JPH0413901A - 探針先端形状識別機能付き走査型トンネル顕微鏡及び探針先端形状識別方法 - 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〕 本発明は探針先端形状識別機能付き走査型トンネル顕微
鏡及び探針先端形状識別方法に関し、特にトンネル電流
を流す探針の先端形状が測定に適した形状であるか否か
を調べることができる探針先端形状識別機能付き走査型
トンネル顕微鏡及び探針先端形状識別方法に関するもの
である。

〔従来の技術〕

走査型トンネル顕微鏡について説明する。−船釣に知ら
れる走査型トンネル顕微鏡の構成を第１２図に示す。第
１２図において、１０１はトンネル電流発生用の探針、
］−０２は測定対象である試料、１０３は探針１０１と
試料１−０２との間に電圧を印加し、トンネル電流を検
出する信号処理装置、１０４は探針１０１を直交する３
次元を形成するｘ、　ｙ、　　ｚの方向に微動させて試
料表面を走査する走査装置、１．０５は走査装置１０４
の動作を制御する走査制御装置、１０６は信号処理装置
１０３及び走査制御装置１０５からの信号を入力しこの
信号を画素信号に変換して記憶する画像記憶装置、１０
７は画像記憶装置１０６から与えられる画素信号を画面
に表示する画像表示装置である。

上記構成において、信号処理装置１０３によって探針１
０１と試料」。０２との間に電圧を与え、探針１０１と
試料」、０２をオングストロームのオーダで近接させる
と、探針１．０１の先端に位置する原子と試料１０２の
表面の原子との間において非接触の状態でトンネル電流
が流れる。このトンネル電流は量子力学によるトンネル
効果に基づいて流れる電流である。このトンネル電流の
電流値は探針１０１と試料１０２の間の距離の変化に極
めて敏感に反応する特性を有している。そのため、トン
ネル電流を信号処理装置１０３て検出し、トンネル電流
の電流値を一定とする目的で探針１０１と試料１０２と
の距離が一定となるように探針１０１の位置を走査装置
１０４で制御すると共に、同時に探針１０１の軸方向（
２方向とする）に対し垂直な面（ＸＹ平面とする）内で
走査を行って、試料１０２の表面を走査する。この結果
得られる探針１０１のＺ方向の移動量に関する信号を画
素信号に変換し、走査装置１０４のＸ座標とＹ座標で形
成される画像上における画素データとして画像記憶装置
１０６に送り記憶される。この画素データを画像表示装
置１０７に出力すれば、試料１０２の表面形状を原子間
距離の精度で計測することができる。なお、２方向の走
査を行わずこれを一定とし、トンネル電流の大きさの変
化を画素信号として用いるように構成することも可能で
ある。

上記の走査型トンネル顕微鏡に関連する従来技術として
は特開昭第６３−２６９３６号公報、特開昭第６１−２
３３３０４号公報、特開昭第６３２３６９０４号公報な
どを挙げることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

走査型トンネル顕微鏡では、Ｘ方向及びＹ方向の走査に
おいてトンネル電流が常に探針１−０１の先端の特定の
単一原子から発生していないと、分解能の高い像を得る
ことができない。従って、探針１−０１の先端形状は単
一原子を特定しやすい尖鋭な形状にする必要があり、先
端が尖鋭となっていることは極めて重要である。しかし
、実際上作られた探針の先端形状が尖鋭となっているか
否かを調べることは非常に困難であり、走査型電子顕微
鏡を用いて調べても形状を認識することは困難であり且
つ手間がかかるものであった。その結果、従来では探針
１０１の製作後その良否選別を十分に行うことができず
、探針の先端形状に応じて、画像が不鮮明になったり、
探針の取付は方によって像の鮮明さが異なるという不具
合が生じていた。

そこでユーザは、走査型トンネル顕微鏡を用いて測定を
行う場合には探針１−０１を複数本用意し、それを適当
なタイミングで付は換えながら何回も画像を作成し、最
終的に一番鮮明な画像を得なければならないという不具
合が発生していた。

