JPH06194115A - 走査型トンネル顕微鏡およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡において、試料表面の
凹凸程度に応じた適切な走査速度で探針を走査させ、衝
突を避けると共に高精度な測定を可能にする。 【構成】 試料に接近して配置される探針１と、探針を
試料２に対し前進または後退させる移動手段5 と、探針
と試料の間にトンネル電流を生じさせるための電圧を印
加する電圧印加手段６と、トンネル電流を測定する測定
手段7,8 と、トンネル電流を一定に保持するため探針と
試料の間の距離を制御する制御手段９と、探針に試料の
表面を走査させる走査手段(3,4,10,15) と、探針を用い
て得られた試料表面の測定データを記録・処理するデー
タ記憶・処理手段(11,12) を備えるものであって、測定
しようとする領域でのライン状走査で得たデータに基づ
き試料表面の凹凸程度を推定する凹凸程度推定手段(21,
22) と、推定された凹凸程度に基づき適切な走査速度を
設定する走査速度設定手段(23,24) を有する。

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お
よびその測定方法に関し、特に、測定しようとする領域
の凹凸程度に応じた適切な走査速度を設定して探針の移
動制御を行うようにした走査型トンネル顕微鏡およびそ
の測定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とい
う）では、導電性探針と試料との間にバイアス電圧を印
加し、探針を試料表面に原子レベルの距離（１ｎｍ程
度）まで接近させたときに探針・試料間に流れるトンネ
ル電流を利用して試料表面の３次元形状（凹凸形状）を
計測する。試料表面に沿って探針を走査移動させると
き、探針・試料間に流れるトンネル電流が、設定された
一定値になるように、試料表面に対する探針の高さ位置
を制御し、探針の高さ方向の変位量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得る。探針の
空間的な位置座標は、探針の先端から根元に向う方向を
Ｚ軸とし、このＺ軸に直角な平面内に含まれかつ互いに
直交関係にある２方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする
ことにより、Ｘ，Ｙ，Ｚの各座標値で決定される。この
空間座標を用いてＣＲＴモニタに、観察しようとする試
料表面の鳥瞰図やＺ座標に対する輝度変調像が表示され
る。このようにして得られた画像は、試料表面の凹凸形
状情報を反映したものであり、この画像によって試料表
面における微細な形状を解析することができる。

【０００３】上記のＳＴＭにおいて、試料を載置する試
料ステージ面と探針の軸方向とは直角になるように構成
されている。試料ステージ上の試料の表面の所定領域を
走査して当該領域の凹凸状態を測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のＳＴＭ
では、試料表面の原子レベルの微細な凹凸形状を測定す
るために、わずかな測定条件の変化によっても測定画像
に歪みが生じることがある。そのため、測定対象領域で
測定のための二次元走査が開始されたときには、できる
限り高速の走査速度で探針を移動させて短時間で測定を
完了することが望ましい。

【０００５】一方、測定領域の二次元走査では、探針
は、測定領域において設定された複数の測定箇所で停止
し、トンネル電流を検出・監視しながら、探針・試料間
の距離が一定距離になるまで探針を試料にＺ軸方向移動
にて接近させ、その接近動作が完了した後に、ＸＹ平面
内の水平移動にて次の測定箇所に移動し、同様な接近動
作を繰返すようにして、走査動作を行う。測定のための
二次元走査における探針の走査速度は、基本的に各測定
箇所におけるサーボ制御の繰返し数に基づく接近速度で
決まる。このため、走査速度の設定が、試料表面の凹凸
状態に無関係に高速状態に設定されると、試料表面の凹
凸の程度が急激に変化する場合、探針が試料表面に衝突
し、探針および試料を破損するという不具合が発生す
る。

