JPH0225702A - 走査型トンネルマイクロスコープ並びに走査型トンネルスペクトロスコープ - 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〕 この発明は、原子オーダの分解能で少なくとも表面が導
電性を有する試料の表面形状あるいは表面電子状態を計
測する走査型トンネルマイクロスコープ並びに走査型ト
ンネルスペクトロスコープに関する。

〔従来の技術〕

一般に、導電性試料と金属の細い探針の間に電圧を加え
て１ｍ程度の距離まで近づけると、第５図に示すように
、探針６ａと導電性試料１ａとの間に電子雲Ａが生じて
トンネル電流が流れる。このトンネル電流は、両者間の
距離の変化に対し非常に敏感で、たとえば、距離が０．
１ｍｍ変化すると、トンネル電流は１桁変化するという
ように指数関数的に変化する。

そこで、第６図に示すように、このトンネル電流を一定
に保ちつつピエゾ素子５ａを用いて探針６ａを導電性試
料１ａの表面に沿って矢印Ｂ方向に走査すると、ピエゾ
素子伸縮のために加えた電圧が表面形状に対応するため
、これを取り出して画像化すれば、導電性試料の表面構
造を原子スケールで観察、測定することができる。

また、探針６ａと導電性試料１３間に加える電圧は、ト
ンネル現象にかかわる電子のエネルギーに依存するので
、これを利用すれば導電性試料１ａの表面電子状態を原
子オーダで観察することができる。

この原理を応用したものが近年開発された走査型トンネ
ルマイクロスコープ並びに走査型トンネルスペクトロス
コープで、これらは、ピエゾ素子支持体に、左右のＸ軸
方向に変位するピエゾ素子と、前後のＹ軸方向に変位す
るピエゾ素子と、上下のＸ軸方向に変位するピエゾ素子
とを固定して、これらの３次元方向に変位するピエゾ素
子で探針を３次元方向に微動可能に取りつけ、適宜制御
用電子回路を介して各ピエゾ素子で、探針と試料の表面
間に電圧を加えて生じるトンネル電流を一定にしながら
探針の先端を少なくとも表面が導電性の試料の表面に沿
って走査させ、走査中上下の２軸方向に変位するピエゾ
素子に加わる電圧を検出して、探針と試料間の距離を測
定し試料の表面形状を計測したり、あるいは走査中適宜
箇所で探針と試料の表面間に種々の異なる電圧を加えて
生じるトンネル電流の変化を検出して、試料の表面電子
状態を計測したりしている。　　（Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ＋
Ｈ，Ｒｏｈｒｅｒ　ｅｔａｌ；ＩＢＭ　Ｊ、Ｒｅ５ｅａ
ｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｕｃｌｏｐｍｅｎｔ　３０（１９
８６）Ｎｏ、４＆　Ｎｏ、５　、梶村、水谷、小野；Ｓ
ＴＭ開発の展望　精密工学会公、　１２（１９８７）Ｐ
１８１１　）〔発明が解決しようとする課題〕 ところが、このような従来の走査型トンネルマイクロス
コープおよび走査型トンネルスペクトロスコープでは、
外部からの機械的振動や、熱による探針と試料間の相対
位置の変位等により影響を受けやすく、これらの影響を
充分に取り除くことができる高価な設備を備えた測定環
境を調えなければ、試料の表面形状や表面電子状態を正
確に計測することができない。

〔課題を解決するための手段〕

この発明はかかる現状に鑑み種々検討を行った結果なさ
れたもので、ピエゾ素子支持体に、左右のＸ軸方向に変
位するピエゾ素子と、前後のＹ軸方向に変位するピエゾ
素子と、上下のＸ軸方向に変位するピエゾ素子とを固定
して、これらの３次元方向に変位するピエゾ素子で主探
針を３次元方向に微動可能に取りつけるとともに、主探
針を上下の２軸方向に変位するピエゾ素子と並列に、上
下のＸ軸方向に変位するピエゾ素子をピエゾ素子支持体
に固定して、このピエゾ素子で補助探針を上下のＸ軸方
向に微動可能に取りつけ、適宜制御用電子回路を介して
各ピエゾ素子で、主探針と試料の表面間に電圧を加えて
生じるトンネル電流を一定にしながら主探針の先端を少
なくとも表面が導電性の試料の表面に沿って走査させ、
走査中上下のＸ軸方向に変位するピエゾ素子に加わる電
圧を検出して、主探針と試料間の距離を測定し試料の表
面形状を計測したり、あるいは走査中適宜箇所で主探針
と試料の表面間に種々の異なる電圧を加えて生じるトン
ネル電流の変化を検出して、試料の表面電子状態を計測
する際、同時に補助探針を支持するピエゾ素子で補助探
針と試料間に電圧を加えて生じるトンネル電流を一定に
して、補助探針を支持するピエゾ素子に加わる電圧を検
出し、この試料と補助探針の相対的な位置の変動を測定
して、主探針と試料間の距離あるいはトンネル電流の変
化を補正することによって、試料の表面形状や表面電子
状態を、外部からの機械的振動や、熱による探針と試料
間の相対位置の変位等により影響されることなく、高情
度で計測できるようにしたものである。

