JPH0312507A - 走査型トンネル顕微鏡の試料傾斜補正方式 - 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、試料に探針を近づけてトンネル電流を検出し
試料表面の凹凸像を出力する走査型トンネル顕微鏡の試
料傾斜補正方式に関する。

〔従来の技術〕

走査型トンネル顕微鏡は、１９８１年に登場して以来、
実空間にて原子レベルの表面観察ができる手段として普
及してきており、それに伴い急速に種々の分野にも応用
範囲が拡大してきている。

走査型トンネル顕微鏡の原理は、非常に簡単なものであ
り、機械研磨や電解研磨した探針を観察しようとする試
料に数ｎｍ程度に近付け、数ミリボルトから数ボルトの
バイアス電圧を印加することによりトンネル電流を積出
し、それより原子レベルの凹凸像を得ようとするもので
ある。

走査型トンネル顕微鏡で得られるトンネル電流工は、 Ｉ　ａｃ　ｅｘｐ（−Ａ　・φｌ／２．Ｓ）として示さ
れる。ここでＡは定数、φは仕事関数、Ｓは探針と試料
面との距離である。走査型トンネル顕微鏡による観察モ
ードには、定電流モードと可変電流モードがあるが、前
者は、このトンネル電流を一定にするようにフィードバ
ックしてＺ軸圧電素子を制御し、Ｚ軸圧型素子の変位分
を画像信号として表示するものであり、後者は、Ｚ軸圧
型素子にフィードバックすることなく、トンネル電流の
変化分を画像信号として表示するものである。

第４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であり、ｌは試料、３
は探針、４ｘ、４ｙ、４ｚ、４ｘ’４ｙ’、４Ｚ’　は
圧電素子を示す。

走査型トンネル顕微鏡は、通常、圧電素子を用いてＸ軸
、Ｙ軸、Ｙ軸からなる３次元ＰＺＴスキャナーに探針を
取り付け、上記観察モードに応じて試料表面を走査する
ように構成しているが、その３次元ＰＺＴスキャナーの
構成例を示したのが第４図である。同図（ａ）は試料を
ＰＺＴスキャナーに平行に、同図ら〕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。これらＰ
ＺＴスキャナーでは、圧電素子４ｘ、４ｘ’をＸ軸走査
用、圧電素子４Ｙ、４ｙ’　ｔＹＹ軸査用、圧電素子４
ｚ、４ｚ’をＹ軸の制御用として用い、そのため、圧電
素子４ｙ、４ｚ、４ｘ’、４ｙ’　には剪断変形（シェ
アー）モード、圧電素子４ｘ、４２′には伸縮モードを
使用している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、走査型トンネル顕微鏡が探針の高さを制
御する２軸圧電素子の駆動信号に基づいて試料表面の凹
凸像を観察している限り、試料表面の傾き、すなわち、
試料表面と探針の走査面とのなす平行性の問題がクロー
ズアップされてくる。

特に、試料面の詳細な観察には、観察面が探針の走査面
と平行であり、その中で原子レベルの観察が出来ること
が望ましい。

走査型トンネル顕微鏡の制御方式では、凹凸像を得る場
合、探針にて試料表面を二次元的に走査し、先に述べた
ように定電流モードでは２軸圧電素子の変位分を、可変
電流モードではトンネル電流の変化分を試料表面の凹凸
像として表示するため、試料の傾斜がそのまま２軸圧電
素子の変位分やトンネル電流の変化分どなって凹凸像に
重畳されることになる。したがって、試料表面の凹凸像
では、全体として試料の傾斜に沿って一方は明度差が生
じ、明るい領域では、試料の凹凸像がとんでしまい、暗
い領域では試料の凹凸像がつぶれてしまうため、凹凸像
の解像度が低下するという問題が生じる。

第５図は走査型電子顕微鏡の焦点ずれ補正を説明するた
めの図であり、２１は試料、２２と２３は磁界を示す。

試料の傾斜による像の焦点のずれを補正する手段として
、例えば走査型電子顕微鏡等では、ダイナミックスキャ
ン法などが採用されている。この方法は、第５図に示す
ように試料２１上で起こる焦点のずれを、試料２１の傾
斜αに合わせて試料前方の磁界２２．２３に重畳させて
補正を行うものである。しかし、走査型トンネル顕微鏡
では、先に説明したように探針を機械的に走査すること
によって試料の表面凹凸像を得ようとするものであるた
め、走査型電子顕微鏡等のように磁界等を使用するわけ
にはいかない。

