JPH05203405A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル分光により段差や凹凸のある
箇所でのデータを採取するために、改めて試料表面の探
針による走査を行なうことなく、一度の走査により試料
表面のより正確なデータの採取を可能とする。 【構成】 探針５を試料４に対し水平なＸ，Ｙ方向と垂
直なＺ方向に移動させるための圧電素子６，７，８と、
圧電素子駆動回路１４および制御回路１５と、探針５と
試料４との間に電圧を印加するためのバイアス回路１２
と、探針５と試料４との間に流れるトンネル電流を検出
する手段１３と、検出されたトンネル電流に過大な変化
が認められたときに、その検出信号を基にＸ，Ｙ方向の
圧電素子６，７の移動を停止させるとともに、探針５と
試料４との間に印加する電圧をバイアス回路１２からト
ンネル分光用バイアス回路１６に切り替えるためのスイ
ッチング回路１７とを備えている。

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】走査型トンネル顕微鏡は、真空容器内で
探針を観察しようとする試料表面に接近させ、両者の間
に電圧を印加して両者間に流れるトンネル電流が一定に
なるように探針を試料表面に沿って移動させることによ
り、試料表面の形状を原子スケールで観察するという原
理に基づいている。

【０００３】以下、従来の走査型トンネル顕微鏡につい
て図面を参照して説明する。図２は従来の走査型トンネ
ル顕微鏡の概略構成を示すものである。図２において、
１は基台であり、その上にＬ字形の架設台２が設けられ
ている。３は架設台２の上部水平部の先端部下側に設け
られた試料台であり、この試料台３の下側に試料４が取
り付けられている。５は探針であり、６，７は探針５を
Ｘ，Ｙの水平方向に移動させるための圧電素子であり、
基台１上に立設された架設台９，１０に一端部が固定さ
れている。８は探針５をＺの鉛直方向に移動させるため
の圧電素子であり、基台１上に立設されている。これら
の圧電素子６，７，８は、各他端で互いに直角に交差す
るように接合され、その上に探針５が取り付けられてい
る。そしてこれらの部材は、真空容器１１内に収容さ
れ、図示されない除振機構に支持されている。１２は探
針５と試料４の間に電圧を印加するためのバイアス回路
であり、１３はこのバイアス回路１２により印加された
電圧によって探針５と試料４の間に流れるトンネル電流
を検出するための電流検出手段であり、１４は圧電素子
６，７，８に電圧を印加してこれらを駆動する圧電素子
駆動回路であり、１５は探針５と試料４の間に流れるト
ンネル電流の値が一定になるように、電流検出手段１３
の検出結果をもとにＺ方向の圧電素子８に印加する電圧
を制御する制御回路である。

【０００４】以上のように構成された走査型トンネル顕
微鏡について、以下その動作について説明する。まず、
圧電素子駆動回路１４で圧電素子６，７を駆動すること
により、探針５で試料４の表面を試料４に平行な方向に
走査させる。この時、制御回路１５で圧電素子８の駆動
を制御することにより、電流検出手段１３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
値になるように保つ。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可能になる。したがって、逆
に、電流検出手段１３と制御回路１５とを用いて、この
電流値が一定に保たれるように圧電素子８を駆動する
と、探針５は試料４の表面付近を、その凹凸に沿って移
動することになり、結果的に、試料４の表面に関するデ
ータが得られることになる。このデータは、図示されな
いデータ処理部内のメモリに蓄えられ、画像処理されて
ディスプレイ上に表示される。

【０００５】このような試料表面の観測に対して、試料
表面のある位置で圧電素子駆動回路１４により駆動され
る圧電素子６と７の動きを停止させるとともに、バイア
ス回路１２により探針５と試料４の間に印加されるバイ
アス電圧を変化させて、それに対するトンネル電流の変
化を観測するものが、走査型トンネル分光と呼ばれる測
定法であり、特定の局所位置での表面電子状態の情報を
得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の走査型トンネル顕微鏡では、試料の形状が基本的に
周期的でありながら、その周期的な形状をした試料表面
に局所的に欠陥等により生じた大きな段差や凹凸があっ
た場合に、その部分での詳しい性質を調べるためにトン
ネル分光による観測を行なうことがあり、このような場
合、従来は、一旦試料の走査が終わった後で再び探針を
問題の箇所に近づけて、探針と試料との間に印加するバ
イアス電圧を変えてトンネル分光を改めて計測し直さな
ければならず、最悪の場合には、最初の計測で試料表面
を損傷してしまい、肝心の欠陥の持つ性質を調べること
が困難になるという問題があった。

