JPH07198314A - 走査探針を用いた顕微鏡等の探針先端再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大気圧雰囲気中で使用する装置において、探
針先端の再生を容易に行えるようにし、探針の寿命を伸
ばすとともに、探針の交換回数を低減させる。 【構成】 大気圧雰囲気中で試料面に沿って探針をＸ，
Ｙ方向に走査して探針と試料間にバイアス電圧を印加
し、探針と試料間に流れるトンネル電流を検出してトン
ネル電流値に基づいて探針をＺ方向に駆動すると共に、
トンネル電流値または探針のＺ方向駆動信号に基づいて
試料面の凹凸像を表示するようにした装置において、探
針再生モードにおいて所定のトンネル電流が検出された
瞬間に当該トンネル電流の基準信号を０（ゼロ）に切替
える手段を設け、前記装置に探針を装着したままで当該
探針に電解研磨用の電解液セルを対向配置し、前記バイ
アス電圧を当該探針と当該電解液セルの電極との間に印
加するとともに、その電圧印加状態で当該探針の先端を
電解液の中に浸して電流を検出し、当該電流として前記
所定のトンネル電流に対応する電流値が検出されたとき
に、前記探針を前記電解液から引き離す制御手段を設け
たことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査探針を用いた走査型
トンネル顕微鏡や走査探針を用いた微細加工装置におけ
る探針の先端部分の再生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来一般の走査型トンネル顕微鏡
の構成を示すブロック図である。図において、１は試
料、２は探針、３はバイアス電源、４は３次元スキャ
ナ、４ｘ，４ｙ，４ｚは圧電素子、５はスキャンジェネ
レータ、６ｘ，６ｙ，６ｚは圧電素子駆動高圧回路、７
はＩ／Ｖ増幅器、８はログアンプ、９はコンパレータ、
１０はインテグレータ、１１はイメージ増幅器、１２は
ＣＰＵ、１３は画像表示装置、１９は試料台、２１はモ
ータドライブである。

【０００３】試料１に対向した探針２は３次元スキャナ
４を構成する圧電素子４ｘ，４ｙ，４ｚによって、Ｘ
軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に駆動される。スキャンジェネレー
タ５は３次元スキャナ４に取り付けられた探針２を走査
するための走査信号およびＣＰＵ１２に付設された画像
表示装置１３の走査信号または画像メモリの書込みアド
レスを発生する。スキャンジェネレータ５で発生された
走査信号は圧電素子駆動高圧回路６ｘ，６ｙに供給さ
れ、この回路において３次元スキャナ４の圧電素子４
ｘ，４ｙを駆動するための高電圧走査信号が発生され
る。

【０００４】また圧電素子駆動高圧回路６ｚはインテグ
レータ１０の出力に基づいて３次元スキャナ４の圧電素
子４ｚを駆動するための高電圧を発生する。試料１およ
び探針２の間にはバイアス電源３によりバイアス電圧が
印加されており、探針を通して試料１に流れるトンネル
電流ＩT を初段のＩ／Ｖ増幅器７で電圧に変換して増幅
し、次段のログアンプ８はＩ／Ｖ増幅器７の出力信号を
探針２の高さに対して線形に対応するように信号変換
（線形化）を行う。

【０００５】ログアンプ８の出力値はコンパレータ９に
供給されて、ＣＰＵ１２から与えられるトンネル電流の
設定値に対応する基準値（ＤＣ電圧）と比較される。こ
のコンパレータ９の出力はインテグレータ１０に供給さ
れて積分され、その出力信号が３次元スキャナ４のＺ軸
圧電素子４ｚに対する制御信号となる。こうしてＩ／Ｖ
増幅器７、ログアンプ８、コンパレータ９、インテグレ
ータ１０、探針２を通して試料に流れるトンネル電流Ｉ
T の増減をＺ軸圧電素子駆動高圧回路６ｚへフィードバ
ックし、トンネル電流ＩT を一定に保つように３次元ス
キャナ４のＺ軸圧電素子４ｚを制御することによって探
針２の高さ、即ち探針２と試料面との距離を一定にして
いる。

【０００６】したがってインテグレータ１０から高圧回
路６ｚへのフィードバック信号は試料面の凹凸像に対応
した信号となる。なお、モータドライブ２１は探針２を
大きくＺ軸方向に移動させる場合に駆動される。

