JPH0312506A - 走査型トンネル顕微鏡の走査像出力方式 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡の走査像出力方式

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JPH0312506A
JPH0312506A JP14747389A JP14747389A JPH0312506A JP H0312506 A JPH0312506 A JP H0312506A JP 14747389 A JP14747389 A JP 14747389A JP 14747389 A JP14747389 A JP 14747389A JP H0312506 A JPH0312506 A JP H0312506A
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Masashi Iwatsuki
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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、試料の表面凹凸像についての評価を可能にし
た走査型トンネル顕微鏡の走査像出力方式に関する。
〔従来の技術〕
探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重なり合うn
mオーダまで探針の先端を試料表面に近づけ、この状態
で探針と試料との間に電圧をかけるとトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は、特に、探針と試料との間の
距離(探針の高さ)に敏感であるため、トンネル電流の
大きさを測定することにより試料と探針との間の距離を
超精密測定することができる。
走査型トンネル顕微鏡(STM)は、上北トンネル電流
が一定になるように探針の高さを制御しながら、探針を
水平方向に走査した時の探針の高さ軌跡により試料表面
の凹凸形状を観察するものであり、表面原子配列を解析
する上で注目されている装置である。
第3図は走査型トンネル顕微鏡の探針駆動用の3次元P
ZTスキャナーの構成例を示す図、第4図は走査型トン
ネル顕微鏡の信号処理系の構成概要を示す図であり、7
は試料、8は探針、9a。
9b、10a、lob、11.a、llbは圧電素子、
12はスキャンジェネレータ、13a〜13Cは圧電素
子高圧駆動回路、15は3次元PZTスキャナー、16
はt/Vアンプ、17はログアンプ、18はコンパレー
タ、19はインテグレータ、20はCPUモニタを示す
走査型トンネル顕微鏡は、通常、圧電素子を用いてX輪
、Y軸、Z軸からなる3次元PZTスキャナーに探針を
取り付けて、試料表面を走査するように構成され、その
構成例を示したのが第3図である。同図(a)は試料を
PZTスキャナーに平行に、同図(b)は試料をPZT
スキャナーに垂直に置くようにしたものである。例えば
圧電素子10a。
10bがX軸走査用、圧電素子1fa、llbがY軸走
盗用、圧電素子9a、9bがZ軸の制御用であり、その
ため、圧電素子9a、10b、I La、Ilbには剪
断変形(シェアー)モード、圧電素子9b、10aには
伸縮モードを使用している。
このような3次元PZTスキャナーを有する走査型トン
ネル顕微鏡の信号処理系の構成概要を示したのが第4図
である。
第4図において、3次元PZTスキャナー15は、第3
図に示すようにそれぞれX軸、Y軸、Z軸を駆動する圧
電素子からなるものであり、圧電素子駆動高圧回路13
a〜13bは、スキャンジェネレータ12で発生した走
査信号により3次元PZTスキャナー15のX軸、Y軸
圧電素子を駆動して試料面を走査し、圧電素子駆動高圧
回路13cは、インテグレータ19の出力により3次元
PZTスキャナー15のZ軸圧型素子を駆動して探針8
の高さ調整するものである。スキャンジェネレータ12
は、探針8及びCPUモニタ20の走査信号を発生する
ものである。試料7に接続された初段のI/Vアンプ1
6は、トンネル電流■、を電圧に変換しさらに増幅する
ものであり、その次の段に接続されたログアンプ17は
、l/Vアンプ16の出力信号が探針の高さと線形に対
応するように信号変換(線形化)を行うものである。
コンパレータ18は、ログアンプ17の出力値をトンネ
ル電流の設定値に対応する基準値と比較するものであり
、インテグレータ19は、コンパレータ18の出力を積
分し、この出力を3次元PZTスキャナー15のZ軸圧
型素子に対する制御値にすると共に、CPUモニタ20
の試料表面凹凸像の信号とするものである。このように
I/Vアンプ16、ログアンプ17、コンパレータ18
、インテグレータ19を通してトンネル電流ItをZ軸
圧力素子駆動高圧回路13cヘフィードバックして3次
元PZTスキャナー15のZ軸圧型素子を制御すること
