JPH04319604A - 走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分光装置の制御方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋭く尖らせた探針を試
料表面に接近させ、試料または探針にバイアス電圧を印
加した状態で、探針先端と試料表面との距離や印加した
バイアス電圧に依存するトンネル電流を検出することに
より、表面形状や材料分析などを行う走査型トンネル顕
微鏡／走査型トンネル分光装置の制御方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略
記する）や走査型トンネル分光装置（以下ＳＴＳと略記
する）は物質の表面を原子オーダーの高分解能で観察や
分析ができるということで注目されており、以下の原理
に基づいている。すなわち、試料・探針間にバイアス電
圧を印加した状態で、鋭く尖らせた探針の先端を試料表
面から１ｎｍ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・探針間に流れる。 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ＸＹ方向にラスタースキャンさせながらこ
の物理量を検出し、これが一定になるように探針を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
で試料の表面形状や表面状態分布が観察できる。以上が
ＳＴＭの原理でる。また、トンネル電流のバイアス電圧
依存性は、試料表面のトンネル電流が流れる部分の物質
の電気的、電子的特性を反映するので、ＸＹの各走査点
で探針を一旦固定し、バイアス電圧を変化させ、トンネ
ル電流のバイアス電圧依存性を測定することにより、試
料の電気的、電子的特性の分布が高い空間分解能で観察
できる。以上がＳＴＳの原理である。このとき、ＸＹ方
向の走査制御と試料・探針間距離のフィードバック制御
は、両方ともアナログ方式で行うもの、走査制御のみデ
ィジタル方式で行うもの、両制御ともディジタル方式で
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。

【０００３】さて、従来のＳＴＭ／ＳＴＳのうち、ディ
ジタル制御であるものの例を、図１１に示すディジタル
インスツルメント社製のナノスコープ（ｎａｎｏｓｃｏ
ｐｅ２）の構成図で説明する。この従来例を構成するも
のとして、１０は試料、１１ａは探針、１１ｂは探針１
１ａをＸ，Ｙ，Ｚの３方向に駆動するＸ，Ｙ，Ｚ軸圧電
素子、１２ａはＡ／Ｄ変換器、１２ｂ〜１２ｅはＤ／Ａ
変換器、１３はＤＳＰ部（ディジタル　　シグナル　　
プロセッサ部）、１４は制御用コンピュータである。上
記において、Ｘ，Ｙ方向は試料１０の表面に平行な面の
直交座標の２方向を、Ｚ方向は試料１０の表面に垂直な
方向を示す。

【０００４】この従来例では、ディジタル制御であるた
め制御プログラムにより、ＳＴＭとしての動作とＳＴＳ
としての動作とも両方可能であるが、まずＳＴＭの動作
について説明する。ＤＳＰ部（ディジタル　　シグナル
　　プロセッサ部）１３の制御によって、バイアス電圧
用Ｄ／Ａ変換器１２ｅを介して、試料１０にバイアス電
圧が印加される。この状態で探針１１ａの先端を試料１
０の表面に接近させると、トンネル電流が試料１０・探
針１１ａの間に流れる。このトンネル電流は試料１０・
探針１１ａ間距離に大きく依存するので、トンネル電流
が一定になるようなフィードバック制御の出力を圧電素
子１１ｂに印加し、探針１１ａをＺ方向に制御すること
により、探針１１ａの先端と試料１０の表面の距離を一
定に保つことができる。このフィードバック制御を高速
に繰り返しながら、探針１１ａを圧電素子１１ｂでＸＹ
方向に走査することにより、原子オーダーで試料１０の
表面形状が観察できる。

【０００５】ここで、このフィードバック制御について
もう少し詳しく説明する。探針１１ａに流れるトンネル
電流をＡ／Ｄ変換器１２ａが増幅、ディジタル信号化し
たものをＤＳＰ部１３が受け取る。ＤＳＰ部１３は、予
め制御用コンピュータ１４から指示されている表式に従
って、このトンネル電流信号の値が設定基準値に一致す
るように、トンネル電流信号の値と設定基準値の差また
はこれらの値の商の対数を帰還信号としたフィードバッ
ク制御の出力を、試料１０・探針１１ａ間距離を調節す
るＺ印加電圧信号として、Ｚ印加電圧用Ｄ／Ａ変換器１
２ｂに出力する。ＤＳＰ部１３は、このＺ印加電圧信号
等を制御用コンピュータ１４に転送する。Ｚ印加電圧用
Ｄ／Ａ変換器１２ｂはこのディジタル信号をアナログ信
号に変換し、増幅して圧電素子１１ｂのＺ印加端子に出
力する。また、ＤＳＰ部１３は、予め制御用コンピュー
タ１４から指示された方法で、探針１１ａ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Ｘ，Ｙ掃引
用Ｄ／Ａ変換器１２ｃ，１２ｄに出力する。Ｘ，Ｙ掃引
用Ｄ／Ａ変換器１２ｃ，１２ｄは、各々このディジタル
信号をアナログ信号に変換し、増幅して圧電素子１１ｂ
のＸ，Ｙ印加端子に出力する。制御用コンピュータ１４
は、ＤＳＰ部１３に指示したＸ，Ｙ掃引信号とＤＳＰ部
１３から転送された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、表示する。

【０００６】次にＳＴＳの動作について説明する。ＳＴ
Ｓの動作において、ＤＳＰ部１３は、上記のＳＴＭの動
作と同様のＸ，Ｙ掃引信号の出力とフィードバック制御
を行った後、Ｚ印加電圧信号を一旦その時点の値に固定
し、予め制御用コンピュータ１４から指示された方法で
、バイアス電圧用Ｄ／Ａ変換器１２ｅに掃引信号をバイ
アス電圧の信号として出力しながら、トンネル電流信号
をＡ／Ｄ変換器１２ａから複数回入力する。ＤＳＰ部１
３は、Ｚ印加電圧信号の他にこの複数のトンネル電流信
号も制御用コンピュータ１４に転送する。制御用コンピ
ュータ１４は、ＤＳＰ部１３に指示したＸ，Ｙ掃引信号
およびバイアス電圧の掃引信号とＤＳＰ部１３から転送
された複数のトンネル電流信号のデータを関連付け、４
次元データとして記憶する。また、この４次元データか
ら任意の３次元データを切り出して表示する。

【０００７】次に、ＤＳＰ部１３がフィードバック制御
に関して行う制御を図１２に示したフローチャート図を
用いて説明する。図１２で、Ｉはトンネル電流信号値、
ＺはＺ印加電圧信号値である。Ｉｓはトンネル電流がこ
の値に一定となる様に探針をＺ方向にフィードバック制
御する設定基準値で（Ｉ−Ｉｓ）はフィードバック制御
の帰還信号となる。Ｆは帰還信号（Ｉ−Ｉｓ）からＺ印
加電圧信号値を求めるフィードバック制御関数である。

