JPH03185302A

JPH03185302A - 走査トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JPH03185302A
Application number: JP32403389A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tanaka; 一郎田中; Fukunobu Aisaka; 逢坂　福信
Original assignee: Optoelectronics Technology Research Laboratory
Current assignee: Optoelectronics Technology Research Laboratory
Priority date: 1989-12-15
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1991-08-13
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2711311B2

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、走査トンネル顕微鏡に関する。

［従来の技術］走査トンネル顕微＃ｉ！（以下ＳＴＭという）は。

導電性の試料表面に先端の鋭い金属探針を１０オングス
トロ一ム程度の距離に近接させ、探針と試料との間にバ
イアス電圧を印加したときに生じるトンネル電流が、探
針先端と試料表面との距離に指数函数的に依存すること
を利用して試料表面の凹凸等の状態を原子的分解能で測
定する装置である。

第２図にＳＴＭの概念図を示し、動作の一例について説
明する。

探針２１はピエゾ素子によって構成されるスキャナー２
２の先端に取り付けられている。この探針２１を探針近
接機ｌＩ２３によって試料ホルダー２５に取り付けられ
た試料２４の表面に近接させる。ここで探針２１は、探
針２１と試料２４との間にバイアス電圧を印加した場合
に、トンネル電流が生じるような距離まで近づけられる
。

探針２１と試料２４との間に流れるトンネル電流は、プ
リアンプ２６により電圧変換された後増躯される。その
後、サーボ−路２７を通じて、探針先端と試料表面の距
離を制御するスキャナー２２のピエゾ素子にフィードバ
ックされる。このフィードバックはスキャナー２２を試
料表面上で試料表面に平行な面内（Ｘ−Ｙ平面内）で走
査したときに、探針２１の先端と試料２４表面の間に流
れるトンネル電流の値が常に一定になるように行なわれ
る。このように、フィードバックをかけるとそのフィー
ドバック電圧は試料表面の凹凸に対応する。従って２画
像表示部２８によってその電圧を走査に対応させて表示
すれば、試料表面の凹凸像が得られる。

このような走査トンネル顕微鏡を構成する部品のうち、
探針、スキャナー近接機構、試料ホルダー等の機械的な
部分が一体化されたものをトンネルユニットと呼び、プ
リアンプ、サーボ回路１画像表示等の電気的な部分を制
御系と呼ぶことにする。これら以外に走査トンネル顕微
鏡を構成する重要な機構としては、外部からの振動を除
くための除震機構（図示せず）がある。

ＳＴＭは前述のように探針を利用しており、この探針先
端の状！！！（酸化・汚染など）が得られるＳＴＭ像に
大きく影響することが知られている。

特に、超高真空（ＵＨＶ）中でＳＴＭにより試料の清浄
な表面の原子像を観察するためには、探針先端も清浄で
あることが不可欠である。

そのため、ＳＴＭにトンネルユニットとは別に探針清浄
機構を設け、Ｔめ清浄化した探針をトンネルユニットま
でもって来てトンネルユニットに取り付けて使用する方
法がある。しかし、この方法は探針の移動機構が必要で
ある。探針の着脱が可能なＳ７Ｍユニットが必要である
１等の問題を有している。

そこで、探針の移動や着脱が不要な探針清浄化機構とし
て縮小・拡大てこによる試料移動機構を有するトンネル
ユニットに探針清浄機構及び観察機構を設けたものがあ
る。これは第３図に示すように、縮小・拡大てこによっ
て試料を探針先端から大きく離す事ができる点を利用し
、試料を探針先端から遠ざけたときに、探針に電極とマ
ルチチャンネルプレートを対向させ、電界イオン顕微鏡
を構成したものである。

以下にこのようなＳＴＭを第３図を参照して説明する。

第３図（ａ）はこのトンネルユニットでＳ７Ｍ測定をし
ている状態を示す図である。第３図（ａ）において、３
１は探針、３２はスキャナー、３３は試料、３４は拡大
・縮小でこのレバー、３５はストッパー　３６は拡大・
縮小てこを動かすためのロッドで、真空室外から直進導
入機等（図示せず）によって燥作される。又、３７は除
震用積層ダンパーで、除震機構としては、これ以外にト
ンネルユニット全体を真空室内でバネでつっている（図
示せず）。

第３図（ｂ）に探針清浄化および探針先端の観察をする
状態を示す。第３図（ｂ）において３１〜３７は第３図
（ａ）の場合と同様で、３８は中央に穴の開いた電極、
３９はマルチチャンネルプレートである。電極３８及び
マルチチャンネルプレート３９はトンネルユニットとは
別の支持台４０に固定されており、レバー３４が探針３
１から遠ざけられたのちに第３図（ｂ）に示した位置即
ち、探針３１に対向する位置に来るよう真空室外部から
コントロールされるものである。探針３１、電極３８．
マルチチャンネルプレート３９はこのようにして電界イ
オン顕＠鏡を構成し、探針先端の観察を可能にしている
。

