JPH03229103A

JPH03229103A - 表面測定装置

Info

Publication number: JPH03229103A
Application number: JP2585790A
Authority: JP
Inventors: Tatsuaki Kuroda; 黒田　達明; Miyoko Watanabe; 渡辺　美代子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-02-05
Filing date: 1990-02-05
Publication date: 1991-10-11

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、ベージ２３６：Ｇ−ビニツヒ（
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。

この探針を試料の表面から約１０Ａ上で走査するために
、探針と機械的に接続された圧電素子が用いられる。こ
の圧電素子に一定の印加電圧で必要な数のパルスを印加
し、所定の距離の走査を行う方法がとられている。圧電
素子の印加電圧に対する変位感度は、圧電素子の形状と
電極の大きさで選択することができる。試料表面を広い
範囲（≧１μ麿）にわたって走査するような表面測定装
置では、感度の良い圧電素子を用いる必要かあった。し
かしながら、印加電圧を発生する回路のノイスレヘルが
表面測定装置の分解能を決めてしまうため、このような
装置においては分解能が犠牲になっていた。すなわち、
感度の良い圧電素子を用いた場合、一定の大きさの波形
の印加電圧にン、■してわずかなノイスがのっていても
圧電素子か大きく変位するため微小領域を精度良く走査
することか不可能となる。

一方、狭い範囲を原子レベルで測定することを１１的と
する表面測定装置においては圧電素子の感度の低いもの
か用いられてきている。しかじながＩ）、この場合には
広い範囲にわたる走査は望めない。

しかしながら、表面計１定においては、原子レヘルての
測定と、試料面上の広い範囲にわたる走査とを交互に必
要とする場合かしはしばである。

例えば、試料か全体にわたっては清浄でない場合、ある
いは１ｉｌＦＩ定中に試料表面に傷をつけてしまった場
合、原子レヘルの測定を中断して広い範囲の走査を行い
、表面の綺麗な部分を捜し出す必要かある。

また、大きなスケールの構造と、原子配列との両方を測
定する必要のある場合、広い範囲にわたる走査と原子レ
ベルの測定とを連続して行う必要が生しる。

（発明が解決しようとする速題）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、走査領域を広くするためには微小
な領域を精度良く走査することができず、逆に微小な領
域を精度良く走査するためには、広い範囲の走査は望め
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、原子スケ
ールを１０−１人程度の分解能で７１’ｊｌｌ定し得る
能力を持ちながら、かつ１μｍ以上にわたる広い範囲の
走査を行う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）そこて本発明ては、探針を走査するための駆動用圧電素
子への印加電圧を複数段に切り替え可能となるようにし
ている。

望ましくは、印加電圧の増幅率を複数段に切り替え可能
とし、駆動用圧電素子への印加電圧か複数段に切り替え
可能となるようにしている。

（作用）上記構成によれば、圧電素子への印加電圧を複数段に切
り替えることが可能であるため、狭い範囲（１０〜１０
０八程度）を測定するときは、走査のための電源出力を
小さくし、広範囲の測定を行うときは電源出力を大きく
するようにすれば、同一のＭ１定装置で、広い範囲にわ
たる走査と原子レベルの測定とを連続して行なうことか
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図は、本発明実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す
図である。

この走査型トンネル顕微鏡は、探針走査手段１を構成す
るＸ方向駆動圧電素子１　Ｙ方向駆動圧電素子に電圧を
印加するための各電源回路２が、波形発生回路３と、切
り替えスイッチ４を介してこれに接続可能な高圧増幅器
５とから構成されていることを特徴とするものであり、
他部については、通常の走査型トンネル顕微鏡と同様に
構成されている。ここで電源回路は、Ｘ方向駆動圧電素
子。

Ｙ方向駆動圧電素子、Ｚ方向駆動圧電素子に対してそれ
ぞれ独立して設けられているが、簡略化のために１組の
み示す。なお、探針と試料との間隔を制御するためのＺ
方向駆動圧電素子に対する電源回路は、波形発生回路３
のみてよい。

すなわち、熱膨張率の小さいインバー合金にッケル、マ
ンガン１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６と、この顕微鏡本体６に取り付け
られ探針７を走査する探針走査手段１と、先端に試料支
持台８を備え、試料９と探針との距離の粗動を行うマイ
クロメータ１０とから構成される装置さらに、これらＸ方向駆動圧電素子、Ｙ方向駆動圧電素
子および２方向駆動圧電素子は、第２図に示すような円
筒型圧電素子（レヴユーオヴサイエンティフィックイン
スッルメント誌、５７巻、１６８８ページ）によって構
成されている。この円筒型圧電素子は、円筒状の圧電体
１１と、この外側面に相対向して形成されたＸ電極１２
ｘ、１３ｘと、さらにこの外側面に沿ってこのＸ電極位
置から９０６回転した位置に相対向して形成されたＹ電
極１２ｙ、１３ｙと、円筒内壁に形成されたＺ電極１２
ｚとから構成されており、Ｘ電極１２ｘ、１３ｘ問およ
びＹ電極１２ｙ、１３ｙ間にそれぞれ前述した電源回路
２が接続され、ＸＹ力方向駆動を行うと共に、２電極１
２ｚと前記４つの電極１２ｘ、１３ｘ、１２ｙ、１３ｙ
との間に波形発生回路３が接続されている。そして、Ｘ
電極１２ｘ、１３ｘ間に電圧を印加することにより圧電
体に圧電効果が発生し、この圧電体に固定された探針の
Ｘ方向の空間的位置が変化し、Ｙ電極１２ｙ、１３ｙ間
に電圧を印加することにより探針のＹ方向の空間的位置
が変化し、Ｚ電極１２ｚと前記４つの電極との間に電圧
を印加することにより探針のＺ方向の空間的位置か変化
する。この圧電素子の感度はおよび５０人／■である。

