JPH02275350A

JPH02275350A - 表面測定装置

Info

Publication number: JPH02275350A
Application number: JP9679989A
Authority: JP
Inventors: Miyoko Watanabe; 渡辺　美代子; Kuniyoshi Tanaka; 田中　国義
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1990-11-09

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、表面測定装置に係り、特に固体の表面構造お
よび表面電子状態を測定する走査型トンネル顕微鏡等の
表面測定装置に関する。

（従来の技術）固体表面の１つ１つの原子を測定する手段の１つとして
、走査型トンネル顕微鏡が開発されている（サーフイス
サイエンス、１２６巻、ページ２３６：Ｇ−ビニッヒ（
Ｇ、Ｂｉｎｎｉｇ））。

これは、先端が尖った電気伝導性の探針を電気伝導性固
体からなる試料の表面から約１０人上で走査しながら、
トンネル電流を測定することにより、試料表面の構造と
電子状態とを原子レベルで測定するものである。

この探針を走査する位置を試料の表面から約１０Ａ上と
なるようにするため、探針と機械的に接続された圧電素
子を用いて、探針を駆動せしめる方法かまたは、試料と
機械的に接続された圧電素子を用いて、試料を駆動せし
める方法かを用いるようにしている。

このような走査型トンネル顕微鏡を用いて試料の表面を
真空中で測定する場合、試料表面を清浄化するため、試
料に２つの端子を設置し電流を流し、試料表面を高温に
するという方法がとられる。

しかし、探針または試料の駆動手段として用いられてい
る圧電素子は、温度依存性が高く、試料表面を高温にし
た場合、この熱によって駆動誤差を生じ易いという問題
がある。

また、測定中には、試料表面を一定の電位に保持してお
く必要があるため、試料に電流を流すことができず、ヒ
ータを用いることなく試料を高温に維持することはでき
ないという問題がある。

また、抵抗率の高い試料を測定しようとする場合、試料
には電流が流れず、試料の表面を清浄化することができ
ないという問題があった。

このような問題は、走査型トンネル顕微鏡に限ることな
く、探針と試料の間の静電容量を検出する走査型静電容
量顕微鏡、探針の原子と試料の原子との間の引力および
斥力を測定する原子開力顕微鏡においても同様に発生す
る。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来の走査型トンネル顕微鏡をはじめとす
る表面測定装置では、試料を高温にした状態で表面状態
を高精度に測定することはできないという問題があった
。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、試料表面
を高温にした状態で表面状態を高精度に測定することの
できる表面測定装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）そこで本発明の第１では、電気伝導性の探針を圧電素子
を用いた駆動手段で試料の表面近傍で走査しながら、ト
ンネル電流を測定することにより、試料表面の構造を測
定する表面測定装置において、試料を加熱する加熱手段
を配設すると共に、圧電素子を熱バッファを介して探針
に接続するようにしている。

また本発明の第２では、圧電素子を用いた駆動手段で試
料を駆動し、探針に対して試料の表面近傍を走査しなが
ら、トンネル電流を測定することにより、試料表面の構
造を測定する表面測定装置において、試料を加熱する加
熱手段を配設すると共に、圧電素子を熱バッファを介し
て試料に接続するようにしている。

また、本発明の第３では、試料を載置する支持台に、試
料と電気的に絶縁された状態で加熱手段としてのヒータ
を配設するようにしている。

さらに望ましくは、該ヒータはボロンナイトライド（Ｂ
Ｎ）セラミックスを介して試料に接するように設置せし
めるようにしている。

（作用）上記第１及び第２の構成によれば、圧電素子は、熱バッ
ファを介して探針または試料に接続せしめられているた
め、試料を高温にしても熱的影響により駆動誤差を生じ
たりすることがないため、試料を高温状態にして高精度
の測定を行うことが可能となる。

また、加熱手段としてのヒータは試料と電気的に絶縁さ
れているため、ヒータに電流を流しても、試料の電位を
所望の一定の値に設定することができ、支持台と試料の
みを高温にすることができるため、迅速に試料を高温に
することができる。

さらに、ボロンナイトライドは、層状物質であり、ａ軸
とｂ軸方向には熱伝導度が大きく、Ｃ軸方向には熱伝導
度が小さいという性質を有している。このため、試料に
接する面が、ａ軸およびｂ軸を含む面となるように配設
することにより、試料温度は均一となり、温度測定を行
う位置と、８７Ｍ測定を行う位置とが異なっても、問題
なく温度測定を行うことが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図（ａ）乃至第１図（Ｃ）は、本発明の第１の実施
例の走査型トンネル顕微鏡を示す図である（第１図（ｂ
は第１図（ａ）のＡ−Ａ断面図、第１図（ｅ）は第１図
（ａ）の要部拡大図である）。