本発明の目的は、探針が装着される走査型トンネル顕微
鏡の機能自体を利用して、探針の先端形状が尖鋭である
か否かを容易に調べることのできる探針先端形状識別機
能付き走査型トンネル顕微鏡及び探針先端形状識別方法
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る探針先端形状識別機能付き走査型トンネル
顕微鏡は、試料に近接して配置された探針と、この探針
と試料との間に電圧を与えてトンネル電流を検出する信
号処理手段と、探針の位置を変化させ試料の表面を走査
させる走査手段と、この走査手段を介して行われる探針
による試料表面の走査を制御する走査制御手段と、この
走査制御手段の制御によって発生するデータを取り込み
、このデータに基づいて画像信号を作成し、記憶する画
像記憶手段と、画像記憶手段の作成する画像信号に基づ
き探針が走査した試料表面の画像を表示する画像表示手
段を備える走査型トンネル顕微鏡において、試料の表面
の特定範囲について少なくとも１つの方向に関し正逆の
反対方向の走査を行わせる走査方向制御手段と、正逆の
各走査に対応する画像を作成し、これらの画像を別々に
画像表示装置に表示させる画像表示制御手段を備え、画
像表示装置に表示された複数の画像を比較することによ
り探針の先端形状を識別するように構成される。

本発明に係る探針先端形状識別機能付き走査型トンネル
顕微鏡は、前記の装置構成において、少なくとも１つの
方向を、直交するＸ方向とＹ方向の一つとすることがで
きる。

本発明に係る探針先端形状識別機能付き走査型トンネル
顕微鏡は、前記の装置構成において、画像表示装置が、
Ｘ正方向、Ｘ負方向、Ｙ正方向、Ｙ負方向のそれぞれに
走査を行って得られた４つの画像を同時に表示すること
を特徴とする。

本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の探針先端形状識別
方法は、試料の表面の特定範囲に対し、少なくとも１つ
の方向について、探針を互いに反対方向である２つの走
査方向に走査させ、この走査によって同一範囲に関し少
なくとも２通りの画像を作り、これらの画像を少なくと
も１台の画像表示装置に表示させ、表示された複数の画
像を比較することによって探針の先端形状を識別するこ
とを特徴とする。

〔作用〕

本発明による探針先端形状識別機能付き走査型トンネル
顕微鏡では、試料の表面に特定な範囲を設定し、この範
囲について、走査方向制御装置で方向が反対である少な
くとも２つの走査方向を設定し、これらの走査方向に従
って通常の測定機能に基づき探針を走査し、その走査デ
ータに基づき画像記憶装置と画像表示制御装置で同一範
囲につき走査方向が反対である少なくとも２つの画像を
作成し、これらの画像を画像表示装置に比較ができるよ
うに表示させる。

本発明による走査型トンネル顕微鏡の探針先端形状識別
では、試料表面の特定の同一範囲について走査方向を異
ならせて少なくとも２通りの画像を作るようにすること
により、探針先端が完全に尖鋭ではない場合には少なく
とも２通りの画像の間に差が生じ、これによって探針の
先端形状を識別し評価することができる。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

本発明に係る探針先端形状識別機能付き走査型トンネル
顕微鏡の装置としてのハード構成は基本的に第１２図に
示された構成と同じである。第１図に本発明の装置構成
を示し、第１２図と同じ要素には同一の符号を付してい
る。第２図は画像表示装置を拡大して示し、画像表示方
法を説明するための図、第３図は走査と画像表示の手順
の一例を示すフローチャートである。

第１図に基づき動作を概説する。走査装置１゜４に探針
１０１が取り付けられ、走査装置１０４は走査制御装置
１０５によって制御される。探針１０１と試料１０２と
の間には信号処理装置１゜３によって電位差が与えられ
、その結果探針１０１と試料１−０２の間に流れるトン
ネル電流が信号処理装置１０３によって検出される。検
出されたトンネル電流は走査制御装置１０５に送られ、
例えばトンネル電流の大きさが一定となるように走査制
御装置１０５が走査装置１０４の動作を制御する。トン
ネル電流が一定となるように走査した走査量に関するデ
ータは走査制御装置］−０５から画像記憶装置１０６に
送られ、ここで画素信号に変換され、画像表示装置１０
７に表示される。またトンネル電流の大きさを一定にす
るように制御しない場合には、信号処理装置１０３から
画像記憶装置１０６へトンネル電流の電流値に関するデ
ータが送られ、ここでトンネル電流の大きさを画素信号
に変換し、画像表示装置１０７に表示する。

