JPH06267122A - Scanning mechanism and driving method therefor - Google Patents

Scanning mechanism and driving method therefor

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JPH06267122A
JPH06267122A JP7852693A JP7852693A JPH06267122A JP H06267122 A JPH06267122 A JP H06267122A JP 7852693 A JP7852693 A JP 7852693A JP 7852693 A JP7852693 A JP 7852693A JP H06267122 A JPH06267122 A JP H06267122A
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JP
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sample
electrode
means
auxiliary electrode
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JP7852693A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Eguchi
Hideyuki Kawagishi
健 江口
秀行 河岸
Original Assignee
Canon Inc
キヤノン株式会社
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Abstract

PURPOSE: To prevent a probe from colliding with the wall of a step end and the damage of the probe and the surface of a sample by providing the probe having an auxiliary electrode for detecting the step end of the surface of the sample and controlling the drive of the probe based on the information of the step end detected by the auxiliary electrode.
CONSTITUTION: An auxiliary electrode 5 for detecting a step end 6 is arranged on the side surface of a probe near the tip of the probe 1 through an insulation layer 7. A voltage is applied between the probe 1 and a sample electrode 2 by means of a voltage applying means 4. Piezo elements 12, 13 relatively scan the probe 1 along the surface of the sample electrode 2 and a piezo element 14 is a moving means in the direction perpendicular to the surface of the electrode 2. A tunneling currents flowing through the electrode 5 and between the electrode 5 and the electrode 2 are detected by means of a tunneling current detecting means 8. By detecting the step end 6 and controlling driving voltages applied on driving means 12-14 by means of the detected current, the scan in the XZ directions and the movement in Y direction of the probe 1 are controlled and the collision of the probe 1 with the step end 6 is prevented.
COPYRIGHT: (C)1994,JPO&Japio

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】本発明は、走査機構、特に走査型顕微鏡やその原理を応用した情報処理装置等に用いられる走査機構及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a scanning mechanism, in the scanning mechanism and a driving method used in the particular scanning microscope and an information processing apparatus or the like which applies the principle.

【0002】 [0002]

【従来の技術】近年、導体の電子構造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡(以後、STMと略す)が開発され[G. In recent years, scanning tunneling microscope capable of observing the electron structure of the conductor directly (hereinafter referred to as STM) has been developed [G. Binning et al. Binning et al. Phys. Phys. Re Re
v. v. Lett. Lett. 49,57(1982)],単結晶,非晶質を問わず、実空間像の高い分解能の測定ができるようになった。 49 and 57 (1982)], a single crystal, whether amorphous, has enabled the measurement of the high resolution of the real space image.

【0003】STMは、金属の探針(プローブ)と導電性物質間に電圧を加えて1nm程度の距離まで近づけるとトンネル電流が流れることを利用している。 [0003] The STM utilizes the fact that a tunnel current flows when added to the voltage closer to a distance of approximately 1nm between the electrically conductive material and the metal probe (probe). この電流は両者の距離変化に非常に敏感である。 This current is very sensitive to the distance change therebetween. トンネル電流を一定に保つように探針を走査することにより実空間の全電子雲に関する種々の情報をも読み取ることができる。 It can be read also various information about the total electron cloud in the real space by scanning the probe so as to keep the tunnel current constant.

【0004】従って、STMの原理を応用すれば十分に原子オーダー(サブナノメートル)での高密度記録再生を行うことが可能である。 [0004] Therefore, it is possible to perform high-density recording and reproduction sufficiently atomic order when applying the principle of STM (sub-nanometer). 例えば、特開昭61−805 For example, JP-A-61-805
36号に開示されている記録再生装置では、電子ビーム等によって媒体表面に吸着した原子粒子を取り除き書き込みを行い、STMによりこのデータを再生している。 In the recording and reproducing apparatus disclosed in JP 36 writes remove adsorbed atomic particles on the medium surface by the electron beam or the like, and reproducing the data by STM.

【0005】記録層として電圧電流のスイッチング特性に対してメモリ効果を持つ材料、例えば、パイ電子系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜を用いて、記録・ [0005] Materials having a memory effect for switching characteristics of voltage-current as a recording layer, for example, by using a thin film of pi-electron system organic compound or chalcogen compound class, recording and
再生をSTMで行なう方法が提案されている(特開昭6 Method of performing playback STM has been proposed (JP-6
3−161552号広報,特開昭63−161553号広報)。 3-161552 Patent Public Relations, JP-A-63-161553 public relations). この方法によれば、記録のビットサイズを10 According to this method, the bit size of recording 10
nmとすれば、1 Tera bit/cm 2もの大容量記録再生が可能である。 if nm, it can have a large capacity recording and reproduction of even 1 Tera bit / cm 2.

【0006】前記プローブの形成手法として半導体製造プロセス技術を用い、1つの基板上に微細な構造を作る加工技術(K.E.Peterson,“Silico [0006] using the semiconductor manufacturing process technology as the formation method of the probe, processing techniques for making a fine structure on a single substrate (K.E.Peterson, "Silico
nas a Mechanical Materia nas a Mechanical Materia
l”,Proceedingof IEEE,70巻, l ", Proceedingof IEEE, 70, pp.
420頁,1982年)を利用し、かかる手法により構成したSTMが特開昭61−206148号広報に提案されている。 420 pp., Using a 1982), constructed the STM has been proposed in Publication No. Sho 61-206148 by such an approach.

【0007】また、特開昭62−281138号広報には前記特開昭61−206148号広報に開示されたものと同様の舌状部をマルチに配置したアレイを備えた記録装置が記載されている。 [0007] Also, in JP 62-281138 publicity describes a recording apparatus having an array of arranging the same tongue and those disclosed in Publication No. said Sho 61-206148 in multi there.

