JPH05203407A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定試料における最適測定条件を、簡単な
操作によって容易に設定できるようにすることにある。 【構成】 探針１を試料２の表面２ａ上を、予め設定し
た任意の始点位置Ｏから所定長さ分にわたってＸ軸方向
及びＹ軸方向に走査させて、この信号をデータ処理手段
１２の処理部１２ｂで処理されたＸ軸方向及びＹ軸方向
の各１ライン分のデータを周波数分析手段１５に伝送し
て周波数分析を行い、データ処理手段１２で処理したと
きに得られる信号を周波数分析手段１５に送り込んで周
波数分析を行い、この周波数分析により、特定周期成分
に現れるピークＰにより試料２の表面状態の推定を行
い、この推定に基づいて最適な走査開始位置及び走査範
囲と、測定点数とを設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
に関し、特にその最適な測定条件を容易に設定できるよ
うにした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、探針と測定対
象とする試料表面との間に電圧を印加したときに、この
探針を試料表面に所定距離（例えば１ｎｍ程度）まで近
接させると、トンネル電流が流れる現象を利用し、この
トンネル電流が一定となるように探針の試料表面に対す
る間隔を制御しながら走査させて、この探針の高さ位置
の変化を検出することによって、試料表面の凹凸形状に
関する情報を取得するものである。即ち、探針の先端か
ら根元に向かう軸線方向をＺ軸とし、このＺ軸に対して
直交する平面内に含まれ、かつ相互に直交する位置関係
にある２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とした空間座標を
設定し、この空間座標における探針の先端部のＸ，Ｙ，
Ｚの座標値を取得して、ＣＲＴモニタに、試料表面状態
の鳥瞰図や、Ｚ座標に対する輝度変調像等として表示す
ることによって、試料表面の極めて微細な凹凸形状を解
析するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、走査を行う
に先立って、まず測定条件の設定を行わなければならな
い。この測定条件としては、前述したＸ，Ｙ直交座標上
における走査範囲と、この走査範囲内における測定点数
が主なものである。ここで、走査型トンネル顕微鏡では
極めて微細な形状を測定するものであることから、目的
に適合する測定に最適な条件を設定するのは極めて困難
である。例えば、表面状態が未知の試料について走査を
行う場合には、測定範囲及び測定点数を変えながら、複
数回測定を行うことによって、最適な測定条件を設定し
なければならず、この最適測定条件の設定作業が極めて
面倒で、この条件設定に著しい時間を消費するという問
題点があった。

【０００４】本発明は以上のような従来技術の課題を解
決するためになされたものであって、その目的とすると
ころは、簡単な操作によって最適測定条件を容易に設定
できるようにすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明は、探針を被測定試料面における直交座
標軸に沿ってライン状に走査させることにより、この試
料表面の状態を推定する手段と、この推定手段からのデ
ータに基づいて最適走査範囲，最適測定点数等からなる
最適測定条件を設定する条件設定手段とを備える構成と
したことをその特徴とするものである。

【０００６】

【作用】測定対象となる試料の表面状態がある種の規則
性を持っている場合には、被測定試料面の直交座標軸に
おけるＸ軸方向及びＹ軸方向に所定の長さにわたってそ
れぞれ１ライン分走査させると、この表面状態の規則性
をある程度推定することができる。即ち、この走査型ト
ンネル顕微鏡によって得られる情報は、被測定試料にお
ける表面の凹凸形状であるところから、この凹凸形状に
何らかの規則性があれば、１走査ラインで得られる信号
の波形を周波数分析すると、特定の周期を持ったところ
にピークが現れる。従って、この繰り返し周期のどの位
置から何周期分取り込むかを決定することは可能であ
り、これによって、最適な走査範囲が決定される。この
走査範囲は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれを別個に
設定することもできるが、例えばＸ軸方向またはＹ軸方
向のいずれか一方にのみ規則性があるような場合には、
この規則性のある方向のみに基づいて条件設定を行い、
他方については、モニタの表示領域の画角等に応じて、
これに追従させて走査範囲の設定を行うこともできる。
一方、測定点数については、前述した繰り返し周期に基
づいて設定することができ、この測定点数の設定は目的
等に応じて個別的に行っても良く、またこの繰り返し周
期に応じて自動的に設定することも可能である。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。まず、図１に走査型トンネル顕微鏡装置の
基本構成を示す。図中において、１は先端が鋭く尖った
針先を有する探針であり、この探針１は測定対象となる
試料２の表面に臨んでいる。探針１は、トライポッドヘ
ッド３において、相互に直角となるように配置された棒
状の微動用圧電素子４，５，６の交差部に取りつけられ
ている。圧電素子４は探針１をＸ軸方向に移動させるた
めのアクチュエータ、圧電素子５はＹ軸方向に移動させ
るためのアクチュエータ、圧電素子６はＺ軸方向に移動
させるためのアクチュエータである。また、探針１は、
トライポッドヘッド３を介して図示しない手動操作装
置，ステッピングモータ，ストロークの大きな粗動用圧
電素子等からなる粗動機構によって、トンネル電流が検
出される距離まで移動させるようになっている。

