JPH03246402A - 走査型トンネル顕微鏡 - 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、ディジタル制御により、鋭く尖らせた探針を
試料表面に接近させ、探針と試料表面との間に流れるト
ンネル電流を検出することにより、その試料の表面形状
や材料分析などを行う走査型トンネル顕微鏡に関するも
のである。

［従来の技術］ 最近、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、物質の表面
を原子オーダーの高分解能で観察できるということで注
目されている。この走査型トンネル顕微鏡は、以下に述
べる原理に基づいている。

すなわち、鋭く尖らせた探針と試料の間に電圧を印加し
た状態で、探針の先端を試料表面からＩｎｍ程度の距離
に接近させると、トンネル現象による電流（トンネル電
流）が試料と探針の間に流れる。このトンネル電流は試
料・探針間距離に大きく依存するので、探針を試料表面
のＸＹ力方向ラスタースキャン（走査）させながら、ト
ンネル電流が一定になるように探針をフィールドバック
制御でＺ方向（試料・探針間距離方向）に位置制御する
ことにより、原子オーダーで試料の表面形状や表面状態
分布を観察することができる。このとき、ＸＹ力方向掃
引とＺ方向の試料・探針間距離の制御は、アナログ方式
で行うものとディジタル方式で行うものとがあるが、デ
ィジタル制御の方が信号処理の融通性があるため、主流
になりつつある。

第４図はディジタル制御による従来例の走査型トンネル
顕微鏡のブロック図である。この従来例は、ディジタル
インスツルメント社製のｎａｎ。

５ｃｏｐｅＩＩの構成を示している。以下、従来の走査
型トンネル顕微鏡におけるディジタル制御の例を上記従
来例の構成で説明する。

まず、その制御の概要を述べる。ＤＳＰ部（ディジタル
ングナルプロセッサ部）２２の制御によって、インター
フェイス２１とトンネルバイアス電圧用Ｄ／Ａ　（ディ
ジタル／アナログ）変換器２０ｅを介して、試料１８に
トンネルバイアス電圧が印加される。この状態で探針１
９ａの先端を試料１８の表面に接近させると、トンネル
電流が試料１８・探針１９ａ間に流れる。このトンネル
電流は試料１８・探針１９ａ間距離に大きく依存するの
で、探針１９ａを圧電素子１９ｂで試料１８表面に平行
なＸＹ力方向掃引しながら、トンネル電流が一定になる
ように探針１９ａを同じく圧電素子１９ｂで試料１８表
面に垂直なＺ方向にフィードバック制御することにより
、原子オーダーで試料１８の表面形状がコンピュータ２
３で観察することができる。

次に、上記フィードバック制御をもう少し詳しく説明す
る。上記において、探針１９ａに流れるトンネル電流は
、Ａ／Ｄ　（アナログ／ディジタル）変換器２０ａで増
幅、ディジタル信号化され、トンネル電流信号としてイ
ンターフェイス２１を介してＤＳＰ部２２に入力される
。ＤＳＰ部２２は、このトンネル電流信号と予め制御用
コンピュータ２３から示されている設定電流値を比較し
、これらが一致するように試料１８・探針１９ａ間距離
を調節するＺ印加電圧信号を、予め制御用コンピュータ
２３から指示された表式で計算し、インターフェイス２
１を介してＺ印加電圧用Ｄ／Ａ変換器２０ｂに出力する
。ＤＳＰ部２２は、それとともにこのＺ印加電圧信号等
を制御用コンピュータ２３にも転送する。Ｚ印加電圧用
Ｄ／Ａ変換器２０ｂは、そのディジタル信号のＺ印加電
圧信号をアナログ信号に変換し増幅して、圧電素子１９
ｂのＺ印加端子に出力する。また、ＤＳＰ部２２は、予
め制御用コンピュータ２３から指示されている方法で、
探針１９ａをＸ、Ｙ方向にラスタースキャンさせるため
の掃引信号をインターフェイス２１を介してＸ、Ｙ掃引
用Ｄ／Ａ変換器２０ｃ、２０ｄに出力する。Ｘ、Ｙ掃引
用Ｄ／Ａ変換器２０ｃ、２０ｄは、各々そのデインタル
信号の掃引信号をアナログ信号に変換し増幅して、圧電
素子１９ｂのＸ、Ｙ印加端子に出力する。制御用コンピ
ュータ２３は、ＤＳＰ部２２に指示した掃引信号とＤＳ
Ｐ部２２から転送されたＺ印加圧電信号等のデータを関
連付け、３次元データとして記憶表示する。