本発明は、上言己の課題を解決するものであって、試料
面の傾斜に伴う画像の明るさむらを補正することが可能
な走査型トンネル顕微鏡の試料傾斜補正方式を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、試料面に沿ってＸＹ力方向探針を
駆動するＸＹ軸方向駆動手段、試料面との高さを変える
Ｚ方向に探針を駆動するＺ軸方向駆動手段、探針と試料
との間のトンネル電流検出手段、探針の駆動信号を発生
し試料表面の凹凸像を出力する信号処理手段を備え、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凹
凸像を出力する走査型トンネル顕微鏡において、凹凸像
信号に対し試料の走査位置に応じて傾斜補正を行う傾斜
補正手段を設け、試料の傾斜による凹凸像の明度むらを
補正するように構成したことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の走査型トンネル顕微鏡の試料傾斜補正方式では
、凹凸像信号に対し試料の走査位置に応じて傾斜補正を
行う傾斜補正手段を設け、試料の傾斜による凹凸像の明
度むらを補正するので、試料が傾斜していても、凹凸像
に試料の傾斜による明度むらが生じなくなり、試料全体
にわたり高い解像度を保証することができる。

〔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試料傾斜
補正方式の１実施例を示す図、第２図及び第３図は本発
明に係る走査型トンネル顕微鏡の試料傾斜補正方式の他
の実施例を示す図である。

図中、ｌは試料、３は探針、４ｘ、４ｙ、４ｚは圧電素
子、５はスキャンジェネレータ、６ｘ、６ｙ１１１は圧
電素子駆動高圧回路、７はコンパレータ、８はＩ／Ｖア
ンプ、９はログアンプ、１０はＣＰＵモニタ、１２はイ
ンテグレータ、１３．１４ｘ、１４ｙは傾斜補正回路を
示す。

第１図において、圧電素子４ｘ、４ｙ、４ｚは、それぞ
れＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動する３次元スキャナーを構成
するものであり、スキャンジェネレータ５は、探針３及
びＣＰＵモニタ１０の走査信号を発生するものである。

圧電素子駆動高圧回路６ｘ、６ｙは、スキャンジェネレ
ータ５で発生した走査信号にしたがって３次元ＰＺＴス
キャナーの圧電°素子４Ｘ％４Ｍを駆動するものであり
、圧電素子駆動高圧回路１１は、インテグレータ１２の
出力により３次元ＰＺＴスキャナーの圧電素子４ｚを駆
動するものである。試料ｌに接続された初段のＩ／Ｖア
ンプ８は、トンネル電流１　ｔ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
９は、＋／Ｖアンプ８の出力信号が探針３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７は、ログアンプ９の出力値をトンネル
電流の設定値に対応する基準値（ＤＣ５ｏｕｒｃｅ）と
比較するものであり、インテグレータ１２は、コンパレ
ータ７の出力を積分し、この出力を３次元ＰＺＴスキャ
ナーのＺ軸圧型素子４ｚに対する制御値とするものであ
る。このようにＩ／Ｖアンプ８、ログアンプ９、コンパ
レータ７、インテグレータ１２を通してトンネル電流Ｉ
、をＺ軸圧力素子駆動高圧回路１１へフィードバックし
、３次元ＰＺＴスキャナーのＺ軸圧型素子４ｚを制御す
ることによって、探針３の高さを制御しトンネル電流！
、を一定にしている。

上記のようなの構成において、本発明は、傾斜補正回路
１３を設け、３次元ＰＺＴスキャナーのＺ軸圧型素子４
ｚの駆動信号すなわちＺ軸圧型素子４ｚの変位分を試料
の傾斜角に相当する分だけ走査信号で補正し、その信号
をビデオ信号としてＣＰＵモニタ１０に送り、試料７の
表面凹凸像を表示するものである。ＣＰＵモニタ１０は
、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、スキャンジェネレータ１２で発生した走査
信号にしたがってこれを読み出し表面凹凸像を出力する
。

従来の構成では、試料の傾きが、そのままＺ軸圧型素子
４ｚの変動分の中に表面の凹凸と共に重畳されてモニタ
１０に表示されるが、本発明では、上記のように傾斜補
正回路１３を接続することにより、スキャンジェネレー
タ１２で発生した走査信号に応じて試料の傾斜分を補正
するので、試料の傾斜による画像の明るさむらが補正さ
れる。本方式では、Ｘ走査、Ｙ走査とも単独で補正する
ことができる。

上記の例は定電流モードに適用したものであるが、可変
電流モードに適用した例を示したのが第２図である。

可変電流モードは、フィードバック回路を切り離してＺ
軸圧型素子駆動高圧回路１１をプリセットすることによ
り２軸圧電素子４ｚをトンネル電流に関係なく一定にし
て走査し、トンネル電流の変化分を試料表面の凹凸像と
してＣＰＵモニタ１０に表示するものであるが、第２図
に示す本発明では、このＺ軸圧型素子駆動高圧回路１１
に試料の傾斜補正信号を加算するものであり、その回路
がＸ走査方向の傾斜補正回路１４ｘ、Ｙ走査方向の傾斜
補正回路ｚｙである。この傾斜補正回路１４ｘ、１４ｙ
による試料の傾斜補正は、試料面の傾斜角αによりプリ
セットされる。

