WO2007013371A1 - 走査型トンネル分光方法及び走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

　好ましい形態では、走査型トンネル分光測定モードのときにトンネル電流を電圧に変換する電流－電圧変換回路１２と、試料４表面又は探針２が破壊される大きさのトンネル電流が流れない範囲でしきい値を設定するしきい値設定手段１４，１６と、電流－電圧変換回路１２の出力電圧がそのしきい値を超えないようにバイアス電圧印加／掃引回路８のバイアス電圧掃引回路を制御する信号を出力する比較回路１８を備えている。

Description

明 細 書

走査型トンネル分光方法及び走査型トンネル顕微鏡

技術分野

[0001] 本発明は、走査型トンネル分光方法及びそれを実現する走査型トンネル顕微鏡に 関する。

背景技術

[0002] 走査型トンネル顕微鏡 (STM)は、探針と試料表面間に流れるトンネル電流を利用 して試料表面を観察するものであり、半導体や金属の表面構造を原子レベルで観察 することができると!/ヽぅ特徴から、近年盛んに用いられて!/ヽる顕微鏡である。

[0003] 走査型トンネル顕微鏡を使用した測定モードの 1つに、探針と試料との距離を固定 した状態で探針と試料との間に印加するバイアス電圧を掃引してその電圧変化に依 存したトンネル電流の変化を測定して試料表面の電子状態を観察する走査型トンネ ル分光法 (STS)がある。走査型トンネル分光法は、 X線光電子分光法などの他の表 面電子状態測定法では達成できな!、、局所的な表面電子状態を原子分解能で得る ことができる点で、きわめて有効な手法と考えられ、これまで様々な改良が行われて いる（例えば、特許文献 1参照。 ) o

特許文献 1：特開平 8— 285871号公報

非特許文献 1 : D. M. Eiger et. al, Nature 344 (1990), 524

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 従来より実施されている走査型トンネル分光法は、走査型トンネル顕微鏡の走査の 途中で探針位置を固定して探針駆動用ピエゾ素子へのフィードバック回路を切り、一 定範囲内でノ ィァス電圧値を掃引すること〖こより、トンネル電流の変化をバイアス電 圧の関数として測定し、試料表面の電子状態を得る。このとき掃引すべきバイアス電 圧の最適範囲は、対象とする試料の種類によって異なり、特にフェルミレベル近傍に バンドギャップを有する半導体等の測定にあたっては、ノ ィァス電圧の掃引範囲設 定が極めて重要となる。例えば、走査時の設定よりも高電圧 Z高電流設定の条件に することで、走査型トンネル顕微鏡を用いて試料表面や探針先端の個々の原子を移 動できることが一般に知られており（例えば、非特許文献 1参照。）、これは同時に、 表面電子状態が未知である試料又は試料表面の吸着物を測定する場合、過大な掃 引バイアス電圧の印加が試料表面又は探針先端の破壊を引き起こす危険性がある ことを示して!/ヽる。上述の半導体試料等の走査型トンネル分光法測定の場合などは 、一般的にトンネル電流の変化はバイアス電圧変化に対して非線形的な挙動を示し 、局所的な電荷の偏りなどが存在することが多 、ためにトンネル電流の挙動が予測し にくぐ表面破壊や探針先端の破壊が起きる危険性が特に大きい。

[0005] 本発明は、走査型トンネル分光法測定にお!ヽて試料表面破壊や探針先端の破壊 を防ぐことのできる走査型トンネル分光法と、その方法を実現する走査型トンネル顕 微鏡を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明の走査型トンネル分光方法は、トンネル電流又はそれから導かれる物理量 に対して、試料表面又は探針が破壊される大きさのトンネル電流が流れな 、範囲で しきい値を設定し、そのしきい値との比較により探針と試料との間のバイアス電圧の掃 引範囲を制限することを特徴とする。

トンネル電流から導かれる物理量とは、代表的には抵抗体を介して変換される電圧 であるが、それに限らない。トンネル電流の大きさを電流値以外の時間、パルス数な ど、しきい値と比較できるものであれば種々の物理量とすることができ、し力もアナ口 グ値でもデジタル値でもよ 、。

