JPH04332803A

JPH04332803A - 走査型トンネル顕微鏡の探針評価方法

Info

Publication number: JPH04332803A
Application number: JP3102451A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fukuhara; 悟福原; Osamu Yamada; 理山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-08
Filing date: 1991-05-08
Publication date: 1992-11-19

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、走査型トンネル顕微鏡
にかかり、特に、探針の評価を実施する手法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、材料研究を目的に、材料の極表面
観察装置として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が大
いに使われてきている。原子像の観察から表面凹凸の三
次元計測まで可能で、かつ、大気中，真空中、そして液
中で観察することができる。従って、その応用範囲は無
限と考えられている。この走査型トンネル顕微鏡の原理
については、アイ　　ビ　　エム　　ジャーナル　　オ
ブ　　リサーチ　　アンド　　デブロプメント（ＩＢＭ
　Ｊ．　ＲＥＳ．　ＤＥＶＥＬＯＰ．　ＶＯＬ．３０　
Ｎｏ．４　ｐ３５５〜Ｐ３６９　ＪＵＬＹ１９８６）に
記述されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、三次
元に移動可能なピエゾに取り付けられた鋭い先端を有す
る探針と、試料表面との間を数ｎｍオーダで一定にサー
ボ制御（Ｚ軸ピエゾ）しながら、探針を試料面上二次元
（Ｘ，Ｙ軸ピエゾ）に走査し、試料の物理情報を取得す
るものである。一般的に探針の作製は、タングステンや
白金を液中で電界研磨して鋭くする。こうして先鋭化さ
れた探針の先端極率半径はおおよそ０．１μｍ以下であ
る。ＳＴＭの二次元走査は、一般的には三角波形で実施
されている。これは、探針をサーボ状態で機械的に走査
することが必要であり、ＳＥＭで採用しているような、
鋸歯状波形にはサーボ制御が追従出来ない為である。従
って、同一場所を行きと帰りの二回走査することになる
。探針の先端形状が走査中に変化しなければ、この行き
と帰りのビデオ信号はまったく同じものになる。ところ
が、探針を試料面上で二次元走査中に、試料のコンタミ
ナントや雰囲気中のガス等で汚染される。また、サーボ
制御の不良などにより、探針の先端が折れたり曲がって
しまうことが多く発生する。これにより、探針先端の形
状が変化してしまう。これら探針の先端形状の変化は様
々のＳＴＭ像を創出し、ＳＴＭ像の解釈を困難にしてい
る。従って、探針の先端形状を常時観察していることが
重要である。しかしながら、探針先端の極率半径は、０
．１μｍ　と小さく、容易に観察出来ない。従って、な
んらかの手法で、この探針の先端形状を評価しなければ
、誤ったＳＴＭ像を認識してしまう。これら探針の先端
形状の評価技法については、前記文献には、なんら具体
的に記述されていない。

【０００４】本発明の目的は、探針の先端形状の変化を
評価することにより、真のＳＴＭ像を得ることができる
走査型トンネル顕微鏡を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、走査信号の行きと帰りのビデオ信号を各々区別して
記憶する手段、そして、その二個のビデオ信号を同じ試
料位置において、比較する手段を備えることにより解決
することが出来る。

【０００６】

【作用】正常な探針先端は、二次元走査方向の行きと帰
りで同じビデオ信号を発生する。ところが、上述したよ
うに、様々の原因によって、探針先端の形状変化が生じ
た時、走査信号の行きと帰りではビデオ信号に違いが現
われる。この違いを上記手段を用いて、検出すれば、探
針の評価が可能となる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。