【０００７】また、インテグレータ１０の出力信号はイ
メージ増幅器１１にも供給されており、イメージ増幅器
１１からの出力信号がＣＰＵ１２内の画像メモリを介し
て付設された画像表示装置１３に供給されて輝度変調さ
れ、試料１の２次元凹凸像として画像表示される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に示し
た構成の装置において、探針２は、通常、ティップホル
ダにティップを取り付けた状態で電解研磨を行って先端
を形成し、この先端の形成されたティップをティップホ
ルダごとスキャナに取り付けたり交換したりするように
している。この探針２の先端は非常に重要であり、当該
先端部が試料面への接触等の原因で劣化すると、分解能
が低下することになる。

【０００９】図４に示したような装置は、一般に、試料
１や探針２の雰囲気が超高真空状態（１０^-8パスカル程
度）で使用される場合と、大気中やガス雰囲気中、液中
などのように、大気圧雰囲気で使用される場合とがあ
る。ここで、前者の場合には、探針２の先端部が劣化し
た場合でも、超高真空下での原子の挙動により、試料面
と探針先端部との間で原子の吸着や脱離が生じたりする
ことで、自己回復することがある。また、強制的に像観
察時以上の高バイアス電圧（１００Ｖ程度）を探針２と
試料１との間に印加すると、高電界の作用によって探針
２の先端部がリモールドされ、探針２の先端を再生する
ことが可能となる。

【００１０】ところが、後者の大気圧雰囲気で使用する
場合には、試料面と探針との間に酸化膜や雰囲気が介在
するため、上述したような超高真空の場合の再生方法を
適用しても、それによって再生する確率はかなり低い。
そのため、画像表示装置１３を介して得られる像質、分
解能が劣化した場合には、ともかく探針を交換するしか
なく、この探針の交換が頻繁に行われることとなる。し
かし、このような装置の探針はかなり高価なものであ
り、かつ、交換した探針の先端を見ても、肉眼では決し
て確認できない程度の劣化であるため、何とか簡便に再
生して使用できるような方策が求められている。

【００１１】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、大気圧雰囲気中で上記のような装置を使用する場合
において、先端の劣化した探針を交換することなく、当
該装置に装着したままその先端部を再生できる探針先端
再生装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、大気圧雰囲気
中で試料面に沿って探針をＸ，Ｙ方向に走査して探針と
試料間にバイアス電圧を印加し、探針と試料間に流れる
トンネル電流を検出してトンネル電流値に基づいて探針
をＺ方向に駆動すると共に、トンネル電流値または探針
のＺ方向駆動信号に基づいて試料面の凹凸像を表示する
ようにした装置において、探針再生モードにおいて所定
のトンネル電流が検出された瞬間に当該トンネル電流の
基準信号を０に切替える手段を設け、前記装置に探針を
装着したままで当該探針に電解研磨用の電解液セルを対
向配置し、前記バイアス電圧を当該探針と当該電解液セ
ルの電極との間に印加するとともに、その電圧印加状態
で当該探針の先端を電解液の中に浸して電流を検出し、
当該電流として前記所定のトンネル電流に対応する電流
値が検出されたときに、前記探針を前記電解液から引き
離す制御手段を設けたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明は、前記装置に装着されたままの探針に
対向して電解液セルを配置し、当該探針と電解液セルの
電極との間にバイアス電圧を印加した状態で、当該探針
を電解液の中に浸して電解研磨を行わせる。ただし、こ
の電解研磨は原子レベルの微小なものであるため、電解
液にはわずかに浸すだけで十分である。そのため、あら
かじめ探針再生モードを設定したときに、トンネル電流
が検出された瞬間にトンネル電流の基準値が０に切り変
わる手段を設けておき、探針がわずかに電解液に浸った
だけで直ちに探針を電解液から引き離すように制御する
している。このため、大気圧雰囲気で使用する場合にお
いても、探針の先端を必要かつ十分に電解研磨して自動
的に再生することができ、探針の寿命を伸ばすことが可
能となる。さらには、探針の交換回数が減るので、作業
効率を高めることが可能となる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明の探針先端再生装置の一実施例を示す
ブロック図であり、図４と同一番号は同一内容を示して
いる。なお、１４は電解液セル、１５は電解液、１６は
電解液セルの電極、１７は洗浄液セル、１８は洗浄液、
２０はセル移動装置、２２は探針先端再生モード切替え
用のスイッチである。