以下、この発明の走査型トンネルマイクロスコープを示
す図面を参照しながら説明する。

第１図は、この発明の走査型トンネルマイクロスコープ
の一実施例を示す構成図であって、１は導電性試料、２
はピエゾ素子支持体である。ピエゾ素子支持体２は、下
部にピエゾ素子固定壁２ａ、２ｂ、２ｃを３次元方向に
形成し、これらピエゾ素子固定壁に左右のＸ軸方向に変
位するピエゾ素子３と、前後のＹ軸方向に変位するピエ
ゾ素子４と、上下のＸ軸方向に変位するピエゾ素子５を
固定し、これらのピエゾ素子３，４．５で主探針６を３
次元方向に微動可能に支持している。

７は上下のＸ軸方向に変位するピエゾ素子で、ピエゾ素
子支持体２のピエゾ素子固定壁２Ｃにピエゾ素子５と並
列に固定され、下端に補助探計８を固定して上下のＸ軸
方向に微動可能に支持している。

このようにしてピエゾ素子支持体２のピエゾ素子固定壁
２ａおよび２ｂに固定されたピエゾ素子３および４は、
それぞれ配線９および１０を介して高圧増幅器１１およ
び１２に接続され、さらに配線１３および１４を介して
Ｘ−Ｙラストスキャナ１５に接続されている。またＸ−
Ｙラストスキャナ１５は配線１６および１７を介してス
トレージオシロスコープ１８に接続されている。

また、ピエゾ素子支持体２のピエゾ素子固定壁２ｃに固
定されたピエゾ素子５および７は、それぞれ配線１９お
よび２０を介して高圧増幅器２１および２２に接続され
、さらに配線２３および２４を介して差動回路２５に接
続され、差動回路２５からさらに配線２６を介してスト
レージオシロスコープ１８に接続されている。

さらに、主探針６および補助探針８は、それぞれ配線２
７および２８を介して電流電圧変換器２９および３０に
接続され、さらに配線３１および３２を介して対数変換
器３３および３４に接続されている。対数変換器３３お
よび３４は、配線３５および３６を介して比較器３７お
よび３日に接続され、さらに配線３９および４０を介し
て積分器４１および４２に接続されている。そして積分
器４１および４２は配線４３および４４を介して、高圧
増幅器２１および２２と差動回路２５を接続した配線２
３および２４に接続されている。また比較器３７および
３日には配線４５および４６を介して基準電圧発生器４
７が接続されている。

制御用電子回路はこのようにして構成され、主探針６お
よび補助探針８と導電性試料１間に電圧をかけるとトン
ネル電流が生じるが、このトンネル電流と、主探針６お
よび補助探針８と導電性試料１間の距離Ｚとは対数関係
にあるため、電流電圧変換器２９および３０でトンネル
電流が検出されると、直ちに対数変換器３３および３４
で距離Ｚに比例した電圧が得られるようにしである。

また、基準電圧発生器４７は、主探針６および補助探針
８を導電性試料１の上方に一定距離ＺＯだけ離しておく
ための一定距離ＺＯに相当する基準電圧を設定するもの
で、比較器３７および３８は、この一定距離ＺＯと、主
探針６および補助探針８と導電性試料１間の距離Ｚとの
偏差ｅ　（Ｚ。

−２＞が出力されるようにしである。そして積分器４１
および４２と、配線４３．２３および４４２４で接続さ
れた高圧増幅器２１および２２は、この偏差ｅに相当す
る距離だけピエゾ素子５および７を作動して、偏差ｅが
０になるまで主探針６および補助探針８を駆動するよう
にしてあり、導電性試料１の表面の変位にかかわらず主
探針６および補助探針８は常に導電性試料１の表面に対
して一定距離Ｚｏをおいて追従するようにしである。