【0008】 [0008]

【発明が解決しようとする課題】上述従来例の走査型顕微鏡、及び、走査型顕微鏡の原理を用いたメモリー装置等に用いられる従来の走査機構では、試料表面に深いステップ端が存在する場合、 探針が凸型のステップ端の壁に接近する時にステップ端の壁に探針がぶつかって、探針や試料表面が損傷するおそれがあること 探針が凹型のステップ端の上空を通過する時にトンネル電流が突然流れなくなり、探針が試料表面から大きく離れた状態でフィードバック制御が効かなくなったり、 THE INVENTION Problems to be Solved] above conventional example of a scanning microscope, and, in the conventional scanning mechanism used in a memory device or the like using the principle of a scanning microscope, if there is a deep step edge on the sample surface, and the tips hit the wall of the step edge when the probe approaches the wall of the step edge of convex, when the probe passes over a concave step edge to the probe and the sample surface may be damaged tunnel current stops flowing suddenly, or become ineffective feedback control in a state in which the probe is far from the sample surface,
突然、下方向への大きな制御電圧がピエゾ素子に印加されて、結局、探針が試料表面に激突し、探針や試料表面が損傷するおそれがあること といった問題点が存在した。 Suddenly, a large control voltage downward is applied to the piezoelectric element, after all, the probe is crashed into the sample surface, problems such that the probe and the sample surface may be damaged is present.

【0009】よって、本発明の目的は、上記問題点を解決し、試料表面に深いステップ端が存在する場合にも、 [0009] Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, even when there is a deep step edge on the sample surface,
探針や試料表面が損傷することが防止できる走査機構及びその駆動方法を提供することにある。 It is to provide a scanning mechanism and a driving method thereof can be prevented that the probe and the sample surface may be damaged. ただし、ここでステップ端とは、凹凸変化の存在する表面部位一般を示すものとする。 However, where the step edge, it is of the surface sites generally in the presence of uneven change.

【0010】 [0010]

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成するために成された本発明は、第一に、試料に近接配置した導電性の探針を該試料表面に沿って相対的に走査すると共に、該試料と該探針間に電圧を印加し、それらの間の距離に依存する相互作用を検出する走査型顕微鏡の技術を利用した装置の走査機構において、試料表面のステップ端を検知する補助電極を具備した探針を有することを特徴とする走査機構であり、第二に、前記補助電極が、前記探針の先端近傍の探針側面に絶縁層を介して配置され、かつ該補助電極と試料間に流れるトンネル電流を検知する手段を有することを特徴とする上記第一の走査機構であり、第三に、前記補助電極が、前記探針の先端近傍の探針側面に絶縁層を介して配置されている分割補助電極からなり Means and operation for solving the problems] The present invention was made in order to achieve the above object, in a first, relatively scanning probe of a conductive placed close to the sample along the sample surface while, a voltage is applied between the sample and 該探 needle, the scanning mechanism of the apparatus using the scanning microscope of techniques for detecting the interaction depends on the distance between them, detects the step edge of the sample surface it is scanning mechanism, characterized in having a probe provided with the auxiliary electrodes, the second, the auxiliary electrode is arranged through an insulating layer on the probe side near the tip of the probe, and wherein is the first scanning mechanism, characterized in that it comprises means for detecting a tunnel current flowing between the auxiliary electrode and the sample, the third, the auxiliary electrode is insulated probe side near the tip of the probe made from the split auxiliary electrode arranged via the layer かつ各分割補助電極と試料間に流れるトンネル電流を検知する手段と該検知されるトンネル電流を互いに比較する手段を有することを特徴とする上記第一の走査機構であり、第四に、上記第一〜第三いずれかの走査機構の駆動方法であって、前記補助電極により検知したステップ端の情報に基づき、前記探針の駆動を制御することを特徴とする駆動方法である。 And a said first scanning mechanism, characterized in that it comprises means for comparing means and the tunnel current is the detection for detecting a tunnel current flowing between the divided auxiliary electrode and the sample together, the fourth, the first a one-driving method of the third one of the scanning mechanism, based on the information of the step edge detected by the auxiliary electrode, a driving method characterized by controlling the driving of the probe.

【0011】本発明に係る技術的背景の理解を助けるために、本発明に係る補助電極を備えない従来の探針で試料表面の凹凸状態を観察する場合について先に説明する。 [0011] To aid in understanding the technical background of the present invention, previously described case where the conventional probe having no auxiliary electrode according to the present invention to observe the irregularities of the sample surface.

【0012】図5は従来の探針51が試料表面のステップ52に接近したときの状態を示しており、図5 [0012] Figure 5 shows a state where the conventional probe 51 approaches the step 52 of the sample surface, FIG. 5
(a),(c)は電圧分布を、図5(b),(d)は電界強度分布をそれぞれ表している。 (A), it represents (c) is a voltage distribution, FIG. 5 (b), (d) is the electric field intensity distribution, respectively. 尚、図5(a), Incidentally, FIG. 5 (a), the
(b)は探針51とステップ52壁との距離が8nmの場合であり、図5(c),(d)は13nmの場合である。 (B) is a case where the distance between the probe 51 and the step 52 the wall is 8 nm, FIG. 5 (c), (d) shows a case of 13 nm.

【0013】これらの図において、探針51の電位を1.0V、試料側電位を0Vとしており、Y=0(X軸上)は試料のステップ52以外の平滑な表面を表している。 [0013] In these figures, 1.0 V potential of the probe 51, is set to 0V the sample side potential, Y = 0 (on the X-axis) represents the smooth surface of the non-step 52 of the sample.

【0014】ここで、試料・探針間に流れるトンネル電流は、電界強度の峰線に沿って、非常に細かい電子ビームとして流れると考えられる。 [0014] Here, the tunnel current flowing between the sample-probe along the crest line of the electric field intensity is considered to flow as a very fine electron beam. いま、図5(b)のごとく、探針51がステップ52壁に近づきはじめると、探針51側面とステップ52との間に生じる電界強度の峰線に沿ったトンネル電流が検知されるようになる。 Now, as in FIG. 5 (b), so that the probe 51 is the start close to the step 52 walls, tunnel current along the crest line of the electric field intensity generated between the probe 51 side and the step 52 is detected Become. しかし、探針51では、ステップ52への電流とそれ以外の表面(注; Y=0,X軸上)への電流を区別できない。 However, the probe 51, the current and other surfaces to step 52; not distinguish the current to (Note Y = 0, the X-axis).