［発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記従来の技術におけるディジタル制御
による走査型トンネル顕微鏡では、試料・探針間の相対
距離を制御するフィードバック制御に直接関係するフィ
ードバック信号と、それ以外のフィードバック制御に直
接関係しない掃引信号等を、１個のＤＳＰ部２２で制御
しているため、フィードバック周波数が十分高くできず
、高い掃引速塵で正確度の高い像を得ることがてきない
という問題点があった。

即ち、第４図の従来例において、ＤＳＰ部２２は、探針
１９ａの制御に関してＺ方向のフィードバック制御とＸ
Ｙ方向の掃引信号等の制御を全て行っており、常にフィ
ードバック制御を行っているわけではない。また、ＤＳ
Ｐ部２２は、フィードバック信号（トンネル電流信号と
Ｚ印加電圧信号）や掃引信号など何種類もの信号を入出
力しなければならないのにもかかわらず、入出力のチャ
ンネル数が限られているので、Ａ／Ｄ変換部２０ａ、Ｄ
／Ａ変換部２０ｂ〜２０ｅとの間に、データリンクのた
めのインターフェイス２１をはさむ必要がある。このた
めＡ／Ｄ変換部２０ａ、Ｄ／Ａ変換部２０ａ〜２０ｅの
入出力のタイミングとＤＳＰ部２２のクロックとを同期
させることができず、ＤＳＰ部２２とＡ／Ｄ変換部２０
ａ、Ｄ／Ａ変換部２０ｂ〜２０ｅの間のデータの転送の
際にタイミングを合わせるためのタイムラグができる。

これらの理由により、ディジタルフィードバック制御の
フィードバック周波数が十分高くてきないという状況に
あり、正確度の高い像を観察するｌ二めに、掃引速度を
低く抑えなければならなかった。またこのため、高速な
データ収集を行うことが困難になるとともに、熱膨張等
による試料１８・探針１９ａ間相対位置のドリフトが問
題となって、それが大きい場合には、顕微鏡像が大きく
歪み、観察が困難になるという問題点となっていた。

本発明は、上記問題点を解決するために創案されたもの
で、ディジタルフィードバック制御を用いた走査型トン
ネル顕微鏡において、高いフィードバック周波数で、正
確度の高い像を高速で観察できる走査型トンネル顕微鏡
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］ 上記の目的を達成するための走査型トンネル顕微鏡の第
１の構成は、 試料部と、探針部と、アナログ／ディジタル変換部およ
びディジタル／アナログ変換部とを備えて、該試料部の
試料と該探針部の探針の間に電圧を印加した状態で該探
針を試料面上で走査するとともに該試料との相対位置を
トンネル電流が一定になるようにフィードバック制御す
るディジタル制御部を具備する走査型トンネル顕微鏡に
おいて、前記ディジタル制御部が、前記トンネル電流を
ディジタル入力し前記フィードバック制御を独立して行
う制御部分と、前記電圧の印加と前記探針の走査を行う
制御部分とを有して成ることを特徴とする。

また、同じく本発明の第２の構成は、 上記第１の構成において、フィードバック制御を独立し
て行う制御部分の入出力とアナログ／ディジタル変換部
およびディジタル／アナログ変換部の入出力を直結する
とともに、前記制御部分のクロックを前記各変換部に供
給して前記入出力のタイミングを同期させることを特徴
とする。