【０００８】走査型トンネル顕微鏡は、図１に示すよう
に、試料面に垂直方向をＺ軸とし、試料面に水平方向を
各々Ｘ，Ｙ軸とするのが一般的である。そして、測定対
象試料６と探針５とのギャップは、最初に粗動用Ｚ軸ピ
エゾ制御回路１１により、粗動用Ｚ軸ピエゾを動作させ
、探針を試料にトンネル領域まで接近させる。ここで、
試料と探針間に任意の電圧を印加することにより、試料
と探針間に数ｎＡのトンネル電流が流れる。このトンネ
ル電流は、試料と探針とのギャップの関数になっている
ため、トンネル電流が一定となるように、微動用Ｚ軸ピ
エゾ２にフィードバック制御を実施すれば、微動用Ｚ軸
ピエゾの変位から試料の凹凸情報を得ることができる。従って、Ｘ軸ピエゾ３，Ｙ軸ピエゾ４を使って、探針を
二次元に走査すれば、試料表面の三次元情報を得ること
ができる。以上の原理に基づいて、トンネル電流検出回
路７は、微小なトンネル電流を検出する回路、サーボ制
御回路８は、Ｐ（比例），Ｉ（積分）そして、Ｄ（微分
）要素を含んだ制御回路であり、トンネル電流が一定と
なるよう、微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路９に、任意の出力
信号をフィードバックする回路である。その出力信号に
対応して、微動用Ｚ軸ピエゾ制御回路により、微動用Ｚ
軸ピエゾの伸縮を実施し、トンネル電流を一定にする。従って、サーボ制御回路の出力信号は、微動用Ｚ軸ピエ
ゾの変位に対応している。この信号をディジタル化し、
ＣＰＵバス１３により、Ｅ．Ｗ．Ｓ１２に転送し、ビデ
オ信号としてそのディスプレーに表示すれば、試料表面
の凹凸情報を観察することが可能となる。ここで、Ｘ，
Ｙ走査回路１０は、探針を二次元に走査するための回路
で三角波形を用いている。従って、Ｘ方向に１ライン往
復走査すると、Ｙ方向に１画素だけ進み、同様にＸの往
復走査を行う。以上の走査を所定の範囲で繰返し走査す
る。この三角波形はディジタル信号で構成されている。これらの全ての回路は、エンジニアリング　　ワークス
テーションＥＷＳ１２によりコントロールしている。

【０００９】以上説明した走査型トンネル顕微鏡の構成
に、本発明は、二次元走査のＸ，あるいは、Ｙの三角波
形の行き帰りにおけるビデオ信号を区別して記憶するた
めのメモリー１４。そして、試料の同じ位置における行
き帰りのビデオ信号を比較するためのコンパレータ１５
を新設した。この結果、サーボ制御回路の出力信号（ビ
デオ信号）は、ＣＰＵバスを経由して、走査信号の行き
と帰りに区別してメモリーに記憶される。そして、行き
と帰りの座標変換を実行し、試料の同じ場所におけるビ
デオ信号をコンパレータで比較する。ビデオ信号に差が
有れば探針がなんらかの原因で汚染されたものとみなし
、探針の交換を実施する。ビデオ信号に差が無ければ、
正常な探針であるとみなし、測定を続行する。これらの
手法はＸ方向の走査線毎に実施し、一枚のＳＴＭ像が得
られるまで実施する。次に、Ｙ走査を原点に戻し、ビデ
オ信号を記憶する。そして、前述したＹ走査の行きのビ
デオ信号と比較する。Ｘ走査と同様にその両ビデオ信号
に差が無ければ、正常な探針とみなす。従って、以上の
走査を経て、一枚のＳＴＭ像が得られれば、探針先端の
形状変化が無く、正しいＳＴＭ像と評価できる。更に、
ＳＴＭ測定途中において、両ビデオ信号に差が有っても
、必ずしも中止することは無い。ビデオ信号に差が発生
した時点が明らかであるから、その前までは正しいＳＴ
Ｍ像と評価できる。ここでコンパレータの出力は入力信
号の雑音などを考慮してある余裕度で実行している。

【００１０】尚、上記説明では、新しくメモリー及び、
コンパレータを新設したが、ＥＷＳ内に存在するメモリ
ーやコンパレータを使用しても同様の効果が得られるこ
とは明らかである。

【００１１】以上の動作により、探針先端の形状が評価
できるため、正しいＳＴＭ像の解釈が出来る。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば走査型トンネル顕微鏡の
探針先端形状を評価できるため、正しいＳＴＭ像が取得
できる走査型トンネル顕微鏡を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の基本的な構成図である。

【符号の説明】

１…粗動用Ｚ軸ピエゾ、２…微動用Ｘ軸ピエゾ、３…Ｘ
軸ピエゾ、４…Ｙ軸ピエゾ、５…探針、６…試料、７…
トンネル電流検出回路、８…サーボ制御回路、９…微動
用Ｚ軸ピエゾ制御回路、１０…Ｘ，Ｙ走査回路、１１…
粗動用Ｚ軸ピエゾ制御回路、１２…ＥＷＳ、１３…ＣＰ
Ｕバス、１４…メモリー、１５…コンパレータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針と試料のうち少なくとも１つを複数の
移動手段で支持し、探針と試料の相対位置をｎｍオーダ
に接近させ、トンネル電流を生じせしめ、かつ、探針で
試料面上を二次元に走査し、試料の三次元情報を観察す
る所謂、走査型トンネル顕微鏡において、二次元走査の
Ｘ，あるいは、Ｙ方向の走査信号の行きと帰りにおいて
、同一場所を走査し、その三次元情報を同一場所で比較
できる構成としたことを特徴とする走査型トンネル顕微
鏡の探針評価方法。