以上の操作を試料１０２の表面に繰り返して行うことに
より、画像表示装置１０７の画面に試料１０２の表面像
を得ることができる。

本発明による走査型トンネル顕微鏡では、上記構成に対
し更に走査方向制御装置１と画像表示制御装置２が付加
される。走査方向制御装置１は、探針先端形状識別機能
を実行する時に走査制御装置１０５に所定指令を与え、
試料１０２の表面上の任意に設定される特定範囲におい
て、例えば直交するＸ方向とＹ方向の２つの方向につい
て正逆の反対走査方向に探針１０１を移動させる機能を
有する。画像表示制御装置２は、同じく探針先端形状識
別機能を実行する時に画像記憶装置１．０６に所定指令
を与え、画像表示装置１０７における画像の表示の仕方
において例えば４つの分割画面を表示させる機能を有す
る。第１図において、走査方向制御装置１と画像表示制
御装置２は説明の便宜士別々の手段として図示したが、
２つの上記機能手段を一体化させて構成することもてき
る。

第２図に示すように画像表示装置１０７では１つの画面
に４つの画像を同時に表示させる。ここで試料１０２の
表面において任意の領域に測定範囲を設定する。第２図
中、左上部が探針１０１をＸ正方向にのみにｎ回繰り返
し走査して作成した画像３であり、右上部が探針１０１
をＸ負方向にのみｎ回繰り返し走査して作成される画像
４であり、左下部が探針１０１をＹ９方向にのみｎ回縁
り返し走査して作成される画像５であり、右下部が探針
１０１をＸ正方向にのみｎ回繰り返し走査して作成され
る画像６である。上記の画像３〜６はすべて試料表面上
の同一範囲の画像を示している。各画像において、矢印
で示されたラインは探針１０１の走査移動方向を示し、
この移動は走査装置１０４が走査方向制御装置１の指令
を走査制御装置１０５を経由して受けることにより行わ
れる。

第２図で示される画像表示を画像表示装置１０７で行う
ための走査型トンネル顕微鏡における動作制御を第３図
に基づいて説明する。

先ず探針先端形状識別の指令が与えられて制御動作が開
始されると、走査装置１０４によって探針」０１が微動
されることによりＸ正方向の１回目（ＹＯ）の走査が行
われ（ステップ１１）、これによって走査制御装置１０
５で得られた走査データは画像記憶装置１０６に与えら
れ、ここで得られた画像データを画像表示装置１０７の
画像３に表示する（ステップ１２）。前記ステップ１１
を実行するための指令は走査方向制御装置１から走査制
御装置１０５を介して走査装置１０４に与えられる。ま
た前記ステップ１２を実行するための指令は画像表示制
御装置２から通常の画像データ作成記憶機能を有する画
像記憶装置１−０６に与えられる。この点は以下の動作
でも同様である。

次にはＸ負方向の走査を行い（ステップ１３）、この走
査で得られた走査データに基づき画像データを画像４に
表示する（ステップ１４）。ステップ１−１と１３で行
われる走査は同じ箇所を相互に反対側から走査するとい
う関係にある。従って画像３と４に表示された像は同じ
範囲を表している。

次の判断ステップ１５ではＹｉがＹｎに等しいか否かが
判定され、等しくないときには次の走査線に移って前記
ステップ１１−〜１４を繰り返す（ステップ１６）。

画像３と４が完成すると、ＹｉはＹｎとなるから、判断
ステップ１５によってステップ１７に移行する。ステッ
プ１７〜２０では画像５と６の作成に関して、Ｙ軸の正
方向と負方向について同様に走査が行われ、ステップ２
１と２２でＹ方向の走査がｎ回繰り返され、画像５と６
が完成する。