また、同じく本発明の第３の構成は、 上記第１または第２の構成において、探針と試料の相対
位置の制御に用い石ディジタ）Ｌ／’アナログ変換器を
サブレンジシダ方式で構成することを特徴とする。

［作用］ 本発明は、ディジタル制御部を２つの制御部分に分けて
、探針と試料の間に電圧を印加し探針を試料表面上で走
査する制御と、トンネル現象により試料・探針間に流れ
るトンネル電流が一定となるようにその相対距離をフィ
ードバック制御する制御とを、独立して行うようにし、
フィードバック制御用の制御部分がフィードバック制御
に関することのみ行えるようにして、高いフィードバッ
ク周波数を実現する。

また、フィードバック制御に関係するアナログ／ディジ
タル変換部およびディジタル／アナログ変換部の入出力
のタイミングをフィードバック用の制御部分のクロック
に同期させてその制御部分に直結させることにより、こ
れらの間のインターフェイスを用いたタ不ミング調整の
必要をなくし、より高いフィードバック周波数を実現す
る。

さらに、上記それぞれに加えて、試料・探針間の相対距
離を制御するために用いるディジタル／アナログ変換器
をサブレンジシダ方式で構成することにより、その相対
距離のフィードバック制御を高精度化し、正確度、精密
度の高いデータが得られるようにする。

［実施例〕 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図である。本
実施例の構成において、ｌは測定対象の試料、２ａは先
端を鋭く尖らせた探針、２ｂはこの探針２ａの後端を固
定し試料１表面に平行な２軸のＸＹ力方向試料ｌ・探針
２ａ間距離方向のＺ方向に探針２ａを駆動するＸＹＺ軸
圧電素子、３ａはトンネル電流信号入力用のアナログ／
ディジタル（以下、Ａ／Ｄと３己す）変換器、３ｂ、３
ｃ３ｄはＸＹＺ軸圧電素子２ｂに対するＸＹＺの各印加
電圧信号を出力するディジタル／アナログ（以下、Ｄ／
Ａと記す）変換器、３ｅは試料１と探針２ａ間にトンネ
ルバイアス電圧を印加するＤ／Ａ変換器、４ａはＡ／Ｄ
変換器３ａに接続されてトンネル電流信号を人力しＤ／
Ａ変換器３ｂに接続されてＺ印加電圧信号を出力し試料
ｌ・探針２ａ間距離をフィードバック制御するフィード
バック制御用ＤＳＰ　（ディジタルシグナルプロセッサ
）部、４ｂはＤ／Ａ変換器３ｃ、３ｄに接続されて掃引
信号としてのＸ印加電圧信号、Ｙ印加電圧信号を出力し
探針２ａを試料１表面でラスタスキャンするとともにＤ
／Ａ変換器３ｅに接続されて試料ｌにトンネルバイアス
電圧を出力する非フイードバツク用ＤＳＰ部、５は各Ｄ
ＳＰ部４ａ、４ｂに接続されてそれらの動作を統括的に
制御するとともに必要な情報を得て試料１表面の顕微鏡
像等を得る制御用コンピュータである。