によって、トンネル電流Itを一定にしている。そして
、CPUモニタ20は、3次元PZTスキャナー15の
Z軸圧型素子を制御する信号、すなわち、探針の高さの
制御情報に対応する信号をビデオ信号として表示するこ
とにより試料7の表面凹凸像を表示するものであり、図
示しないが例えばフレームメモリにこのビデオ信号をス
トアしてからスキャンジェネレータ12で発生した走査
信号にしたがって読み出し画面に出力する。
試料7の表面凹凸像を得るためには、先端を説くした探
針8を試料7に1〜2nm程度に近づけて、試料7と探
針8との間に数mV〜数Vの電圧を印加することによっ
て1〜10nA程度のトンネル電流■、を得、3次元P
ZTスキャナー15に対してこのトンネル電流1.が一
定になるように圧電素子9a、9bに印加する電圧を制
御しながら、圧電素子10a、tob及び圧電素子11
a、llbを掃引して試料表面と平行なX軸及びY軸方
向に探針8を走査する。このようにしてZ軸を駆動する
圧電素子9a、9bの印加電圧により試料70表面凹凸
像を表示する。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、上記のようにして表示された試料の表面凹凸
像であっても、走査型トンネル顕微鏡においてその評価
が難しいのは、その現在表示されている走査像が試料表
面の凹凸に対応する真実の像であるか、又は、ノイズに
より形成されたものであるかの判断である。表面に付着
物がある場合において、その形状が特異な場合には特に
その判断が困難である。
本発明は、上記の課題を解決するものであって、走査型
トンネル顕微鏡により得られた試料の表面凹凸像が真実
の像かノイズによる像かを容易に評価できる走査型トン
ネル顕微鏡の試料像評価方式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〕
そのために本発明は、試料に探針を近づけてトンネル電
流を検出し試料表面の走査像を出力する走査型トンネル
顕微鏡において、走査信号を所定の角度回転させる走査
信号回転手段を備え、咳走査信号回転手段を通して探針
の走査を所定角度回転させた試料表面の走査像を出力可
能にしたことを特徴とするものである。
〔作用〕
本発明の走査型トンネル顕微鏡の走査像出力方式では、
走査信号回転手段を通して探針の走査を所定角度回転さ
せた試料表面の走査像を出力可能にしたので、スキャン
ローテーションした角度の異なる2つの走査像を照合す
ることができる。このことにより、回転角ずれた位置で
同じ像を観察できれば試料表面の情報に基づく真実の像
として評価することができ、また、回転角ずれた位置で
同じ像が観察できない場合には、ノイズに基づく虚像と
判断することができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
第1図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の走査像出
力方式に使用されるスキャンローテーション回路の1実
施例を示す図、第2図は走査像の回転を説明するための
図である。
第1図において、1と2は信号回転処理回路、3と4は
前処理回路、5と6はアンプを示す。
第1図において、信号回転処理回路1は、X軸方向の走
査信号の生成処理を行う回路であり、予め設定された角
度にしたがって所定の角度だけ回転した走査(スキャン
ローテーション)を行うように人力走査信号x1とY、
を演算処理し、実際にX軸方向の圧電素子を駆動するた
めの走査信号X2を生成するものである。また、信号回
転回路2は、Y軸方向の走査信号の生成処理を行う回路
であり、信号回転処理回路1と同様にしてY軸方向の圧
電素子を駆動するだめの走査信号Y、を生成するもので
ある。そのため、信号回転回路1.2には、予め設定さ
れた回転角度にしたがって連動して演算内容が設定され
る。なお、入力走査信号X、、Y、は、スキャンジェネ
レータにより発生される信号であり、走査信号X、 、
Y2は、図示しないが例えば駆動アンプ等を通して圧電
素子駆動高圧回路の人力信号となるものである。したが
って、先に説明した第4図の構成では、スキャンジェネ
レータ12と圧電素子駆動高圧回路13a、13bとの
間に挿入接続されるが、スキャンジェネレータ12の中
に含めて構成してもよいことは勿論である。また、前処
理回路3.4は、信号回転回路2で走査信号Y2を生成
するた袷に人力走査信号X、とYlに対して前処理を行
う回路であり、信号回転回路2に含めてもよいことは勿
論である。
次に、演算例を説明する。
例えば第2図Aのようにスキャンジェネレータにおいて
発生される人力走査信号X、がXI、・・・・・・、x
t s−’・XTI SY+が3’ + 、”””、y
4、・・・・・・y、の走査範囲に設定されたものを、
第2図A′のように走査角度を45°回転させた領域で
探針を走査するものとすると、信号回転処理回路lでは
、 <1/2)X、、+ (XI   3/J )/ /2