【0015】そして、探針51とステップ52との間に、ある値以上のトンネル電流が流れる程度まで近づいて初めて、電流一定条件のフィードバック制御機構により、探針51が+Y軸方向に移動するように制御される。 [0015] Then, between the probe 51 and the step 52, the first close to the extent that a certain value or more tunnel current flows, the feedback control mechanism of the current constant conditions, so that the probe 51 is moved in the + Y-axis direction It is controlled to.

【0016】しかしながら、このような制御が効果をもつのは、 (i)ステップ52の高さが、トンネル電流が流れる距離と同程度の時 (ii)探針51の位置がステップ52の上空となる場合 に限られる。 [0016] However, such control that have an effect, the height of the steps of (i) 52, the position of the time comparable to the distance that a tunnel current flows (ii) the probe 51 and over the step 52 only when it made. しかるに、探針・試料表面間距離は、トンネル電流が検知できる程度に限られる。 However, the probe and the sample surface distance is limited to the extent that a tunnel current can be detected. このため、現状のSTMでは、トンネル電流が検知できる程度の距離(DTL)よりステップの高さ(h)が大きい時、探針51はステップ52の端部の壁に激突することが予想される。 Therefore, in the current STM, when the distance to the extent that a tunnel current can be detected (DTL) from step height (h) is large, the probe 51 is expected to hit the wall of the end portion of the step 52 .

【0017】以下に、もう少し数式的な説明を試みる。 [0017] In the following, try a little more mathematically description.

【0018】トンネル電流が検知出来る程度の距離:D [0018] The distance of the extent to which the tunneling current can be detected: D
TL(nm) X−方向のスキャン速度:S×DTL(nm/sec) Y−方向の探針51の最大移動制御速度:T×DTL TL (nm) X- direction scan speed: Maximum movement control speed of S × DTL (nm / sec) Y- direction of the probe 51: T × DTL
(nm/sec) ステップ32の高さh:K×DTL(nm) とすると、探針51がステップ52壁にぶつからない条件は概略、 K×DTL/(T×DTL)<DTL/(S×DTL) よって T>S×K しかるに、T及びSは、本来、探針を試料表面に沿って相対的に走査する手段であるピエゾ素子等の性能と共振周波数からの制限がある。 (Nm / sec) Height of step 32 h: When K × DTL (nm), conditions the probe 51 is not hit in step 52 the wall is a schematic, K × DTL / (T × DTL) <DTL / (S × DTL) Thus T> S × K However, T and S are inherently is limited from performance and resonant frequency such as a piezoelectric element is a means for relatively scanning along the probe to the sample surface. 今、単純化のためにピエゾ素子の性能だけを考えるなら、TとSはピエゾ素子の最大性能から、同程度の値となるだろう。 Now, if only consider the performance of the piezo element for the sake of simplicity, T and S from the maximum performance of the piezo element, will be the same level of value. しかし、例えば、 However, for example,
DTLの100倍の高さを持つステップ壁に探針がぶつからないようにするためには、X−方向のスキャン速度[S×DTL(nm/sec)]をY方向の最大移動制御速度[T×DTL(nm/sec)]の1/100未満にする必要がある。 In order to probe the step wall with 100 times the height of the DTL does not collide is, X- direction scan speed [S × DTL (nm / sec)] of the maximum movement control speed in the Y direction [T × should be less than 1/100 of the DTL (nm / sec)].

【0019】しかしながら、スキャン速度を極端に遅くするのは、実用上好ましくない。 [0019] However, to extremely slow scan speed, which is not preferable for practical use. とくに、STMの原理を用いたメモリーシステムでは、メモリーへのアクセス速度が著しく低下し、実用的な装置が得られない。 In particular, in the memory system using the principle of STM, the access speed is significantly reduced to memory, no practical device can be obtained. また、走査型顕微鏡として、表面観察する場合にも、スキャン速度を極端に遅くすると、観察時間が増加するだけでなく、いわゆる温度ドリフト等により画像が歪み易くなるおそれがある。 Further, as the scanning microscope, even when the surface observation, the extremely slow scan speed, not only the observation time increases, there is a possibility that the image is easily distorted by so-called temperature drift and the like.

【0020】そこで本発明においては、ステップ壁と探針間に流れるトンネル電流と、ステップ壁以外の試料表面と探針間に流れるトンネル電流を個々に検出できるように、探針に補助電極を設けたものである。 [0020] Therefore, in the present invention, it provided a tunnel current flowing between the step wall and the probe, so as to detect the tunneling current individually flowing between the sample surface and the probe other than the step wall, the auxiliary electrode to the probe those were.

【0021】かかる補助電極により検出されるステップ壁と探針間に流れるトンネル電流の変化情報により、探針とステップ壁との相対的な位置関係が得られ、これを基に探針の駆動を制御できる。 The change information of a tunnel current flowing between the step wall and the probe is detected by [0021] Such auxiliary electrode, the relative positional relationship between the probe and the step wall is obtained which is the driving of the probe based on It can be controlled.

【0022】 [0022]

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明する。 EXAMPLES The following examples illustrate the present invention in detail.

【0023】 実施例1図1は本発明の特徴をもっとも良く表す本実施例の走査機構により、試料表面を走査している様子を示したものである。 [0023] Example 1 FIG. 1 is a scanning mechanism of the present embodiment to represent best the features of the present invention, and shows a state in which scanning the sample surface.

【0024】同図において、1は探針であり、2は探針1と対向配置した試料電極であり、3は試料基板であり、6は試料電極表面のステップ端の例であり、5はステップ端6を検知するための補助電極である。 [0024] In the figure, 1 is a probe, 2 is a sample electrode disposed opposite to the probe 1, 3 is a sample substrate, 6 is an example of a step edge of the sample electrode surface 5 an auxiliary electrode for detecting the step edges 6. 補助電極5は探針1の先端近くの探針側面に、絶縁層7を介して配置されている。 Auxiliary electrode 5 is the probe side near the tip of the probe 1, are disposed through the insulating layer 7. また、4は探針1と試料電極2間に電圧を印加する手段であり、8は補助電極5と試料電極2 Further, 4 is a means for applying a voltage between the probe 1 and the sample electrode 2, 8 auxiliary electrode 5 and the sample electrode 2
間に流れるトンネル電流を検知する手段であり、21は探針1と試料電極2間の距離に依存する各種の相互作用(トンネル電流や電界放射電流等)を検出する手段であり、本実施例では探針1と試料電極2間に流れるトンネル電流を検知する手段である。 A means for detecting a tunnel current flowing between, 21 is a means for detecting the various interactions that depend on the distance between the probe 1 and the sample electrode 2 (tunnel current or field emission current, etc.), this embodiment in a means for detecting a tunnel current flowing between the probe 1 and the sample electrode 2.