以上のように構成した実施例の動作および作用を述べる
。

非フイードバツク用ＤＳＰ部４ｂの制御によって、トン
ネルバイアス電圧用Ｄ／Ａ変換器３ｅは、試料１にトン
ネルバイアス電圧を印加する。この状態で、探針２ａの
先端を試料１の表面１ｎｍ程度の距離に接近させること
によって流れるトンネル電流を、Ａ／Ｄ変換器３ａが増
幅しかつディジタル信号化し、トンネル電流信号として
フィードバック制御用ＤＳＰ部４ａが受は取る。フィー
ドバック制御用ＤＳＰ部４ｂは、予め制御用コンピュー
タ５から指示されている方法で、トンネル電流信号の入
力に対応したＺ印加電圧信号を計算し、Ｄ／Ａ変換器３
ｂに出力するとともに、このＺ印加電圧信号等のデータ
を制御用コンピュータ５にも出力する。このＺ印加電圧
信号の計算方法は、後に述べる。Ｄ／Ａ変換器３ｂは、
このＺ印加電圧のディジタル信号をアナログ信号に変換
し、増幅して、ＸＹＺ軸圧電素子２ｂのＺ印加端子に出
力する。一方、非フイードバツク制御用ＤＳＰ部４ｂは
、予め制御用コンピュータ５から指示されている方法で
、探針２ａをＸ、Ｙ方向にラスタースキャンさせるため
の掃引信号としてＸ軸印加電圧信号、Ｙ軸印加電圧信号
を、順にＤ／Ａ変換器３ｃ、３ｄに出力する。Ｄ／Ａ変
換器３ｃ、３ｄは、各々これらのディジタル信号の印加
電圧信号をアナログ信号に変換し、増幅してＸＹＺ軸圧
電素子２ｂのＸ、Ｙ印加端子に出力する。制御用コンピ
ュータ５は、非フイードバツク用ＤＳＰ部４ｂに指示し
た掃引信号とフィードバック制御用ＤＳＰ部４ａから入
力したＺ印加電圧信号等のデータを関連付け、３次元デ
ータとして記憶１表示する。

次に、フィードバック制御の計算方法について説明する
。トンネル電流が一定になるように探針２ａをＺ方向に
フィードバック制御するために、フィードバック制御用
ＤＳＰ部４ａが、人力したトンネル電流信号からＺ印加
電圧信号を計算する方法は、以下の表式で示されるディ
ジタルＰＩＤフィードバックの方法で行う。トンネル電
流の時間列をＩｎとすると、Ｚ印加出力電圧ｖｎは、Ｖ
ｒｔ＝−ｐ（Ｉ　ｎ−１８）−ｉＩ’　−ｄ（Ｉｎ−ｔ
ｎ−＋）■、二段設定トンネル電流 値　’ｎ：　＝　Ｉ　’ｎ−＋＋　Ｉｎ　　Ｉ　ｍ（Ｉ
　’ｏの値は状況による） ｐ：比例利得係数 ｉ：積分利得係数 ｄ：微分利得係数 （ｎ−１とは１回前のフィードバックの際の値を示す。

Ｉｏの値は１．とじてよい） となる。または、一定の定義域に対し、−伝関数である
ｆ（Ｉ）を用いて、次の表式でもフィードバック制御が
行える。つまり、Ｚ印加出力電圧Ｖ。

は、 Ｖｎ・ｐ（ｆ（Ｉｎ）　　ｆ（Ｉ−））　　＋ｆ（Ｉ’
ｎ）　　ｄ（ｆ（Ｉｎ）　　ｆ（Ｉｎ−＋））となる。

ｆ（Ｉ）としては、トンネル電流■が試料・探針間距離
の指数関数に比例することから、自然対数関数などが適
当である。

以上に述べたように、本実施例においては、ディジタル
制御部をフィードバック制御を行う制御部分（フィード
バック用ＤＳＰ部４ａ）と、その他の掃引等の制御を行
う制御部分（非フィードバックＤＳＰ部４ｂ）に分離さ
れた構造となっていることから、フィードバック制御用
ＤＳＰ部４ａは、フィードバック制御に関することのみ
を行えばよいので、高いフィードバック周波数を実現で
きる。このように高いフィードバック周波数てフィード
バック制御が行える結果、高速のデータ収集が可能とな
り、データの正確度も良くなる。また、熱膨張等による
試料ｌ・探針２ａ間の相対位置のドリフトが大きい場合
でも、高速て掃引できるため、顕微鏡像が歪まずに観察
することができる。