【０００８】探針１と試料２との間が所定の間隔となっ
たときに、トンネル電流が流れるが、このトンネル電流
はトンネル電流検出部７により検出され、検出されたト
ンネル電流は電流・距離変換部８によって探針１と試料
２との間の距離に関する情報に変換される。ここで、探
針１の試料２に対する間隔は一定に保持されるものであ
り、試料２に凹凸があると、その間の間隔が変化する
が、この間隔の変化は電流・距離変換部８で検出され
て、次段のサーボ回路９によって圧電素子６が作動し
て、探針１がＺ軸方向に変位して、それと試料２との間
の距離が一定になるように制御される。

【０００９】試料２の表面における探針１のＸ軸方向及
びＹ軸方向の走査はＸＹ走査回路１０により行なわれ
る。ＸＹ走査回路１０はＸ軸方向用の圧電素子４とＹ軸
方向用の圧電素子５とに制御信号を与え、これによって
探針１のＸ軸方向，Ｙ軸方向への２次元的な走査の制御
が行なわれる。

【００１０】以上のようにして圧電素子４，５，６によ
り探針１がＸ，Ｙ，Ｚ方向に変位せしめられるが、これ
ら圧電素子４，５，６の負荷電圧、即ち各圧電素子の伸
縮量は空間座標値として処理・制御部１１に伝送され
る。この処理・制御部１１は記憶部１２ａと処理部１２
ｂとを有し、記憶部１２ａは前述した各空間座標値を取
り込んで探針１の位置に関するデータとして記憶し、ま
た適宜のタイミングで記憶部１２ａからデータを処理部
１２ｂに読み出されて、この処理部１２ｂで試料２の観
測表面の凹凸形状についての画像処理が行なわれ、モニ
タ１３に試料２の表面凹凸形状が鳥瞰図や輝度変調像等
として表示される。これら記憶部１２ａと処理部１２ｂ
とによってデータ処理手段１２が形成される。

【００１１】而して、実際に走査させるに当っては、測
定条件の設定を行わなければならない。この測定条件と
しては、まずＸ軸方向及びＹ軸方向における走査始点位
置及びその範囲とからなる走査範囲と、この走査範囲内
における測定点数とがある。これら測定条件を設定する
ために条件設定部１４が設けられている。この条件設定
部１４において設定された測定条件に基づいて探針１を
走査始点位置に配置し、ＸＹ走査回路１０による走査範
囲と、探針１の送りピッチの調整が行われる。探針１は
Ｘ軸方向及びＹ軸方向に１ピッチ送る毎にＺ軸方向の位
置が検出されて、その位置の調整が行われることから、
測定点数は送りピッチに依存する。

【００１２】以上のように走査原点位置，走査範囲及び
測定点数からなる測定条件の設定を行うが、この測定条
件は、測定の目的に合った最適なものでなければならな
い。この最適測定条件の設定を可能とするために、試料
２の表面状態を推定する手段を備えている。この推定手
段としては、例えばＦＦＴ等からなる周波数分析手段１
５を有し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において１ライン分の
走査を行わせて、各ラインにおけるデータを取得し、こ
のデータに基づいて周波数分析手段１５で周波数分析を
行うことによって、この試料２の表面状態を推定する。
ここで、走査型トンネル顕微鏡で得られる情報は、試料
２の表面における凹凸形状であり、この凹凸形状に何ら
かの規則性があれば、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に１ライ
ン走査させて得られる信号の波形を周波数分析すると、
特定の周期を持ったところにピークが現れる。そこで、
この特定の繰り返し周期を手懸かりとして測定条件の設
定を行う。

【００１３】即ち、図２に示したように、試料２の表面
２ａ上を、予め設定した任意の始点位置Ｏから所定長さ
分にわたってＸ軸方向及びＹ軸方向に走査させて、この
信号をデータ処理手段１２の処理部１２ｂで処理された
Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各１ライン分のデータを周波数
分析手段１５に伝送して周波数分析を行う。ここで、ラ
イン状の走査を行うに当っての始点位置Ｏ，１ラインの
長さ及び測定点数を設定する必要があるが、１ラインの
長さを長くすれば、より広い範囲にわたって表面状態の
推定を行うことができ、測定点数を増やせば、それだけ
分解能が向上する。ただし、１ラインの長さをあまり長
くしたり、また測定点数を多くすると、それだけ表面状
態の推定作業が長時間化する。以上のことから、測定の
目的等に応じて、１ラインの長さ及び測定点数を経験的
に決定することができる。

