JPH0472505A - 走査型原子間力トンネル顕微鏡 - Google Patents

走査型原子間力トンネル顕微鏡

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JPH0472505A
JPH0472505A JP2186062A JP18606290A JPH0472505A JP H0472505 A JPH0472505 A JP H0472505A JP 2186062 A JP2186062 A JP 2186062A JP 18606290 A JP18606290 A JP 18606290A JP H0472505 A JPH0472505 A JP H0472505A
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cantilever
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tunneling microscope
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displacement
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Masaaki Niwa
正昭 丹羽
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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] 本発明は半導体プロセスや材料開発に用いられ、導電性
物質の表面の微小凹凸や電位分布の評価を行うための走
査型原子間力トンネル顕微鏡に関するものである。
〔従来の技術〕
従来導電性物質の表面の微小な凹凸は、例えばR,M、
Feenstra et al、; IBM Jour
nal of Re5earchand Develo
pen+ent Vol、30.No、5.p466、
September1986等に示されているように、
走査型トンネル顕微#(以下STMという)により評価
されていた。第3図は従来用いられていたSTMの原理
図である。本図において試料1上にはXYZ方向のピエ
ゾ素子2X、2V、2□から成り、探針3をXYZ方向
に駆動するピエゾ素子が設けられる。
このピエゾ素子はXY力方向XYドライバ4によって駆
動される。そして探針3と試料1の表面間にt源5より
電圧Vsを印加し、試料10表面と探針3との間を例え
ば10人程度の距離まで近接させると、双方の電子雲が
重なり合い、電圧Vsに対応してトンネル電流Itが流
れる。この探針3と試料1の表面との距離が一定となる
ように、即ちトンネルItが一定となるようにフィード
バック制御系6によって探針3とピエゾ素子2をZ方向
に上下動させる。こうしてピエゾ素子2のうちX方向の
ピエゾ素子2X、Y方向のピエゾ素子2Yによって探針
3を二次元的に走査してZ方向の駆動信号をデータスト
レージ7にストアすることにより、これらのピエゾ素子
2の変位成分を電気信号に変換して試料表面の凹凸情報
、即ち電子雲等の等ポテンシャル面を画像表示器8に表
示することができる。
〔発明が解決しようとする課B) しかしながら第3図に示すように試料1の表面に電荷9
が局在する場合には、そのクーロン力によって探針3が
反発又は吸引され、探針3を保持する垂直方向のピエゾ
素子2□が収縮し探針を上下に駆動することとなる。従
って実際の表面の凹凸は平坦であるにもかかわらず、例
えば第4図に示すようにあたかも凹凸が存在する如く表
示される場合がある。
一方原子間引力を利用した原子開力顕微鏡(以下AFM
という)は原理的には物質表面の電荷による電気的な影
響を受けることはなく、単純に物質表面の機械的な微小
凹凸を計測することができる。しかし物質表面の電気的
情報を得ることはできないという欠点があった。
本発明はこのような従来の走査型トンネル顕微鏡及び原
子開力顕微鏡の問題点に鑑みてなされたものであって、
試料表面に存在する凹凸と電荷領域とを識別して認識で
きるようにすることを技術的課題とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は上面がXY面と平行にXY子テーブル上保持さ
れた試料をχY力方向沿って微小区間駆動する駆動手段
と、XY子テーブル上隣接して設けられたベースに一端
が保持されたカンチレバーと、試料に対向してカンチレ
バーの先端部に設けられた導電性探針と、カンチレバー
の先端のXY子テーブル垂直なZ方向への変位を検出す
る変位検出手段と、カンチレバーを介して導電性探針と
試料との間に所定電圧を印加する電圧印加手段と、電圧
印加手段による電圧を断続するスイッチ手段と、駆動手
段による試料のXY力方向の移動時に変位検出手段によ
る変位を保持するデータストレージ部と、データストレ
ージ部のデータを表示する画像表示器と、を具備するこ
とを特徴とするものである。
又本発明はスイッチ手段のスイッチの開放及び閉成時の
各々についてデータストレージ部に得られるXX方向の
二次元画像データを減算する画像処理装置を有すること
を特徴とするものである。
〔作用〕
このような特徴を有する本発明によれば、AFM動作時
において探針と試料との間の原子間力に基づく変位を検