次に、この電界イオン顕微鏡の使用方法を説明する。

ここで試料の取り付けられたトンネルユニットが真空室
に収められすでに超高真空状態にあるものとする。

■第３図（ｂ）のように、ロッド３６を図の下側へ移動
させることによって、レバー３４を探針３１から遠ざけ
、電極３８．マルチチャンネルプレート３９を探針３１
に対向させる。

■真空室内にＨｅガスを１０−’Ｔｏｒｒ程度導入し。

探針３１と電極３８との間に、探針側が正であって探針
先端近傍での電界強度が数ボルト／オングストロームに
なるように電界を印加する。

■電界イオン顕微鏡で、探針３１の先端を観察しながら
、印加電圧を適当に調整し、探針先端から電界蒸発によ
り酸化物を除き、探針清浄化を行つＯ ■探針清浄化用電極３８に印加されていた電圧を除き、
Ｈｅガスの導入を悴止して　７４空室内を再び超高真空
状態にする。

■ロッド３６を図の上方へ移動させ、レバー３４により
試料３３を探針３１の近接させ、　　ＳＴＭ　ｔ’ｌ１
１定を行う。

［発明が角ｑ決しようとする課題］しかしながら、この場合には縮小・拡大てこによる試料
移動機構を６するトンネルユニットが必要なため、トン
ネルユニットが大きくなり、ユニット自体の機械的共振
周波数が低下する。このため良好なＳＴＭ観察を行うた
めには、大規模、かつ高性能な除振システムが必要とな
る。実際、上記の例ではこのようなトンネルユニットを
ＵＨＶ中で使用するために長さ約１ｍの除振バネを必要
とし、そのため高さ２．４ｍの超高真空室と排気量１２
０ＯＮ　／　ｓものイオンポンプを使用している。

本発明は探針清浄機構を備えた走査トンネル顕微鏡のト
ンネルユニットの小型化をはかることを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は、トンネルユニットと、探針清浄化機構とを備
えた走査トンネル顕＠鏡において、前記探針清浄化機構
を前記トンネルユニットに組み込み一体化したことを特
徴とする。

［実施例］以下に１図面を参照して本発明の詳細な説明する。

く丈施例１〉第１図に本発明によるトンネルユニットを示す。

このユニットは探針１１．そのスキャナー１２゜探針１
１を試料１４表面に近接させるためのインチワームによ
る近接機構１３．試料１４を保持する試料ホルダー１５
．探針清浄化用電極１６．マルチチャンネルプレート１
７．試料ホルダー１５と探針清浄化用電極１６とを入れ
替えるためのインチワームによる入れ替え機構１８を備
えている。

また、電極１６の中央部には穴が開けられている。

次に、このトンネルユニットの使用方法について説明す
る。

観察したい試料を取り付けたトンネルユニットがすでに
超高真空状態になった真空室（図示せず）に収められて
いるものとする。

■試料１４の代わりに電極１６が探針に対向するように
入れ替え機構１８により電極１６を移動させる。このと
き電極１６の穴の中心に探針先端が向かうようにする。

■近接機構１３により探針１１を移動させ、探針先端と
電極１６を近接させる。これによって。

探針１１．電極１６．マルチチャンネルプレート１７が
電界イオン顕微鏡を構成する。

■真空室内部にＨｅガスを１０−’Ｔｏｒｒ程度導入し
、同時に探針１１と探針清浄化用電極１６の間に探針側
が正になるように電圧を印加し探針先端近傍に数ボルト
／オングストロームの電昇を形成する。ただし、電極１
６とマルチチャンネルプレート１７は同電位とする。

■探針１１先端の様子を電界イオン顕微鏡で観察しなが
ら、電極１６にかける電圧を調整して。

探針先端から電界蒸発により、酸化物等の汚染層を除き
、探針先端を清浄化する。また、清浄化だけでなく探針
先端形状を、より鋭く成形することも可能である。

■探針先端の清浄化が確認された後、電極１６に印加さ
れていた電圧を除き、かつＨｅガスの導入鈴止及び排気
を行い真空室内部をＵＨＶ状態にする。

■入れ替え機構１８により、電極１６と試料１４を入れ
替え、近接機構１３により探針１１を試料表面にトン″
ネル領域まで近接させる。

■探針１１を走査し、試料表面のＳＴＭ像を得る。

なお１本実施例では、探針近接機構１３および入れ替え
機構１８にインチワームを利用したが。

ステッピングモーター等を利用した移動機構やマイクロ
メータヘッドを真空室の外部から回転導入軸を使って回
転させるカｌ（による移動機構を使ってもよいし、それ
らの組み合せでも良い。

