JPS63236903A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、走査型トンネル顕微鏡に係わり、特にトンネ
ル電流が流れる以前から被検査試料とＳＴＭの原理と構
成を簡単に説明する。第３図はＳＴＭの基本構成を示す
斜視図であり、図中１１は被検査試料、１２は金属の探
針、２０はＸ。

Ｙ、Ｚの圧電素子２１．２２．２３からなる微動機構で
ある。導電性物質からなる試料１１と金属の探針１２と
の間に電圧を加えてＩｎ１程度の距離まで近付けると、
これらの間にトンネル電流が流れる。この電流は、両者
の距離変化に敏感で、例えば０．１０１の距離変化に対
してトンネル電流が１桁変わる。微動機構２０を用いて
トンネル電流を一定に保ちながら、探針１２を試料１１
の表面に沿って走査する。探針１２が試料１１の白部分
にくるとトンネル電流が増えるので元の電流になる位置
まで探針１２を上げ、凹部分では逆に探針１２を下げる
。探針１２の上下の動きが表面の凹凸に対応する。この
操作を繰返し、微動機構２０に加えた電圧変化を取出し
て画像化すれば、被検査試料１１の表面構造を原子のス
ケールで観測することができる。

ところで、ＳＴＭにおいては、探針のＸ−Ｙ走査及びト
ンネル電流を一定に保つための２方向移動を行う上記し
た微動機構と共に、被検査試料を原子のスケールに比べ
てずつと大きいマクロな距離で動かすための粗動機構が
必要となる。この粗動機構は、探針を原子尺度で３次元
的に微動・走査する微動機構との連続性が求められるの
で、１ステツプの精度はｉ　ｎｓ程度必要となる。さら
に、粗動機構で被測定試料を動かした後は、被測定試料
と探針との間隔が原子スケールの精度で動かないように
保持・固定する必要がある。

第４図は拡大てこ及び縮小てこを利用して被検査試料を
移動させる粗動機構の一例を示す側面図である。被検査
試料１１は試料台５１上に載置されており、試料台５１
は軸受５２で案内されて回転自在となっている、軸受５
２を支持している脚体５３の上方には、ナイフェツジ５
４及び探針１２を微動移動するための微動機構２０が取
付けられている。この際に、探針１２の先端（下端）は
ナイフェツジ５４の先端（下端）よりも僅かに後退して
取付けられている。脚体５３が設置されている基台５５
には、脚体５３に近接してマイクロメータヘッド５６が
取付けられている。マイクロメータヘッド５６の先端は
試料台５１の下面に当接している。

上記構成の粗動機構においては、試料台５１を図中点線
で示す位置にした状態で、試料１１を交換する。試料１
１を探針１２に近付けるには、マイクロメータヘッド５
６を動かし、その先端を上方に移動させる。これにより
、試料台５１は軸受５２を中心に回転する。この際の試
料１１の探針１２への接近量ｄ１は、マイクロメータヘ
ッド５６の先端の移動層をｄとすると、 ｄｘ　−ｄＸ　（Ｌ２　／１１　） となる。即ち、試料台５１は拡大でこの働きをする。ま
た、試料１１がナイフェツジ５４に接触した後も、マイ
クロメータヘッド５６を動かすと試料１１は移動するが
、このときの試料１１の探針への接近量ｄ２は、 ｄ２−ｄＸ　（Ｌ：ｌ　／Ｌ２　） となる。つまり、試料台５１が弓なりに僅かに弾性変形
することで、縮小でことして動作する。このようにして
試料１１の表面を探針１２から数ｒ＋＋ｎまで近付ける
ことが可能となる。

しかしながら、この種の粗動機構を用いたＳＴＭにあっ
ては次のような問題があった。即ち、粗動機構の構成上
、試料１１を交換する際にも試料１１を十分に探針１２
から離すことができず、試料１１の交換が面倒である。

各試料１１毎に探針１２とナイフェツジ５４との位置関
係を調整しなければならない。さらに、ナイフェツジ５
４と探針１２とが同一線上に並んでいるのでＬ３を小さ
くするにしても限界があり、試料台５１を弾性変形させ
るため大きく変形させるとマイクロメータヘッド５６が
反力を受け、試料１１と探針１２との間を同一距離に保
持固定することができないことがある。また、試料１１
と探針１２との間にトンネル電流が流れるまでは両者間
距離を推定することができず、従って試料１１と探針１
２とを微動機構による検査範囲内まで近付ける際に、両
者が衝突する危険性がある。そして、試料１１と探針１
２との衝突は、探針１２の変形や破壊等を招くので、絶
対に避けなければならない問題である。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来、被検査試料を探針に接近させる（或い
は探針を被検査試料に接近させる）粗動機構においては
、被検査試料と探針とを近付ける際に、これらの衝突を
招く虞れがあった。このため、粗動の操作に熟練を要し
、これが走査型トンネル顕微鏡を用いた検査工程の煩雑
化を招く要因となっていた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、トンネル電流が流れる以前から探針と
試料表面との距離を測定することができ、粗動機構によ
り探針を試料表面り近付ける際にもこれらの衝突を未然
に防止することができ、検査の容易化をはかり得る走査
型トンネル顕微鏡を提供することにある。