そして、波形発生回路は最大出力電圧５ｖであるが、ス
イッチ４を介して高圧増幅器５を通すことにより１００
倍に増幅することかできるようになっており、５００Ｖ
まての広いレンジをカバーすることができる。

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、トンネル電流が流れる距離（探針−
試料間隔数人）までマイクロメータ１０によって、大体
の位置合わせを行った後、圧電素子の２電極に電圧を印
加し、２方向すなわち探針と試料表面との距離の微調整
を行う。

この後、探針走査手段１をＸ方向駆動圧電素子。

Ｙ方向駆動圧電素子として、駆動すべくＸ電極１２ｘ、
１３ｘ問およびＹ電極１２ｙ、１３ｙ間にそれぞれ前述
した電源回路２を用いて第３図（ａ）および第３図（ｂ
）に示すような信号を印加する。

このとき、スイッチ４を介して高圧増幅器５を通すこと
により１００倍に増幅することができるようになってお
り、最大振幅５００Ｖまでの広いレンジをカバーするこ
とができる。そして第３図（ａ）に示した信号波形によ
り、Ｘ方向に探針が走査され、走査速度および走査幅が
決定され、第３図（ｂ）に示した信号波形により、Ｙ方
向すなわち走査線の間隔が決定される。

このように、所定の信号を印加することによって、試料
表面に平行なＸＹ力方向探針を走査し、このときのトン
ネル電流を測定して、試料表面の原子像を測定すること
ができる。

また、グラファイト表面に金を蒸着して平均５０００へ
の間隔で１００人程大の直径の島を形成した試料におい
て島の縁を測定する場合、まず、Ｘ電極１２ｘ、１３ｘ
問およびＹ電極１２ｙ、１３ｙ間の電源回路２のスイッ
チ４を切り替え高圧増幅器５を通して５００Ｖの電圧を
印加し、１μ蒙×１μｍの広範囲にわたって走査を行い
、試料表面上から、平坦でかつ島の分布が一様であるよ
うな領域を探す。

続いて、この領域を、印加電圧を５０Ｖにして１０００
人Ｘ１００Ｏ人の走査範囲で観察を行い、得たＳＴＭ像
からＡｕの島の縁の観察に適したｌＯ人×１０への領域
を探しだす。

この後、この探し出された領域を中心としてＸ電極１２
ｘ、１３ｘ問およびＹ電極１２ｙ、１３ｙ間の電源回路
２のスイッチ４を切り替え、最大振幅２■の電圧を印加
し、１０人×１人走査を行い、原子スケールでの観察を
行う。すなわち、トンネル電流を２電極１２Ｚにフィー
ドバックし、走査中にトンネル電流か一定になるように
して圧電素子への印加電圧測定を行った結果を第４図に
示す。ここでは、横方向にＶ、（Ｘ電極間の印加電圧）
、縦方向にＶｙ　　（ｙ電極間の印加電圧）＋Ｖ　ｔ　
　（ｚ電極間の印加電圧）をとり、プロットしたもので
ある。

このようにして、広範囲の走査と狭い範囲での原子スケ
ールでの走査との両方を行うことにより極めて容易に高
精度の測定を行うことが可能となる。

これに対し、高圧増幅器を使用することなく原子スケー
ルで測定しようとすると、走査領域に島の縁が捕らえら
れることは極めて希であった。

なお、この例では、Ｘ方向およびＹ方向の両方について
印加電圧の切り替えを行うようにしたが、いずれか一方
でもよいことはいうまでもない。

また、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試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。

〔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、探針を駆動するための圧電素子への印加電圧を複数
段に切り替え可能となるようにしているため、同一の測
定装置で、広い範囲にわたる走査と原子レベルのＭｌ定
とを連続して行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の走査型トンネル顕微鏡を示す図
、第２図はその圧電素子を示す図、第３図（ａ）および
第３図（ｂ）は波形発生回路の出力を示す図、第４図は
本発明の走査型トンネル顕微鏡を用いた測定結果を示す
図である。１・・・探針走査手段、２・・・電源回路、３・・・波
形発生回路、４・・・切り替えスイッチ、５・・・高圧
増幅器、６・・・顕微鏡本体、７・・・探針、８・・・
試料支持台、９試料、１０・・・マイクロメータ、第！図第２図電圧Ｖｘ第図第４図Ｘ

Claims

【特許請求の範囲】表面測定用の探針と、前記探針と試料表面との間の距離を調整するための粗動
機構と、前記探針を前記試料表面上で走査する圧電素子を用いた
駆動手段とを具備し、前記探針を試料の表面近傍で走査しながら、試料表面の
形状あるいは物性を測定するようにした表面測定装置に
おいて、前記圧電素子に印加するための電源回路が印加電圧を複
数段に切り替え可能となるように構成されていることを
特徴とする表面測定装置。