〔作用〕

しかして、このようにして構成された走査型トンネルマ
イクロスコープで、導電性試料１の表面形状を測定する
場合、Ｘ−Ｙラスタスキャナ１５の作動により、高圧増
幅器１１および１２を介してピエゾ素子３および４を駆
動し、左右のＸ軸方向および前後のＹ軸方向に、テレビ
のブラウン管の電子線走査運動と同様にして走査すると
、導電性試料１の表面から常に一定距離ＺＯを保つよう
制御された主探針６が、導電性試料１の表面の凹凸に追
従して上下のＺ軸方向に変動する。このときのピエゾ素
子５および７の伸縮量が駆動電圧に比例し、積分器４１
および４２の出力変化が導電性試料１表面の上下Ｚ軸方
向変位に対応する電圧となるため、これを取り出すと導
電性試料１の表面形状に関する電圧測定値が得られる。

この際、外部からの機械的振動や熱などによって、導電
性試料１の表面と主探針６および補助探針８との間に相
対位置の変動δが生じる場合は、主探針６に関しての積
分器４１の出力は変動δが加算されて検出されるが、補
助探針８はＸ−Ｙラスタスキャナ１５による走査が行わ
れないため、補助探針８に関しての積分器４２の出力は
変動δのみとなる。

従って、作動回路２５で積分器４１の出力から積分器４
２の出力を引くと、変動δが打ち消されて、外部からの
機械的振動や熱などによる、導電性試料１の表面と主探
針６間の相対位置の変位が無いに等しい出力を得ること
ができ、この出力信号とＸ−Ｙラスタスキャナ１５によ
る走査信号とをストレージオシロスコープ１日に入力す
ると、表面形状に関する鳥撤図等を描かせることができ
る。

以上、この発明の走査型トンネルマイクロスコープの場
合について説明したが、走査型トンネルスペクトロスコ
ープの場合は、第１図の構成図において、制御用電子回
路を変更し、各ピエゾ素子３および４で主探針６の先端
を導電性試料１の表面に沿って走査させ、走査中適宜箇
所で主探針６と導電性試料１の表蘭間に種々の異なる電
圧を加えて生じるトンネル電流の変化を検出し、同時に
補助探針８で出力の変動δを検出すればよく、このよう
な走査型トンネルスペクトロスコープを使用すれば、前
記の走査型トンネルマイクロスコープの場合と同様にし
て、外部からの機械的振動や、熱による導電性試料１の
表面と主探針６間の相対位１の変位が無いに等しい出力
を得ることができ、導電性試料１０表面電子状態を高精
度で計測することができる。

なお、導電性試料は少なくとも表面が導電性であればよ
く、非導電性試料であっても、たとえば、白金などの導
電性物質を表面にコーティングすれば、その表面形状や
表面電子状態を、導電性材料からなる導電性試料と同様
に測定することができる。

〔実施例〕

次に、この発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１図に示す走査型トンネルマイクロスコープを使用し
、主探計６および補助探針８はタングステン線をエツチ
ング加工して先端半径を０．１μｍ以下の球面状になる
ように仕上げたものを使用して、試料としてアルミニウ
ム製反射ミラー】を載置した試料台にダミー振動を与え
ながら、走査幅１１００ｎで、アルミニウム製反射ミラ
ー１の表面形状を計測した。第２図は、その計測結果を
ストレージオシロスコープ１８に入力して描かせたアル
ミニウム製反射ミラー表面形状の鳥諏図である。

比較例１ 実施例１において、補助探針８とその作動を省いた以外
は、実施例１と同様にしてアルミニウム製反射ミラー１
０表面形状を測定した。第３図は、その計測結果をスト
レージオシロスコープ１８に人力して描かせたアルミニ
ウム製反射ミラー表面形状の鳥撤図である。

比較例２ 比較例１において、アルミニウム製反射ミラー１を載置
した試料台にダミー振動を与えることを止め、測定系全
体を高性能除振装置、防音壁及び温湿度コントロール設
備を備えた精密測定専用室内に設置した以外は、比較例
１と同様にしてアルミニウム製反射ミラー１０表面形状
を測定した。