[0007] ここで、掃引範囲の制限とは、掃引範囲を狭めるだけでなぐ掃引を停止してバイァ ス電圧を一定電圧に固定することも含んでいる。

そのしき 、値は試料表面又は探針が破壊される大きさのトンネル電流が流れな!/ヽ 範囲の値であればどこに設定してもよいが、バイアス電圧の掃引範囲をより広くしてよ り多くの情報を得るためには、許容される最大値に設定するのが好ましい。

また、そのしきい値は試料及び探針に応じて適当な値に設定することが好ましい。

[0008] バイアス電圧の掃引範囲を制限する一形態は、前記のトンネル電流又は物理量が そのしきい値を超えたときは、ノィァス電圧の掃引を停止して、バイアス電圧をそのト ンネル電流又は物理量がそのしき 、値を超えな 、ものとなる一定電圧とするものであ る。

その場合、その一定電圧は適当に設定することができるが、例えば掃引開始前の バイアス電圧とすることができる。

[0009] バイアス電圧の掃引範囲を制限する他の形態は、前記のトンネル電流又は物理量 がそのしきい値を超えたときは、そのトンネル電流又は物理量がそのしきい値を超え な ヽものとなるように、前記バイアス電圧の掃引電圧の絶対値を減少させて掃引を続 けるものである。

掃引開始前のバイアス電圧は適当に設定することができるが、好ましい一例は探針 のフェルミレベルが試料のバンドギャップ内にくるように設定することである。

測定対象試料の一例は、導体基板上に固定された核酸である。

[0010] 本発明の走査型トンネル顕微鏡は、探針と試料との間にバイアス電圧を印カロして探 針と試料との間に流れるトンネル電流を検出し、そのトンネル電流が一定になるように 探針と試料との距離をフィードバック制御するものであって、前記フィードバック制御 を停止させて探針と試料との距離を固定する探針ホールド回路と、前記探針ホール ド回路が探針と試料との距離を固定している状態のときに、前記バイアス電圧を掃引 するバイアス電圧掃引回路と、前記トンネル電流又はそれから導かれる物理量に対 して、試料表面又は探針が破壊される大きさのトンネル電流が流れな 、範囲でしき!/ヽ 値を設定するしき!ヽ値設定手段と、前記トンネル電流又は前記物理量が前記しき 、 値を超えな!/、ように前記バイアス電圧掃引回路を制御するバイアス電圧制御手段と、 を備えている。

[0011] 前記バイアス電圧制御手段の一形態は、前記トンネル電流を電圧に変換する電流 電圧変換回路と、前記電流 電圧変換回路の出力を前記しきい値と比較し、前記 ノ ィァス電圧掃引回路を制御するための信号を発生する比較回路と、を備えたもの である。

[0012] 前記バイアス電圧掃引回路の一形態は、前記比較回路力もの制御信号に基づい て前記バイアス電圧の掃引を停止して、前記バイアス電圧を前記トンネル電流又は 前記物理量が前記しきい値を超えないものとなる一定電圧に切り換える切換え回路 を備えたものである。

[0013] 前記バイアス電圧掃引回路の他の形態は、前記バイアス電圧の掃引電圧の絶対 値を前記トンネル電流又は前記物理量が前記しき 、値を超えな ヽものとなるように減 少させる減衰回路と、前記比較回路からの制御信号に基づ!、て前記バイアス電圧掃 引用の出力を、前記減衰回路を経由する出力に切り換える切換え回路と、を備えた ものである。

発明の効果

[0014] 本発明の走査型トンネル分光方法及び走査型トンネル顕微鏡によれば、試料表面 又は探針が破壊されな 、ように設定されたしき 、値との比較によりバイアス電圧の掃 引範囲を制限するので、試料表面の破壊も探針の破壊も防止することができる。

[0015] トンネル電流又は物理量がしき ヽ値を超えたときにバイアス電圧を一定電圧にする 方法は簡便に実現することができる。その際、その一定電圧を掃引開始前のバイァ ス電圧にすれば、単に掃引動作を停止するだけでよぐ一層容易に実現することが できる。

[0016] トンネル電流又は物理量がしきい値を超えたときバイアス電圧の掃引電圧の絶対 値を減少させて掃引を続けるようにすれば、走査型トンネル分光測定を続けることが できる。