【0025】12及び13は探針1を試料電極2の表面に沿って相対的に走査する手段であるところのピエゾ素子であり、試料表面に略平行な平面であるところのX− [0025] 12 and 13 are piezoelectric elements where a means for relatively scanning along the probe 1 on the surface of the sample electrode 2, where a plane substantially parallel to the sample surface X-
Z平面に対して各々、X方向及びZ方向の走査手段である。 Each the Z plane, the X-direction and the Z direction of the scanning means. また、14は上記X−Z平面に垂直なY方向の移動手段であるところのピエゾ素子である。 Further, 14 is a piezoelectric element where a moving means of the Y direction perpendicular to the X-Z plane.

【0026】また、22はシステム全体を制御する制御装置であり、マイクロコンピューター及びピエゾ素子1 Further, 22 is a control device for controlling the whole system, the micro-computer and the piezoelectric element 1
2〜14駆動回路,フィルター回路を内蔵している。 2-14 drive circuit, has a built-in filter circuit.

【0027】本実施例においては、補助電極5及び該補助電極5と試料電極2間に流れるトンネル電流を検知する手段8により検知したステップ端6の情報に基づいて、XZ方向の走査及びY方向の移動を行うところの駆動手段12〜14に印加する駆動電圧を制御することにより探針1の駆動制御を行い、探針1がステップ端6にぶつかるのを防ぎ、探針や試料表面が損傷することを防止するものである。 [0027] In this embodiment, on the basis of the auxiliary electrode 5 and the auxiliary electrode 5 and the information of the step edge 6 that is detected by the means 8 for detecting a tunnel current flowing between the sample electrode 2, XZ direction of scanning and the Y direction moving performs driving control of the probe 1 by controlling the drive voltage applied to the drive means 12 to 14 where performing a prevents the probe 1 hits the step edge 6, the probe and the sample surface is damaged it is to prevent the.

【0028】次に、本実施例における走査機構の駆動方法を説明する。 [0028] Next, a driving method of a scanning mechanism in the present embodiment.

【0029】図2は走査機構の駆動法を示すタイムチャートであり、横軸tは時間軸を示す。 FIG. 2 is a time chart showing a driving method of the scanning mechanism, the horizontal axis t denotes the time axis. 同図は探針1がステップ端6の壁に接近し、通過する場合を例としたタイムチャートである。 The figure probe 1 approaches the wall of the step edges 6 is a time chart as an example the case of passing.

【0030】同図(a)は制御モードが異なる期間(2 [0030] FIG. (A) is the control mode different periods of time (2
01)〜(204)の時間区分を示し、同図(b)はトンネル電流検知手段21によって検知される探針1と試料電極2間に流れるトンネル電流A1の絶対値の対数を示し、同図(c)はトンネル電流検知手段8によって検知される補助電極5と試料電極2間に流れるトンネル電流A2の絶対値の対数を示している。 01) shows a time segment to (204), FIG. (B) shows the logarithm of the absolute value of the tunnel current A1 flowing between the probe 1 and the sample electrode 2 detected by the tunnel current detection means 21, FIG. (c) shows the logarithm of the absolute value of the tunnel current A2 flowing between the auxiliary electrode 5 and the sample electrode 2 detected by the tunnel current detection means 8.

【0031】また、同図(d)は試料表面に略平行な探針1の移動量(この場合はX方向の移動量)を制御するピエゾ素子12に印加する制御電圧V Xを示し、同図(e)は試料表面に略垂直な方向(Y方向)の探針1の移動量を制御するピエゾ素子14に印加する制御電圧V Further, FIG. (D) shows substantially the amount of movement of the parallel probe 1 to the sample surface (in this case, X-direction movement amount) shows a control voltage V X to be applied to the piezoelectric element 12 for controlling, the Figure (e) is a control voltage V applied to the piezoelectric element 14 for controlling the amount of movement of the probe 1 substantially perpendicular direction (Y-direction) to the sample surface
Yを示している。 Shows the Y.

【0032】また、同図において、t0はスタート時刻、t1は探針1がステップ端6の壁に接近し、補助電極5よ試料電極2間に流れるトンネル電流がA2が、増加しはじめる時刻、t2は探針1がステップ端6の壁に更に接近し、同図(b)に示したLOG|A2|が、ある設定値G1になった時の時刻である。 Further, in the figure, t0 is the start time, t1 is the probe 1 approaches the wall of the step edge 6, a tunnel current flowing between the auxiliary electrodes 5 by the sample electrode 2 is A2, starts to increase time, t2 further approaches the probe 1 is in the wall of the step edge 6, FIG LOG shown in (b) | A2 | is the time when it becomes certain set value G1.

【0033】ゆえに、期間201は、 t0≦t≦t2 なる期間である。 [0033] Therefore, the period 201 is t0 ≦ ​​t ≦ t2 becomes period. この期間では試料表面に略垂直な方向(Y方向)の探針1の移動量を制御するピエゾ素子14 The piezoelectric element 14 in this period for controlling the amount of movement of the probe 1 substantially perpendicular direction (Y-direction) to the sample surface
に印加する制御電圧V Yは、LOG|A1|とA1の目標値A1Mの差D1に基づいて、誤差D1ができるだけ小さくなるようにフィードバック制御されるものとする。 Control voltage V Y to be applied to the, LOG | A1 | and based on the difference D1 of the target value A1M of A1, it is assumed that the error D1 is feedback controlled as small as possible.