第４図は、その計測結果をストレージオシロスコープ１
８に入力して描かせたアルミニウム製反射ミラー表面形
状の鳥徴図である。

〔発明の効果〕

第２図ないし第４図に示す鳥鍬図から明らかなように、
従来の走査型トンネルマイクロスコープを使用した場合
（第３図）は、ダミー振動の影響でアルミニウム製反射
ミラーの表面状態を正確に測定することができないが、
この発明の走査型トンネルマイクロスコープを使用した
場合（第２図）は、ダミー振動がなくて精密測定専用室
内に設置して測定した場合（第４図）と同様にアルミニ
ウム製反射ミラーの表面状態が正確に測定されており、
このことからこの発明の走査型トンネルマイクロスコー
プによれば、′少なくとも表面が導電性の試料の表面状
態を、外部からの機械的振動や、熱による主探針と試料
間の相対位置の変位の影響を受けることなく、斉精度で
計測できることがわかる。また同様にして少なくとも表
面が導電性の試料の表面電子状態を、外部からの機械的
振動や、熱による主探針と試料間の相対位置の変位の影
響を受けることなく、高精度で計測できることがわかる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の走査型トンネルマイクロスコープの
構成図、第２図は実施例１で得られた計測結果をストレ
ージオシロスコープに入力して描かせたアルミニウム製
反射ミラー表面形状の鳥諏図、第３図は比較例１で得ら
れた計測結果をストレージオシロスコープに入力して描
かせたアルミニウム製反射ミラー表面形状の鳥撤回、第
４図は比較例２で得られた計測結果をストレージオシロ
スコープに入力して描かせたアルミニウム製反射ミラー
表面形状の鳥撤図、第５図はトンネル電流の説明図、第
６図は走査型トンネルマイクロスコープの原理を示した
模式図である。 １・・・導電性試料（試料）、２・・・ピエゾ素子支持
体、３，４，５．７・・・ピエゾ素子、６・・・主探針
、８・・・補助探針 特許出願人　　日立マクセル株式会社 第２図 走査１ＩＩ１．Ｉ（ｎｍ） 第３図 走　圧　運　（ｎｍ） 第４図 走　ｈ　幅　（口ｍ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ピエゾ素子支持体に、左右のＸ軸方向に変位するピ
   エゾ素子と、前後のＹ軸方向に変位するピエゾ素子と、
   上下のＺ軸方向に変位するピエゾ素子とを固定して、こ
   れらの３次元方向に変位するピエゾ素子で主探針を３次
   元方向に微動可能に取りつけるとともに、主探針を上下
   のＺ軸方向に変位するピエゾ素子と並列に、上下のＺ軸
   方向に変位するピエゾ素子をピエゾ素子支持体に固定し
   て、このピエゾ素子で補助探針を上下のＺ軸方向に微動
   可能に取りつけ、適宜制御用電子回路を介して３次元方
   向に変位する各ピエゾ素子で、主探針と試料の表面間に
   電圧を加えて生じるトンネル電流を一定にしながら主探
   針の先端を少なくとも表面が導電性の試料の表面に沿っ
   て走査させ、走査中上下のＺ軸方向に変位するピエゾ素
   子に加わる電圧を検出して、主探針と試料間の距離を測
   定する際、同時に補助探針を支持するピエゾ素子で補助
   探針と試料間に電圧を加えて生じるトンネル電流を一定
   にして、補助探針を支持するピエゾ素子に加わる電圧を
   検出し、この試料と補助探針の相対的な位置の変動を測
   定して、主探針と試料間の距離を補正し、試料の表面形
   状を計測するようにしたことを特徴とする走査型トンネ
   ルマイクロスコープ ２、ピエゾ素子支持体に、左右のＸ軸方向に変位するピ
   エゾ素子と、前後のＹ軸方向に変位するピエゾ素子と、
   上下のＺ軸方向に変位するピエゾ素子とを固定して、こ
   れらの３次元方向に変位するピエゾ素子で主探針を３次
   元方向に微動可能に取りつけるとともに、主探針を上下
   のＺ軸方向に変位するピエゾ素子と並列に、上下のＺ軸
   方向に変位するピエゾ素子をピエゾ素子支持体に固定し
   て、このピエゾ素子で補助探針を上下のＺ軸方向に微動
   可能に取りつけ、適宜制御用電子回路を介して３次元方
   向に変位する各ピエゾ素子で、主探針と試料の表面間に
   電圧を加えて生じるトンネル電流を一定にしながら主探
   針の先端を少なくとも表面が導電性の試料の表面に沿っ
   て走査させ、走査中適宜箇所で主探針と試料の表面間に
   種々の異なる電圧を加えて生じるトンネル電流の変化を
   検出して、試料の表面電子状態を計測する際、同時に補
   助探針を支持するピエゾ素子で補助探針と試料間に電圧
   を加えて生じるトンネル電流を一定にして、補助探針を
   支持するピエゾ素子に加わる電圧を検出し、この試料と
   補助探針の相対的な位置の変動を測定して、トンネル電
   流の変化を補正し、試料の表面電子状態を計測するよう
   にしたことを特徴とする走査型トンネルスペクトロスコ
   ープ