掃引開始前のバイアス電圧を探針のフェルミレベルが試料のバンドギャップ内にく るように設定すれば、試料と探針間に流れるトンネル電流の初期値を、ゼロに近づけ ることができ、試料及び探針が受けるダメージを最小限に抑えることが可能である。 発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下、本発明の一実施例を図 1の走査型トンネル顕微鏡により説明する。

2は探針であり、試料 4に接近して配置され、 X, Y及び Z方向のそれぞれに駆動す るピエゾ素子からなるプローブ 6に保持されて試料 4の表面上で X, Y及び Z方向に 移動させられる。試料 4表面を X— Y平面、試料 4表面力ゝら探針 2に向カゝぅ方向を Z方 向とする。

[0018] 8はバイアス電圧印加回路とバイアス電圧掃引回路を含むノィァス電圧印加 Z掃 引回路であり、探針 2と試料 4との間にバイアス電圧を印加するとともに、走査型トンネ ル分光測定モードのときにそのバイアス電圧を掃引する。

[0019] 10は通常の走査型トンネル顕微鏡測定モードのときに探針 2と試料 4との間に流れ るトンネル電流を検出し、そのトンネル電流が一定になるようにプローブ 6を介して探 針 2と試料 4との距離をフィードバック制御するプローブ制御回路である。

[0020] 11は走査型トンネル分光測定モードのときにプローブ制御回路 10によるフィードバ ック制御を停止させて探針 2と試料 4との距離を固定する探針ホールド回路である。 探針ホールド回路 11には、サンプルホールド用 ICなどを用いることができる。

[0021] この実施例では、試料 4表面の破壊及び探針 2の破壊を防止するために、走査型ト ンネル分光測定モードのときにトンネル電流力 導かれる物理量としてトンネル電流 を電圧に変換する電流 電圧変換回路 12と、試料 4表面又は探針 2が破壊される大 きさのトンネル電流が流れな 、範囲でしき 、値を設定するしき 、値設定手段 14, 16 と、電流—電圧変換回路 12の出力電圧がそのしき ヽ値を超えな 、ようにバイアス電 圧印加 Z掃引回路 8のバイアス電圧掃引回路を制御する信号を出力する比較回路 1 8を備えている。

電流―電圧変換回路 12と比較回路 18はバイアス電圧制御手段を構成して!/ヽる。

[0022] しきい値設定手段 14, 16は、回路に接続されたパーソナルコンピュータ 14と、パー ソナルコンピュータ 14に設定されたデジタル値のしきい値をアナログ値に変換する D /Aコンバータ 16を含んでいる。しきい値電圧はパーソナルコンピュータ 14により設 定され、 DZ Aコンバータ 16を通して比較回路 18に与えられる。これにより、測定系 ごとに異なった、最適なしきい値を設定することが可能となる。しきい値としては、許容 最大トンネル電流値に相当する電圧値とすることが好ましい。

[0023] バイアス電圧印加 Z掃引回路の一例は図 2、図 3に示されるものである。このバイァ ス電圧印加 Z掃引回路 8aは、入力したデジタル信号をアナログ電圧信号に変換す る DZAコンバータ 17、その DZ Aコンバータ 17のアナログ電圧出力を増幅して出力 する増幅器 19、バイアス電圧印加用のデータを保持するための電圧保持素子 15、 及び比較回路 18からの制御信号に基づいて DZAコンバータ 17の入力端子をコン ピュータ 14の出力端子と電圧保持素子 15のいずれかに切り換えて接続する切換え 回路 24を備えている。切換え回路 24はゲート素子などに代表される入力切替え機 能を備えた回路である。

このバイアス電圧印加 Z掃引回路 8aは、図 2に示されるように切換え回路 24により DZAコンバータ 17の入力端子がコンピュータ 14の出力端子に接続されたときはバ ィァス電圧掃引回路 20を構成する。また、図 3に示されるように切換え回路 24により DZAコンバータ 17の入力端子が電圧保持素子 15に接続されたときは、ノ ィァス電 圧印加回路 22を構成し、バイアス電圧掃引回路 20によるバイアス電圧の掃引を停 止してバイアス電圧を一定電圧に切り換える。その一定電圧は、ここではバイアス電 圧印加回路 22に含まれる電圧保持素子 15の出力電圧に応じた値であり、その電圧 は電流―電圧変換回路 12の出力電圧がしき 、値を超えな 、ものであるとともに、ノ ィァス電圧掃引開始前の電圧でもあり、探針 2のフェルミレベルが試料 4のバンドギヤ ップ内にくるように設定されたものである。