【0034】ここでは、説明をわかりやすくするために、ステップ6以外は平坦な表面とし、ピエゾ素子12 [0034] Here, in order to simplify the description, it is a flat surface except step 6, the piezo element 12
の移動方向と試料電極2表面の平坦部及びX軸が完全に平行と仮定する。 Flats and the X-axis direction of travel and the sample electrode 2 surface of assumed perfectly parallel. このとき、期間201でV Xの増加により、探針1がステップ端6の壁に接近する方向に移動するが、LOG|A1|は変化せず、V Yは図示したごとく、ほぼ一定となる。 At this time, an increase in V X at time 201, the probe 1 is moved toward the wall of the step edge 6, LOG | A1 | is not changed, V Y is as illustrated, is substantially constant .

【0035】また、同図において、t3はLOG|A2 [0035] In addition, in the figure, the t3 LOG | A2
|が再び微小な値にもどる時刻である。 | It is time to return to the small value again. ゆえに、期間2 Therefore, the period 2
02は、 t2≦t≦t3 なる期間である。 02 is a t2 ≦ t ≦ t3 becomes period. この期間では、試料表面に略平行な探針1の移動量、特にX方向の移動量を制御するピエゾ素子12に印加する制御電圧V Xは一定値に保持され、探針1が試料電極2表面に激突することが防止される。 In this period, the amount of movement of the substantially parallel probe 1 to the sample surface, in particular a control voltage V X to be applied to the piezoelectric element 12 for controlling the movement amount in the X direction is held at a constant value, the probe 1 sample electrode 2 They are prevented from crashing into the surface. また、この期間では、LOG|A1|に基づいた制御は中断され、同図(e)に図示したごとく、LOG|A2| Further, in this period, LOG | A1 | to control based is interrupted, as shown in FIG. (E), LOG | A2 |
が微小量になるまで、試料表面に略垂直な方向(Y方向)の制御電圧V Yが、探針1が試料電極2表面から離れる方向に変化させられる。 There until a minute amount, the control voltage V Y of the substantially vertical direction (Y-direction) to the sample surface is varied in the direction in which the probe 1 is moved away from the sample electrode 2 surface. このとき、LOG|A1| In this case, LOG | A1 |
は一般的に同図(b)のごとく小さな値となる。 A small value as commonly FIG (b).

【0036】また、同図において、t4はLOG|A1 [0036] In addition, in the figure, the t4 LOG | A1
|が再び目標値A1Mにもどる時刻である。 | It is time to again return to the target value A1M. ゆえに、期間203は、 t3≦t≦t4 なる期間である。 Therefore, the period 203 is t3 ≦ t ≦ t4 becomes period. この期間では、LOG|A1|に基づいたフィードバック制御は、まだ中断されているものの、LOG|A1|がモニターされ、LOG|A1|が再び目標値A1Mにもどるまで、制御電圧V Xが増加して、探針1がステップ端6の上部をステップ端6壁に激突することなく通過しようとする状態になる。 In this period, LOG | A1 | feedback control based on, but still being interrupted, LOG | A1 | is monitored, LOG | A1 | until again returns to the target value A1M, control voltage V X increases Te, the probe 1 is in a state to be passed without clash the top of the step edge 6 in step edge 6 walls.

【0037】また、同図において、t5は走査が終了する時刻である。 Further, in the figure, t5 is the time when the scan is completed. ゆえに、期間204は、 t4≦t≦t5 なる期間である。 Therefore, the period 204 is t4 ≦ t ≦ t5 becomes period. この期間では期間201と同様に、試料表面に略垂直な方向(Y方向)の探針1の移動量を制御するピエゾ素子14に印加する制御電圧V Yは、LO Like the period 201 in this period, the control voltage V Y applied to the piezoelectric element 14 for controlling the amount of movement of the probe 1 in a direction substantially perpendicular to the sample surface (Y direction), LO
G|A1|とA1の目標値A1Mの差D1に基づいて、 G | A1 | and based on the difference D1 of the target value A1M of A1,
誤差D1ができるだけ小さくなるようにフィードバック制御されるものとする。 Shall errors D1 is feedback controlled as small as possible.

【0038】以上のごとくして、ステップ端6の壁が高い場合にも、探針が凸型のステップ端の壁に接近する時に、ステップ端の壁に探針がぶつかるのを防止でき、探針や試料表面が損傷することが防止された。 [0038] In as described above, even when the high walls of the step edge 6, when the probe approaches the wall of the step edge of the convex, it is possible to prevent the tips from striking the wall of the step edge, probe needle and the sample surface is prevented from being damaged.

【0039】 実施例2図3は本実施例の走査機構により、試料表面を走査している様子を示したものである。 [0039] Example 2 3 by a scanning mechanism of the present embodiment, and shows a state in which scanning the sample surface.

【0040】同図において図1と同一符号のものは同一部材を示しており、5A,5Bはステップ端6を検知するための2分割補助電極である。 [0040] FIG. 1 and of the same reference numerals in FIG shows the same member, 5A, 5B is divided into two auxiliary electrodes for sensing step edges 6. 分割補助電極5A,5 Split auxiliary electrodes 5A, 5
Bは探針1の先端近くの探針側面に各々絶縁層7A,7 B each insulating layer on the probe side near the tip of the probe 1 7A, 7
Bを介して配置されている。 It is arranged through the B. また、8A,8Bは分割補助電極5A,5Bと試料電極2間に流れるトンネル電流を検知する手段であり、31はトンネル電流検知手段8 Further, 8A, 8B is a means for detecting a tunnel current flowing between the split auxiliary electrodes 5A, 5B and the sample electrode 2, 31 tunnel current detection means 8
A,8Bにより検知されるトンネル電流を互いに比較する手段である。 A, it is a means for comparing with each other the tunnel current is detected by 8B.