【０００８】ＤＳＰ部１３は、予め試料に印加する一定
のバイアス電圧を出力しておく。フィードバック制御と
して、トンネル電流信号Ｉを入力し、予め与えられてい
るフィードバック制御関数ＦにＩを代入、計算し、Ｚ＝
Ｆ（Ｉ−Ｉｓ）をＺ印加電圧信号として出力する。この
フィードバック制御の方法はＳＴＭ、ＳＴＳに関わらず
同様である。

【０００９】次に、異なる電気的特性の物質が混在する
試料表面の形状、Ｚ印加電圧信号、試料表面と探針先端
間の距離、トンネル電流のバイアス電圧依存性の関係の
例を図１３（ａ），（ｂ），（ｃ−１），（ｃ−２）に
示す。物質Ａは正のバイアス電圧でトンネル電流が流れ
易い物質であり、物質Ｂは負のバイアス電圧でトンネル
電流が流れ易い物質であって、図１３（ａ）に示したよ
うな試料表面形状であるとする。この場合、正のバイア
ス電圧が印加されていると、Ｚ印加電圧および試料・探
針間距離は図１３（ａ），（ｂ）に示すようになる。Ｓ
ＴＳの動作により得られるトンネル電流のバイアス電圧
依存性は、物質Ａと物質Ｂの各部分で、順に図１３（ｃ
−１），（ｃ−２）に示すようになる。このように、Ｓ
ＴＭの動作では試料形状と表面物質の電気的または電子
的特性を反映したＺ印加電圧信号の空間部分が得られ、
ＳＴＳの動作では、それに加えて各々の物質の電気的ま
たは電子的特性を反映したトンネル電流のバイアス電圧
依存性の空間分布が得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術によるＳＴＭ／ＳＴＳでは、電気的または電子
的特性の異なる複数の物質が混在する試料表面を観察す
る場合、試料・探針間距離が物質の種類によって異なり
、Ｚ印加電圧信号が試料表面形状と大きく異なる場合が
あるという問題があった。また、ＳＴＳによるトンネル
電流のバイアス電圧依存性のカーブは、フィードバック
時のバイアス電圧値と、設定基準値の交点を通る為、物
質によってはトンネル電流の入力のフルスケールから大
きくはみ出し、その分の情報量が失われてしまうという
問題があった。

【００１１】一般に適正にＳＴＭ／ＳＴＳが動作するフ
ィードバック制御時のバイアス電圧は、試料の電気的ま
たは電子的特性によって異なり、例えば、金属などの良
導体では数十ｍＶ〜数百ｍＶであるのに対し、シリコン
結晶等の半導体では数Ｖである。また、同じシリコン結
晶でも不純物の違いにより、ｐ型半導体の場合はプラス
数Ｖ、ｎ型半導体の場合はマイナス数Ｖと適正なバイア
ス電圧の符号が逆となる。上記従来の技術によるＳＴＭ
／ＳＴＳでは、データ収集中のフィードバック制御時の
バイアス電圧が一定であるため、複数の物質が試料表面
に混在する場合、全体に渡って適正なバイアス電圧を設
定することは一般に不可能であり、安定に動作すること
は特殊な場合に限られている。つまり、物質の組み合わ
せによっては、物質Ａに対し適正なバイアス電圧に設定
すると物質Ｂの部分では探針１１ａが試料１０表面と接
触し、探針１１ａ先端が変形してしまい、ＳＴＭ／ＳＴ
Ｓの観察の正確度や信憑性を大きく下げるという問題が
あった。

【００１２】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されものであり、その目的は、走査型トンネル顕微鏡／
走査型トンネル分光装置において、複数の物質が混在す
る試料表面でも、正確度と信憑性の高い像を観察できる
走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分光装置の制御
方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分
光装置の制御方法においては、試料と、探針と、該試料
・探針間の該試料表面の面内方向の相対的位置を走査制
御する走査制御部と、該試料・探針間の該試料表面に垂
直な方向の相対的位置を、該試料・探針間に流れるトン
ネル電流の信号の値をパラメータとした関数の値でフィ
ードバック制御するフィードバック制御部と、該試料ま
たは該探針にバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御
部から構成されている走査型トンネル顕微鏡／走査型ト
ンネル分光装置の制御方法であって、前記フィードバッ
ク制御部が、複数の異なるバイアス電圧の値に対して得
られた複数のトンネル電流の信号の値をパラメータとし
た関数の値で前記フィードバック制御することを特徴と
している。

【００１４】また、同じく上記の目的を達成するため、
本発明の別な走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分
光装置の制御方法においては、前記バイアス電圧制御部
が、複数の異なるバイアス電流の値に対して得られた複
数のトンネル電流の信号の値をパラメータとした関数の
値でバイアス電圧の値を設定した後、前記フィードバッ
ク制御部が前記試料・探針間の相対的位置をフィードバ
ック制御することを特徴としている。

【００１５】

【作用】本発明の走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネ
ル分光装置の制御方法では、複数の物質が混在する試料
表面を観察する際に、試料・探針間の相対的位置につい
てフィードバック制御するための帰還信号を、複数の異
なるバイアス電圧の値に対にして得られた複数のトンネ
ル電流の信号の値をパラメータとする関数の値として与
えることを特徴としている。これにより、複数の物質が
混在する試料表面を観察する場合、それらの物質の何れ
でも適正なフィードバック制御を可能にし、正確度と信
憑性の高い像の観察を可能にする。

【００１６】また、本発明のもう一つの走査型トンネル
顕微鏡／走査型トンネル分光装置の制御方法では、トン
ネル電流のバイアス電圧依存性から試料表面の局所的な
物質の電気的または電子的特性の違いを判断し、これに
応じてフィードバック制御時のバイアス電圧の値を設定
した後、試料・探針間の相対的位置をフィードバック制
御する。これによっても、複数の物質が混在する試料表
面を観察する場合、それらの物質の何でも適正なフィー
ドバック制御を可能にし、正確度と信憑性の高い像の観
察を可能にする。

【００１７】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１８】図１は、本発明の第１の実施例の制御方法
を実現するためのＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）の構
成図を示す。本実施例におけるＳＴＭを構成するものと
して、図中の１は試料、２ａは探針、２ｂはＸＹＺ軸圧
電素子、３ａは絶対値回路、３ｂ，３ｃはローパスフィ
ルタとサンプルホールド回路（以下Ｓ／Ｈ回路と略記す
る）、３ｄはタイミング回路、３ｅは比較回路、３ｆは
差分回路、３ｇは設定値回路、３ｈはフィードバック制
御回路、４は走査波形発生回路、５はバイアス電圧発生
回路、６はストレージオシロスコープである。ＸＹＺ軸
圧電素子２ｂは、ＸＹ軸が試料１表面に平行な面上にあ
り、Ｚ軸がそれに垂直となるように、試料１に相対的に
配置する。