【０００７】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
もので、最初の探針による試料表面の走査で欠陥等を発
見した際に、その詳しい性質を、その走査の途中の段階
で計測することが可能な走査型トンネル顕微鏡を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【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、探針と試料との間に流れるトンネル電流
の検出結果に過大な変化が認められたときに、その検出
信号を基にＸ，Ｙ方向の移動機構を停止させるととも
に、探針と試料との間に印加する電圧を連続的に変化さ
せてトンネル分光の測定に切り替える切替手段を備えた
ものである。

【０００９】

【作用】本発明は上記構成によって、探針による試料表
面の走査の段階で、規則的な形状の試料表面を観察中に
計測される通常の電流値の平均的な変化分を遥かに越え
るトンネル電流の変化分を検出した際に、その検出信号
を基に探針と試料との間に印加する電圧を連続的に変化
させて走査型トンネル分光の測定に切り替えることによ
り、その局所位置における欠陥等の試料表面の形状部分
における詳しいデータを採取することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。図１は本発明の一実施例における
走査型トンネル顕微鏡の概略構成図であり、図２に示し
た従来例と同様な要素には同様な符号を付してある。図
１において、１は基台であり、その上にＬ字形の架設台
２が設けられている。３は架設台２の上部水平部の先端
部下側に設けられた試料台であり、この試料台３の下側
に試料４が取り付けられている。５は探針であり、６，
７は探針５をＸ，Ｙの水平方向に移動させるための圧電
素子であり、基台１上に立設された架設台９，１０に一
端部が固定されている。８は探針５をＺの鉛直方向に移
動させるための圧電素子であり、基台１上に立設されて
いる。これらの圧電素子６，７，８は、各他端で互いに
直角に交差するように接合され、その上に探針５が取り
付けられている。そしてこれらの部材は、真空容器１１
内に収容され、図示されない除振機構に支持されてい
る。１２は探針５と試料４の間に電圧を印加するための
バイアス回路であり、１３はこのバイアス回路１２によ
り印加された電圧によって探針５と試料４の間に流れる
トンネル電流を検出するための電流検出手段であり、１
４は圧電素子６，７，８に電圧を印加してこれらを駆動
する圧電素子駆動回路であり、１５は探針５と試料４の
間に流れるトンネル電流の値が一定になるように、電流
検出手段１３の検出結果をもとにＺ方向の圧電素子８に
印加する電圧を制御する制御回路である。

【００１１】また、１６は電流検出手段１３により通常
の測定よりも遙かに大きなトンネル電流の変化分を検出
したときに、バイアス回路１２に替えて探針５と試料４
との間に連続的に変化する電圧を印加するためのトンネ
ル分光用バイアス回路である。１７は電流検出手段１３
の検出結果を受けて、圧電素子駆動回路１４における圧
電素子６，７の駆動を停止させるとともに、探針５と試
料４との間に印加する電圧をバイアス回路１２からトン
ネル分光用バイアス回路１６へ切り替えるためのスイッ
チング回路である。

【００１２】以上のように構成された走査型トンネル顕
微鏡について、以下その動作を説明する。まず、従来の
走査型トンネル顕微鏡と同様に、探針５を試料４に近付
けて、電流検出手段１３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になるように、制御
回路１５で圧電素子８に印加する電圧を制御して、試料
４と探針５の間の距離を一定に保ちながら、圧電素子
６，７を圧電素子駆動回路１４で駆動し、試料４の表面
に沿って探針５を移動させる。