[0024] ノィァス電圧掃引回路 20によるバイアス電圧の掃引は、コンピュータ 14からの出力 信号を順次 DZAコンバータ 17によりアナログ電圧信号に変換し、増幅器 19により 増幅して出力することにより行われる。この掃引により、電流 電圧変換回路 12の出 力電圧がしきい値を超えると、比較回路 18から切換え回路 24に信号が出力され、図 3に示されるように、あら力じめ電圧保持素子 15に保持されていた、バイアス電圧に 相当するデータが DZAコンバータ 17に出力され、バイアス電圧を一定電圧に切り 換える。

[0025] 次に、この実施例の動作について説明する。

まず、走査型トンネル顕微鏡の通常の測定モードを説明する。

探針 2と試料 4との間にバイアス電圧印加 Z掃引回路 8から一定の直流電圧のバイ ァス電圧が印加されている。探針 2が試料 4に nm程度に接近すると、トンネル効果に より探針 2と試料 4との間にトンネル電流が流れる。プローブ制御回路 10はこのトンネ ル電流を増幅し、それが一定になるようにプローブ 6の Z方向のピエゾ素子を駆動す る Z方向制御電圧が印加されて探針 2の高さが制御される。

[0026] 次に、本発明による走査型トンネル分光法の測定モードを説明する。

走査型トンネル分光法の測定モード時には探針ホールド回路 11によりプローブ制 御回路 10によるフィードバック制御が切られ、探針 2の位置が固定される。 [0027] そして、バイアス電圧印加 Z掃引回路 8により探針 2 試料 4間に印加されるバイァ ス電圧が掃引され、そのノ ィァス電圧掃引により発生するトンネル電流信号の変化は 、電流 電圧変換回路 12により微小電圧変化に変換され、比較回路 18に導入され る。比較回路 18では、あら力じめ設定されたしきい値との比較がリアルタイムで行わ れ、電流 電圧変換回路 12の出力電圧値がしきい値を超えた場合は、バイアス電 圧印加 Z掃引回路 8に制御信号が出力され、バイアス電圧印加 Z掃引回路 8では切 換え回路 24aによりバイアス電圧掃引回路 20の出力が切断されて初期のバイアス電 圧値に戻される。

[0028] バイアス電圧印加 Z掃引回路の他の例は図 4に示されるものである。このバイアス 電圧印加 Z掃引回路 8bは、バイアス電圧掃引電圧の絶対値を電流-電圧変換回 路 12の出力電圧値がしき 、値を超えな 、ものとなるように減少させる減衰回路 26と、 減衰回路 26からの出力信号をアナログ電圧信号に変換するための DZAコンバータ 17と、さらにそのアナログ電圧信号を増幅するための増幅器 19より構成される。減衰 回路 26は、タイマ ICなどに代表される素子より構成され、コンピュータ 14力ものノ ル ス信号出力を計数する機能を持つ。積算されたパルスの個数は減衰回路 26より出 力され、個数に対応した電圧値が DZAコンバータ 17、及び電圧を増幅するための 増幅器 19を通して出力され、バイアス電圧の掃引を行う。減衰回路 26は、比較回路 18からの出力により計数の増減方向を制御することができ、電流—電圧変換回路 12 の出力電圧値がしきい値を超えない場合は、コンピュータ 14力ものノ ルス信号出力 を積算して DZAコンバータ 17に出力し、あら力じめ設定された範囲でのノ ィァス電 圧掃引を行う。電流 電圧変換回路 12の出力電圧値がしきい値を超えた場合は、 比較回路 18から出力される制御信号により積算を減じ、出力バイアス電圧値がしき Vヽ値を超えな 、ものとなるように減少させることにより、走査型トンネル分光法の測定 を «続させることができる。