第３図は定電流モードと可変電流モードをＣＰＵモニタ
で選択適用できるように構成した例を示す図であり、Ｚ
軸圧型素子駆動高圧回路１１に対してインケグ１ノータ
１２の信号の他にＣＰＵモニタ１０からも信号を加える
ように接続したのがそのための構成である。

第３図に示す例において、定電流モードとして動作させ
る場合には、インテグレータ１２の出力が常に一定にな
るようにＣＰＵモニタ１０からＺ軸圧型素子駆動高圧回
路１１に加える信号を制御し、その信号に対して試料の
傾斜角を補正した値を凹凸像の表示信号とする。また、
可変電流モードとして動作させる場合には、試料の傾斜
角に沿ってＺ軸が駆動されるようにＣＰＵモニタＩＱか
らＺ軸圧型素子駆動高圧回路１１に加える信号を制御し
、トンネル電流の変化分をを凹凸像の表示信号とする。

ＣＰＵモニタ１０による試料の傾斜角検出は、第３図（
ａ）に示すようなウェーブフオームモニタにより行うこ
とができるので、この傾斜角を画像内で補正するか、可
変電流モードでは、この傾斜角により変化分をＺ軸圧型
素子駆動高圧回路１１にフィードバックさせて傾斜補正
を行うことになる。

なお、本発明はζ上記の実施例に限定されるものではコ
ヨ＜、種々の変形が可能である。例えば定電流モードで
は、傾斜補正回路１３に傾斜角をプリセットするように
説明したが、傾斜角を検出するためのブリスキャンを行
って傾斜角αをＣＰＵモニタ１０で検出し、ＣＰＵモニ
タ１０からＸ走査補正回路１４ｘ及びＹ走査補正回路１
４ｙに補正値を設定するように構成してもよいし、ＣＰ
Ｕモニタ１０において、インテグレータ１２から得られ
るトンネル電流の信号を補正するように構成してもよい
。この場合、試料全体の傾斜とローカルな試料表面の凹
凸とが識別できるように、ＣＰ（Ｊモニタ１０にて一旦
低倍率で処理した後、倍率を上げて試料表面の凹凸像を
観察するようにしてもよい。

〔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、走査
型トンネル顕＠鏡のＺ軸圧電素子駆動儒号に傾斜補正回
路を追加するだけでよいので、簡単な構成の追加で試料
の傾斜角の補正をすることができる。また、ＣＰＵを利
用して傾斜補正回路を制御することができるので、自動
的に試料の傾斜に伴う画像の明るさむらを補正すること
ができる。その結果、試料の傾斜により画儂上で明度差
が生じて観察しにくかった像が、試料表面の凹凸に基づ
く明度差のみになるので、試料表面の詳細の観察がしや
す（なり、試料表面の凹凸像の解像度を高めることがで
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試料傾斜
補正方式の１実施例を示す図、第２図及び第３図は本発
明に係る走査型トンネル顕微鏡の試料傾斜補正方式の他
の実施例を示す図、第４図は走査型ｌ・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５図は走査型電子顕微鏡の焦点ずれ補正を説明する
ための図である。 １・・・試料、３・・・探針、４ｘ、４ｙ、４ｚ・・・
圧電素子、５・・・スキャンジェネレータ、６１１・・
・圧電素子駆動高圧回路、７・・・コ８・・弓／Ｖアン
プ、９・・弓グアンプ、Ｕモニタ、１２・・・インテグ
レータ、１１４ｙ・・・傾斜補正回路。 ５６Ｖｓ ンパレータ、 １０・・・ＣＰ ３．１４ｘ１ 出　願　人　　日本電子株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料面に沿ってＸＹ方向に探針を駆動するＸＹ軸
   方向駆動手段、試料面との高さを変えるＺ方向に探針を
   駆動するＺ軸方向駆動手段、探針と試料との間のトンネ
   ル電流検出手段、探針の駆動信号を発生し試料表面の凹
   凸像を出力する信号処理手段を備え、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凹凸像を出力する
   走査型トンネル顕微鏡において、凹凸像信号に対し試料
   の走査位置に応じて傾斜補正を行う傾斜補正手段を設け
   、試料の傾斜による凹凸像の明度むらを補正するように
   構成したことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の試料
   傾斜補正方式。