の演算をし、前処理回路3.4及び信号回転処理回路2
では、 (y、1 +XL ) / /2 − (1−/2) y、/2 の演算をする。したがって、このような演算を行って走
査信号x2、Y2を生成し、3次元PZTスキャナーの
X軸方向及びY軸方向の圧電素子を駆動し、探針を走査
すると、モニタには45°回転した走査像が出力される
。したがって、この回転した走査像を回転前の走査像と
比較すると、真実の像の場合には45°回転した位置に
同じ像を認識することができるが、ノイズによる像の場
合には、このような対応はみられない。
本発明は、上記のように試料上にふける探針のX、Y走
査方向を所定の角度回転させて、所謂スキャンローテー
ションした走査像を得ることにより、スキャンローテー
ション前の走査像と照合を行い、試料表面の情報に基づ
く真実の像であるか、探針の状態や信号処理回路その他
の要因で発生するノイズに基づく虚偉であるかを評価で
きるようにするものである。
なお、本発明は、上言己の実施例に限定されるものでは
なく、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例は
、45°のスキャンローテーションで説明したが、0゛
と45゛との組み合わせだけでなく、異なる回転角の走
査像であれば他の角度の組み合わせも採用できることは
勿論である。また、スキャンローテーションによる走査
信号の生成は、上記の実施例による式でなく、他の演算
処理により生成してもよいことはいうまでもない。
さらには、スキャンローテーションにより得られた走査
像をローテーション前の走査像と照合することにより真
実の像か否かを判断するというちのであったが、双方の
走査(象を回転角補正をして重ね合わせ、論理積処理を
行って出力するように走査像データの論理演算回路を付
加してもよい。このようにすると、ノイズによる像のよ
うに一致しない像を消去し、いずれの走査像とも一致す
る真実の像のみを抽出して出力することができる。この
出力態様は、表示だけでなく、プリントアウト出力でも
よいことはいうまでもない。
〔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、ST
Mの圧電素子駆動回路にスキャンローテーション機能を
付加し、異なる角度での走査像を照合するので、試料表
面の情報を示す真実の像とノイズによる像とを簡単に識
別することができる。
そのため、STM像の評価が容易になり、試料表面の処
理、探針の状態を容易に把遅でき、装置の信頼性の向上
を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の走査像出
力方式に使用されるスキャンローテーション回路の1実
施例を示す図、第21!!は走査像の回転を説明するた
めの図、第3図は走査型トンネル顕微鏡の探針駆動用の
3次元PZTスキャナーの構成例を示す図、第4図は走
査型トンネル顕微鏡の信号処理系の構成概要を示す図で
ある。 1と2・・・信号回転処理回路、3と4・・・前処理回
路、5と6・・・アンプ。 第1図 出 願 人  日本電子株式会社

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)試料に探針を近づけてトンネル電流を検出し試料
    表面の走査像を出力する走査型トンネル顕微鏡において
    、走査信号を所定の角度回転させる走査信号回転処理手
    段を備え、該走査信号回転処理手段を通して探針の走査
    を所定角度回転させた試料表面の走査像を出力可能にし
    たことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の走査像出力
    方式。
  2. (2)異なる回転角度の走査像を角度補正の上重ね合わ
    せ、一致する像のみを出力することを特徴とする請求項
    1記載の走査型トンネル顕微鏡の走査像出力方式。
JP1147473A 1989-06-09 1989-06-09 走査型トンネル顕微鏡による走査像判別方式 Expired - Fee Related JP2575880B2 (ja)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6251651U (ja) * 1985-09-20 1987-03-31
JPS64401A (en) * 1987-05-29 1989-01-05 Agency Of Ind Science & Technol Mechanism for attaching and detaching fine adjustment element for stm

Patent Citations (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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