この走査型トンネル顕微鏡は、探針走査手段３を構成す
るＸ方向駆動圧電素子３ａ、Ｙ方向駆動圧電素子３ｂ、
Ｚ方向駆動圧電素子３Ｃがそれぞれ熱伝導度の小さいセ
ラミックスからなる継ぎ手１０を介して探針を保持する
探針ホルダ３ｈに接続したことを特徴とするものである
。

すなわち、熱膨張率の小さいインバー合金（ニッケル、
マンガン、炭素および他の元素を含む鉄からなる合金）
とからなる顕微鏡本体１と、この顕微鏡本体１に取り付
けられ探針２を走査する探針走査手段３と、先端に試料
支持台４を備え、試料５と探針との距離の粗動を行うマ
イクロメータ６とから構成されている。そして、試料支
持台４の表面にはグラファイトヒータ７が配設され、さ
らにグラファイトヒータの表面を覆い、試料の裏面と当
接するようにボロンナイトライド板８が配設されている
。なお、探針は白金で構成されている。

測定に際しては、まず、試料としてのグラファイトを試
料支持台に設置し、マイクロメータ６によって大体の位
置合わせを行った後、測定前に、該グラファイトヒータ
７にＩＡの電流を流し、試料を約３００℃に昇温せしめ
、この温度に保ちながら、Ｘ方向駆動圧電素子３ａ、Ｙ
方向駆動圧電素子３ｂ、Ｚ方向駆動圧電素子３Ｃを駆動
して該探針を走査し、試料表面の原子像を測定した。

このとき、継ぎ手１０は２７℃、マイクロメータ６は３
７℃であった。このように、試料を高温にしても、圧電
素子やマイクロメータ等の部品はほぼ室温に保たれてい
ることがわかる。

このようにして、圧電素子やマイクロメータ等の部品の
温度は室温に維持した状態で、試料を約３００℃に保ち
ながら測定を行うことができるため、極めて安定な原子
像を測定することが可能となる。特に、この例では、絶
縁手段としてボロンナイトライド板８を用いているため
、面方向の温度が均一となっており、高精度の測定が可
能となる。

また、このときの測定結果を第２図に示す。ここで、白
い部分はトンネル電流が多く流れた部分、つまり原子が
存在する部分であり、黒い部分（黒ドツトで埋め尽くさ
れた部分）はトンネル電流が少なく流れた部分、つまり
原子のない部分に相当する。このように安定した原子像
をとり続ける事ができた。

なお、この例では、走査型トンネル顕微鏡について説明
したが、これに限定されることなく、第１図に示したの
と同様の装置を用いて探針と資料との間の静電容量を検
出する走査型静電容量顕微鏡、あるいは探針の原子と試
料の原子との間の引力および斥力を測定する原子間力顕
微鏡等他の表面測定装置にも適用可能である。

この原子開力顕微鏡は、その−例を第３図（ａ）および
第３図（ｂ）に示すように、トンネル電流検出用の探針
２に加え、さらに、カンチレバー１５に支持せしめられ
た原子間力測定針１２を介在させたことを特徴とするも
ので、他は第１の実施例と同様、探針走査手段１３を構
成するＸ方向駆動圧電素子３ａ、Ｙ方向駆動圧電素子３
ｂ、Ｚ方向駆動圧電素子３Ｃがそれぞれ熱伝導度の小さ
いセラミックスからなる継ぎ手１０を介して探針を保持
する探針ホルダ３ｈに接続されている。また、１６はカ
ンチレバー１５の粗動のためのカンチレバー駆動用マイ
クロメータである。ここで第３図（ｂ）は第３図（ａ）
の要部拡大図である。なお、同一部位には同一符号を付
した。

さらに、上記２つの実施例では、継ぎ手を熱伝導性の小
さい材料で構成し、熱バッファとして用いると共に、試
料支持台上に配設されたヒータを覆うようにボロンナイ
トライド板８を配設し、試料とヒータとの電気的絶縁を
維持するようにしたが、これら２つの構成の内１つのみ
でも有効であることはいうまでもない。