第２図は本発明の第２の実施例を示す部分構成図であっ
て、ディジタル制御部のうち、フィードバック信号を扱
うＡ／Ｄ　−Ｄ／Ａ変換部とフィードバック制御用ＤＳ
Ｐ部の構成図であり、第１図のフィードバック制御用Ｄ
ＳＰ部４ａとトンネル電流用Ａ／Ｄ変換器３ａとＺ印加
電圧用Ｄ／Ａ変換器３ｂに相当する構成部分を示してい
る。本実施例の構成において、６はフィードバック制御
用ＤＳＰ部、７はトンネル電流用のＡ／Ｄ変換器、８は
Ｚ印加電圧用のＤ／Ａ変換器、９はトンネル電流信号、
ＩＯはＺ印加電圧信号、１１はクロック信号である。Ａ
／Ｄ変換器７はＤＳＰＳｅＯ２ンターフェイスを介すこ
となく直結されてトンネル電流信号を入力し、Ｄ／Ａ変
換器８はＤＳＰＳｅＯ２ンターフェイスを介すことなく
直結されてＺ印加電圧信号を入力されるとともに、Ａ／
Ｄ変換器７およびＤ／Ａ変換器８のそれぞれにはＤＳＰ
ＳｅＯ２ロック信号１１が入力される。

フィードバック制御部分を以上のように構成することに
より、Ａ／Ｄ変換器７およびＤ／Ａ変換器８がＤＳＰＳ
ｅＯ２ロック信号１１をそのまま入出力動作等を行うク
ロック信号として用いることで、トンネル電流用のＡ／
Ｄ変換器７から出力し、フィードバック用ＤＳＰ部６に
入力するトンネル電流信号９、および、フィードバック
用ＤＳＰ６から出力し、Ｚ印加電圧用のＤ／Ａ変換器８
に入力するＺ印加電圧信号１０用の各入出力タイミング
を、フィードバック用ＤＳＰ部６のクロック信号と同期
させることができる。このことにより、ＤＳＰ部とこれ
らの間のタイミング調整のためのインターフェイスが不
要となり、第１の実施例よりさらに高いフィードバック
周波数を実現することができる。従って、本実施例は、
第１の実施例以上に、高速のデータ収集か可能となり、
データの正確度も良くなるとともに、熱膨張等による試
料・探針間相対位置のドリフトが大きい場合でも、高速
で掃引できるため、顕微鏡像が歪まずに観察することが
できる。

第３図は本発明の第３の実施例を示す部分構成図であり
、ディジタル制御部のうち、フィードバック信号を扱う
Ａ／Ｄ　−Ｄ／Ａ変換部とフィードバック制御用ＤＳＰ
部の一実施例を示す構成図であって、第１図のフィード
バック制御用ＤＳＰ部４ａとトンネル電流用Ａ／Ｄ変換
器３ａとＺ印加電圧用Ｄ／Ａ変換器３ｂに相当する構成
部分を示している。本実施例の構成において、１２はフ
ィードバック制御用ＤＳＰ部、１３はＤＳＰ部Ｉ２に接
続されＤＳＰ部１２にトンネル電流信号を入力するＡ／
Ｄ変換器、１４はＤＳＰ部１２の出力に接続されたＺ印
加電圧用Ｄ／Ａ変換器、１５．は同じ＜ＤＳＰ部１２の
別な出力に接続されたＺ印加電圧オフセット用Ｄ／Ａ変
換器、１６はＤ／Ａ変換器１４の出力に接続された増幅
器、１７は増幅器１６の出力とＺ印加電圧オフセット用
Ｄ／Ａ変換器の出力を加算増幅する増幅器である。