【００１５】図１に示す装置において、セル移動装置２
０は、試料１と探針２との間に、例えばターレット方式
により挿脱可能に設けられており、このセル移動装置２
０の上に電解液セル１４及び洗浄液セル１７が載置され
ている。また、探針先端再生モード切替え用スイッチ２
２は、この装置を例えば走査型トンネル顕微鏡や微細加
工装置として本来の目的で使用する状態では開放状態に
あり、探針先端を再生する装置として使用する際にのみ
投入されるものである。当該スイッチ２２を投入するこ
とにより、ＣＰＵ１２内で探針先端再生モードとしての
動作プログラムが起動され、特に、ＣＰＵ１２からコン
パレータ９に与えられるトンネル電流の基準値につい
て、所定のトンネル電流値が検出された瞬間に前記基準
値を０に切替えるような制御態様が設定される。この制
御態様の作用については、後に詳述する。

【００１６】次に、図１に示す装置を探針先端再生装置
として使用する場合の動作に関連させて、当該装置の構
成について説明する。まず、図示されていない粗動機構
によって探針２を後退させ、試料１と探針２との間に適
当な間隙を形成する。そして、この間隙内にセル移動装
置２０を移動させ、探針２の直下に電解液セル１４と電
極１６とを移動させる。このとき、電極１６の端子ａは
試料台１９にコンタクトさせている。なお、電極１６
は、この実施例では環状、即ちドーナツ形に形成してい
る。また、電解液セル１４の材料には、電解液１５に不
溶で、かつ電気的に絶縁性のものが選ばれる。例えば、
探針２の材質がタングステンである場合、電解液１５と
して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、また電解液
セル１４にはガラスや弗素樹脂などの容器が使用され、
さらに、電極１６には白金等が使用される。

【００１７】このように配置された状態で、前記素動機
構により探針２を電解液１５の液面に近付ける。そし
て、バイアス電源３により探針２と電極１６との間に探
針側をプラス電位とした数ボルト程度のバイアス電圧を
印加しながら、圧電素子４ｚを伸長した状態でモータド
ライブ２１を駆動して探針２のアプローチを行う。その
際、Ｉ／Ｖ増幅器７、ログアンプ８、コンパレータ９、
インテグレータ１０等からなるトンネル電流のフィード
バック回路を作動させておき、探針２と電極１６との間
に流れる電流を監視するようにする。このとき、ＣＰＵ
１２からコンパレータ９に与えられる最初のトンネル電
流の基準値は、数〜数十ナノアンペアの微小電流のオー
ダーに設定しておく。

【００１８】このような状態で、探針２の先端が電解液
１５に浸ると、コンパレータ９が探針２と電極１６との
間に流れる微小な電流を検知し、スイッチ２２を含む回
路を介してＣＰＵ１２に信号を入力する。ただし、この
微少な電流は前記トンネル電流の基準値よりは大きい電
流値である。

【００１９】すると、ＣＰＵ１２は、前述したようにト
ンネル電流の基準値を瞬時に０に切替え設定するため、
この切替え設定によりフィードバック作用が働いて、圧
電素子４ｚ及びモータドライブ２１が探針２を電解液１
５から引き離す方向に駆動する。

【００２０】ここで、トンネル電流の基準値を瞬時に０
に切替え設定する理由について説明する。まず、図２に
示すように、探針２の先端部の再生はまさに原子レベル
で行われるものである。すなわち、原子レベルで先端部
が劣化してしまった探針先端部を、電解液１５に浸して
電解研磨を施し、１〜数層の原子を溶解除去して新しい
先端部を再生しようとするものである。従って、探針２
の先端は電解液１５にわずかに浸すだけで十分である。
この、探針２の先端が電解液１５に浸ったかどうかを検
知するために、上述したようにトンネル電流のフィード
バック回路が利用される。すなわち、探針２の先端が電
解液１５に浸った瞬間に微小電流が探針２と電極１６と
の間に流れるので、これを検出すれば、探針２が電解液
に浸ったかどうかを正確に判定できるのである。しかし
ながら、上記フィードバック回路の基準値を有意の値に
設定したままでいると、電解研磨が進むにつれて探針２
と電極１６との間に流れる電流が極めて微小な値に減少
するため、いつまでたっても探針２は上に引き上げられ
ることなく、どんどん減耗していくことになる。このた
め、これを防止する観点から、探針２が電解液１５に浸
ったと検出された瞬間に電流の基準値を０に切替え設定
し、探針２が遅れなく電解液１５から引き上げられるよ
うにしているのである。