【００１９】上記各部の接続構成と各部の機能は次の通
りである。バイアス電圧発生回路５はタイミング回路３
ｄからタイミング信号を受け取り、このタイミング信号
に従って、高い周波数で２つのバイアス電圧の値を交番
する矩形波をバイアス電圧として試料１に印加する。こ
の状態で探針２ａの先端を試料１の表面に接近させるこ
とによって、試料１・探針２ａ間にトンネル電流が流れ
、この信号を絶対値回路３ａが受け取る。絶対値回路３
ａはトンネル電流の絶対値の信号を２つのＳ／Ｈ回路３
ｂ，３ｃに出力する。Ｓ／Ｈ回路３ｂ，３ｃは、各々ト
ンネル電流の絶対値の信号にローパスフィルタを掛け、
タイミング回路３ｄから入力しているタイミング信号が
ローからハイに変わる瞬間の値をサンプリングし、その
値を次にタイミング信号がローからハイに変わる瞬間ま
で比較回路３ｅに出力し続ける。タイミング回路３ｄは
バイアス電圧発生回路５とＳ／Ｈ回路３ｂ，３ｃに適正
なタイミングで高い周波数の矩形波を出力する。つまり
、１つのＳ／Ｈ回路３ｂにはバイアス電圧発生回路５と
同位相の矩形波を、もう１つのＳ／Ｈ回路３ｃには反位
相の矩形波を出力する。比較回路３ｅはＳ／Ｈ回路３ｂ
，３ｃから入力した２つの信号のうち、大きい方の信号
をそのまま差分回路３ｆへ出力する。差分回路３ｆは比
較回路３ｅから入力した信号と設定値回路３ｇにより発
生する一定の設定基準値の信号との差の信号をフィード
バック制御回路３ｈに出力する。フィードバック制御回
路３ｈは、差分回路３ｆから入力した信号を帰還信号と
するフィードバック制御の結果をＺ印加電圧信号として
圧電素子２ｂのＺ印加端子とストレージオシロスコープ
６に出力する。つまり、帰還信号を予め設定した時定数
で積分し、これに帰還信号に比例する信号を加えるなど
した信号を増幅し、Ｚ印加電圧信号として出力する。走
査波形発生回路４は、探針２ａをＸ，Ｙ方向に走査制御
するＸ，Ｙ掃引信号を圧電素子２ｂのＸ，Ｙ印加端子に
出力する。ストレージオシロスコープ６はフィードバッ
ク制御回路３から入力したＺ印加電圧信号と走査波形発
生回路４から入力したＸ，Ｙ掃引信号を関連付け、３次
元図形や濃淡図として顕微鏡像を表示する。

【００２０】本実施例のＳＴＭの制御方法は、上記の構
成によりアナログ信号処理を行い、２つの異なるバイア
ス電圧の値に対して得られたＳ／Ｈ回路３ｂ，３ｃの２
つのトンネル電流の信号の値を比較回路３ｅを通し、次
に設定値回路３ｇとの差分回路３ｆを通すことによって
、その２つのトンネル電流の信号の値をパラメータとし
た関数の値を帰還信号として、フィードバック制御回路
３ｈが試料１・探針２ａ間のＺ方向の相対位置をフィー
ドバック制御し、ストレージオシロスコープ６により試
料１表面の観察を行うものである。

【００２１】以上のように構成したＳＴＭにおける第１
の実施例の動作および作用を説明する。

【００２２】図２（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（
ｃ），（ｄ），（ｅ）は、その説明のための動作の例と
して、Ｘ掃引信号と試料表面の物質分布、各物質の電気
的特性、バイアス電圧、トンネル電流、Ｚ印加電圧信号
の関係の例を示した図である。試料１が図２（ａ）に示
すようにＸ掃引信号の値に対応する部分で物質Ａと物質
Ｂからなっており、これらの物質の電気的特性が順に図
２（ｂ−１），（ｂ−２）に示したトンネル電流のバイ
アス電圧依存性をもつものとする。例えば、物質Ａ，Ｂ
がｐ型半導体およびｎ半導体である場合には、図の順に
このような電気的特性を持つものがある。本来、物質Ａ
の様な特性の物質は、正のバイアス電圧で、物質Ｂの様
な特性の物質は、負のバイアス電圧でＳＴＭ観察するの
が適切だが、物質Ａと物質Ｂが混在している表面では本
実施例のように、バイアス電圧発生回路５から試料１に
印加するバイアス電圧は図２（ｃ）に示すような正負の
値を交番する矩形波とするのが適当である。この場合、
試料１・探針２ａ間のトンネル電流は図２（ｄ）に示し
たようになり、物質Ａの部分では負バイアス電圧より正
バイアス電圧でトンネル電流の絶対値が大きくなり、物
質Ｂの部分では正バイアス電圧より負バイアス電圧でト
ンネル電流の絶対値が大きくなる。差分回路２では、正
負の各バイアス電圧でのトンネル電流の絶対値の大きい
方に対して設定値回路３ｇからの設定基準値が差し引か
れ、これが帰還信号としてフィードバック制御回路３ｈ
に入力されてフィードバック制御が掛けられるので、Ｚ
印加電圧は図２（ｅ）のようになる。つまり、物質Ａの
部分では正のバイアス電圧でのトンネル電流信号に対し
、物質Ｂの部分では負のバイアス電圧でのトンネル電流
信号に対しフィードバック制御を行っていることになり
、物質Ａ，Ｂに関わらず、適正なバイアス電圧の値でト
ンネル電流信号によりフィードバック制御を行っている
ことになる。

【００２３】このように本実施例によれば、電気的特性
の異なる物質が混在する試料表面で、物質の種類に関わ
らず、物質に適したバイアス電圧の値でのトンネル電流
信号に対する試料・探針の相対的位置についてのフィー
ドバック制御が可能となる。これにより、試料・探針間
距離を適正に維持でき、得られるＳＴＭ像の正確度が高
くなり、また、バイアス電圧の不適正による探針と試料
表面との接触も避けられる。

【００２４】この説明では、比較回路３ｅの出力は、タ
イミング信号の半周期で変化する可能性のある構成の例
を示したが、これに限定られることなく、タイミング信
号の一周期毎に、２つのバイアス電圧でのトンネル電流
信号の値を比較選択する方法でも良いことは言うまでも
ない。