［発明の構成Ｊ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、探針と試料とを静電容量型変位計の電
極として利用して、両者間の静電容量を検出することに
より、両者間距離を非接触でトンネル電流が流れる以前
から測定することにある。

即ち本発明は、被検査試料の表面に探針を近接させると
共に該試料と探針との間に所定の電圧を印加し、これら
の間に流れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査す
る走査型トンネル顕微鏡において、前記探針と試料表面
とを静電容量型変位計の電極として使用し、両者間の静
電容量を検出する静電容量検出部を設けるようにしたも
のである。

（作用） 本発明によれば、探針と試料表面との間の静電容量を検
出することにより、トンネル電流が流れる以前から両者
間の距離を測定することができる。従って、この距離に
応じて粗動機構による探針の移動を制御することにより
、探針と試料表面との衝突を確実に防止することが可能
となる。ここで、試料表面と探針との衝突が生じた場合
、探針の信頼性低下を招き、原子レベルでの検査を行う
ことは不可能となる。本発明では、これを解決して信頼
性の高い検査を行うことを可能としている。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる走査型トンネル顕微
鏡を示す概略構成図である。図中１１は被検査試料であ
り、この試料１１の表面に金属の探針１２が近接配置さ
れる。探針１２はＸ、Ｙ。

Ｚ方向の微小移動を可能とする圧電素子（アクチュエー
タ）２１．２２．２３からなる微動機構２０に取付けら
れており、この微動１１ｉ１２０は図示しない粗動機構
に取付けられている。なお、粗動機構は探針１２を取付
けた微動機構２０を移動し、探針１２を試料１１の表面
に十分に近付けるものであり、例えば前記第４図に示す
如き構造のものでよい。

Ｘ、Ｙの圧電素子２１．２２は、計算機３１により制御
されたＸ−Ｙ駆動回路３２により駆動され、この駆動に
より探針１２は試料表面の面内方向に走査される。２の
圧電素子２３は、計算機３１により制御されたＺ駆動回
路３３により駆動され、この駆動により探針１２は上下
動するものとなっている。試ｎ１１と探針１２とは、ス
イッチ１３．１４を介してトンネル電流検出回路３４或
いは後述する静電容量検出部４０に選択的に接続される
。スイッチ１４とトンネル電流検出回路３４との間には
、直流電＋１ｉ１５が挿入されている。

トンネル電流検出回路３４はスイッチ１３．１４を介し
て試料１１と探針１２との間に所定の電圧を印加し、こ
れらの間に流れるトンネル電流を検出するものであり、
その検出電流は計算ＩＩ！１３１に供給される。また、
計算機３１には探針１２の移動量等を記憶するメモリ３
４及びその記憶情報を画像表示する表示器３５等が接続
されている。

ここまでの構成はＳＴＭ本体であり、このＳＴＭ本体は
次のように動作する。即ち、粗動機構により探針１２を
試料１１の表面に１　ｎｍ程度まで近接させた状態で、
試料１１と探針１２との間に流れるトンネル２Ｓ！ｉを
検出する。そして、このトンネル電流が所定の値となる
ように２の圧電素子２３を駆動して探針１２を位置決め
する。この状態からＸ、Ｙの圧電素子２１．２２を駆動
して探針１２を試料表面の面内方向に走査すると共に、
各走査位置でのトンネル電流が一定となるように２の圧
電素子２３を駆動する。そして、このときの圧電素子２
３への印加電圧をＸ、Ｙ走査位置と共にメモリ３４に記
憶する。この操作を繰返し、各走査位置に対応した圧電
素子２３の電圧変化を表示Ｂ３５に表示することにより
、試料表面の原子レベルでの変化を画像情報として表示
する。これにより、通常のＳＴＭと同様に試料表面の検
査を行うことができる。

一方、前記静電容量検出部４０は、発振器４１゜自動周
波数制御回路（ＡＦＣ＞４２．バラクタダイオード４３
．デテクタ４４及びトランスミッションライン４５等か
ら構成される。静電容量変位測定の原理は、中央のトラ
ンスミッションライン。

フライリード、試料１１の抵抗９回路のハウジング、バ
ラクタダイオード４３及びカップリング牟ヤバシタ等か
ら構成される共振回路の共振周波数と、探針−試料間の
容ｌ変化ΔＣ９ｄとの関係よりなる。例えば、第２図に
示すように、発振器からの９１５ＭＨｚの信号はりゾネ
ータトランスミッションラインを通じてデテクタートラ
ンスミッションラインとカップルし、デテクタ４４によ
り電圧信号として検出される。ここで、共振回路の共振
周波数曲線は第２図に示す如くつり鐘形であり、試料−
探針間の客層、つまりこれらの距離により水平方向にシ
フトする。従って、試料−探針間の距離によりデテクタ
出力が変化することになり、デテクタ出力から距離を測
定することが可能である。