出して二次元凹凸プロフィールを得ている。そしてST
M動作時においてトンネル電流を一定に保つようにして
二次元凹凸プロフィールを得る。そしてこれらを画像処
理することによって電荷領域と表面の微小な凹凸を区別
して認識できるようにしている。
〔実施例〕
次に本発明の実施例について説明する。第1図は本発明
の一実施例による走査型原子間力トンネル顕微鏡の主要
部の構成を示す原理図である0本図においてベース11
上には一端が保持されたカンチレバー12が設けられ、
その下面には導電性材料から成る第1の導電性探針13
が設けられる。
カンチレバー12は下面が導電性材料12aによって形
成され、上面の一部にも金属フィルム12bが貼付され
ている。又ベース11上にはXY子テーブル4上に上面
をXY面と平行とした試料15が保持されている。そし
て導電性探針13には導電フィルム12aと試料15と
の間に電圧印加手段であるバイアス電源(電圧Vs) 
16 カスイッチ17を介して接続されている。
さてこの導電性探針13が植設されたカンチレバー12
の真上には金属製の第2の探針21がZ軸駆動手段であ
るピエゾ素子22に取付けられている。ピエゾ素子22
は探針21をX方向に移動させるものであり、探針21
と金属フィルム12bとの間には図示のように電圧Vs
2の第2の電圧印加手段であるバイアス電源23が接続
されている。そしてトンネル電流出力はA/D変換器2
4を介してフィードバック制御系25に与えられ、その
操作量に対応する制御量がD/A変換器26を介してピ
エゾ素子22に与えられ、探針21とカンチレバー12
の先端との間が所定の間隔となるように制御される。こ
こで探針21からD/A変換器26の各ブロックはカン
チレバー12の変位を計測する一次元の変位検出手段を
構成している。
さてA/D変換器24の出力はフィードバック制御系3
1にも与えられる。フィードバック制御系31はこの入
力を制御量としてD/A変換器32を介してXY子テー
ブル4のピエゾ素子33を駆動することによって試料1
5をX方向に移動させるものである。又XY子テーブル
4にはX方向及びX方向に試料を移動させるためのピエ
ゾ素子34.35が設けられる。ピエゾ素子34.35
は夫々XYドライバ36の出力がD/A変換器37.3
8を介して与えられ、試料をXX方向に移動させるもの
である。XYドライバ36の出力及びフィードバック制
御系31の出力は又データストレージ40に与えられる
。データストレージ40はこの二次元の画像情報を保持
するものであって、その出力は画像表示器41に直接与
えられ、更に画像処理装置42にも与えられる。画像処
理装置42は後述するように2つの画像データの減算を
行い、その結果を画像表示器41に表示するものである
。ここでピエゾ素子34.35及びD/A変換器37.
38とχYドライバ36とはXY子テーブル4上の試料
15をXX方向に駆動する駆動手段を構成している。
次に本実施例の動作について説明する。まずAFM動作
時にはスイッチ17を開放しXYドライバ36によって
ピエゾ素子34.35に電圧を印加し、XX方向に走査
する。そして試料15の微小な凹凸によってカンチレバ
ー12の先端の導電性探針13と試料15の表面とが数
人まで接近すると、両者の間に原子間力が作用し、カン
チレバー12に応力が加わってカンチレバー12は下方
にたわむ、このときバイアス電′s23によって流れる
トンネル電流Itを一定にするようにフィードバック制
御系25でピエゾ素子22をZ軸に沿って下方に伸ばす
ことによって探針21も下方に移動する。この電気信号
の変化を受けてカンチレバー12に加わる原子間力を一
定に保つようにフィードバック制御ブロック31によっ
てXY子テーブル4のピエゾ素子33への印加電圧を制
御する。こうすればデータストレージ40に試料表面の
微小凹凸に対応した凹凸のプロフィールが得られる。こ
のときXY子テーブル4に接続されたXYの各ピエゾ素
子34.35に印加される電圧信号によって試料15を
二次元的に移動させることによって第2図(a)に示す
ような二次元凹凸プロフィールを得ることができる。こ
の動作は物質量の原子間力を検知しているため、試料1
5の表面にトラップ等による電荷局在領域が存在してい
る場合でも凹凸プロフィールはその電気特性に影響され
ることはない。
こうしてAFMによる凹凸プロフィールを得た後、スイ
ッチ17を閉成しSTMによる動作を行わせる。この場
合には導電性探針13は導電性材n 12 aを介して
バイアス電源16からのバイアス電圧が印加されている
。従って試料15の走査中に導電性探針13が電荷局在
領域に到来すると、電荷局在領域の電荷に基づくクーロ
ン力によって反発し、導電性探針13は試料15の表面
から遠ざかる。従って微小な凹凸と電荷局在領域の影響
を受けた凹凸プロフィールが得られる。ここでAFM動
作時と同様に試料をXY力方向二次元的に移動させるこ
とによって、第2図(b)に示すような二次元凹凸プロ
フィールを得ることができる。このプロフィールはデー
タストレージ40に保持される。
このように1回の走査で第2図(a)に示すAFM像を
得た後2回目の走査で第2図(b)に示すSTM像を得
ることにより、同一の観察視野で微小凹凸だけの分布と
これを含む局在電荷分布のデータを得ることができる。
従って画像処理装置42によって第2図(a)のデータ