[0029] ノ ィァス電圧印加 Z掃引回路のさらなる例は図 5に示されるものである。このバイァ ス電圧印加 Z掃引回路 8cはバイアス電圧印加回路 22と、比較回路 18aからの制御 信号に基づいてバイアス電圧掃引回路による掃引電圧の絶対値を電流 電圧変換 回路 12の出力電圧値がしき 、値を超えな 、ものとなるように減少させる減衰回路 26 と、比較回路 18bからの制御信号に基づいてバイアス電圧の掃引を停止して、ノィァ ス電圧を一定電圧に切り換える切換え回路 24を備えて 、る。

[0030] 減衰回路 26は、タイマ ICなどに代表される素子より構成され、コンピュータ 14から のパルス信号出力を計数する機能を持つ。積算されたパルスの個数は減衰回路 26 より出力され、切り換え回路 24を経由して、パルス個数に対応したアナログ電圧値が DZAコンバータ 17、及び電圧を増幅するための増幅器 19を通して出力され、バイ ァス電圧の掃引を行う。減衰回路 26は、比較回路 18aからの出力により計数の増減 方向を制御することができ、電流—電圧変換回路 12の出力電圧値がしきい値を超え ない場合は、コンピュータ 14からのパルス信号出力を積算して DZ Aコンバータ 17 に出力し、あらかじめ設定された範囲でのバイアス電圧掃引を行う。電流—電圧変換 回路 12の出力電圧値がしきい値を超えた場合は、比較回路 18aからの出力で計数 を減ずることにより、出カノ ィァス電圧値がしきい値を超えないものとなるように減少さ せ、走査型トンネル分光法の測定を継続させることができる。

[0031] 比較回路 18aと 18bは、それぞれに異なるしきい値をコンピュータ 14により設定する ことができる。一方の比較回路 18aからの出力の一方を減衰回路 26の制御用信号と して与え、他方の比較回路 18bからの出力を切換え回路 24の制御用信号として与え ることで、出力バイアス電圧値がしきい値を超えないものとなるように減少させ、走査 型トンネル分光法の測定を継続させるカゝ、あるいはバイアス電圧の掃引を停止して、 ノィァス電圧印加回路 22により、バイアス電圧を電圧保持素子 15に設定した一定電 圧に切り換えるかを独立に制御することが可能となる。

[0032] バイアス電圧印加 Z掃引回路のさらに他の例は図 6に示されるものである。比較回 路 18の出力である制御信号を、直接コンピュータ 14に取り込み、図 2から図 5にで示 されるバイアス電圧印加 Z掃引回路 8a〜8cの機能の一部をコンピュータで自動化 することも可能である。その際、コンピュータ出力は DZAコンバータ 17及び増幅器 1 9によりアナログ電圧出力に変換され、探針 2及び試料 4間に印加される。

産業上の利用可能性

[0033] 本発明は、走査型トンネル分光法により試料表面の電子状態を観察するのに利用 することができる。 図面の簡単な説明

[0034] [図 1]一実施例の走査型トンネル顕微鏡を概略的に示すブロック図である。

[図 2]同実施例におけるバイアス電圧印加 Z掃引回路の一例を、バイアス電圧掃引 回路として動作させる状態で示すブロック図である。

[図 3]同バイアス電圧印加 Z掃引回路を、バイアス電圧印加回路として動作させる状 態で示すブロック図である。

[図 4]同実施例におけるバイアス電圧印加 Z掃引回路の他の例を示すブロック図で ある。

[図 5]同実施例におけるバイアス電圧印加 Z掃引回路のさらに他の例を示- 図である。

[図 6]同実施例におけるバイアス電圧印加 Z掃引回路のさらに他の例を示- 図である。

符号の説明

[0035] 2 探針

4 試料

6 プローブ

8, 8a, 8b, 8c ノ ィァス電圧印カロ/掃引回路

10 プローブ制御回路

11 探針ホールド回路

12 電流 電圧変換回路

14 パーソナルコンピュータ

15 電圧保持素子

16, 17 DZ Aコンバータ

18 比較回路

19 増幅器

20 バイアス電圧掃引回路

22 バイアス電圧印加回路

24 切換え回路

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Claims

請求の範囲

[1] 走査型トンネル顕微鏡を使用し、探針と試料との距離を固定した状態で探針と試料と の間にバイアス電圧を印加するとともに、そのバイアス電圧を掃引してその電圧変化 に依存したトンネル電流の変化を測定して試料表面の電子状態を観察する方法に おいて、