【０００６】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、試料
表面の凹凸程度に応じた適切な走査速度で探針を走査さ
せ、衝突を避けると共に高精度な測定を可能にする走査
型トンネル顕微鏡およびその測定方法を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る走査型トン
ネル顕微鏡は、試料に接近して配置される探針と、探針
を試料に対し前進または後退させる移動手段と、探針と
試料の間にトンネル電流を生じさせるための電圧を印加
する電圧印加手段と、トンネル電流を測定する測定手段
と、トンネル電流を一定に保持するため探針と試料の間
の距離を制御する制御手段と、探針に試料の表面を走査
させる走査手段と、探針を用いて得られた試料表面の測
定データを記録・処理するデータ記憶・処理手段を備え
るものであって、測定しようとする領域でのライン状走
査で得たデータに基づき試料表面の凹凸程度を推定する
凹凸程度推定手段と、推定された凹凸程度に基づき適切
な走査速度を設定する走査速度設定手段を有する。前記
の構成において、好ましくは、凹凸程度推定手段は、ラ
インデータの隣合うデータの差を求める高度差算出手段
である。また本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の測定
方法は、測定のための二次元走査を行う前に、測定対象
領域をライン状に走査し、このライン状走査で得られた
データを用いて測定対象領域の凹凸の程度を推定し、推
定された凹凸程度に対応して最適な走査速度を設定し、
測定対象領域にて適切な走査速度で二次元走査を行って
測定を行う測定方法である。前記のライン状走査は、オ
ペレータによる手動、またはマイコンに組み込まれたプ
ログラムにより自動で行うことが可能である。

【０００８】

【作用】本発明では、本来的な測定の前に測定対象領域
についてライン状の走査を行い、このライン状走査に基
づくデータを用いて測定対象領域の凹凸の程度を推定す
る。一般的に測定対象領域に規則的な凹凸が形成されて
いる場合に、１回または複数回のライン状の走査で、当
該測定対象領域の凹凸程度の推定を行うことが可能であ
る。ライン状走査の方向は任意に選択することができ
る。できる限り測定領域をカバーできることが好まし
い。測定領域の凹凸程度の推定には、例えばデータ間の
差、変化割合、または微分値等が利用される。凹凸程度
が推定された後には、当該凹凸程度に適した走査速度が
設定される。適切な走査速度を設定する方法としては、
走査速度テーブルを利用することが望ましい。処理時間
を短縮できるからである。適切な走査速度を設定するこ
とによって、測定のための二次元走査では、望ましい測
定を行うことができ、迅速でかつ高精度、試料および探
針に破損の生じない測定を行うことができる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は、ＳＴＭの探針部分の構成と、探針
の位置制御のための装置構成と、探針により得られる測
定データを検出・処理する部分の構成を示している。図
１を参照してＳＴＭの要部に関する一般的な構成および
動作を説明する。図１において、１は導電性を有する探
針であり、探針１の先端は鋭く尖り、試料２の表面に臨
んでいる。探針１は図示しないトライポッドヘッドにお
いて相互に直角になるように配置された棒状の微動用圧
電素子３，４，５の交差部に取り付けられる。圧電素子
３はＸ軸方向の移動に関与するアクチュエータ、圧電素
子４はＹ軸方向の移動に関与するアクチュエータ、圧電
素子５はＺ軸方向の移動に関与する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を取り付けた図
示しない手動装置、ステッピングモータ、またはストロ
ークの大きな粗動用圧電素子等によって、所要のトンネ
ル電流が検出される距離まで試料２の表面に近づけるこ
とができる。

【００１０】探針１と試料２の間に電源６が接続される
ことによって、それらの間に所要のバイアス電圧が印加
されている。この状態で探針１を試料２に近づけ、探針
１と試料２の間の距離が所要の微小距離になると、それ
らの間にトンネル電流が流れる。導電性の探針１に流れ
るトンネル電流は、トンネル電流検出部７で検出され、
その後トンネル電流・距離変換部８によって、検出され
たトンネル電流は探針１と試料２の間の距離に変換され
る。通常の凹凸形状の測定では、測定領域での探針１の
走査において、設定された複数の測定箇所のそれぞれに
おける探針１の軸方向の位置制御において、検出される
トンネル電流が予め定められた一定値に保持されるよう
に探針１の高さ位置を制御する。かかる制御を行うた
め、次段のサーボ回路９では、トンネル電流・距離変換
部８から出力される距離データを入力し、この距離デー
タが内部に予め設定される基準距離と常に一致するよう
にサーボ制御を行い、これにより探針・試料間の距離が
一定に保持されるようにＺ軸方向の圧電素子５の伸縮動
作量を制御する。サーボ回路９はアナログサーボ回路と
して構成してもよいし、またマイコンを利用してディジ
タルサーボ回路として構成することもできる。高い制御
性を実現するためには、ディジタルサーボ回路が望まし
い。

【００１１】試料２の測定面における探針１のＸ軸およ
びＹ軸の各方向の走査のための移動は、走査部１０によ
って行われる。走査部１０は、Ｘ軸方向用の圧電素子３
とＹ軸方向用の圧電素子４に対して伸縮用駆動信号を与
え、これらの圧電素子３，４の伸縮動作によって探針１
の二次元的走査が行われる。