【0041】本実施例においては、分割補助電極5A, [0041] In this embodiment, the divided auxiliary electrodes 5A,
5B及び該分割補助電極5A、5Bと試料電極2間に流れるトンネル電流を検知する手段8A,8Bにより検知したトンネル電流A2A,A2Bを、該トンネル電流を比較する手段31で比較することにより、探針位置の左右の非対称性を感知し、ステップ端6を検知し、該検知情報に基づいて、XZ方向の走査及びY方向の移動を行うところの駆動手段12〜14に付加する駆動電圧を制御することにより探針1の駆動制御を行い、探針1がステップ端6にぶつかるのを防ぎ、探針や試料表面が損傷することを防止するものである。 5B and the divided auxiliary electrodes 5A, means 8A for detecting a tunnel current flowing between 5B and the sample electrode 2, a tunnel current A2A has been detected by 8B, the A2B, by comparing with means 31 for comparing the tunnel current, probe sensing the asymmetry of the left and right hand position, detects the step edge 6, based on the detection information, controls the drive voltage to be added to the driving means 12 to 14 at which to move the XZ direction scanning and the Y-direction performs driving control of the probe 1 by, prevents the probe 1 hits the step edges 6, in which the probe and the sample surface is prevented from being damaged.

【0042】次に、本実施例における走査機構の駆動方法を説明する。 [0042] Next, a driving method of a scanning mechanism in the present embodiment.

【0043】図5は走査機構の駆動法を示すタイムチャートであり、横軸tは時間軸を示す。 [0043] Figure 5 is a time chart showing a driving method of the scanning mechanism, the horizontal axis t denotes the time axis. 同図は探針1がX The figure the probe 1 is X
方向に移動し、ステップ端6の上空を通過する場合を例としたタイムチャートである。 Moves in a direction, a time chart as an example the case of passing through over the step edge 6.

【0044】同図(a)は制御モードが異なる期間(3 [0044] FIG. (A) is the control mode different time periods (3
01)〜(304)の時間区分を示し、同図(c)はトンネル電流検知手段21によって検知される探針1と試料電極2間に流れるトンネル電流A1の絶対値の対数を示し、同図(b),(d)はトンネル電流検知手段8 01) shows a time segment to (304), FIG. (C) shows the logarithm of the absolute value of the tunnel current A1 flowing between the probe 1 and the sample electrode 2 detected by the tunnel current detection means 21, FIG. (b), (d) is a tunnel current detector 8
B,8Aによって検知される分割補助電極5B,5Aと試料電極2間に流れるトンネル電流A2B,A2Aの絶対値の対数を示している。 B, split auxiliary electrode 5B sensed by 8A, a tunnel current flows between 5A and sample electrode 2 A2B, shows the logarithm of the absolute value of the A2A.

【0045】同図(g)は比較手段31により検知される比較値DDCB=LOG|A2B|−LOG|A2A [0045] FIG. (G) the comparison value DDCB = LOG is detected by the comparison means 31 | A2B | -LOG | A2A
|なる値を示し、同図(e)は試料表面に略平行な探針1の移動量(この場合はX方向の移動量)を制御するピエゾ素子12に印加する制御電圧V Xを示し、同図(f)は試料表面に略垂直な方向(Y方向)の探針1の移動量を制御するピエゾ素子14に印加する制御電圧V | Becomes indicate values, FIG. (E) shows a control voltage V X substantially the amount of movement of the parallel probe 1 to the sample surface (in this case, the X-direction moving amount) is applied to the piezoelectric element 12 for controlling, FIG (f) is a control voltage V applied to the piezoelectric element 14 for controlling the amount of movement of the probe 1 substantially perpendicular direction (Y-direction) to the sample surface
Yを示している。 Shows the Y.

【0046】また、同図において、t7はスタート時刻、t8は探針1がステップ端6にやや接近し、スキャン方向前方に位置する一方の分割補助電極5Bがステップ端6の上空を通過し、試料電極2との距離が増加しはじめるために、分割補助電極5Bと試料電極2間に流れるトンネル電流A2Bが減少しはじめる時刻である。 [0046] Also, in the figure, t7 is the start time, t8 is the probe 1 is slightly closer to the step edge 6, one of the split auxiliary electrode 5B positioned in the scanning direction forward past the high over the step edge 6, for the distance between the sample electrode 2 begins to increase, the time at which the tunneling current A2B starts to decrease flowing between the divided auxiliary electrode 5B and the sample electrode 2.

【0047】ゆえに、期間301は、 t7≦t≦t8 なる期間である。 [0047] Therefore, the period 301 is t7 ≦ t ≦ t8 becomes period. この期間では、試料表面に略垂直な方向(Y方向)の探針1の移動量を制御するピエゾ素子1 In this period, the piezoelectric element 1 for controlling the movement of the probe 1 in a direction substantially perpendicular to the sample surface (Y-direction)
4に印加する制御電圧V Yは、LOG|A1|とA1の目標値A1Mの差D1に基づいて、誤差D1ができるだけ小さくなるようにフィードバック制御されるものとする。 Control voltage V Y to be applied to 4, LOG | A1 | and on the basis of the target value difference A1M D1 of A1, it is assumed that the error D1 is feedback controlled as small as possible.

【0048】ここでは、説明をわかりやすくするためにステップ6以外は平坦な表面とし、ピエゾ素子12の移動方向と試料電極2表面の平坦部及びX軸が完全に平行と仮定する。 [0048] Here, except step 6 for clarity of illustration a flat surface, it is assumed flat part and the X-axis direction of travel and the sample electrode 2 surface of the piezoelectric element 12 is completely parallel. このとき、期間301で、V Xの減少により探針1がステップ端6上空に接近する方向に移動するが、LOG|A1|は変化せず、V Yは図示したごとく、ほぼ一定となる。 At this time, in the period 301, but the probe 1 by a decrease in V X is moved toward the step edge 6 over, LOG | A1 | is not changed, V Y is as illustrated, is substantially constant.

【0049】また、スキャン方向後方に位置する他方の分割補助電極5Aは、まだ平坦部上にあるため、LOG [0049] Also, the other split auxiliary electrodes 5A positioned in the scan direction rearward, because there still on a flat portion, LOG
|A2A|は変化しない。 | A2A | does not change. このことより、比較値DDB From this fact, the comparison value DDB
Cは変化し、各分割補助電極と5A,5Bと試料電極2 C is changed, the divided auxiliary electrode and 5A, 5B and the sample electrode 2
を流れる電流に非対称性が生じていることが検知される。 It is detected that the asymmetry is caused in the current flowing through.