【００２１】再び図１の装置の動作説明に戻り、探針２
が電解液１５から引き離された後、前記粗動機構を駆動
させて、探針２をセル移動装置２０から大きく後退させ
る。次に、セル移動装置２０を移動させて、探針２の直
下に洗浄液セル１７を移動させる。そして、前記粗動機
構によって探針２を洗浄液１８に浸し、探針２に付着し
た電解液を洗浄除去する。このとき、圧電素子４ｘ、４
ｙを利用して洗浄液１８の中で探針２を高速スキャンさ
せれば、洗浄を効果的に行うことができる。

【００２２】図３には、電解液セル１４の異なる実施例
を示している。いずれも、試料台１９の上で試料１を跨
ぐようにスライド可能な状態に載置されたものである
が、図３の（１）のものは、電極１６を電解液セル１４
の縁部分に配置しているものである。また、図３の
（２）のものは、電解液１５に不溶の導電性材料で電解
液セル１４を形成し、電極１６と電解液セル１４とを兼
用しているものである。さらに、図３の（３）のもの
は、電解液１５が極めて少量でよいことに着目し、電解
液１５に不溶の導電性材料で作成した電極１６の上面
に、電解液１５の粒滴を置いたものである。

【００２３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、色々な変形が可能である。例えば、上記実
施例においては探針が電解液に浸った瞬間にフィードバ
ック回路におけるトンネル電流の基準値を０に切替え設
定するようにしているが、探針の試料へのアプローチを
停止させると共にフィードバックを解除し、バイアス電
源からの電圧印加を停止するようにしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、大気圧雰
囲気で使用される走査型トンネル顕微鏡や微細加工装置
において、探針の先端部の再生を自動的に簡便に行うこ
とができ、高価な探針の寿命を伸ばすことが可能となる
とともに、探針の交換回数を低減できるため、作業効率
を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】 本発明による探針先端部の再生状況を説明す
る図である。

【図３】 本発明における電解液セルの他の実施例を示
す図である。

【図４】 従来の走査型トンネル顕微鏡の構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１…試料、２…探針、３…バイアス電源、４…３次元ス
キャナ、４ｘ，４ｙ，４ｚ…圧電素子、５…スキャンジ
ェネレータ、６ｘ，６ｙ，６ｚ…圧電素子駆動高圧回
路、７…Ｉ／Ｖ増幅器、８…ログアンプ、９…コンパレ
ータ、１０…インテグレータ、１１…イメージ増幅器、
１２…ＣＰＵ、１３…画像表示装置、１４…電解液セ
ル、１５…電解液、１６…電極、１７…洗浄液セル、１
８…洗浄液、１９…試料台、２０、セル移動装置、２１
…モータドライブ、２２…探針先端再生モード切替えス
イッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大気圧雰囲気中で試料面に沿って探針を
   Ｘ，Ｙ方向に走査して探針と試料間にバイアス電圧を印
   加し、探針と試料間に流れるトンネル電流を検出してト
   ンネル電流値に基づいて探針をＺ方向に駆動すると共
   に、トンネル電流値または探針のＺ方向駆動信号に基づ
   いて試料面の凹凸像を表示するようにした装置におい
   て、 探針再生モードにおいて所定のトンネル電流が検出され
   た瞬間に当該トンネル電流の基準信号を０に切替える手
   段を設け、 前記装置に探針を装着したままで当該探針に電解研磨用
   の電解液セルを対向配置し、 前記バイアス電圧を当該探針と当該電解液セルの電極と
   の間に印加するとともに、その電圧印加状態で当該探針
   の先端を電解液の中に浸して電流を検出し、 当該電流として前記所定のトンネル電流に対応する電流
   値が検出されたときに、前記探針を前記電解液から引き
   離す制御手段を設けたことを特徴とする走査探針を用い
   た顕微鏡等の探針先端再生装置。