【００２５】次に、本発明の第２の実施例を説明する。 上記の第１の実施例は、アナログ制御による実施例であ
ったが、ディジタル制御の構成でもバイアス電圧を交番
させ、物質に適したバイアス電圧の値でのトンネル電流
信号に対するフィードバック制御を可能とする事ができ
る。本実施例ではその構成例を示すもので、具体的には
次に述べる通りである図３は本発明の第２の実施例を示
すディジタル制御ＳＴＭのフィードバック制御の方法の
フローチャート図であって、交番するバイアス電圧の一
周期毎に、２つのバイアス電圧でのトンネル電流信号の
値を比較選択する方法である。この方法は、図１１に示
したディジタル制御ＳＴＭの構成で、実現可能であり、
その場合、フィードバック制御およびバイアス電圧制御
の計算はＤＳＰ部１３が行う。

【００２６】図３において、Ｖ１は正のバイアス電圧、
Ｖ２は負のバイアス電圧、Ｉ１，Ｉ２はトンネル電流信
号値、ＺはＺ印加電圧信号値である。Ｉｓはトンネル電
流がこの値に一定となる様に探針をＺ方向にフィードバ
ック制御する設定基準値であり、（Ｉ−Ｉｓ）はフィー
ドバック制御の帰還信号となる。Ｆは帰還信号（Ｉ−Ｉ
ｓ）からＺ印加電圧信号値を求めるフィードバック制御
関数である。

【００２７】ＤＳＰ部１３は、まず正のバイアス電圧Ｖ
１を出力し、このバイアス電圧でのトンネル電流信号Ｉ
１を入力する。次に、負のバイアス電圧Ｖ２を出力し、
このバイアス電圧でのトンネル電流信号Ｉ２を入力する
。そして、Ｉ１の絶対値とＩ２の絶対値のうち大きい方
をＩとおき、予め与えられているフィードバック制御関
数ＦにＩを代入、計算しＺ＝Ｆ（Ｉ−Ｉｓ）をＺ印加電
圧信号として出力する。この制御方法はＳＴＭ、ＳＴＳ
に関わらず同様である。

【００２８】以上のように構成した第２の実施例の動作
および作用を説明する。

【００２９】図４（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（
ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本実施例の制御方法によるＳ
ＴＳの動作の例として、Ｘ掃引信号と試料表面の物質分
布、各物質の電気的特性、バイアス電圧、トンネル電流
、Ｚ印加電圧信号の関係の例を示した図である。試料が
図４（ａ）に示すようにＸ掃引信号の値に対応する部分
で物質Ａと物質Ｂからなっており、これらの物質の電気
的特性が順に図４（ｂ−１），（ｂ−２）に示したトン
ネル電流のバイアス電圧依存性を持つものとする。この
場合、バイアス電圧は図４（ｃ）に示すような波形とす
るのが適当であり、トンネル電流は図４（ｄ）に示した
ようになる。つまり、物質Ａの部分では負バイアス電圧
より正バイアス電圧でトンネル電流の絶対値が大きくな
り、物質Ｂの部分では正バイアス電圧より負バイアス電
圧でトンネル電流の絶対値が大きくなり、また、バイア
ス電圧をスロープ状に掃引している際には、物質の種類
に応じて図４（ｂ−１），（ｂ−２）に示したトンネル
電流のバイアス電圧依存性を示すカーブとなる。正負の
各バイアス電圧でのトンネル電流の絶対値の大きい方に
対して設定基準値が差し引かれ、フィードバック制御が
繰り返されるので、Ｚ印加電圧は図４（ｅ）のようにな
る。つまり、物質Ａの部分では正のバイアス電圧でのト
ンネル電流信号に対し、物質Ｂの部分では負のバイアス
電圧でのトンネル電流信号に対しフィードバック制御を
行っていることになり、物質Ａ，Ｂに関わらず、適正な
バイアス電圧の値でのトンネル電流信号によりフィード
バック制御を行っていることになる。

【００３０】このようにディジタル制御による本実施例
の制御方法によっても、電気的特性の異なる物質が混在
する試料表面で、物質の種類に関わらず、物質に適した
バイアス電圧の値でのトンネル電流信号に対する試料・
探針間の相対的位置についてのフィードバック制御が可
能となる。

【００３１】フィードバック制御のためのバイアス電圧
を交番させ、物質に適したバイアス電圧の値でのトンネ
ル電流信号に対してフィードバック制御する事の効果と
しては、複数の物質が混在する試料表面を観察する際に
、ＳＴＳによるトンネル電流が入力のフルスケールから
はみ出すことによる情報量の損失を防ぐことが可能とな
ること、また物質に依存せずに試料・探針間距離を適正
に維持できるため、得られたＳＴＭ像の正確度が向上す
ること、更に試料物質とバイアス電圧の不適合による探
針と試料表面との接触が避けられるため、正確度と信憑
性の高いデータの取得が可能になることにある。また、
本実施例は第１の実施例のようなアナログ制御ではなく
、ディジタル制御の構成とされていることにより、信号
の後処理が容易になり、またＳＴＭとＳＴＳの切り換え
や、各種の付加機能を加える際にハードウエアの変更の
必要がないという効果がある。この効果は、以下に述べ
るディジタル制御の構成に共通するものである。

【００３２】次に、本発明の第３の実施例を説明する。 前述の第１の実施例および第２の実施例はフィードバッ
ク制御の帰還信号が複数のトンネル電流信号の値の関数
である方法の実施例であったが、本実施例はバイアス電
圧が複数のトンネル電流信号の値の関数である制御方法
の実施例を示す。

【００３３】図５は本発明の第３の実施例を示すディジ
タル制御ＳＴＭのフィードバック制御およびバイアス電
圧制御の方法のフローチャート図であって、図１１に示
したディジタル制御ＳＴＭの構成で、実現可能である。 この場合、フィードバック制御およびバイアス電圧制御
の計算はＤＳＰ部１３が行う。

【００３４】図５において、Ｖ１は正のバイアス電圧、
Ｖ２は負のバイアス電圧、Ｉ１，Ｉ２，Ｉはトンネル電
流信号値、ＺはＺ印加電圧信号値である。Ｉｓはトンネ
ル電流がこの値に一定となる様に探針をＺ方向にフィー
ドバック制御する設定基準値で、（Ｉ−Ｉｓ）はフィー
ドバック制御の帰還信号となる。Ｆは帰還信号（Ｉ−Ｉ
ｓ）からＺ印加電圧信号値を求めるフィードバック制御
関数である。