から第2図(b)に示すデータを減算することによって
第2図(C)で示される電荷局在領域だけに基づく電荷
分布プロフィールを得ることができる。
尚本実施例ではカンチレバー12の変位の計測を一次元
のトンネル顕微鏡を用いて行っているが、カンチレバー
1またわみの変位量はカンチレバーの表面に金属膜を塗
布し、その上方よりレーザビーム等を照射して反射光の
位!変化から検出するようにすることも可能である。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように本発明によれば、AFMモー
ドと37Mモードとを電気的に切換えて測定することに
よって、両者の画像データからトラップ等によって試料
表面に局在する電荷領域と表面の物理的な凹凸とを区別
して認識することができる。従って従来のSTMだけに
よる物質表面の微細凹凸評価結果をより正確に測定する
ことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による走査型原子間力トンネ
ル顕微鏡の構成を示すプロンク図、第2図はその結果得
られた試料表面の二次元凹凸分布を示す図、第3図は従
来のSTM動作を行う走査型トンネル顕微鏡の構成を示
す概略図、第4図はその電荷分布プロフィールを示す図
である。 器、 バイアス電源、  21 フィードバック制御系、 ピエゾ素子、  36 データストレージ、  4 42−−−一画像処理装置。 探針、 25 33.34 XYドライバ、 1  画像表示 特許出願人 松下電器産業株式会社 代 理 人 弁理士 岡本官喜 12−−−−カンチレバー  13−・・−導電性探針
、14−−−−−−X Y テーブル、  15−−一
試料、  16゜第 図 第 図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)カンチレバーに装着された導電性探針から成る走
    査型原子間力を用いた走査型トンネル顕微鏡。
  2. (2)上面がXY面と平行にXYテーブル上に保持され
    た試料をXY方向に沿って微小区間駆動する駆動手段と
    、 前記XYテーブル上に隣接して設けられたベースに一端
    が保持されたカンチレバーと、 前記試料に対向して前記カンチレバーの先端部に設けら
    れた導電性探針と、 前記カンチレバーの先端の前記XYテーブルに垂直なZ
    方向への変位を検出する変位検出手段と、前記カンチレ
    バーを介して前記導電性探針と試料との間に所定電圧を
    印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段による電圧
    を断続するスイッチ手段と、 前記駆動手段による試料のXY方向への移動時に前記変
    位検出手段による変位を保持するデータストレージ部と
    、 前記データストレージ部のデータを表示する画像表示器
    と、を具備することを特徴とする走査型原子間力トンネ
    ル顕微鏡。
  3. (3)前記スイッチ手段のスイッチの開放及び閉成時の
    夫々について前記データストレージ部に得られるXY方
    向の二次元画像データを減算する画像処理装置を有する
    ことを特徴とする請求項2記載の走査型原子間力トンネ
    ル顕微鏡。
  4. (4)前記変位検出手段は、 前記カンチレバーに対向して設けられた第2の探針と、 前記探針をZ軸方向に駆動するZ軸駆動手段と、前記第
    2の探針と前記カンチレバーの間に電圧を印加する第2
    の電圧印加手段と、 前記第2の探針とカンチレバーとを接近させたときに流
    れるトンネル電流を一定にすべく前記Z軸駆動手段を駆
    動するフィードバック制御系と、を具備することを特徴
    とする請求項2記載の走査型原子間力トンネル顕微鏡。
  5. (5)前記変位検出手段は前記カンチレバーに光を照射
    するレーザ光源と、 前記レーザ光源による反射光の反射位置を検出する位置
    検出手段と、を具備し、反射位置の変化に基づいてカン
    チレバーの変位を検出するものであることを特徴とする
    請求項2記載の走査型原子間力トンネル顕微鏡。
JP2186062A 1990-07-13 1990-07-13 走査型原子間力トンネル顕微鏡 Expired - Fee Related JPH0833296B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0868798A (ja) * 1994-08-30 1996-03-12 Shimadzu Corp 走査型プローブ顕微鏡

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62130302A (ja) * 1985-11-26 1987-06-12 インタ−ナショナル ビジネス マシ−ンズ コ−ポレ−ション サンプルの表面を検査する方法及び装置
JPH02128109A (ja) * 1988-11-08 1990-05-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 表面形状測定装置

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