【００１２】Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の圧電素子３，４，
５による探針１の移動に伴い、圧電素子３，４，５の負
荷電圧、すなわち各圧電素子の伸縮量を空間座標として
測定データ記憶部１１に記憶する。測定データ記憶部１
１に記憶された探針１の位置データは、適宜に取り出さ
れ、データ処理部１２に供給される。データ処理部１２
では、試料２の測定面の凹凸形状についての画像処理を
行い、画像処理で得られたデータを用いてモニタ部１３
に試料２の表面凹凸画像を表示する。なお出力装置とし
てのモニタ部１３は一例であり、例えばプリンタを用い
ることもできる。上記の測定データ記憶部１１とデータ
処理部１２は、演算・制御部１４に含まれる。演算・制
御部１４はＣＰＵとメモリによって構成される。この演
算・制御部１４によって必要な機能手段が実現される。
例えば、１５は走査制御部であり、この走査制御部１５
は前述の走査部１０に対して走査制御信号を与える。こ
の走査制御信号は、探針１を、測定領域における複数の
測定箇所のそれぞれに移動させるための制御信号であ
る。

【００１３】上記の構成において、探針１と試料２の間
にトンネル電流が流れる場合に、探針１と試料２の間の
距離は原子レベルの１ｎｍ程度であり、試料表面の凹凸
状態を検出するためには、この距離を一定に保つように
圧電素子５の動作を制御することが必要である。トンネ
ル電流は、探針・試料間の距離の変化に敏感であり、こ
れによって高い分解能を得ることができる。

【００１４】上記ＳＴＭに基づけば、その一連の動作に
より、試料２の測定面の凹凸形状に関する情報を得るこ
とができる。この情報を得るためには、測定領域におい
て設定された複数の測定箇所すなわちサンプリング箇所
のそれぞれにおいて、探針１の走査のための移動を停止
し、探針１と試料２の表面との距離を一定に保つための
サーボ制御が、サーボ回路９によって複数回繰り返して
行われる。各測定箇所におけるサーボ制御繰返し数が、
全体の測定時間すなわち走査速度を決定する。走査速度
は、通常、標準的な試料凹凸面を想定して経験的に定め
られているものであるが、試料２の表面の凹凸が激しい
場合には、標準的な走査速度で測定を行うと、探針１が
試料表面の凹凸に追従できず、サーボ制御の繰返し数を
増加させることが必要となる。換言すれば、各測定箇所
での探針１のＺ軸方向移動に関しサーボ制御繰返し数す
なわち走査速度を、測定しようとする試料表面の凹凸程
度に応じて適切なもの、好ましくは最適なものに設定で
きることが望まれる。

【００１５】そこで本実施例のＳＴＭでは、図１に示さ
れるごとく、演算・制御部１４の中に走査速度設定部１
６を設ける。この走査速度設定部１６は、測定対象領域
が決まったとき、測定のための二次元走査を行う前に、
測定領域においてライン状の走査を一回または複数回任
意の方向に行って当該測定領域の凹凸程度を推定し、凹
凸程度に応じた適切な走査速度または望ましくは最適な
走査速度を設定する機能を有するものである。二次元走
査を行う前のライン状走査は、オペレータによる手動で
行うこともできるし、プログラムで組込むことにより自
動化することもできる。走査速度設定部１６の具体的構
成は、図２に示される。

【００１６】走査速度設定部１６は、ラインデータ取出
し手段２１と、凹凸程度推定手段２２と、走査速度（繰
返し数）設定手段２３と、走査速度（繰返し数）テーブ
ル２４によって構成される。図３のフローチャートを参
照して、走査速度設定部１６の動作を説明する。試料２
の表面において測定領域が決まると、まず走査範囲およ
び当該範囲における測定点数が設定される（ステップ３
１）。次にその測定領域において、測定の二次元走査が
行われる前に、任意の方向で１回または複数回のライン
状走査が手動または自動で行われる（ステップ３２）。
このライン状走査による測定データはラインデータとし
て測定データ記憶部１１に記憶される。ラインデータ取
出し手段２１は測定データ記憶部１１からラインデータ
を読出し、凹凸程度推定手段２２に送る。凹凸程度推定
手段２２は、ラインデータに基づいて凹凸程度を推定す
る（ステップ３３）。