【００３５】ＤＳＰ部１３は、まず正のバイアス電圧Ｖ
１を出力し、このバイアス電圧でのトンネル電流信号Ｉ
１を入力する。次に、負のバイアス電圧Ｖ２を出力し、
このバイアス電圧でのトンネル電流信号Ｉ２を入力する
。Ｉ１の絶対値がＩ２の絶対値より大きいときはＶをＶ
１とし、そうでない場合は、ＶをＶ２とし、バイアス電
圧Ｖを出力する。その後、トンネル電流信号Ｉの入力と
Ｚ＝Ｆ（Ｉ−Ｉｓ）の計算およびＺ印加電圧信号Ｚの出
力を数回繰り返す。

【００３６】このような制御方法においては、Ｖ１とＶ
２のバイアス電圧でのトンネル電流信号の絶対値を比較
することにより、現在観察中の部分が正バイアス電圧と
負バイアス電圧のどちらでトンネル電流が流れ易い特性
を持っているかが判断でき、トンネル電流が流れ易い適
切なバイアス電圧でフィードバック制御を行うことがで
きる。このように、本実施例によっても、電気的特性の
異なる物質が混在する試料表面で、物質の種類に関わら
ず、物質に適したバイアス電圧での試料・探針間の相対
的位置についてのフィードバック制御が可能となる。

【００３７】次に、本発明の第４の実施例を説明する。 上記第３の実施例は、ＳＴＭの制御方法の実施例である
が、ＳＴＳの制御方法においても、バイアス電圧を掃引
した際に取得したトンネル電流のバイアス電圧依存性の
特性から適正なバイアス電圧をフィードバック制御時に
自動生成することができる。本実施例はそのＳＴＳの制
御方法を示すものであり、具体的には次に述べる通りで
ある。

【００３８】図６は本発明の第４の実施例を示すディジ
タル制御ＳＴＳのフィードバック制御、バイアス電圧制
御および走査制御の方法のフローチャート図であって、
図１１に示したディジタル制御ＳＴＭの構成で、実現可
能である。この場合、フィードバック制御、バイアス電
圧制御、走査制御の計算はＤＳＰ部１３が行う。

【００３９】図６において、Ｖ１は正のバイアス電圧、
Ｖ２は負のバイアス電圧を表わし、Ｖ１，Ｖ２ともバイ
アス電圧の掃引範囲内の値とする。Ｉ１，Ｉ２，Ｉはト
ンネル電流信号値、ＺはＺ印加電圧信号値である。Ｉｓ
はトンネル電流がこの値に一定となる様に探針をＺ方向
にフィードバック制御する設定基準値で（Ｉ−Ｉｓ）は
フィードバック制御の帰還信号となる。Ｆは帰還信号（
Ｉ−Ｉｓ）からＺ印加電圧信号値を求めるフィードバッ
ク制御関数である。

【００４０】ＤＳＰ部１３は、試料・探針間の相対位置
を固定した状態で、バイアス電圧をＶ１，Ｖ２を含む一
定の範囲内で掃引しながら、トンネル電流信号の値を何
度も入力する。このトンネル電流信号列中の個々のトン
ネル電流信号の値は出力したバイアス電圧と対応づけら
れるので、正のバイアス電圧Ｖ１が印加されていた際に
流れていたトンネル電流信号の値Ｉ１と負のバイアス電
圧Ｖ２が印加されていた際に流れていたトンネル電流信
号の値Ｉ２が特定できる。Ｉ１の絶対値がＩ２の絶対値
より大きいときはそこを物質Ａと判断しＶをＶ１とし、
そうでない場合は、そこを物質Ｂと判断しＶをＶ２とす
る。ここで直前のＸ，Ｙ走査点と同じ物質であると判断
した場合、入力したトンネル電流信号列はそのままデー
タとしてコンピュータに転送、記憶され、また、Ｘ，Ｙ
走査点を次に進める。そうでない場合、バイアス電圧Ｖ
を出力し、フィードバック制御を行った後、もう一度ト
ンネル電流信号列を入力する。Ｘ，Ｙ走査点を進めた後
は、直前のＸ，Ｙ走査点の物質に適したバイアス電圧Ｖ
を出力し、フィードバック制御を何度か繰り返し試料・
探針間距離を調節した後、トンネル電流信号列を再び入
力する。直前のＸ，Ｙ走査点とは同じ物質である確率が
非常に高いので、ほとんどの走査点でトンネル電流信号
列の入力は１回で済み、物質の境界の走査点でのみトン
ネル電流信号列を２回入力することになる。

【００４１】以上のように構成した第４の実施例の動作
および作用を説明する。

【００４２】図７（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（
ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本実施例の制御方法によるＳ
ＴＳの動作の例として、Ｘ掃引信号と試料表面の物質分
布、各物質の電気的特性、バイアス電圧、トンネル電流
、Ｚ印加電圧信号の関係の例を示した図である。試料が
図７（ａ）に示すようにＸ掃引信号の値に対応する部分
で物質Ａと物質Ｂからなっており、これらの物質の電気
的特性が順に図７（ｂ−１），（ｂ−２）に示したトン
ネル電流のバイアス電圧依存性を持つものとする。まず
、バイアス電圧を図７（ｃ）に示すようにスロープ状に
掃引しながらトンネル電流信号を入力する。トンネル電
流信号は物質の種類に応じて、物質Ａおよび物質Ｂの部
分の順に、図７（ｂ−１），（ｂ−２）に示したバイア
ス電圧依存性を示すカーブとなる。入力したトンネル電
流信号列から正負の各バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２での各ト
ンネル電流信号の値Ｉ１，Ｉ２を特定し、Ｉ１，Ｉ２の
絶対値の大きさの比較により、Ｉ１の絶対値が大きい場
合はそこを物質Ａと判断し、Ｉ２の絶対値が大きい場合
はそこを物質Ｂと判断する。物質の種類に適したバイア
ス電圧、ここでは物質Ａに対してＶ１、物質Ｂに対して
Ｖ２を出力するので、バイアス電圧は図７（ｃ）に示す
ようにスロープ状の部分に続いて物質に応じた一定の値
が出力される。フィードバック制御として、トンネル電
流信号の入力とＺ印加電圧Ｚ＝Ｆ（Ｉ−Ｉｓ）の出力を
数回繰り返す。Ｚ印加電圧は図７（ｅ）のようになり、
物質Ａから物質Ｂへの境界では一旦不適切なバイアス電
圧Ｖ１でのフィードバック制御となるが、同じ走査点で
バイアス電圧Ｖ２の適切なフィードバック制御を直ちに
やり直し、適切なデータのみが記憶されることなる。つ
まり、物質Ａの部分では正のバイアス電圧でフィードバ
ック制御を行い、物質Ｂの部分では負のバイアス電圧で
フィードバック制御を行うことになり、物質Ａ，Ｂに関
わらず、適切なバイアス電圧でのフィードバック制御が
可能となる。このような本実施例によっても、電気的特
性の異なる物質が混在する試料表面で、物質の種類に関
わらず、物質に適したバイアス電圧での試料・探針間の
相対的位置についてのフィードバック制御が可能となる
。