以上の構成において、増幅器１６のゲインを００１、増
幅器Ｉ７のゲインを、その増幅器１７の出力が圧電素子
に印加可能な電圧範囲に相当する様に設定し、ＤＳＰ部
１２でのＺ印加電圧の計算を第１の実施例の場合に比べ
２桁高い精度で行い、Ｚ印加電圧の上位２桁をＺ印加電
圧オフセット用Ｄ／Ａ変換器１５に出力し、Ｚ印加電圧
の残りの桁をＺ印加電圧用Ｄ／Ａ変換器１４に出力する
ことにより、本実施例はＺ印加電圧を２桁高い精度で制
御することができる。このように２つ以上のＤ／Ａ変換
器と増幅器を使って、高い精度の出力電圧を得る構成手
段をサブレンジシダ方式と呼ぶ。

増幅器１６のゲインとＤＳＰ部１２での計算精度を変化
させることにより、Ｚ印加電圧の精度を変化させること
もできる。例えば、精度が１４ｂｉｔの２つのＤ／Ａ変
換器１４．１５を用いた場合は、最高２８ｂｉｔの精度
となる。走査型トンネル顕微鏡のＺ印加電圧に対しては
、観察を始める際の探針を試料に接近させる際には、探
針が試料に接触しないように、広いフルスケールが必要
であるが、−旦観察を始めると、原子オーダーの精度が
必要となり、非常にダイナミックレンジの広い制御が要
求される。そのために、Ｚ印加電圧出力を上記サブレン
ジシダ方式で制御することは、有効な方法である。本実
施例は、上記のように高い精度でＺ印加電圧を出力でき
るので、フィードバック制御が高精度で行うことができ
、正確度、精密度の高いデータを得ることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、そ
の主旨に沿って種々に応用され、種々の実態様を取り得
るものである。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明の走査型トンネル
顕微鏡によれば、走査型トンネル顕微鏡のフィードバッ
ク制御を高い周波数で行うことにより、高速のデータ収
集可能となり、データの正確度も良くなる。また、高速
で掃引できるため、熱膨張等による試料・探針間相対位
置のドリフトが大きい場合でも、顕微鏡像が歪まずに観
察できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す部分構成図、第３図は本発
明の第３の実施例を示す部分構成図、第４図は従来例の
走査型トンネル顕微鏡を示す構成図である。 １・・・試料、２ａ・・・探針、２ｂ・・・ＸＹＺ軸圧
電素子、３ａ、７．１３・・・トンネル電流用Ａ／Ｄ変
換器、３ｂ、８，１４．１５・・・Ｚ印加電圧用Ｄ／Ａ
変換器、３　ｃ、３　ｄ、３　ｅ−Ｄ／Ａ変換器、４ａ
。 ６．１２・・・フィードバック制御用ＤＳＰ部、４ｂ・
非フイードバツク制御用ＤＳＰ部、５・・・制御用コン
ピュータ、１１・・・クロック信号、１６．１７・増幅
器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料部と、探針部と、アナログ／ディジタル変換
   部およびディジタル／アナログ変換部とを備えて、該試
   料部の試料と該探針部の探針の間に電圧を印加した状態
   で該探針を試料面上で走査するとともに該試料との相対
   位置をトンネル電流が一定になるようにフィードバック
   制御するディジタル制御部を具備する走査型トンネル顕
   微鏡において、 前記ディジタル制御部が、 前記トンネル電流をディジタル入力し前記フィードバッ
   ク制御を独立して行う制御部分と、前記電圧の印加と前
   記探針の走査を行う制御部分とを有して成ることを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）請求項１に記載の走査型トンネル顕微鏡において
   、 フィードバック制御を独立して行う制御部分の入出力と
   アナログ／ディジタル変換部およびディジタル／アナロ
   グ変換部の入出力を直結するとともに、 前記制御部分のクロックを前記各変換部に供給して前記
   入出力のタイミングを同期させることを特徴とする走査
   型トンネル顕微鏡。
3. （３）請求項１または請求項２に記載の走査型トンネル
   顕微鏡において、 探針と試料の相対位置の制御に用いるディジタル／アナ
   ログ変換器をサブレンジシダ方式で構成することを特徴
   とする走査型トンネル顕微鏡。