また、探針先端を清浄化し、かつ観察する方法として１
本実施例ではＦＩＭを応用する方法を使用したが本発明
はこれらにとられれるものではない。

探針先端の清浄化方法としては、探針に電子ビームを当
てる。直接電流を流す、探針近傍でフィラメントを加熱
し、輻射を生じさせる等の方法で。

探針先端を加熱し、酸化物や汚染層を取り除く方法でも
よい。また、探針先端を観察するためには。

上記と同じ構成で電界を逆方向に印加し、電界放出され
る電子によって、探針先端を観察する電界放出顕微鏡（
ＦＥＭ）も利用できる。

く実施例２〉次に、第４図を参照して、探針清浄化機能を省略した簡
易な形の実施例を説明する。

第４図のトンネルユニットは、探針４１．そのスキャナ
ー４２．探針４１を試料４４表面に近接させるためのイ
ンチワームによる近接ａ１横４３゜試料４４を保持する
試料ホルダー４５．探針清浄化用電極４６．試料ホルダ
ー４５と探針清浄化用電極４６とを入れ替えるためのイ
ンチワームによる入れ替え機構４７．および電極４６か
らの蒸発物が試料４４表面を汚染しないようにするため
の遮蔽板４８を備えている。

次にこのトンネルユニットの使用方法について説明する
。

■試料４４の代わりに電極４６が探針４１に対向するよ
うに入れ替え機構４７により電極４６を移動させる。

■近接機構４３により探針４１を移動させ、探針４１の
先端を電極４６に近接させトンネル領域に入れる。

■大きなトンネル電流を流し、探針４１の清浄化を行う
。

■トンネル電流の大きさを一ケタ変化させた時のスキャ
ナー４２の２方向（図の左右方向）の変位を観察し、清
浄化が十分量われたかどうかを判断する。

ここで清浄な探針の場合、このスキャナーの変位は１　
程度である。

■探針４−１が十分清浄化されたら、近接機構４３によ
り探針４１を電極４６から遠ざける。

■入れ替え機ｆｉｌ！４７により、電極４６と試料４４
を入れ替え、近接機構４３により探針４１を試料４１の
表面にトンネル領域まで近接させる。

■探針４１を走査し、試料表面のＳＴＭ像を得る。

なお２本実施例では、探針近接機構４３および入れ替え
機ｌ８４７にインチワームを利用したが。

ステッピングモータ等を利用した移動機構やマイクロメ
ータヘッドを真空室の外部から回転導入軸を使って回転
させる事による移動機構を使ってもよいし、それらの組
合せでもよい。

また、探針先端を清浄化する方法として１本実施例では
大きなトンネル電流を流す方法を利用したが本発明はこ
れにとられれるものではない。

探針先端の清浄化方法としては、探針に電子ビームを当
てる。ＩＩＩ接電流を流す、探針近傍でフィラメントを
加熱し、輻射を生じさせる等の方法で。

探針先端を加熱し、酸化や汚染層を取り除く方法でもよ
い。

［発明の効果］本発明によれば、ＳＴＭのトンネルユニットに探針清浄
化機構を組み込み一体化させたことで。

トンネルユニットの共振周波数を低下させる事なく探針
清浄化機能を有するトンネルユニットを実現することが
できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の走査トンネル顕微鏡に
用いられる探針清浄化機構を組み込んだトンネルユニッ
トの（ａ）上面図及び（ｂ）側面図、第２図は走査トン
ネル顕微鏡の概念図、第３図は従来の探針清浄化機構及
び探針先端観察機構をｈ″する走査トンネル顕微鏡の動
作を説明するための側面図で（ａ）は観察時、（ｂ）は
探針清浄動作時を示す図、第４図は本発明の第２の実施
例の走査トンネル顕微鏡に用いられるトンネルユニット
の（ａ）上面図、（ｂ）側面図である。１１・・・探針、１２・・・スキャナー、１３・・・イ
ンチワームによる近接機構、１４・・・試料、１５・・
・試料ホルダー、１６・・・電極、１７・・・マルチチ
ャンネルプレート、１８・・・入れ替え機構、２１・・
・探針。２２・・・スキャナー、２３・・・近接機構、２４・・
・試料。２５・・・試料ホルダー、２６・・・プリアンプ、２７
・・・サーボ回路、２８・・・画像表示部、３１・・・
探針。３２・・・スキャナー、３３・・・試料、３４・・・レ
バー３５・・・ストッパー　３６・・・ロッド、３７・
・・積層除振用ダンパー、３８・・・電極、３９・・・
マルチチャンネルプレート、４１・・・探針、４２・・
・スキャナー４３・・・インチワームを利用した近接機
構、４４・・・試料、４５・・・試料ホルダー、４６・
・・電極、４７・・・インチワームを利用した入れ替え
機構、４８・・・遮蔽板。第１図（（１）第２図ｗ−−−−−−−；−−−−−−−−−Ｊ第３図（ａ）第４図（ａ）（ｂ）４’／４′：：３

Claims

【特許請求の範囲】１、トンネルユニットと、探針清浄化機構とを備えた走
査トンネル顕微鏡において、前記探針清浄化機構を前記
トンネルユニットに組み込み一体化したことを特徴とす
る走査トンネル顕微鏡。２、前記探針清浄化機構が探針先端観察手段を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の走査トンネル顕微鏡。３、探針の走査領域内から試料を移動させると共に前記
走査領域へ前記探針清浄化機構を移動させる移動手段を
設けたことを特徴とする請求項１及び２記載の走査トン
ネル顕微鏡。４、前記移動手段がインチワームを利用したものである
ことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。