【００４３】複数のバイアス電圧の値でのトンネル電流
信号の値から物質の電気的特性等を判断し、適切なバイ
アス電圧でフィードバック制御することの効果としては
、複数の物質が混在する試料表面を観察する際に、ＳＴ
Ｓによるトンネル電流のバイアス電圧依存特性のカーブ
が入力のフルスケールからはみ出すことによる情報量の
損失を防ぐことが可能となること、また物質に依存せず
に試料・探針間距離を適正に維持できるため、得られた
ＳＴＭ像の正確度が向上すること、更に試料物質とバイ
アス電圧の不適合による探針と試料表面との接触が避け
られるため、正確度と信憑性の高いデータの取得が可能
になることにある。また、本実施例も第２の実施例と同
様にディジタル制御の構成であることから、信号の後処
理が容易になり、またＳＴＭとＳＴＳの切り換えや、各
種の付加機能を加える際にハードウエアの変更の必要が
ないという効果がある。

【００４４】次に、本発明の第５の実施例を説明する。 図８は本発明の第５の実施例を示すディジタル制御ＳＴ
Ｍのフィードバック制御およびバイアス電圧制御の方法
のフローチャート図であって、３種類の物質が混在する
試料表面に適した制御方法の例である。この制御方法は
、図１１に示したディジタル制御ＳＴＭの構成で、実現
可能である。この場合、フィードバック制御およびバイ
アス電圧制御の計算はＤＳＰ部１３が行う。

【００４５】図８において、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖは正
のバイアス電圧、Ｉ１はバイアス電圧Ｖ１でのトンネル
電流信号値、Ｉ２はバイアス電圧Ｖ２でのトンネル電流
信号値、Ｉ３はバイアス電圧Ｖ３でのトンネル電流信号
値、ａ，ｂは係数、Ｉはトンネル電流信号値、ＺはＺ印
加電圧信号値である。Ｉｓはトンネル電流がこの値に一
定となる様に探針をＺ方向にフィードバック制御する設
定基準値で（Ｉ−Ｉｓ）はフィードバック制御の帰還信
号となる。Ｆは帰還信号（Ｉ−Ｉｓ）からＺ印加電圧信
号値を求めるフィードバック制御関数である。

【００４６】ＤＳＰ部１３は、試料・探針間の相対位置
を固定した状態で、バイアス電圧をＶ１，Ｖ２を含む一
定の範囲内で掃引しながら、バイアス電圧がＶ１，Ｖ２
となる瞬間にトンネル電流信号の値を各々入力し、順に
Ｉ１，Ｉ２とする。│Ｉ１│＞ａ│Ｉ２│の場合はそこ
を物質Ａと判断しＶをＶ１とし、│Ｉ２│＞ｂ│Ｉ１│
の場合はそこを物質Ｂと判断しＶをＶ２とし、何れでも
ない場合、つまり│Ｉ１│≦ａ│Ｉ２│かつ│Ｉ２│≦
ａ│Ｉ１│の場合は、そこを物質Ｃと判断しＶをＶ３と
する。バイアス電圧Ｖを出力した後、フィードバック制
御としてトンネル電流信号Ｉの入力とＺ＝Ｆ（Ｉ−Ｉｓ
）の計算およびＺ印加電圧信号Ｚの出力を数回繰り返す
。

【００４７】以上のように、本実施例では、Ｖ１とＶ２
のバイアス電圧でのトンネル電流信号の値の絶対値の大
小またはこれら絶対値の比により、３種類の物質が混在
する試料について現在観察中の部分の物質の電気的特性
等が判断でき、適切なバイアス電圧でフィードバック制
御を行うことができる。すなわち、本実施例によれば、
３種類以上の電気的特性の異なる物質が混在する試料表
面でも、物質の種類に関わらず、物質に適したバイアス
電圧での試料・探針間の相対的位置のフィードバック制
御が可能となる。

【００４８】次に、本発明の第６の実施例を説明する。 上記の第５の実施例は、バイアス電圧が複数のトンネル
電流信号の値の関数であるＳＴＭの制御方法の実施例で
あったが、フィードバック制御の帰還信号が複数のトン
ネル電流信号の値の関数であるＳＴＳの制御方法におい
ても、３種類の物質が混在する試料表面を適切なフィー
ドバック制御により観察することができる。本実施例は
その制御方法を示すもので、具体的には次に述べる通り
である。

【００４９】図９は本発明の第６の実施例を示すディジ
タル制御ＳＴＳのフィードバック制御、走査制御および
バイアス電圧制御の方法のフローチャート図であって、
図１１に示したディジタル制御ＳＴＭの構成で、実現可
能である。この場合、フィードバック制御、走査制御お
よびバイアス電圧制御はＤＳＰ部１３が行う。

【００５０】図９において、Ｉ１はバイアス電圧Ｖ１で
のトンネル電流信号値、Ｉ２はバイアス電圧Ｖ２でのト
ンネル電流信号値、Ｉ３はバイアス電圧Ｖ３でのトンネ
ル電流信号値、ａ，ｂは係数、Ｉはトンネル電流信号値
、ＺはＺ印加電圧信号値である。Ｉｓはトンネル電流が
この値に一定となる様に探針をＺ方向にフィードバック
制御する設定基準値で（Ｉ−Ｉｓ）はフィードバック制
御の帰還信号となる。Ｆは帰還信号（Ｉ−Ｉｓ）からＺ
印加電圧信号値を求めるフィードバック制御関数である
。

【００５１】ＤＳＰ部１３は、試料・探針間の相対位置
を固定した状態で、バイアス電圧をＶ１，Ｖ２，Ｖ３を
含む一定範囲内で掃引しながら、トンネル電流信号の値
を何度も入力する。このトンネル電流信号列中の個々の
トンネル電流信号の値は出力したバイアス電圧と対応づ
けられるので、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が印加されていた際に
流れていたトンネル電流信号の値が順にＩ１，Ｉ２，Ｉ
３と特定できる。│Ｉ１│＞ａ│Ｉ２│の場合はそこを
物質Ａと判断しＩを│Ｉ１│とし、│Ｉ２│＞ｂ│Ｉ１
│の場合はそこを物質Ｂと判断しＩを│Ｉ２│とし、何
れでもない場合、つまり│Ｉ１│≦ａ│Ｉ２│かつ│Ｉ
２│≦ｂ│Ｉ１│の場合（│Ｉ１│≦ａ│Ｉ２│≦ａｂ
│Ｉ１│）は、そこを物質Ｃと判断しＩを│Ｉ３│とす
る。トンネル電流信号列をコンピュータに転送し、Ｘ，
Ｙの走査を進めた後、Ｚ＝Ｆ（Ｉ−Ｉｓ）を計算し、Ｚ
印加電圧信号Ｚを出力する。