例えば、継ぎ手を用いることなく圧電素子に直接探針ホ
ルダを配設してもよい。この−例を第４図に示す。

この走査型トンネル顕微鏡は、顕微鏡本体２１と、この
顕微鏡本体１に取り付けられた探針２２を走査する圧電
素子２３と、先端に試料支持台２４を備え、試料２５と
探針との距離の粗動を行うマイクロメータ２６と、試料
支持台２４の表面配設されたグラファイトヒータ２７と
、グラファイトヒータの表面を覆い、試料の裏面と当接
するように配設されたボロンナイトライド板２８とから
構成されている。なお、探針は白金で構成されている。

測定に際しては、まず、測定前に、該グラファイトヒー
タフに０．５Ａの電流を流し、試料を約２００℃に保ち
ながら、該探針を走査し、試料表面の原子像を測定した
。

このようにして、試料を約３００℃に保ちながら測定を
行うことができるため、極めて安定な原子像を測定する
ことが可能となる。特に、この例では、絶縁手段として
ボロンナイトライド板８を用いているため、面方向の温
度が均一となっており、高精度の測定が可能となる。

なお、前記実施例では、試料とヒータとを絶縁すっため
の手段としてＢＮを用いたが、他の部材でもよいことは
いうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の表面測定装置によれ
ば、探針または試料の駆動用の圧電素子は、熱バッファ
を介して探針または試料に接続せしめられているため、
試料を高温にしても熱的影響により駆動誤差を生じたり
することがなく、試料を高温状態にして高精度の測定を
行うことが可能となる。

また、試料を加熱するためのヒータを試料と電気的に絶
縁するようにしているため、ヒータに電流を流しても、
試料の電位を所望の一定の値に設定することができる。

さらに、この絶縁材料としてボロンナイトライドを用い
ることにより、面方向での試料の温度を一定に維持する
ことができ、トンネル電流などの表面測定位置と温度測
定位置とが離れていても、迅速に高精度の＃Ｊ定を行う
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｅ）は本発明の第１の実施例
の走査型トンネル顕微鏡を示す図（第１図（ｂは第１図
（ａ）のＡ−Ａ断面図、第１図（ｃ）は第１図（ａ）の
要部拡大図である）、第２図はその測定結果を示す図、
第３図（ａ）および第３図（ｂ）は本発明の第２の実施
例の原子開力顕微鏡を示す図、第４図は本発明の第３の
実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図である。１・・・顕微鏡本体、２・・・探針、３・・・探針走査
手段、３ａ・・・Ｘ方向駆動圧電素子、３ｂ・・・Ｙ方
向駆動圧電素子、３ｃ・・・２方向駆動圧電素子、３ｈ
・・・探針ホルダ、４・・・試料支持台、５・・・試料
、６・・・マイクロメータ、７・・・グラファイトヒー
タ、８・・・ボロンナイトライド板、１０・・・継ぎ手
、１２・・・原子間力測定針、１５・・・カンチレバー
　１６・・・カンチレバー駆動用マイクロメータ２１・
・・顕微鏡本体、２２・・・探針、２３・・・圧電素子
、２４・・・試料支持台、２５・・・試料、２６・・・
マイクロメータ、２７・・・グラファイトヒータ、２８
・・・ボロンナイトライド板。第３図（ａ）第３図（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧電素子を用いた駆動手段によって、表面測定用
の探針を試料の表面近傍で走査しながら、トンネル電流
等を測定することにより、試料表面の構造を測定する表
面測定装置において、前記試料を加熱する加熱手段を配設すると共に、圧電素子を熱バッファを介して探針に接続するよ
うにしたことを特徴とする表面測定装置。
（２）圧電素子を用いた駆動手段によって試料を駆動し
、表面測定用の探針に対して試料の表面近傍を走査しな
がら、トンネル電流等を測定することにより、試料表面
の構造を測定する表面測定装置において、前記試料を加熱する加熱手段を配設すると共に、圧電素子を熱バッファを介して試料に接続するよ
うにしたことを特徴とする表面測定装置。
（３）表面測定用の探針または試料を駆動することによ
り、探針に対して試料を表面近傍で相対的に走査しなが
ら、トンネル電流等を測定することにより、試料表面の
構造を測定する表面測定装置において、前記試料を載置する支持台に、試料と電気的に絶縁された状態で加熱手段としてのヒータを配設す
るようにしたことを特徴とする表面測定装置。
（４）前記ヒータは、ボロンナイトライド（ＢＮ）セラ
ミックスを介して試料に接するように設置せしめられて
いることを特徴とする請求項（３）記載の表面測定装置
。