JPS63265101A - 走査トンネル顕微鏡 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チップ先端を再形成して尖鋭化するだめの機
構を備えた走査トンネル顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 一般的な走査トンネル顕微鏡として第４図に示すような
構成の装置が知られている。

第４図において１は金属チップ、３は試料、４は試料台
、５は電源、８はチップ支持部材、９×。

９ｙ、９２はピエゾ素子である。

第４図に示すように、走査トンネル顕微鏡においては、
電源５から微小電圧が印加されるチップ１と試料３との
間隔を１ｎｍ程度に接近させた状態で、試料表面に沿っ
てチップ１を微動走査するようにしている。この走査は
ピエゾ素子９×、９ｙをデツプ支持部材８に接続してお
き、該ピエゾ素子に電圧をかけて該チップを微動させる
ことによって行なっている。この走査に伴なって、該チ
ップが試料表面の四部に来るとトンネル電流が減少する
ため元の電流になるまでピエゾ索子９ｚの微動によりチ
ップを下げ、逆に凸部に来るとチップを上げてトンネル
電流が一定に保たれるようにし、該ピエゾ素子９ｚに加
えた電圧の変化を取り出して画像化することにより試料
表面の凹凸を原子レベルで観瀾するようにしている。

ところで、走査トンネル顕微鏡において観測試料面内の
原子レベルの分解能を得るためには、チップ先端の形状
を尖鋭化することが要求されているが、理想的なチップ
先端の形状としては、該チップ先端に原子が１つあるよ
うな一原子尖端であることが望まれている。

そこで、チップ先端に原子尖端を形成するための方法と
して、例えば電界蒸発等による方法が一般的である。こ
の方法では機械的研磨または電界研磨法などによって先
端の曲率半径を１０００人程度に加工したタングステン
等の金属製微細線材チップを超高真空槽内で加熱し、該
チップの先端を溶融すると共に該チップ先端部に高電界
を印加することにより、溶融したチップ表面から原子を
蒸発させる。そして、該溶融したチップ表面に電界をか
けながら冷却することにより、チップ表面から電界蒸発
する過程にある原子を凝固させて原子尖端を形成してい
る。

一般的な走査トンネル顕微鏡では、上）小のような方法
によってあらかじめ作成された原子尖端を持つチップを
試料表面上に配置される支持部材に取り付けて使用して
いる。トンネル顕微鏡における試料観測（該チップ先端
と観測試料の間にトンネル電流を得るためには、該チッ
プ先端と試料表面との間隔を１ｎｍ程度まで接近させる
必要があるが、その接近動作中に該試料とチップ先端と
を接触して該チップの原子尖端を破壊してしまう場合が
ある。このような原子尖端の破壊されたチップでは原子
レベルの分解能が得られないため、原子尖端の形成され
たチップとの交換が必要である。

しかし、微細なチップの交換には熟練と長時間を要する
と共に、装置の超高真空を破ってチップの交換を行なう
ような場合には該チップ交換から真空排気を経て再び測
定を開始するまでには更に莫大な時間を要することが問
題とされていた。

そこで、本発明の発明者は走査トンネル顕ｉ１ａ　ｇｆ
ｆのチップの尖端部が破損した場合に該チップをト、ン
ネル顕微鏡の真空筐体内に装着したまま、再形成して尖
鋭化するため、該チップを加熱する加熱手段と、該チッ
プに電界をかける手段とを設けた走査トンネル顕微鏡を
提案している。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の発明者により既に提案されているチップ先端を
再形成して尖鋭化するための機構を備えた走査トンネル
顕微鏡は、第３図に示すような構成の装置である。

第３図において１はチップ、２はチップ電極、３は試料
、４は試料台、５は顕微鏡電源、６は高電界発生用電源
、７はチップ加熱用電源、８はチップ支持部材、９ｘ　
、９ｙ　、９ｚはピエゾ素子、Ｓ及びＳ−はスイッチで
ある。

スイッチＳ及びＳ−がａ及びａ′に接続されている場合
、チップ１と試料台４及び試料台上の試料３の間には顕
微鏡電源５から１ボルト程度の電圧が印加される。該試
料とチップの間隔を１ｎｍ程度まで接近させてからピエ
ゾ素子による微動走査を行ない、トンネル電流を検出す
ることにより従来と同様の走査トンネル顕微鏡として動
作させる。