【００５２】以上のように構成した第６の実施例の動作
および作用を説明する。

【００５３】図１０（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），
（ｂ−３），（ｃ），（ｄ）は、本実施例の制御方法に
よるＳＴＳの動作の例として、Ｘ掃引信号と試料表面の
物質分布、各物質の電気的特性、バイアス電圧、トンネ
ル電流の関係の例を示した図である。試料が図１０（ａ
）に示すようにＸ掃引信号の値に対応する部分で物質Ａ
、物質Ｂと物質Ｃからなっており、これらの物質の電気
的特性が順に図１０（ｂ−１），（ｂ−２），（ｂ−３
）に示したトンネル電流のバイアス電圧依存性を持つも
のとする。例えば、試料が順にｐ型半導体、ｎ型半導体
、金属からなる場合には、このような電気的特定を持つ
ものがあり、これらは本来、順にプラス数Ｖ、マイナス
数Ｖ、数十から数百ｍＶのバイアス電圧でフィードバッ
ク制御を行うのが適切である。ここでは、それらがＶ１
＝２Ｖ，Ｖ２＝−２Ｖ，３Ｖ＝１００ｍＶであるものと
すれば、上記の係数ａ，ｂはａ＝１０、ｂ＝１０程度が
適当である。まず、バイアス電圧を図１０（ｃ）示すよ
うにスロープ状に掃引しながらトンネル電流信号列を入
力する。トンネル電流信号は物質の種類に応じて、物質
Ａ，物質Ｂ，物質Ｃの部分で順に、図１０（ｂ−１），
（ｂ−２），（ｂ−３）に示したバイアス電圧依存性を
示すカーブとなる。入力したトンネル電流信号列から各
バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３での各トンネル電流信号
順にＩ１，Ｉ２，Ｉ３を特定し、│Ｉ１│，│Ｉ２│を
比較することにより、そこの物質が特定できる。 そこで、本実施例では、その物質に適したバイアス電圧
でのトンネル電流値を用いてフィードバック制御を行う
。

【００５４】このように、Ｖ１，Ｖ２のバイアス電圧で
のトンネル電流信号の値の絶対値の大小またはこれら絶
対値の比によって、３種類以上の電気的特性の異なる物
質が混在する試料表面で、物質の種類に関わらず、現在
観察中の部分の物質の電気的特性等が判断でき、適切な
バイアス電圧でのトンネル電流信号を用いた試料・探針
間の相対的位置についてのフィードバック制御を行うこ
とができる。

【００５５】複数のバイアス電圧の値でのトンネル電流
信号の値から物質の電気的特性等を判断し、適切なバイ
アス電圧でのトンネル電流信号を用いてフィードバック
制御することの効果としては、複数の物質が混在する試
料表面を観察する際に、ＳＴＳによるトンネル電流のバ
イアス電圧依存特性のカーブが入力のフルスケールから
はみ出すことによる情報量の損失を防ぐことが可能とな
ること、また物質に依存せずに試料・探針間距離を適正
に維持できるため、得られたＳＴＭ像の正確度が向上す
ること、更に試料物質とバイアス電圧の不適合による探
針と試料表面との接触が避けられるため、正確度と信憑
性の高いデータの取得が可能になることにある。また、
本実施例も第２の実施例と同様にディジタル制御の構成
であることから、信号の後処理が容易になり、またＳＴ
ＭとＳＴＳの切り換えや、各種の付加機能を加える際に
ハードウエアの変更の必要がないという効果がある。

【００５６】なお、以上に挙げた本発明の実施例は、本
発明により考え得る実施例の極一部であり、ＳＴＭに関
する既存の制御方法や上に挙げた実施例中に述べた制御
方法の組み合わせにより本発明は多数の実施態様を取り
得るものである。例えば、（ａ）観察の方法として（１
）ＳＴＭ、（２）ＳＴＳ、（ｂ）複数のトンネル電流の
値を入力する際のバイアス電圧が（１）階段状、（２）
スロープ状、（ｃ）用いるトンネル電流信号の数が（１
）２個、（２）上記の実施例では述べなかったが、３個
あるいはそれ以上、（ｄ）複数のトンネル電流信号の値
を入力する際の各バイアス電圧の値、（ｅ）（１）複数
のトンネル電流信号の値Ｉ１，Ｉ２，…の関数として変
化するのがフィードバック制御の帰還信号で、具体的な
関数形が（イ）ｍａｘ｛│Ｉ１│，│Ｉ２│，…｝、（
ロ）ｍａｘ｛ａ│Ｉ１│，ｂ│Ｉ２│，…｝、上記の実
施例では述べなかったが、（ハ）│Ｉ１│＋│Ｉ２│＋
…、（ニ）Ｉ１２／│Ｉ２│＋Ｉ２２／│Ｉ１│、（ホ
）Ｉ１／Ｉ２＋Ｉ３／Ｉ４、等々、（２）複数のトンネ
ル電流信号の値Ｉ１，Ｉ２…の関数として変化するのが
バイアス電圧で、具体的な関数形が、（イ）Ｖ１；│Ｉ
１│＞ａ│Ｉ２│、Ｖ２；それ以外、（ロ）Ｖ１；│Ｉ
１│＞ａ│Ｉ２｜、Ｖ２；│Ｉ２│＞ｂ│Ｉ１│、Ｖ３
；それ以外、上記の実施例では述べなかったが、（ハ）
Ｖ１；│Ｉ１│＞ａ│Ｉ２｜かつ│Ｉ１│＞ｂ│Ｉ３│
、Ｖ２；ａ│Ｉ２│≧│Ｉ１│かつａ│Ｉ２│＞ｂ│Ｉ
３│、Ｖ３；それ以外、等々、（ｆ）上記（ｅ）の（１
）項で述べたトンネル電流信号の値の関数値、または上
記（ｅ）の（２）項で述べたバイアス電圧で得られたト
ンネル電流値を（１）設定基準値との差を取り、フィー
ドバック制御の帰還信号とする、（２）上記の実施例で
は述べなかったが、設定基準値との商の対数をフィード
バック制御の帰還信号とする、等の組み合わせにより種
々の実施形態を取り得るものである。具体的な組み合わ
せの方法は観察する試料や目的に応じて、最適なものを
選択するべきであるが、適切な組み合わせにより同様の
効果が得られるものである。