【００１３】この時、電流検出手段１３により検出され
るトンネル電流の値が、初めに設定された値に戻るまで
の間に検出される僅かな変化分をも同時に検出できるよ
うにしておく。この電流検出手段１３により検出される
トンネル電流の値の変化分が、極端に大きくなった時に
は、試料４の表面に何等かの段差や欠陥に起因する凹凸
等があるものと判断し、その検出信号をスイッチング回
路１７に送る。スイッチング回路１７にこのような検出
信号が送られてきたときには、このスイッチング回路１
７は、ただちに圧電素子駆動回路１４による圧電素子６
と７の駆動を停止させて、探針５と試料４の間に印加さ
れるバイアス電圧の制御を、バイアス回路１２からトン
ネル分光用バイアス回路１６に切り替える。これによ
り、試料４表面の平均的凹凸を越えるような凹凸の部分
でのバイアス電圧の連続的変化に対するトンネル電流の
変化を、自動的にトンネル分光として観測することがで
きる。このトンネル分光を測定している間は、そのデー
タと当該個所のＸＹ座標値が図示されないデータ処理部
内のメモリに記憶されており、後に画像処理されてディ
スプレイ上に表示される。このトンネル分光測定が終了
した後、スイッチング回路１７により、トンネル分光用
バイアス回路１６によるバイアス電圧の制御からバイア
ス回路１２による制御に切り替えて、再び通常の走査型
トンネル顕微鏡による試料４の観測に移行する。

【００１４】以上のように、本実施例によれば、スイッ
チング回路１７を設けることにより、電流検出手段１３
が通常の測定よりも遙かに大きなトンネル電流の変化分
を検出したときに、探針５と試料４との間に印加する電
圧を、圧電素子駆動回路１４と連動させて、バイアス回
路１２からトンネル分光用バイアス回路１６へ切り替え
てトンネル分光測定を行なうようにしたので、従来の走
査型トンネル顕微鏡のように、一度試料表面の観察を終
えた後、再び試料表面の問題となる箇所に探針を移動さ
せて、走査型トンネル分光の観測をし直す必要がなく、
一度の試料表面の観察により、必要な情報を得ることが
できる。

【００１５】なお本実施例において、バイアス回路１２
とトンネル分光用バイアス回路１６とは共通のものとし
てもよい。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、本発明は、探針と試料と
の間に流れるトンネル電流の検出結果に過大な変化が認
められたときに、その検出信号を基にＸ，Ｙ方向の移動
機構を停止させるとともに、探針と試料との間に印加す
る電圧を連続的に変化させてトンネル分光の測定に切り
替える切替手段を備えているので、探針による一回の試
料表面の走査により、試料表面の走査型トンネル顕微鏡
による観察以外に、必要な箇所での走査型トンネル分光
の観測も連続的に行なうことができる優れた走査型トン
ネル顕微鏡を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における走査型トンネル顕微
鏡の概略構成図

【図２】従来の走査型トンネル顕微鏡の概略構成図

【符号の説明】

１ 基台 ２ 架設台 ３ 試料台 ４ 試料 ５ 探針 ６ 圧電素子 ７ 圧電素子 ８ 圧電素子 ９ 架設台 １０ 架設台 １１ 真空容器 １２ バイアス回路 １３ 電流検出手段 １４ 圧電素子駆動回路 １５ 制御回路 １６ トンネル分光用バイアス回路 １７ スイッチング回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察すべき試料に対向すべく配置された
   探針と、前記探針を前記試料の表面に対して面内方向で
   あるＸ，Ｙ方向および垂直方向であるＺ方向に移動させ
   る移動機構と、前記探針と前記試料間に電圧を印加する
   手段と、前記探針と前記試料との間に流れるトンネル電
   流を検出する手段と、前記トンネル電流の検出結果に過
   大な変化が認められたときに、その検出信号を基に前記
   Ｘ，Ｙ方向の移動機構を停止させるとともに、前記印加
   電圧を連続的に変化させてトンネル分光の測定に切り替
   える切替手段を備えた走査型トンネル顕微鏡。