【００１４】いま、Ｘ軸方向に走査させて、データ処理
手段１２で処理したときに、図３に示したような信号波
形が得られたとする。そこで、この信号を周波数分析手
段１５に送り込んで周波数分析を行う。この周波数分析
によって、図４に示したように、特定周期成分にピーク
Ｐが現れる。これによって、試料２の表面は、このピー
クＰの周期を持った凹凸の繰り返しであることが判別す
る。従って、この繰り返し周期の長さを基準として、例
えば、この繰り返し周期の２周期目に相当する位置から
８周期分の走査幅というように、走査開始位置及び走査
幅を決定することができる。Ｙ軸方向においても、同様
の操作を行うことによって、Ｙ軸方向の走査開始位置及
び走査幅が決定される。ただし、Ｘ軸方向またはＹ軸方
向のいずれか一方、例えばＹ軸方向には前述したような
顕著な繰り返し周期が現れない場合があるが、少なくと
も一方の軸方向、即ちＸ軸方向に顕著な繰り返し周期が
現れておれば、それを基準としてＹ軸方向の走査幅を決
定できる。Ｙ軸方向の走査開始位置については、この方
向には顕著な繰り返し周期が現れないので、任意の位置
とすれば良い。これによって、図２に実線で囲んだ範囲
Ｒを最適走査範囲として設定できる。

【００１５】また、測定点数は繰り返し周期の長さと、
走査幅として設定した周期数に基づいて決定することが
できる。さらに、前述した周波数分析の結果、例えば高
周波成分が大きく、この高周波成分についても測定する
必要がある場合等には、測定点数をより多くするように
設定することも可能である。

【００１６】而して、データ処理手段１２の処理部１２
ｂから周波数分析手段１５への信号ラインにモード切換
スイッチ１６を設け、このモード切換スイッチ１６を閉
成した状態で、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に各１ラインのデ
ータを取得して試料１の表面状態の推定を行って、この
推定に基づいて最適な測定条件を設定し、この測定条件
を条件設定部１４に入力する。そして、モード切換スイ
ッチ１６を開成して、探針１をこのように設定された条
件に基づいて、所定の走査開始位置から所定の走査範囲
において、所定数の走査点数で走査させることによっ
て、測定目的に適合する最適な走査を行わせる。そし
て、探針１の先端部のＸ，Ｙ，Ｚの座標値を取得し、こ
のデータをデータ処理手段１２により処理してモニタ１
３に表示することによって、試料２の表面における凹凸
形状の観察を行うことができる。

【００１７】前述したように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の
各１ライン分の走査を行わせることによって、最適な測
定条件を設定できるので、表面状態が未知の試料であっ
て、この試料の表面の凹凸形状が規則的に繰り返されて
いるものにおいては、最適な測定条件を極めて容易に、
しかも迅速に設定できる。

【００１８】なお、試料表面の直交座標軸に沿ってライ
ン状に走査させることにより、この試料表面の状態を推
定する手段として周波数分析手段を用いるようにした
が、これ以外にも、例えば１ラインデータを処理してモ
ニタに表示すること等によっても試料表面の状態を推定
することも可能である。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、探針を
被測定試料面における直交座標軸に沿ってライン状に走
査させて、この試料表面の状態を推定し、この推定デー
タに基づいて最適走査範囲，最適測定点数等からなる最
適測定条件を設定するように構成したので、最適な測定
条件を容易に、しかも迅速に設定でき、必要とする試料
表面画像を容易に観察できる等といった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す走査型トンネル顕微鏡
の構成説明図である。

【図２】試料表面を、その設定走査範囲と共に示す説明
図である。

【図３】１ライン分のデータの一例を示す線図である。

【図４】周波数分析の結果の一例を示すパワースペクト
ル線図である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ 試料 ３ トライポッドヘッド ４，５，６ 微動用圧電素子 ７ トンネル電流検出部 ８ 電流・距離変換部 ９ サーボ回路 １０ ＸＹ走査回路 １１ 処理・制御部 １２ データ処理手段 １４ 条件設定部 １５ 周波数分析手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定試料に近接して配置される探針
   と、この探針と試料との間にトンネル電流を生じさせる
   ための電圧を加える電圧印加手段と、前記トンネル電流
   を測定する測定手段と、測定されたトンネル電流が一定
   となるように前記探針と前記試料との間の距離を制御す
   る制御手段と、前記探針を前記試料表面に沿って走査さ
   せる走査手段と、前記探針で得られた試料表面のデータ
   を記録・処理するデータ処理手段とを備えた走査型トン
   ネル顕微鏡において、前記探針を被測定試料面における
   直交座標軸に沿ってライン状に走査させることにより、
   この試料表面の状態を推定する手段と、この推定手段か
   らのデータに基づいて最適走査範囲，最適測定点数等か
   らなる最適測定条件を設定する条件設定手段とを備える
   構成としたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。