【００５７】このように本発明は、その主旨に沿って種
々に応用され、種々の実施態様を取り得るものである。

【００５８】

【発明の効果】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／走査型トンネル分光装置の制御
方法によれば、複数の物質が混在する試料表面を観察す
る際に、これらの物質の何れでも適正なフィードバック
制御が可能となるような帰還信号を、複数の異なるバイ
アス電圧の値に対して得られた複数のトンネル電流の値
をパラメータとする関数として与えることにより、十分
な情報の収集が可能になるとともに、試料物質とフィー
ドバック条件の不適合による探針と試料表面との接触が
避けられ、正確度と信憑性の高いデータの取得が可能に
なる。

【００５９】また、トンネル電流のバイアス電圧依存性
から試料の局所的な物質の電気的または電子的特性の違
いを判断し、これに応じてフィードバック制御時のバイ
アス電圧の値を変化させることにより、十分な情報の収
集が可能になるとともに、試料物質とフィードバック条
件の不適合による探針と試料表面との接触が避けられ、
正確度と信憑性の高いデータの取得が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の実施例を示すＳＴＭの構成図

【図
２】（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（ｃ），（ｄ）
，（ｅ）は上記第１の実施例の動作を示すＸ掃引信号と
試料表面の物質分布、各物質の電気的特性、バイアス電
圧、トンネル電流、Ｚ印加電圧信号の関係例を示す図

【図３】本発明の第２の実施例を示すディジタル制御Ｓ
ＴＭのフィードバック制御の方法のフローチャート図

【
図４】（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（ｃ），（ｄ
），（ｅ）は上記第２の実施例の動作を示すＸ掃引信号
と試料表面の物質分布、各物質の電気的特性、バイアス
電圧、トンネル電流、Ｚ印加電圧信号の関係例を示す図

【図５】本発明の第３の実施例を示すディジタル制御Ｓ
ＴＭのフィードバック制御およびバイアス電圧制御の方
法のフローチャート図

【図６】本発明の第４の実施例を示すディジタル制御Ｓ
ＴＳのフィードバック制御、バイアス電圧制御および走
査制御の方法のフローチャート図

【図７】（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（ｃ），（
ｄ），（ｅ）は上記第４の実施例の動作を示すＸ掃引信
号と試料表面の物質分布、各物質の電気的特性、バイア
ス電圧、トンネル電流の関係例を示す図

【図８】本発明
の第５の実施例を示すディジタル制御ＳＴＭのフィード
バック制御およびバイアス電圧制御の方法のフローチャ
ート図

【図９】本発明の第６の実施例を示すディジタル制御Ｓ
ＴＳのフィードバック制御、走査制御およびバイアス電
圧制御の方法のフローチャート図

【図１０】（ａ），（ｂ−１），（ｂ−２），（ｂ−３
），（ｃ），（ｄ）は上記第６の実施例の動作を示すＸ
掃引信号と試料表面の物質分布、各物質の電気的特性、
バイアス電圧、トンネル電流の関係例を示す図

【図１１
】ディジタル制御による従来および本発明の走査型トン
ネル顕微鏡／走査型トンネル分光装置の構成図

【図１２
】従来の走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分光装
置のフィードバック制御の方法のフローチャート図

【図１３】（ａ），（ｂ），（ｃ−１），（ｃ−２）は
試料表面形状、試料表面の物質分布、各物質の電気的特
性、従来の走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分光
装置によるＺ印加電圧信号、試料表面と探針先端間の距
離の関係例を示す図

【符号の説明】

１…試料、２ａ…探針、２ｂ…ＸＹＺ軸圧電素子、３ａ
…絶対値回路、３ｂ，３ｃ…ローパスフィルタおよびサ
ンプルホールド回路、３ｄ…タイミング回路、３ｅ…比
較回路、３ｆ…差分回路、３ｇ…設定値回路、３ｈ…フ
ィードバック制御回路、４…走査波形発生回路、５…バ
イアス電圧発生回路、６…ストレージオシロスコープ、
１０…試料、１１ａ…探針、１１ｂ…ＸＹＺ軸圧電素子
、１２ａ…Ａ／Ｄ変換器、１２ｂ〜１２ｅ…Ｄ／Ａ変換
器、１３…ＤＳＰ部、１４…制御用コンピュータ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　試料と、探針と、該試料・探針間の該
   試料表面の面内方向の相対的位置を走査制御する走査制
   御部と、該試料・探針間の該試料表面に垂直な方向の相
   対的位置を、該試料・探針間に流れるトンネル電流の信
   号の値をパラメータとした関数の値でフィードバック制
   御するフィードバック制御部と、該試料または該探針に
   バイアス電圧を印加するバイアス電圧制御部から構成さ
   れている走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分光装
   置の制御方法であって、前記フィードバック制御部が、
   複数の異なるバイアス電圧の値に対して得られた複数の
   トンネル電流の信号の値をパラメータとした関数の値で
   前記フィードバック制御することを特徴とする走査型ト
   ンネル顕微鏡／走査型トンネル分光装置の制御方法。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡
   ／走査型トンネル分光装置の制御方法において、フィー
   ドバック制御部が、複数の異なるバイアス電圧の値に対
   して得られる複数のトンネル電流の信号の値の絶対値の
   最大値と設定基準値との差または該最大値と設定基準値
   との商の対数を帰還信号としてフィードバック制御する
   ことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネ
   ル分光装置の制御方法。
3. 【請求項３】　　試料と、探針と、該試料・探針間の該
   試料表面の面内方向の相対的位置を走査制御する走査制
   御部と、該試料・探針間の該試料表面に垂直な方向の相
   対的位置を、該試料・探針間に流れるトンネル電流の信
   号の値をパラメータとした関数の値でフィードバック制
   御するフィードバック制御部と、該試料または該探針に
   バイアス電圧を印加するバイアス電圧制御部から構成さ
   れている走査型トンネル顕微鏡／走査型トンネル分光装
   置の制御方法であって、前記バイアス電圧制御部が、複
   数の異なるバイアス電圧の値に対して得られた複数のト
   ンネル電流の信号の値をパラメータとした関数の値でバ
   イアス電圧の値を設定した後、前記フィードバック制御
   部が前記試料・探針間の相対的位置をフィードバック制
   御することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡／走査型
   トンネル分光装置の制御方法。
4. 【請求項４】　　請求項３記載の走査型トンネル顕微鏡
   ／走査型トンネル分光装置の制御方法において、バイア
   ス電圧制御部が、複数の異なるバイアス電圧の値に対し
   て得られた複数のトンネル電流の信号の値の絶対値の大
   小または該絶対値の比をパラメータとした関数の値でバ
   イアス電圧の値を設定した後、前記フィードバック制御
   部が前記試料・探針間の相対的位置をフィードバック制
   御することを特徴とする走査型トンネル顕微鏡／走査型
   トンネル分光装置の制御方法。