【００１７】凹凸程度を推定する方法は、いろいろな方
法を採用できる。例えば、隣合うデータ同士の変化状
態、変化割合を算出することにより、凹凸程度を推定で
きる。データの変化状態を利用する場合には、例えば隣
合うデータ同士の差すなわち高さの差（高度差）を算出
する手段が設けられ、変化割合を利用する場合には、変
化割合算出手段が設けられる。また連続的な変化割合と
しての微分値を求めることにより凹凸程度を推定する方
法も考えられる。この場合には微分値演算手段が設けら
れる。

【００１８】凹凸程度推定手段２２で推定された凹凸情
報は走査速度設定手段２３に提供される。走査速度設定
手段２３は、予め用意された走査速度テーブル２４か
ら、凹凸程度に応じた適切な走査速度を選択する（ステ
ップ３４）。こうして決められた走査速度は、走査速度
設定手段２３からサーボ回路９に提供される。サーボ回
路９では、与えられた走査速度の情報が、各測定箇所で
のサーボ制御の繰返し数を決定する要素として設定され
る。そして、かかる状態のサーボ回路９で、測定のため
の二次元走査が行われる（ステップ３５）。

【００１９】上記の動作において、凹凸程度の推定に
は、ラインデータ内の隣合うデータ同士の差（高さの
差）の絶対値を用いることが望ましい。試料表面の凹凸
が激しい場合には高さの差は大きくなり、緩やかな場合
には小さくなることを利用する。そして、高さの差の絶
対値の中で最大になる値を、予め設定した複数の基準値
と比較し、走査速度を決定することが望ましい。変化割
合、あるいは微分値を利用する場合にも同様にして適用
することができる。

【００２０】前記実施例はＳＴＭについて説明したが、
探針を備え、サーボ制御によって探針をその軸方向に位
置制御するように構成された走査型探針顕微鏡に一般的
に適用できるのはもちろんである。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、測定しようとする領域の凹凸の程度を事前に調
べ、凹凸程度に応じて適切な走査速度を決定し、適切な
走査速度で測定のための二次元走査を行うようにしたた
め、探針と試料の衝突による破損を未然に防ぐと共に、
許容される限り短い時間で測定を完了できるので、高精
度な測定を行える。特に本発明は、試料表面に形成され
る凹凸が規則性を有している場合に、その規則性を事前
に見出すことができ、かかる表面を有する試料の測定に
適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査型トンネル顕微鏡の要部構成図である。

【図２】走査速度設定部の内部構成を示したブロック図
である。

【図３】走査速度設定部の動作を示すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

１ …探針 ２ …試料 ３，４，５ …圧電素子 ６ …電源 ７ …トンネル電流検出部 ８ …トンネル電流・距離変換部 ９ …サーボ回路 １０ …走査部 １１ …測定データ記憶部 １２ …データ処理部 １３ …モニタ部 １４ …演算・制御部 １５ …走査制御部 １６ …走査速度設定部 ２１ …ラインデータ取出し手段 ２２ …凹凸程度推定手段 ２３ …走査速度設定手段 ２４ …走査速度テーブル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に接近して配置される探針と、前記
   探針を前記試料に対し前進または後退させる移動手段
   と、前記探針と前記試料の間にトンネル電流を生じさせ
   るための電圧を印加する電圧印加手段と、前記トンネル
   電流を測定する測定手段と、前記トンネル電流を一定に
   保持するため前記探針と前記試料の間の距離を制御する
   制御手段と、前記探針に前記試料の表面を走査させる走
   査手段と、前記探針を用いて得られた試料表面の測定デ
   ータを記録・処理するデータ記録・処理手段を備える走
   査型トンネル顕微鏡において、 測定しようとする領域でのライン状走査で得たデータに
   基づき試料表面の凹凸程度を推定する凹凸程度推定手段
   と、前記凹凸程度に基づき適切な走査速度を設定する走
   査速度設定手段を有することを特徴とする走査型トンネ
   ル顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡に
   おいて、前記凹凸程度推定手段は、ラインデータの隣同
   士のデータの差に基づいて凹凸を推定する手段であるこ
   とを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
3. 【請求項３】 測定のための二次元走査を行う前に、測
   定対象領域をライン状に走査し、このライン状走査で得
   られたデータを用いて前記測定対象領域の凹凸程度を推
   定し、推定された前記凹凸程度に対応して適切な走査速
   度を設定し、前記測定対象領域にて適切な走査速度で前
   記二次元走査を行うようにしたことを特徴とする走査型
   トンネル顕微鏡の測定方法。