前記トンネル電流又はそれから導かれる物理量に対して、試料表面又は探針が破 壊される大きさのトンネル電流が流れな 、範囲でしき 、値を設定し、そのしき!、値と の比較により前記ノ ィァス電圧の掃引範囲を制限することを特徴とする走査型トンネ ル分光方法。

[2] 前記トンネル電流又は前記物理量が前記しきい値を超えたときは、前記バイアス電 圧の掃引を停止して、前記バイアス電圧を前記トンネル電流又は前記物理量が前記 しき 、値を超えな 、ものとなる一定電圧とする請求項 1に記載の走査型トンネル分光 方法。

[3] 前記一定電圧は掃引開始前の前記バイアス電圧である請求項 2に記載の走査型ト ンネル分光方法。

[4] 前記トンネル電流又は前記物理量が前記しきい値を超えたときは、前記トンネル電流 又は前記物理量が前記しきい値を超えないものとなるように、前記バイアス電圧の掃 弓 I電圧の絶対値を減少させて掃引を続ける請求項 1に記載の走査型トンネル分光方 法。

[5] 掃引開始前の前記バイアス電圧を探針のフェルミレベルが試料のバンドギャップ内 にくるように設定する請求項 1から 4の 、ずれかに記載の走査型トンネル分光方法。

[6] 試料として導体基板上に固定された核酸を測定する請求項 1から 5のいずれかに記 載の走査型トンネル分光方法。

[7] 探針と試料との間にバイアス電圧を印カロして探針と試料との間に流れるトンネル電流 を検出し、そのトンネル電流が一定になるように探針と試料との距離をフィードバック 制御する走査型トンネル顕微鏡にぉ ヽて、

前記フィードバック制御を停止させて探針と試料との距離を固定する探針ホールド 回路と、 前記探針ホールド回路が探針と試料との距離を固定している状態のときに、前記バ ィァス電圧を掃引するバイアス電圧掃引回路と、

前記トンネル電流又はそれから導かれる物理量に対して、試料表面又は探針が破 壊される大きさのトンネル電流が流れな 、範囲でしき 、値を設定するしき 、値設定手 段と、

前記トンネル電流又は前記物理量が前記しき 、値を超えな 、ように前記ノ ィァス電 圧掃引回路を制御するバイアス電圧制御手段と、

を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。

[8] 前記バイアス電圧制御手段は、前記トンネル電流を電圧に変換する電流 電圧変 換回路と、前記電流 電圧変換回路の出力を前記しきい値と比較し、前記バイアス 電圧掃引回路を制御するための信号を発生する比較回路と、を備えている請求項 7 に記載の走査型トンネル顕微鏡。

[9] 前記バイアス電圧掃引回路は、前記比較回路からの制御信号に基づいて前記バイ ァス電圧の掃引を停止して、前記バイアス電圧を前記トンネル電流又は前記物理量 が前記しき 、値を超えな 、ものとなる一定電圧に切り換える切換え回路を備えて 、る 請求項 8に記載の走査型トンネル顕微鏡。

[10] 前記一定電圧は掃引開始前の前記バイアス電圧である請求項 9に記載の走査型ト ンネル顕微鏡。

[11] 前記バイアス電圧掃引回路は、前記バイアス電圧の掃引電圧の絶対値を前記トンネ ル電流又は前記物理量が前記しきい値を超えないものとなるように減少させる減衰 回路と、前記比較回路力 の制御信号に基づいて前記バイアス電圧掃引用の出力 を、前記減衰回路を経由する出力に切り換える切換え回路と、を備えている請求項 8 に記載の走査型トンネル顕微鏡。

[12] 掃引開始前の前記バイアス電圧は探針のフェルミレベルが試料のバンドギャップ内 にくるように設定されて 、る請求項 7から 11の 、ずれかに記載の走査型トンネル顕微 鏡。