なお、より高精度の測定を行うために、予め、試料−探
針間の設定距離（トンネル電流が検知できる距離）にお
いて、共振周波数のピークから６ｄＢダウンの場所が９
１５Ｍ−ＨｚとなるようにＡＦＣ４２で共振回路の共振
周波数を調整しておく。この状態では、試料−探針間距
離の変化に対応して共振周波数曲線は水平方向に移動し
、共振曲線の９１５ＭＨ２での電圧を示すデテクタ出力
は、探針−試料間の距離に応じて変化する。そして、距
離の変化に対するデテクタ出力の変化層は、試料−探針
間距離が設定距離に近い程大きくなる。

従って、デテクタ４４の出力信号を読取ることで、探針
−試料間距離を精度良く測定できる。なお、この検出で
は、試料面に対して垂直方向で数ｎｌ程度の分解能があ
る。

このような構成であれば、通常のＳＴＭと同様にトンネ
ル電流に基づく試料表面の検査を行い得るのは勿論のこ
と、次のような効果が得られる。

即ち、トンネル電流検出による。実際の測定の前に、粗
動機構により探針を試料表面に近付ける際に、静電容量
検出部４０の検出出力から、試料１１の表面と探針１２
との距離を測定することができる。

つまり、試料表面と探針との距離を非接触で、且つトン
ネル電流が流れる以前から測定することができる。従っ
て、試料１１の表面と探針１２との衝突を招くことなく
、これらを微動機構２０の検査範囲である１ｎｍ程度ま
で近付けることができる。

このため、トンネル電流検出による表面検査の容易化を
はかり得、その有用性は絶大である。また、試料１１の
表面と探針１２との衝突を確実に防止できることから、
探針１２の変形を招くことなく、信頼性の高い検査を行
うことができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記静電容量検出部の構成は第１図に何等
限定されるものではなく、試料−探針間の静電容量の変
化、つまりこれらの間の距離を検出できるものであれば
よい。但し、試料−探針間の距離をトンネル電流が流れ
る以前から数ｎｌ程度の分解能で測定できる性能が要求
される。

また、微動機構や粗動機構の構成についても実施例に何
等限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能
である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、探針と試料との間
隔を非接触で測定することが可能となり、両者を衝突さ
せることなしに、トンネル電流の流れる１　ｎｍ程度ま
で確実に接近させることができる。このため、信頼性の
轟いＳＴＭＩＩ察を実現することができ、且つその検査
工程の容易化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる走査型トンネル顕微
鏡を示す概略構成図、第２図は静電容量検出の原理を説
明するための模式図、第３図及び第４図は従来装置を説
明するためのもので第３図はＳＴＭの微動機構を示す斜
視図、第４図は粗動機構を示す側面図である。 １１・・・試料、１２・・・探針、１３．１４・・・ス
イッチ、１５・・・直流電源、２０・・・微動ＩＩ構、
２１．〜。 ２３・・・圧電素子、３１・・・計算機、３２・・・Ｘ
−Ｙ駆動回路、３３・・・Ｚ駆動回路、３４・・・メモ
リ、３５・・・表示器、４０・・・静電容量検出部、４
１・・・発娠器、４２・・・自動周波数制御回路、４３
・・・バラクタダイオード、４４・・・デテクタ、４５
・・・トランスミッションライン。 出願人復代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検査試料の表面に探針を近接させると共に該試
   料と探針との間に所定の電圧を印加し、これらの間に流
   れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査する走査型
   トンネル顕微鏡において、前記探針と試料表面とを静電
   容量型変位計の電極として使用し、両者間の静電容量を
   検出する静電容量検出部を設けてなることを特徴とする
   走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）前記静電容量検出部は、前記試料表面と探針との
   間の静電容量に応じて共振周波数が変化する共振回路と
   、この共振回路に誘導結合して所定の周波数の高周波信
   号を印加する発振器と、上記共振回路に誘起される電圧
   を検出する電圧検出器とからなるものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の走査型トンネル顕微
   鏡。
3. （３）前記探針は微動機構及び粗動機構により移動され
   るものであり、微動機構はトンネル電流検出の際に駆動
   され、粗動機構はトンネル電流検出の前段階として前記
   探針を上記微動機構による検査可能範囲まで試料表面に
   近付ける際に駆動されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の走査型トンネル顕微鏡。
4. （４）前記粗動機構は、静電容量検出部の検出信号に基
   づいて駆動制御されるものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載の走査型トンネル顕微鏡。
5. （５）前記試料及び探針は、スイッチ回路を介してトン
   ネル電流検出部或いは前記静電容量検出部に選択的に接
   続されるものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の走査型トンネル顕微鏡。