【0050】また、同図において、t9は探針1がステップ端6の上空を通過し、試料電極2との距離が増加しはじめるために、探針1と試料電極2間に流れるトンネル電流A1が減少しはじめる時刻を示しており、t10 [0050] Also, in the figure, t9 is the probe 1 passes through the sky above step edge 6, in the distance between the sample electrode 2 begins to increase, the tunnel current A1 flowing between the probe 1 and the sample electrode 2 but it shows the time at which begins to decrease, t10
はスキャン方向後方に位置する他方の分割補助電極5A Other split auxiliary electrodes 5A positioned in the scan direction rearward
がステップ端6の上空を通過し、試料電極2との距離が増加しはじめるために、分割補助電極5Aと試料電極2 For but which passed through over the step edge 6, the distance between the sample electrode 2 begins to increase, divided auxiliary electrode 5A and the sample electrode 2
間に流れるトンネル電流A2Aが減少しはじめる時刻である。 Tunnel current A2A flowing between the time at which begins to decrease. t11は分割補助電極5Bがステップ端6から離れ、LOG|A2B|が最小値に飽和した時刻であり、 t11 leaves split auxiliary electrode 5B is a step edge 6, LOG | A2B | is time saturated to the minimum value,
t12は分割補助電極5Aがステップ端6から離れ、L t12 split auxiliary electrode 5A is separated from the step edge 6, L
OG|A2A|が最小値に飽和した時刻である。 OG | A2A | is the time at which the saturation to the minimum value. また、 Also,
t12は比較値DDCBが微小な値となる時刻でもある。 t12 is also a time comparison value DDCB becomes a very small value.

【0051】ゆえに、期間302は、 t8≦t≦t12 なる期間である。 [0051] Therefore, the period 302 is t8 ≦ t ≦ t12 becomes time. この期間では、試料表面に略平行な探針1の移動量、特にX方向の移動量を制御するピエゾ素子12に印加する制御電圧V Xは、減少し続けるが、L In this period, the amount of movement of the substantially parallel probe 1 to the sample surface, the control voltage V X to be applied to the piezoelectric element 12 in particular controls the movement amount in the X direction, but continue to decrease, L
OG|A1|に基づいたフィードバック制御は中断され、|DDCB|が微小量になる時刻t12がモニターされるまで、試料表面に略垂直な方向(Y方向)の制御電圧V Yが一定に保たれる。 OG | A1 | a feedback control based is interrupted, | DDCB | until is time t12 monitor becomes small amount, kept at a control voltage V Y is constant direction substantially perpendicular to the sample surface (Y-direction) It is. このとき、LOG|A1| In this case, LOG | A1 |
は一般的に同図(c)のごとく小さな値となる。 A small value as commonly FIG (c).

【0052】また、同図において、t13はLOG|A [0052] In addition, in the figure, t13 is LOG | A
1|が再び目標値A1Mにもどる時刻である。 1 | is the time to again return to the target value A1M. ゆえに、 therefore,
期間303は、 t12≦t≦t13 なる期間である。 Period 303 is t12 ≦ t ≦ t13 becomes time. この期間では、LOG|A1|に基づいたフィードバック制御は、まだ中断されているものの、LOG|A1|がモニターされ、LOG|A1|が再び目標値A1Mにもどるまで、制御電圧V Xは一定に保たれると共に制御電圧V Yが減少して、探針1がステップ端6の右側領域の表面に激突することなく、X軸に平行な表面に探針1が接近した状態となる。 In this period, LOG | A1 | feedback control based on, but still being interrupted, LOG | A1 | is monitored, LOG | A1 | until again returns to the target value A1M, control voltage V X is a constant reduced control voltage V Y together with maintained without the probe 1 is slammed on the surface of the right side area of the step edge 6, a state of the probe 1 on the surface parallel to the X axis is approached.

【0053】また、同図において、t14は走査が終了する時刻である。 [0053] Also, in the figure, t14 is the time when the scan is completed. ゆえに、期間304は、 t13≦t≦t14 なる期間である。 Therefore, the period 304 is t13 ≦ t ≦ t14 becomes time. この期間では、期間301と同様に、 In this period, similarly to the period 301,
試料表面に略垂直な方向(Y方向)の探針1の移動量を制御するピエゾ素子14に印加する制御電圧V Control voltage V applied to the piezoelectric element 14 for controlling the amount of movement of the probe 1 in a direction substantially perpendicular to the sample surface (Y-direction) Yは、L Y is, L
OG|A1|とA1の目標値A1Mの差D1に基づいて、誤差D1ができるだけ小さくなるようにフィードバック制御されるものとする。 OG | A1 | and based on the difference D1 of the target value A1M of A1, it is assumed that the error D1 is feedback controlled as small as possible.

【0054】以上のごとくして、ステップ端6の壁が高い場合にも、探針が凹型のステップ端の上空を通過する時に、トンネル電流が突然流れなくなり、探針が試料表面から大きく離れた状態でフィードバック制御が効かなくなったり、突然、下方向への大きな制御電圧がピエゾ素子に印加されて、結局、探針が試料表面に激突したりするのを防止でき、探針や試料表面が損傷することが防止された。 [0054] In as described above, even when the high walls of the step edge 6, when the probe passes over a concave step edge, tunnel current stops flowing suddenly, the probe is far from the sample surface or become ineffective feedback control state, a sudden, large control voltage downward is applied to the piezoelectric element, after all, the probe is prevented from or hit the surface of the sample, the probe and the sample surface damage it is prevented that.

【0055】本実施例では補助電極をX方向で2分割した分割補助電極で説明したが、Y方向にも2分割(全体で4分割)した分割補助電極とすることにより、試料の面内方向の2次元走査において上記と同様の方法により、良好な駆動が可能である。 [0055] In the present embodiment described divides the auxiliary electrodes 2 divides the auxiliary electrode in the X-direction, by a Y direction is also divided into two (total 4 divided) were divided auxiliary electrode plane direction of the sample in the two-dimensional scanning of the same method as described above, it is possible to good driving.