こうして画像表示装置１０７の１つの画面に４つの画像
３〜６が作成され表示される。試料１０２の表面の同一
範囲を示すこれらの４つの画面によって探針１０１の先
端形状が適したものか否かを識別することができる。識
別する判断主体は走査型トンネル顕微鏡を走査する人で
あり、４つの画面を比較することにより行われる。

次に画像３〜６に基づいて探針１０１の先端形状を識別
する方法について説明する。

第４図〜第７図に基づき探針１０１の先端形状の種類を
説明する。第４図は理想的な先端形状を示す。これを拡
大して示すと第８図の如くなる。

第８図において、１０２ａは試料１０２の表面であり、
３１はその原子の配列を示し、１０１ａは探針１０１の
先端部を示し、３２はその先端部の原子の配列を示す。

この探針先端部の形状によれば、試料１０２の表面１０
２ａに対して探針先端部の原子のうち最も近い単一原子
が特定され、トンネル電流３３は探針１０２の最先端の
１個の原子のみで生じるために安定した像を得ることが
できる。つまり、このような先端形状を有する探針１０
１で作成された画像３〜６ではどの画像でも鮮明な同一
像を得ることができる。

上記の探針に対して、実際に製造される探針の先端形状
は第５図〜第６図のようになるのがほとんどである。第
５図に示される先端形状は、先端部が変形しているが、
尖鋭部分が存在しトンネル電流の流れに関与する特定原
子が存在するため、第４図の例と同様に鮮明な像を得る
ことができる。

第６図に示される探針の先端部の形状では尖鋭部分が存
在しない。これを拡大すると第９図の如くなる。この探
針では、試料１０２の表面１０２ａに対し探針１０１の
先端原子列、３２のうちトンネル電流が発生する原子を
１個に特定することができず、複数の原子のうちいずれ
かからトンネル電流３３が生じる。このため探針１０１
を走査しても安定な信号を得ることができず、画像が不
鮮明となる。従って前記の画像３〜６のすべての画像が
不鮮明な状態となる。第７図に示される先端形状は、尖
鋭部分と丸み部分が混在している。このような先端形状
を有する探針１０１で像を作成すると、探針１０１の走
査方向に起因する探針のたわみ等によって像の鮮明度が
異なってくる。その例を第１０図と第１１図に基づいて
説明する。

第１０図は図中右方向Ａに探針１０１を走査した場合を
示す。この場合には尖鋭部分３４が丸み部分３５よりも
試料の表面１０２ａに近くなるために、尖鋭部分３４に
おいてトンネル電流３３が流れ、第８図に示した例と同
様に鮮明な像を得ることができる。これに対し第１１図
では図中左方向Ｂに探針１０１を走査した場合を示す。

この場合には丸み部分３５が尖鋭部分３４よりも試料表
面１０２ａに近くなるため、丸み部分３５においてトン
ネル電流３３が流れ、第９図で説明した例と同様に作成
される像は不鮮明となる。従って、第７図で示された先
端形状を有する探針を用いて走査を行う場合には走査方
向を異ならせると像の鮮明度やパターン等が変化すると
いう特性が生じる。

以上の説明で明らかなように、前記の走査方向が異なる
４つの画像３〜６を視認することにより探針１０１の先
端形状を識別することができる。

具体的には、画像３〜６がすべて鮮明な画像となるとき
には第５図のような先端形状が良である探針、画像３〜
６がすべて不鮮明な像であるときは、第６図に示す不良
な先端形状を有する探針、画像３〜６のうち成る走査方
向による像が鮮明で、残りの走査方向による像が不鮮明
であるときには第７図に示された先端形状を有する不良
品の探針であるとそれぞれ識別することができる。