上記のような走査トンネル顕微鏡を用いた試料観測にお
いて、例えばチップ先端と試料とが接触し該チップの原
子尖端を破壊してしまったような場合、第３図に示すよ
うに、スイッチＳ及びＳ′をｂ及びｂ′に接続する。チ
ップ１と試料台４の間には高電界発生用電源６から数キ
ロボルトの高電圧が印加されると共にチップ電極２間に
はチップ加熱用電源からの電圧が印加される。これによ
りチップ１は該電極２間を流れる電流により加熱されて
その先端部は溶融する。また、該チップと試料台の間に
は高電圧が印加されることにより高電界が発生する。該
高電界は溶融するチップの表面の原子を電界蒸発させる
。ここで、電界を印加したままの状態でスイッチＳ′を
ａ′に接続してチップ加熱電流を断つことにより該チッ
プを自然冷却する。このように溶融するチップ表面を強
電界をかけながら冷却すると、チップ先端が完全に凝固
するまでには、該チップ表面からは電界蒸発が継続する
。しかし、原子が蒸発過程で完全に凝固されることによ
りチップ先端には原子尖端が再形成される。

上述のようなチップ先端の再形成においては、チップと
試料の間に高電圧を印加した際に、該間隙に放電が発生
すると試料を損傷するという問題があった。

本発明は上記問題点を考慮し、顕微鏡内におけるチップ
先端の再形成尖鋭化において、試料の損傷を防止するこ
とのできる走査トンネル顕微鏡を１；？供することを目
的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、真空筐体内に配置されたチップと、銭チップ
と試料表面との間にトンネル電流を生じせしめるための
電圧を印加する手段と、前記チップにより前記試料を走
査するため前記チップを試料に対して相対的に移動させ
るための手段を備え、＋ｉＱ記チップに流れるトンネル
電流の検出に基づいて前記試料表面の凹凸を表わす信号
を前記走査に伴って表示するようにした走査トンネル顕
微鏡において、前記チップ先端を再形成して尖鋭化する
ため該チップ先端を加熱すると共に該チップ先端に電界
を印加する手段と、該電界の印加される領域から前記試
料を隔離する手段を設けたことを特徴とする。

［作用］ 本発明における走査トンネル顕微鏡においては、チップ
先端を再形成するためにチップ先端に電界を印加する際
に、電界の印加されている領域から試料を隔離する。そ
のため、チップ先端と周囲との間に放電が発生しても試
料は放電にさらされないため、試料の損傷を防ぐことが
できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は本発明による第１の実施例を説明するための断面図
、第２図は本発明による第２の実施例を説明するための
断面図である。第１図及び第２図おいて第３図と同一の
構成要素には同一番号を付しである。

まず、第１図に示す第１の実施例が第３図と異なるのは
、チップ尖端の再形成時の電界蒸発による原子の蒸発領
域から試料を隔離する予備排気室１２を設けると共に、
高電圧の印加されるチップ１と試料台の表面を同一物質
とした点である。

第１図に示す実施例において、チップ先端の再形成を行
なう場合、まず、試料３の置かれた試料台４ａを試料移
動部材１１により予備排気室１２へ移動し、隔離弁１３
により該予備排気室１２と観測室１０とを隔離する。そ
して、チップ１と試１１台４ｂの間に高電界発生用電源
６から数キロポル１〜の高電圧を印加すると共にチップ
電極２間にチップ加熱用電源からの電圧を印加する。こ
れに」一つチップ１は該電極２間を流れる電流により加
熱されてその先端部は溶融する。また、該チップ１と試
料台４ｂの間には高電圧が印加されることにより高電界
が発生する。該高電界は溶融するチップ１の表面の原子
を電界蒸発させる。このような過程でチップ先端と周囲
との間に放電が発生し！ことしても、試ｉｌｌは隔離さ
れているため、この放電によって試１が１０傷すること
はない。また、電界蒸発づる原子（は試料台４ｂをスパ
ッタするが該試料台表面４Ｃを該チップと同一材質にし
ておくことにより、該スパッタにより飛散する物質は再
形成されるチップ先端に付着しても悪影響を及ぼすこと
はない。