【0056】尚、実施例1においては凸型のステップ端の壁に接近した場合を、また本実施例においては凹型のステップ端の上空を通過する場合を例に挙げてその具体的な駆動方法を説明したが、本発明のいずれの走査機構も、その詳細な駆動方法は若干異なるものの、凸型あるいは凹型のステップ端に接近した場合に探針を試料表面に激突させることなく駆動でき、かつ、フィードバック制御可能である。 [0056] Incidentally, the specific driving method taking the case of passing through over the concave step edge as an example in the case close to the wall of the step edge, and also the embodiment of the convex in Example 1 It has been described, any scanning mechanism of the present invention also, although a detailed driving method slightly different, the probe when close to the convex or concave step edge can be driven without crashing the sample surface, and , it is a feedback control possible.

【0057】 [0057]

【発明の効果】以上説明したごとく、本発明により試料表面のステップ端を検知する補助電極を具備した探針を有し該補助電極により検知したステップ端の情報に基づいて、前記探針の駆動を制御することにより、試料表面に深い(高い)ステップ端が存在する場合にも、 探針が凸型のステップ端の壁に接近する時に、ステップ端の壁に探針がぶつかるのを防止でき、探針や試料表面が損傷するのを防止できる。 As it has been described above, based on the step edge information that is detected by the auxiliary electrode having a probe provided with the auxiliary electrodes for detecting the step edges of the sample surface by the present invention, the driving of the probe by controlling the deep to the sample surface (high) even if the step edge is present, when the probe approaches the wall of the step edge of the convex, it is possible to prevent the tips from striking the wall of the step edge prevents the probe and the sample surface from being damaged.

【0058】探針が凹型のステップ端の上空を通過する時に、トンネル電流が突然流れなくなり、探針が試料表面から大きく離れた状態でフィードバック制御が効かなくなったり、突然、下方向への大きな制御電圧が駆動素子に印加されて、結局、探針が表面に激突したりするのを防止でき、探針や表面が損傷するのを防止できる。 [0058] When the probe passes over a concave step edge, tunnel current stops flowing suddenly, or become ineffective feedback control in a state in which the probe is far from the sample surface, sudden, large control downward voltage is applied to the drive element, after all, the probe is prevented from or crashing into the surface, the probe and the surface can be prevented from being damaged.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の一実施例に係る走査機構により試料表面を走査している様子を示す縦断面図である。 1 is a longitudinal sectional view showing a state of scanning the sample surface by scanning mechanism according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の走査機構の駆動方法の一例を示すタイムチャートである。 2 is a time chart showing an example of a method of driving the scanning mechanism of the present invention.

【図3】本発明の一実施例に係る走査機構により試料表面を走査している様子を示す縦断面図である。 3 is a longitudinal sectional view showing a state of scanning the sample surface by scanning mechanism according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の走査機構の駆動方法の一例を示すタイムチャートである。 4 is a time chart showing an example of a method of driving the scanning mechanism of the present invention.

【図5】従来型の探針を用いた駆動状態を示す図である。 It is a diagram illustrating a driving state using the [5] Conventional probe of.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 探針 2 試料電極 3 試料基板 4 電圧印加手段 5 補助電極 5A,5B 分割補助電極 6 ステップ端 7,7A,7B 絶縁層 8,8A,8B トンネル電流検出手段 12 X方向駆動素子 13 Z方向駆動素子 14 Y方向駆動素子 21 トンネル電流検出手段 22 制御装置 31 比較手段 51 探針 52 ステップ端 1 probe 2 sample electrode 3 sample substrate 4 voltage applying means 5 auxiliary electrode 5A, 5B split auxiliary electrode 6 step edge 7, 7A, 7B insulating layer 8, 8A, 8B tunnel current detecting means 12 X-direction drive device 13 Z-directional driving element 14 Y-direction drive element 21 tunnel current detection means 22 control device 31 comparing means 51 probe 52 step edges

Claims (4)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 試料に近接配置した導電性の探針を該試料表面に沿って相対的に走査すると共に、該試料と該探針間に電圧を印加し、それらの間の距離に依存する相互作用を検出する走査型顕微鏡の技術を利用した装置の走査機構において、試料表面のステップ端を検知する補助電極を具備した探針を有することを特徴とする走査機構。 1. A with relatively scanning along the surface of the sample a probe of the close proximity to conductive the sample, a voltage is applied between the sample and 該探 needle depends on the distance between them in the scanning mechanism of the apparatus using the scanning microscope of techniques for detecting interaction, scanning mechanism, characterized in that it comprises a probe provided with the auxiliary electrodes for detecting the step edges of the sample surface.
  2. 【請求項2】 前記補助電極が、前記探針の先端近傍の探針側面に絶縁層を介して配置され、かつ該補助電極と試料間に流れるトンネル電流を検知する手段を有することを特徴とする請求項1に記載の走査機構。 Wherein said auxiliary electrode, and characterized by having said the probe side in the vicinity of the tip of the probe is placed over the insulating layer, and means for detecting a tunnel current flowing between the auxiliary electrode and the sample scanning mechanism according to claim 1.
  3. 【請求項3】 前記補助電極が、前記探針の先端近傍の探針側面に絶縁層を介して配置されている分割補助電極からなり、かつ各分割補助電極と試料間に流れるトンネル電流を検知する手段と該検知されるトンネル電流を互いに比較する手段を有することを特徴とする請求項1に記載の走査機構。 Wherein said auxiliary electrode is made from the split auxiliary electrode disposed via an insulating layer on the probe side near the tip of the probe, and detecting a tunnel current flowing between the divided auxiliary electrode and the sample scanning mechanism according to claim 1, characterized in that it comprises means for comparing means and the tunnel current is the detection of each other.
  4. 【請求項4】請求項1〜3いずれかに記載の走査機構の駆動方法であって、前記補助電極により検知したステップ端の情報に基づき、前記探針の駆動を制御することを特徴とする駆動方法。 4. A driving method of a scanning mechanism according to any claims 1 to 3, based on the information of the step edge detected by the auxiliary electrode, and controlling the driving of the probe driving method.
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