以上の実施例ではＸ方向とＹ方向のそれぞれについて正
逆の反対方向の走査方向につき走査を行って４つの画像
を作成して比較するようにしたが、例えば１つの方向の
みについて走査方向を異ならせて２つの画像を作成し比
較するように構成することもできる。比較のためには、
最低限２通りの画像があれば十分である。また第１図に
示すように画像記憶装置１０６に判定装置４０を設ける
ことにより、画像表示装置１０７に画像として表示させ
ることなく、画像信号そのものを比較してコンピュータ
等で自動的に探針の良否を判定するように構成すること
もできる。この場合には、画像を作成する必要がないた
め、それぞれの走査方向についての走査回数は１回でも
十分である。従って探針先端形状識別のための測定時間
を短縮することができる。また画像表示装置１０７にお
ける画像表示の仕方として、１つの画面において、複数
の画像を切り替えて表示するように構成することも可能
である。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように本発明によれば、走査型ト
ンネル顕微鏡に走査方向制御装置と画像表示制御装置を
付加し且つ走査型トンネル顕微鏡の本来の機能を利用し
て、試料表面の同一範囲について単に探針を異なる方向
に走査させて画像を作成、表示させるだでけで容易に探
針の先端形状の良否を識別することができる。従って探
針製作後に迅速に探針の先端形状を検査することができ
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構成を示
すブロック図、第２図は画像表示装置を拡大して示す正
面図、第３図は画像作成方法を説明するためのフローチ
ャート、第４図〜第７図は各種の先端形状の例を示す正
面部分図、第８図〜第１１図は各種先端形状におけるト
ンネル電流の発生状態を示す図、第１２図は従来の一般
的な走査型トンネル顕微鏡の構成を示すブロック図であ
る。 〔符号の説明〕 １・・・・・・走査方向制御装置 ２・・・・・・画像表示制御装置 ３〜６・・・・画像 １０１・・・・探針 １０２・・・・試料 １０３・・・・信号処理装置 １０４・・・・走査装置 １０５・・・・走査制御装置 １０６・・・・画像記憶装置 １０７・・・・画像表示装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料に近接して配置された探針と、この探針と前
   記試料との間に電圧を与えてトンネル電流を検出する信
   号処理手段と、前記探針の位置を変化させ前記試料の表
   面を走査させる走査手段と、この走査手段を介して行わ
   れる前記探針による試料表面の走査を制御する走査制御
   手段と、この走査制御手段の制御によって発生するデー
   タを取り込み、このデータに基づいて画像信号を作成し
   、記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段の作成す
   る画像信号に基づき前記探針が走査した試料表面の画像
   を表示する画像表示手段を備える走査型トンネル顕微鏡
   において、前記試料の表面の同一範囲について少なくと
   も１つの方向に関し正逆の反対方向の走査を行わせる走
   査方向制御手段と、前記正逆の各走査に対応する画像を
   作成し、これらの画像を別々に前記画像表示装置に表示
   させる画像表示制御手段を備え、前記画像表示装置に表
   示された複数の画像を比較することにより前記探針の先
   端形状を識別することを特徴とする探針先端形状識別機
   能付き走査型トンネル顕微鏡。
2. （２）請求項１記載の探針先端形状識別機能付き走査型
   トンネル顕微鏡において、前記少なくとも１つの方向は
   直交するＸ方向とＹ方向の一つであることを特徴とする
   探針先端形状識別機能付き走査型トンネル顕微鏡。
3. （３）請求項２記載の探針先端形状識別機能付き走査型
   トンネル顕微鏡において、前記画像表示装置は、Ｘ正方
   向、Ｘ負方向、Ｙ正方向、Ｙ負方向のそれぞれに走査を
   行って得られた４つの画像を同時に表示することを特徴
   とする探針先端形状識別機能付き走査型トンネル顕微鏡
   。
4. （４）試料の表面の同一範囲に対し、少なくとも１つの
   方向について、探針を互いに反対方向である２つの走査
   方向に走査させ、この走査によって前記同一範囲に関し
   少なくとも２通りの画像を作り、これらの画像を少なく
   とも１台の画像表示装置に表示させ、表示された前記複
   数の画像を比較することによって前記探針の先端形状を
   識別することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の探針
   先端形状識別方法。