次に、第２図に示す第２の実施例が第３図と異なるのは
、チップ尖端の再形成時の電界蒸発による原子の蒸発領
域から試料を隔離する手段として、該チップと試料の置
かれた試料台上との間に挿入されるシャッターを設ける
と共に、該シャッターのチップ側の面をチップと同材質
で形成される電極として、該チップと該シャッター間に
高電圧を印加するようにした点である。

第２図に示す実施例において、チップ先端の再形成を行
なう場合、まず、試料３上にシャッター１４を挿入する
。そして、チップ１とシャッター１４の間に高電界発生
用電源６から数キロボルトの高電圧を印加すると共にチ
ップ電極２間にチップ加熱用電源からの電圧を印加する
。これによりチップ１は該電極２間を流れる電流により
加熱されてその先端部は溶融する。また、該チップ１と
シャッター１４の間には高電圧が印加されることにより
高電界が発生する。該高電界は溶融するチップ１の表面
の原子を電界蒸発させる。この実施例の場合にも、試料
は電界の印加される領域から隔離されているため、チッ
プ先端と周囲との間に放電が発生しても、この放電によ
って試料が損傷することはない。また、前記電界蒸発す
る原子はシャッター１４をスパッタするが該シャッター
表面を該チップと同一材質にしておくことにより、該ス
パッタにより飛散する物質は再形成されるチップ先端に
付着しても悪影響を及ぼすことはない。

上述した実施例は本発明の１実施例に過ぎず、本発明は
変形して実施することができる。

例えば、上述した実施例においては前記走査を行なうた
め、チップ１を移動させるようにしたが、本発明は試料
を移動させることにより前記走査を行なう型の装置にも
同様に適用できる。

また、上述した実施例においては、チップと試料台また
はシャッターの電極表面を同質の材料としたが、化合物
を作り難い物質、例えば金をタングステン製のチップ表
面及び試料台表面４ｃまたはシャッターの電極表面にコ
ーティングしておけば、清浄化された金の単結晶原子尖
端を形成することができる。

更に、上述した実施例では電界蒸発を利用してチップ先
端を尖鋭化したが、チップ先端を加熱して溶融させ、凝
固過程に入ったチップ先端に電界をかけて先端にディッ
プを形成することにより、電界蒸発を利用せずにチップ
先端を尖鋭化する場合にも本発明は同様に適用できる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、走査
トンネル顕微鏡にチップ加熱手段と電界印加手段を設け
ると共に、前記電界印加手段により電界を印加する領域
から試料を隔離する手段を設けたことにより、該顕微鏡
内でチップ先端を再形成して尖鋭化する場合、チップ先
端と周囲との間に放電が発生しても、この放電による試
料の損傷を防止することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明するための断面図
、第２図は本発明の第２の実施例を説明するための断面
図、第３図及び第４図は従来例を説明するための図であ
る。 １・・・チップ、２・・・チップ電極、３・・・試料、
４・・・試料台、５・・・顕微鏡電源、６・・・高電界
発生用電源、７・・・チップ加熱用電源、８・・・チッ
プ支持部材、９ｘ、９ｙ、９ｚ・・・ピエゾ素子、Ｓ及
びＳ′・・・スイッチ、１０・・・観測室、１１・・・
試料移動部材、１２・・・予備排気室、１３・・・隔離
弁、１４・・・シャッター。 特許出願人　　　日本電子株式会社 Ｊ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空筐体内に配置されたチップと、該チップと試料表面
   との間にトンネル電流を生じせしめるための電圧を印加
   する手段と、前記チップにより前記試料を走査するため
   前記チップを試料に対して相対的に移動させるための手
   段を備え、前記チップに流れるトンネル電流の検出に基
   づいて前記試料表面の凹凸を表わす信号を前記走査に伴
   つて表示するようにした走査トンネル顕微鏡において、
   前記チップ先端を再形成して尖鋭化するため該チップ先
   端を加熱すると共に該チップ先端に電界を印加する手段
   と、該電界の印加される領域から前記試料を隔離する手
   段を設けたことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。