電極への電流の流入がなく
なるため、探針と試料との間に流れるトンネル電流を精
度良く検出でき、従ってＳＴＭ測定は勿論のこと、　Ｓ
ＴＳ測定を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
鏡の一実施例の構成を示す図、 第２図は、別の実施例を説明するための図である。 １２・・・探針、　１４・・探針電極、　１６・・・円
筒型圧電アクチュエーター、　２０・・・ガードリング
電極、　２６、　２８．　３０・・オペアンプ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 試料を走査する探針と、 探針に接続されたトンネル電流を取り出すための探針電
    極と、 探針を移動させる圧電素子と、 圧電素子の駆動電極と探針電極との間に設けられ、これ
    らの電極から絶縁されたガードリング電極と、 探針に印加される電圧に等しい電圧をガードリング電極
    に印加する手段とを備える走査型トンネル顕微鏡。
JP2198593A 1990-07-26 1990-07-26 走査型トンネル顕微鏡 Pending JPH0483104A (ja)

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DE4124871A DE4124871A1 (de) 1990-07-26 1991-07-26 Messvorrichtung in einem abtastsonden-mikroskop

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